DE2405035A1 - Analogrechner-schaltung - Google Patents

Description

n€f: \Oe. (Z-oeefteiiiet iso^cmotai^c ty ι r\ r η ο r

PATENTANWALT

31c Januar 1974 27_O65

PATENTANMELDUNG

Anmelder; The Bailey Meter Company,

29801 Euclid Avenue, Wickliffe, OHIO 44092 - USA -

Tjtel; Analogrechner«=Schaltung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Analogrechnerschaltung^, und zwar insbesondere auf eine Analogrechnerschaltung zur Durchführung von Multiplikationen^ Divisionen und Quadratwurzelzieheno

Die Erfindung offenbart eine Schaltung, die eine Ausgangsspannung hat, die eine Funktion dreier Eingangsspannungen X^ Y und Z ist₀ Durch Zuführung der entsprechenden Signale zu den Eingängen der Analogschaltung kann bewirkt werden^, daß der Ausgang sich propor« tional zu XY , X² oder V XY~ändert₀

— γ-

Eine bekannte Analogrechner-Schaltung^ die multiplizieren, divi« dieren und Quadratwurzeln ziehen kann^ ist in der US^Patentschrift 3 043 516_t (Abbott et al)_f beschriebene Nach dem in Spalte Zeile 48 beginnenden Absatz steuert ein erstes Analog-Eingangssignal B eine erste Summiervorrichtusig oder Integrierschaltung«,

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Der Ausgang der ersten Integrierschaltung wird mittels einer Vergleichsschaltung mit einem zweiten Analog-Eigangssignal A verglichen. Solange der Ausgang der ersten Integrierschaltung kleiner äst als das zweite Analog-Eingangssignal, ermöglicht es die Vergleichsschaltung einer zweiten Integrierschaltung, eine Zeit-Summierung oder Integration eines dritten Analog-Eingangssignals V durchzuführeno Der Ausgang W der zweiten Integrierschaltung ist gleich VA₀ Wie in Spalte 3, Zeile 45 der US-Patentschrift 3 043 beschrieben- wird der Berechnungszyklus durch gleichzeitiges Zuführen des ersten Analog-Eingangssignals in die erste Integriersehaltung, des zweiten Analog-Eingangssignals in die Vergleicheschaltung und des dritten Analog-Eingangssignals in die zweite Integrierschaltung begonnen. Dieser Berechnungszyklus ist vollständig, wenn die Vergleichsschaltung die Integration der zweiten Integrierschaltung stoppt₀ Somit erzeugt bei einer solchen Schaltung die Vergleichsschaltung ein Impulssignal, das einen Impuls hat, der proportional zu dem Verhältnis des zweiten Analog-Eingangssignals zu dem ersten Analog-Eingangssignal ist_o Dieser Impuls wird benutzt, um die Länge der Zeit zu steuern, in der ein drittes Analog-Eingangssignal integriert wird_f und dieser integrierte Ausgang hat eine Amplitude^ die der Amplitude des dritten Eingangssignals mal dem Verhältnis des zweiten Eingangssignals zu dem ersten Eingangssignal proportional ist_o

Eine solche Analogschaltung hat zwei Nachteile. Der erste ist die Notwendigkeit, die Analogrechner-Schaltung mit einem externen Zeitgebersignal zu steuern«. Jedesmal, wenn eine Berechnung gewünscht wird, ist es notwendig, die Kondensatoren in der ersten ure' zweiten Integrierschaltung zu entladen und die gleichzeitige Neueingsra des ersten^, zweiten und dritten Analog-Eingangssignals vorzusehen. Der zweite Nachteil der Schaltung ist darin zu sehen, daß bei einer gegebenen Polarität des ersten Analog-Eingangssignals der

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Kondensator in der ersten Integrierschaltung sich immer mit der gleichen Spannungspolarität auflädt. Zu Beginn jedes Berechnungszyklus wird der Kondensator an die Schaltkreiserde gelegt^ um ihn zu entladen^ aber infolge des dielektrischen Verlustes oder der Speicherwirkung bleibt eine kleine Ladung am Kondensator^ die einen Fehler in der anschließenden Berechnung verursachte

Es ist daher eine Aufgabe dieser Erfindung, eine neue Analogrechner-Schaltung zu schaffen, die einen solchen Nachteil nicht mehr aufweist_o Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Analogrechnerschaltungj. die dividieren, multiplizieren und Quadratwurzel ziehen kann und die selbst zeitsteuernd ist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß drei Eingangsvariablen als sich langsam ändernde Gleichspannungen dargestellt sind₀ Ein Integrierverstärker wird durch eine Gleichspannung gesteuert, die die erste Eingangsvariable darstellt, deren Polarität periodisch umgekehrt wird, so daß der Verstärkerausgang eine Dreieckswelle ist_c Der Eingang zum Verstärker wird jedesmal umgekehrt^ wenn der Ays« gang eine vorbestimmte Größenordnung erreicht^ die durch die Größenordnung der Spannung der zweiten Variablen bestimmt wird, so daß die Dreieckswelle gezwungen wird, periodisch um Null Volt zu schwanken mit einer Frequenz, die eine Funktion der Größe der ersten und zweiten Eingangsspannung ist_o Somit wird, während die Größe der in den Integrierverstärker eingegebenen Spannung erhöht wird, die Frequenz proportional ansteigen, und während die Größe der zweiten Variablen zunimmt, wird die Frequenz der Dreieckswelle proportional abnehmen. Ein Tiefpaßfilter, das durch einen Impuls gesteuert wird₇ der eine Konstantspannungsamplitude und eine feste Impulsdauer hat, hat eine Ausgangsspannung, die proportional der Impulsamplitude mal der Impulsfrequenz ist_o In der erfindungsgemäßen Analogrechner-Schaltung wird die Frequenz der an das Tiefpaßfilter gegebenen Impulse durch die Frequenz der Dreieckswellenfarm gesteuert, und die Impulsamplitude wird durch die

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Größe der Spannung bestimmt,, die die dritte Eingangsvariable bildete Somit wird der Ausgang des Tiefpaßfilters eine Spannung haben, die proportional dem Produkt aus der ersten und dritten Eingangsspannung und umgekehrt proportional der zweiten Eingangsspannung ist.

