DE2245961A1

DE2245961A1 - Schaltungsanordnung mit filter

Info

Publication number: DE2245961A1
Application number: DE2245961A
Authority: DE
Inventors: Morteza M Chamran; Sang S Pak
Original assignee: Perkin Elmer Corp
Current assignee: Applied Biosystems Inc
Priority date: 1971-12-29
Filing date: 1972-09-19
Publication date: 1973-07-05
Also published as: FR2166913A5; CH560991A5; JPS4877737A; CA956371A; US3767939A; IT972349B; GB1404988A; NL7213368A

Description

EIKENBERG & BRÜMMERSTEDT PATENTANWÄLTE IN HANNOVER

TKB PERKIN-ELMER CORPORATION 233/179

Schaltungsanordnung mit Filter

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einem Filter, das eine Eingangsklemme zum Empfang eines Eingangssignals und eine Ausgangsklemme enthält. .

Die Erfahrung hat gezeigt, daß ein Bedarf für elektrische Schaltungen besteht, die ein Ausgangssignal erzeugen, welches unempfindlich für Rausch- oder Störsignale ist, die in
einem bestimmten Bereich der Eingangssignale auftreten, die
aber rasch einer Änderung der Eingangssignal in einem anderen

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Bereich, folgen können. Beispielsweise könnte das Äusgangssignal der Schaltung trotz von in der Schaltung erzeugten Pegeländerungen durch Rausch- oder andere Störsignale normalerweise konstant sein, aber schnell auf "beabsichtigte Änderungen des Signalpegels ansprechen, mit denen die Wirkungsweise der Schaltung geändert werden soll. Beispielsweise besteht ein Bedarf für eine derartige Schaltungsanordnung bei Meßgeräten, bei denen das Messergebnis mittels eines Anzeigeinstrumentea oder einer digitalen Anzeige abgelesen wird. Bei vielen Anwendungsfällen muß ein derartiges Meßinstrument auch dann wirksam arbeiten, wenn in Verbindung mit dem zu messenden Signal Rausch- oder Störsignale auftreten.

Die Rausch- und Störsignale bilden ein Bemessungsproblem, das in der Praxis schwer zu überwinden ist. Wenn beispielsweise die Zeitkonstante des Auswertsystems verhältnismäßig groß ist, werden die Störsignale ausgemittelt, und es wird eine stetige, konstante Ablesung erreicht. Das Ansprechen des Instrumentes auf eine beabsichtigte Änderung des zu messenden Signals erfordert jedoch dann eine unerwünscht lange Zeit. Folglich muß der Betrachter des Instrumentes eine verhältnismäßig lange Zeit warten, bis er die beabsichtigte Änderung des zu messenden Signals ablesen kann. Wenn andererseits die Zeitkonstante des Auswertsystems verhältnismäßig kurz ist, ändert sich die Ablesung schnell mit einer beabsichtigten Änderung des zu messenden Signalpegels, jedoch schwankt die Ablesung ständig (oder eine digitale Ablesung ändert ständig die letzte Ziffer) in Abhängigkeit von den Rausch- oder Störsignalen, die entweder in das Instrument eingeführt oder in diesem erzeugt werden. Diese ständigeÄnderung ermüdet naturgemäß die Bedienungs-

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person, die damit befaßt ist, die Ablesung auszuwerten«

Schaltungen, die in der oben beschriebenen Weise'arbeiten, sind ebenfalls in Gleichstrom-Servosystemen brauchbar. In derartigen Systemen ist es erwünscht, ein Nachführglied zu haben, das unempfindlich, für Rausch- oder Störsignale ist, die in das System im stationären Betrieb eingeführt werden, jedoch ist dort- eine hohe Nachführgeschwindigkeit erwünscht, wenn ein Eingangssignal absichtlich auf einen neuen Pegel gebracht wird. Beispielsweise muß bei einer motorgetriebenen Spindelsteuerung die Spindelmutter schnell eine neue Position einnehmen und diese Position trotz von in dem System vorhandenen Störsignalen dann halten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung zu schaffen, die auf beabsichtigte Signaländerungen rasch anspricht, von Störsignalen jedoch weitgehend unbeeinflußt bleibt.

Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß an das Filter eine veränderliche Impedanz angeschlossen ist, daß Sensormittel zur Erzeugung eines Steuersignals vorgesehen sind, wenn die Änderung oder die Änderungsgeschwindigkeit des Eingangssignals einen vorgegebenen Wert überschreitet und daß Steuermittel zur Beeinflussung der veränderlichen Impedanz in Abhängigkeit vom Steuersignal derart vorgesehen sind, daß die Zeitkonstante des Filters verändert wird. Als veränderliche Impedanz dient dabei vorzugsweise ein Feldeffekttransistor.

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Die Vorteile der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind augenscheinlich. Bei einem Auswertsystem der zuvor "beschriebenen Art kann die Schaltung so "bemessen werden, daß das Filter normalerweise eine lange Zeitkonstante besitzt. Bei dieser Arbeitsweise werden in dem System vorhandene Störsignale ausgemittelt, so daß die resultierende Auswertung verhältnismäßig konstant "bleibt. Wenn jedoch in irgendeiner Richtung eine beabsichtigte Änderung des Eingangssignals auftritt, stellen die Sensormittel diese Änderung fest, und die Steuermittel beeinflussen die veränderliche Impedanz so, daß die Zeitkonstante des Filters während der Änderung vermindert wird."Demzufolge wird die beabsichtigte Änderung des Eingangssignalpegels sofort dea) Anzeigeinstrument oder der digitalen Auswertvorrichtung übermittelt, so daß die Bedienungsperson auch sofort ein auf neuestem Stand befindliches Ergebnis ablesen kann.

Nach den gleichen Grundsätzen kann die Erfindung auch bei einem Gleichstrom-Servosystem angewendet werden.

Natürlich kann die Erfindung auch in umgekehrter Weise betrieben werden, so daß geringe Änderungen des Signalpegels an den Ausgang übermittelt werden, während große Änderungen des Signals, wie z.B. unerwünschte Einschwing- und Übergangsvorgänge, nicht an den Ausgang übermittelt werden.

Gemäß einen) weiteren Merkmal der Erfindung kann ein Eingangssignal, das sich nach einem bekannten zyklischen Schema ändert, das die Steuerung der Zeitkonetante schädlich beeinflussen würde, durch Verwendung einer automatischen Auftast- und Halteschaltung so geändert werden, daß das Filter ein

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stantes Signal erhält. Die Schaltung besitzt vorzugsweise Mittel zur Erzeugung eines Auftastsignals, das einer "bestimmten Phasenkomponente des Eingangssignals entspricht. Das Auftastsignal wird mit dem Eingangssignal so zur Zusammenwirkung gebracht, daß von dem Eingangssignal die spezielle Komponente ausgewählt wird, die als geglättetes Eingangssignal gehalten wird. Im Ergebnis bleibt der Ausgang des Systems trotz des Vorhandenseins der unerwünschten zyklischen Komponenten im Eingangssignal frei von'anomalen Schwankungen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung bedeuten:

Figur 1 ein elektrisches Blockschaltbild von einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;

Figur 2 die Anordnung von Figur 1 mit größeren Einzelheiten in Verbindung mit einer elektrischen Schemazeichnung einer Auftast- und Halteschaltung und

Figur 3 ein Diagramm, in dem die an verschiedenen Stellen der Schaltung erzeugten Spannungen über der Zeit aufgetragen sind«

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Die in Figur 1 dargestellte erfindungsgemäße Schaltungsanordnung arbeitet als Beispiel mit einem Tiefpaßfilter 10, das Eingangsklemmen 12, 13 und Ausgangsklemmen 15, 16 besitzt. Bas Filter besteht aus einem Widerstand 18 und einem Kondensator 20, die in der dargestellten Weise zusammengeschaltet sind. Den Eingangsklemmen 12, 13 wird ein Eingangs- oder Meßsignal ei zugeführt, und an den Ausgangsklemmen 15, 16 wird ein Ausgangssignal eo gewonnen.

