DE3011771A1 - Einrichtung zur modifizierung des verlaufs eines elektrischen ausgangssignals - Google Patents

Description

Dipung. Peter Otte „ ^ _{7033 Herrenb}3% J_Klp_PI_gen)

Patentanwalt - T Eifelstraße 7

Telefon (07032) 31999

1500/ot/zz
25. Mars 1980

Herr Jean-Pierre Ibar
Aveau© de la Division Ledere
Ballainvilliers (Essomie)
Prankreich

Einrichtung zur Modifizierung des Verlaufs
eines elektrischen Ausgangssignals

Allgemeines Anwendungsgebiet

Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zur Modifizierung des Verlaufs eines elektrischen Ausgangssignals
nach der Gattung des Hauptanspruchs₀ Insbesondere beziaht sich die vorliegende Erfindung auf die Möglichkeit der
Modifikation oder steuernden Beeinflussung von Kurvenverläufen nichtlinearer elektrischer Ausgangssignale, die von einem Wandler, wie beisplelsvjeise einem Thermoelement,einem mechanischem Spannungsmesser, einem Halbleiters, einem Widerstandsthermometer u,dgl₀ geliefert werden, um dieses Ausgangssignal zn linearisieren. Die Erfindung kann aber

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auch in Verbindung mit der Erzeugung nichtlinearer Ausgangssignale verwendet werden, wobei von einem vorgegebenem Signal ausgegangen wird.

Stand der Technik

Bei zahllosen industriellen Anwendungsgebieten, etwa der Steuer- und Reglungstechnik, ist es notwendig, nichtlineare Ausgangseignale von Wandlern in ein Signal zu transformieren, welches über einen linearen Funktionszusammenhang einem beliebigen Parameter, beispielsweise der Temperatur, einem Druck, einer Spannung, einer Bewegung o.dgl. zugeordnet ist.

Gegenwärtig ist es bekannt, solche Signale in lineare Abhängigkeiten dadurch zu transformieren, daß man eine der im folgenden genauer beschriebenen Methoden und Verfahren verwendet.

Erste Methode.

Der charakteristische Kurvenverlauf des Signals wird einem Satz geradliniger Segmente angenähert, wobei jedes dieser Segmente einem schmalen Ausschnittsbereich entspricht. Um dies Verfahren anzuwenden, bestehen analoge Schaltungen aus einer Reihe von Dioden oder Transistoren, die einwandfrei angepaßt und eingestellt werden müssen. Darüber hinaus sind diese Schaltungskomponenten aber in ihrem Verhalten über der Zeit instabil und sie weisen eine Funktionsabhängigkeit von der Temperatur auf, die sich dann in den Ausgangssignalen niederschlägt, die vergleichsweise ungenau sind. Es ist zur Linearisierung eines digitalen Signals auch möglich,

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eine Approximation durch. Segmente durchzuführen, in diesem Fall benötigt man aber eine große Anzahl von Konstanten, um den Fehler auf ein Minimum zu reduzieren.

Zweite Methode.

Die eine nichtlineare Charakteristik aufweisende Kurve wird dadurch verarbeitet, daß man das Verhältnis von zwei Spannungen nimmt und diese mit einem nichtganzzahligem Exponenten versieht, also etwa der folgenden Form:

Ausgang ⁼ ^ Eingang' Bezug' .

Dabei ist dann V_AusgQng das Ausgangsspannungssignal, V_Eingang das Eingangsspannungssignal und V-g das Referenzspannungesignal. Dieses Linearisierungsverfahren läßt aich mit Hilfe von analogen Multiplizierschaltungen durchführen, die elektrische Genauigkeit übersteigt aber nicht einen Wert von etwa 0,5 fit wobei die Stabilität des gewonnenen Ausgangssignals V. sehr empfindlich auf geringe Änderungen des Koeffizienten m reagiert. Darüber hinaus erlaubt dieses Verfahren auch nur die Linearisierung einfacher Kurven. Schließlich ist dieses Verfahren zu langwierig, um es in der Praxis bei digitalen Schaltungen nutzvoll durchführen zu können.