Die erfindungsgemäße Analogrechner-Schaltung unterscheidet sich von dem Stand der Technik dadurch, daß die Schaltung des bekannten Analogrechners ein Tiefpaßfilter durch einen Impuls steuert, der eine Impulsdauer hat, die proportional dem Verhältnis eines ersten Eingangssignals zu einem zweiten Eingangssignal ist, und eine Amplitude_y die proportional einem dritten Eingangssignal ist, wogegen das erfindungsgemäße Tiefpaßfilter durch einen Impuls mit fester Impulsdauer gesteuert wird, der mit einer Frequenz auftritt, die proportional -dem Verhältnis eines ersten Eingangssignals zu einem zweiten Eingangssignal ist und eine der dritten Variablen proportionale Amplitude hat«, Ein weiterer bedeutsamer Unterschied besteht darin, daß infolge der Ausführung der Integrierschaltung und der Vergleichsschaltung in Oszillatortechnik keine Notwendigkeit besteht, die Operationen der Analogrechner-Schaltung von außen her zu synchronisieren sowie keine Notwendigkeit, die zu den Integrierschaltungen gehörigen Speicherkondensatoren zu entladen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschriebene Es zeigtS

F£g₀ 1 ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Analogrechner-Schaltung, die die arithmetische Operation W= XY ausführt,

Fig. 2 ein Zeit-Diagramm, das die Schwingungsformen veranschaulicht, die an ausgewählten Punkten in dem Blockschaltbild der Fig_o vorkommen,

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Fig_o 3 ein Blockschaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung_o

Die Figur 1 zeigt in Form eines Blockschaltbildes eine Analogrechner-Schaltung zur Erzeugung einer Ausgangsspannung, W = XY _f wobei X , Y und Z Analog-Eingangsspannungen sind«, Das Analog-Eingangssignal Y steuert eine Umformerschaltung 10, die einen + e Spannungsausgang und einen -e Spannungsausgang hat_o Sowohl der Spannungsausgang +e als auch der Spannungsausgang -e haben die gleiche Größenordnung und sind proportional der Spannungsamplitude des Analog-Eingangssignals Y und sind_f wie bezeichnet, mit umgekehrten Vorzeichen versehene. In ähnlicher Weise steuert die Eingangsvariable Z eine Umformerschaltung 20, die einen -e Spannungsausgang und einen +e Spannungsausgang hat_o Der -e und der +e Spannungsausgang sind gleich groß und proportional der Amplitude der Analog-Eingangsspannung Z, haben aber entgegengesetzte Polarität. Die Ausgänge -e , +e _} -e und +e gehen auf die Pole der einpoligen Ein-Aus-Schalter 40_r bzw₀ 50, 6O₁ 7O₀ Die Spannung -e wird über Schalter 40 und Widerstand 75 an einen Integrierverstärker 77 angelegt, und das + e Signal geht über den Schalter 50 und Widerstand 76 zum Integrierverstärker 71. Der Verstärker 77 wirkt als Integrierverstärker durch den Kondensator 78_r der zwischen dem Ausgang des Verstärkers 77 und dem negativen Eingang des Verstärkers 77 diesem parallelgeschaltet ist_o Die Schalter 40 und 50 sind an die Widerstände 75 und 76 angeschlossen, so daß, wenn das

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Signal -e an den Widerstand 75 angelegt wird, das Signal +e von seinem zugehörigen Eingangswiderstand 76 abgeschaltet wird, und wenn das Signal +e auf den Widerstand 76 gegeben wird, das Signal -e vom Widerstand 75 abgeschaltet wird_o Es muß darauf hingewiesen werden, daß in diesem Blockschaltbild eine Schalter- und Widerstandskombination hätte weggelassen werden können« Das bedeutet, daß der Widerstand 75 an den Pol eines zweipoligen Umschalters hätte angeschlossen werden können und die Signale -e und +e an die zwei Stellungen des Schalters angelegt werden könnten, so daß der Widerstand 75 dann zwischen dem +e und dem -e Signal geschaltet werden könnte₀ Es ist ein etwas kompliziertes Blockschaltbild dargestellt, so daß das Blockschaltbild der Fig_o 1 dem bevorzugten Ausführungsbeispiel entspricht, das in der Fig_o 3 dargestellt ist«,

In gleicher Weise wird das Signal -e Über den Schalter 60 und den Widerstand 79 auf den Umkehrverstärker 81 gegeben, und das Signal +e wird über den Schalter 70 und den Widerstand 80 auf den Eingang des Verstärkers 81 gegeben_o Der Verstärker 81 wird als Umkehrverstärker verwendet, und zwar bestimmt durch den Widerstand 82, der zwischen den Ausgang des Verstärkers 81 und den negativen Eingang des Verstärkers 81 geschaltet ist· Ein Fachmann wird auch erkennen, daß der Verstärker 81 kein notwendiger Bestandteil einer Blockschaltbild=Beschreibung der erfindungsgemäßen Analogrechner-Schaltung isto Mit anderen Worten gesagt, könnte der Ausgang des

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Verstärkers 81, der den positiven Eingang des Vergleichsverstärkers 85 steuert, auf den Pol eines Umschalters gegeben werden und die beiden Stellungen des Schalters könnten mit dem -e Signal und dem +e_z Signal geschaltet werden« Wiederum sind der Verstärker 81 und die zu ihm gehörigen Komponenten aufgenommen worden, obwohl sie nicht unbedingt zur funktioneilen Blockschaltbild^Beschreibung der Erfindung beitragen, so daß die Fig_o 1 unmittelbar dem bevorzugten Ausführungsbeispiel entspricht, das im Detail in Verbindung mit der Fig₀ 3 beschrieben ist.

