DE2404696A1 - Schaltungsanordnung, insbesondere zur linearisierung der nach einem wurzelgesetz verlaufenden kennlinie eines digitalen messgebers - Google Patents

Description

• Schaltungsanordnunq, insbesondere zur Linearisierung der nach einem Wurzelgesetz verlaufenden Kennlinie eines digitalen Meßwertgebers.
• Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung, insbesondere zur Linearisierung der streng oder näherungsweise nach einem Wurzelgesetz verlaufenden Kennlinie eines Meßwertgebers, dessen Ausgangsgröße eine einem Meßwert proportionale Anzahl von Impulsen ist.
• Es sind zahlreiche Meßwertgeber bekannt, deren Kennlinien nichtlinear und speziell streng oder näherungsweise nach einem Wurzelgesetz verlaufen. Zu solchen Meßwertgebern sind beispielsweise alle diejenigen zu rechnen, bei denen eine Größe, z.B. eine Kraft, mittels der Änderung der Frequenz eines gedämpft schwingenden Meßgliedes bestimmt wird, wie beispielsweise Schwingsaitengeber oder Stimmgabelkreisel.
• Diese Meßwertgeber liefern als Ausgangsgröße eine Frequenz, die z.B. direkt digital meßbar ist. Ein direkter digitaler Ausgang wird dann bevorzugt, wenn derartige Meßwertgeber als Prozeß geber innerhalb eines Arbeits- oder Überwachungsprozesses eingesetzt werden, da im allgemeinen der Gesamtprozeß digital gesteuert oder geregelt ist. Bei analogen Meßwertgebern kann durch Zwischenschaltung eines Analog-Digital-Wandlers, beispielsweise eines Digital-Voltmeters, ebenfalls ein digitaler Ausgang geschaffen werden.
• Zur Linearisierung der Kennlinie ist es bekannt, die Anzahl der vom Meßwertgeber abgegebenen Impulse in Abhängigkeit von der Nichtlinearität der Kennlinie zu verkleinern oder zu vergrößern. Dies geschieht durch Frequenzteiler- bzw. Multiplikationsschaltungen, deren Multiplikations- bzw. Teiler~ verhältnis für alle vorkommenden Meßwerte aufgrund der Differenz der nichtlinearen und einer in dem betrachteten Meßbereichsintervall linearen Referenzkennlinie errechnet wird; vgl. Kollataj und Harkonen, Electronics, 4.3.1968, Sei te 122ff.
• Nachteilig hierbei ist es, daß beispielsweise bei einer Meßbereichserweiterung die von der linearen Referenzkennlinie abzuziehenden bzw. hinzuzuzählenden Korrekturimpulse jeweils neu berechnet werden müssen. Zudem kann der Prozeß zur Linearisierung der Kennlinie des Meßwertgebers erst nach dem abgeschlossenen Meßvorgang begonnen werden, d.h.
• nachdem alle dem Meßwert in ihrer Anzahl proportionalen Impulse vom Meßwertgeber abgegeben sind.
• Auch die Schaltungsrealisierung muß dem jeweiligen Anwendungsfall angepaßt werden und ist zudem durch die Verwendung komplizierter und hochintegrierter Bauteile recht aufwendig.
• Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, die technisch sehr einfach aufgebaut ist, universell einzusetzen ist und bei der das Ergebnis der Linearisierung der nichtlinearen Kennlinie annähernd gleichzeitig mit dem Ausgeben des Meßwertes durch den Meßwertgeber erfolgt.
• Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des ersten Patentanspruches angegebenen Mittel gelöst.
• Die Erfindung macht sich demnach die Erkenntnis zunutze, daß die streng oder näherungsweise nach einem Wurzelgesetz verlaufende Kennlinie des Meßwertgebers durch die allgemeine Gleichung y = x2 + 2bx + c streng oder näherungsweise linearisiert wird, wobei diese mit x = i + 1 auf die Rekursionsformel y(i+1) = y(i) + 2(i+b) + 1 zurückzuführen ist, die schaltungstechnisch mit der angegebenen einfachen Inkrementalrechenschaltung realisiert wird.