Drittes Verfahren.

Bei diesem Verfahren wird eine Reihenentwicklung der charakteristischen Kurve durchgeführt, entsprechend folgendem An-

^satz: Ausgang = ^A0 ⁺ Vein" ^{+ A}3^Vein^{3 +} · ·.· = Eingangsspannungssignal).

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Die Koeffizienten dieser Reihenentwicklung (A_Q, A₁, A„ ...) sind im speziellen Anwendungsfall von Thermoelementen und Platin-Widerstandsthermometer von der NBS-Organisation (National Bureau of Standards) errechnet worden. Die analoge Schaltung, die die Linearisierung einer solchen Reihenentwicklung ermöglicht, ist instabil, da sie in Kaskade geschaltete Multiplizierer umfaßt, wobei jeder geringer Fehler, welcher Eingangsmultiplizierstufe auch immer, sich schließlich in beträchtlichen Fehlern höherer Abschnitte manifestiert, beispielsweise mit dem Exponenten 3 beim Tena V in . Wird dieees Verfahren in digitaler Schaltungstechnik angewendet, dann ist eine äußerst genaue Multiplikation erforderlich, die sich durch sehr lange Programme bei Mikrorechnerschaltungen darstellt.

Vierte Methode.

Es wird eine Bezugstabelle verwendet, um die Linearisierung durch ein digitales Verfahren zu ermöglichen. Dabei wird für jede nichtlineare Eingangsgröße in einem Speicher das entsprechende linearisierte Ausgangssignal aufgezeichnet. Der Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, daß erhebliche Mengen an Speicherraum erforderlich sind; darüber hinaus arbeitet dieses Verfahren vergleichsweise umständlich und langwierig. Im besten Fall sind lediglich sechs Messungen pro Sekunde möglich, so daß sich dieses Verfahren für die Anwendung bei kontinuierlicher: analogen Servosteuerungen verbietet.

Dementsprechend ist es die Aufgabe vorliegender Erfindung, eine Einrichtung zur Modifizierung und Steuerung der Kurvenform einer elektrischen Ausgangsgröße zu schaffen, die

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nur eine minimale Anzahl aktiver elektrischer Schaltungskomponenten und eine minimale Anzahl von Konstanten benötigt und die unter Verwendung elektrischer Schaltkreise das nichtlineare Eingangssignal mit geringster Temperatur- und Zeitdrift genauestens linearisiert.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Einrichtung löst diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs und hat den Vorteil, daß eine Linearisierungsschaltung geschaffen ist, die bei besonders einfachem Aufbau den verschiedensten Wandlern zugeordnet werden kann, die eine nichtlineare Verhaltenscharakteristik zeigen.

Die Erfindung eignet sich insbesondere auch zur Anwendung bei Schaltungen, bei denen ein nichtlineares Ausgangssignal, ausgehend von einem beliebigen Eingangssignal erzeugt werden muß, beispielsweise bei der Steuerung externer Systeme, wie Servomotoren oder Heizungen.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Einrichtung möglich.

Allgemeine Kurzbeschreibung der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Modifizierung und Steuerung der Kurvenform eines elektrischen Ausgangssignals und ist gekennzeichnet durch eine elektrische Schaltung 1 mit zwei Verzweigungen 2,3 denen jede das

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zu transformierende Eingangssignal V. zugeführt ist, wobei eine der Verzweigungen eine lineare Schaltung umfaßt, die eine lineare Transformation A_Q + A₁V₁ des Eingangssignal V₁ durchführt und die andere Verzweigung 3 einerseits aus einer linearen Vielfachschaltung besteht zur Durchführung einer Vielfach-Lineartransformation A₂ + V₁, A, + V₁, A. + V₁... etc., die zu Zwischensignalen X = A₂ + V₁, Z = A. + V₁ ... etc. führt, und andererseits eine Kombinationssohaltung 5 umfaßt, der die Zwischensignale X, Y, Z zugeführt sind und die diese durch Multiplikation xCCy/SzU.. .etc. kombiniert, mit mindestens einer der Zahlen OC ,/J, Q ... etc. in negativer Form, ferner gekennzeichnet durch einen Addierer 6, dem das lineare Signal A_Q + A₁V₁ der ersten Verzweigung 2 und das Kombinationssignal X, Y, Z der zweiten Verzweigung zugeführt sind und der nach Addition derselben das transformierte Ausgangssignal V, erzeugt.