Der Ausgang des Integrierverstärkers 77 steuert einen Eingang eines Vergleichsverstärkers 85, während der Ausgang des Verstärkers 81 den anderen Eingang des Vergleichsverstärkers 85 steuerte Der Ausgang der Vergleichsschaltung 85 ist ein Rechteckwellen-Signal, das einen ersten Spannungspegel hat, wenn die Spannung an der negativen Eingangsklemme des VergleichsVerstärkers 85 geringer ist als die Spannung an der positiven Eingangsklemme des Vergleichsverstärkers, 85, und das einen zweiten Spannungspegel hat, wenn die Spannung an der negativen Eingangsklemme des Vergleichsverstärkers 85 größer ist als die Spannung an der positiven Eingangsklemme_o Die Schalter 40, 50, 60 und 70 arbeiten ansprechend auf den Ausgangsspannungspegel des Vergleichsverstärkers 85, und dies ist durch die gestrichelte Linie 86 dargestellt, die den Ausgang des Verstärkers 85 mit den Schaltern 40, 50, 60 und 70 verbindeto Wenn die Spannung

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an der negativen Klemme des Vergleichsverstärkers 85 kleiner ist als die Spannung an der positiven Klemme des Verstärkers 85, dann bewirkt der erste Spannungspegel-Ausgang des Vergleichsverstärkers 85j. daß die Schalter 40_f 50_r 60 und 70 in der in Fig_o 1 dargestellten Stellung sind_o Wenn die Spannung an der negativen Eingangsklemme des Vergleichsverstärkers 85 größer ist als die Spannung an der positiven Eingangsklemme des Vergleichsverstärkers 85, wird der zweite Spannungspegelausgang des Verstärkers 85 die Schalter 40 und 60 veranlassen zu öffnen und die Schalter 50 und 70 zu schließen,,

Die bisher beschriebenen Schaltungen lassen den Ausgang des Vergleichsverstärkers 85 mit einer Frequenz oszillieren, die proportional dem Verhältnis der Amplitude der Analog-Eingangsspannung Y zu der Amplitude des Analog-Eingangssignals Z ist_o Wenn die Schalter 4O₇ 50, 60 und 70 in der in Fig₀ 1 angegebenen Stellung sind, wird das Signal -e auf den Eingang des Integrierverstärkers 77

gehen_o Außer das Zeitintegral der Eingangsspannung zu ermitteln, multipliziert der Integrierverstärker 77 auch mit einem Faktor von minus 1_f während das Eingangssignal der negativen Klemme des Verstärkers 77 zugeführt wird« Daher wird, als Ergebnis des Anlegens der Spannungs -e an den Eingang des Integrierverstärkers 77% der Ausgang des Integrierverstärkers 77 eine Sägezahnspannung sein, die in der positiven Richtung mit einer konstanten Rate zunimmto Diese Sägezahnspannung wird an den negativen Eingang des Vergleichsverstärkers 85 angelegt. In gleicher Weise wird das Eingangssignal -e mit einem Faktor von minus 1 von dem Verstärker 81 multipliziert^ und dadurch eine Spannung, die gleich +e ist,

an die positive Eingangsklemme des Vergleichsverstärkers 85 angelegte Anfänglich wird der Spannungsausgang des Integrierverstärkers 77 kleiner sein als die Spannung +e_{z x} und der Ausgang des Vergleichsverstärkers 85 wird den ersten Spannungspegel haben^

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durch den das Signal -e und das Signal -e weiter auf die Verstärker 77 bzwo 81 geschaltet bleiben_c Wenn die Sägezahnspannung gleich der Spannung + e an der positiven Eingangsklemme des Vergleichsverstärkers 85 wird, schaltet der Komparator-Ausgang auf den zweiten Spannungspegel^ wodurch bewirkt wirdj, daß die Schalter 40 und 60 öffnen und die Schalter 50 und 70 schließen, und' nun wird das Signal + e auf den Integrierverstärker 77 und das Signal

+e auf den Verstärker 81 gegebene An diesem Punkt wird die Ausgangsspannung des Integrierverstärkers 77 beginnen als Sägezahnspannung in negativer Richtung mit konstanter Schräge zu gehen, und der Spannungspegel -e wird an der positiven Eingangsklemme

des Vergleichsverstärkers 85 auftreten. Das Signal an der negativen Eingangsklemme des Vergleichsverstärkers 85 wird größer sein als das Signal an der positiven Eingangsklemme^ und der Ausgang des Vergleichsverstärkers 85 wird den zweiten Spannungspegel haben, durch den der Zustand der Schalter 40, 50, 60 und 70 beibehalten wirdο Während der Ausgang des Integrierverstärkers 77 weiter als Sägezahnspannung negative Richtung hat, steuert er schließlich die negative Eingangsklemme des Vergleichsverstärkers 85 unter die Spannung -e_ ₉ die an der positiven Eingangsklemme des Vergleichsverstärkers 85 auftritt, wodurch bewirkt wird, daß der Ausgang des Vergleichsverstärkers 85 wieder auf den ersten Spannungspegel geschaltet wird, wodurch wiederum die Schalter 40, 50, 60 und 70 in die in Fig. 1 dargestellte Stellung zurückkehren_o Somit ist zu ersehen, daß die Schaltung selbstechwingend ist (selfoscillating) und daß der Komparator—ausgang eine Rechteckwelle sein wird. Außerdem bestimmt die Größe der Spannung Y die Neigung der Sägezahnspannung, und wenn diese steiler wird, erreicht der Ausgang des Integrierverstärkers 77 schneller die Vergleichsspannung e j. was bedeutet, daß die Frequenz des Rechteckwellen-Signalsausganges des VergleichsVerstärkers 85 größer wird_o

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Auch nimmt, während die Amplitude des Analog-Eingangssignals Z größer wird, die Spannung an dem positiven Eingang des Vergleichsverstärkers zu, was bedeutet, daß der Ausgang des Integrierverstärkers langer brauchen wird, um den Vergleichspegel zu erreichen, wobei die Wirkung eintritt, die Frequenz des Rechteckwellen-Signalausganges des Vergleichsverstärkers 85 zu verringern. Mit anderen Worten gesagt, ist die Frequenz, mit der der Vergleichsverstärker oszilliert, direkt proportional der Amplitude des Analog-Eingangssignals Y und umgekehrt proportional der Amplitude des Analog-Eingangssignals Z₀

