DE1936511A1 - Funktionsgenerator - Google Patents

Description

--.?.ΐ:>;llGrint Stuttgart , den 14. Juli 1959

1.λ;;;.-ιο3 Jiircraft Coupany P 20C5 S/kg Gentinela and Tsale Street
Culver City, Calif., 7.St.Λ.

Funkt i ons gener ator

I'ie Erfindung besieht sich auf einen Funktionsgenerator .rar Erzeugung einer 17echselstronfunktion in Abhängigkeit ■/on einer analogen Ein^an^aspannung.

Die Vürv/ondung von Analog- und Digitalreeimern hat in den letzten Jahren wegen der hohen Gescav/indigkeit, mit der Rechner Probleme lösen können, gewaltig angenommen,

üin Analogrechner, der Viechaelstroia-Singangssignale und '..'echaolGtroE.-Ausgangssignale verwendetj gehört aur Klasse

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der Y/echselGtrom-Analogrechner, xvogegen ein Analogrechner, der mit Gleichstrom-Eingangssisnalen und Gleichstron-AusgangsSignalen arbeitet, don Gleichstrom-Analogrechnern zugerechnet wird. Ein Wechselüöroia-AnalOgrochnor ist einem Gleichstron-AnalGgrechner vorzuziehen, weil die Verwendung von "wechselst rora-Eingexngs- und Ausgangssignalen eine größere Genauigkeit gewahrleistet als die Verwendung von Gleichstrom-Eingangs- und-AuaGancssicnalen, was auf das i'ehlon von Driftstrünen und Spannun^Gfehlern in V/echselGtromreciinern zurück zufuhr en ist.

'.Vech.GGlGtror.i-Analogrechner kann in einer Anzahl verschiedener Operationaabschnittc uiit er teilt v/erden, die individuell bestiuiate Funktionen ausüben. Ein v/iclitiges Operations element ist der ]?uiiktions£ener&tor. Der Funktionsgenerator spricht auf eine analoge iiingangsspamiuiig an, die eine ^TJinkelgesch\7indij;keit oder -ntellung, eine Ziel- oder V/inaceGchv.-indiglceit, einen Abstand, eine Geschwindigkeit oder eine andere oignalini'oruation darstellen kann, indem er ein. Ausgangs-. signal erzeugt, das sich angenähert genüß einer ge-

vninGchten matheiaatischen Funktion der analogen Eingciigs spannung ändert« Dieses Ausgange signal des Funktionsgeiiarators kann mit entsprechenden Ausgangssignalen anderer Oper at ions abschnitte des liochnors i:oi..bir.iert v/orden, dasiit ein Ausgangs signal des liocimers entsteht, das die Lösung eines komplizierten nataenatischen Probleus darstellt oder unmittelbar ' einem bteuersysten beliebiger Art zugeführt v/erden

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kann, beispielsweise zun Zwecke der Lenkung, der Produkt ions3teuerun£;, Bteuerun-j von Verarbuitun^svorGänycn, Feuerleitung usv/. Hin Beispiel für oino iailitaricche Anwendung des jiuiiktionfs^Gncra-uors irre die Bildung einea Bi^ales, das zur Korrektion, der i*zinu"OiitGlluiiG einer llaiionc "bei einer ilndoruixj der v/indßGGchv/indickeit "benutat wird. ^Cin Beispiel für eine kom.iorziolle Anv/end^inf; des FmiktionaEenerator^ ist die ErzeuG^iG eines Si[5nalBc, daa zur otcuorur.j den öchnittwiiikels "bei einen Produlc'uioiijvor^.un^ in iiL"bhUni3i[5köi1; von einer analoGcu verwandet wird.

Bekannte FiuxktionsGeneratoren sind iii denen eine ^leiüliciorichtate Ein ν coo" ωΐ oder eine Ii)in£u-_iiSs-Gleichspanr_iur.,£ ν in oiv.o Gleiciiatroufunktion Av + 3 umjjev/andelt wird, die ilxr aoita zur Hrzeutjimg einer "..'echselstroufxiiikuion. Av oon W t + B moduliert wird. Diese Weciiselstronfunlction muß dann gefiltert werden, daiiit ein sinusfüriai{5es V/echoelütroia-Aus^an[jüüi(jn;il erhalten v/ird. Die Uodulation der Gleichstroi..-Au3ijanjöiuiu:tion und das Filtern der resultierenden Vocliselatroufunktion kann in die ^/echsolcbrou-Aua^iai ja funktion erhebliche

einführen.

j Goi;eiMrürti[- ist kein Y/

bekannt, rat den ein Uechselstrori-Sinsan^saignal ν cos Q oder ein Gleichstrou-EinGö^Gs^iGnal ν unnittel"bar in einor weciiaeistruiafunktion Av cos Wt + B ohne die I.o:- viondiGkcit einer Iiodulation der Gleichütronfunktion uvä des j?il"Csir:is der resultitii" '.'en Wechselstroafunlcticii ui.i>jewaii<. olo werden könnte.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen L.jngel zu beheben und einen kompakten, v/irtscliaftlichen und genau arbeitenden Y/echaelstrora-FunktioiiG-generator zu schaffen, dessen Ausgangssignal die gewünschte V/echselstronfunlction einer analogen Eingangsapannung durch gerade Kurvenabschnitte annähert.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß der Funktionsgenerator einen Verstärker zur Erzeugung einer Spannung, die sich als !funktion der analogen Eingangsspannung ändert, eine Anzahl von Schalteinrichtungen zur- selektiven Erzeugung einer Anzahl von Schaltspannungen als Funktion der Eingangsspannung, zv/ei Sätze von Y/iderstandszweigen, die selektiv zwischen den Verstärker und die Anzahl von Schaltern eingeschaltet sind, eine erste Schaltungsanordnung, die die analoge Eingangsspannung empfängt und parallel mit jedem einzelnen der genannten Schalter sowie mit dem ersten Satz der Widerstandszweige verbunden ist, und eine zweite Schaltungsanordnung, die eine Bezugsspannung empfängt und mit dem zweiten Satz von Y/iderstandszweigen sowie mit der Anzahl von Sehalteinrichtungen verbunden ist, von denen jede Schalteinrichtung selektiv auf den Empfang der Bezugs spannung und die analoge Eingangsspannung anspricht, um eine der Schaltspannungen su erzeugen, umfaßt und daß die beiden Sätze von \7iderstandszweigen selektiv auf die Anzahl der Sehaltspannungen, die analoge Eingangsspannung und die Bezugsspannung ansprechen und den Verstärkungsfaktor des Verstärkers

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derart verändern, daß der Verstärker ein Ausgangssignal erzeugt, das eine Wechselstramfunktion der Amplitude der analogen Eingangs spannung ist.

