DE2816228A1 - Elektronischer funktionsgenerator - Google Patents

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. H.Weickmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ing. F. A.¥eickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

Dr. —Ine·. H. Li ska

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8 MÜNCHEN 86, DEN POSTFACH 860 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22

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Fischer & Porter Company
Warminster, Pennsylvania/V.St.A.

Elektronischer Funktionsgenerator

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Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektronischen Funktionsgenerator, der mit einem als Funktion einer Eingangsvariablen einen Ausgangsstrom liefernden nichtlinearen Element zusammenarbeitet und zur Erzeugung eines Ausgangssignals, das eine lineare Funktion der Eingangsvariablen ist, eine negative oder positive Kompensation durchführt.

Funktionsgeneratoren sind elektronische Schaltungen, deren Ausgangssignal eine vorgegebene Funktion eines Eingangssignals ist. Derartige Schaltungen eignen sich zur Korrektur der Kennlinie eines nicht-linearen Elementes, so daß ihr Ausgangssignal eine lineare Funktion einer in das nicht-lineare Element eingespeisten Eingangsvariablen ist.

Bekannte Funktionsgeneratoren enthalten in vielen Fällen aufwendige Netzwerke aus Dioden und Widerständen, wobei eine gegebene beliebige Funktion durch eine Anzahl von geraden Linienelementen angenähert werden kann. Die Vorspannungen der Dioden sowie die Widerstandswerte legen die Verbindungspunkte sowie die Steigungen der Liniensegmente in einer Anzeige der Ausgangsspannung fest. Derartige Funktionsgeneratoren sind im einzelnen beispielsweise in der US-PS 3 560 727 beschrieben.

Kommerziell erhältliche Funktionsgeneratoren sind relativ komplexe und teure Schaltungen. Eine typische Schaltung dieser Art ist eine von der Anmelderin hergestellte Schaltung, welche in dem von der Anmelderin herausgegebenen "Instruction Bulletin" (1974) für Funktionsgeneratoren der Serie 55 FG 3000 beschrieben ist. Diese Schaltung enthält im wesentlichen fünf Eingangsverstärkerstufen, welche jeweils zur Einstellung eines Segmen-

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tes einer Eingangskurve vorgesehen sind, einen Summationsverstärker sowie einen Ausgangs-Spannungs-Stromwandler.

Es "besteht daher ein Bedarf für wesentlich einfachere und billigere Funktionsgeneratoren, welche eine negative oder eine positive Kompensation für ein nicht-lineares Element durchführen sollen, wodurch ein Ausgangssignal erzeugbar ist, das eine lineare Funktion der in das nicht-lineare Element eingespeisten Eingangsvariablen ist.

In einer schv/ebenden Anmeldung der Anmelderin (Aktenzeichen der US-Anmeldung 770" 776) ist ein Verschiebungsdetektor beschrieben, dessen elektrisches Ausgangssignal eine Funktion einer Eingangsbewegungsgröße ist. Dieses elektrische Ausgangssignal soll im Idealfall linear proportional zum Betrag der Eingangsbewegungsgröße sein. In der Praxis tendiert jedoch das obere Ende des Verschiebungsbereiches dazu, in negativer oder positiver Richtung von der Linearität abzuweichen, woraus sich ein gewisses Maß an Ungenauigkeit ergibt.

Es stehen zwar Funktionsgeneratoren zur Verfügung, mit denen eine Korrektur des Signals vom Verschiebungsdetektor hinsichtlich der Abweichung von der Linearität möglich ist. Diese Funktionsgeneratoren tragen jedoch aufgrund ihres komplexen Aufbaus wesentlich zu den Gesamtkosten eines Meßsystems bei.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Funktionsgenerator anzugeben, welcher so justierbar ist, daß oberhalb eines vorgegebenen Schwellwertes eine negative oder positive Kompensation möglich ist.

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Ein solcher Funktionsgenerator soll vorzugsweise besonders einfach und billig sein.

