DE2037890C3 - Nach dem stroboskopischen Prinzip arbeitende Schaltungsanordnung zur Erhöhung der Grenzfrequenz bei elektromechanischen Registriergeraten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine nach dem stroboskopischen Prinzip arbeitende Schaltungsanordnung zur Erhöhung der Grenzfrequenz bei elektromechanischen Registriergeräten, die einen Stromkreis zur Erzeugung von Rechteckimpulsen, einen Impulsgenerator, einen Torstromkreis, einen bistabilen Multivibrator, ein Samplingtor, ein elektromechanisches Registriergerät, einen Differentialverstärker, weiterhin einen Samplingimpulsgenerator sowie einen Entladestromkreis und einen Anlaßstromkreis besitzt

Ein elektromechanisches Registriergerät ist ζ. Β der Kompensograph, dessen Grenzfrequenzwert kleiner als Ί bis 2 Hz ist, und der sich demgemäß im allgemeinen nur zur Festhaltung, d. h. Aufzeichnung von sich ziemlich langsam verändernden Erscheinungen eignet.

Die Erfindung beruht auf der Anwendung des stroboskopischen Prinzips bzw. des Samplingprinzips, das an sich bekannt ist. Wird ein schnell umlaufender Gegenstand durch periodische Blitzstrahlen beleuchtet, so erscheint derselbe als langsam umlaufend, wenn man die Blitzstrahlen nach jeder Umdrehung im Vergleich zum vorhergehenden Blitzstrahl verzögert Der erfindungsgemäßen Registnergeschwindigkeit entsprechend benötigt die Aufzeichnung einer vollen Periode mehrere Sekunden, Die zeitliche Verschiebung der Sample ist also mit einer dementsprechenden Langsam^ keil zu Verwirklichen. Die SampÜngimpulse müssen die

volle Zeitachse ohne Lücken oder Überlappung decken, d.h. das Registriergerät muß die untersuchte Kurve kontinuierlich so aufzeichnen, daß bei den Grenzpunkten der einzelnen Perioden keine Sprünge oder Unterbrechungen in der Kurve eintreten. Diese Bedingung wird erfüllt, wenn das letzte Sample eines Zyklus — bei Darstellung des Zeitfunktion mittels eines umlaufenden Vektors — im gleichen Phasenzustand des umlaufenden Vektors wie das nächste Sample des Zyklus eintritt.

Zur Lösung dieses Problems erwies sich die Messung der Impulsflächengeschwindigkeit als am zweckmäßigsten und erfindungsgemäß wird eine Schaltungsanordnung mit den im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 iingeführten Merkmalen angegeben, durch die die is angestrebte Sicherung der Stetigkeit der Aufzeichnung eirreicht wird.

Ausführungsvarianten der Schaltungsanordnung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Neben der Verwirklichung der Stetigkeit der Aufzeichnung werden mit der Erfindung noch weitere Vorteile erzielt, nämlich eine dauerhafte Aufzeichnung des Meßergebnisses und eine Meßgenauigkeit, die die Genauigkeit einer mit einem Oszilloskop durchgeführten Messung um ein vielfaches übertrifft. Die Anwen- 2i dung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung führt ferner dazu, daß der Verbrauch an Registrierstreifen erheblich geringer ist als bei vergleichbaren Geräten.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der 2^r.eichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

F i g. 2 die zu den in F i g. 1 sichtbaren Schaltungs- » punkten A — G gehörenden Spannungskennlinien und

F i g. 3 bis 5 Ausführungsvarianten des Blockschaltbildes nach Fig. 1.

F i g. 1 gibt das Arbeitsprinzip der Schaltungsanordnung an. Die an den mit Buchstaben bezeichneten Punkten des Blockschaltbildes meßbaren Signalformen sind in Fig. 2 dargestellt. Das zu messende Signal, dessen Pegel durch Verwendung eines Verstärkers oder eines Abteilers auf den gewünschten Wert eingestellt vrarde, gelangt in den Rechteckformer 1. Die Sprung- 4> punkte des Rechtecksignals liegen bei einem Pegel des zu untersuchenden Signals, z. B. bei den Nulldurchgäng:en. Aus einem Sprung in positiver Richtung wird mit Hilfe von dem Triggersignalgenerator eine Triggers!- jjTialreihe erzeugt. Diese Signale sind in F i g. 2 durch die Kurve B dargestellt. Der Triggerimpuls gelangt bei geöffnetem Tor 3 in den bistabilen Multivibrator 4 und setzt diesen in Gang.

