DE2302064C3 - Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer harmonischen, ein schnelles Einschwingverhalten aufweisenden Schwingung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer harmonischen, ein schnelles Einschwingverfahren aufweisenden Schwingung, mit einem Oszillatorkreis, bestehend aus einem oder mehreren linearen Verstärkern und einem oder mehreren, die Schwingfrequenz bestimmenden linearen Netzwerken aus passiven Bauelementen, sowie mit einem Regelkreis zur Stabilisierung der Schwingungsamplitude durch lineare Beeinflussung der Kreisverstärkung, wobei eine Spannungs-Speicherschaltung über eine im Takt der Oszillatorfrequenz gesteuerte Torschaltung nur eine gegenüber der Oszillatorschwingungsdauer kurze Zeit, und zwar während des Maximums der oszillierenden Spannung mit dieser verbunden wird und die zwischen dem Auftreten zweier Maxima gespeicherte Spannung einem Regler zuführt, dessen Ausgangsgröße die Kreisverstärkung des Oszillatorkreises beeinflußt, nach Patent 20 01 451.

Diese Schaltung nach dem Hauptpatent weist zwar ein schnelles Einschwingverhalten nach einer Störung auf, jedoch erreicht dies nicht den optimalen Wert von einer halben Periode nach dem Erkennen einer sprungartigen Störung, wofür eine ganze Periode

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benötigt wird, d, h. maximal insgesamt V2 Perioden der erzeugten Schwingung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Schaltungsanordnung nach dem Hauptpatent so auszugestalten, daß ein theoretisch optimales Einschwingverhalten erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgeniäß dadurch gelöst, daß der Spannungs-Speicherschaltung eine Schaltung mit logarithmischer Übertragungskennlinie nachgeschaltet ist und daß der Regler einen Kreis n.it zwei weiteren Abtast-Halte-Schaltungen enthält, der die Regelabweichungen zwischen aufeinanderfolgenden Maxima aufaddiert und aus der Summe dieses aufaddierten Signals und der Regelabweichung die Ausgangsgröße zur Beeinflussung der Kreisverstärkung des Oszillators ableitet

Die beiden weiteren Spannungs-Speicherschaltungen wirken als Integrator, die dem Regelkreis das gewünschte Integralverhalten geben, wobei die Zeitkonstante des Integrators jeweils genau der erzeugten Schwingung des Oszillators angepaßt ist, so daß bei allen Oszillatorfrequenzen ein optimales Einschwingverhalten erreicht wird.

Die Verwendung eines Meßgliedes bzw. einer diesem nachgeschalteten Schaltung mit einer logarithmischen Übertragungskennlinie ist bereits aus der DE-OS 21 03 138 bekannt Darin wird jedoch nur ein bekannter einfacher PI-Regle*· verwendet, so daß damit kein optimales Einschwingverhalten erreicht werden kann.

In manchen Anwendungsfällen, beispielsweise bei der Verwendung des Oszillators in einer Meßanordnung mit frequenzanaloger Signalausgabe, ist es jedoch nicht notwendig, daß der Oszillator bei allen Frequenzen ein optimales Einschwingverhalten zeigt, sondern dieses Verhalten braucht nur bei der niedrigsten vorkommenden Frequenz vorzuliegen, so daß sich bei allen anderen Frequenzen etwa die gleiche absolute Einschwingzeit ergibt. Eine dafür geeignete Schaltungsanordnung mit verringertem Aufwand ist nach einer Weiterbildung der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die speichernde Abtasl-Halte-Schaltung durch einen integrator ersetzt ist, dessen Zeitkonstante so ausgelegt ist, daß seine Ausgangsspannung zwischen zwei Maxima genau die Regelabweichung erreicht, und daß zur Bildung der Ausgangsgröße zu der Integrator-Ausgangsspannung Vj der Regelabweichung addiert sind.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild eines Amplitudenreglers,

F i g. 2 ein Zeitdiagramm zur Erklärung der Funktionsweise des Reglers nach F i g. 1,

Fig.3 ein Zeitdiagramm zur Erklärung der Funktionsweise eines gegenüber F i g. 1 vereinfachten Reglers.

Die Erfindung geht davon aus, daß eine Störung der Oszillatoramplitude innerhalb eines einzigen Abtastintervalls, also zwischen zwei Maxima, ausgeregelt werden kann, wenn

t. ein permanent wirkender Stellsignalanteil erzeugt wird, der die Störung kompensiert und

2. ein impulsartiger Stellsignalanteil erzeugt wird, der in Größe und Zeitdauer geeignet ist« die Amplitude von ihrem gestörten Wert auf den Sollwert zurückzubringen.