Diese Aufgabe v/ird bei einem elektronischen Funktionsgenerator der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch folgende Merkmale gelöst:

einen ersten parallel zum nicht-linearen Element liegenden Zweig mit einem ersten Widerstand, an dem als Funktion des ihn durchfließenden Eingangsstroms eine die nicht-lineare Kennlinie des nicht-linearen Elementes wiederspiegelnde erste Spannung abfällt, einen zweiten parallel zum nicht-linearen Element liegenden Zweig, an dem die erste Spannung steht und der einen zweiten Widerstand sowie eine dazu in Reihe liegende Diode mit vorgegebenem Schwellwert enthält, so daß durch diesen zweiten Zweig so lange kein Eingangsstrom fließt, bis die erste Spannung den Schwellwert übersteigt, wonach am zweiten Widerstand eine zweite Spannung abfällt, und eine Kombination der ersten Spannung mit einem vorgegebenen Teil der zweiten Spannung zur Erzeugung des Ausgangssignals.

Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen elektronischen Funktionsgenerators;

Fig. 2 ein Diagramm für den funktionalen Zusammenhang zwischen einem von einem nicht-linearen Element

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gelieferten Eingangsstrom und einem Ausgangsstrom, der lediglich durch einen in einem nicht einstellbaren Zweig fließenden Strom festgelegt ist;

Fig. 3 ein Diagramm, aus dem die kompensierende Wirkung des erfindungsgemäßen Funktionsgenerators auf die Stromkurve ersichtlich ist; und

Fig. 4 ein Schaltbild für einen praktischen Anwendungsfall eines erfindungsgemäßen Funktionsgenerators.

Fig, 1 zeigt ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Funktionsgenerators zur Korrektur der Kennlinie eines nichtlinearen Elementes 10, das beispielsweise ein Verschiebungsdetektor der in der oben genannten schwebenden Anmeldung der Anmelderin beschriebenen Art sein kann. Der Funktionsgenerator eignet sich jedoch auch zur Korrektur der Kennlinie anderer nicht-linearer Elemente, für die eine positive oder negative Kompensation oberhalb eines vorgegebenen Schwellwertes erforderlich ist.

Der durch das nicht-lineare Element 10 gelieferte Eingangsstrom fließt durch einen Festwiderstand R in ein Amperemeter 11 oder eine andere entsprechende stromempfindliche Anordnung. Das nicht-lineare Element 10 ist durch zwei Parallelzweige überbrückt, wobei der erste Zweig einen Widerstand R und der zweite Zweig die Reihenschaltung einer Festkörperdiode 12 und eines Potentiometers R, enthält. In der Praxis kann die Diode durch einen Transistor gebildet werden, dessen Basis direkt mit seinem Kollektor verbunden ist. Der Schieber des Potentiometers R^ liegt über einen Festwiderstand R am Verbindungspunkt des Amperemeters 11 und

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des Widerstandes R .

Der durch den Widerstand R ist mit I, und der durch den Widerstand R_v fließende Strom mit I bezeichnet. Ein durch das Amperemeter 11 fließender Strom I ist daher durch die Überlagerung der Ströme I und I festgelegt.

Für Festkörperdioden ist charakteristisch, daß in Durchlaßrichtung so lange kein Strom fließt, bis eine vorgegebene Spannung, die sogenannte Schwellspannung, überschritten wird. Von dieser Spannung an ist die Durchlaßkennlinie in grober Annäherung linear. Die Stromkennlinie der Diode besitzt daher einen Knick, welcher durch den Punkt festgelegt ist, an dem oberhalb der Schwellspannung Strom zu fließen beginnt. Es sei daher angenommen, daß in der Kennlinie der Diode 12 bei einer Spannung V_f ein scharfer Knick vorhanden ist. In der dargestellten Schaltungsanordnung fließt durch den Widerstand R_ im ersten zum nicht-linearen Element 10 parallel liegenden Zweig immer Strom, wodurch eine erste Spannung E erzeugt wird. Durch den Widerstand R, fließt ledig-

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lieh dann Strom, wenn die Spannung E die Schwellspannung der Diode 12 übersteigt.

Es sei weiterhin angenommen, daß der durch das Amperemeter 11 fließende Strom I im Vergleich zu einem durch das nicht-lineare Element fließenden Strom I. sehr klein ist (beispielsweise ein Verhältnis von 1 : 10). Diese Relation kann durch geeignete Wahl der Werte für die Widerstände R_, R und R„ realisiert werden.

