DE2613997A1

DE2613997A1 - Regelvorrichtung, insbesondere zum regeln des emissionsstromes einer roentgenroehre

Info

Publication number: DE2613997A1
Application number: DE19762613997
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dipl Ing Ochmann
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1976-04-01
Filing date: 1976-04-01
Publication date: 1977-10-13
Also published as: GB1533964A; JPS52138889A; DE2613997C2; FR2346938A1; US4180761A; FR2346938B1; JPS5919438B2

Description

PHILIPS PATENTVERWALTUNG GMBH, 2000 HAMBURG 1, STEINDAMM

"Regelvorrichtung, insbesondere zum Regeln des Emissionsstromes einer Röntgenröhre"

Die Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung, insbesondere zum Regeln des Emissionsstromes einer Röntgenröhre, mit einem digitalen Sollwertgeber, einem Digital-Analog-Wandler, an dessen Eingang ein Signal des Sollwertgebers anliegt, und mit einem Regelkreis, der eine Vergleichseinrichtung enthält, die den analogen Sollwert mit dem Istwert der Regelgröße vergleicht und bei Abweichungen die Regelgröße im Sinne einer Verringerung der Abweichung verändert. Eine

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derartige Regelvorrichtung ist bekannt, z.B. aus der DT-OS 21 54 235.

Wenn bei derartigen Regelvorrichtungen die Regelgröße in einem sehr großen Bereich einstellbar sein soll (bei Röntgenröhren ist ζ.Eο der maximale Emissionsstrom mehr als hundertmal größer als der minimale Emissionsstrom) und wenn ferner Jeder Wert innerhalb dieses Regelbereichs relativ genau einstellbar sein soll, ist - beispielsweise bei einer Darstellung des Sollwertes im Dualcode - eine relativ große Anzahl von Binärstellen erforderlich. Dadurch ergibt sich ein vergrößerter Aufwand für den Digital-Analog-Wandler sowie für die Speicher, aus denen die Sollwerte, beispielsweise mittels Tastendruck, abgerufen werden können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Regelvorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß auch bei relativ großem Regelbereich und hinreichender Genauigkeit (bezogen auf den jeweils einzustellenden Wert der Regelgröße) nur eine vergleichsweise kleine Zahl von Binärstellen zur Vorgabe eines Sollwertes erforderlich ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß lediglich ein Teil der Binärstellen des vom Sollwertgeber gelieferten digitalen Sollwertes dem Digital-Analog-Wandler zugeführt wird und daß der restliche Teil der Binärstellen zur Steuerung der Verstärkung einer Verstärkerschaltung für den Sollwert und/oder den Istwert dient, derart, daß bei größer werdender Regelgröße der Quotient aus dem Sollwert und dem Istwert am Eingang der Vergleichseinrichtung in Stufen vergrößert wird.

Bei der Erfindung werden also die Binärstellen des digitalen Sollwertes in einen Teil aufgeteilt, der dem Digital-Analog-Wandler zugeführt wird, und einen anderen Teil, der die Verstärkung steuert. Werden beispielsweise zwei Binärstellen

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(von insgesamt acht) zur Änderung der Verstärkung benutzt, dann kann die Verstärkung in maximal drei Stufen erhöht werden. Wenn weiterhin angenommen wird, daß sechs im Dualcode codierte Binärstellen dem Digital-Analog-Wandler zugeführt werden, und wenn davon ausgegangen wird, daß die Verstärkung sich von Stufe zu Stufe jeweils um den Faktor ändert, dann ist bei dieser Regelanordnung ein minimaler Sollwert 1 und ein maximaler Sollwert von (2-1) · 2~ = darstellbar. Dieser Regelbereich kann noch erweitert werden, wenn die Stufen vergrößert werden, z.B. jeweils um den Faktor 4. - Wären hingegen alle acht Binärstellen im Dualcode codiert worden, dann wäre maximal ein Wertebereich zwischen 1 und 2-1 = 255 vorgebbar.