Y/eitore Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind der folgenden Beschreibung au entnehmen, in der die Erfindung - anhand des in der Zeichnung dargestellten Jmsführungsbeispieles näher beschrieben und erläutert wird« Die der Beschreibung und der Zeichnung au entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausfuhrungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden„ Es zeigen " . .

Pigο 1 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Annäherung einer mathematischen Funktion durch geradlinige Kurvenabschnitte,

Figo 2 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Technik der "optimalen geradlinigen Annäherung", angewendet auf einen Abschnitt des Diagrammes nach Pigo 1, und

Pigo 3 ein schematisches Schaltbild eines Funktionsgenerators nach der Erfindung.

Ivlit dem Punktions generator nach Pig. 5 können viele Arten von Signal-Segmentfunktionen erzeugt werden, die mit einem minimalen Fehler eine stetige mathematische Funktion annähern. Die einzige Beschränkung bezüglich der Punktionen, die der Punktionsgenerator erzeugen

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kanii, besteht darin, daß der Anstieg der Punktion ,-— niemals sein Zeichen wechselt, damit eine luehrdeutig— keit zwischen der Variablen und ihrer Funktion vermieden v/irde Das Diagramm nach Fig. 1 veranschaulicht die Annäherung der gewünschten !funktion y = xⁿ durch Signalsegmente, in der m eine reelle Zahl und χ die Variable ist, für welche die Funktion x^m abgeleitet v/erden soll. Der Anstieg*und die Länge jedes der in Fig. 1 dargestellten Kurvensegmente 11, 13» 15 und 17 ist durch die !Technik der mathematischen Approximation bestimmt, die als "optimale geradlinige Annäherung" und auch als "Methode der kleinsten Quadrate" bekannt ist. Die Knickpunkte A, B und C stellen die \7erte längs der horizontalen oder x-Achse des Diagrammes an den Schnittpunkten zwischen den Kurvenabschnitten 11 und 13 bzvr. 13 und 15 bzw, 15 und 17 dar« An diesen Knickstellen schaltet die approximierte Ausgangsfunktion £(x) oder der y-V/ert der gewünschten Funktion y =.x von einem Kurvensegiaent zum anderen um. Der Schnittpunkt der Verlängerungen der Kurvensegmente 11, 13» 15 un<i 17 mit der y- oder Vertikalachse ist jeweils durch die y-Schiiittwerte b^, b₂, "b^ und b^ gegeben.

Die ITormalgleichung für eins Gerade ist y = ax + b. Damit diese Gleichung jedes der Kurvensegmente nach Fig. 1 beschreibt, kann sie wie folgt geschrieben werden:

y = fi^-x + h_±.

In dieser Gleichung ist i eine ganze Zahl'zwischen * 1 und n, wenn η die Gesamtzahl der gewünschten Kurvenabschnitte bezeichnet»

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Da y β f(x), hat für die Kurvensegmente 11, 15, 15 mid 17 die Funktion f(x) die V/erte a.x + Td_x,, a₂x + Td₂, a-,χ + "b_? und a^x + b^. Obwohl nur vier Kurvensegiiente ■ dargestellt sind, verstellt es sich, daß eine größere Genauigkeit der Kurvenannäherung durch die VerVrendur^: einer Größeren Anzahl von Kurvensegnenten, die sich der stetigen Kurve der gewünschten mathematischen Funktion besser anschmiegen, erreicht werden kann· Der IPaktor a. des Gliedes a.x stellt den Anstieg der geraden Gleichung dar und ist gegeben durch a,,, a , a, und a^· Das Glied b. stellt den Schnittpunkt der Verlängerung jedes Kurvonsegmentes mit der y-Achse dar und ist gegeben durch die y-Schnittwerte b^.., b_2l b, und.b^. Der Wert der V/echselstroiafunlction von y ist gleich den 1/ert auf der y-Ächse für *3eden gegebenen ΐ/ert auf der x-ikchse·

Fig. 2 veranschaulicht einen vergrößerten Abschnitt des Biagramnes nach Fig. 1 zur besseren Beschreibung der oben erwähnten ieclinik der "oi^tinalen geradlinigen Annäherung¹¹· Viie ersichtlich, sclinoidet das ilurvensegment 15 die stetige Kurve nach der Gleichung y = zi^ in den vertikalen Projektionen der Punkte D und 12. lie vertikalen Projektionen der Knickpunkte A und B cchiieiden das Kurvensegment 1'J und die stetige Fiinlction y β χΡ, Kach der !Technik der "optimalen geradlinigen Annäherung" ist das Kurvensegiaent 15 so gezogen, daß en die stetige Kurve y *= x¹¹¹ derart schneidet, dalt die von dem Kurvenscgiaent 15 und der stetigen Kurvö y = ::"' im Bereich zwischen der vertikalen Projektionen der

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Punkte D und E eingeschlossene Fläche gleich dc-r *" Suuue der Flächen ist, die von dem Ivurvonsegrriüiit \'j und der stetigen Kurve y = xⁿ zwischen den vertikalon Projektionen der Punkte A und D sowie zwischen den vertikalen Projektionen der Punkte Ξ und B eingeschlossen v/ird. Diese Beziehung ist durch die Gleic/iunj

