DE2758758A1 - Nichtlineare funktionsschaltung - Google Patents

Description

5 Die Erfindung bezieht sich auf nichtlineare Funktionsschaltungen mit einer vorgegebenen nichtlinearen Beziehung zwischen Eingangssignal und Ausgangssignal und betrifft insbesondere eine Funktionsschaltung mit beliebigen Funktionsknickpunkten bzw. Funktionswendepunkten, die eine gewünschte Eingangs-Ausgangs-Charakteristik bzw.- Kennlinie aufweisen kann.

Bei einer nichtlinearen Funktionsschaltung bekannter Art, wie sie z.B. in der japanischen Offenlegungsschrift Mr. 51-28486 beschrieben ist, ändert sich die Ausgangsspannung der Funktionsschaltung am Knick-bzw. Wendepunkt des Ausgangssignals der Schaltung stufenartig.

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Dretdnar Bank (München) Kto. odw (Mündtan) KIo. CIO-CMM

In Fig. 1 der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der aus der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 51-28486 bekannten nichtlinearen Funktionsschaltungen dargestellt, während Fig. 2 der Zeichnung eine Eingangs-Ausgangs-Kennlinie der Funktionsschaltung gemäß Fig. 1 veranschaulicht.

In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen E. die Eingangsspannung, während das Bezugszeichen E die Ausgangsspannung bezeichnet, die an einem Lastwiderstand R, abfällt, welcher mit einem Eingangswiderstand R. in Reihe geschaltet ist. Eine Reihenschaltung aus einem Widerstand R₁ und einem NPN-Transistor Tr₁ und eine weitere Reihenschaltung aus einem Widerstand R_ und einem NPN-Transistor Tr₂ sind dem Lastwiderstand R, parallelgeschaltet, wodurch zwei Schaltstromkreise gebildet werden. Die Bezugszahlen 1 und 2 bezeichnen Verstärker, die jeweils zwei Eingangsanschlüsse mit den dargestellten Polaritäten aufweisen und z.B. aus linaren integrierten Schaltkreisen bestehen, die jeweils die Ausgangsspannung E über Widerstände R₃ und R. als ein Eingangssignal erhalten, während ihnen als

Bezugseingangssignale Vorspannungen V₁ und V_ mit einer Relation V_ > V₁ > 0 zugeführt werden, so daß ein Vergleich der Ausgangsspannung E mit den Vorspannungen V₁ bzw. V- erhalten wird. Die Ausgänge der Verstärker 1 und 2 sind jeweils mit den Basen der Transistoren Tr₁ und Tr₂ über Basisstrombe-

grenzungswiderstände R^ und R_g verbunden, so daß die Transistoren Tr₁ und Tr₂ in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen der Verstärker 1 und 2 zur Steuerung des jeweiligen Schaltstromkreises in den Leit-und Sperrzustand geschaltet werden. Die Bezugszeichen D₁ und D- bezeichnen Dioden mit der dargestellten Polarität, über die die Basis-Emitter-Strecken der Transistoren Tr₁ und Tr₂ bei Anliegen einer Spannung in Durchlaßrichtung an den Dioden D₁ und D₂ kurzgeschlossen werden.

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Wenn bei der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung angenommen wird, daß E_Q1 den Wert der Ausgangsspannung E kurz vor Erreichen der Vorspannung V- repräsentiert, so ist diese Spannung aufgrund der Tatsache, daß der Transistor Tr₁ sperrt, gegeben durch:

^E01 ⁼ R_±* R₁ ^Ei *

Wenn weiterhin angenommen wird, daß E _ den Wert der Ausgangsspannung E_Q bei Erreichen der Vorspannung V^ bezeichnet, so ist diese Spannung aufgrund der Tatsache, daß der Transistor Tr₁ durchgeschaltet und der Widerstand R₁ in der Spannungsteilerschaltung in Betrieb befindlich sind, gegeben durch:

/i

^E02 " R_i+R₁//F₁ ^Ei

hierbei bezeichnet der Ausdruck R^//Rv den Widerstand des aus den beiden parallelgeschalteten Widerständen R₁ und R, bestehenden Stromkreises.