Gleichwohl ist bei der erfindungsgemäßen Anordnung der relative (auf den einzustellenden Wert bezogene, durch die Quantisierung entstehende) Fehler nicht größer als wenn der Sollwert ausschließlich im Dualcode vorgegeben würde. Der Quantisierungsfehler wird bei der erfindungsgeaiäßen Regelvorrichtung im oberen Wertebereich zwar größer als bei einer Vorrichtung, bei der die Sollwerte ausschließlich im Dualcode vorgegeben werden, weil in diesem Bereich die absolute Höhe der Stufen um den Faktor 2^ größer ist als bei einem im Dualcode dargestellten Wert, jedoch ist dies kein Nachteil, da die Verringerung des Quantisierungsfehlers im oberen Wertebereich ohnehin nicht ausgenutzt werden kann. Es ist wesentlich wichtiger, daß der Quantisierungsfehler über den gesamten Bereich annähernd konstant bleibt (beim Dualcode ist der Quantisierungsfehler dem jeweiligen Wert umgekehrt proportional), und dies wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wenigstens annähernd erreicht.

Grundsätzlich kann der Quotient aus dem Sollwert und dem Istwert am Eingang der Vergleichsschaltung dadurch in Stufen

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vergrößert werden, daS die Verstärkerschaltung zwischen dem Ausgang des Digital-Analog-Wandlers und dem Sollwerteingang der Yergleichseinrichtung geschaltet wird und daß ihre Verstärkung in Stufen vergrößert wird.

Eine Weiterbildung der Erfindung, die vor allem für solche Regelkreise von Vorteil ist, bei denen die Schleifenverstärkung im Regelkreis mit zunehmender Regelgröße steigt (bei Röntgenröhren steigt der Emissionsstrom beispielsweise exponentiell mit dem Heizstrom der Röntgenröhre, so daß der Übertragungsfaktor dieser Regelstrecke exponentiell steigt), sieht jedoch vor, daß der Istwert der Vergleichseinrichtung über die Verstärkereiarichtung zugeführt wird, deren Verstärkung durch die restlichen Binärstellen derart steuerbar ist, daß mit zunehmender Regelgröße die Verstärkung des Istwertes stufenweise abnimmt» Dadurch wird die Schleifen-Verstärkung bei zunehmender Regelgröße (z.B. bei zunehmendem Emissionsstrom) weniger stark erhöht, wenn nicht gar kompensiert, so daß die Stabilität des Regelkreises auf einfachere Weise gewährleistet werden kann. Vor allem aber resultiert daraus die Tatsache, daß das Verhältnis zwischen Ausgangsspannung der Verstärkereinrichtung und der jeweils zugehörigen Regelgröße bei einem großen Wert der Regelgröße kleiner ist als bei einem kleinen Wert. Das bedeutet, daß der Änderungsbereich (Verhältnis vom Maximalwert zum Minimalwert) der Ausgangsspannung wesentlich kleiner ist als der Änderungsbereich der Regelgröße. Würde man statt dessen die Verstärkungseinrichtung zwischen die Vergleichseinrichtung und den Ausgang des Digital-Analog-Wandlers schalten, über den der Sollwertanteil zugeführt wird, dann wäre der Änderungsbereich der Ausgangsspannung genauso groß wie der Änderungsbereich der Regelgröße. Wenn dann der Änderungsbereich der Regelgröße wesentlich größer ist als 100 - wie das beispielsweise bei dem Emissionsstrom einer Röntgenröhre der Fall ist - , dann würde dies eine entsprechende Änderung der Ausgangs spannung der Vers tärkereinri. chtung im 3oLlwertzweig erfordern. Die handelsüblichen Operar,ions-PHD 76-064 -ü-

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verstärker können in der Regel aber war Ausgangsspannungen zwischen etwa 100 mV und 10 V hinreichend genau verarbeiten, d.h. der maximale Änderungsbereich ist hier auf 100 begrenzt. - Durch die Weiterbildung wird der Einsatz solcher Verstärkereinrichtungen also auch bei einem Änderungsbereich von mehr als 100 möglich.

Grundsätzlich ist es möglich, daß die Verstärkung in Stufen verschiedener Größe abgesenkt werden kann. Es ergibt sich jedoch ein einfacherer Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der der Quotient aus Sollwert und Istwert um wenigstens zwei Stufen mit steigender Regelgröße zunimmt, wenn erfindungsgemäß die Stufen sich um jeweils denselben Faktor unterscheiden.

Eine besonders einfache Ausführungsform ergibt sich, wenn gemäß einer Weiterbildung der Erfindung die dem Digital-Analog-Wandler zugeführten Binärstellen jeweils einen dual codierten Wert darstellen und der Verstärkungsfaktor der Verstärkungseinrichtung jeweils in Stufen von Potenzen zur Basis 2 einstellbar ist. Diese Weiterbildung erlaubt eine besonders einfache Codierung und Decodierung der Sollwerte.

