DE1944951A1

DE1944951A1 - Teilerschaltung,insbesondere zum Dividieren eines Flugzustandssignals durch ein anderes Flugzustandssignal

Info

Publication number: DE1944951A1
Application number: DE19691944951
Authority: DE
Inventors: Yareck Michael J Staten Island
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Bendix Corp
Priority date: 1968-09-04
Filing date: 1969-09-04
Publication date: 1970-03-12
Also published as: FR2020526A1; GB1247310A; US3550022A; CA924814A; FR2020526B1

Description

The Bendix Corporation

Fisher Building

Detroit, Michigan/USA H. September 1969

Anwaltsakte M-847

Teilerschaltung, insbesondere zum Dividieren eines Flugzustandssignals durch ein anderes Flugzustandssignal

Die Erfindung betrifft eine Teilerschaltung, insbesondere zum Dividieren eines Flugzustandssignales durch ein anderes Flugzustandssignal in einem Flugregler mit zwei Signalquellen und einer Bezugssignalquelle.

In Rechen- oder Steueranlagen ist es häufig erforderlich, ein Signal durch ein anderes Signal zu teilen. Wenn es sich bei der Anlage beispielsweise um einen komplizierten Flugregler handelt, ist Genauigkeit eine der wichtigsten Erfordernisse.

Bekannte Schaltungen, die nach einem logarithmischen oder quadratischen Gesetz arbeitende Einrichtungen mit nicht linearen Elementen verwenden, haben nicht die erforderliche Genauigkeit. Auch die digitale Technik wird bereits verwendet, ist jedoch wegen der Kompliziertheit der Schaltung nicht erwünscht.

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Es ist die'Aufgabe der Erfindung, eine Teilerschaltung zu schaffen, die gegenüber bekannten Schaltungen eine erhöhte Genauigkeit, Linearität und Stabilität aufweist. Die erfindungsgemäße Schaltung enthält einen Vergleicher, einen Integrator, einen spannungsgesteuerten Schalter und einen Filter. Der Vergleicher tastet das Ausgangssignal des Integrators ab und aktiviert den Schalter als Funktion desselben. Der Schalter führt eine vorbestimmte Bezugsspannung zusätzlich dem Integrator zu, wodurch das Ausgangssignal des Integrators in die umgekehrte Richtung getrieben und eine Schleife geschlossen . wird, die einen freilaufenden Oszillator bildet, der ein Sägezahn-Ausgangssignal mit einer zu dem ersten Eingangssignal proportionalen Wellenform erzeugt. Ein zweites Eingangssignal wird einem Verstärker aufgeschaltet und der Schalter tastet das Ausgangssignal des Verstärkers mit dem selben Arbeitszyklus aus, so daß ein Impuls mit einer dem Ausgangssignal des Verstärkers entsprechenden Amplitude und einem dem ersten Eingangssignal proportionalen Arbeitszyklus abgegeben wird. Das Äusgangssignal der Schaltstufe wird in den Verstärker durch eine negative Rückkopplung zurückgeführt, um das Ausgangssignal des Verstärkers so zu beeinflussen, daß es dem zweiten Eingangssignal dividiert durch das erste Eingangssignal entspricht.

Bei der Erfindung werden in vorteilhafter V/eise die Kennlinien eines Rechenverstärkers verwendet', um eine wesentlich vereinfachte Teilerschaltung zu schaffen.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind Mxttel zum Erzeugen eines Sägezhan-Ausgangssignal als Funktion eines

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ersten Eingangssignales und eine durch das Sägezahn-Ausgangssignal gesteuerte Einrichtung zum Austasten des Ausgangssignals eines Rechenverstärkers vorgesehen, der in Abhängigkeit von dem zweiten Eingangssignal durch die negative Rückkopplung dem Verstärker zugeführt wird, so daß das Verstärker-Ausgangssignal dem zweiten Eingangssignal dividiert durch das erste Eingangssignal entspricht.