Die positive Ausgangsspannung D des Multivibrators lädt den Kondensator G gemäß einer exponentiellen v, 2'eitfunktion mit der Zeitkonstante R\-C\. Die Ausgangsspannung E des Kondensators gelangt in den Dtfferentialverstärker 7, der dieses Signal mit der Spannung F des Kondensators C₂ vergleicht. Sind die beiden Spannungen gleich, so arbeitet der Samplingim- ω pulsgenerator 8 und gibt einen Impuls C ab. Dieser Impuls öffnet für eine sehr kurze Zeit das Samplingtor 5, und dadurch gelangt der MOmeritänwert der Spannung des zu messenden Signals zum Registriergerät 6. Dieser Momentanwert wird auf der Kurve A mit einem Punkt bezeichnet, Der Samplingimpuls kippt zugleich den bistabilen Multivibrator 4 wieder zurück und betätigt den Entladestromkreis 9. der den Kondensator G entlädt. Dadurch gelangt dieser Stromkreis in seine Ausgangsstellung zurück. Beim nächsten Triggersignal läuft der vorstehend beschriebene Vorgang erneut ab, jedoch mit dem Unterschied, daß die Probeentnahme auf den jeweiligen Triggerimpuls bezogen etwas später erfolgt als bei dem vorangegangenen Zyklus, weil während der von der vorangegangenen Probeentnahme an gerechneten Zeitdauer von einer Periode die Spannung des sich in der Zwischenzeit ununterbrochen ladenden Kondensators um einen gewissen Wert angestiegen ist, und der Differentialverstärker in dieser Weise auf den Punkten E und F den gleichen Spannungszustand später wahrnimmt Die Registrierungsgeschv/indigkeit wird durch die Zeitkonstante R.2 -Ci begrenzt.

Solange sich die Spannung des Kondensators C₂ ändert, ändert sich auch der Zeitpunkt der Probeentnahme. Ist die vom Anlaßsignal bis zur Probeentnahme verlaufende Zeit r und T die Zeit der Aufladung des Kondensators C₂, so kann man, vorausgesetzt, daß die Ladespanr>ungen beider Kondensatoren gleich sind, folgende Gleichung aufschreiben:

T ι

R₁ C₁ R₁ C₁

Dies-r Gleichung beweist, daß die Zeitachse T des erhaltenen Registrats mit einer verzerrungslosen proportionalen Dehnung aus der Zeitachse des gemessenen Signals hergestellt werden kann und zugleich auch die Größe des Zeitmaßstabes angibt Nichts steht dem im Wege, die Zeitkonstante A₂-C₂ mit so einem Wert auszuwählen, den die Schreibgeschwindigkeit des Registriergerätes 6 erfordert, und somit ist die Lösung des Problems gegeben. Durch Verwendung des bistabilen Multivibrators 4 wurde der gewünschte Zwangssynchronismus zwischen der den Kondensator Ci ladenden Spannung und dem zu prüfenden Signal erreicht. In dieser Weise ist die Lösung, die einerseits die gewünschte langsame Verschiebung auf der Ztitachse verwirklicht, bei den Samplingimpulsen die eigenen Synchronisier-Bedienungsorgane beseitigt und den unuedingten Synchronismus verwirklicht, folgendermaßen:

Der Weg des zu registrierenden Signal» 'eilt sich in der Eingangsstufe in zwei Richtungen, der eine Zweig führt durch den Samplingtorstromkreis 5 zum Registriergerät 6, der andere Zweig zum Rechteckformer 1. Der Ausgang des letzteren führt zum Triggersignalgenerator 2, der aus jeder einzelnen Periode des zu prüfenden Signals einen Anlaßimpuls erzeugt. Der Triggersignalgenentor ist mit dem Torstromkreis 3 verbunden. Dieser ist geschlossen, wenn der Entlad»:- stromkreis 9 arbeitet, d. h. den Kondensator Ci entlädt, ende ei .falls ist er geöffnet. Der Anlaßimpuls gelangt durch den Torstromkreis 3 in den bistabilen Multivibrator 4, dessen Ausgang über den Widerstand R\ an den Kondensator G angeschlossen ist Der Kondensator C₁ wird über den Widerstand /?₂ auf eine der Ladespannung des Kondensators G gleiche Spannung aufgeladen, und die beiden Spannungen werden durch den Differentialverstärker 7 verglichen, welcher bei Gleich= heit der Spannungen den Samplingimpulsgencirator 8 betätigt, der einerseits an das Samplingtor 5, anderer* seits an den Entladestromkreis 9 des Kondensators G angeschlossen ist

