DE2013964A1 - Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer drehzahlproportionalen Ablenkspannung - Google Patents

Description

Dr. Oskar König

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Klüpfelstrcßa 6 - Postfach 5t

Dipl.Ing.Dr₀Droh_oc.Hans HST, Graz" (Österreich)

Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer drehzahlproportionalen Ablenkspannung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer der Drehzahl einer Maschine proportionalen Ablenkspannung für die Zeitablenkung eines Oscilloscopes, mit einem von den Eingangsimpulsen eines an der Maschine vorgesehenen Drehzahlfühlers gesteuerten, die Ablenkspannung liefernden Sägezahngenerator* |

Bei der Untersuchung von Maschinen, z.Bo der Indizierung von Verbrennungsmotoren, ist es erwünscht, eine der Drehzahl der Maschine proportionale Zeitablenkung an Oscilloscopen zu erhalten. Eine drehzahlproportionale Zeitablenkung des Oscilloscopes bietet den Vorteil, daß auch bei Änderungen der Drehzahl der zu untersuchenden Maschine die Ablenkung am Oscilloscop so erfolgt, daß immer der gleiche Kurbelwinkelbereioh, z_eB« 90° wiedergegeben wirdo Dadurch erübrigt sich eine sonst übliche und notwendige Nachstellung der Ablenkzeit.

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Bekannte Verfahren bedienen sich einer an der Maschine angebrachten Einrichtung, die eine der Drehzahl proportionale Ablenkspannung erzeugte Diese Anordnungen haben den Nachteil, daß an der zu untersuchenden Maschine eine vielteilige Einrichtung mit verhältnismäßig großem Platzbedarf angebracht werden muß, die somit auch den Vibrationen der Maschine ausgesetzt ist und daher zu Störungen neigt»

Diese Nachteile und Mängel der bekannten Einrichtungen werden durch die vorliegende Erfindung vermieden, welche darin besteht, daß die in Iriggerimpulse derselben Folgefrequenz umgewandelten Eingangsimpulse dem Eingang des Sägezahngenerators zugeführt sind und dem Drehzahlfühler eine an sich bekannte, eine drehzahlproportionale Gleichspannung liefernde Schaltung nachgeschaltet ist, an deren Ausgang ein mit dem Sägezahngenerator verbundenes die Ladespannung, den Widerstand oder die Kapazität des frequenzbestimmenden RC-Grliedes des Sägezahngenerators in dem Sinne beeinflussendes Hegelglied angeschlossen ist, daß die Neigung der Sägezahnspannung bei allen Drehzahl en konstant gehalten ist«, Die Ablenkfrequenz wird somit selbsttätig in Abhängigkeit von der Drehzahl der zu untersuchenden Maschine so eingestellt, daß sie der Maschinendrehzahl proportional ist«, Der besondere Vorteil hiebei ist, daß zur Steuerung dieser Schaltung lediglich die für alle Oscilloscop-Ablenkschaltungen erforderlichen Triggersignale benützt werden. Dadurch ergibt sich ein sehr einfacher Aufbau der Schaltungsanordnung, die ohneweiteres abseits von der Maschine an einer geschützten Stelle angeordnet werden kann«

Bei einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung besteht die die drehzahlproportionale Gleichspannung liefernde Schaltung aus einem Sohmitt-Trigger, dessen Ausgang einerseits mit dem Eingang des Sägezahngenerator und andererseits mit dem Eingang einer