Eine andere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Verstärkereinrichtung einen Operationsverstärker mit einem invertierenden Eingang und einem ersten Widerstandsglied zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang und einem zweiten Widerstandsglied in der Zuleitung zu dem invertierenden Eingang enthält, wobei ein Widerstandsglied oder beide Widerstandsglieder mittels (je) eines Schalters umschaltbar sind, der in Abhängigkeit von dem restlichen T_eil der Binärstellen steuerbar ist. Die Verstärkung eines derartigen Operationsverstärkers entspricht nämlich dem Quotienten aus dem Widerstandswert des ersten Widerstandsgliedes und aus dem Widerstandswert des zweiten Widerstandsgliedes, und sie kann daher durch Umschalten der Widerstandsglieder in Stufen verändert werden.

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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 das Blockschältbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Regeln des Emissionstromes einer Röntgenröhre ,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel eines Verstärkers mit in Stufen steuerbarer Verstärkung.

Der Regelkreis enthält dabei ein Regelglied 1, das den Heizstrom Xy^ einer schematisch dargestellten Röntgenröhre 2 in Abhängigkeit von der Eingangsspannung u_v an diesem Regelglied verstellt. Derartige Regelkreise zum Einstellen des Emissionsstromes einer Röntgenröhre sind an sich bekannt (z.B. DT-OS 24 48 875). Der Istwert des Emissionsstromes, der beispielsweise durch den Spannungsabfall an einem Widerstand im Hochspannungskreis der Röntgenröhre ermittelt werden kann, wird über einen Verstärker 3 dem einen Eingang einer Vergleichseinrichtung 4 zugeführt, an deren anderen Eingang das Ausgangssignal eines Digital-Analog-Wandlers 5 anliegt. Der Ausgang der Vergleichseinrichtung liefert das von der Differenz der Ausgangssignale des Digital-Analog-Wandlers und des Verstärkers 3 abhängige Vergleichssignal u , das eine Änderung des Heizstromes und damit des Emissionsstromes in der Weise verursacht, daß die Abweichung zwischen den beiden AusgangsSignalen minimal wird.

Dem Eingang des Digital-Analog-Wandlers wird aus einem digitalen Sollwertgeber 6 ein digitaler dual codierter Wert mit sechs Binärstellen parallel vorgegeben. Zwei weitere Binärstellen des digitalen Ausgangssignales des Sollwertgebers 6 dieses Signals werden gleichzeitig über Leitungen und 31 dem Verstärker 3 zwecks stufenweiser Änderung seiner Verstärkung zugeführt. Wird die Verstärkung dieses Verstärkers beispielsweise um den Faktor 4 verringert, dann hat das die gleiche Wirkung, als würde die Verstärkung bei einem zwischen dem Ausgang des Digital-Analog-Wandters 5 PHD 76-064 709841/0269 -7-

und dem Eingang der Vergleichseinrichtung 4 eingeschalteten Verstärker um den Faktor 4 erhöht. Jedoch ergibt sich bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung der bereits erwähnte Vorteil, daß die Stabilität des Regelkreises verbessert wird und daß geringere Anforderungen an den Verstärker gestellt werden müssen.

Da das Steuersignal auf den Leitungen 30, 31 insgesamt vier verschiedene Zustände annehmen kann (00, OL, LO, LL), können über die Leitungen 30 und 31 vier verschiedene Verstärkungsfaktoren eingestellt werden, so daß, wenn der Verstärkungsfaktor von Stufe zu Stufe jeweils um den Faktor 4 geändert werden soll, die Verstärkungen V_Q, 4V_Q, 16V_Q und 64V_Q einstellbar sind, wobei V_Q - vorzugsweise = 1 - ein konstanter Verstärkungsfaktor ist. Der größte dual codierte Wert, der sich mit sechs Binärstellen darstellen läßt, ist 2-1 =63, so daß bei V_n = 1 als größter Sollwert insgesamt der Wert 63 · Ur = 4032 eingestellt werden kann. Der niedrigste von 0 verschiedene Wert ist hingegen 1, so daß mit acht Binärstellen insgesamt ein Wertebereich von 4032 : 1 vorgegeben werden kann, wobei der unterste Wert allerdings mit einem realtiv großen Stufungsfehler behaftet ist. Beschränkt man sich daher auf Werte größer als 16, dann ergibt sich immer noch ein Wertebereich von 252 : 1 und der maximale Stufungsfehler (im unteren Wertebereich) entspricht der Hälfte des Kehrwertes der untersten Stufe, also 3,25 %. - Hätte man die acht Ausgangsleitungen des digitalen Sollwertgebers zur rein dual codierten Vorgabe eines Sollwertes benutzt, dann wäre maximal ein Wertebereich von 255 : 1 vorgebbar gewesen und der maximale relative Stufungsfehler (im unteren Wertebereich) hätte 50 % betragen.