• Mit der angegebenen Schaltungsanordnung ist eine wesentlich kürzere Rechenzeit als bisher erreichbar, da das Ergebnis quasi mit der Eingangsgröße, d.h. den vom Meßwertgeber abgegebenen Einzelimpulsen mitläuft und innerhalb des gleichen Impulstaktes der Eingangsgröße verfügbar ist.
• Die Schaltungsanordnung kann direkt an den digitalen Auswert gang des Meßgebers angeschlossen werden, eine Änderung der Schaltungsanordnung beim Wechseln des Meßbereiches ist nicht notwendig.
• Soll das Ergebnis angezeigt werden, so ist es zweckmäßig, den dritten Zähler, also das Ergebnisregister, mit einer Zahldarstellung im BCD-Code auszurüsten. Selbstverständlich ist jede andere Zahldarstellung möglich, so daß die Schaltungsanordnung durch Anpassung des dritten Zählers leicht in jeden digitalen Regelungsprozeß integriert werden kann.
• Die im Hauptanspruch angeführte Logikschaltung kann vielfältig aufgebaut werden, jedoch ist eine Realisierung gemäß dem Kennzeichen des zweiten Patentanspruches besonders einfach.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist anhand der Figur erläutert, die ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung zeigt.
• Ein Meßwertgeber 1 mit einer nach einem Wurzelgesetz verlaufenden Kennlinie gibt an seinem digitalen Ausgang innerhalb einer bestimmten Zeit eine Anzahl x von Einzelimpulsen i ab, die mit einer zu bestimmenden Meßgröße y durch die Gleichung y = x2 + 2bx + c verknüpft ist. Die Einzelimpulse i werden einem Serientakteingang 201 eines ersten Binärzählers 2 zugeführt, der im folgenden als Argumentregister bezeichnet ist. Das Argumentregister 2 ist über Paralleleinleseeingänge 20209 202n auf die wählbare Größe b voreinstellbar-, so daß der momentane Inhalt des Argumentregisters (i+b) beträgt.
• Das Argumentregister 2 weist eine Anzahl n Parallelausgänge 2030,2031S...302n 1 und 203n auf, die mit Paralleleinleseeingängen 3011,3012,...,301n und 301n+1 eines zweiten, im folgenden Inkrementregister genannten Binärzählers 3 verbunden sind, und zwar derart, daß jeweils der Parallelausgang 203k der Wertigkeit 2k mit dem Paralleleinleseeingang 301k+1 der Wertigkeit 2k+1 verbunden ist. Der Paralleleinleseeingang 3010 der Wertigkeit 20 ist mit einer binären "1", in der Figur mit L symbolisiert, fest verdrahtet. Durch die geschilderte elektrische Verbindung der beiden Binärzähler 2 und 3 beträgt der momentane Inhalt des Inkrementregisters #2( i+b)+1t.
• Das Inkrementregister 3 weist einen Takteingang 302|und einen Auslöseausgang 303 auf, an dem ein Impuls erscheint, nachdem am Takteingang 302 eine Anzahl von Impulsen eingetroffen ist, die dem Inhalt des Inkrementregisters 3 entspricht.
• Ferner ist ein dritter Zähler 4, im folgenden Ergebnisregister genannt, vorgesehen, der über Paralleleinleseeingänge 4010 ,... 4°ln auf die wählbare Größe c voreinstellbar ist. Das Ergebnisregister kann eine beliebige Zahldarstellung aufweisen, vorzugsweise, falls eine Anzeige des Ergebnisses gewünscht ist, eine solche im -BCD-Kode.
• Bei allen drei Zählern 2,3 und 4 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit Setzeingänge in der Figur nicht gezeichnet.
• Die Takteingänge 302 und 402 des Inkrementregisters 3 bzw.
