DE1814986A1

DE1814986A1 - Pegeldetektor

Info

Publication number: DE1814986A1
Application number: DE19681814986
Authority: DE
Inventors: Stolman Steven David
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Bendix Corp
Priority date: 1967-12-18
Filing date: 1968-12-16
Publication date: 1969-08-21
Also published as: FR1597904A; GB1223627A; US3569739A

Description

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Patentanwälte

Dr. Inn. H fh.!.-.

The Bendix Corporation

Fisher Building München, 11. Dezember 1968

Detroit, Michigan, USA (Anwaltsakte M-5J52)

Pegeldetektor

Die Erfindung betrifft einen Pegeldetektor mit einem Funktionsverstärker, dem zum Vergleichen der Signalpegel an einem ersten Eingang unbekannte Signale und an einem zweiten Eingang variable Bezugssignale zugeführt werden, und an dem an zwei' weiteren Eingängen Leistungsstromquellen mit entgegengesetzter Polung angeschaltet sind. ;

Bekannte Schalteinrichtungen, die zum Auffinden des Pegels eines unbekannten Signales gegenüber einem Bezugssignal dienen, weisen eine Spannungshysterese mit einem festen Betrag auf. Wenn das Bezugssignal ansteigt, fällt die prozentuale Hysterese proportional ab. Es ist unerwünscht, daß dieser Effekt innerhalb eines großen Signalbereiches auftritt.

Die erfindungsgemäße Schalteinrichtung vermeidet diesen Mangel dadurch, daß ein Pegeldetektor mit einer konstanten prozentualen

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Hysterese geschaffen wird. Eine Schalteinrichtung mit konstanter prozentualer Spannungshysterese arbeitet auch dann befriedigend und weist eine hinreichende Stabilität auf, wenn dem umbekannten Signal Brummspannungen und Störsignale von Einschwingvorgänfc,en überlagert sind.

Der erfindungsgemäße Pegeldetektor ist mit einer Quelle für unbekannte Signale und mit einer Quelle für variable Bezugssignale verbunden, um diese Signale miteinander zu vergleichen. Der Vergleichsstufe sind weitere Schalteinrichtungen nachgeschaltet, die ein Ausgangssignal mit einem ersten logischen Wert abgeben, wenn das unbekannte Signal größer als dan Bezugssignal ist, und die ein Ausgangssignal mit einem anderen logischen Wert abgeben, wenn das unbekannte Signal geringer als das Bezugssignal ist. Das Spannungsniveau, an dem die weitere Schalteinrichtung von dem Ausgangs signal mit dem ersten logischen Wert auf das Ausgangssignal mit dem anderen logischen Wert umschaltet, ist unabhängig von dem Niveau des Bezugssignales.

Die Vergleichsstufe ist im wesentlichen ein Punktionsverstärker, der in einer ersten Richtung in seinen Sättigungszustand übergeht, wenn das unbekannte Signal geringer als das Bezugssignal ist, und der in der entgegengesetzten Richtung gesättigt ist, wenn das unbekannte Signal größer als das Bezu^ssignal ist. Die unbekannte Signalquelle ist mit dem ersten Eingang und die Bezugssignalquelle mi^J; dem zweiten Eingang des Verstärkers verbunden.

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Die prozentuale Hysterese eines FunktionsVerstärkers der oben beschriebenen Art ist als Quotient zwischen der Differenz der am zweiten Eingang des Verstärkers anliegenden Slp/naIe bei der Sättigung des Verstärkers in seiner ersten bzw. ,'-,einer zweiten Richtung und dem an der- zweiten Eingang des Verstärkers bei einer Sättigung in seiner ersten Richtung anliegenden Signal definiert. Bei der er firidun_t;s gern äßen Schalteinrichtung ist dieser Quotient unabhängig von dem Bezugssignal.

Der eifindungsgemäße Pegeldetektor ist dadurch gekennzeichnet, daß die am Ausgang des Verstärkers abgegebene Leistung auf seinen zwei ten Eingang durch eine den Stromfluß steuernde Einrichtung zurückgekoppelt wird. Diese Rückkopplung ist so an den Verstärker angeschaltet, daß eine leitende Verbindung an Erde geöffnet wird, wenn der Verstärker in seiner ersten Richtung gesättigt ist, und daß diese Erdleitung geschlossen wird, wenn der Verstärker in seiner anderen Richtung gesättigt ist. Die unbekannte Signalquelle und die Bezugssignalquelle sind mit dem Verstärker durch einen ersten und einen zweiten Widerstand verbunden, während die den Stromfluß steuernde Einrichtung in der Rückkopplung an den Verstärker durch einen dritten Widerstand angeschaltet ist. Unter dieser Bedingung ist die prozentuale Hysterese des Verstärkers eine feste Größe, die gleich dem Quotienten zwischen dem zweiten Widerstand und der Summe aus dem ersten und dem dritten Widerstand ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnung beschrieben, die das Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Pegeldetektors zeigt.