E E D D

J (a₂x + b₂) dx - J x^m dx = J 2cⁿ dx - J (ap;c + Td₂)CL:: + D D A A'

B B

j χΓ" dx - Γ (apX + bp)di:

E ' E

gegebene Die gleiche i'echnik wurde dazu benutzt, die anderen Kurvenoegaente 1Ί, 15 unc! 17 abauleiten, und es hat infolgedessen die Annäherung der Funktion £(>:) in den gewünschten Grenzen einen minimalen Fehler. Sobald der Anstieg und die y-Schnittwerte für jedes der Kurvensegmente 11, 131 15 und 17 nach dieser ieelmik bestimmt sind, können die Schaltungsanordnungen so gestaltet werden, daß sie die gewünschte Ausgangsfunktion erzeugen»

Fig. 3 veranschaulicht einen Funktionsgenerator, der zur Erzeugung jeder beliebigen Funktion mittels einer Anzahl von Kurvensegmenten ermöglicht, sofern die Funktion nicht das Vorzeichen ihres Anstieges wechselt. Dies bedeutet, daß die Ausgangsfunktion einer variablen analogen Eingangs spannung nur einen einzigen V/ert für einen bestimmten Wert der EingangsSpannung aufweist.

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Der Funktionsgenerator nach.Fig. 3 umfaßt einen Knickpunktwähler 19 und ein geschaltetes Widerstandsnetzwerk 21, das eine Anzahl von Widerstandszweigen enthält, die in Abhängigkeit vonAusgangssignalen, die von dem Knickpunktwähler 19 geliefert v/erden, selektiv summiert werden. Die selektiv summierten. Widerstände v/erden mit dem Eingang eines Operationsverstärkers 2p verbunden, um dessen Verstärkungsfaktor annähernd gemäß der gewünschten Funktion, wie beispielsweise der in Figo 1 dargestellten Funktion x^m, zu verändern.

Die analoge Eingangs spannung für den Funktionsgenerator wird von einer konstanten 3ezugs~- spannungsquelle abgeleitete Wenn beispielsweise das Ausgangssignal eine Funktion der Entfernung eines Zieles sein soll, dann wird bei der Llaxiinal entfernung, ein maximaler Anteil der konstanten Bezugsspannung als analoge Eingangsspannung zugeführt_o Bei der Minimalentfernung wird ein minimaler Anteil der konstanten Bezugsspannung als analoge Eingangsspannung verwendet. Uittlere Entfernungen würden dann mittlere Anteile der konstanten Bezugsspannung erzeugen» Eine Weise zur Ableitung von Entfernungsinformationen besteht darin, einen Zähler zur gleichen Zeit v/ie einen Radarsender durch einen Impuls anzustoßen, so daß,der Zähler in bestimmten Zeitintervallen aufeinanderfolgende Digitalimpulse zählt, bis der Empfang eines Zielechos das Zählen beendet. Die Digitalinformation könnte dann mit Hilfe eines Digital-Analog-Umsetzers in eine Analogspannung umgewandelt werden. Die konstante Bezugs-

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spannung könnte dann die Maximalentfernung darstellen ■und es könnte die analoge Eingangsspannung abgeleitet werden, indem ein bestimmter Anteil der konstanten Bezugs spannung verwendet wird. Wenn die konstante Bezugs spannung eine Y/echselapannunc ist, dann muß die analoge Eingangsspannung eine mit der Besugsspanniing phasenkohärente Wechselspannung sein· Es müssen jedoch entweder beides Wechselspannungen oder beides Gleichspannungen sein, denn es* sind beide Spannungen voneinander abgeleitet.

Der Funktionsgenerator nach Fig. 3 kann enty/eder mit einer Gleichspannung oder einer Viechselspannung als analoger Eingangsspannung verwendet werden* Bei einer analogen Wechsel-Eingangsspannung befindet sich ein Vierfach-Umschalter 2$ in der Wechselstromsteller^, so daß sowohl die an der Eingangskienme 27 sugeführte analoge Eingangs-Wechselspannung als auch die an der Kleiame 29 zugeführte Bezugswechsel spannung nit Hilfe von Präzisionsgleichrichtern 31 und- 33 in Ausgangs-Gleichspannungen umgesetzt werden können, die dem Effektivwert der entsprechenden Wechselspannungen proportional sind. Der Präzisionsgleichrichter 31 w erzeugt eine positive Ausgangs-Gleichspanmeig, der Präzisionsgleichrichter 33 eine negative Gleichspannung erzeugt. Wegen der Wirkungsweise des geschalteten Widerstandsnetzwerkes 21 können, in dieseii netzwerk Wechsel spannungen verwendet v/erden, ohne daß sie in Gleichspannungen umgesetzt werden müssten. Daher wird dem geschalteten Widerstandsnetzwerk 21 die analoge

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Eingangs-Wechselspannung von der Klemme 27 über den Schalter 25 unmittelbar zugeführt. Die Bezugswechselspannung an der Klemme 29 wird über den Schalter 25 einem.Inverter 54 zugeführt und darin invertiert, bovor sie dem geschalteten Widerstandsnetzwerk 21 zugeführt wird» denn es verlangt der richtige Betrieb des Funktionsgenerators, daß zwischen der analogen iüiiic^^rJ--Y/echs el spannung und der Bezugswechsel spannung· eine Phasenverschiebung von 180° besteht, bevor diese Spannungen dem geschalteten Widerstandsnetzwerk 21 zugeführt werden. Diese Forderung des Systems beruht auf der Tatsache, daß die Gleichungen für jedes Paar einander benachbarter Kurvensegmente, V7ie sie in Fig. 1 dargestellt sind_t im Schnittpunkt A, B nüer G gleich sein müssen.«,

