DE2601191A1 - Elektronisch programmierbarer funktionsgenerator - Google Patents

Description

11 ektronisch programmierbarer Funktionsgenerator

In der elektronischen Technik ist es allgemein üblich, insbesondere aber in der automatisierten Steuer- und Meßtechnik, daß an verschiedenartige bekannte elektronische Funktionsgeneratoren Signale angelegt sind, die Werte von wirklichen oder simulierten Variablen darstellen, und diese erzeugen hinaus abgegebene Signale, welche willkürlich sind, manchmal komplizierte Funktionen der Variablen. Es ist dann oft notwendig, den wirklichen Funktionen sich abschnittweise - linear anzunähern. Herkömmliche Funktionsgeneratoren dieser Art greifen zur Durchführung der Annäherung auf die Dioden-Widerstands- und digitale und nichtlineare Widerstandsmethoden zurück. Die Dioden-Widerstands-Methoden erfordern jedoch eine große Anzahl von Dioden und mit ihnen verbundene Schaltungen, um die Funktion zu erhalten und Zwischenpunkte sind nicht elektronisch oder unabhängig programmierbar. Digita I methoden sind gewöhnlich noch aufwendiger, da Analog - in Digital -

Int. Cl. G 06 g 7/

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ORIGINAL INSPECTED

und Digital - in Analog - Urnwandlungen jeweils in Verbindung mit einer digitalen Verarbeitungseinrichtung (ein Computer) vorgenommen werden müssen. Außerdem sind nichtlineare Widerstandsmethoden von der Spannungs-Strom-Charakteristik eines ηient Iinearen Widerstands abhängig und eine solche Charakteristik läßt sich nicht einfach darstellen. Andere programmierbare Funktionsgeneratoren nach dem Stand der Technik bestehen aus Stromleitern (Ketten Ieitern) für eine aufeinanderfolgende Betätigung einer Anzahl von Ausgangstransistoren wie beispielsweise der programmierbare Funktionsgenerator gemäß US-Patentschrift Nr. 3 740 539. Derartige Schemata modulieren gewöhnlich einen Standardstrom, welcher an ein V/i derstandsnetz angelegt wird, das programmierte Information enthält und daher ist eine zusätzliche Verarbeitung notwendig.

Die bekannte Technik ist umständlich und aufwendig oder ungenau. Es ist Aufgabe der Erfindung, einen elektronisch programmierbaren Funktionsgenerator verfügbar zu machen, der sich als integrierte Schaltung (IC) herstellen läßt. Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß Transistorspannungskomparatoren vorgesehen sind, welche das hereinkommende Signal mit programmierten Abszissenpunkten vergleichen, und es wird für eine entsprechende Ordinate gesorgt, indem zwischen den nächst Iiegenden Punkten linear interpoliert wird. Vorzugsweise werden dazu gleiche Emittei—Transistor-Spannungs-Komparatoren mit Widei— ständen mit abgesetzter Lang-Schwanz-Charakteristik (mit langem Rest) benutzt, um Ströme zu erzeugen, die dasselbe Verhältnis haben, wie das Quantum von Eingangsunterschiedsspannungen, die an den Komparatoren anliegen. Das dann sich ergebende Stromverhältnis wird an einen in der US-Patentschrift Nr. 3 689 752 beschriebenen Breitband-Differential-Verstärker angelegt, um für die Ordinaten programmierte Bezugströme zu den verglichenen Differenzspannungen vorzugeben.

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Der erf.i η dungsgemäße Generator eignet sich hervorragend dafür, als planare integrierte Schaltung hergestellt zu werden. Weiterhin ist die Aufgabe gelöst, einen verbesserten transistorisierten Funktionsgenerator verfügbar zu machen, der das ankommende Signal mit der programmierten Abszisse vergleicht und daraus eine entsprechende Ordinate vorgibt.

Vorteilhafterweise entsteht durch die vorliegende Erfindung ein verbesserter transistorisierter Funktionsgenerator, bei welchem die Abgabe zwischen programmierbaren Punkten eine lineare Interpolation der Abgabe zwischen den programmierbaren Punkten ist. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß Ströme erzeugt werden können, die dieselbe Bemessung haben, wie die Verhältnisse der ankommenden Spannungen.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung sowie die ihr inne wohnenden Funktionen ergeben sich näher aus der folgenden Detai Ibeschreibung der vorliegenden Ei— findung. Es ist jedoch selbstverständlich, daß mit hierbei beschriebenen Ausführungsformen nicht beabsichtigt ist, die Erfindung auszuschöpfen oder zu begrenzen. Vielmehr soll lediglich ein anschauliches Beispiel gegeben werden, um die Erfindung und deren Prinzipien und deren Anwendung im praktischen Gebrauch zu verdeutlichen. Selbstverständlich sind in verschiedensten Arten Abänderungen möglich, von denen jede für den entsprechenden Zweck am geeignetesten erscheinen mag.