Durch die Kopplung des Kombinationssignals und des linearen Signals erzielt man auf diese Weise ein einziges Ausgangssignal. Diese Verkopplung erfolgt dann beispielsweise durch die einfache Addition der beiden Signale miteinander zur Gewinnung eines SummenSignala.

Eine algebraische Summe kann ebenfalls ins Auge gefaßt werden (das bedeutet allgemein eine Addition oder eine Subtraktion). Schließlich ist eine Verkopplung der beiden Signale mit unterschiedlicher Gewichtung ebenfalls möglich.

Eine bevorzugte Ausführungsform besteht in einer einfacheren Ausgestaltung, die den verschiedensten Anwendungsfällen angepaßt werden kann. So besteht im Falle einer Formel der Form A₀ + A₁ V₁ + JPivßzX, bei der 6 = Q,ß= - 1 und ^= +1 ist,

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die Kombinationsechaltung, die aus den Signalen X und Y die Signale X#Yß erzeugt, aus einem Analog/Digitalwandler, dessen Signaleingang das Signal XCC und dessen Bezugsspannungseingang das Signal γβ zugeführt ist (ß= -1,(Y.= + 1).

Entsprechend einer weiteren wesentlichen Vereinfachung vorliegender Erfindung ergibt sich für die Ausgangsgröße die Form V_ = A₀ + A₁V₁ + Χϋίγβζ6 , wobei dann A_Q jeder beliebige Wert sein kann, A₁ = 0,$ = O,cX= 1 undp- 1 ist.

Das Ausgangssignal ist dann, wenn für die weiterverarbeitende Schaltung ein digitales Signal gewünscht oder geeignet iat, der Ausgang des Analog/JDigitalwandlers. Im anderen Fall umfaßt die Schaltung dann noch einen Digital/Analogwandler, dessen Ausgang weiterverarbeitet wird.

Dieses Ausführungsbeispiel kann beispielsweise verwendet werden, um das von einem Thermoelement erzeugte Ausgangssignal zu modifizieren und ein Signal zu erzeugen, welches zur Anwendung bei der Steuerung eines Vibrations- Schmelzoder G-ießverfahrens geeignet ist. Ein solches Verfahren ist beispielsweise in einer parallelen Anmeldung der Anmelderin Nr. 79 06 532 beschrieben.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Pig. 1 eine allgemeine Blockbilddarstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Modifikationsschaltung,

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Pig. 2 eine genauere Diagrammdarstellung einer ersten analogen AusfUhrungsform der Erfindung,

Fig. 3 eine zweite vereinfachte analoge Ausführungsfonn der Erfindung, die ein bevorzugtes Anwendungsgebiet bei Platin-Widerstandsthermometern findet und

Fig. 4 eine vereinfachte Blockbilddarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung.

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Beschreibung

bevorzugten Ausführungsbeispiele

GemäO der Erfindung wird die Ausgangsgröße eines Wandlers mit nichtlinearem Ausgangsverhalten oder Ansprechvermögen, beispielsweise also die Ausgangsspannung eines Thermoelements, welches sich mit der Temperatur verändert oder auch eines variablen Widerstandes eines Halbleiter-Dehnungsmeßstreifens, der sich als Funktion der Belastung ändert, durch Rechnung in eine lineare Beziehung umgesetzt und umgewandelt, indem man die Einstellung und Bearbeitung einer statistischen Analyse von einem Rechner oder einem Computer verwendet, um entsprechend der unten unter 1.) aufgeführten Gleichung die charakteristischen Konstanten zu erhalten.

