DE2758758B2

DE2758758B2 - Nichtlineare Funktionsschaltung

Info

Publication number: DE2758758B2
Application number: DE2758758A
Authority: DE
Inventors: Tsuneyuki Okazaki Egami; Hisasi Toyohashi Kawai; Tokio Nishio Kohama; Hideki Aichi Obayashi
Original assignee: Nippon Soken Inc
Current assignee: Soken Inc
Priority date: 1977-02-25
Filing date: 1977-12-29
Publication date: 1980-02-07
Also published as: DE2758758C3; US4200843A; JPS53105334A; DE2758758A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine nichtlineare Funktionsschaltung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs I.

Bei solchen Funktionsschaltungen besteht zwischen Eingangssignal und Ausgangssignal eine vorgegebene nichtlineare Beziehung, wobei insbesondere beliebige Segmentfunktionen mit einer gewünschten Eingangs-Ausgangs-Charakteristik bzw. -Kennlinie gebildet werden sollen.

Bei einer bekannten nichtüncarer Funktionsschaltung der vorstehend genannten Art, wie sie z. B. in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 51-28486 beschrieben ist, treten nachteiligerweise stoß- bzw. sprungartig verlaufende momentane Änderungen der Ausgangsspannung der Funktionsschaltung an den Knickpunkten der als Ausgangssignal erzeugten Segmentfunktion auf.

In F i g. 1 der Zeichnung ist ein Ausführungsbeisriiel der aus der japanischen Offenlegungsschrifi Nr 51-28486 bekannten nichtlinearen Funktionsschaltun gen dargestellt, während F i g. 2 der Zeichnung eine Eingangs-Ausgangs-Kennlinie der Funktionsschaltung gemäß F i g. 1 veranschaulicht.

In F i g, 1 bezeichnet das Bezugszeichen E) die Eingangsspannung, während das Bezugszeichen E₀ die Ausgangsspannung bezeichnet, die an einem Lastwiderstand Ri abfällt, welcher mit einem Eingangswiderstand R, in Reihe geschaltet ist Eine Reihenschaltung aus einem Widerstand R\ und einem NPN-Transistor Tr, und eine weitere Reihenschaltung aus einem Widerstand R₂ und einem NPN-Transistor Tr₂ sind dem Lastwiderstand Ri 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 linearen integrierten Schaltkreisen bestehen, die jeweils die Ausgangsspannung E₀ über Widerstände A3 und R* als ein Eingangssignal erhalten, während ihnen als Bezugseingangssignale Vorspannungen V\ und V₂ mit der Relation V₂ > V_x > 0 zugeführt werden, so daß ein Vergleich der Ausgangsspannung E₀ mit den Vorspannungen Vi bzw. V₂ erhalten wird. Die Ausgänge der Verstärker 1 und 2 sind jeweils mit den Basen der Transistoren Tn und Tr₂ über Basisstrombegrenzungswiderstände R5 und Rt verbunden, so daß die Transistoren Tr, 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 D, und D₂ bezeichnen Dioden mit der dargestellten Polarität, über die die Basis-Emitter-Strecken der Transistoren Tr, und Tr₂ bei Anliegen einer Spannung in Durchlaßrichtung an den Dioden D, und D₂ kurzgeschlossen werden.

Da bei dieser Schaltungsanordnung die Transistoren Tr, und Tr₂ beide sperren, bis die Ausgangsspannung E₁, die Bezugsspannung V, erreicht, steigt die Ausgangs- spannung E„ hierbei proportional zu der Eingangsspannung E, zunächst mit der Steigung

d£,

R, + R₁

an. Während des Übergangs der Ausgangsspannung E_n von der Bezugsspannung V' auf die Bezugsspannung V₂ ist der Transistor Tr, durchgeschaltet, während der Transistor Tr₂ weiterhin sperrt, so daß der Anstieg der Ausgangsspannung E„ proportional zu der Eingangsspannung Ε, nunmehr mit der konstanten Steigung

d E_n
d /·.",

R, R₁

R, R₁

verläuft. Übersehreitet die Ausgangsspannung E,. auch die Bezugsspannung IA, so sind beide Transistoren Tr und Tr· durchgeschaltet und der Anstieg der Ausgangs spannung E₁, vollzieht sich nun proportional zu der Eingangsspannung E₁ mit der konstanten Steigung

d/-„ R₂ , K, ' R,

d/ R ■ R, K, R₁

Da sonnt beim Erreichen aer Bezugvspannutn: > durch die Ausgangsspannung E,. aufgrund des Duroischaltens des Transistors Tr, die Widerstände R] und /-;,

parallelgeschaltet werden, während beim Erreichen der Bezugsspannung V₂ durch die Ausgangsspannung E₀ aufgrund des dann erfolgenden Durchschaltens auch des Transistors Tr₂ der Widerstand R₂ den bereits parallelgeschalteten Widerständen R\ und Ri parallelgeschaitet wird, tritt jeweils zu diesen Zeitpunkten ein momentaner stoß- bzw. sprungartiger Abfall der Ausgangsspannung Eo an den Knickpunkten der Segmentfunktionskennlinie in der F i g. 2 dargestellten Weise auf.