Da sich R₁//R, durch

R₁R,

R₁ZZr₁= V^t5— ausdrücken läßt, ergibt sich für l 1 F₁+R₂

02

^E02

so daß die Beziehung E_Q, = E_Q2 nicht erreicht bzw. eingehalten wird, bevor nicht R, - O ist. Dies hat zur Folge, daß sich die Ausgangsspannung E_Q bei Erreichen der Vorspannung V₁ sprungartig bzw. stufenartig ändert, und sich nicht kontinuierlich ändern kann. Anders ausgedruckt, die Ausgangsspannung E_Q ändert

sich gemäß der Kennlinie nach Fig. 2 stufenartig und wird an dem Knickpunkt bzw. Wendepunkt, an dem sich der Wert der Ver-

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Stärkung aE /dE. ändert, unstetig.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, den vorstehend beschriebenen Nachteil les Standes der Technik zu überwinden und eine nichtlineare Funktionsschaltung zu schaffen, deren

Ausgangsspannung sich an dem Knickpunkt der Ausgangsspannungskennlinie kontinuierlich und nicht stufenartig ändert, so daß eine Abweichung der /usgangsspannungskennlinie im Bereich des Knickpunktes der Kennlinie vermieden wird und dadurch jede ^O gewünschte Eingangs-°usgangs-Kennlinie erzielbar und gewährleistet ist.

Zur Lösung diaser Aufgabe wird gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 eine nichtlineare Funktionsschaltung vorgeschligen, bei der eine Reihenschaltung mit einem Widerstand,einem Analogschalter und einer Bezugsspannungsquelle zwischen einen Auscfangsanschluß und einen Masseanschluß geschaltet ist, wob ;i der Analogschalter von einem Vergleicher, der die zugehörige Bezugsspannung als Bezugseingangssignal erhält, geöffnet jnd geschlossen wird, wodurch verhindert wird, daß die Kennlinie im Bereich des Knickpunktes der Ausgangsspannung aw Ausgang der Funktionsschaltung Abweichungen aufweist und dadurch eine gewünschte kontinuierliche nichtlineare Eingangs-Ausgangs-Kennlinie erhalten wird. Die nicht- lineare Funktionsschaltung kann je nach den Erfordernissen eine Vielzahl der genannten Reihenschaltungen aufweisen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Vorzugsweise verwendete Ausführungsformen der Erfindung

sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachstehend näher beschrieben.

Es zeigen:

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Fig. 1 ein Schaltbild einer nichtlinearen Funktionsschaltung des Standes der Technik,

Fig. 2 eine Eingangs-Ausgangs-Kennlinie der Funktionsschaltung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 ein Schaltbild einer Ausführungsform einer nichtlinearen Funktionsschaltung gemäß der Erfindung,
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Fig. 4 eine Eingangs-Ausgangs-Kennlinie der Funktionsschaltung gemäß Fig. 3,

Fig. 5 ein Schaltbild einer zweiten Ausführungsform c- der nichtlinearen Funktionsschaltung gemäß der

Erfindung, und

Fig. 6 eine Eingangs-Ausgangs-Kennlinie der Funktionsschaltung gemäß Fig. 5.

Bei der in Fig. 3 dargestellten ersten Ausführungsform

der Erfindung bezeichnet das Bezugszeichen E. die Eingangsspannung, während das Bezugszeichen E_Q die über einen Eingangswiderstand R. erzeugte Ausgangsspannung bezeichnet. Eine Reihenschaltung aus einem Widerstand R., einem Analogschalter S.(der z.B. aus dem Bauelement RCA IC Φ 4066 besteht) und einer Bezugsspannungsquelle V., sowie eine gleichartige Reihenschaltung aus einem Widerstand R₂, einem Analogschalter S₀ und einer Bezugsspannungsquelle V~ sind zwischen einen Aus-

gangsanschluß P, und einen Masseanschluß P₂ geschaltet und bilden einen ersten und einen zweiten SchaltStromkreis. Die Bezugszahlen 1 und 2 bezeichnen Vergleicher (z.B. die Bauelemente Motorola IC MC33O2), die jeweils zwei Eingangsanschlüsse mit den dargestellten Polaritäten aufweisen und als ein Eingangssignal die an dem AusgangsanSchluß P- anstehende Spannung und als Bezugseingangssignale Bezugsspannungen V. und V₂ mit

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einer Relation 0 < V.. < V~ erhalten, so daß die Ausgangsspannung E jeweils mit der Bezugsspannung V₁ bzw. der Bezugsspannung V~ verglichen wird. Die Ausgänge der Vergleicher 1 und 2 sind jeweils mit dem Steueranschluß C der Analogschalter S.. bzw. S„ verbunden, so daß die Analogschalter S^ und S„ in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen der Vergleicher 1 und 2 zur Steuerung der zugehörigen Schaltstromkreise geöffnet und geschlossen werden. Im übrigen sind die gleichen Bezugszahlen zur Bezeichnung des Eingangswiderstandes, der mit den Analogschaltern in Reihe geschalteten Widerstände, usw. verwendet wie im Falle der Schaltungsanordnung gemäß Fig.