^V3 =

+ V₁) (A₃ ♦

(D

V₃ « A₀ + A₁V₁ + Χ^Λ Υ β ζίΓ ... etc

(T)

^etc =

(X » /3 t ^ ··· sind algebraische Zahlen, von denen mindestens eine eine negative Zahl ist.

V5	+ V1	•	R3	V5	V1
/^		(r2
	V1

(2)

^S7^V2

*7^V.

R,

^R7

6 '5

030041/0731— +

^vi

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- 4-θ—

-43-

^V3 - ^Αο

^Α4 - ^V1

-P

13

r_A U₁) U₂) — + —

0.00 2 X BTD

In dieser Gleichung 1.) ist:

V, die linearisierte Ausgangsspannung A₀ ... A. sind linearisierende Konstanten V₁ ist das zu behandelnde Eingangssignal.

Diese Gleichung ist auch in der Form (1') oben angegeben.

Entsprechend der Darstellung der Figur 1 erzeugt ein Wandler T ein Ausgangssignal V₁, beispielsweise ein Spannungssignal, welches in gewünschter Weise durch eine lineare Beziehung mit den Parameter verbunden oder diesen zugeordnet werden soll, der von dem Wandler erfaßt wird.

Dieses Ausgangssignal V₁ wird einer Verarbeitungs- und Regeleinrichtung 1 zugeführt, die gemäß der Erfindung ausgebildet ist. Diese Einrichtung 1 besteht aus zwei Verzweigungen 2 und 3, die jeweils das Signal V₁ empfangen.

Die Verzweigung 2 umfaßt eine lineare Schaltung, die das Signal V₁ durch lineare Transformation in das folgende Signal umwandelt:

v; = A₀ -, A₁V₁

(3) (4)

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Die Verzweigung 3 umfaßt oder ist zusammengesetzt aus einer linearen Yielfachschaltung 4, der eine Kombinationsoder Summierschaltung 5 nachgeschaltet ist. Die Vielfachschaltung 4 erzeugt an ihren Ausgängen mehrere Signale X, Y, Z, die dem Eingangssignal V₁ durch die folgende lineare Beziehung zugeordnet aind:

X = A₂ + V₁ ; Y = A₃ + V₁ ; Z = A₄₊ V₁ ; ...

Die Kombinationsschaltung 5 kombiniert dann die Zwischensignale X, Y und Z, bzw. faßt diese zu dem folgenden Signal zusammen:

(PC,/3_tö sind algebraische Zahlen, von denen mindestens eine negativ ist und deren Summe gleich 1 ist.)

Die Einrichtung 1 umfaßt auch einen Addierer 6, dem die beiden Signale V₁ und Vp zur Addition zugeführt werden; das Summensignal wird dann, falls erforderlich, von dem nachgeschalteten Operationsverstärker 7 verstärkt und führt zu einem Ausgangssignal V,.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung und ale Folge des Verhaltens des Wandlers oder Sensors T kann es erforderlich sein, das eigentliche Ausgangssignal des Wandlers T zu verstärken oder allgemeiner gesagt, vor zubehandeln, um das von der Einrichtung 1 verwendbare Ausgangsspannungssignal V₁ zu erhalten.

Da der analoge Multiplizierer aufgrund seines elektrischen Aufbaues selbst Fehler haben kann, ist es möglich, die Widerstände der Schaltungen 2 und 4 zu modifizieren, um

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diese Fehler zu korrigieren, die nicht von der Linearisierungsformel herrühren, die von Widerstandswerten ausgeht, die anfänglich durch eine statistische Berichtigungsoder Justierungsrechnung gewonnen wurden und dann dadurch, daß man diese Werte justiert und eingestellt hat.