Die mit dem Filter 10 zusammenwirkende Schaltung enthält grundsätzlich eine veränderbare Impedanz 21, eine Sensorschaltung 30 und eine Steuerschaltung 62.

Die Steuerschaltung enthält einen Inverter 63 und eine polaritätsempfindliche Torschaltung 72.

Gemäß Figur 2, die die in Figur 1 in Blockform dargestellte Schaltung im einzelnen enthält, besteht die veränderbare Impedanz 21 aus einem Feldeffekttransistor 22 mit einem Abfluß 24, einem Tor 26, das an eine Leitung 27 angeschlossen ist, und einer Quelle 28.

Die Sensorschaltung 30 enthält Leitungen 32 und 33, die über einen Schalter 35 zusammenhängen. Die Sensorschaltung enthält ferner einen Verstärker 37 mit Eingangsklemmen 36, 38 und einer Ausgangsklemme 39. Der Verstärker ist über einen Widerstand 40 geerdet und über einen Widerstand 41 rückgekoppelt. Die Sensorschaltung 30 enthält ferner einen Verstär-

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ker 44 mit Eingangsklemmen 46, 47 und einer Ausgangsklemme 48» Dieser Verstärker ist mit Widerständen 50, 51 und einer Kapazität 52 in der dargestellten Weise verbunden. Der Eingang"47 des Verstärkers 44 ist außerdem mit einem Kondensator 54 und einem Widerstand 55 verbunden, die zur Differenzierung des-an der Ausgangsklemme 39 erscheinenden Signals"dienen. Zur Einstellung des Verstärkers 44 dient ein Potentiometer 57 mit einem Schleifer 58. Der Schleiferarm 58 ist an eine Spannung von -15 Volt angeschlossen.

Die Steuerschaltung 62 enthält einen Inverter 63 und eine polaritätsempfindliche Torschaltung 72. Im einzelnen "besteht der Inverter 63 aus einem Verstärker 64 mit Eingangsklemmen 65, 66 und einer Ausgangsklemme 68. Die umpolende Eingänge« klemme 65 ist über einen Widerstand 71 und einen Leiter 69 rait der Ausgangsklerame 48 verbunden, Die Klemmen 65 und 68 sind über einen Rückkopplungswiderstand 70 miteinander verbunden.

Die Verstärker 37, 44 und 64 können aus im Handel erhältlichen integrierten Schaltungen vom Typ 741 C bestehen. Alle diese Verstärker sind an eine +15 Volt und eine -15 Volt Stromversorgung angeschlossen, was jedoch nicht dargestellt ist.

Die Torschaltung 72 besteht aus zwei in der dargestellten Weise zusammengeschalteten Dioden 73, 74. Die Diode 73 ist über einen Leiter 75 mit der Ausgangsklemme 48 verbunden. Die Anoden der Dioden 73 und 74 sind jeweils über einen Widerstand 76.an Erde gelegt. <

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Die oben beschriebene Schaltung arbeitet in folgender Weise. Unter der Annahme, daß das Eingangssignal ei normalerweise ein Gleichspannungssignal ist, wird der Schalter.35 «geschlossen, so daß die Leiter 32 und 33 miteinander verbunden werden. Bei dieser Betriebsweise sind die Dioden 73 und 74 normalerweise nichtleitend, so daß der Transistor 22 eine Vorspannung erhält, durch die er gesperrt ist. Demzufolge weist der Transistor 22 eine verhältnismäßig hohe Impedanz zwischen dem Quellen- und Abflußanschluß auf, und die Zeitkonstante des Filters 10 ist verhältnismäßig lang.