Die nachfolgende Beschreibung nimmt auf die Zeichnung Bezug. Es ze i gen :

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild eines Grund-Funktions-Generators (EIementarzeI Ie) gemäß der vorliegenden Erfindung,

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-A-

Fig. 2 einen Verlauf der Ausgangsströme gegen

die Eingangsspannungen ("Übertragungskurve") für den Grund-Funktions-Generator gemäß Fig. 1 und

Fig. 3A bis 3E in einem Blockschaltbild und verschiedenen

Diagrammen eine AusfQhrungsform des Funktionsgenerators gemäß der vorliegenden Erfindung.

In Fig. 1 ist der erf i ndungsgemä"3e Grund-Funktions-Generator dargestellt, der bei der Erklärung der Arbeitsweise der vorliegenden Erfindung vorab abzuhandeln ist.

In Fig. 2 sind die Beziehungen zwischen der Spannung und den Strömen für den Grund-Funktions-Generator gemäß Fig. 1 dargestellt. Es ist erkennbar, daß die Grundschaltung eine abschnittweise lineare Annäherung zwischen bestimmten Punkten, die sozusagen als Haltepunkte verstanden werden können, herbeiführt und diese Punkte entsprechen den Koordinaten ⁽Vi' W· ⁽V ¹J' ^{und (V}m₊1> 'm-1⁵· ^Die abschnittweise lineare Annäherung ist dann die gerade Strecke I , die auf die erwähnten Haltepunkt-Koordinaten durch algebraisches Zusammenfügen der von den geraden Strecken I" _., I" und I" ₊i gegebenen linearen Annäherungen trifft. Programmierte Ei ngangsspan.nungen, be i sp i e I swe i se- V _,, V , V . usw., die monoton anwachsen, werden an die programmierbaren Eingänge 20 bzw. 22 bzw. 24 angelegt. Jeder Eingang ist jeweils mit einer Seite einer Anzahl von Differential-Verstärkern verbunden, die allgemein mit 26, 28, 30 und 32 bezeichnet sind. Jeder Di fferentia Iverstärker oder Komparator weist einen ersten Transistor auf, dessen Emitter und Kollektor zu geeigneten Spannungsquellen wie beispielsweise +5 Volt und -5 Volt über eine Reihen - "Langschwanz" ("long-tail") - Stromquelle (Stromquelle mit einem langen Schwanz oder Rest)

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in Bezug gesetzt sind und einen zweiten Transistor, dessen Emitter zu. dem Emitter des ersten Transistors über einen Widerstand R in Bezug gesetzt ist und dessen Kollektor als Ausgang dient. Die andere Seite eines jeden Komparators ist mit einem Eingangsanschluß 34 verbunden, der für die Aufnahme eines zu I inearisierenden Signals vorgesehen ist, das nachfolgend als "V . "bezeichnet wird. Aus Fig. 1 ist erkennbar, daß .die Basen eines jeden Transistorpaares den Eingang zum Komparator bilden. Der Strom für jeden Komparator wird von den "Langschwanz" ("long-tail") - Stromquellen besti mmt.

Der Ausgang eines jeden Komparators (Kollektorstrom) liegt an einer Schaltung 50 an, die eine Anzahl von Breitbanddifferential verstä rkern umfaßt und zwar solche, wie sie in der US-Patentschrift Nr. 3 689 752 ausführlich beschrieben sind. Die Schaltung 50 dient dazu, den programmierten Strom in zwei Ströme mit demselben relativen Verhältnis wie das Verhältnis der an den Komparator angelegten Differenzspannung aufzuspalten. Nachfolgend wird die Schaltung 50 als "Quad.ran t-Mu 11 i ρ I i ζ ί erscha I tung " bezeichnet und diejenigen Schaltungsteile und -Elemente, die im wesentlichen in der Figur 3 der erwähnten Patentschrift zusammengefaßt sind, werden als eine "Gewinn-Zelle" ("gain cell") bezeichnet. Die Quadrant-Multiplizierschaltung des Grund-Funktions-Generators weist zwei solche "Gewinn-Zellen" auf. An die "Gewinn-Zellen" wird gemeinsam Strom aus einer Stromquelle 60 angelegt, welche zum Beispiel aus einem entsprechend vorgespannten Transistor bestehen kann, um einen im wesentlichen konstanten "Schwanz"- oder "Reststrom" zu liefern. Eine zusätzliche Diode 52 ist vorgesehen, da zwei "Gewinn-Zellen" und nur eine Stromquelle verwendet werden. Gemäß Fig. 1 liefert eine Stromquelle 60 Schwanz- oder Reststrom an eine "Gewinn-Zelle", welche ihrerseits einen "Schwanz"- oder Reststrom an eine andere "Gewinn-Zelle" liefert. Die Diode 52 sorgt auf diese Weise für den nötigen Spannungsabfall, um eine

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Sättigung der übereinandergestapelten "Gewinn-Zellen" sicherzustellen. Schließlich ist ein Ausgang 66 vorgesehen.

