DE3006011C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer elektrischen Schaltung zur Auswertung zweier Größen, die zwei als Integratoren geschaltete Operationsverstärker enthält, an deren invertierendem Eingang jeweils eines der Signale liegt, deren nichtinvertierender Eingang jeweils auf einem Bezugspotential liegt und zu deren invertierendem Eingang und dem Ausgang jeweils ein Kondensator parallel geschaltet ist.

Die elektrische Schaltung gemäß der Erfindung bezweckt insbesondere die prozentuale Drehzahldifferenzanzeige zweier Motoren.

Häufig tritt das Problem auf, die Drehzahldifferenz zweier Motoren 1 und 2 in Prozent anzugeben, d. h. die Drehzahldifferenz auf die absolute Drehzahl des einen Motors zu beziehen. Wenn n₁ die Drehzahl des Motors 1 und n₂ die Drehzahl des Motors 2 ist, so soll die Drehzahldifferenz f:

bzw. ein äquivalenter Faktor f′ = n₂/n₁ angegeben werden, die in % ausgedrückt werden kann.

Das Problem ist an sich bekannt. Es bot sich an, Spannungen, die den Drehzahlen entsprachen und durch Detektoren an den jeweiligen Motoren abgegriffen werden können, jeweils in eine Frequenz umzusetzen und dann miteinander zu vergleichen. Diese Differenzfrequenz kann dann auf die Frequenz bezogen werden, die der Bezugsdrehzahl entspricht. Frequenzvergleiche dieser Art sind jedoch relativ aufwendig und dadurch auch kostspielig.

Aus der DE-OS 26 22 047 ist nun eine Vorrichtung zur fortlaufenden Überwachung des Verhältnisses zwischen zwei sich zeitlich ändernden Signalen bekannt, die zwei als Integratoren geschaltete Operationsverstärker enthält, an deren invertierendem Eingang jeweils eines der Signale liegt, deren nichtinvertierender Eingang jeweils auf einem Bezugspotential, wie z. B. Masse, liegt und deren invertierendem Eingang und dem Ausgang jeweils ein Kondensator parallel geschaltet ist. Bei dieser bekannten Vorrichtung wird das Verhältnis zwischen zwei Signalen mit sich zeitlich ändernder Größe überwacht, indem diese Überwachung periodisch synchron mit der Frequenz der Energieversorgung für diese Signale durchgeführt wird. Im vorliegenden Fall soll jedoch die Differenz zweier Größen, bezogen auf eine der beiden Größen, kontinuierlich überwacht werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektrische Schaltung zu schaffen, mit der die Differenz zweier Größen, bezogen auf eine der beiden Größen, auf einfache Weise angegeben werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einer elektrische Schaltung der eingangs angegebenen Art mit den im ersten Patentanspruch angegebenen kennzeichnenden Merkmalen gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Das Potential am Ausgang des ersten Operationsverstärkers liegt über den gesamten Arbeitsbereich auf einem konstanten negativen Wert.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltung liegt in der Einfachheit ihres Aufbaues und darin, daß aufgrund der Symmetrie der Schaltung nur sehr wenig verschiedene Bauteile verwendet werden. Bei kommerzieller Fertigung dieser Schaltung ist daher nur eine Lagerhaltung weniger verschiedener Bauelemente erforderlich.

Bei der Erfindung werden als geschaltete Operationsverstärker mit linearem Anstieg der Ausgangsspannung als Operationsverstärker verwendet. Die Verstärkung derartiger Miller-Integratoren ist größer als 10⁵, so daß das Potential am Eingang als null angesehen werden kann.