• des Ergebnisregisters 4 sind jeweils mit dem Ausgang eines UND-Tores 5 bzw. 6 verbunden, die ihrerseits je drei Eingänge aufweisen. Jeweils einer der Eingänge der UND-Tore ist über einen Inverter 7 mit dem Takteingang 201 des Argumentregisters 2 verbunden. Die jeweilig zweiten Eingänge sind mit einem Taktgenerator 8 verbunden, dessen Frequenz so hoch gewählt ist, daß sie mindestens gleich der Folgefrequenz der Impulse x multipliziert mit dem maximal möglichen Inhalt des Inkrementregisters 3 ist. Der jeweilig dritte Eingang der UND-Tore 5 und 6 ist mit dem Ausgang Q eines Flip-Flops 9 verbunden, dessen Setzeingang S mit dem Takteingang 201 des Argumentregisters und dessen Rücksetzeingang R mit dem Auslöseausgang 303 des Inkrementregisters 3 verbunden ist.
• Die Wirkungsweise der beschriebenen Schaltungsanordnung ist folgende: Vor Beginn der Auswertung werden das Argument- und das Ergebnisregister 2 bzw. 4 über die Paralleleinleseeingänge in Anfangsstellung gebracht, d.h. auf die wählbaren Größen b und c voreingestellt. Der Ausgang Q des Flip-Flops 9 ist auf logisch "Null" gesetzt, wodurch die UND-Tore 5 und 6 für den vom Taktgenerator 8 kommenden Zähltakt gesperrt sind. Der Beginn des ersten Impulses i des Impulszuges x veranlaßt, beispielsweise mittels seiner steigenden Flanke die Übernahme des an den Paralleleinleseeingängen 301 anliegenden Wertes {2bs1} in das Inkrementregister 3. Der Impuls i wird über den Serientakteingang in das Argumentregister 2 eingezählt, so daß dessen am Ende des Impulses i verfügbarer Inhalt die Paralleleinleseeingänge des Inkrementregisters 3 vorbereitend auf den Wert #(i+b) + 13 einstellt.
• Durch den Einzelimpuls i ist das Flip-Flop 9 umgeschaltet worden, so daß an dessen Ausgang Q und an den entsprechenden Eingängen der UND-Tore nunmehr logisch "Eins" ansteht. Die UND-Tore bleiben jedoch infolge der logischen "Null" am Ausgang des Inverters 7 während der Dauer des Einzelimpulses i weiterhin gesperrt und öffnen erst nach dessen Ende.
• In der Pause zwischen den Einzelimpulsen i werden die Takteingänge 302 und 402 des Inkrement- bzw. des Ergebnisregisters jeweils mit den vom Taktgenerator 8 gelieferten Impulsen beaufschlagt. Sobald die Anzahl der Impulse gleich dem Inhalt des Inkrementregisters, also gleich t2(i+b)+l3 ist, erscheint am Auslöseausgang 303 dieses Registers 3 ein Überlaufimpuls, der das Flip-Flop 9 umschaltet, so daß an dessen Ausgang Q "Null" erscheint, die die UND-Tore 5 und 6 wiederum sperrt.
• Bis zu diesem Zeitpunkt ist demnach in das Ergebnisregister 4 eine dem Inhalt des Inkrementregisters 3 entsprechende Anzahl von Impulsen eingezählt worden. Es muß lediglich sicherer stellt werden, daß der Inhalt des Argumentregisters 2 zu Beginn des Einzelimpulses i in das Inkrementregister übernommen wird, bevor der Impuls i den Inhalt des Argumentregisters erhöht. Durch Summierung der bei jedem Einzelimpuls i auftretenden Rechenoperationen im Ergebnisregister 4 entspricht dessen Inhalt dem gewünschten Ergebnis. Dieses Ergebnis steht demnach kurz nach Eintreffen des letzten Einzelimpulses i der Impulsfolge x im Ergebnisregister zur Verfügung.
• Die beschriebene Schaltungsanordnung läßt sich mit nur geringem Schaltungsaufwand aus handelsüblichen Bausteinen realisieren. Hierbei ist es nicht notwendig, daß der Taktgenerator frequenzstabil arbeitet, wenn nur seine Frequenz genügend groß gewählt ist, so daß in der Zeitspanne zwischen zwei aufeinanderfolgenden Einzel impulsen i das Inkrementregister 3 leer gezählt werden kann.