Unter Bezugnahme auf Fig. 4 sollen nachstehend nun Eigenschaften und Funktion der den vorstehend beschriebenen Aufbau aufweisenden ersten Ausführungsform der Funktionsschaltung beschrieben werden.

D E₀^ V₁ :

Da die Ausgangssignale der Vergleicher 1 und 2 beide einen niedrigen Wert aufweisen (der nachstehend einfach durch das logische Symbol "0" bezeichnet ist) und somit beide Analogschalter S₁ und S^ abgeschaltet sind, ist der resultierende Verstärkungsfaktor gegeben durch:

dE.

^dEi '

2) V₁ < e_o£ V₂ :

Da das Ausgangssignal des Vergleichers 1 einen hohen Wert (der nachstehend einfach mit dem logischen Symbol "1" bezeichnet ist) und das Ausgangssignal des Vergleichers 2 den Wert "0" aufweisen, und somit der Analögschalter S₁ eingeschaltet und der Analogschalter S~ abgeschaltet sind, ist der resultierende Verstärkungsfaktor gegeben durch: 35

^dEi ^Ri^+R1

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3) V₂ <

Da die Ausgangssignale der Vergleicher 1 und 2 beide den Wert "1" aufweisen und dementsprechend die Analogschalter S₁ und S~ beide eingeschaltet sind, ist die resultierende Verstärkung gegeben durch:

wobei R₁ZZR₂ ^er gemeinsame Widerstand der Widerstände R₁ und R- im parallelgeschalteten Zustand ist.

Da zwischen den Verstärkungsfaktoren der vorstehend aufgeführten und in Fig. 4 dargestellten Fälle 1 ) ,2) und 3) immer die Beziehung

. ν ^R1 ν V^/R2

R_i+R₁

gilt, weist die in Fig. 3 dargestellte Schaltungsanordnung eine Eingangs-Ausgangs-Kennlinie mit einer allmählich abnehmenden Verstärkung auf. Es ist ersichtlich, daß die Anzahl der Knickpunkte der Eingangs-Ausgangs-Kennlinie in Abhängigkeit von der Anzahl der Schaltstromkreise jeden vorgegebenen Wert größer als 1 annehmen kann.

Bei dem Schaltungsaufbau gemäß Fig. 3 wird kurz vor dem Zeitpunkt, zu dem die Ausgangsspannung E_Q die Bezugsspannung V₁ erreicht, E_n1 - E, erhalten, während zu dem Uli

Zeitpunkt, zu dem die Ausgangsspannung E_Q die Bezugsspannung V₁ erreicht, aus der Gleichung

V^E02 ^E02

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für den Wert E _ erhalten wird:
R₁E.+R.V₁

1 ! 1

Da hierbei F.„~ = V ist, wird E „ = E. erhalten. Wenn ein Lastwiderstand zwischen die Ausgangsanschlüsse P^ und P-. geschaltet ist, führt dies lediglich zu einer Änderung der Verstärkung dE ZdE., so daß keine Gefahr besteht, daß sich die Ausgangsspannung E an dem Knickpunkt stufenartig ändert.

Bei der in Fig. 5 dargestellten Ausfuhrungsform der

Funktionsschaltung, die hinsichtlich ihres Aufbaus der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 3 ähnlich ist, wobei gleiche Bauelemente mit den gleichen Bezugszahlen wie in Fig. 3 bezeichnet sind, wird die in Fig. 6 dargestellte Eingangs-Ausgangs-Kennlinie erhalten.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 5 unterscheidet sich von der in Fig. 3 dargestellten Schaltungsanordnung dahingehend, daß die Polarität der beiden Eingangsanschlüsse der Vergleicher 1 und 2 umgekehrt ist. Bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 5 werden die Analogschalter S. und S_ wie im Falle der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 3 entsprechend der Ausgangsspannung E geöffnet und geschlossen. Hierbei lassen sich folgende Fälle unterscheiden:

4) E₀ £ V₁ :

In diesem Zustand sind die Analogschalter S. und S^ beide eingeschaltet, so daß der resultierende Verstärkungsfaktor gegeben ist durch:

dE.