Das Aufladen des Kondensators C₁ muß beendet werden, sobald die Reeistriereinheit6 eine volle Periode

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aufgezeichnet hat. Dies erfolgt durch Entladung des Kondensators Q. Erfolgt dies vor Ende der Periode, so wird ein Teil des zu messenden Signals aus dem Registrat fehlen. Tritt es später ein, so zeichnet die Rcgistricrcinhcit am Anfang der folgenden Periode den einmal zuvor bereits aufgezeichneten Teil der Kurve erneut auf, was zu Mißverständnissen führen kann.

Eine mögliche Lösung dieses Problems ist iri F i g. 3 zu sehen. Diese Lösung beruht darauf, daß die Periode zu dem Zeitpunkt abgeschlossen ist, wenn der Samplingimpuls G den nächstfolgenden Anlaßimpuls B erreicht, wobei die ganze Periode abgetastet wird. Aus diesem Grunde wird der aus dem zu prüfenden Signal die Probe entnehmende sogenannte Sampli lgimpuls G und das den Beginn der Periode anzeigende Anlaßsignal B in eine Koinzidenzschaltung 12 geführt, die bei einem zur gleichen Zeit erfolgenden Eintreffen der beiden Impulse arbeitet und den die sich langsam aufladende Kapazität Ci entladenden S'rorokrpi« 10 anläßt

Diese Lösung gewährleistet jedoch nur in dem Fall eine betriebssichere Arbeitsweise, wenn die Totzeit der Koinzidenzschaltung 12 — innerhalb der bereits eine Gleichzeitigkeit wahrgenommen wird — mindestens so breit ist, wie der durch die Zahl der Probeentnahmen dividierte Teil der Periodenzeit. Diese Frage führt zu Konstruktionsschwierigkeiten, zu deren Vermeidung eine andere Lösung ausgearbeitet wurde, die in F i g. 4 dargestellt ist.

Bei dieser Ausführung wird die Eigentümlichkeit der Kurve D ausgenutzt, daß das Mittel der für eine lange Zeit berechneten Fläche zu dem Zeitpunkt, wenn die Probeentnahme zum Ende der Gesamtperiodezeit gelangt, bis auf U„ ansteigt.

Dementsprechend ergibt sich folgende Lösung:

Das Zeitmittel der Ausgangsspannung des bistabilen Multivibrators 4 wird in dem /?j-Cj-Kreis mit großer Zeitkonstante hergestellt, und diese Spannung wird durch einen als Amplitudenkomparator arbeitenden Differentialverstärker 13 oder durch ein anderes Element mit dem der Amplitude der Ausgangsspannung U, des bistabilen Multivibrators 4 entsprechenden Gleichspannungspegel verglichen, und bei Wahrnehmung der gleichen Spannung wird der zuvor genannte Entladestromkreis 10 des Kondensators Ct betätigt

Bei den zuvor genannten beiden Lösungen ergab sich die Möglichkeit der Aufzeichnung des zwischen die beiden Anlaßsignale fallenden Kurvenabschnittes. Dies ist aber keine zwangsläufige Forderung. Jeder beliebige Punkt der zu messenden Kurve kann als Anfangspunkt der Registrierung bestimmt werden, und wichtig ist nur, daß der Zyklus der Registrierung nach Anlauf einer von diesem Punkt gerechneten ganzzahligen Periodenzeit beendet wird. Es wurde auch eine diesbezügliche Lösung erarbeitet, deren Blockschaltbild in Fig.5 dargestellt ist, das nachstehend beschrieben wird.