Der Rechteckwellen-Ausgang des Vergleichsverstärkers 85 steuert eine Schaltung 90, die einmal während jeder Periode der Rechteckwelle einen Impuls erzeugt, wobei jeder Impuls eine feste Impulsdauer hat_o Das Rechteckwellen-Signal des Vergleichsverstärkers 85 steuert ein Spannungsteiler-Netzwerk, das aus den Widerständen 91 und 92 besteht. Das Rechteckwellensignal des Vergleichsverstärkers 85 steuert auch ein zweites Netz, das aus dem Widerstand 93 mit dem in Reihe geschalteten Kondensator 94 besteht. Eine Diode 95 ist mit dem Kondensator 94 parallel geschaltet und so gepolt, daß sich eine negative Spannung am Kondensator einstellen kann_o Die positive Eingangsklemme eines Differenzverstärkers 96 wird von dem Spannungsteiler-Netz gesteuert, und die negative Eingang klemme des Differenzverstärkers 96 wird von der Übergangszone des Widerstandes 93 und Kondensator 94 gesteuert. Wenn das Rechtecksignal des Vergleichsverstärkers 85 einen positiven Spannungspegel hat, wird ein positiver Bezugspegel an der positiven Eingangsklemme des Differenzverstärkers 96 hergestellt, bestimmt durch das Verhältnis der Widerstände 91 und 92o Wenn die positive Spannung der Rechteckwellenfrequenz an das aus Widerstand 93, Kondensator 94 und Diode 95 bestehende Netz angelegt wird, wird die Diode 95 in Durchlaßrichtung vorgespannt und verhindert den Aufbau einer positiven Spannung am Kondensator So wird die negative Eingangsklemme des Differenzverstärkers 96

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durch die Diode 95 an die Schaltkreiserde geklemmte Solange der Ausgang des Vergleichsverstärkers 85 positiv bleibt^ wird die negative Eingangsklemme des Differenzverstärkers 96 an die Erde geklemmt sein und kleiner bleiben als die Spannung, die der positiven Eingangsklemme des Differenzverstärkers 96 zugeführt wird, und der Differenzverstärker 96 wird eine Ausgangsspannung mit dem ersten Spannungspegel haben. Wenn das Signal aus dem Vergleichsverstärker 85 eine negative Spannung ist, wird eine negative Bezugsspannung der positiven Eingangsklemme des Verstärkers 96 zugeführt, bestimmt durch das Verhältnis von Widerstand 91 und 92_O Wenn die negative Spannung des Vergleichsverstärkers 85 dem aus Widerstand 93_f Kondensator 94 und Diode 95 bestehenden Netz zugeführt wird, wird die Diode 95 in Sperrichtung vorgespannt^ und am Kondensator 94 kann sich eine negative Spannung einstellen· Die Spannung im Kondensator 94 wird sich exponentiell, bestimmt durch die Werte des Widerstandes 93 und Kondensators 94, aufbauen_o Wenn der Ausgang des Vergleichsverstärkers 85 zu Anfang negativ wird, ist die Spannung im Kondensator 94 und damit die Spannung an der negativen Eingangsklemme des Differenzverstärkers 96 sehr nahe an Null, und die Spannung an der positiven Eingangsklemme des Differenzverstärkers 96 ist der negative Bezugspegel. Da ja die Spannung an der negativen Eingangsklemme des Differenzverstärkers 96 größer ist als die Spannung an der positiven Eingangsklemme- wird der Ausgang des Differenzverstärkers 96 den zweiten Spannungspegel haben_o Schließlich baut sich die negative Spannung am Kondensator 94 auf, so daß sie die durch das Spannungsteiler-Netz gegebene Spannung übersteigt und dadurch bewirkt^ daß der Ausgang des Differenzverstärkers 96 auf den ersten Spannungspegel zurückschaltete Die Länge der Zeit, in der der Differenzverstärker 96 auf dem zweiten Spannungspegel istj, wird gänzlich durch die von Widerstand 93 und Kondensator 94 gegebene Zeitkonstante bestimmt und wird für jede Periode des Ausgangssignals des Vergleichsverstärkeie 85 die gleiche sein_o

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Das Analog-Eingangssignal X steuert eine Umformer-Schaltung 30^ die einen +e Ausgang hat_o Die Spannung e wird an die normaler-

X X

weise geschlossene Stellung des Schalters 100 gelegt, der Pol des Schalters 100 wird an eine Integrierschaltung 110 angeschlossen, die aus Widerstand 111 und Kondensator 112 besteht. Die Integrierschaltung 110 ist an eine Bezugsspannungsquelle angeschlossen die typischerweise über den normalerweise geschlossenen Kontakt des Schalters 100 geerdet ist. Die Umformer-Schaltung 30 dieser Figur ist ebenfalls in dieser Blockschaltbild-Erläuterung nicht erforderliche Das Eingangssignal X könnte direkt auf den Pol des Schalters 100 geschaltet werden. Die Umformer-Schaltung 30 wird hier beschrieben, damit dieses Blockschaltbild mit der späteren Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels übereinstimmt, das in Verbindung mit Fig_o 3 beschrieben wird. Der Schalter 100 wird durch den Spannungsausgang des Differenzverstärkers betätigt, wie durch die gestrichelte Linie 87 angegeben_o Wenn der Ausgang des Differenzverstärkers 96 auf dem zweiten Spannungspegel ist^ wird das Signal +e auf die Integrierschaltung 110 gegebene Wenn der Ausgang

des Differenzverstärkers 96 den ersten Spannungspegel hat, wird der Schalter 100 betätigt, um die Schaltkreiserde an die Integrierschaltung 110 zu legeno Der Ausgang W der Analogrechner-Schaltung geht durch den Kondensator 112. Die im Kondensator 112 auftretende Spannung wird proportional der Amplitude des Signals +e sein₅ der Länge der Zeit, in der der Schalter IiX) das Signal +e der Integrier-Schaltung 110 zuführt, und der Frequenz des Auftretens der vom Differenzverstärker 96 erzeugten Impulse«, Die Amplitude des Signals e ist proportional der Amplitude des Analog-Eingangssignals X₀ Die Impulsdauer, oder die Länge der Zeit, in der der Differenzverstärker 96 den zweiten Ausgangspegel hat, ist fest, und die Impulsfre/quenz ist proportional dem Verhältnis der Amplitude des Eingangssignals Y zu der Amplitude des Eingangssignals Z. Daher ist der Ausgang W proportional zu XY _o

Z '

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Wenn ein Analog-Signal Y dem Eingang der Umformer-Schaltung 10

und der Umformerschaltung 20 zugeführt wird, wird das Ausgangs-

signal W proportional zu Y .