Bei dem kleinsten vorzugebenden Sollwert hat die Verstärkung des Verstärkers 3 ihren größten Wert (z.B. 64). Mit zunehmendem Sollwert bleibt diese Verstärkung zunächst konstant und nur der auf den Verbindungsleitungen zwischen dem digitalen Sollwertgeber 6 und dem Digital-Analog-Wandler 5 PHD 76-064 709841/0269 - β -

erscheinende dual codierte Sollwert ändert sich entsprechend, bis der maximal mit sechs Binärstellen im Dualcode darstellbare Wert (2-1 = 63) erreicht ist. Wenn der Sollwert noch größer wird, wird die Verstärkung des Verstärkers 3 um den Faktor 4 (auf 16) herabgesetzt und am Eingang des Digital-Analog-Wandlers 5 erscheint - dual codiert - der Wert 16. Da (bei vollkommener Ausregelung) die Verringerung der Verstärkung des Istwertes um einen Faktor 4 prinzipiell genauso wirkt wiQÖie Erhöhung der Verstärkung des Sollwertes um einen Faktor 4, hat diese Änderung des Verstärkungsfaktors einerseits und des dem Digital-Analog-Wandler vorgegebenen Wertes andererseits dieselbe Wirkung als hätte sich der Sollwert von 63 auf 4 χ 16 = 64 geändert. Bei weiter zunehmendem Sollwert ändert sich dann zunächst wiederum nur der dual codierte Wert am Eingang des Digital-Analog-Wandlers 5 bis wiederum der größte mit sechs Binärstellen im Dualcode darstellbare Wert am Eingang des Digital-Analog-Wandlers erreicht ist, wonach wiederum die Verstärkung ein weiteres Mal um den Faktor 4 (auf 4) herabgesetzt und dem Digital-Analog-Wandler der dual codierte Wert 16 vorgegeben wird usw.

Die Wahl einer Zweierpotenz 2ⁿ (n eine ganze positive Zahl, hier: η = 2) als "Verstärkungserniedrigungsfaktor" hat den Vorteil, daß die Erzeugung eines für den digitalen Sollwertgeber 6 geeigneten Sollwertes (und die Erzeugung eines dual codierten Wertes aus einem Sollwert) besonders einfach ist, weil die Umschaltung der Verstärkung um eine Stufe einer Verschiebung des dual codierten Anteils des Sollwertes um η Positionen in einem Schieberegister entspricht, da Ja bekanntlich eine Verschiebung einer dual codierten Zahl um η Stellen einer Multiplikation bzw. einer Division mit 2ⁿ entspricht. - Bei kleinen Werten von 2ⁿ (z.B. 4) ergeben sich geringe relative Stufungsfehler. Größere Werte von 2ⁿ (z.B. 8) ergeben einen größeren Wertebereich.

In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel des Verstärkers 3 PFiD 76-064 - 9 -

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dargestellt. Das dem Regelkreis entnommene, dem Istwert des Emissionsstromes i_ proportionale Signal gelangt über die Serienschaltung der beiden Widerstände R₃₂ und R33 auf den invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 34, dessen Ausgang über die Serienschaltung eines Widerstandes R₃₅ und eines weiteren Widerstandes R,g mit dem Eingang verbunden ist. Dem Widerstand R₅₂ ist der Ruhekontakt 37 eines über die Leitung 30 betätigbaren Schalters parallelgeschaltet, und dem Widerstand R,,- ist der Arbeitskontakt eines über die Leitung 31 betätigbaren Schalters parallelgeschaltet. Die Verstärkung ist dabei durch den Quotienten aus dem Widerstandswert zwischen dem Ausgang und dem Eingang und dem Widerstandswert in der Eingangszuleitung des Operationsverstärkers gegeben. Die größte Verstärkung ergibt sich in der gezeichneten Schalterstellung, und zwar zu (R35 + R₃O^R₃₃* Die niedrigste Verstärkung ergibt sich, wenn der Ruhekontakt 37 geöffnet und der Arbeitskontakt 38 geschlossen ist, mit ^R36/(^R32 ^{+ R}33^* Dazwischen liegen noch die Verstärkungswerte (R36 + FUc)AiVz₂ ^{+ R}33^ ^d ^R36/^R33*