Bei einer positiven analogen Eingangs-G-leiclispannuiig und einer konstanten positiven Beaugsgleichspaniiung befindet sich der Schalter 25 in der Gleichstrom-Stellung, wie sie in Fig. 3 veranschaulicht ist. Bei der oben erwähnten V»echselstromstellung ist der Vieriacii-Uittschaltea? 25 aus der in Fig. 3 veranschaulichten Stellung umgeschaltet· Box der Gleichstromsteilung des Schalters 25 wird die-positive analoge üiiiüangs-Gleichspannung unmittelbar von der Eingangskleir^e 55 über den Schalter 25 dom läiickpunlctwähler 19 und den (jeschaJltöten V/idörstanäsnetav*erk 21 zugeführt. Die konstante, positive Bezugsgleichspannung wird über einen Inverter 59 dem Knickpunktvvähler 19 und über don Inverter 5^ dem geschalteten Widerstandanetswerk 21 zugeführt, denn es wird für den richtigen Botrieb

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des ICnickpunktwahlers 19 und- des geschalteten T/iderstandsnetzwcrkes 21 aus den oben angegebenen Gründen eine negative Bezugsgleichspannung benötigt·

Die Sclialtungsanordnung nach i'ig. 3 wird iu folgenden für die Verwendung einer analogen Eingangs-G-leichcpannimg und einer Bezugsgleichspannung beschrieben. Aus den vorhergehenden und den folgenden Erläuterungen wird deutlich, wie dar Funktionsgenerator bei Vorliegen einer analogen Eingangs-Vechselspannung und ^ einer konstanten Be augswe cha el spannung arbeiten ^ würde. - ·

Der Iöiickpunktwähler 19 enthält eine Anzahl von Operationsverstärkern 41, 43 und 45. Jeder Operationsverstärker hat einen invertierenden Eingang 2, einen nic.itinvertierenden Eingang 3 und einen Ausgang 6. Ein ^T./idorstand 47 verbindet den nichtinvertierenden Eingang nit !.lasse, um den Vorspannungsstromfehler auf einem I.Iinii:;un zu halten, der Operationsverstärkern eigen ist. Vergleichs schaltungen, die jeweils aus V/iderständen 4-9 und 51, 53 ¹^cL 55 bzw. 57 und 59 bestehen, sind über den ochalter 25 parallel zwischen die Eingangskienne 35 und den .ausgang des Inverters 39 G^es°haltet und dienen zum Smpfang und zum Vergleich der analogen Eingangs-Gleichspannung und der invertierten konstanten Bezugsgieichspannung. Die Verbindungsstellen der Widerstände einer jeden Vergleichsschaltung sind jeweils mit einen der invertierenden Eingänge der Operationsverstärker 4-1, 43 und 45 verbunden. Jeder der Operationsverstärker 41, 43 und 45 erzeugt ein negatives Ausgangs signal, wenn

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seinem invertierenden Eingang eine positive Spannung zugeführt wird. Bei einem sich entfernenden Ziel niui/.t die Entfernung und infolgedessen die Amplitude der analogen Eingangs spannung zu„ Die Größe der Widerstände ^9j 51» 53» 55» 37 und 59 ist so gewählt, daß bei einer fortlaufenden Zunahme der Entfernung zunächst der Operationsverstärker 41, dann, bei einer weiteren Zunahi-ve der Entfernung, als nächster der Operationsverstärker 4j> und endlich, wenn die Entfernung noch weiter anwächst, der Operationsverstärker 4-5 eingeschaltet wird»

Diese aufeinanderfolgende Inbetriebnahme kann durch eine solche Wahl der Werte der Widerstände ersielt werden-, daß sie die folgende Beziehung erfüllend

Widerstand 49; / Widerstand 53 / Widerstand- 57 Widerstand 51 ^ Widerstand 55 ^ Widerstandes

Eine andere Llöglichkeit, durch die dieser Polgebetrieb erreicht werden konnte, besteht darin, die Y/iderstänae 515 55 und 59 sowie die Widerstände 4-7 jedes Operationsverstärkers zu entfernen und den nichtinvertierenden Eingängen (3) der Operationsverstärker 41, 43 und 45 unmittelbar negative (invertierte) Beaugsspannungen -V., -Vp u¹^ ~V-z verschiedener Amplitude zuzuführen» Die Amplituden der verschiedenen Bezugsspannungen sind so gewählt, daß -V^ ./ -Vp <^ -V^o Wenn bei diesen Verhältnissen die analoge Eingangsspannung den Absolutwert der Amplitude von -VV. überschreitet, wird der Operationsverstärker 41 eingeschaltet. In gleicher Weise wird als nächster der Operationsverstärker 43 eingeschaltet, wenn die Amplitude der analogen Eingangs-

O / β

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spannung weiter anwächst und die absolute Amplitude von -Vp überschreitet« Wenn die Amplitude dea analogen Eingangssignales endlich die absolute Amplitude von -V, leicht überschreitet, wird als letzter der Operationsverstärker 45 eingeschaltet.

Die Einschaltpunkte für den aufeinanderfolgenden Betrieb der Operationsverstärker 41, 43 und 45 werdou erreicht, wenn die analoge Eingangsspannung nacheinander die Schnittpunkt spannungen V. , Y-g und v~ überschreitet, die durch die Punkte A₁ B und 0 in Fig.: 1 veranschaulicht werden. Es soll weiterhin die x-Ach.se des Diagramms nach 3?ig. 1 die analoge Eingangs Spannung und die y-Achse dieses ßiagramraes die gewünschte matheLiatische Funktion der analogen Eingangs spannung darstellen« Wenn das Spannungsniveau V. von der analogen Singan-gsspannung überschritten wird, die beispielsweise eine Entfernung darstellen kann, wird die Ausgangespannut des Operationsverstärkers 41 niedrig oder negativ. 2ei dem Operationsverstärker kann es sich um einen liochleistungs-Operationsverstärker von ϊτρ 3? air child /λΛ.709 handeln, der von der Fairchild Semiconductor Corporation hergestellt v/ird und in deren Handbuch "Fairchild Semiconductor Linear Integrated Circuits, Application Handbook, 1967" beschrieben und dargestellt ist. Das Ausgangssignal de3 Operationsverstärkers 41 wird über einen Widerstand 61 der Basis eines pnp-Sransistors zugeführt, um den Q?ransistor 63 einzuschalten und au bewirken, daß durch den Spannungsabfall am Kollektorwiderstand 65 die Kollektorspannung von einem negativen Wert zu einem positiven Wert wechselt. Die positive

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BAD ORiGfNAL

Signalspannung, die am Kollektor de3 Transistors 63 abgenommen wird, wird im folgenden, "als das erste Schalt- oder Knickpunkt-wahlsignal ^"_swyj "bezeichnet.