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Eine Signalquelle 2 gibt ein positives Gleichstromsignal E (gegebenenfalls ein demoduliertes Wechselstromsignal) ab, wie es beispielsweise in einer Flugüberwachungsanlage auftreten kann. In solch einer Anlage muß der Pegel des Signales E bezüglich einem positiven Gleichstromsbezugssignal E_R (bzw. bezüglich eines demodulierten Wechselstromsignales) variabler Größe bestimmt wird, das von einer Bezugssignalquelle 4 erzeugt wird. Das Signal E wird über einen Widerstand 10 einem invertierenden Eingang 6 eines Punktionsverstärkers 8 zugeführt, der einen hohen Verstärkungsgrad und eine hohe Eingangsimpedanz hat. Das Bezugssignal E_R wird über einen Widerstand 14 einem nichtinvertierenden Eingang 12 des Verstärkers 8 zugeführt. Der Widerstand 14 stellt die Impedanz der Bezugssignalquelle 4 dar.

Eine Gleichstromquelle, beispielsweise eine Batterie 16, ist mit ihrem negativen Pol mit einem Leistungseingang 18 des Punktionsverstärkers 8 verbunden und eine weitere Gleichstromquelle, beispielsweise eine Batterie 20, 1st mit ihrem positiven Pol an einen weiteren Leistungseingang 22 des Verstärkers 8 angeschaltet. Ein Kondensator 24 ist zur Frequenzkompensation mit den Eingängen 26 und 28 des Verstärkers 8 verbunden.

Ein Ausgang 20 des Verstärkers 8 liegt über einen Widerstand 32 an der Basis 34 eines NPN-Schalttransistors 36, dessen Kollektor 40 geerdet ist. Der Emitter 38 des Transistors 36 ist Über einen Widerstand 42 mit einem Knotenpunkt 43 verbunden,· der zwischen dem Widerstand 14 und dem Eingang 12 des Verstärkers 8 liegt.

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Ein logisches Netzwerk 44, das beispielsweise ein Rechner zur Plugüberwachung sein kann, ist über einen Widerstand 46 an einem Knotenpunkt 47 zwischen dsm Ausgang 50 des Verstärkers S und dem Widerstand 32 angeschaltet. Eine Begrenzungsdiode 48 ist an einem Knotenpunkt 49 zwischen dem Widerstand 46 und dem logischen Netzwerk 44 angeschaltet.

Wenn im Betrieb das Signal E von der Signalquelle 2 geringer als das Signal E_R von der Bezugssignalquelle 4 ist, ist der Punktionsverstärker 8 in seinem positiven Sättigungszustand., so daS am Ausgang 30 ein Signal mit dem logischen Wert "l" erzeugt wird. Dieses Signal kann beispielsweise +11 Volt haben. Zu diesem Zeitpunkt ist der Transistor 36 nicht leitend und die Strecke vom Emitter 38 des Transistors 36 an Erde ist geöffnet, wobei die Spannung am Eingang 12 des Verstärkers ?. den Wert E,. hat.

Wennjdas Signal E anwächst, so daß es annähernd dem Signal E_R entspricht, verläßt der Verstärker 8 seinen positiven Sattigungszustand und neigt dazu, in seinen negativen Sattigungszustand überzugehen. Das Signal E_R wirkt demnach als Trigger- oder Schaltsignal für den Verstärker 8. Da der Verstärker 8 einen hohen \"er-

tärkungsgrad hat, muß das Signal E das Signal E_R um ungefähr 1 Millivolt übersteigen, bevor der Verstärker 8 in seinen negaiven Sattigungszustand kippt.

tfenn der Verstärker 8 ins Negative geht, nimmt der Widerstand der Strecke ^ cm Emitter 38 des Transistors 36 zur Erde ab, und

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fr

am Eingang 12 des Verstärkers 8 eine Spannungsteilung auf. Nach dem der Umschaltvorgang beendet ist, d.h. wenn der Ve?i>: *>'« :ar 8 in seinem negativen Sättigungszustand ist, wobei am Ausgang J>0 ein Signal mit dein logischen Wert "Null", beispielsweise -11 Volt, abgegeben wird, ist die Strecke vom Emitter 38 ^sur Erde ein guter Kurzschluß. Pur die Spannung V₁₂ am Eingang 12 gilt dann:

E_R χ R_hn

V₁₂ =—S i^— -(ι).

^R42 ^{+ R}l4

Damit der Verstärker den Zustand negativer Sättigung verl/lßt und ins Positive geht, muß das Signal E νcn der Signalquelle 2 ungefähr gleich der Spannung V₁₂ sein, und in diesem Sinn ist die Spannung V₁₂ die Freigabe- oder "Abfall"-Spannung des Verstärkers

Die prozentuale Hysterese des erfindungsgemä3en Pegeldetektcrs kann daher wie folgt dargestellt werden:

χ ^R42

RT! j. T?
42 14 Hysterese =

^R

^R42

⁼ ι —

^R42 + ^Rl4

Hysterese = = ^—5— (2)

^R42 ^{+ R}l4

Aus der Gleichung (2) folgt, daß die prozentuale Hysterese 3inert konstanten Wert hat, der unabhängig von der Bezugsspanr· .-.-_. ':-.. ist