Wenn der Eingang der Umformer-Schaltung 20 von dem Signal W z.B. durch die Leitung 97 gesteuert wird, ist der Ausgang W proportionals zu XV . Die Auflösung dieser Beziehung nach W ergibt das

Resultat, das W gleich \T~XY ist.

Fig. 2A zeigt den Dreieckswellenform-Ausgang, e-_+/ des Integrie*- verstärkers 77 als eine Funktion der Zeit. Die Zeit, die das Signal e. . benötigt, um in die Sägezahnspannung zwischen -e und +e zu treten ist gleich 2 RiC-. e , wobei R, der Wert der Widerstände 75 und 76 und C, der Wert des e Kondensators 78 ist. Die Frequenz der Dreieckswellenform e. . ist gleich y

^{4 R}l^Cl^ez

Fig. 2B zeigt den Rechteckwellen-Ausgang, e _m/ des Vergleichs-Verstärkers 85 als Funktion der Zeit_o

Fig. 2C zeigt die Spannung e , , die an der positiven Eingangs-

pxus

klemme des Differenzverstärkers 96 auftritt, als eine Funktion der Zeit. Der negative Spannungspegel des Signals e , ist mit -e

DJ.US a

bezeichnet.

Fig. 2D zeigt die Wellenform e . , die an der negativen Eingangsminus

klemme des Differenzverstärkers 96 auftritt. Auch als gepunktete

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Linie dargestellt ist der Spannungspegel -e , der negative Pegel des Signals, der an der positiven Eingangsklemme des Differenzverstärkers 96 auftritto Die Zeit, während der das Signal e .

* ^a minus

größer ist als der Pegel -e , wird durch die Zeitkonstante des Widerstandes 93, R«, und des Kondensators 94, C«, bestimmte Diese Zeit ist als t, bezeichnet und ist proportional zu Ro^o·

Fig_o 2E zeigt das Signal e , das der Ausgang des Differenzverstärkers 96 ist_o Das Signal e ist für die Zeitspanne t, positiv und

S IC

zu allen anderen Zeiten negativ dargestellte

An dieser Stelle sind einige Bemerkungen bezüglich der Wahl und der Verwendung der Kondensatoren 78, C, , und 94, C«_? zu machen_o Da

ja die Spannung durch den Kondensator 78 kontinuierlich einen Sagezahnverlauf zwischen -e und + e bat, wird der weiter oben

auf dielektrischen Verlust oder Speichereffekt zurückgeführte Fehler für diesen Kondensator erheblich verringerte Außerdem ist der Ausgang W, proportional dem Verhältnis t, , das durch das

Verhältnis C« bestimmt wird. T

In anderen Worten gesagt steht die Stabilität des Ausgangs in Beziehung zu der Stabilität der Kondensatoren 78, C,, und 94, C«o

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Kondensatoren 78 und 94 angepaßt, so daß die Schaltung relativ unempfindlich gegen jede Abweichung infolge Alterung und Temperaturänderung der Kondensatoren ist«,

Fig_o 3 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Schaltung, die in Form eines Blockschaltbildes in Fig^; 1 dargestellt ist_o Zur Erleichterung haben bestimmte in Figur 3 dargestellte Elemente die

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ihnen in Figur 1 zugeteilten Elementbezeichnungen behaltene Das Analog-Eingangssignal Y wird an ein Untersetzer-Potentiometer 11 angelegte Das am Arm des Potentiometers 11 erscheinende Signal ist als KY bezeichnet und wird an den positiven Eingang des Verstärkers 12 angelegte Da der Ausgang des Verstärkers 12 zu der negativen Eingangsklemme des Verstärkers 12 zurückgeführt wird, wirkt er als Spannungsverstärker oder Pufferverstärker_o Der Ausgang des Pufferverstärkers 12 wird über den Widerstand 13 an den Verstärker 15 angelegto Die positive Eingangsklemme des Verstärkers 15 ist geerdet, und der Widerstand 14 ist zwischen den Ausgang des Verstärkers 15 und die negative Eingangsklemme des Verstärkers 15 geschalteto Der Ausgang des Verstärkers 15 ist mit -e bezeichnet und hat die entgegengesetzte Polarität wie der Ausgang des Verstärkers 12. Der Ausgang des Verstärkers 15 steuert die negative Eingangsklemme des Verstärkers 18 über den Widerstand 16. Der Ausgang des Verstärkers 18 wird über den Widerstand 17 zur negativen Eingangsklemme des Verstärkers 18 zurückgeführte Die Widerstände 17 und 16 haben den gleichen Usxt_s so daß der Verstärker 18 einen Verstärkungsfaktor von -1 hat_o Somit i^ird der Ausgang der Verstärkers 18 gleich +e sein_o

In ähnlicher Weise wird das Analog-Eingangssignal Z an das Untersetzer-Potentiometer 21 angelegt, und das resultierende Signal KZ wird an den Pufferverstärker 22 angelegt, der den Umkehrverstärker 25 steuert» Der Verstärkungsfaktor des Umkehrverstärkers 25 wird durch die Widerstände 23 und 24 bestimmt, und der Ausgang des Umkehrverstärkers 25 ist mit -e bezeichnete Der Verstärker 25 steuert den Umkehrverstärker 28, der einen Verstärkungsfaktor von -1, bestimmt durch die Widerstände 26 und 7J_S hat. Semit ist der Ausgang des Verstärkers 28 +e.