Wenn infolge einer v/eiteren Zunahme der Zie!entfernung die analoge Eingangsspannung das Spaunungsniveau V^ überschreitet, wird das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 4-3 niedrig oder negativ» Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 4-5 wird über einen V/iderstand 67 der, Basis eines pnp-Transistors 69 zugeführt, um den Transistor 69 einzuschalten und zu bewirken, daß die Spannung an Kollektorwiderstand 71 sich von einem negativen in einen positiven Wert änder Die positive Signalspannung, die am Kollektor des Transistors 69 abgegriffen wird, v/ird im folgenden als das zweite Sshalt» oder KhxGkptuiku-Wählslsiial "Vp ^ezeichnet·

Sollte die Sielentfernung weiter anwachsen, wächst auch die Spannung an·. Wenn die analoge Eingangs spannung das üpannungsniveau V„ überschreitet, das durch den Punkt G in Fig. Λ veranschaulicht ist, v/ird das Ausgangs signal des Operationsverstärkers 45 niedrig oder negativ. Das Ausgangs signal des Operationsverstärkers 4-5 wird über einen Widerstand 73 eier Basis eines pnp-Transistors 75 zugeführt, um diesen Transistor einzuschalten. Bei leitendem Transistor 75 ändert eicli die *ix>annun^ an Kollektorwiderstand 77 von einem negativen du einem positiven Wert. Die am Kollektor des Transistors 75 abgegriffene positive Signalspamiun^ wird iu folgenden als das dritte Schalt- oder ICnickpunkt-Y/äiilsignal V_„2·

uv.;?

bezeichnet·

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Diese Schalt- oder Knickpunkt-Üählsignale V_ -, V__T<fO und V-, werden dem Widerstandsnetzwerk 21 zugeführt, um den Verstärkungsfaktor des Operationsverstärkers 25 selektiv zu verändern.

Das Widerstandsnetzwerk 21 enthält einen ersten Satz paralleler "Widernstandszweige 79» denen die analoge Eingangsspannung zugeführt wird und die auf die Schaltsignale V- Vp und V , zum Einstellen der Anstiegsverstärkung ansprechen, d.h. des Anstiegsfaktors a. des Gliedes a.x der Approximation der Funktion f(x)» die" ar; Ausgang des Operationsverstärkers 23 erzeugt wird. Der Faktor χ des Gliedes a.x ist die analoge Eingangsspannung, die über den Schalter 25 einem Widerstand 81 und den Kathoden von Feldeffekt-Transistoren 83» 85 und 87 zugeführt wird. Diese analoge Eingangsspannung oder der Faktor χ hat in Verbindung.mit dem Widerstand, der den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 23 durch den ersten Satz paralleler Widerstandazweige 79 angeboten wird, durch die vorher beschriebene Arbeitsweise der Schaltungsanordnung die Erzeugung des Gliedes a.x der Funktion f(x), die am Ausgang des Operationsverstärkers 23 gebildet wird, zum Ergebnis. Das Widerstandsnetzwerk 21 enthält noch einen zweiten Satz paralleler V/iderstandszweige 89, die gemeinsam über den Inverter 34 und den Schalter 25 mit der Klemrie 37 ver-

"4

bunden sind, um die Bezugsspannung zu empfangen, und die auf die Bezugs spannung und die Schaltsignale V_gw,j,

verstärkung so vorzuspannen, daß die y-Achse in den

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yvSchnittpunkten (Spannungsamplituden) b,,, b~, b₇ und b^_ [sgschnitt;en wird, wie es Fig. 1 zeigt. Die y-Schnittspannung b. liegt vor, "bevor das erste Schalt signal V ^. erzeugt wird, denn sie ist ein Teil der Gleichung a.x + tides KurvensegmeirböG 11. Die Erzeugung des Gliedes b. der Funktion f(x)» das die Schnittspannungen "b., b~, b_y und b^i repräsentiert, am Ausgang des Operationsverstärkers 23 wird durch die Wirkung des Widerstandes erzielt, der dem invertierenden Eingang (2) des Operationsverstärkers 23 von dem zweiten Satz paralleler Widerstandszweige in Zusammenwirken mit der Bezugsspannung angeboten wird.

V/enn die Amplitude der einer Entfernung analogen Eingangsspannung kleiner ist als diejenige der ersten Schaltspannung V •»> sind nur der Anstiegswiderstand und ein Schnittpunktswiderstand 91 mit den Eingang des Operationsverstärkers 23 verbunden, denn es liegen keine positiven Schaltsignale V V» V -p- oder"" V 3 vor, die einen, der Flächeneffektti'ansistoren einschalten könnten, die sowohl in dem ersten Satz paralleler widerstandszweige 79 als auch in dem zweiten Satz paralleler Widerstandszweige 89 vorhanden sind. Infolgedessen wird das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 23 durch die Gleichung f(x) = a.x + b^ des Kurvensegmentes 11 beschrieben.