Die Schaltung, die aus dem Signal V. das Signal V, erzeugt, kann eine digitale oder analoge Schaltung sein. Im folgenden werden zunächst anhand der Darstellung der Fig. 2 und 3 Ausführungsbeispiele analoger Schaltungen erläutert.

Im Falle einer Schaltung digitaler Art ist es erforderlich, am Eingang das Signal V.. in ein digitales Signal umzuwandeln und dann dieses Signal zu verarbeiten zur Bildung digitaler Signale V₁, X, Y, Z, X&Y^Z^; schließlich werden diese Signale dann addiert und anschließend das Summensignal in ein analoges Signal transformiert.

Entsprechend dem in Fig. 2 dargestellten analogen Schaltkreis wird das von einem nicht dargestellten Wandler gebildete Eingangssignal Vq zunächst mit Hilfe einer Kompensationsschaltung CA korrigiert, was erforderlich ist, wenn der das Signal V_Q liefernde Wandler ein Thermoelement oder ein Halbleiter-Dehnungsmeßstreifen ist. Zu diesem Zweck wird eine Kompensationsschaltung mit einer Kaltverbindung verwendet. Eine solche Kompensation ist eine für sich gesehen bekannte Technik und wird daher auch nicht genauer erläutert. Das insoweit kompensierte Signal V., welches von dem gegebenenfalls auch eine Bearbeitung vornehmende Verstärker CA verstärkt worden ist, bildet die Eingangsspannung V₁. Diese Ein gangs sperrung V₁ wird dem Eingang E der Schaltung

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zugeführt, die im Pall des AusfUhrungsbeispiels der Fig. 2 von einem Netzwerk aus den Widerständen R^, IU, R_Q, R₁, Rp» ^3» gebildet ist; außerdem gelangt die Spannung V₁ zum Eingang einer Schaltung 2, bestehend aus den Widerständen

R_c, Rr sowie dem Widerstand Rr,, bei dem es sich um den ^{5 fa} ' handelt

RUckfUhrviiderstand des Opera tionsverstärlcers OP₁/. Die Wahl der Anschlüsse A, B, C, D erfolgt als Punktion der verwendeten Wandlertype, d.h. entsprechend der Verhaltenskurve des Wandlers.

Die den Punkten A, B, C zugeführten Spannungssignale werden durch Präzisionswiderstände R., R-g, Rq in Stromsignale transformiert. Diese Stromsignale werden dann jeweils mit den Intensitäten oder Teilströmen I₁, ip, i*, addiert. Die Vorzeichenwahl dieser Intensitäten hängt von der Form bzw. dem Verlauf der nichtlinearen Charakteristik des Wandlers ab; ein positives Vorzeichen ist nicht für sämtliche Eingangsströme erforderlich.

Der lineare Schaltkreis 2 umfaßt einen Widerstand Rg, der die Eingangs spanning V₁, die dem Anschluß D zugeführt ist, in einen Strom transformiert, der der Beziehung V./R^ ent-

I b

spricht.

Der Schaltkreis 2 umfaßt auch eine Konstantspannungsquelle, die von einem Potentiometer oder einem Einstellwiderstand Ro gebildet ist, dem eine konstante Oleichspannung zugeführt ist. Die Auegangsspannung V₂ des Potentiometers wird dem Widerstand R₅ zugeführt, der daher von dem Strom ^v ₂^5 durchflossen ist. Der Schaltkreis 2 führt dann die Summe der beiden Ströme, also den Ausdruck:

^V2 ^V1
V· _{β +}

*5 *6

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dem Addierer 6 zu, der durch einen einfachen Verbindungspunkt gebildet ist. Das Signal V₁ befindet sich daher, wie erkennbar in der Form:

Die lineare Vielfachschaltung 4 transformiert das Spannungssignal V₁, welches ihrem Eingang zugeführt wird und von diesem zu den Anschlüssen A, B, C gelangt, in Stromsignale, die durch die Widerstände R_A, R-n, R„ fließen. Hierbei handelt es sich um die Ströme

■i »

Λ D U

Die Intensitäten i'_1? i'₂» i'₅ werden den konstanten Intensitäten I₁, i₂, i, zuaddiert, die von den mit der Spannunng Vc versorgten Widerständen R₁, R₂, R, geliefert werden.