Aufgabe der Erfindung ist es, den vorstehend beschriebenen Nachteil des Standes der Technik zu beheben und eine nichtlineare Funktionsschaltung zu schaffen, deren Ausgangsspannung sich an den Knickpunkten der Segmentfunktionskennlinie ohne Spannungsstöße bzw. -Sprünge stetig ändert, so daß Abweichungen der Ausgangsspannungskennlinie im Bereich der Kennlinien-Knickpunkte vermieden werden und dadurch jede Segmentfunktion mit der . gewünschten Genauigkeit herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Mitteln gelöst.

Hierdurch wird verhindert, daß die I'-ennlinie im Bereich der Knickpunkte der Ausgangsspinnung der Funktionsschaltung stoß- bzw. sprungartige Abweichungen aufweist, wodurch die gewünschte stetige nichtlinearc Segmentfunktions-Kennlinie erhalten wird. Die nichtlineare Funktionsschaltung kann hierbei je nach den Erfordernissen eine Vielzahl der genannten Reihenschaltungen aufweisen.

Vorteilhsifte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

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 nichtlineai Jn Funktionsschaltung gemäß der Erfindung,

Fig.4 eine Eingangs-Ausgangs-Kennlinie der Funktionsschaltung gemäß F i g. 3,

Fig.5 ein Schaltbild einer zweiten Ausführungsform der nichtlinearen Funktionsschaltung gemäß der Erfindung und

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

Bei der in Fig. 3 dargestellten ersten Ausführungsform der Erfindung bezeichnet das Bezugszeichen £.die Eingangsspannung, während das Bezugszeichen Eo die über einen Eingangswiderstand R, erzeugte Ausgangsspannung bezeichnet. Eine Reihenschaltung aus einem Widerstand Ä|, einem Analogschalter Si und einer Bezugsspannungsquelle Vi, sowie eine gleichartige Reihenschaltung aus einem Widerstand R₂, einem Analogschalter 52 und einer Bezugsspannungsquelle V> sind zwischen einen Ausgangsanschiuß P) und einen Masseanschluß P₇ geschaltet und bilden einen ersten und einen zweiten Schaltstromkreis. Die Bezugszahlen 1 und 2 bezeichnen Vergleicher, die jeweils zwei , Eingangsanschlüsse mit den dargestellten Polaritäten aufweisen und als Eingangssignal die an dem Ausgangsanschluß Pj anstehende Spannung und als Bezugseingangssignale Bezugsspannungen V_t und V₂ mit de· Relation 0 < V] < V₇ erhalten, so daß die Ausgang;· , spannung En jeweils mit der Bezugsspannung V] bzw. der Bezugsspannung '.'.■ verglichen wird. Die Ausgänge der Vergleicher 1 und 2 sind jeweils mit dem Steueranschluß C der Analogschalter S] bzw. S₂ verbunden, so daß die Analogschalter 5, und 5. 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 F i g. 1.

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

Da die Ausgangssignale der Vergleicher 1 und 2 beide einen niedrigen Wert aufweisen (der nachstehend einfach durch das logische Symbol »O« bezeichnet ist) und somit beide Analogschalter S and S₂ abgeschaltet Sind, ist die resultierende Steigung der Segmenuunktion gageben durch:

d£,

•I < £„ < ^i ■ <2)

Da das Ausgar.gssignal des Vergleichers 1 einen hohen Wert (der nachstehend einfach mit dem logischen Symbol »1« bezeichnet ist) und das Ausgangssignal des Vergleichers 2 den Wert »O« aufweisen, und somit der Analogschalter S₁ eingeschaltet und der Analogschalter S₇ abgeschaltet sind, i?.t die resultierende Steigung der Segmentfunktion gegeben durch:

d£„

R₁ + R,

Da die Ausgangssignale der Vergleicher I und 2 beide den Wert »1« aufweisen und dementsprechend die Analogschalter S₁ und S₂ beide eingeschaltet sind, ist die resultierende Steigung der Segmentfunktion gegeben durch:

df PP

d£, ⁼ R, 4- R, R ■

wobei R\IIR₂ de gemeinsame WiCK-rstanc¹ der Widerstände R\ und R₂ im parallelgeschaitete.i Zustand ist.

D;: zwischer den Steigungen der vorstehend aufgeführten und in Fig. 4 dargestellten .sepmentfunktior-abschnitte 1), 2) und 3) immer die 3e/iehurg

R, ^r R R,

gilt, weist die in Γ ι g. 3 dargestellte Schaltungsanordnung eine Eingangs-Ausgangs-Kennlinie in Form eir ■■ Scgmentfunktion mir einer aiinahiieh abn '.. ^nu;. >

Steigung auf. Es ist ersichtlich, daß die Anzahl der Knickpunkte dieser Segmentfunktionskennlinie in Abhängigkeit von der Anzahl der Schaltstromkreise jeden vorgegebenen Wert größer als 1 annehmen kann.