Der Operationsverstärker 23 enthält einen Verstärker 93» beispielsweise einen Verstärker von dem oben erwähnten Typ _/w.A7O9₎ und weist einen Rucklcopplungswiderstand 95 auf, der seinen Ausgang (6) mit seinem invertierenden Eingang (2) verbindet. Außerdem ist der nichtinvertierende Eingang (3) übe?? einen Widerstand 97 mit einem Bezugs-

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potential verbunden, um den Vorspannungsstromfehler auf einem Minimum zu halten, der solchen Operationsverstärkern eigen ist» Die Kombination des Anstiegswiderstandes 81 und des Schnittpunktswiderstandes 91 hat die V/irkung eines den Verstärkungsfaktor bestimmenden Widerstandes, so daß die Verstärkung des Operationsverstärkers dem Verhältnis des Widerstgndswertes des Rüokkopplungswiderstandes 95« zur Summe der parallelen Widerstandswerte des Anstiegswiderstandes 81 j der an der analogen Eingangsspannung anliegt, und des Schnitt-Punktswiderstandes 91» der an der Bezugsspannung anliegt, proportional ist·

Unter diesen Bedingungen erzeugt der Funktionsgenerator dasLiniensegment 11 nach Fig. 1, "bis die ansteigende analoge Eingangsspannung die Schnittpunktsspannung V^ erreicht, die in Fig. T durch den Punkt A dargestellt ist. Wenn die Amplitude der analogen Eingangsspannung die Schnittpunktsspannung V. überschreitet, wird von dem Knickpurüctwähler 19 das positive Schalt- oder Enickpunkt-Wählsignal V /. erzeugt und es wird dieses Signal über Widerstände 99 land 101 den Gattelektroden der Flächentransistoren 83 und 103 des ersten Satzes paralleler Widerstandszweige' 79 und des zweiten Satzes paralleler Widerstandszweige 89 zugeführt, um diese Feldeffektransistoren einzuschalten. Die Summe der parallel geschalteten Widerstandswerte des Widerstandes 81 und des Widerstandszweiges, einschließlich des Widerstandes zwischen der Kathode und der Anode des eingeschalteten Feldeffektransistors 83 und des Widerstandes 1Q5 reduziert den effektiven Eingangswiderstand des

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Operationsverstärkers 23, wodurch der Anstieß des Kurvenoegiaenteo 13 zwischen den Schnittspannungen V^ lind Vg, die in Piß, 1 als Punkte A und B dargestellt sind, erhöht v/ird· Außerdem wirkt für die Schnittpunkts-Vorspannung die Sunmie der parallelen Widerstandswerte des Widerstandes 91 "und des Widerstandszweiges, der den Widerstand zwischen der Kathode und der Anode des eingeschalteten Flächeneffekt-Transistors 103 und den Widerstand 107 uiafaßt, auf die Bezugsspannung, um die Verstärkung des Operationsverstärkers 23 so vorzuspannen, daß eine Projektion des Kurvonsegraentes 13 die y-Achse des Diagraiiu.ies nach Fig. 1 im y-Schnittpunkt bp schneidet.

In gleicher Weise wird der Kurvenabschnitt 15 zwischen den Schnittspannungen V^ und V„, die in Fig. 1 als Punkte B und O dargestellt sind, gebildet, wenn das positive Schalt- oder Knickpunkt-Wühlsignal Vo ^von dem Knickpunktwähler 19 erzeugt und über Widerstände 108 lind 109 den Gattelektroden der Flächentransistoren 65 und 111 zugeführt wird. Das positive Schaltsignal ^Vsw2 ^Βθ1ι{3ι1*^β* ^⁶ Flächeneffekt-Transistoren 95 und ein, so daß ihre entsprechenden Kathoden-Anoden-Widoretände und die Widerstände 113 und 115 den vorher beschriebenen Widerstandszweigen parallel geschaltet werden^ um weiter den Eingangswiderstand des Operationsverstärkers 23 zu reduzieren und.dadurch den Anstieg des Kurvonsegmentes 15 zwischen den Spannungsniveaus V,, und Vq au erhöhen» die in Fig. 1 durch die Punkte B und O veranschaulicht sind. Weiterhin wird dann in Zusammenwirken mit der Bezugsspannung die

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Verstärkung des Operat ionsv er stärker s 23 weiter vorgosi>annt, so daß eine Projektion des Kurvensegmentes die y-Achse de3 Diagramuies nach Fig. 1 im y-Schnittpunkt b₇ schneidet.

Das übrige Kurvensegraent 17» das der durch, den Punkt in Ii¹X(J. 1 dargestellten Schnittpunlctsspannung Vq folgt, wird gebildet, wenn das positive Schalt- oder ICnickpunkt-Wählsignal V von dem Knickpunktwähler 19 erzeugt uiW durch die Widerstände 117 und 119 der Gr-ttelektrode der Feldeffekttransistoren 87 und 121 zugeführt wird, um die Feldeffekttransistoren einzuschalten. Die Widerstandszwoige, die den Widerstand zwischen der Kathode und der Anode des Feldeffekttransistors 87 bzw. 121 und die Widerstände 125 bzw. 125 enthalten, werden jeweils »zu den vorher beschrieben Widerständen parallel geschaltet, um weiterhin die Verstärkung des Operationsverstärkers 23 zu erhöhen und den Operationsverstärker weiterhin so vorzuspannen, daß die Verlängerung des Kurvenseginentes 17 die y-Achse iia Punkt b^, schneidet, wie es in Fig. 1 angedeutet ist.

is soll erneut betont werden, daß es möglich ist, die Genauigkeit der Kurvenapproximation mit Hilfe des erfindungsgeinäßen Funktionsgenerators zu erhöhen^ indem für jedes zusätzlich gewünschte Kurvensegment eine zusätzliche Vergleichsschaltung, eine zusätzliche Operationsverstärker- und Transistorschaltung für den Knickpunktwähler 19 und ein zusätzlicher V/iderstandszvAeig im ersten und in zweiten Satz paralleler Widerstandszweige 79 und 89 mit je einem Flächeneffekt-Sransistor und einem Widerstand vorgesehen werden. Die Beschränkung

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auf vier Kurvensegmonte bei dem dargostellten Ausführungsbeispiel erfolgte nur zur Vereinfachung der Darstellung. Die Erzeugung zusätzlicher Kurvensegiaonte und zusätzlicher Knickstellen würde die gewünschte· stetige Kurve, die die geforderte Funktion wiedergibt, besser annähern. Das resultierende Ausgangssignal e_Q am Ausgang des Operationsverstärkers 23 entspricht angenähert der Funktion f(x). Aus der vorhergehenden Beschreibung kann demnach geschlossen werden, daß die. Gleichung für jedes gegebene Kurvensegiaent durch die folgende allgemeine Gleichung wiedergegeben werden kann