Erfindungsgemäß wird in einer einzigen geschlossenen Schleife ein Generator für ein Sägezahn-Ausgangssignal als Referenzsignal und ein Vergleicher vorgesehen, der das Eingangssignal mit dem Referenzsignal vergleicht, um eine Impulsbreitemodulation zu erreichen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand der beiliegenden Zeichnunpen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Teilerschaltung;

Fig. 2 ein Schematisches Blockschaltbild wobei die Teile des in Fig. 1 gezeigten Blockschaltbilds im einzelnen dargestellt sind;-

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Wellenform eines Ausgangssignals von einem Vergleicher l^ü, der erfindungsgemäß vorgesehen und in den Fign. 1 und 2 gezeigt ist;

Fig. 4 eine graphische ?arstellung eines Säeezahn-Ausgangssignals von einem Integrator 12, der erfindungsgemäit vorgesehen

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und in den Fign. 1 und 2 gezeigt ist;

Fig. 5 eine graphische Darstellung eines Impuls-Ausgangssignals von einer Schaltstufe 6, die erfindungsgemäße vorgesehen und in den Fign. 1 und 2 gezeigt ist.

Eine Signalquelle 2 (Fig. 1) gibt ein Signal E-. und eine Signalquelle 4 ein Signal E_ ab. Die Signale E. und E_ können beispielsweise Flugzustandssignale sein. Es soll ein Signal erzeugt werden, das dem Quotienten aus dem Signal E„ dividiert durch das Signal E. entspricht und in einem Flugregler verwendet werden soll.

Das Signal E₁ von der Signalquelle 2 wird einer Additionsstufe und das Signal E« von der Signalquelle H einer Dämpfungsstufe und von dort einem nicht invertierenden Eingang 11 eines Verstärkers 13 mit hohem Verstärkungsgrad zugeführt. Der Verstärker hat einei invertierenden Eingang 15 und einen Ausgang 17. Der Verstärker 13 gibt ein Ausgangssignal E am Ausgang 17 ab, das an einem normalerweise offenen Kontakt H einer Schaltstufe 6 ansteht. Eine Quelle für negativen Gleichstrom, beispielsweise eine Batterie 28, ist an einen normalerweise offenen Kontakt der Schaltstufe 6 angeschaltet, der normalerweise mit der Additionsstufe 8 verbunden ist.

Ein Integrator ist mit einem invertierenden Eingang 19 an die Additionsstufe 8 angeschaltet und weist einen geerdeten nicht invertierenden Eingang 21 und einen Ausgang 2 3 auf. Das- Aus-

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gangssignal von dem Integrator 12 an dem Ausgang 2 3 liegt an einem nicht invertierenden Eingang 29 eines Vergleichers 14, der einen geerdeten invertierenden Eingang 25 und einen Ausgang 27 hat. Der Vergleicher 14 vergleicht die Polarität des Ausgangssignals von dem Integrator 12 gegenüber Erde und gibt am Ausgang 27 in Abhängigkeit von diesem Vergleich ein Ausgangssignal ab, das über eine Diode 16 an ein Relais 18 abgegeben wird, das in der Schaltungsstufe 6 vorgesehen ist. Wenn das Relais 18 durch das Ausgangssignal des Vergleichers 14 erregt wird, wie im folgenden beschrieben wird, werden die normalerweise offenen Kontakte 4 und Io der Schaltstufe 6 geschlossen und ein geerdeter, normalerweise geschlossener Kontakt 2o der Schaltstufe 6 wird geöffnet.

Wenn der Kontakt Io der Schaltstufe 6 geschlossen wird, wird die negative Spannung von der Batterie 28 und das Signal E₁ von der Signalquelle 2 durch die.Additionsstufe aufsummiert und das Summensignal wird an den invertierenden Eingang 19 des Integrators 12 abgegeben. Der Ausgang des Integrators 12 wird in die umgekehrte Richtung getrieben und eine Schleife wird geschlossen, die einen freilaufenden Oszillator bildet, um eine graphisch in Fig. 4 dargestellte Wellenform am Ausgangsanschluß 2 3 des Integrators 14 zu erzeugen. Wie noch beschrieben wird,ist der Arbeitszyklus des Sägezahns aus Fig. 4 linear porpo-rtional zu dem Signal E. von der Signalquelle 2.