In dem Kreis mit dem ersten Operationsverstärker wird die am invertierenden Eingang anliegende (positive) Spannung integriert, so daß am Ausgang des ersten Operationsverstärkers ein steigend negatives Potential ensteht. Dieses Potential ist an den invertierenden Eingang des dritten Operationsverstärkers geführt, an dessen nicht invertierendem Eingang ein konstantes negatives Potential ansteht. Dementsprechend entsteht am Ausgang des dritten Operationsverstärkers so lange ein negatives Potential, bis das Potential vom Ausgang des ersten Operationsverstärkers gleich dem negativen konstanten Potential wird. Zu diesem Zeitpunkt kippt das Ausgangssignal von dem dritten Operationsverstärker von negativen Werten auf positive Werte. Diese Vorzeichenänderung des Ausgangspotentials bewirkt, daß der Transistor im Kreis des ersten Operationsverstärkers leitend wird, so daß sich der Integrationskondensator des ersten Operationsverstärkers über diesen Tranistor entladen kann. Auf diese Weise wird die negative Ausgangsspannung des ersten Operationsverstärkers abgebaut. Der dritte Operationsverstärker arbeitet auf diese Weise als Trigger, wobei die Zeitkonstante von der Höhe des konstanten negativen Potentials und dem am invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers anliegenden Potential bestimmt werden. Das Puls-/ Pausenverhältnis des Ausgangssignals von dem dritten Operationsverstärker ist daher ein Maß für das am invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers anliegende Potential, d. h. für die eine Meßgröße.

Das Ausgangssignal des dritten Operationsverstärkers, das im wesentlichen ein Rechtecksignal ist, wird an die Basis des im Kreis des zweiten Operationsverstärkers gelegenen Transistors geführt. Da das Ausgangssignal des zweiten Operationsverstärkers negative Werte besitzt (da die zweite Meßgröße als positives Potential am invertierenden Eingang anliegt), wird der zweite Transistor in Abhängigkeit von der Polarität des Rechtecksignals leitend oder nicht leitend. Der Integrationskondensator im Kreis des zweiten Operationsverstärkers kann sich daher im Verhältnis der Einschaltzeit des zweiten Transistors entladen wobei die Ein- bzw. Ausschaltzeiten des Transistors klein im Vergleich zu der Entladezeit des zweiten Kondensators sind. Der Kondensator entlädt sich über einen Entladewiderstand, der mit dem Kollektor des Transistors verbunden ist. Solange die zu vergleichenden Größen, die jeweils an den invertierenden Eingängen der ersten beiden Operationsverstärker anliegen, konstant sind, ist auch der Entladestrom des zweiten Kondensators durch seinen Entladewiderstand konstant. Wenn sich die erste Meßgröße ändert, ändert sich auch das Rechtecksignal vom dritten Operationsverstärker entsprechend dem sich neu einstellenden Puls-/Pausenverhältnis, wodurch sich wiederum die Zeiten ändern, in denen der zweite Transistor leitend, bzw. nicht leitend ist. Dies hat wiederum zur Folge, daß sich der Entladestrom des zweiten Kondensators ändert, was insgesamt so wirkt, als ob sich der Entladewiderstand ändert.

Da bei dem Rechtecksignal die Pausenzeit der Meßgröße am Eingang des ersten Operationsverstärkers umgekehrt proportional ist, andererseits aber während der Pausenzeit (die unten noch näher erläutert wird) der zweite Transistor gesperrt ist, so daß der zweite Operationsverstärker während dieser Zeit die Integration der an seinem invertierenden Eingang anliegenden zweiten Meßgröße durchführt, ensteht am Ausgang dieses zweiten Operationsverstärkers ein Signal, daß dem Verhältnis der beiden zu vergleichenden Meßgrößen proportional ist. Dieses Signal kann durch an sich bekannte Meßgeräte wie Voltmeter oder in digitalisierter Form zur Anzeige gebracht werden. Desgleichen kann das Signal auch als Regel- oder Stellgröße verwendet werden.

Die Erfindung wird im folgenden durch ein Ausführungsbeispiel anhand der beigefügten Zeichnung erläutert.

Die Zeichnung zeigt schematisch eine Ausführungsform der Schaltung nach der Erfindung.

Die Drehzahlen n₁ bzw. n₂ zweier Motoren 1 und 2 sollen mit der in der Zeichnung dargestellten Schaltung miteinander verglichen werden. Erwünscht ist die Anzeige der Drehzahldifferenz n₁ minus n₂, bezogen auf z. B. n₁. Gemessen werden soll also der Faktor.

bzw. der äquivalente Faktor

Eine Drehzahl n₁ proportionale Spannung U₁ liegt über einem Widerstand R₁ am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP₁ an, während der nicht invertierende Eingang von OP₁ an einem Bezugspunkt, z. B. dem Mittelpunkt zwischen der positiven und der negativen Betriebsspannung oder Masse liegt. Am Ausgang des ersten Operationsverstärkers OP₁ baut sich daher eine negative Spannung auf.