z°

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Der Schalter 40 besteht aus dem NPN-Transistor 42, Vorspannungs-Widerständen 41 und 44 und dem Beschleunigungs-Kondensator 43, und der Schalter 50 besteht aus dem PNP-Transistor 52, Vorspannungs-Widerständen 51 und 54 und dem Beschleunigungskondensator 53. Die Schalter 40 und 50 werden durch den Spannungspegel-Ausgang des Vergleichsverstärkers 85 gesteuert. Der positive und negative Spannungspegel des Ausgangs des Vergleichsverstärkers 85 werden so gewählt, daß entweder der Transistor 42 oder der Transistor 52 leitend wird. Wenn der positive Spannungspegel am Ausgang des Verstärkers 85 auftritt, wird der Basis-Emitter-Übergang des Transistors 42 in Durchlaßrichtung vorgegeben, und der Transistor 42 wird leitend, wodurch es möglich wird, dafi das -e Signal aus dem Umkehrverstärker 15 an den Widerstand 75 gelegt wird. Der positive Spannungspegel vom Verstärker 85 spannt auch den Basis-Emitter-Übergang des Transistors 52 in Sperrichtung vor, wodurch er nicht-leitend wird, was bewirkt, daß der Schaltungsweg zwischen dem +e Ausgang des Umkehrverstärkers 18 und dem Widerstand 76 geöffnet wird. Wenn der negative Spannungsausgang am Ausgang des Verstärkers 85 auftritt, wird der Transistor 42 in Sperrichtung vorgespannt, und der Transistor 52 wird in Durchlaßrichtung vorgespannt, wodurch das Signal -e vom Widerstand 75 weggeschaltet und das Signal -fe auf den Widerstand 76 geschaltet wird· In gleicher Weise steuert der Schalter 60, der aus dem NPN-Transistor 62 und den Vorspannungs-Widerständen 61 und 64 und dem Schalter 70 besteht, das Anlegen der Signale -e und +e an den Verstärker 81. So wird, wenn der positive Spannungspegel am Ausgang des Verstärkers 85 auftritt, der Transistor 62 leitend, und das -e_z Signal wird an den Widerstand 79 angelegt, und der Transistor 72 wird nichtleitend, wodurch das +e Signal vom Widerstand 80 getrennt wird; und wenn der negative Spannungspegel am Ausgang des Verstärkers 85 auftritt, wird der Transistor 62 nichtleitend und das -e Signal wird vom Widerstand 79 abgeschaltet, und der Transistor 72 wird leitend, und das +e Signal wird an den Widerstand 80 angelegt.

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Wie es in der Beschreibung der Figur 1 erwähnt wurde, integriert der Integrierverstärker 77 aufeinanderfolgend die Signale -e und +e ο Der Ausgang des Integrierverstärkers 77 wird über den Widerstand 83 auf die negative Eingangsklemme des Vergleichsverstärkers 85 gegeben^ und der Ausgang des Verstärkers 81 wird über den Widerstand 84 auf den Eingang des Vergleichsverstärkers 85 gegebene

Die Schaltung 90 erzeugt einen Impuls mit einer festen Impulsdauer einmal während jeder Schwingungsperiode der Rechteckwelle,, die am Ausgang des Verstärkers 85 erscheint,, In dem Blockschaltbild der Figur 1 wurde eine mit dem Kondensator 94 parallel geschaltete Diode 95 dargestellt_o In diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel wurde die Diode 95 durch einen NPN-Transistor 95 c und Vorspannungs— widerstände 95a und 95b ersetzt^ um die gleiche Funktion zu übernehmen. Wenn der positive Spannungspegel am Ausgang des Verstärkers 85 auftritt^ wird der Basis-Emitter-Übergang des Transistors 95c in Durchlaßrichtung vorgespannt_r und der Transistor 95c wird leitend und schließt dadurch die negative Eingar&klemme des Verstärkers 96 mit der Erde kurz_o Wenn der negative Spannungspegel am Ausgang des Verstärkers 85 auftritt, wird der Basis-Emitter-Übergang des Transistors 95c in Sperrichtung vorgespannt^ und die Kollektor-Emitter-Schaltung des Transistors 95c wird ein offener Stromkreis^ wodurch der Kondensator 94 und die negative Eingangsklemme des Verstärkers 96 eine negative Spannung erhalten können«.

Das Analog-Eingangssignal X wird an das Untersetzer-Potentiometer 31 angelegt^ und die Spannung KX^ die am Arm des Potentiometers 31 auftritt^ wird der positiven Eingangsklemme des Verstärkers 32 zugeführt. Da der Ausgang des Verstärkers 32 an die negative

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Eingangsklemme des Verstärkers 32 geht, wirkt er als Spannungsverstärker oder Puffer*verstärker. Der Ausgang des Pufferverstärkers

32 wird über den Widerstand 33 der negativen Eingangsklemme des Verstärkers 35 geführto Die positive Eingangsklemme des Verstärkers 35 ist geerdet,, und der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 35 wird durch das Verhältnis des Widerstandes 34 zu dem Widerstand

33 bestimmte Der Ausgang des Verstärkers 35 ist mit -e bezeichnet_o Der Schalter 100 arbeitet so, daß er entweder das Signal -e , das am Emitter des Transistors 105 auftritt, oder die Erde, die am Emitter des Transistors 102 auftritt, an die Integrierschaltung anlegt. Der Schalter 100 besteht aus dem NPN-Traneistor 102 und den zugehörigen Vorspannungs-Widerständen 101 und 103 und dem PNP-Transistor 105 und den zugehörigen Vorspannungs-Widerständen 104 und 106o Der Schalter 100 wird von dem Spannungspegel gesteuert, der am Ausgang des Verstärkers 96 auftritt» Wenn eine ausreichend positive Spannung am Ausgang des Verstärkers 96 auftritt, wird der Basis-Emitter-Übergang des Transistors 102 in Durchlaßrichtung vorgespannt, wodurch der Transistor 102 leitend wird, und die Erde wird an die Integrierschaltung 110 angelegte Wenn der positive Spannungspegel am Ausgang des Verstärkers 96 auftritt, wird auch der Basis-Emitter-Übergang des Transistors 105 in Sperrichtung vorgespannt, und der Transistor 105 wird nichtleitend und stellt einen wirksamen offenen Kreis zwischen dem Signal -e und dem Eingang zur Integrierschaltung 110 dar_o Gleicherweise wird, wenn eine ausreichend negative Spannung am Ausgang des Verstärkers 96 auftritt, der Transistor 102 nichtleitend, und es besteht ein offener Kreis zwischen der Erde und dem Eingang zur Integrierschaltung 110, und der Transistor 105 wird leitend, und dadurch kann das Signal -e an den Eingang der Integrierschaltung 110 angelegt werden.