Die Spannung der Kapazität Ci eines sich auf das Zeitmittel der Ausgangsspannung des das vorstehend genannte rechteckförmige Signal Ό herstellenden bistabilen Multivibrators 4 aufladenden Kreises Ri-Ci mit großer Zeitkonstante wird einem Differenzierglied 14 zugeführt Die dem Differentialquotienten proportionale Spannung gelangt über einen Torkreis 15 an sie Speicherkapazität G geführt Ein zur Spannung an der Speicherkapazität G proportionaler Strom wird durch eine Stromgeneratorstufe 16 hergestellt und mit diesem Ström wird die Kapazität Q geladen* Die Spannung der Kapazität C$ wird durch einen Pegelkomparator 17 mit einer Referenzgleichspänhüng in der Weise verglichen, daß der Komparator 17, sobald die Spannung der Kapazität Cs den Referenzpegel erreicht hat, ein Signal abgibt, das die Entladestromkreise lO und 18 auslöst, die die Kondensatoren C₃ und C₅ entladen.

Diese Lösung beruht auf der Tatsache, daß der zeitliche Mittelwert Ü3 der Ausgangsspannung D des bistabilen Multivibrators 4 in Abhängigkeit von der Zeit linear ansteigt (wobei T„ die zum Aufzeichnen einer Periode erforderliche Zeil angibt).

l/, Mittel = U₀

Wird diese Spannung nach der Zeit differenziert und eine dem Differentialquotienten proportionale Spannung mit dem Proportionalitätsfaktor K\ erzeugt, dann erhält man einen konstanten Pegel. Dieser Pegel wird in der Speicherkapazität G gespeichert (Ua) und im Stromgenerator 16 wird ein dazu proportionaler Strom (/c$) erzeugt, dessen Proportionalitätsfaktor K₂ ist.

d (/„Mittel

U₀-U_u Uo

T₀ ' T₀

/,, = K₁ U₁, = K₁K₂ ^⁰ .
Ό

Dieser Strom lädt die Kapazität Cs während einer Periodenzeit von T₀ bis zum Referenzspannungspegel t/rauf, so daß gilt

ι T₀ __ K₁ K₂U₀

Es ist zu ersehen, daß der Wert U_r nicht von T₀ abhängt. Wenn also die Werte K_x, K₇, C₅ richtig eingesieiit sind und der Quotient U₁HJ₀ konstant isi, kann man bei einer beliebigen Registrierung einwandfreie, d. h. keine Lücken oder Überlappungen aufweisende Aufzeichnungen erhalten. Zu erläutern ist noch die Funktion des in F i g. 5 dargestellten Torkreises 15.

Charakteristisch für den Torkreis 15 ist, daß er in der Zeit, während der die Spannung der Kapazität G die Ausgangsspannung U₀ des bistabilen Multivibrators 4 zunächst nicht erreicht, die Spannung des Differpnzierkreises 14 einem geschlossenen Schalter gleich an die Speicherkapazität G anschließt und dann im späteren Verlauf der Aufzeichnung der Periode öffnet und G abtrennt

Die Verwendung des Torstromkreises 15 wird dadurch begründet, daß der Wert des Differentialquotienten, nachdem das Zeitmittel der Spannung des Punktes D den Pegel U₀ erreicht hat, plötzlich auf die Hälfte abfällt, während der Ladestrom von Q den unveränderten Wert beibehalten muß.

Sobald die Spannung von Q den Wert U_r erreicht, betätigt der Pegelkomparator 17 die Entladestromkreise der Kapazitäten Ci und Cs, d. h. die Entladestromkreise 10 bzw. 18.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Nach dem stroboskopischen Prinzip arbeitende Schaltungsanordnung zur Erhöhung der Grenzfre- >-, quenz bei elektromechanischen Registriergeräten, die einen Stromkreis zur Erzeugung von Rechteckimpulsen, einen impulsgenerator, einen Torstromkreis, einen bistabilen Multivibrator, ein Samplingtor, ein elektromechanisches Registriergerät, einen m Differentialverstärker, weiterhin einen Samplingimpulsgenerator sowie einen Entladestromkreis und einen AnlaBstromkreis besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß

der Eingang der Schaltungsanordnung durch den |-, Eingang des Rechteckformers (1) gebildet wird, der zugleich auch an den Eingang des Samplingtores (5) angeschlossen ist