Fig. I zeigt eine Schaltung im Blockschaltbild, mit der ein derartig zusammengesetztes Stellsignal erzeugt werden kann. Einer ersten Abtast/Halte-Schaltung A\, bei der eine Spannungsspeicherschaltiing über eine im

Takt einer Oszillatorfrequenz gesteuerte Torschaltung nur eine gegenüber der Oszillatorschwingung kurze Zeit während des Maximums der oszillierenden Spannung mit dieser verbunden wird, wird der Betrag der Oszillatorausgangsspannung |uo| zugeführt. Die Steuerimpulse ur, die aus |uo| abgeleitet werden, bewirken, daß in A\ der Maximalwert von |üo| jeweils für die darauffolgenden Sehwingungshalbperiode gespeichert wird. Diese Spannung Ua wird einer Schaltung mit logarithmischer Übertragungskennlinie L zugeführt Eine Summierschaltung S\ vergleicht die Ausgangsspannung von L mit einem Sollwert us und liefert als Differenz: dieser beiden Spannungen die Regelabweichung u_t. Diese Regelabv/eichung U₁ wird einer Speicherschaltung aus zwei weiteren Abtast/Halte-Schaltungen A₂ und Ai zugeführt. Ai und Aj werden mit Ut und der dazu komplementären Impulsspannung or gesteuert Mit dem uHmpuis wird eine in Ai gespeicherte Spannung in Ai übernommen. Mit dem ürlmpuls wird diese Spannung wieder in A2 iibernommen. Dabei wird jedoch über die Summierschaltung 52 die Regelabweichung u_t dazuaddiert In jedem Abtastzyklus = Ös:£iIlator-HaIbperiode wird also dar. gerade vorliegende U₁ zur Summe aller vorher aufgetretenen u_t addiert Zu dieser Summenspannung wird in einer weiteren Summierschaltung S₁ noch einmal U₁ addiert In einer Schaltung B mit einem konstanten Faktor bewertet, ergibt diese Spannung die Stellgröße u«, mit der die Kreisverstärkung ν des Oszillators verändert wird.

Fig. 2 zeigt die Wirkungsweise dieses Amplitudenreglers. Es kann davon ausgegangen werden, daß Störungen der Oszillatoramplitude von beliebiger Art in sprungartige Störungen Δν der Oszillatorkreisverstärung ν zerlegt werden können, und zwar derart, daß diese v-Spriinge nur zu den Abtastzeitpunkten t„ (to, /1, ti...) auftreten. F i g. 2a zeigt die Wirkung einer solchen Störung Δν zum Zeitpunkt to. Dargestellt sind als unterbrochene Linie die Oszillatoramplitude Ua die vor der Störung auf ihrem Sollwert war, und als durchgezogene Linie die Spannung u\ am Ausgang von A\ sowie als Doppellinien die Abtastimpulse Ur- F i g. 2b zeigt die Störgröße Δν. Die Wirkung der Störung wird zuerst zum Zeitpunkt t\ an Ua erkannt. Es liegt in dem nun folgenden Abtastintervall h < t < ti ein u_t vor, das — und das ist das Bemerkenswerte an dieser Schaltung — proportiona¹ zu Δ ν ist. Dieses :i_c wird in die Speicherschaltung A₂, A_h S₂ eingespeichert und ist bei entsprechender Bewertung durch B geeignet, die Störung Δ ν für t> U zu kompensieren. Darüber hinaus muß die durch die Störung im Abtastintervall fo< t< t\ hervorgerufene Amplitudenveränderung wieder rückgängig gemacht werden. Das geschieht durch eine zusätzliche Stellsignalkomponente von gleicher Größe, die jedoch nur im Abtastintervall t\ < t< V₂ wirkt. Diese Komponente wird durch u_c direkt gebildet. Die resultierende Stellgröße ist in Fig.2c in ihrer Auswirkung auf die Kreisverstärkung ν des Oszillators dargestellt. Fig.2d zeigt den zeitlichen Verlauf der Kreisverstärkung ν mit überlagerter Störung und überlagerter Stellwirkung. Nachdem für ein Abtastintervall ν um Δ ν positiv von vo(der für eine stationäre Oszillatorschwingung notwendigen Kreisverstärkung) abweicht, wird für ein weiteres Abtastintervall eine gleich große negative Abweichung verursacht und ίο danach vo wieder erreicht, so daß der zeitliche Mittelwert gleich vobleibt