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Der Zusammenhang zwischen dem durch das Amperemeter fließenden Strom I und dem durch das nicht-lineare

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Element fließenden Strom I- ist im Diagramm nach Fig. dargestellt. Da das Element 10 nicht-linear ist, ergibt sich, daß der Zusammenhang zwischen den Strömen I und Ιλ so lange linear ist, bis ein Schwellwert BP erreicht wird, wonach der Strom in negativer Richtung von der Linearität abweicht.

Leitet die Diode nicht, weil die an ihr stehende Spannung unter der Schwellspannung liegt, so fließt der Strom I^ lediglich im ersten Zweig durch den Widerstand R„. Die am Widerstand R_ erzeugte Spannung E„ ist dann

Et α Θ.

direkt proportional zum Strom I., d.h. es ist E gleich h ' V

Der Strom I. unterhalb des Schwellwertes ist kleiner als der Quotient aus der Diodenschv/ellspannung V~ und dem Widerstandswert des Widerstandes R- Wenn der Strom Ij den Schwellwert übersteigt, so wird die Diode 12 leitend, so daß die Spannung E um einen Betrag zunimmt, welcher proportional zur Parallelschaltung der Widerstände R und R^ im ersten und zweiten Zweig ist.

Da der kombinierte Widerstand der Parallelzⁱ.veige kleiner als der Widerstandswert des Widerstandes R_ allein ist, wird der Änderungsbetrag der Spannung E„ als Funktion des Stromes I^ oberhalb des Schwellwertes reduziert.

Der durch den Festwiderstand R fließende Strom I ist gleich dem Quotienten aus der Spannung E_Q und dem Widerstand R. Daher hat auch dieser Strom I,„ oberhalb

Λ -Λ.

des Schwellwertes BP die gleiche reduzierte Steigung wie die Spannung E . Oberhalb des Schwellwertes BP führt der durch die Diode 12 fließende Strom zum Abfall einer zweiten Spannung E^ am Potentiometer R^.

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- ίο -

Ein mit dem Symbol θ bezeichneter Teil dieser Spannung steht zur Erzeugung des Stroms I am Festwiderstand R . Dieser Strom wird dem durch den Widerstand R fließenden Strom I überlagert, wodurch der durch das Amperemeter 11 fließende Ausgangsstrom I erzeugt wird.

Ist θ gleich 0, so ist auch I gleich 0 und der Amperemeterstrom I gleich I . Die sich für θ gleich 0 ergeben-ο χ

de Übertragungsfunktion der Schaltung ist in Fig. 2 dargestellt. Oberhalb des Schwellwertes, wenn der Strom I erzeugt wird, wird die Steigung des Stroms I relativ zum Strom I. durch einen zusätzlichen Strom erhöht, wobei der Betrag der Erhöhung eine Funktion des Viertes des Spannungsanteils θ ist. Fig. 3 zeigt den Ausgangsstrom I als Funktion des durch das nicht-lineare Element fließenden Stroms I. und des Anteils Θ. Es zeigt sich, daß die Übertragungsfunktion unterhalb des Schwellwertes BP unabhängig von θ ist.

Durch V/ahl des Wertes des Widerstandes R„ im ersten

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parallel zum nicht-linearen Element 10 liegenden Zweig kann die Stelle des Schwellwertes BP als Funktion des Stroms I. festgelegt werden. Je größer der Wert des Widerstandes R ist, um so kleiner ist der Stromwert, der zum Erreichen des Schwellwertes der Diode 12 erforderlich ist.

Durch Wahl des Wertes des Widerstandes R^ kann der Betrag der Reduzierung in der Steigung für θ gleich 0 festgelegt v/erden. Durch V/ahl des Verhältnisses R-./R,. kann der Betrag der Zunahme in der Steigung festgelegt werden.

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Die folgenden Werte erlauben eine Nichtlinearität von +1,5 % "bei θ gleich 1 für den Eingangsstrom I. in einem Gleichstrombereich von 4 bis 20 mA.