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Ir
Wenn die größte Genauigkeit des erfindungsgemäßen Pegeldetektors an dem Punkt verwirklicht sein soll, an dem der Verstärker 8 aus der negativen Sättigung in die positive übergeht, wird der Wert des Widerstandes R₁₀ so gewählt, daß er gleich den Gesamtwiderstand der Widerstände R^ und R^₂ in Parallelschaltung ist. Wenn andererseits die größte Genauigkeit an dem Arbeitspunkt gewünscht wird, an dem der Verstärker aus der positiven Sättigung kommt und in die Negative geht, wird der Widerstand R₁₀ gleich dem Widerstand R 2j. gemacht, wobei nur ein geringer Verlust an Genauigkeit beim entgegengesetzten Übergang (von minus nach plus) aufgrund der Stromversetzung an dem Verstärker 8 hingenommen werden muß.

Bei der Wahl des Widerstandes R₁₀ ist zu beachten, daß ein Strom von Erde zu den Eingängen 6 und 12 des Verstärkers fließt, wobei dieser Strom an beiden Eingängen im wesentlichen gleich ist.

Wenn daher verhindert werden soll, daß eine Versetzung am Eingang den Verstärker 8 beeinflußt, müssen die Widerstände, die von den Eingängen 6 und 12 an Erde führen (R₃₀ und R₁₂,), gleich groß gehalten werden. Offenbar muß man sich entscheiden, welcher Bedingung die größere Bedeutung zukommt; der Genauigkeit beim Anziehen des Verstärkers (Umschaltvorgang von plus nach minus) oder der Versetzung am Eingang des Verstärkers. Die Widerstände werden dann entsprechend gewählt.

Wenn der Transistor 36 in seiner umgekehrten Stellung betrieben wird, wie es in der Zeichnung gezeigt ist, dient er als ausge-

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zeichneter Schalter. PUr genügend negative Spannungen von dem Verstärker 8 stellt der Transistor 36 eine Kurzschlußverbindung vom Emitter 38 an den geerdeten Kollektor her. Bei einer positiven Spannung von dem Verstärker 8 ist der Transistor 36 offen. Es ist zu beachten, daß sowohl die Strecke vom Emitter 38 zum Kollektor 40 als auch die Strecke vom Emitter 38 zur Basis 34 offen ist.

Die erfindungsgemäße Schalteinrichtung ist nicht auf das gezeigte Ausführungsteispiel beschränkt. Beispielsweise kann die Einrichtung auch als variabler Schwellwertvergleicher dienen, wenn ein Differenzverstärker angeschaltet wird, der die absolute Differenz zwischen dem umbekannten Signal und dem Bezugssignal bildet.

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Claims

Patentansprüche

1. Pegeldetektor mit einem Funktionsverstärker, dem zum Vergleichen der Signalpegel an einem ersten Eingang unbekannte Signale und' an einem zweiten Eingang variable Bezugssignale zugeführt werden, und an dem an zwei weiteren Eingängen Leistungsstromquellen mit entgegengesetzter Polung angeschaltet sind., dadurch gekennzeichnet, da:3 "der Ausgang (30 )des Verstärkers (o) über eine den Stro:nflu3 steuernde Einrichtung (36) auf den'zweiten Eingang (12) des Verstärkers (U) zurückge-'ccppelt wird»

2. Pegeldetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Knotenpunkt (46) zwischen dem Ausgang (30) und der Einrichtung 06) mit einem logischen Netzwerk (44), beispiels-" weise einem Rechner für eine Plugzeugsteueranlage verbunden

ist.

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3· Pegeldetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine unbekannte Signalquelle (2) und eine variable flignalquelle (4) mit dem Verstärker (3) durch einen ersten (10) und einem zweiten (l4) Widerstand verbunden sind, und da'3 die Rückkopplung über einen dritten Widerstand (42) angeschlossen ist.

4. Pegeldetektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Widerstand (1O) gleich dem durch Parallelschaltung des ersten (14) und des dritten (42) Widerstandes entstehenden Widerstand ist.

5. Pegeldetektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dal?

der erste Widerstand (1O) und der zweite Widerstand (14) gleich sind.

6. Pegeldetektor nach Anspruch 1 und J>, dadurch /gekennzeichnet, dai3 die prozentuale Hysterese des Verstärkers (B) konstant und gleich dem Quotienten zwischen dem zweiten Widerstand (14) und der Summe des zweiten und des dritten Widerstandes (14,42) ist.

7. Pegeldetektor nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (36) einen Transistor aufweist, dessen Basis (34) mit dem Ausgang (30) des Verstärkers (o) verbunden ist., und dessen Kollektor (40) an Erde liegt.

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8. Pegeldetektor nach einem der Ansprüche 1 - J₃ dadurch gekennzeichnet, da3 der Verstärker (8) einen invertierenden Eingang (6) und einen nichtinvertierenden Eingang (12) aufweist, und daß die unbekannte Signalquelle (2) mit dem invertierenden Ein· gang (6) über den ersten Widerstand (1O) verbunden ist.

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L e e r s e i t e