R₁ R₂ R₃

Auf diese Weise erhält man die folgenden I^tensitätasignale:

X- i

^Λ1 ^ΛΑ

^V5 , ^V1 R₂

In diesen Formeln ist die einzige Variable V₁; die anderen Tenne sind konstant,

R.

Vc V₁ ^V3^m— ⁺ —

Z - i

Innerhalb eines Multiplizierkoeffizienten sind die eine lineare Funktion von V₁ darstellenden Signale X, Y und Z von

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folgender Form: ^{x = A} ₂ + ^vi

Y-A +V

Z. _β A₄ + V₁

Der von einem Multiplizierer M₁ gebildete Kombinationsschaltkreis 5 führt dann die Kombination der Größen I₁ Y und Z entsprechend der allgemeinen Formel XuC₁ YS₁ Z$, bei welcher sind:

OC= + 1

Die Formel wird dann

X-y (^A2 ⁺ V ^(A3 oder wiederum V ' =

Dem von dem Verbindungspualct gebildeten Addierer 6 werden dann die Signale V₁ und V₁ zugeführt. Das auf diese Weise erhaltene Signal lautet dann:

	auch:	(A0 + A1V	(	( VS +	A2	+	V	(A3	+	vi)
oder	V1 = ,	^ +			(i
^1 +				V1	)	(^		V1	)
	V		y
ST	+

Dieses Signal wird dem Operationsverstärker OP₁ angeführt, der entsprechend der oben angeführten Formel an seinem Ausgang das Signal V- erzeugt.

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Allgemein läßt sich diese Formel durch Auswahl der Verbindungen oder durch Unterbrechen einer oder mehrere der Verbindungen an den Punkten A, B, C und D dem Ansprechskurvenverlauf oder dem allgemeinen Verhalten des Wandlers anpassen.

Die allgemeine Formel (2) nimmt nicht an, daß sämtliche Eingänge positiv sind. Darüberhinaus können innerhalb des erfindungsgemäßen Rahmens die. verschiedensten Modifikationen in den Materialien, in der Verarbeitung der Signale, in den Detailanordnungen von Widerständen u.dgl. sowie in der Verteilung der Komponenten u.dgl. vorgenommen werden.

Die Darstellung der Fig. 3 zeigt eine vereinfachte Ausführungsform der Erfindung, die einem Platin-Widerstandsthermometer zugeordnet ist. Diese Ausführungsform entspricht einer Vereinfachung der allgemeinen Struktur der Darstellung der Fig. 1 oder der Fig. 2. Tatsächlich sind bei diesem Ausführungsbeispiel die Verbindungen zu den Punkten A, B, D im Diagramm der Fig. 2 nicht vorhanden, so daß allein noch die Verbindung zum Punkt C übrig ist.

Die weiter oben angegebene allgemeine Gleichung 2.) ist unter diesen Bedingungen transformiert, da die Maßnahme des öffnens der Verbindungen A, B und D dem Vorhandensein von Widerständen R^, R_ß, Rg unendlicher Größe entspricht. Man gelangt zur Gleichung 1.), die in der digitalen Anwendungs form der Gleichung 4 (siehe oben) entspricht.

Diese Schaltung führt entsprechend der Gleichung 4.) zu einer mathematischen Genauigkeit in der Größenordnung von 0,1 ?C

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-Kt-

für Temperaturen zwischen - 120⁰C und + 880⁰C für ein Platin-Widerstandsthermometer; die gesamten Fehler der elektronischen Schaltkreise können auf weniger als o,15 # gehalten werden, wenn Präzisionskomponenten verwendet werden. Der in Fig. 3 vorhandene Operationsverstärker arbeitet bei einer solchen integrierten Schaltung unter den geneuesten Arbeitsbedingungen.