Zwischen dem Ausgang von OP₁ und dem invertierenden Eingang liegt parallel zu dem Operationsverstärker ein Kondensator C₁, so daß eine integrierende Schaltung entsteht. Die am Ausgang des Operationsverstärkers sich aufbauende Spannung U _a ₁ ist zeitlich abhängig und ergibt sich wie folgt:

Die Integration erfolgt, solange der npn-Tranistor Tr 1 nicht leitend ist, wobei der Kondensator C₁ aufgeladen wird. Der Ausgang von OP₁ ist mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers OP₃ verbunden, während der nicht invertierende Eingang auf einem konstanten negativen Potential -U _c liegt. Solange der Absolutwert von U _C größer als der Absolutwert von U _a ₁ ist, ensteht am Ausgang von OP₃ eine negative Spannung. Dementsprechend ist in dieser Zeit der Transistor Tr 1 gesperrt. Der Kondensator C₁ lädt sich in dieser Zeit auf.

Wenn der mit der Basis des Transistors Tr 1 verbundene Ausgang des Operationsverstärkers OP₃ positiv bezüglich des Ausganges des Operationsverstärkers OP₁ wird, der mit dem Emitter von Tr 1 verbunden ist, wird der Transistor Tr 1 leitend. Dadurch kann sich der Kondensator C₁ über den mit dem Kollektor des Transistors Tr 1 verbundenen Widerstand R₂ entladen, wodurch die Ausgangsspannung U _a ₁ abgebaut wird. Dementsprechend wird der Ausgang des Operationsverstärkers OP₃ negativ, so daß der Transistor Tr 1 wieder nicht leitend wird. Die Integration beginnt vom neuen.

Eine Diode D₁, die parallel zum Operationsverstärker, und zwar zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang von OP₁, liegt, verhindert, daß die Ausgangsspannung von OP₁ merklich positive Werte annimmt.

Bezeichnet man die Integrationszeit, in der der Transistor Tr 1 gesperrt ist, mit τ₁, so ergibt die Auflösung der oben angegebenen Integralgleichung als maximalen Wert von U _a ₁ nach der Zeitperiode τ1:

Hieraus ergibt sich, daß die Zeit τ₁ umgekehrt proportional zu der angelegten Spannung U₁ ist. Diese Zeit τ₁ wird hier als "Pausenzeit" bezeichnet, da während dieser Zeitperiode der Transistor Tr 1 und (wie sich später zeigen wird) auch der Tranistor Tr 2 gesperrt sind.

Der Operationsverstärker OP₃ arbeitet als Trigger oder Zerhacker. Die Spannung am Ausgang von OP₃ wird dabei durch die Spannungen U₁ _a und U _c am invertierenden und am nicht invertierenden Eingang des OP₃ bestimmt, wobei sich die Spannung U _c am nicht invertierenden Eingang wiederum durch den Spannungsteiler R₄, R₅ bestimmt. Dieser Spannungsteiler ist über den Widerstand R₆ mit dem Ausgang des Operationsverstärkers OP₃ und weiterhin über den Widerstand R₃ mit der Basis des Transistors Tr OP 1 verbunden ist z. B. so ausgelegt, daß die konstante negative Spannung U _c = 5 V beträgt. In diesem Beispiel beträgt dann die Betriebsspannung U _B = ±15 V, während sich die Meßgrößen U₁ und U₂ jeweils im Bereich von 0 bis 10 V ändern können. Der Mittelpunkt zwischen den Betriebsspannungen +15 V und -15 V liegt an Masse oder auf einem Bezugspotential.

Der Ausgang des Operationsverstärkers OP₃ ist über den Widerstand R₉ mit der Basis des npn-Transistors Tr 2 verbunden, dessen Emitter einerseits mit dem Ausgang des Operationsverstärkers OP₂ und andererseits mit einer Seite des Integrationskondensators C₂ verbunden ist, während sein Kollektor über den Widerstand R₈ mit der anderen Seite des Kondensators C₂ und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP₂ wird über den Widerstand R₇ die zweite Meßgröße U₂ zugeführt, während, genau wie beim Operationsverstärker OP₁ der nicht invertierende Eingang an Masse liegt. Dementsprechend arbeitet der Operationsverstärker OP₂ wiederum als Integrator, solange der Transistor Tr 2 gesperrt ist, wobei der Kondensator C₂ proportional zur anliegenden Spannung U₂ aufgeladen wird.