R_a = 50 Ohm

R_b = 750 Ohm

R = 250 kOhm

R = 1,5 Megohm

Für die Diode 12 wird ein Transistor des Typs 2N2484 gewählt.

In der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 ist zur Darstellung der Funktionscharakteristik der Schaltung als Ausgangsanordnung ein Amperemeter gewählt. In der Praxis kann der Funktionsgenerator jedoch mit jeder Art von stromempfindlichen Ausgangsanordnungen zusammenarbeiten, wenn es erforderlich ist, eine negative oder positive Kompensation oberhalb eines vorgegebenen Schwellwertes durchzuführen.

Fig. 4 zeigt eine praktische Anwendung für den erfindungsgemäßen Funktionsgenerator. In diesem Fall liegt der Funktionsgenerator in der Rückkoppelschleife eines Summationsverstärkers 13, in dessen Eingang die Eingangsspannung von einem Wandler beispielsweise von einem Verschiebungsdetektor eingespeist wird. Die Einspeisung der Eingangsspannung erfolgt dabei über einen Bereichseinstellwiderstand 14. Der Ausgangsstrom I des Verstärkers bildet den Eingangsstrom I. des Funktionsgenerators.

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Claims (6)

1. Patentansprüche
2. ι 1 J Elektronischer Funktionsgenerator, der mit einem als Funktion einer Eingangsvariablen einen Eingangsstrom liefernden nicht-linearen Element zusammenarbeitet und zur Erzeugung eines Ausgangssignals, das eine lineare Funktion der Eingangsvariablen ist, eine negative oder positive Kompensation durchführt, gekennzeichnet durch einen ersten parallel zum nichtlinearen Element (10) liegenden Zweig mit einem ersten Widerstand (R_), an dem als Funktion des ihn durch-
3. 3.

   fließenden Eingangsstroras eine die nicht-lineare Kennlinie des nicht-linearen Elementes (10) wiederspiegelnde erste Spannung abfällt, durch einen zweiten parallel zum nicht-linearen Element (10) liegenden Zweig, an dem die erste Spannung steht und der einen zweiten Widerstand (Rt₃) sowie eine dazu in Reihe liegende Diode (12) mit vorgegebenem Schwellwert enthält, so daß durch diesen zweiten Zweig so lange kein Eingangsstrom fließt, bis die erste Spannung den Schwellwert übersteigt, wonach am zweiten Widerstand eine zweite Spannung abfällt, und durch eine Kombination der ersten Spannung mit einem vorgegebenen Teil der zweiten Spannung zur Erzeugung des Ausgangssignals.

   2. Elektronischer Funktionsgenerator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Amperemeter (11) zur Anzeige des Ausgangssignals.

   3. Elektronischer Funktionsgenerator nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Widerstand (R^) ein Potentiometer ist, dessen

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   Schieber zur Festlegung eines Teils der zweiten Spannung dient.
4. 4. Elektronischer Funktionsgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen ersten das nicht-lineare Element (10) an das Amperemeter (11) ankoppelnden Festwiderstand (R ) und durch einen zweiten den Potentiomsterschieber an das Amperemeter (11) ankoppelnden Festwiderstand (R ), wobei der in das Amperemeter (11) fließende Strom durch eine Überlagerung der durch den ersten und zweiten Festwiderstand (R , R) fließenden Ströme gegeben ist.
5. 5. Elektronischer Funktionsgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er die Rückkoppelschleife eines Summationsverstärkers (13) bildet, an dessen Eingang die Ausgangsspannung des nicht-linearen Elementes (10) steht, daß der Ausgangsstrom des Summationsverstärkers (13) den ersten Zweig (R ) zur Erzeugung der ersten Spannung durchfließt, die zur Erzeugung der zweiten Spannung am zweiten Zweig (12, R-,) steht, und daß das aus der Kombination der ersten Spannung und einem Teil der zweiten Spannung erzeugte Ausgangssignal auf den Eingang des Summationsverstärkers (13) gekoppelt ist.
6. 6. Elektronischer Funktionsgenerator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das nicht-lineare Element (10) ein Verschiebungsdetektor ist.

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