So ist beispielsweise die Schaltung der Fig. 3 in ihrer Genauigkeit für einen Halbleiter-Dehnungsmeßstreifen oder für einen Halbleiter-Spannungsmesser, dessen Widerstand sich nicht-linear ändert, auch als Funktion der verschiedenen Herstellungsschichten und Vorgänge, größer als o,1 j6. Die Schaltung der Fig. 3 ist in der Lage, Typen oder Arten von Spannungs- oder Dehnungsmeßsystemen mit unterschiedlichen Charakteristiken durch Modifizierung des Widerstands R₁₁ (Fig. 3) oder des Widerstands R, (Fig. 2) zu linearisieren. Die elektrische Schaltung der Fig. 3 kann für bestimmte Temperaturbereiche auf Thermoelemente angewendet werden. Das von einem Thermoelement gelieferte Ausgangssignal entspricht' der Summe der Fern, erzeugt durch zwei verschiedene Legierungen. Der sich hieraus ergebende Kurvenverlauf ist aus diesen Gründen häufig komplex, mit Knickpunkten, als auch mit sowohl konkaven und konvexen Kurvenverläufen. Die Schaltung der Fig. 3 ist in der Lage, eine solche Kurve mit einer Genauigkeit in der Größenordnung von 1 Ji zu linearisieren; diese Genauigkeit läßt sich jedoch noch entscheidend verbessern, wenn man die allgemeinere Ausführunge^orm der Pig. 2 verwendet. Der Hauptteil des Summenausgangssignals ist dabei abgeleitet von der linearen

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Verstärkung von der Spannung V. durch die Verzweigung, die an den Schaltpunkt B angeschlossen ist, wobei der von dem Multiplizierer M. erzeugte Strom i^ dazu dient, den durch die lineare Approximation verursachten Fehler zu korrigieren. Die Gleichung 1.) die der Schaltausführung der Fig. 2 entspricht, ist ausreichend flexibel, um Thermoelemente der Typen K, T, R, S, B, J, W sowie Thermoelemente auf der Basis Nisil/Nicrosil mit einer Linearisierungsgenauigkeit zwischen 0,05 H und 0,02 # entsprechend der Wahl des verwendeten Thermoelements und des Temperaturbereichs zu Ii-

nearisieren.

Dieses Ausführungsbeispiel der Erfindung kann auch dazu verwendet werden, einen nichtlinearen Kurvenverlauf oder eine nichtlineare Reaktion zu erhalten, die beispielsweise für die Regelung von Heizgeräten und Motoren verwendet werden kann. Die mechanische Trägheit eines Servomotors und die thermische Trägheit eines Heizsystems erfordern beide eine nichtlineare Regelung, um die charakteristischen Verläufe optimal zu gestalten. Die Verwendung der Schaltung der Fig. ermöglicht es, ein optimiertes, nichtlineares Regelsignal V- zu gewinnen, indem man von einer Eingangsspannung mit einer linearen Variation V₁ ausgeht. Eine Anwendung einer solchen Einrichtung besteht in der Steuerung oder Regelung des Temperaturanstiegs oder des Temperaturabfalls in einem von einem Thermoelement gesteuerten Ofen. In diesem Fall wird das Ausgangssignal Vq des Thermoelements als lineares Signal betrachtet und die Steuerspannung V, ist zur Bewirkung der Kompensation modifiziert. Die Wahl der Verbindungsanschlüsse zu A, B, 0 und D und die Vorzeichen der Eingangsströme am Multiplizierer M₁ hängt vom Anwendungsfall ab.

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i5oo/ot/_zz 3 O Π 771

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Entsprechend dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist ein Wandler T vorgesehen, der ein Ausgangssignal V₁, beispielsweise ein Spannungssignal erzeugt, welches in wünschenswerter Weise in eine lineare Beziehung mit dem Parameter gebracht werden soll, der von dem Wandler effektiv erfaßt ist.