Das Potentiometer 57 ist so eingestellt, daß Änderungen des Eingangssignals ei, deren Größe eine vorgebene Größe nicht übersteigen, keine Änderung des Signalpegels an der Ausgangsklemme 48 des Verstärkers 44 erzeugen. Wenn somit an der Klemme 12 Rausch-"oder andere Störsignale mit verhältnismäßig niedrigem Pegel erscheinen, bleibt der Transistor 22 in seinem nicht leitenden Zustand, und die Zeitkonstante des Filters 10 bleibt lang. Hierdurch werden die meisten Komponenten des Störsignals eliminiert, so daß der Spannungspegel des Ausgangssignals eo konstant bleibt.

Änderungen des Signals ei werden kontinuierlich im Verstärker 37 verstärkt und durch den Widerstand 55 und den Kondensator 54 differenziert. Wenn entweder die Änderung oder die Änderungsgeschwindigkeit größer als die vom Potentiometer 57" vorgebene Schwelle ist, wird das differenzierte (Geschwindigkeit) Signal im Verstärker 44 verstärkt und erzeugt einen Steuersignalpegel an der Ausgangsklemme 48 mit entweder poeitiver oder

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negativer Polarität. Hat der Steuersignalpegel an der Ausgangsklemme 48 eine negative Polarität, so wird die Diode 73 in Vorwärtsrichtung "betrieben, wodurch, der Transistor 22'so vorgespannt wird, daß er in seinen leitenden Zustand gelangt. Wenn der Steuersignalpegel an der Ausgangsklemme 48 positive Polarität "besitzt, so wird das resultierende Signal verstärkt und im Verstärker 64 umgepolt, so daß ein Signal erzeugt wird, das die Diode 74 in Vorwärtsrichtung betreibt, wodurch, der Transistor 22 in seinen leitenden Zustand gelangt. In jedem Falle schaltet das von der Torsehaltung.72 erzeugte Signal unabhängig von der Polarität der Spannung an der Ausgangsklemme 48 den Transistor 22 in seinen leitenden Zustand, um die Zeitkonstante des Filters 10 zu verringern. Sobald die 2eitkonstante des Filters 10 verringert ist, führen Änderungen im Pegel · des Eingangssignals ei sofort zu einer vergleichbaren Änderung im Pegel des Ausgangssignals eo.

Es wurde gefunden, daß die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit sehr gutem. Erfolg auoh bei einem Eingangssignal ei angewendet werden kann, das periodisch mit einer vorgegebenen Frequenz schwankt. Wenn gemäß Figur 3 das Eingangssignal ei durch einen Zerhackerverstärker erzeugt wird, so kann das resultierende Signal ei eine beträchtliche, verhältnismäßig stetige Welligkeitskomponente R besitzen, der unterschiedliche Spitzenkomponenten S überlagert sind, selbst wenn das Signal zuvor ein Filter durchlaufen hat. Wenn diese Spannung unmittelbar dem Verstärker 37 zugeführt würde, so können Schwierigkeiten auftreten, da die gleichgerichteten veränderlichen Komponenten der Welligkeitsspannung ausreichen können, um den Transistor 22 irrtümlich in seinen leitenden Zustaaö umzuschalten, so daß

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als Folge in der Ausgangsspannung eo Schwankungen auftreten können, die von dem Abfall der Transistorvorspannung herrühren. Diese Schwierigkeiten können durch Verwendung des Auftast- und Halteachaltkreises 80 in Figur 2 vermieden werden.

Im einzelnen besteht die Schaltung 80 aua einem Wechselstromgenerator 82, der ein Auftastaignal Vac (Figur 3) erzeugt, welches die gleiche Phase und die gleiche Frequenz hat wie die erwünschte atetige Welligkeitssignalkomponente R des Singangssignals ei. Der Generator 82 kann mit der Komponente R durch "bekannte Mittel synchroniaiert werden. Die Schaltung 80 enthält weiterhin einen Gleichrichterkreis 84 mit einem Widerstand 85 und einer Diode 86, die mit der Basia eines zur Impulsformung dienenden Flächentransistors 88 verbunden ist. Der Tranaistor 88 erhält seine Vorspannung über die Widerstände 90, 91 und 92. Der Widerstand 90 ist an eine Spannungsquelle von -15 Volt angeschlossen. Der Emitter dea Transistors 88 ist mit dem Tor 95 eines Feldeffekt-Tortransistors 94 verbunden. Der Transistor 94 enthält ebenfalls einen Abfluß 96 und eine mit der Klemme 12 verbundene Quelle 97. Der Ausgang des Tranaiators 94 ist über einen Widerstand 99 an die Eingangsklemme 36 angeschlossen. Ein Kondensator 100 ist zwischen Eingangsklemme 36 und Erde geschaltet.