In dieser Gleichung i3t

* 6q das der Funktion f(x) entsprechende Ausgangssignal des Operationsverstärkers 23

Rqc der Wert des Rückkopplungswiderstandes 95 im Operationsverstärker 23

Rnq der Ausgangswiderstand, der von dein ersten üatz, paralleler Widerstandszweige 79 gebildet wird, während das gegebene Kurvensegment erzeugt,wird,

Ej. die analoge Eingangs spannung, die χ oder irgend eine Größe, beispielsweise eine Entfernung, darstellt, für die die Funktion gebildet werden soll,

R_or. der Ausgangswiderstand, der von dem zweiten Ö9

Satz paralleler Widerstandszweige 89 gebildet wird, während das gegebene Kurvensegment erzeugt wird, und

Ep die Bezugsspannung. . ''

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Bei abnehmender Entfernung, wie sie durch ein Ziel bedingt ist, das sich von der Maximalentfernung in Richtung auf die Minimalentfernung bewegt, würde die analoge Eingangsspannung abnehmen und es würde das Ausgangssignal e_Q des Operationsverstärkers 23 umgekehrt zu der vorher beschriebenen Weise sich vom Kurvensegment 17 zum Kurvensegment 15 usw. verändern.

Der vorstehend beschriebene Funktionsgenerator könnte im Rahmen der Erfindung so verändert werden, daß der ^ Knickpunktwähler 19 für jede gegebene Amplitude einer ■ analogen Eingangsspannung nur eines der Schaltsignale ^Vsw1> ^sw2 ^unci ^sw3 ^ana'^ba"^t;'^{b der} Kombination von Schaltaignalen V_sw1, Y^ und .V_ßw2 sowie V^ und V^ und V ,, wenn die analoge Eingangsspannung beispielsweise bei zunehmender Entfernung eines Zieles ansteigt· Eine solche Änderung würde natürlich auch eine Änderung in der Größe der Widerstände in dem geschalteten Widerstandsnetzwerk 21 bedingen, denn es ist bei jeder Entfernung nur ein Widerstandszweig des ersten Satzes paralleler Y/iderstandszweige 79 und nur ein Widerstandszweig des zweiten Satzes paralleler V/iderstandszweige mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers ψ 23 verbunden, um das Ausgangssignal Oq zu erzeugen. Bei dem oben beschriebenen Funktionsgenerator hat die fortlaufende Addition oder Subtraktion der parallelen Widerstände durch das aufeinanderfolgende Ein- und Ausschalten der von den Feldeffekttransistoren gebildeten Schalter den Schaltungsaufbau vereinfacht, jedoch auch die Erzeugung von Kurven auf solche beschränkt, die ⁱ einen fortlaufend zunehmenden oder fortlaufend abnehmenden

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Anstieg haben. Mit einem modifizierten Funktionsgenerator können auch Funktionen erzeugt werden, die nicht einen fortlaufend zunehmenden oder fortlaufend abnehmenden Anstieg haben, weil der Anstieg a. und der y-Schnittpunkt bi für Jedes Kurvensegstent durch die Verwendung unabhängiger Zweigwiderotände unabhängig voneinander gewählt werden können·

Durch die Erfindung wird demnach ein Wechselstrom-Funktionegenerator geschaffen, der eine Knickpuiikt-Wählsckaltung umfaßt, die in Abhängigkeit von variablen Wechselstrom- oder Grleichstrom-Eingangssignalen eingeschaltetes Widerstandsnetzwerk befähigen, selektiv Widerstandszweige im Eingangskreis eines Verstärkers ein- oder auszuschalten und dadurch den Verstärkungsfaktor so zu verändern, daß dos Ausgangssignal des Verstärkers die gewünschte Wechselstroiafmilction des analogen Eingangssignales durch geradlinige Kurvensegraente annähert.

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Claims (12)

1. - 24- Patentansprüche

   Funktionsgenerator zur Erzeugung einer Wechselstromfunktion in Abhängigkeit von einer analogen Eingangsspannung, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Verstärker (23) zur Erzeugung einer Spannung, die sich ale Funktion der analogen Eingangsspannung ändert, eine Anzahl von Schalteinrichtungen (19) zur selektiven Erzeugung einer Anzahl von Schaltspannungen als Funktion der Eingangsspannung, zwei Sätze von Widerstandszweigen (79 und 89), die selektiv zwischen den Verstärker (23) und die Anzahl von Schalteinrichtungen (19) einschaltbar sind, eine erste Schaltungsanordnung (31» 25), die die analoge Eingangsspannung empfängt und parallel Jedem einseinen der genannten Schalteinrichtungen (19) und dem ersten Satz der Widerotandczweige (79) zuführt, und eine zweite Schaltungsanordnung (33, 39» 25), die eine Bezugsspannung empfängt und dem zweiten Satz von V/iderstandszweigen (89) sowie der Anzahl von Schalteinrichtungen (19) zuführt, -von denen jede Schalteinrichtung selektiv auf den Empfang der Bezugsspannung und die analoge Eingangs-spannung anspricht, um eine der Schaltspannungen zu erzeugen, umfaßt und daß die beiden Sätze von Widerstandszweigen.(79 und 89) selektiv auf die Anzahl der Schaltspannungen, die analoge Eingangsspannung, und die Bezugsspannung ansprechen und den Verstärkungsfaktor des Verstärkers (23) derart verändern, daß der Verstärker ein Ausgangssignal erzeugt, das eine Wechselstromfunktion der Amplitude der analogen Eingangsspannung ist· ■