Wieder unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 ist noch anzufügen, daß der Grundfunktionsgenerator den gesamten Ausgangsstrom I bereitstellt, was die Summe aller I" ist, wo I" der Bruchteil von I ist, der zum Ausgang geht. Bei Be? Betrachtung der Strecken zwischen den "Haltepunkten" ^(Vm-1' ^!m-l^}' ⁽V ^lm^{) Und (V}m₊1> 'mH^{? Sr9ib+ S}' ^Ch' ^daß

beim Anwachsen von V . von V , auf V , I" , linear von

e ι η m-1 m m-1

I , zu-Null i η terpo I i ert w i rd, während I" linear von Null

zu I interpoliert wird. Ähnlich wird beim Anwachsen von m

V . von V auf V ,, I" linear von I . zu Null interpoliert, ein m m+lm ein

während I' . von Null zu I ₊. interpoliert wird.

Die soeben beschriebene Interpolation ist am besten durch Betrachtung der vier verschiedenen Bereiche von V . zu

θ I Π

verstehen, wo ηam Ii ch ist:

e

Ströme

(

1 )

V

e

i η

ϊ η

^ V

1'

<

<

V

a

I yse:

(

2)

V

m-1

e

< Vei

η

1 '

' V

m+1'

(

3)

V

m

^ ein

s i

(

4)

V

e

> Vm +

ch

aus

Di

I

1 -

I

6

rgeben

an

V . -V₁
e ι η m-1

V - V
rn e i η

V . - V
ein m

R
V - V

m+1 ein

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-7 -

+ I 2 und

Wenn V . ( V , : ein - m-1

V - V

ein m-1

V - V . m ein

m Ό O und

Mi t V .ζ V .
m-1 ^N ein

\ V wird das Verhältnis der Ströme

:

V - V

ein m-1

m m-1

I 'm : I , da m

V . - V e ι η m

V - V m+1 ein

0 und

0.

Es ergibt sich die Interp-o iation:

I"

V - V e i η m-1

V-V₁ m m-1

wenn

V .
e ι η

U ^:

m+1

m+1 - ν wird das Verhältnis der Ströme e i η

^vm+1 ^vm

I ^f : I . Da m m

V - V

^vm ein

V - V

ein m-1 R = 0 und

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I" = I' und die Interpolation mm

" V - V

m m + 1 ein . , , , = -π —y wird vo I I zogen

m m+1 m

Oie vierte Position von V . , wo V . )> V -, ergibt

ein' "" ein ' 'm+1

m+1 ein ~ , = 0 und

V - V

ein m+1

0, so daß

'π, ■ ^|Um

Die Abgabe I wird die Summe aller I" , wo I" der ^ao mm

Bruchteil von I ist, der zum Ausgang geht.

Nunmehr ist es für Fachleute möglich, den Grundfunktionsgenerator anzuwenden oder auszubauen, sowie eine Verbreitung der mathematischen Analyse zur Schaffung der mathematischen Voraussetzung für weitere Anwendungen vorzunehmen. Beispielsweise hängt bei der bereits erwähnten speziellen Technik eine genaue SignaIwiedergabe von der Qualität des ganzen Systems ab, durch welches das Signal hindurchgeht. Die vorliegende Erfindung erweist sich als sehr wirksam, wenn eine die beschriebene Interpolation ein Korrekturfaktor ist, der zur Kompensierung des ganzen Systems verwenden werden kann . Beispielswelse wird in Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Systems dargestellt, welches eine Erweiterung des Funktionsgenerators darstellt. Die Fig. 3 enthält außerdem eine Anzahl von Diagrammen zur Verdeutlichung.

Ein Signal liegt an einem Ubertragungs- und/oder Signalverarbeitungswegteil 100 an, dessen Abgabe grundsätzlich