Unter der Annahme, daß der Schalter 35 offen ist, arbeitet die Schaltung 80 in folgender Weise. Das Auftastsignal Vac, das vom Generator 82 erzeugt wird, wird durch die Diode 86 gleichgerichtet und durch den Transistor 88 verstärkt, so daß eine Reihe von Impulsen V (Figur 3) der gewünschten Phase und Frequenz erzeugt wird. Das resultierende Impulssignal V, das am

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Emitter dea Transistors 88 erscheint, wird dem -Tor 95 zugeführt, um den Transistar 94 einzuschalten. Die Beziehung zwischen den Impulsen T und dem Eingangssignal ei ist durch die in gestrichelten Linien angedeuteten Zeitperioden TA, TB, TO und TD ersichtlich. Die Zeitperioden TA-TD stellen die. Zeit dar, während der ein Signal durch den Transistor 94 übertragen wird. Der Transistor 94 läßt also nur die erwünschte Phasenkomponente des Eingangssignals als eine Reihe γοη Gleich* Spannungsimpulsen durch, in denen die unerwünschten Komponenten des Eingangssignals unterdrückt worden sind. Dieses bereinigte Signal wird dann durch den Widerstand 99 übertragen und im Kondensator 100 gespeichert. Bei dieser Betriebsart beeinträchtigen die nicht stetigen Welligkeitskomponenten des Eingangssignals nicht die Wirkung des Verstärkers 44 des Transistors 22.

- Patentansprüche -

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Claims

Patentan Sprüche

1J Schaltungsanordnung mit einem Filter, das eine Eingangsklemme zum Empfang eines Eingangssignals und eine Ausgangsklemme enthält, dadurch gekennzeichnet, daß an das Filter (10) eine veränderliche Impedanz (22) angeschlossen ist, daß Sensormit-frel (30) zur Erzeugung eines Steuersignals vorgesehen sind, wenn die Änderung oder die Änderungsgeschwindigkeit des Eingangssignals (ei) einen vorgegebenen Wert überschreitet, und daß Steuermittel (62) zur Beeinflussung der veränderlichen Impedanz (22) in Abhängigkeit vom Steuersignal derart vorgesehen 'sind, daß die Zeitkonstante des Filters verändert wird.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die veränderliche Impedanz (22) aus einem Feldeffekttransistor besteht.
3» Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet« daß die Sensormittel (30) Mittel (54, 55) zum Differenzieren des Eingangssignals enthalten.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel einen Inverter (63) zur Umpolung des Steuersignals und eine Torschaltung (72) zur Erzeugung eines vom umgepolten Signal und vom Steuersignal abhängigen Sohaltsignals enthalten.

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5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ,gekennzeichnet, daß Mittel (82) zur Erzeugung eines Auftastsignals, das einer Komponente des Eingangssignals mit vorgegebener Phase und Frequenz entspricht, Mittel zum derartigen Zusammenwirken des Schaltsignals mit dem Eingangssignal, daß die Komponente des Eingangssignals herausgezogen wird und Mittel zum Übertragen des herausgezogenen Signals zu den Sensormitteln (30) vorgesehen sind.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Zusammenwirken aus einem von den Mitteln (82) zur Erzeugung des Auftastsignals angesteuerten Impulsformschaltung (88) und aus einer Torschaltung (94) bestehen, die eine erste, auf das Impulssignal ansprechende Anschlußklemme (95), eine zweite, auf das Eingangssignal ansprechende Eingangsklemme (97) und eine dritte, an eine Kapazität und die Sensormittel angeschlossene Anschlußklemme (96) enthält.

bs/ha

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