Das Sägezahn-Ausgangssignal von dem Integrator 12 wird einem nicht invertierenden Eingang 29 des Vergleichers 14 zugeführt, der die Polarität dieses Ausgangssignales mit der Erde vergleicht, bereits erwähnt wurde, und einen Impuls mit einer graphisch ^:

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in Fig. 3 gezeigten Wellenform erzeugt, um das Relais 18 zu betätigen, um die Schaltkontakte U, Io und 2o zu öffnen und zu schließen und das Signal E von dem Ausgang des Verstärkers 13 auszutasten.

Wenn der Kontakt M- der Schaltstufe 6 durch das Relais 18 geschlossen wird, wird das Signal E von dem Verstärker 13 mit demselben Arbeitszyklus wie das Sägezahn-Ausgangssignal ausgetastet, so daß der Ausgang der Schaltstufe 6 ein Impuls mit einer graphisch in Fig. 5 gezeigten Wellenform ist. Der Impuls hat eine Amplitude E und einen Arbeitszyklus proportional zu dem Signal E^. Der Impuls wird einem Filter 27 zugeführt, der ein Ausgangssignal abgibt, das gjeich dem Mittelwert des Impulses und daher proportional zu dem Produkt aus E. und E„ ist, wie in der eigenen deutschen Patentanmeldung P gezeigt ist.

In Fig. 2 sind die Schaltstufe 6, der Filter 27, der Integrator 12, der Vergleicher 11 und die Dämpfungsstufe 9 im einzelnen dargestellt, und die Schaltkontakte 4, Io und 2o der Schaltstufe 6 sind als Feldeffekttransistoren 4A, loA und 2oA respektive dargestellt.

Daher wird die Polarität des in Fig. 3 gezeigten Ausgangssignals eines Rechenverstärkers 31 in dem Vergleicher IH seine Polarität um, wenn das durch die Sägezahn-Wellenform in Fig. M- dargestellte Ausgangssignal eines Verstärkers 22 in dem Integrator 12 das ! Hystereseniveau des Verstärkers 31 überäeigt. Das Hystereseniveau entspricht der Sättigungsspannung des Verstärkers 31 multipli-

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ziert mit dem Verhältnis der Widerstände 24, 26, 3o und 32 in der positiven Rückkopplung des Verstärkers 31. Bezeichnet man die Sättigungsspannung des Verstärkers 31 mit A., so kann die Hysterese H desselben wie folgt ausgedrückt werden:

+ ^R19 ^R?u

^R+R

H = Ia (-=—Ü ) (

^{1 R}3o^+R32 ^R26^+R2U

Bezeichnet man das Ausgangssignal des Verstärkers 22 mit A₀, so schaltet der Verstärker 31 so um, daß sein Ausgangssignal die Polarität ändert, wenn das Ausgangssignal des Verstärkers 22 multipliziert mit dem Verhältnis der Widerstände R_₄ und R₂₆ gleich der Hysterese des Verstärkers 14- ist, dann gilt:

R_0K +

A₀ (« TTT-) = -H- (2)

^{2 R}26 ^{+ R}24

Wenn das Ausgangssignal des Verstärkers 31 positiv ist, wird der Transistor loA abgeschaltet, der Transistor 22A ist leitend und der Transistor UA ist abgeschaltet und der Verstärker 22 wird in negative Sättigung getrieben. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, daß das Signal E₁ von der Signalquelle 2 auf positive Spannungen beschränkt ist, wenn nicht eine Vorspannung zusätzlich in den Integrator 1-2 eingegeben wird.

Wenn das Aüsr,anr.ssienal des Verstärkers 22 den Hysteresewert des Verstärkers 31 erreicht, der durch die Gleichung (1) gegeben ist, ändert das Ausgangssignal des Verstärkers 31 seine Polarität, so daß die Transistoren loA und UA leitend und der Transistor 2oÄ nicht leitend wird. Der Integrator 12 wird dann von . ,

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dem Summensignal getrieben, das aus der negativen Spannung und von der Batterie 28 und dem Signal E₁ von der Signalquelle 2 aufsummiert wird. Der Transistor 2oA wird daher abwechselnd leit end und nicht leitend durch das Umschalten der Verstärker 31 und 22, so daß das Ausgangssignal der Schaltstufe 6, das über dem Transistor 2oA liegt, die graphisch in Fig. 5 gezeigte Wellenform hat.