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monostabilen Schaltstufe verbunden ist, der eine Integrationsschaltung, vorzugsweise ein Miller-Integrator, nachgeschaltet ist. Der Schmitt-Trigger wandelt die Eingangsimpulse des Drehzahlfühlers in die für die Triggerung " des Sägezahngenerators benötigten Rechteckimpulse konstanter Amplitude um, welche dieselbe Folgefrequenz wie die Eingangsimpulse besitzen und deren Breite von der Art der Eingangsimpulse abhängte Diese Triggerimpulse werden zugleich zur Erzeugung der drehzahlproportionalen Gleichspannung verwendet, wobei am Ausgang der monostabilen Schaltstufe eine rechteckförmige Spannung konstanter Amplitude auftritt«, Die Dauer der Ausgangsspannung der monostabilen Schaltstufe ist ebenfalls konstant und von der Drehzahl der Maschine hzw· der Impulsfolgefrequenz am Eingang der Schaltung unabhängig. Diese Rechteckimpulse konstanter Amplitude und Dauer werden in der nachfolgenden Integrationsschaltung, die im einfachsten Pail ein Kondensator sein kann, in die erwünschte Gleichspannung umgewandelt, deren Amplitude der Drehzahl der zu untersuchenden Maschine proportional ist. Anstelle dieses bekannten Schaltungsteiles kann zur Erzeugung einer drehzahlproportionalen Gleichspannung auch eine andere Einrichtung, beispielsweise ein Generator, herangezogen werden. Die Erzeugung der für den Sägezahngenerator erforderlichen Triggerimpulse erfolgt dann getrennt von der Einrichtung zur Erzeugung der drehzahlproportionalen Gleichspannung,

Bei'einer Ausführung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit einem die Ladespannung des Sägezahngenerators beeinflussenden Regelglied ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß das Regelglied aus einem als Differenzverstärker ausgebildeten Operationsverstärker besteht, dessen einer Differenzeingang mit dem Ausgang der die drehzahlproportionale Gleichspannung liefernden Schaltung verbunden ist und dessen zweiter Differenzeingang zwischen die beiden Teilwiderstände

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eines an den Ausgang des Operationsverstärkers angeschlossenen Spannungsreglers geschaltet ist. An den Eingängen des Operationsverstärkers liegt daher einerseits der über den Spannungsregler von der Ausgangsspannung abgenommene Istwert und andererseits der der Drehzahl der Maschine proportionale Sollwert. Dieser Wert stellt eine drehzahlveränderliche Führungsgröße dar. Die Ausgangsspannung, die zugleich die Ladespannung des Sägezahngenerators darstellt, ist somit für eine bestimmte Drehzahl der Maschine auf einen bestimmten Wert stabilisiert. Jede Änderung der Eingangsimpulse führt daher zu einer entsprechenden Änderung der Ladespannung. Durch entsprechende Abstimmung der beteiligten Schaltungselemente läßt sich die erwünschte konstante Neigung der Sägezahnspannung mit großer Genauigkeit realisieren.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht einen zusätzlichen Eegelkreis zur Kontrolle der Neigung der Sägezahnspannung vor, welcher Regelkreis aus einem an den Ausgang des Sägezahngenerators angeschlossenen Differenzierglied besteht, das eine der Neigung der Sägezahnspannung proportionale Gleichspannung an den einen Differenzeingang eines nachgeschalteten Operationsverstärkers abgibt, dessen zweiter Differenzeingang zwischen die Teilwiderstände des Spannungsreglers geschaltet ist und dessen Ausgang mit dem zweiten Differenzeingang des Operationsverstärkers des Regelgliedes verbunden ist₀ Durch die Erfassung der Steilheit des Sägezahnes und Einführung einer der Neigung proportionalen Gleichspannung für die Regelung der Ladespannung ist es möglich, die Genauigkeit des Zusammenhanges zwischen der Maschinendrehzahl und der Steilheit des Sägezahnes noch wesentlich zu erhöhen.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Eb zeigen Fig. 1 den Zusammenhang zwischen den Eingangsimpulsen und der Sägezahn-

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spannung "bei zwei verschiedenen Drehzahlen der zu untersuchenden Maschine, Pig. 2 ein Blockschaltbild der Schaltungsanordnung nach der Erfindung, die Pig. 3 und 4 Einzelheiten der Schaltungsanordnung nach Fig. 2, "Pig. 5 ein Impulsschema zu den Schaltungen nach Mg₀ 2 bis 4 und äPig. 6 eine erweiterte Schaltungsanordnung nach der Erfindung, "bei der. die Neigung der Sägezahnspannung· zusätzlich kontrolliert wird. .