Wenn bei der Schaltungsanordnung gemäß F i g. 3 die Ausgangsspannung E₁, die Bezugsspannung Vi erreicht, wird der Analogschalter Si geschlossen und der Widerstand R\ mit dem Eingangswiderstand R₁ in Reihe geschaltet, während beim Erreichen der Bezugsspanming V) der Analogschalter Si geschlossen und der Widerstand /?> dem Widerstand R] parallelgeschaltet wird. Zwar ändert sich beim Schließen der Analogschaller S] und S.> der Widerstandswert zwischen den Anschlüssen P> und Λ. Da jedoch die Bezugsspannungen V₁ und V₂ jeweils an dem Reihenwiderstand R\ bzw. R; anliegen, wird die Ausgangsspannung E₁, jeweils auf den Bezugsspannungswerten Vi und V₂ gehalten und uainii eine ohne momentane Sparinungssiöße bzw. -sprünge erfolgende stetige Änderung der Ausgangsspannung E₁, an den Knickpunkten der Segmentfunktionskennlinie erzielt.

Wenn ein Lastwiderstand zwischen die Ausgangsanschlüsse P₁ und P, geschaltet ist, führt dies lediglich zu einer Änderung der Steigung dEo/dE* so daß keine Gefahr besteht, daß sich die Ausgangsspannung E,> an d'-'tn Knickpunkt stoß- bzw. sprungartig ändert.

Uei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform der Rinktionsschaltung, die hinsichtlich ihres Aufbaus der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 3 ähnlich ist, wobei gleiche Rauelemente mit den gleichen Bezugs-/ahlen wie in F i g. 3 bezeichnet sind, wird die in F i g. 6 dargestellte Eingangs-Ausgangs-Kennlinie in Form einer Segmentfunktion erhalten.

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

In diesem Zustand sind die Analogschalter Si und S₂ beide eingeschaltet, so daß die resultierende Steigung der Segmentfunktion gegeben ist durch:

d £„ _ R₁ // R₂ UE, ~ R, + RJI R₁ '

V₁ < E_n < V₂ :

Hierbei ist der Analogschalter Si abgeschaltet, während der Analogschalter Si eingeschaltet ist, so daß die resultierende Steigung der Segmentfunktion gegeben ist durch:

d /■:„ _ R₁
Ui:, ~ R₁ f R₁

I,

Hierbei sind die Analogschalter Si und S₂ beide abgeschaltet, so daß sich für die resultierende Steigung der Segmentfunktion ergibt:

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

R, R,
+ R, R,

R, + R,

E..

141

so daß eine Eingangs-Ausgangs-Kennlinie in Form einer Segmentfunktion mit allmählich ansteigender Steigung erhalten wird, wie sie in F i g. 6 dargestellt ist.

Sowohl bei dem Schaltungsaufbau gemäß Fig. 5 als auch im Falle des Schaltungsaufbaus gemäß F i g. 3 weist die Ausgangsspannung Eo kurz vor Erreichen und nach dem Erreichen der Bezugsspannung V, den gleichen Wert auf. Auch wenn ein Lastwiderstand zwischen die Ausgangsanschlüsse P> und P_s geschaltet wird, ändert sich somit die Ausgangsspannung Eo nicht sprungartig, sondern stetig.

I IvT/u ^ Hl;itt Zeichnung·!!

Claims

Patentansprüche:

1. Nichtüneare Funktionsschaltung mit zumindest einer aus einem Widerstand und einer Schalteinrichtung bestehenden Reihenschaltung, der ein Eingangswiderstand in Reihe vorgeschaltet ist, zumindest einer Bezugsspannungsquelle und zumindest einem Vergleicher, der eingangsseitig mit dem Verbindungspunkt des Eingangswiderstands und der Reihenschaltung sowie mit der Bezugsspannungsquelle und ausgangsseitig mit einem Steueranschluß der Schalteinrichtung verbunden ist und deren öffnen und Schließen in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleichs seiner Eingangssignale steuert, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsspannungsquelle (Vw V₂) der Reihenschaltung (R₁, S₁; R₂, S₂) des Widerstands (Rr, R₂) mit der Schalteinrichtung (S₁; S₂) in Reihe nachgeschaliet ist, wobei der mit dem Vergleicher (1; 2) gekoppelte Anschluß der Bezugsspannungsqueüe mit dem Endanschluß der Reihenschaltung an der Schalteinrichtung verbunden ist.

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

3. Funktionsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung (Si, Sb) über den Vt--gleicher (1, 2) schließbar ist, wenn die Bezugsspannung kleiner als die Spannung am Ausgangsanschluß ist.

4. Nichtlineare FunktKinsschaitung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Vielzahl der jeweils aus dem Widerstand (Ru R₂) und der Schalteinrichtung (S_u S₂) bestehenden Reihenschaltungen, eine Vielzahl von jeweils mit einer der Reihenschaltungen verbundenen Bezugsspannungsquellen (V,, V₂) und eine Vielzahl von jeweils einer der Reihenschaltungen zugeordneten und mit dieser verbundenen Vergleichern (1,2).