Wenn für die Widerstände die Beziehungen

R₃₂ = (2ⁿ-1) · R₃₃,

R₃₆ = 2ⁿ · R₃₃ und

R₃₅ - (2 -2 ; R₃₃

erfüllt sind, dann erniedrigt sich mit steigendem Sollwert die Verstärkung jeweils in Stufen von 2ⁿ, wenn die Schalter zunächst die in Fig. 2 gezeichnete Stellung einnehmen, dann zunächst der Ruhekontakt 37 geöffnet wird, anschließend der Ruhekontakt 37 wieder geschlossen und der Arbeitskontakt ebenfalls geschlossen wird und danach der Ruhekontakt 37 geöffnet wird und der Arbeitskontakt 38 geschlossen bleibt.

PATENTANSPRÜCHE; PHD 76-064 - 10 -

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, -ft

Leerseite

Claims

PATENTANSPRÜCHE;

1 ,j Regelvorrichtung, insbesondere zum Regeln des Emissionsstromes einer Röntgenröhre mit einem digitalen Sollwertgeber (6), einem Digital-Analog-Wandler (5)> an dessen Eingang ein vom Sollwertgeber gelieferter digitaler Wert anliegt, und mit einem Regelkreis, der eine Vergleichseinrichtung (4) enthält, die den analogen Sollwert mit dem Istwert der Regelgröße vergleicht und bei Abweichungen die Regelgröße im Sinne einer Verringerung der Abweichung verändert, dadurch gekennzeichnet, daß lediglich ein Teil der Binärstellen des vom digitalen Sollwertgeber gelieferten digitalen Sollwertes dem Digital-Analog-Wandler (5) zugeführt wird und daß der restliche Teil der Binärstellen zur Steuerung der Verstärkung einer Verstärkerschaltung (3) für den Sollwert und/oder den Istwert dient, derart, daß bei größer werdendem Sollwert der Quotient aus dem Sollwert und dem Istwert am Eingang der Vergleichseinrichtung (4) in Stufen vergrößert wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Istwert der Vergleichseinrichtung (4) über die Verstärkerschaltung (3) zugeführt wird, deren Verstärkung durch die restlichen Binärstellen derart steuerbar ist, daß mit zunehmendem Sollwert die Verstärkung des Istwertes stufenweise abnimmt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Quotient aus dem Sollwert und dem Istwert am Eingang der Vergleichseinrichtung um wenigstens zwei Stufen mit steigender Regelgröße zunimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufen sich um jeweils denselben Faktor erhöhen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Digital-Analog-Wandler (5) zugeführten Binärstellen jeweils einen dual codierten Wert darstellen und daß der Verstärkungsfaktor der Verstärkerschaltung (3)

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ORIGINAL INSPECTED

jeweils in Stufen von Potenzen zur Basis 2 einstellbar ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerschaltung aus einem Operationsverstärker mit invertierendem Eingang sowie mit einem ersten Widerstandsglied (R^c» ^35) zwischen dem Ausgang und dem Eingang sowie einem zweiten Widerstandsglied (R-Z₂' ^R33^ ^{in der} Zuleitung ^zum Eingang besteht, wobei ein Widerstandsglied oder beide Widerstandsglieder in ihrem Wert mittels (je) eines Schalters (37, 38) in Abhängigkeit von dem restlichen Teil der Binärstellen steuerbar sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5 mit zwei Binärstellen für die Verstarkungsumschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß in der Zuleitung zum invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (34) die Serienschaltung eines ersten (R33) und eines zweiten Widerstandes (FUp) geschaltet ist, wobei der zweite, durch einen in Abhängigkeit von der einen Binärstelle (30) steuerbaren Ruhekontakt überbrückte Widerstand 2ⁿ-1 mal so groß ist wie der erste, und daß zwischen dem invertierenden Eingang des Verstärkers und seinem Ausgang die Serienschaltung eines dritten und eines vierten Widerstandes aufgenommen ist, wobei der dritte Widerstand (R*c) 2 mal so groß ist wie der erste und wobei der vierte, durch einen in Abhängigkeit von der anderen Binärstelle steuerbaren Arbeitskontakt (38) überbrückte Widerstand (R35) um den Faktor 2^ⁿ-2ⁿ größer ist als der erste Widerstand.

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