5) V₁ < E₀ £

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Hierbei ist der Analogschalter S. abgeschaltet, während der Analogschalter S- eingeschaltet ist, so daß der resultierende Verstärkungsfaktor gegeben ist durch:

dE₀ R₁ dE_i ^Ri^+Ri

6) V₂ < E₀ :

Hierbei sind die Analogschalter S.. und S₂ beide abgeschaltet, so daß sich für den resultierenden Verstärkungsfaktor ergibt:

^dE0

dE7 " ^Ί *

In den vorstehend aufgeführten Fällen 4), 5) und 6) unterliegen somit die Verstärkungsfaktoren der Beziehung

^R1^//R2 >. ^R1

so daß eine Eingangs-Ausgangs-Kennlinie mit allmählich ansteigender Verstärkung erhalten wird, wie sie in Fig. 6 dar-25

gestellt ist.

Sowohl bei dem Schaltungsaufbau gemäß Fig. 5 als auch im Falle des Schaltungsaufbaus gemäß Fig. 3 weist die Ausgangsspannung Ε~ kurz vor Erreichen und nach dem Erreichen der °

BezugsSpannung V₁ den gleichen Wert auf. Auch wenn ein Lastwiderstand zwischen die Ausgangsanschlüsse P₂ und P, geschaltet wird, ändert sich somit die Ausgangsspannung E nicht stufenartig.

Es wird somit eine nichtlineare Funktionsschaltung bzw.

Operationsschaltung mit Bezugsspannungsquellen und SChalt-

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einrichtungen vorgeschlagen, bei der die Ausgangsspannung mit den Bezugsspannungen zum Öffnen und Schließen der Schalteinrichtungen in Abhängigkeit von ihren Werten relativ zueinander verglichen und dadurch in Abhängigkeit von Änderungen der Eingangsspannung nichtlinear geändert wird. Die Bezugsspannungsquellen und die Schalteinrichtungen sind in Reihe zwischen den Ausgangsanschluß und den Masseanschluß der Funktionsschaltung geschaltet, wodurch erreicht wird, daß sich an dem Knickpunkt bzw. Wendepunkt, an dem sich das Verhältnis der Änderung der Ausgangsspannung der Funktionsschaltung zu der Änderung der Eingangsspannung ändert, die Ausgangsspannung kontinuierlich ändert.

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Claims (4)

Patentansprüche

1. Nichtlineare Funktionsschaltung mit einer zwischen einem Ein gangsanschluß und einen Ausgangsanschluß angeordneten, eine Reihenschaltung aus einen Widerstand und einer Schalteinrichtung, eine Bezugsspannungsquelle und einen Vergleicher aufweisenden Schaltungsanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Reihenschaltung des Widerstandes (R₁, R-) und der Schalteinrichtung (S₁, S₂) und die Bezugsspannungsquelle (V., V₂) umfassender Schaltstromkreis in Reihe zwischen den Ausgangsanschluß (P₃) und einen Masseanschluß (P₂) geschaltet ist, und daß dem Vergleicher (1,2) als ein Eingangssignal die an dem Ausgangsanschluß anstehende Spannung und als Bezugseingangssignal die Ausgangsspannung der Bezugsspannungsquelle (V₁, V₂) zur Durchführung eines Vergleichs und öffnen oder Schließen der Schalteinrichtung (S₁, S₂) in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleiches zuführbar sind.

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Dresdner Bank (München) KIo.

(Muwtlwn) Kid. CIHMM

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2. Funktionsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung (S₁, S₂) über den Vergleicher (1,2) schließbar ist, wenn die Bezugsspannung höher als die Spannung an dem Ausgangsanschluß ist.

3. Funktionsschciltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung (S₁ , S₂) über den Vergleicher (1,2) schließbar ist, wenn die Bezugsspannung kleiner als die Spannung an dem Ausgangsanschluß ist.

4. Nichtlineare Funktionsschaltung mit einer Vielzahl

von zwischen einem Eingangsanschluß und einem Ausgangsanschluß angeordneten, jeweils eine Reihenschaltung aus einem Widerstand und einer Schalteinrichtung, eine Bezugsspannungsquelle und einen Vergleicher aufweisenden Schaltungsanordnungen, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils die Reihenschaltung aus dem Widerstand (R₁, R2) und der Schalteinrichtung (S^, S₂) und die Bezugsspannungsquelle (V₁, V₂) aufweisenden Schaltstromkreise zwischen den Ausgangsanschluß (P₃) und einen Masseanschluß (^p2^ geschaltet sind, und daß dem Vergleicher (1,2) als ein Eingangssignal die an dem Ausgangsanschluß anstehende Spannung und als ein Bezugseingangssignal die Ausgangsspannung der Bezugsspannungsquelle (V.., V₂) zur Durchführung eines Vergleiches und öffnen oder Schließen der Schalteinrichtung (S-, S₂) in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleiches zuführbar sind.

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