Der Filter 27 gibt eh Ausgangssignal ab, das dem Mittelwert über dem Transistor 2oA entspricht und gleich dem Produkt der Amplitude des Signales E und dem Arbeitszyklus der graphisch in Fig.5 gezeigten Wellenform ist. Diese Beziehung kann wie folgt ausgedrückt werden:

^E27 = ^Eo ⁽ifb⁾

Wenn der Arbeitszyklus (a/a+b) durch die Steigung der Sägezahnwellenform von Fig. 4 ausgedrückt wird, wobei diese Steigung eine Funktion der Widerstände 4o und 42, der Kapazität 44 und der Spannung der Batterie 28 ist, ist zu ersehen, daß das Ausgangssignal des Filters 27 proportional dem Produkt der Signale und E ist und wie folgt ausgedrückt wird: '

worin k der Proportionalitätsfaktor ist.

Es ist zu beachten, daß der Bereich der Spannungen E., für die die erfindungsgemäße Teilerschaltung in ihrem aktiven Bereich bleibt, eine Funktion des Größenverhältnisses des Widerstandes

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Uo, der die Signalquelle 2 mit der Additionsstufe 8 verbindet, und des Widerstandes 42 ist, der den Transistor loA mit der Additionsstufe 8 verbindet. Die Betriebsgrenze der Einrichtung wird erreicht, wenn die Steigung des graphisch in Fig. 4 gezeigten Sägezahnes gleich Mull sind. Das Ausgangssignal des Filters 27 steht an dem invertierenden Eingang 15 des Verstärkers 13 an. Der Verstärker 13 gibt ein Signal E ab, das der Differenz zwischen dem Signal von der Dämpfungsstufe 9, das an dem nicht invertierenden Eingang 11 desselben ansteht, und dem Ausgangssignal des Filters 27 entspricht, das dem invertierenden Eingang 15 zugeführt wird. Dieses Ausgangssignal kann wie folgt dargestellt werden:

E_o = K₂E₂-K₁E₁E₀; E_Q = j^f^— (5)

Unter der Annahme, daß IG sehr viel größer als 1 ist, ergibt sich für das Ausgangssignal E_Q des Verstärkers 13:

^E2
^E = ^{K (6)}

Aus der vorhergehenden Beschreibung geht hervor, daß ein Sägezahnoszillator vorgesehen ist, um ein Bezugssignal zu liefern, und es sind Mittel vorhanden, um das Signal E mit diesem Bezugssignal zu vergleichen, wodurch eine Modulation der Impulsbreite erzielt wird. Der Sägezahn-Oszillator und die Modulationseinrichtung sind in einer einzigen geschlossenen Schleife vorgesehen, Ferner ist die Schaltstufe 6 mit großer Einfachheit verwirklicht, da sie nur auf die Polarität des Ausgangssignales von dem Integrator 12 anspricht und praktisch keine Einstellungen

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notwendig sind, um eine Genauigkeit von mehr als - 5% in einem Temperaturbereich von -55°C bis loo°C einzuhalten. Außerdem kann der Bereich der Eingangsspannungen und des Proportionalitätsf aktors K in weiten Grenzen verändert werden, wobei nur eine minimale Abänderung der Schaltungsteile notwendig ist.

- Io -

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Claims

Patentanwalt« Dr· !ng. H. Nsg Dipl. !ng. H. Hauck Dipl. Phys. W. Schmitz β MiInOm* 15, Moxertitr. 23 The Bendix Corporation. Τ·ι. 5380586 Fisher Building Detroit, Michigan/USA 4. September 1969 Anwaltsakte M-84 7 Patentansprüche

1. Teilerschaltung, insbesondere zum Dividieren eines Flugzustandssignales durch-ein anderes Flugzustandssignal in einem Flugregler mit zwei Signalquellen und einer Bezugssignalquelle, gekennzeichnet durch einen mit den Ausgang der ersten Signalquelle(2) verbundenen Integrator, einen mit dem Ausgang des Integrators (12) verbundenen Vergleicher (li-)nit einem zweiten geerdeten Hingang (25), einen mit dem Aus»'.anς der zweiten Signalquelle (4) verbundenen Verstärker, eine Schaltstufe (6), die mit dem Integrator (12), dem Vergleicher (14), der Bezugssignalquelle (28) und dem Verstärker (13) verbunden ist und auf ein vorbestinmtes Ausgangssignal des Vergleichers anspricht, um die Pezur.ssignalquelle (28) mit dem Finrang des Integrators (12) zu verbinden und d'en Verstärker (13) während derselben Zeitdauer durch eine negative Pückkcrplung auszutasten.