Der Transistor Tr 2 ist nur gesperrt, solange seine Basis negativ bezüglich seines Emitters ist. Das ist der Fall, während der "Pausenzeit" τ₁.

Während der "Pulszeit" wird der Ausgang des Operationsverstärkers OP₃ null oder leicht positiv, so daß der Transistor Tr 2 leitend wird, wodurch sich wiederum der Kondensator C₂ über den Widerstand R₈ entladen kann. Dementsprechend entsteht am Ausgang des Operationsverstärkers OP₂ ein negatives Potential, so daß eine Spannung, die der Meßgröße U₂ proportional und der Meßgröße U₁ umgekehrt proportional ist, zwischen den beiden Ausgängen der Operationsverstärker OP₁ und OP₂ abgegriffen werden kann. Hieraus ergibt sich leicht der gewünschte Faktor (U₁-U₂) bezogen auf U₁ (= 1-U₂/U₁).

Auch in der Schaltung um den Operationsverstärker OP₂ ist in analoger Weise wie beim Operationsverstärker OP₁ eine Diode D₃ vorgesehen, die verhindern soll, daß das Ausgangssignal des Operationsverstärkers OP₂ merklich positive Werte annimmt.

Claims (3)

1. Elektrische Schaltung zur Auswertung zweier Größen, die zwei als Integratoren geschaltene Operationsverstärker enthält, an deren invertierendem Eingang jeweils eines der Signale liegt, deren nichtinvertierender Eingang jeweils auf einem Bezugspotential liegt und zu deren invertierendem Eingang und dem Ausgang jeweils ein Kondensator parallel geschaltet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang jeweils eines der Operationsverstärker (OP₁; OP₂) zusätzlich mit dem Ermitter eines npn-Transistors (TR 1; TR 2) verbunden ist, dessen Kollektor jeweils über einen Widerstand (R₂; R₈) an die andere Seite des entsprechenden Kondensators (C₁; C₂) geführt ist, und daß die beiden Operationsverstärker (OP₁; OP₂) über einen dritten Operationsverstärker (OP₃) miteinander verbunden sind, wobei der Ausgang des ersten Operationsverstärkers (OP₁) mit dem invertierenden Eingang des dritten Operationsverstärkers (OP₃) und der Ausgang des dritten Operationsverstärkers (OP₃) mit der Basis des im Kreis des zweiten Operationsverstärkers (OP₂) liegenden Transistors (Tr₂) verbunden ist und der nicht invertierende Eingang des dritten Operationsverstärkers (OP₃) auf einem konstanten negativen Potential liegt und über einen Widerstand (R₆) zur Erzeugung einer kleinen Hysterese mit dem Ausgang des dritten Operationsverstärkers (OP₃) verbunden ist, der außerdem mit der Basis des im Kreis des ersten Operationsverstärkers (OP₁) liegenden Transistors (Tr₁) verbunden ist, so daß ein Signal für die Differenz zweier jeweils an die invertierenden Eingänge der ersten beiden Operationsverstärker (OP₁ und OP₂) gelegten positiven Potentiale, bezogen auf das Potential am ersten Operationsverstärker (OP₁), zwischen den Ausgängen der ersten beiden Operationsverstärker (OP₁ und OP₂) abgreifbar ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Operationsverstärker (OP₃) als Schwellenschalter arbeitet und in der Weise geschaltet ist, daß der nicht invertierende Eingang des dritten Operationsverstärkers (OP₃) an einen Spannungsteiler zwischen der negativen Betriebsspannung und Masse (oder dem Bezugspotential) gelegt ist und über den Widerstand (R₆) zur Erzeugung einer kleinen Hysterese an den Ausgang des dritten Operationsverstärkers (OP₃) geführt ist.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils parallel zu den ersten beiden Operationsverstärkern (OP₁ und OP₂), und zwar zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers, Dioden (D₁, D₃) vorgesehen sind, die so geschaltet sind, daß sie verhindern, daß die Ausgangspotentiale der ersten beiden Operationsverstärker (OP₁ und OP₂) merkliche positive Werte annehmen.