Pig, 1a zeigt die vom Drehzahlfühler, beispielsweise von einem elektromagnetischen oder fotoelektrischen Impulsgeber gelieferten Eingangsimpulse für eine beliebig angenommene Drehzahl der zu untersuchenden Maschine. Der zeitliche Abstand aufeinanderfolgender Eingangsimpulse, welcher beispielsweise jeweils einer Umdrehung der Maschinenwelle entspricht, ist durch die Zeit t₁ definiert. Pig. 1b zeigt die von den Eingangsimpulsen nach Pig. 1a abgeleitete Sägezahnspannung. Pur die X-Ablenkung des vom Sägezahngenerator gesteuerten Elektronenstrahlrohres wird je nach der Empfindlichkeit desselben eine Sägezahnspannung mit einer bestimmten Amplitude Vg benötigt. Die Amplitude Vg muß also während der Zeit t^ erreicht werden. Dies bedeutet bei einem geforderten linearen Sägezahnanstieg einen Neigungswinkel oL 1 ·

Pur eine andere Drehzahl der Maschine, im vorliegenden Pail einer niedrigeren Drehzahl, ist entsprechend Pig. 1c der seitliche Abstand der Eingangsimpulse durch die Zeit t₂ definiert. Entsprechend der obigen Forderung muß daher gemäß Pig. 1d für eine konstante Sägezahnamplitude Vg bei linearem Anstieg der Sägezahnspannung deren Neigungswinkel oC 2 kleiner als o6 1 werden₀

Es besteht daher für eine Schaltung bei der die Sägezahnspannung von der Drehzahl der Maschine abhängig "gesteuert werden soll, die Forderung, daß zum Erhalt einer konstanten Sägezähnamplitude der Neigungswinkel der Sage-

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zahnspannung in Abhängigkeit von der Drehzahl, das heißt also vom zeitlichen Abstand der Eingangsimpulse, selbsttätig geregelt werden muß.

Diese Forderung wird durch die in Fig. 2 dargestellte Schaltungsanordnung erfüllt«, Bei dieser werden die vom Drehzahlfühler 5 gelieferten Eingangsimpulse (Signal I) einer an sich bekannten Schaltung 1 zugeführt, welche gemäß Figo 3 aus einem Schmitt-Trigger 101, einer monostabilen Schaltstufe 102 und einem Integrator 1OJ besteht,. Der Schmitt-Trigger 101 verarbeitet die Eingangsimpulse (Signal I) in rechteckförmige Triggerimpulse (Signal II) konstanter Amplitude, deren Breite von der Art des Eingangsimpulses abhängt. Dieses Signal II wird einerseits dem Eingang der monostabilen Schaltstufe 102 und andererseits dem Eingang des Sägezahngenerators 3 zugeführt. Am Ausgang der monostabilen Schaltstufe 102 tritt eine rechteckförmige Spannung (Signal III) auf, deren Amplitude und Zeitdauer t~ konstant ist. Die Impulsdauer t, ist somit von der Drehzahl der Maschine bzw. der Impulsfolgefrequenz am Eingang der Schaltung unabhängig. Die Rechteckimpulse (Signal III) werden der Integrationsschaltung 103 zugeführt, welche im einfachsten Fall von einem Kondensator gebildet sein kann. Zur Erhöhung der Genauigkeit empfiehlt sich jedoch die Verwendung eines Miller-Integrators als Integrationsschaltung. Am Ausgang des Integrators 103 steht eine Gleichspannung (Signal IV) zur Verfügung, deren Amplitude der Drehzahl der zu untersuchenden Maschine bzw. der Folgefrequenz der Eingangsimpulse (Signal I) proportional ist.

Zur Erzeugung einer der Drehzahl der Maschine proportionalen Gleichspannung kann, abweichend vom dargestellten Ausführungsbeispiel, auch eine andere Einrichtung verwendet werden, beispielsweise ein mit der Maschine gekoppelter Generator.