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2. 2. ITunktionsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die zweite Schaltungsanordnung eine dritte Schaltungsanordnung zum Empfang einer Anzahl von Bezugsspannungen umfaßt, die verschiedene, vorgewählte Amplituden aufweisen und den Schalteinrichtungen zugeführt werden, von denen jede zur Erzeugung einer der Schaltspannungen auf"die. Amplitude der analogen Eingangsspannung anspricht, die die Amplitude der zugeführten Besugsspannung überschreitet,
3. J. Funktionsgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er weiterhin eine Anzahl von Vergleichsschaltungen (4-9 bis 59) umfaßt, die sowohl mit der ersten als auch mit der zweiten Schaltungsanordnung verbunden sind und zum Vergleich der ihnen von den beiden Schaltungsanordnungen zugeführten Eingangs- und Bezugs spannungen dienen und von denen jede einen mit einer entsprechenden der Schalteinrichtungen Verbundenen Ausgang aufweist, und daß jede Schalteinrichtung auf zwei verschiedenen lliveaus der Spannung an dem Ausgang anspricht und beim ersten Niveau eine Schaltspannung erzeugt und beim zweiten ITiveau die Erzeugung der Schaltspannung beendet·
4. 4_e Funktionsgenerator nach Anspruch J, dadurch gekennzeichnet, daß {jede Vergleichsschaltung zwei Widerstände (4-9, 51» 55» 555 57» 59) umfaßt, die zwischen die.erste und die zweite Schaltungsanordnung eingeschaltet sindj während siGh der Ausgang an der Yer-■ bindungsstelle zwischen den beiden Widerständen befindet .

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5. 5· Funktionsgenerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Größenverhältnis der beiden ■ Wi der stände (ζ·Β. 49 und 51) Jeder Vergleichs-' schaltung so gewählt ist, daß jede Schalteinrichtung (z.B. 41, 63) eine Schaltspannung erzeugt, wenn die am ersten Widerstand abfallende Spannung die am zweiten Widerstand abfallende Spannung übersteigt.
6. 6. Funktionsgenerator nach einem der vorhergehenden

   Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Wider- ^ standszweig des ersten Satzes von Widerstandszweigen ^ (79) einem entsprechenden Widers tandszvreig. des zweiten Satzes von Widerstandszweigen (89) parallel geschaltet ist und daß jeder Widerstandszweig sowohl des ersten als auch des zweiten Satzes einen mit dem Verstärker (25) verbundenen Ausgangowiderstand (z.B. 105) und einen zwischen den Ausgangswiderstand und eine entsprechende Schalteinrichtung (z.B. 41, 63) der genannten Anzahl von Sehalteinrichtungen (19) eingeschalteten Schalter (z.B. 83) umfaßt.
7. 7· Funktionsgenerator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Schalter (z.B. 83) von einer ψ Halbleiteranordnung mit drei Elektroden gebildet wird, von denen jede der ersten Elektroden zum Empfang einer Schaltspannung mit einer der Schalteinrichtungen (z.B. 41, 63)» jede der zweiten Elektroden mit dem Verstärker (23)i jede der dritten Elektroden der Halbleiteranordnungen des ersten Satzes von Widerstandsssweigen (79) zum Empfang der analogen Eingangsspannung mit der ersten Schaltungsanordnung und jede der dritten Elektroden der Halbleiteranordnungen des

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   zweiten Satzes von Widerstandszweigen (89) sum Empfang der Bezugsspannung mit der zweiten Schaltungsanordnung verbunden ist.
8. 8· Funktionsgenerator nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet , daß ,jede der Halbleiteranordnungen (z.B. 85) von einem Feldeffekt-Transistor gebildet wird·
9. 9· Funktionsgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (25) einen Operationsverstärker (95) umfaßt, der einen invertierenden Eingang (2), der mit den beiden'Sätzen von Widerstandszweigen (79 · und 89) verbunden ist, und einen Ausgang (6) zur Erzeugung des Ausgangssignales aufweist, das eine Wechselstromfunktion der Amplitude des analogen Eingangssignales ist.
10. 10· Funktionsgenerator nach den Ansprüchen 7 und 9» dadurch gekennzeichnet, daß der invertierende Eingang (2) des Operationsverstärkers (25) mit der zweiten Elektrode der Halbleiteranordnungen (z.B. 85) verbunden ist.
11. 11· Funktionsgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Schalteinrichtungen einen Operationsverstärker (z.B. 41) mit einem zwischen die erste und die zweite Schaltungsanordnung eingeschalteten Eingang (2) und einem Ausgang (6) und einen mit dem Ausgang

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    des Operationsverstärkers und (je einem ausgewählten Zweig des ersten und des zweiten Satzes der Widerstandszweige (79 bzw. 89) verbundene Transistorschal tung (z.B. 63) umfaßt und der Operationsverstärker (z.B. 4-1) auf eine Spannungsdifferenz zwischen der analogen Eingangs spannung und der Bezugsspannung anspricht und die zugeordnete Transistorschaltung (z.B. 63) veranlaßt, eine der Sehaltspannungen zu erzeugen.
12. 12. Funktionsgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Schaltungsanordnung zum Trahlweisen Empfang von Wechsel- oder Gleichspannungen eingerichtet sind, die zweite Schaltungsanordnung einen Inverter (39) zur Inversion der Bezugsspannung für den Fall aufweist, daß die Bezugs spannung eine Gleichspannung ist, die erste Schaltungsanordnung einen ersten Gleichrichter (31) enthält, der die der Anzahl von Schalteinrichtungen (19) zugeführte analoge Eingangs spannung in eine Gleichspannung umwandelt, deren Amplitude dem Effektivwert der analogen * Eingangs spannung folgt, wenn diese Eingangs spannung eine Wechselspannung ist, und daß die zweite Schaltungsanordnung einen zweiten Gleichrichter (33) unfaßt, der die der Anzahl von Schalteinrichtungen (19) zugeführte Bezugs spannung in eine Gleichspannung umwandelt, deren Amplitude dem Effektivwert der Bezugsspannung folgt, wenn diese Bezugsspannimg eine Wechselspannung ist·

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    Λ SAD

    L e e r s e i t e