Bei zusammengesetzten Störgrößen, z. B. sprungartigen Störungen zwischen zwei Abtastzeitpunkten oder impulsartigen Störungen sind verschiedene Stellsignale dieser Art linear überlagert

Die Wirkung dieser Schallung führt die Schwingungsamplitude unabhängig von der Zeitkonstante des Oszillators immer in der theoretisch kürzest möglichen Zeit, nämlich in einem Abtastintervall = '/2 Schwingt) gungsperiode nach vollständigem Erkennen der Störung wieder auf den Sollwert Eine Störung beliebiger Art ist spätestens zum zweiten der !störung folgenden Abtastzeitpunkt voll erkannt. Zwei Abtastwerte sind notwendig, um die Störung nach Amplitude und -'i Zeitpunkt zu beschreiben. Damit wird die Gesarr)zeit zwischen Auftreten der Störung und Ausregelung maximal 3 Abtastintervalle = 1 '/i Schwingungsperioden.

Eine Variante dieses Reglers besteht darin, daß die .'Ii Speicherschaltung durch einen konvemionellen Integrator ersetzt ist, dessen Zeitkonstante τ so ausgelegt ist, daß seine Ausgangsspannung innerhalb eines Abtastzeitintervalls genau die Eingangsspannung (in diesem Fall also u_t) erreicht und daß zu der Integratorausgangs- !"> spannung ¹Ii u_e addiert wird. Die Summe dieser Spannungen ergibt bei beibehaltener Bewertung durch ßdas Stellsignal u_R. Dieses Verfahren führt mit einer an sich konventionellen Regelschaltung ohne weitere Reglerjustage zu einem annähernd optimalen Regelver-Hi halten. Bei reduziertem Aufwand wird das Verhaften des oben beschriebenen Abtastreglers näherungsweise erreicht — jedoch nur bei einer Oszillatorfrequenz. Dieser Regler eignet sich nicht, wenn optimales Regelverhalten bei einem durchstimmbaren Oszillator r> gefordert ist.

F i g. 3 stellt die Funktionsweise dieser R°glervariante dar: Fig.3a eine Störung wie in Fig. 2b, Fig.3b das Δ v-proportionale U₁ (Proportionalitätsfaktor hier = - 1 gewählt), F i g. 3c die Ausgangsspannung des Integra-ίο tors, Fi g. 3d das mit dem Faktor 1,5 verstärkte u_e sowie F i g. 3e die aus der Überlagerung der Spannungen nach 3e und 3d resultierende Stellwirkung. Letztere ist ihrer integralen Wirkung nach näherungsweise identisch mit der in Fig. 2c dargestellten (in 3e unterbrochen >") eingezeichnet).

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer harmonischen, ein schnelles Einschwingverhalten aufweisenden Schwingung, mit einem Oszillatorkreis, bestehend aus einem oder mehreren linearen Verstärkern und einem oder mehreren, die Schwingfrequenz bestimmenden linearen Neuwerken aus passiven Bauelementen, sowie mit einem Regelkreis zu Stabilisierung der Schwingungsamplitude durch lineare Beeinflussung der Kreisverstärkung, wobei eine Spannungs-Speicherschaltung über eine im Takt der Oszülatorfrequenz gesteuerte Torschaltung nur eine gegenüber der Oszillatorschwingungsdauer kurze Zeit, und zwar während des Maximums der oszillierenden Spannung mit dieser verbunden wird und die zwischen dem Auftreten zweier Maxima gespeicherte Spannung einem Regler zuführt, dessen Ausgangsgröße die Kreisverstärkung des Oszillatorkreises beeinflußt nach Patent 20 01451. dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungs-Speicherschaltung (A\) eine Schaltung (L) mit logarithmischer Übertragungskennlinie nachgeschaltet ist und daß der Regler einen Kreis mit zwei weiteren Abtast-Halte-Schaltungen (A₂, Ai) enthält, der die Regelabweichungen (u_e) zwischen aufeinanderfolgenden Maxima aufaddiert und aus der Summe dieses aufaddierten Signals und der Regelabweichung die Ausgangsgröße (ur) zur Beeinflussung der Kreisverstärkung des Oszillators ableitet.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ciie speichernde Abtast-Halte-Schaltung (Ai, Aj) durch einen Integrator ersetzt ist, dessen Zeitkonstante so ausg- legt ist, daß seine Ausgangsspannung zwischen zwei Maxima genau die Regelabweichung (u) erreicht, und daß zur Bildung der Ausgangsgröße (ur) zu der Integrator-Ausgangsspannung Vj der Regelabweichung addiert sind.