In Figur 1 wurde ein einfaches RC-Filter verwendet, um das durch den

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Schalter 100 gegangene Signal zu integrieren. In dem bevorzugten Ausfuhrungsbeispiel der Figur 3 erfolgt eine zusätzliche Filterung durch die Widerstände 119, 121 und Kondensator 120 und Widerstand 124, Kondensator 125 und Umkehrverstärker 123. Der positive Eintritt des Verstärkers 123 ist über den Widerstand 122 geerdet. Der Nicht-Umkehrverstärker 115 wirkt in Verbindung mit den Widerständen 116 und 117 und den Potentiometer 11B, um den Spannungsabfall (loading down) des am Ausgang des Kondensators 112 auftretenden Signals zu verhindern und fuhrt auch die Feineinstellung der Verstärkung des Ausgangssignals W durch.

Eine Niedrigpegel-Signal-Sperrschaltung 130 dient der Eliminierung unerwünschter Ausgangssignale infolge hoher Verstärkung bei niedrigen Eingangspegeln· Die Schwachsignal-Sperrschaltung 130 besteht aus dem Differenzverstärker 131, dem Schalttransistor 133 und den Vorspannungswiderständen 132 und 134. Ein Niedrigpegel-Sperr-Bezugssignal, LCO, wird an die negative Eingangsklemme des Verstärkers 131 angelegt. Das Analog-Eingamgssignal X wird an die positive Eingangsklemme des Verstärkers 131 angelegt, und wenn das Analog-Eingangssignal X kleiner ist als das Niedrigpegel-Sperrsignal, LCO, dann wird der Ausgang des Verstärkers 131 ein negativer Spannungspegel sein, der bewirkt, daß der Emitter-BasisUbergang des Transistors 133 leitend wird, wodurch der Ausgang des Verstärkers 15 zu der negativen Eingangsklemme des Verstärkers 15 kurzgeschlossen wird, wodurch bewirkt wird, daß der Verstärker 15 einen Verstärkungsfaktor Null hat.

Obwohl die Erfindung bezogen auf ein spezifisches Ausführungsbeispiel beschrieben vurde, wird den Fachleuten klar sein, daß verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von der Erfindung im weiteren Sinne abzugehen.

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Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE·

   1. Analogrechner-Schaltung mit einer Ausgangsspannung, die eine Funktion eines ersten, zweiten und dritten Eingangssignals gekennzeichnet durch

   a. erste Schaltungsmittel^ die auf das erste Eingangssignal und auf das zweite Eingangssignal ansprechen, um ein Signal zu erzeugen, das eine Frequenz hat, die proportional dem Verhältnis der Amplitude des ersten Eingangssignals zu der Amplitude des zweiten Eingangssignals ist, und

   b. zweite Schaltungsmittel_? die auf diese Signalfrequenz und auf das dritte Signal ansprechen, um ein Signal zu erzeugen, das eine Amplitude hat, die proportional dem Produkt aus dem genannten Verhältnis und der Amplitude des dritten Eingangssignals

   2. Analogrechner-Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude des ersten Eingangssignals gleich der Amplitude des dritten Eingangssignals ist^ wodurch das von den zweiten Schaltungsmitteln erzeugte Signal direkt proportional dem Quadrat der Amplitude des ersten Signals und umgekehrt proportional der Amplitude des zweiten Signals ist_o

   Analogrechner-Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Eingangssignal gleich dem Signal ist, das durch die zweiten Schaltungsmittel erzeugt wird, wodurch die Amplitude des von den zweiten Schaltungsmitteln erzeugten Signals direkt proportional der Quadratwurzel des Produktes aus den Amplituden des ersten und dritten Eingangssignals ist.

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   Analogtechner-Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Schaltungsmittel umfassen:

   a_o Torschaltungsmittel, die auf diese Signalfrequenz und auf das dritte Eingangssignal ansprechen, um das dritte Eingangssignal für eine feste Zeitspanne mit einer durch diese Signalfrequenz bestimmten Geschwindigkeit zu dem Torschaltungs-Ausgang gehen zu lassen, und

   bo Filter-Schaltungsmittel, die auf den Torschaltungs-Ausgang ansprechen, um den Mittelwert des Torschaltungs-Ausgangssignals zu bilden_o

   5. Analogrechner-Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Schaltungsmittel umfassen?

   a. Trigger-Schaltungsmittel, die auf die Signalfrequenz ansprechen_f um einen Triggerimpuls mit einer festen Impulsdauer einmal während jeder Periode dieser Signalfrequenz zu erzeugen,

   bo eine Filter-Schaltung, und

   Co Schalter, die auf den Triggerimpuls ansprechen, um selektiv das dritte Eingangssignal für diese feste Impulsdauer dem Filter zuzuführen und eine Bezugsspannung während des Restes jeder Periode dieser Signalfrequenz der Filterschaltung zuzuführen,,

   Analogrechner-Schaltung, die eine Ausgangsspannung hat, die eine Funktion eines ersten, zweiten und dritten Eingangssignals ist, gekennzeichnet durch

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   α_ο erste Schaltungsmittel, die auf das erste Eingangssignal ansprechen, um ein erstes und zweites Signal mit entgegengesetzter Polarität zu bilden, die eine Größenordnung haben, die proportional der Amplitude des ersten Eingangssignals ist;

   bo zweite Schaltungsmittel, die auf das zweite Eingangssignal ansprechen, um ein drittes und viertes Signal entgegengesetzter Polarität zu erzeugen, die eine Größenordnung haben, die proportional der Amplitude des zweiten Eingangssignals ist;