• Patentansprüche:

Claims (2)

1. Patentansprüche 1. Schaltungsanordnung, insbesondere zur Linearisierung der streng oder näherungsweise nach einem Wurzelgesetz verlaufenden Kennlinie eines Meßwertgebers, dessen Ausgangsgröße eine einem Meßwert proportionale Anzahl von Impulsen ist, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Schaltungsanordnung einen ersten über Parallel-Einleseeingänge (202) auf eine wählbare Größe (b) voreinstellbaren und Parallelausgänge (2030,2031,2032...,203n) aufweisenden ersten Binärzähler (Argumentregister 2) aufweist, wobei die Ausgangsgröße des Meßwertgebers (1) dem Takteingang (2o1) dieses ersten Binärzählers (2) zuführbar ist, daß die Schaltungsanordnung ferner einen zweiten, Parallel-Einleseeingänge ( 30102 3O11# 3o12#### 301n' 301n+i> aufweisenden Binärzähler (Inkrementregister 3) aufweist, daß die Parallelausgänge (2030 bis 203n) des ersten Binärzählers (2) jeweils mit den eine um eine Binärstelle höhere Wertigkeit aufweisenden Parallel-Einleseeingängen (3011 bis 301nu1) des zweiten Binärzählers (3) verbunden sind und der Parallel-Einleseeingang ( 3010) der Wertigkeit 2° des zweiten Binärzählers (3) fest auf Binär "Eins" (L) eingestellt ist, daß ferner die Schaltungsanordnung einen über Parallel-Einleseeingänge (401) auf eine wählbare Größe (c) voreinstellbaren dritten Zähler (Ergebnisregister 4) mit beliebiger Zahldarstellung sowie einen Taktgenerator (8) aufweist, der über eine Logikschaltung (5,6,7,9) mit den Takteingängen (302; 402) des zweiten und dritten Zählers (3; 4) verbunden ist und eine Taktfrequenz aufweist, die mindestens gleich der Frequenz der Eingangsimpulse (i) am Takteingang (2o1) des ersten Binärzählers (2) multipliziert mit dem größtmöglichen Inhalt des zweiten Binärzählers (3) ist, und daß die Logikschaltung (5,6,7,9) derart aufgebaut ist, daß sie den Taktgenerator (8) nach jedem Eingangsimpuls (1) am Takteingang (2o1) des ersten Binärzählers (2) mit den jeweiligen Takteingängen (302 bzw. 402) des zweiten bzw. dritten Zählers (3 bzw. 4) verbindet und den Taktgenerator (8) von den Takteingängen (302 und 402) nach einer Anzahl von Taktimpulsen des Taktgenerators trennt, die gleich dem Inhalt ( j 2(i+b)+1} ) des zweiten Binärzählers (3) ist, und daß der so in den dritten Zähler (4) eingeschriebene Wert die Ausgangsgröße der Schaltungsanordnung ist.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Takteingang (2o1) des ersten Binärzählers (2) einerseits über einen Inverter (7) mit jeweils einem Eingang zweier UND-Tore (5,6),die je drei Eingänge aufweisen, und andererseits mit einem Setzeingang (S) eines Flip-Flops (9) verbunden ist, daß ferner der Taktgenerator (8) mit den jeweilig zweiten Eingängen der UND-Tore (5,6) und die jeweilig dritten Eingänge der UND-Tore (5,6) mit einem Ausgang (Q) des Flip-Flops (9) verbunden sind, und daß ferner ein Rücksetzeingang (S) des Flip-Flops (9) mit einem Übertragungsausgang (303) des zweiten Binärzählers (3) verbunden ist, an dem ein Überlaufimpuls erscheint, sobald diesem zweiten Zähler (3) am Takteingang (302) eine Anzahl von Impulsen zugeführt ist, die dem Inhalt des Zählers (3) entspricht.

   L e e r s e i t e