2. Tcilerschaltunr, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleicher (14) einen VerstHrker (31) mit einer, geerdeten invertierenden EingangsansehluÄ (25) und einem nicht ir.ver-

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tierenden Eingangsanschluß (29), einen ersten Widerstand (24) zwischen dem nicht invertierenden Eingangsanschluß (29) und dem Ausgang (23) des Integrators (12), einen zweiten und dritten Widerstand (3o) bzw. (32), die in Reihe zwischen dem Ausgang des Vergleichers und Erde geschaltet sind, und einen vierten Widerstand (26) aufweist, der zwischen dem nicht invertierenden Eingangsanschluß (29) und einem Punkt zwischen dem zweiten und dritten Widerstand angeschaltet ist.

3. Teilerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrator (12) einen Verstärker (2 2) mit einem geerdeten, nicht invertierenden Eingangsanschluß (21), einen invertierenden Eingangsanschluß (19), der mit der Schaltstufe (6) und mit der ersten Signalstufe (2) verbunden ist, und eine Rückkopplungskapazität (44) aufweist, die zwischen dem Ausgangsanschluß (2 3) und dem invertierenden Eingangsanschluß (19) des Verstärkers (22) angeschaltet ist.

4. Teilerschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der invertierende Eingangsanschluß (19) des Verstärkers (22) mit der ersten Signalquelle (2) durch einen fünften Widerstand (4o) und mit der Schaltstufe (6) durch einen sechsten Widerstand (42) verbunden ist, der die Steigung des Sägezahnsignals beeinflußt; das am Ausgang des Verstärkers (22) der Integrierstufe erscheint.

5. Teilerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (13) einen nicht invertierenden, mit der zweiten Signalquelle (4) verbundenen Eingangsanschluß (11), einen

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invertierenden Eingangsanschlviß (15) und einen Ausgangsanschluß (17) aufweist, wobei die beiden letzteren mit der Schaltstufe (6) durch eine negative Rückkopplung verbunden sind.

6. Teilerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltstufe. (6) ein normalerweise offenes erstes, mit dem Integrator (12) und der Bezugssignalquelle (28) verbundenes Schaltelement (lo, loA), ein normalerweise offenes zweites, in der negativen Rückkopplung vorgesehenes Schaltelement (4, 4A) und ein normalerweise geschlossenes und geerdetes drittes Schaltelement (2o, 2oA) aufweist, wobei das gemeinsame Steuerelement (18) für die drei Schaltelemente an dem Ausgangsanschluß (27) des Vergleichers (14) angeschaltet ist.

7. Teilerschaltung nach den Ansprüchen 1, 5 und 6 _s dadurch gekennzeichnet, daß die nejptive Rückkopplung einen Filter (27) aufweist, dessen Eingang sowohl mit dem zweiten Schaltelement (4, 4a) als auch mit dem dritten Schaltelement (2oJ verbunden ist und dessen Ausgang mit dem invertierenden Eingangsanschluß (15) des Verstärkers (13) verbunden ist.

8. Teilerschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Signalquelle (2) und die Schaltstufe (6) mit dem invertierenden Eingangsanschluß (19) des Verstärkers (22) durch eine Addition"?stufe (8) verbunden sind.

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9. Teilerschaltung nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeich net, daß die Schaltelement (^, lo, 2o) der Schaltstufe (6) Feldeffekttransistoren (UA, loA, 2oA) sind, die jeweils mit ihrem Torelement mit dem Ausgang C27) des Vergleichers (m verbunden sind, und daß das dritte Schaltelement C2o) von einem Typ ist, der dem Typ des ersten und zweiten Schaltelementes (4) und (lo) entgegengesetzt ist.

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