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Die erhaltene drehzahlproportionäle Gleichspannung (Signal IV) wird nach, der Erfindung zur Steuerung der Ladespannung, oder aber des Widerstandes oder der Kapazität des frequenzbestimmenden RG-Gliedes des Sägezahngenerators 3 herangezogen. Das hiefür vorgesehene Hegelglied 2 ist in Pig, 3 in einer bevorzugten Ausführungsform im Detail dargestellt. Bei dieser Ausführung beeinflußt das Regelglied die Ladespannung des Sägezahngenerators 3.

Das Regelglied 2 weist einen als Differenzverstärker ausgebildeten Operationsverstärker 20.1 auf, dessen einer Differenzeingang 6 mit dem Ausgang der Schaltung 1 verbunden ist und dessen zweiter Differenzeingang 7 zwischen die beiden Teilwiderstände 202, 203 eines an den Ausgang 8 des Operationsverstärkers 201.angeschlossenen Spannungsreglers geschaltet ist. Am Differenzeingang 6 liegt somit die der Drehzahl der Maschine proportionale Grleichspannung (Signal IV) und am Differenzeingang 7 die Ausgangsspannung, welche zugleich die Ladespannung für den Sägezahngenerator 3 darstellt. An den Eingängen des Operationsverstärkers 201 steht daher einerseits der Istwert und andererseits der der Maschinendrehzahl proportionale Sollwert zur Verfügung. Dieser Wert fungiert somit als drehzahlveränderliche Führungsgröße. Die zugleich die Ladespannung darstellende AusgangsSpannung ist also für eine Drehzahl der Maschine auf einen bestimmten Wert stabilisierte Die Ladespannung ändert ihre Größe, sobald sich die Eingangsgröße (Signal I) ändert·

Der Sägezahngenerator 3 ist im vorliegenden Fall als Bootstrap-Schaltung ausgeführt (siehe -Fig. 4). Diese an sich bekannte Schaltung besteht aus einem RC-Glied mit einer Rückführschaltung, die den nach einer e-Funktion verlaufenden Anstieg linearisiert. Im idealen Fall muß diese Rückführschaltung einen Verstärkungsfaktor gleich 1 besitzen. Bei der Ausführung nach Fig. 4 besteht diese Rückführschaltung aus einem Operationsverstärker 304, der

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als Spannungsfolger geschaltet ist. Man erreicht dadurch, daß die Spannungsverstärkung nahezu 1 wird. Am Ausgang des Operationsverstärkers 304 wird einerseits die Sägezahnspannung (Signal V) abgegeben und andererseits über den Kondensator 303,dessen Wert mindestens hundertfach größer sein muß als dar des Kondensators C, die Ausgangsspannung zur Linearisierung des Sägezahnes. Diese Spannung wird an den Punkt zwischen dem Widerstand R und der Diode 302 zurückgeführt. Die Entladung des Kondensators C erfolgt über den Transistor 301, der durch den Triggerimpuls (Signal II) gesteuert wir,d.

Anstelle der hier beschriebenen Bootstrap-Schaltung kann ohne weiteres auch eine andere Schaltung zur Erzeugung der Sätezahnimpulse verwendet werden. Wesentlich dabei ist die Veränderung des Widerstandes R des RO-G-liedes oder der Ladespannung im Sinne der erfindungsgemäß gestellten Forderung einer konstanten Neigung der Sägezahnspannung im gesamten Drehzahlbereich. So ist es zum Beispiel möglich, auch eine Miller-Integratorschaltung zu verwenden, wenn dabei der Serienwiderstand R durch einen Transistor gebildet wird. Dabei wird der Innenwiderstand des Transistors von der drehzahlproportionalen Gleichspannung gesteuert.