der Ausgang des Rechteckformers (1) an den Eingang des Triggergenerators (2) angeschlossen ist, >₍₎ wobei der Torstromkreis (3) einen Steuereingang fcesitzt, der mit dem einen Ausgang des Entlade- «tromkreises (9) verbunden ist
4er Ausgang des Torstromkreises (3) an den Eingang des bistabilen Multivibrators (4) angeschlossen ist, i'i wobei ein anderer Steuereingang desselben an den «inen Ausgang des Samplingimpulsgenerators (8) angeschlossen ist

der Ausgang des bistabilen Multivibrators (4) über •inen Reihenwiderstand (Ri) an den einen Eingang _Jo des Differentialverstärkers (7), und derselbe Eingang Iber einen Kondensator (G) an den Basispunkt der Schaltung angeschlossen ist

*in anderer Eingang ('es Diff /-entialverstärkers (7) ■n den Eingangspül einos Entladestromkreises (10) _n •ngeschlossen ist, wobei sein Ausgang mit dem Anlaßstromkreis (11) verbunden ist und an den Eingang des Entladestromkreises (10) weiterhin tuch ein Widerstand (R2) und je ein Pol des mit dem Basispunkt der Schaltung verbundenen Kondensa- ^₀ lors (C;) angeschlossen ist

der Ausgang des Differentialverstärkers (7) an den Eingangspol des Samplingimpulsgenerators (8) angeschlossen ist

der eine Ausgang des Samplingimpulsgenerators (8) ₄r, •n den Steuereingang des Samplingtores (5), der indert Ausgang an den Steuereingang des Entlade-Itromkreises (9) und der dritte Ausgang an den Steuereingang des bistabilen Multivibrators (4) tngeschlossen ist -₎₀

der Ausgang des Samplingtores (5) an den Eingang des elektromechanischen Registriergerätes (6) und der Ausgang des Entladestromkreises (9) an den tirien Eingang des Differentialverstärkers (7) angelchlossen ist. _r,

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Entladestromkreis (10) über tinen Steuereingang verfügt, an dessen Ausgang •ine Koinzidenzschaltung (12) angeschlossen ist, Wobei der eine Eingang der Koinzidenzschaltung _b0 (12) durch den gemeinsamen Pol (B) des Triggersignalgenerätörs (2) und des Torstromkreises (3) und der andere Eingang:.durch deniSteuereingang (G) des Samplingtöres (5) gebildet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch (,5 gekennzeichnet, daß an den Steuereingang des Entladestromkreises (10) der Ausgang eines anderen Differenliaiverstärkers (13) angeschlossen wird, wobei der eine Eingang des letzteren über einen Reihenwiderstand (R₃) einerseits an den Ausgang des bistabilen Multivibrators (4), andererseits mit seinem einen Pol an den anderen Pol des an den Basispunkt angeschlossenen Kondensators (C]) und der andere Ausgang des Differentialverstärkers (13) an den Widerstand ^angeschlossen ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

der Steuereingang des Entladestromkreise- (10) an den einen Ausgang eines Pegelkomparators (17) angeschlossen ist, wobei ein anderer Ausgang desselben über einen Entladestromkreis (18) an den Eingang des Pegelkomparators (17), weiterhin der Eingang des Pege'komparators (17) über einen Kondensator (d) an den Basispunkt der Schaltung angeschlossen ist

der Eingang des Pegelkomparators (17) weiterhin an den Ausgang eines Stromgenerators (16) angeschlossen ist

der Eingang des Stromgenerators (16) einerseits an den einen Pol eines an den Basispunkt der Schaltung angeschlossenen Kondensators (G), andererseits an den Ausgang eines Torstromkreises (15) angeschlossen ist, wobei der andere Eingang des Pegelkomparators (17) mit dem Ausgang eines Differenzierstromkreises (14) verbunden ist und der Eingang des letzteren einerseits an den Pol des an den Basispunkt der Schaltung angeschlossenen Kondensators (Ci), andererseits an einen Reihenwiderstand (R₁) angeschlossen ist

die Ausgänge des bistabilen Multivibrators (4) an die Ausgänge des Pegelkomparators (17) angeschlossen sind

der andere Ausgang des Pegelkomparators (17) hingegen einen Pol der Referenzspannungsquelle (Ur) bildet.