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an eine Leitung 102 gegeben wird und idealerweise der in Fig. 3 B dargestellten interpolation entspricht. In der Praxis kann jedoch infolge der NichtIinearitat des Übertragungs- und/oder SignaIverarbeitungsweges 100 die Signalabgabe zur Leitung 102 beispielsweise der in Fig. 3 C dargestellten Interpolation entsprechen. Die Unvollkommenheit der im Weg angeordneten Bauelemente, wie beispielsweise aktive und passive Glieder, bewirken Verzerrungen. Wenn das verzerrte Signal an den V . - Eingang eines Funktionsgenerators FG oder 106 gemäß der Vorliegenden Erfindung und an,den "X"-Eingang einer Multiplizierschaltung 103 und gleichzeitig der Ausgang (I) des Funktionsgenerators 106 an den "Y"-Eingang der Mu 11 i ρ I i ζ ia-scha I tung 108 angelegt werden, wird über eine Leitung 104 eine gemäß Fig. 3 D verlaufende Korrektur aufgebracht, die das Produkt der ¹¹X"- und "Y"-Ei ngänge am Multiplizierer 108 ist. Durch Hinzufügen der Korrekturinterpolation zu dem verzerrten SignaI ausgang auf der Leitung 102 wird die in Fig. 3 E dargestellte korrigierte Interpolation erzeugt.·

Es ist hiermit eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt und beschrieben worden. Daraus wird aber deutlich, daß an ihr oder in ihrer Verwendung zahlreiche Abänderungen vorgenommen werden können. Beispielsweise kann eine Anzahl von Widerständen benutzt werden, um die "Langschwanz"-Stromquellen, die mit den Komparatoren aus Fig. 1 verbunden sind, zu ersetzen. Das Hinzufügen der hier beschriebenen Widerstände über den Grund-Funktionsgenerator stellt keine ausschließliche Lösung der Aufgabe dar, sondern es wird damit die Verstärkerausbeute unabhängig von der Impedanz der Transistorparameter gemacht. Beispielsweise wären typische Werte für R und solche Widerstände 250 bzw. 5.00 0hm. Zusätzlich können eine Anzahl von Impedanzvorrichtungen wie beispielsweise von Resistoren, benutzt werden, die um die Verstärkungsfaktorzellendioden herum angeordnet werden, um den dynamischen

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Emitterwiderstand des Eingangstransistors zu kompensieren, wenn NichtIinearita ten auftreten. Ein typischer Widerstandswert liegt etwa bei 3.000 Ohrn. Weiterhin hängt auf dem Gebiet der Videotechnik eine getreue Bildwiedergabe von der Qualität des gesamten Videosystems ab, über welches die Video-Wellenform übermittelt wird. Dieses Videosystem setzt sich aus Verstärkern, passiven Elementen usw. zusammen. Die Übertragungsqualität, wird üblicherweise mit Bezeichnungen der Phasen/ Frequenz-Empfindlichkeit und der Amplituden/Frequenz-Empfindlichkeit dieser Systemelemente ausgedrückt. Manchmal ist es erforderlich Betriebszustände eines jeden speziellen Verstärkers oder einer Videoschleife oder des gesamten VIdeoübertragungswegs unter dem hier vorliegenden Aspekt Beachtung zu schenken.. Die vorliegende Erfindung ist deshalb bei der automatischen Steuerung der ganzen Übertragungsschleifen sehr wirksam. Aus diesem Grunde dienen die nachfolgenden Ansprüche dazu, alle solche Umwandlungen und Abänderungen abzudecken, die unter den vollständigen Gedanken und Rahmen dieser Erfindung fallen.

Ansp rüche:

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Claims (5)

1. Patentansprüche:

   Elektronisch programmierbarer Funktionsgenerator, dadurch gekennzeichnet, daß

   Vorrichtungen (26 -32) zum Erzeugen von zumindest zwei Strömen vorgesehen sind, wobei diese Ströme ein Verhältnis haben, wie das Verhältnis der Spannungen, die an diese Vorrichtungen zum Erzeugen der Ströme angelegt sind/ und Vorrichtungen zum Kombinieren des Stromverhältnisses, um einen Bezugsstrom zu dem Verhältnis der Spannungen zu bemessen, wobei dieses Verhältnis eine abschnittweise Linearfunktion ist.
2. 2. Generator gemäß Anspruch 1, dadurch g e kennzei chnet, daß die Erzeugungsvorrichtungen ( 26 - 32) einen Spannungskomparator mit abgesetzten Schwanzrasistören (R) für die Erzeugung der beiden Ströme aufwei sen.
3. 3. Generator gemäß Anspruch 1, dadurch g e kennzei chnet, daß die Vorrichtungen zum Kombinieren einen Breitband-Differentia I-Verstärker aufwei sen.
4. 4. Generator gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Breitband-Differential-Verstärker Teil einer Gewinnzelle (50) ist.
5. 5. Verfahren zur Iinearen Interpolation einer Abszisse und Ordinate aus verschiedenen Punkten einer ηient Iinearen Funktion gekennzeichnet durch: Erzeugen von zumindest zwei Strömen mit einem Verhältnis,

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   das gleich dem Verhältnis der bekannten Spannungen ist und

   Kombinieren des Verhältnisses der beiden Ströme zur Bemessung eines Bezugsstroms zum Verhältnis der bekannten Spannungen.

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