Eine erhöhte Genauigkeit des Verfahrens ergibt sich durch die erweiterte Schaltungsanordnung nach Pig. 6. Durch Erfassung der Steilheit des SägeZahnimpulses und Einführung einer der Neigung proportionalen Gleichspannung für die Regelung der Ladespannung ist es möglich, die Genauigkeit des Zusammenhanges zwischen der Drehzahl und der Steilheit des Sägezahnimpulses wesentlich zu erhöhen. Dies geschieht durch einen zusätzlichen Regelkreis 4, der an seinem Ausgang eine der Steilheit des Sägezahnes proportionale Spannung abgibt und damit die Ladespannung für die Bootstrap-Schaltung beeinflußt» Dieser Regelkreis 4 besteht aus einem an den Ausgang des Sägezahngenerators 3 angeschlossenen Differenzglied 401, an dessen Ausgang bei einem symmetrischen

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Sägezahn eine Gleichspannung entsteht, die der Steigung des Sägezahnes proportional ist. Diese Gleichspannung wird an den einen' Differenzeingang 9 eines nachgeschalte- ' ten Operationsverstärkers 402 geführt·. Der zweite Differenzeingang 10 des Operationsverstärkers 402 ist zwischen diö Teilwiderstände 202 und 205 des Spannungsreglers des Regelgliedes 2 geschaltet. Der Ausgang 11 des Operationsverstärkers 402 ist mit dem zweiten Differenzeingang ? des' Operationsverstärkers 201 verbunden. Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 402 ist ein Maß für den Istwert der Ladespannung und den Istwert der Neigung der Sägezahnspannung (Signal V). - -"■"■ ' "■":"-

Claims (1)

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   Patentansprüche :

   Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer der Drehzahl einer Maschine proportionalen Ablenkspannung für die Zeitablenkung eines Oscilloscopes, mit einem von den Eingangsimpulsen eines an der Maschine vorgesehenen Drehzahlfühlers gesteuerten, die Ablenkspannung liefernden Sägezahngenerator, dadurch gekennzeichnet , daß die in Triggerimpulse (II) derselben Polgefrequenz umgewandelten Eingangsimpulse (I) dem Eingang des Sägezahngenerators (3) zugeführt sind und dem Drehzahlfühler (5) eine an sich bekannte, eine drehzahlproportionale Gleichspannung (IV) liefernde Schaltung (1) nachgeschaltet ist, an deren Ausgang ein mit dem Sägezahngenerator (3) verbundenes, die Ladespannung, den Widerstand R oder die Kapazität C des frequenz-bestimmenden RC-Gliedes des Sägezahngenerators (3) in dem Sinne beeinflussendes Regelglied (2) angeschlossen ist, daß die Neigung der Sägezahnspannung (V) bei allen Drehzahlen konstant gehalten ist. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die drehzahlproportionale Gleichspannung (IV) liefernde Schaltung (1) aus einem Schmitt-Trigger (101) besteht, dessen Ausgang einerseits mit dem Eingang des Sägezahngenerators (3) und anderseits mit dem Eingang einer monostahilen Schaltstufe (102) verbunden ist, der eine Integrationsschaltung (103), vorzugsweise ein Miller-Integrator, nachgeschaltet ist. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, mit einem die Ladespannung des Sägezahngenerators beeinflussenden Regelglied, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelglied (2) aus einem als Differenzverstärker ausgebildeten Operationsverstärker (201) besteht, dessen einer Differenzeingang (6) mit dem Ausgang der die drehzahlproportionale Gleichspannung (IV) liefernden Sohaltung (1)

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   verbunden ist und dessen zweiter Differenzeingang (7) zwischen die beiden Teilwiderstände (202,2OJ) eines an den Ausgang (8) des Operationsverstärkers (201) angeschlossenen Spannungsreglers geschaltet ist₀ Schaltungsanordnung nach Anspruch 3» gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Regelkreis (4) zur Kontrolle der Neigung (<?C) der Sägezahnspannung (V), der aus einem an den Ausgang des Sägezahngenerators (3) angeschlossenen Differenzierglied (401) besteht, das eine der Neigung («X) der Sägezahnspannung (V) proportionale Gleichspannung an den einen Differenzeingang (9) eines nachgeschalteten Operationsverstärkers (402) abgibt, dessen zweiter Differenzeingang (10) zwischen die Teilwiderstände (202,203) des Spannungsreglers geschaltet ist und dessen Ausgang (11) mit dem zweiten Differenzeingang (7) des Operationsverstärkers (201) des Regelgliedes (2) verbunden ist.

   23.2.70
   Kr/E

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