   Co Integrier-Schaltungsmittel, die selektiv auf das erste und zweite Signal ansprechen, um ein fünftes Signal zu erzeugen, das das Zeitintegral des ersten und zweiten Signals ist;

   d. Vergleichsschaltungsmittel mit einem ersten Eingang, der auf das fünfte Signal anspricht, und einem zweiten Eingang, der selektiv auf das dritte und vierte Signal anspricht, um eine Signalfrequenz zu erzeugen, die einen ersten Pegel hat, wenn das Signal an dem ersten Eingang kleiner ist als das Signal an dem zweiten Eingang, und einen zweiten Pegel, wenn das Signal an dem ersten Eingang größer ist als das Signal an dem zweiten Eingang/

   e_oSchalter-Mittel, die auf den ersten Komparatorpegel ansprechen, um das Signal mit positiver Polarität aus der ersten Schaltung der Integrierschaltung zuzuführen und das Signal mit positiver Polarität aus der zweiten Schaltung dem zweiten Eingang der Vergleichsschaltung zuzuführen, und die auf den zweiten Komparatorpegel ansprechen, um das Signal mit negativer Polarität aus der ersten Schaltung

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   der Integrierschaltung zuzuführen und das Signal mit negativer Polarität aus der zweiten Schaltung dem zweiten Eingang der Vergleichsschaltung zuzuführen, wodurch der Komparatorausgang eine Frequenz hat-, die proportional dem Verhältnis der Amplitude des ersten Eingangssignals zu der Amplitude des zweiten Eingangssignals ist, und

   fo dritte Schaltungsmittelj. die auf diese Signalfrequenz und das dritte Eingangssignal ansprechen^ um eine Spannung zu erzeugen, die proportional dem Produkt aus dem genannten Verhältnis und der Amplitude des dritten Eingangssignals ist«,

   7. Analogrechner-Schaltung nach Anspruch 1_T dadurch g e k e η η zeichnet^, daß die Amplitude des ersten Eingangssignals gleich der Amplitude des dritten Eingangssignals ist, wodurch das durch die dritten Schaltungsmittel erzeugte Signal direkt proportional dem Quadrot der Amplitude des ersten Signals und umgekehrt proportional zu der Amplitude des zweiten Signals isto

   8. Analogrechner-Schaltung nach Anspruch 6, dadurch g e k e η η zeichnet^ daß das zweite Eingangssignal gleich dem durch die dritten Schaltungsmittel erzeugten Signal ist, wodurch das durch die zweiten Schaltungsmittel erzeugte Signal direkt proportional der Quadratwurzel des Produktes aus den Amplituden des ersten und zweiten Eingangssignals ist„

   9. Analogrechner-Schaltung nach Anspruch 6_f dadurch gekennzeichnet/ daß die dritten Schaltungsmittel umfassen:

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   α_ο Torschaltungs-Mittel, die auf die genannte Signalfrequenz und auf das dritte Eingangssignal ansprechen, um das dritte Eingangssignal für eine feste Zeitspanne mit einer durch diese Signalfrequenz bestimmten Geschwindigkeit zum Torschaltungs-Ausgang gehen zu lassen, und

   bo Filterschaltungsmittel, die auf den Torschaltungsausgang ansprechen, um den Mittelwert des Torschaltungs-Ausgangssignals zu bilden_o

   Analogrechner-Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die dritten Schaltungsmittel umfasstns

   a„ Trigger-Schaltungsmittel, die auf diese Signalfrequenz ansprechen, um einen Triggerimpuls mit einer festen Impulsdauer einmal während jeder Periode dieser Signalfrequenz zu erzeugen;

   b. eine Filterschaltung und

   Co Schalter, die auf den Triggerimpuls ansprechen, um selektiv das dritte Eingangssignal fUr diese feste Impulsdauer dem Filter zuzuführen und während des Restes jeder Periode dieser Signalfrequenz eine Bezugsspannung an die Filterschaltung anzulegen«

   Ho Analogrechner-Schaltung, die eine Ausgangsspannung hat, die eine Funktion eines ersten^ zweiten und dritten Eingangssignals ist, gekennzeichnet durch

   a₀ Integrierschaltungsmittel, die selektiv auf das erste Eingangssignal und auf ein zweites Signal ansprechen, wobei dieses zweite Signal von gleicher Größe und entgegengesetzter Polarität ist wie das erste Eingangssignal um ein drittes Signal zu erzeugen, das das Zeitintegral des ersten Eingangssignals und der zweiten Signale ist;

   409834/0340 "²⁵~

   bo Vergleichsschaltungsmitteljf. die einen ersten Eingang haben, der auf das dritte Signal anspricht, und einen zweiten Eingang, der selektiv auf das zweite Eingangssignal und auf ein viertes Signal anspricht^ - wobei dieses vierte Signal von gleicher Größe und entgegengesetzter Polarität wie das zweite Eingangssignal ist - um eine Signalfrequenz zu erzeugen^ die einen ersten Pegel hat, wenn das Signal an dem ersten Komparatoreingang kleiner ist als das Signc.1 an dem zweiten Komparatoreingang, und einen zweiten Pegel_y wenn das Signal an dem ersten Komparatoreingang größer ist als das Signal an dem zweiten Komparatoreingang₀

   Co Schalter-Mittel, die auf den ersten Komparatorpegel ansprechen um den positiven Spannungspegel (positive polarity signal) des ersten Eingangssignals und des zweiten Signals an die Integrierschaltung anzulegen und den positiven Spannungspegel des zweiten Eingangssignals und des vierten Signals an den zweiten Eingang der Vergleichsschaltung anzulegen, und die auf den zweiten Komparatorpegel ansprechen^ um den negativen Spannungspegel (negative polarity signal) des ersten Eingangssignals und des zweiten Signals an die Integrierschaltung zu legen und den negativen Spannungspegel des zweiten Eingangssignals und des vierten Signals an den zweiten Eingang der Vergleichsschaltung anzulegen, wodurch der Komparatorausgang eine Frequenz hat, die proportional dem Verhältnis der Amplitude des ersten Einganssignals zu der Amplitude des zweiten Eingangssignals ist, und

   d. Schaltungsmittel, die auf diese Signalfrequenz und das dritte Eingangssignal ansprechen, um eine Spannung zu erzeugen, die proportional dem Produkt aus diesem Verhältnis und der Amplitude des dritten Eingangssignals ist_o

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   12o Analogrechner-Schaltung nach Anspruch 11 ^. gekennzeichnet durchs

   a„ erste Schaltungsmittel, die auf das erste Eingangssignal ansprechen, um das zweite Signal zu erzeugen, und

   bo zweite Schaltungsmittel^ die auf das zweite Eingangssignal ansprechen, um das vierte Signal zu erzeugen_o

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