DE2758758A1 - Nichtlineare funktionsschaltung - Google Patents
Nichtlineare funktionsschaltungInfo
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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.
X/13
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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 Rg 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 EQ1 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
EQ 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 " Ri+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 EQ, = EQ2 nicht erreicht bzw. eingehalten
wird, bevor nicht R, - O ist. Dies hat zur Folge, daß sich
die Ausgangsspannung EQ bei Erreichen der Vorspannung V1 sprungartig
bzw. stufenartig ändert, und sich nicht kontinuierlich ändern kann. Anders ausgedruckt, die Ausgangsspannung EQ 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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-6- «ί τ r η η r et B 8630
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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- 7 - OTC or. c8» 863O
275875%
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,
10
10
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 EQ 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 < eo£ 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
Ri+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 EQ die Bezugsspannung V1 erreicht, En1 - E, erhalten, während zu dem
Uli
Zeitpunkt, zu dem die Ausgangsspannung EQ die Bezugsspannung
V1 erreicht, aus der Gleichung
VE02 E02
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27687S8 B863°
für den Wert E _ erhalten wird:
R1E.+R.V1
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 £
- 11 - B 8630
Hierbei ist der Analogschalter S. abgeschaltet, während der
Analogschalter S- eingeschaltet ist, so daß der resultierende
Verstärkungsfaktor gegeben ist durch:
dE0 R1
dEi 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)
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.
Χ/13
Dresdner Bank (München) KIo.
(Muwtlwn) Kid. CIHMM
-2- β 2Φ58758
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.
nc 1 1
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ID=12029036
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