Das Signal V₁ wird entsprechend dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel der schon einmal erwähnten Verarbeitungseinrichtung 1 zugeführt. Die Einrichtung 1 besteht aus zwei Zweigen 2 und 3, die jeweils das Signal V₁ empfangen. Der Zweig 2 umfaßt eine lineare Schaltung, die das Signal V₁ durch lineare Transformation in das folgende Signal umwandelt:

V₁ = A₀ + A₁V₁

Der Schaltungszweig 3 umfaßt eine lineare Vielfachschaltung 4, der eine Kombinationsschaltung 5 nachgeschaltet ist. Die Schaltung 4 erzeugt an ihrem Ausgang mexirere Signale X, Y und Z, die dem Signal V₁ durch die im folgenden angegebene lineare Beziehung zugeordnet sind:

X = A₂ + V₁ ; Y = A₃ + V₁ j Z = A₄ 4- V₁ ; ...

Die Kombinationsschaltung 5 kombiniert die Zwischensignale X, Y, Z und faßt diese zusammen zu dem folgenden Signal:

ν} = χα. y/3. z#...

Im allgemeinen Fall handelt es sich beiOt,ß, O um algebraische Zahlen, die den Werten 0, +1, - 1 entsprechen und von denen mindestens eine negativ ist.

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Die Einrichtung 1 umfaßt auch einen Addierer 6, dem zur Addition die beiden Signale V₁'und V₁ "zugeführt sind. Das so gewonnene Signal wird dann, falls erforderlich, von einem nachgeschalteten Operationsverstärker 7 zur Erzeugung des Ausgangssignals V₅ noch verstärkt.

Im Falle der Formel 1.) ergibt sich bei den folgenden Bewertungen der Koeffizienten

(X= 1 /3.-1

O
die vereinfachte neue Formel:

V(V

V₃-A_{0 +} A₁V₁ + γ-

In diesem Fall ist entsprechend einem weiteren Merkmal vorliegender Erfindung die Kombinationsschaltung 5 von einem Analog/Digitalwandler gebildet. Dieser Wandler empfängt an seinem Signaleingang das Signal ϊι\ , wobei seinem Bezugsspannungseingang das Signal Y zugeführt ist. Am Ausgang erzeugt der Wandler 5 das Signal Xft/Y in digitaler Form. Dieses Signal wird dem Eingang eines Digital/Analogwandlers 5A, dessen Ausgang mit dem Eingang 6.. des Addierers verbunden ist und dessem anderen Eingang 6₂ das Signal V₁ = A_Q + A₁V₁ zugeführt ist, zugeführt.

Durch die folgenden Bedingungen läßt sich die oben beschriebene Schaltung noch weiter vereinfachen, dabei ist:

A₀ = ein beliebiger gegebener OC= 1

Wert /3= - 2

A₁ = O # = 0

Dann schreibt sich die Formel 1.) wie folgt:

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Unter diesen Bedingungen entspricht das Ausgangssignal des Wandlers 5A dem Signal V,.

Wenn der das Signal V, empfangende Schaltkreis ein digitales Signal empfangen kann, dann ist es möglich, diesem Schaltkreis direkt das Ausgangssignal des Wandlers 5 zuzuführen.

Wie schon erwähnt, ist es daher, obwohl die weiter vorn angegebene Anwendung und Beschreibung sich auf eine vollständig analoge Verarbeitung bezieht, auch möglich, eine digitale Verarbeitung durchzuführen, indem man zunächst die Spannung V^ in ein digitales Signal umwandelt, dann dieses Signal verarbeitet, um die entsprechenden Additionen, Multiplikationen und Divisionen vorzunehmen. Dann wird dieses Signal wiederum einer Digital/Analogwandlung unterworfen. Auf diese Weise führt man keine Fehler aus den elektrischen Schaltungen und Baukomponenten ein, das Signal ist aber langer in seinem Ausdruck und so ausgebildet, daß es nur langsam ausgelesen wird oder entsprechende Reaktionszeiten aufweist.

Als Schlußfolgerung ergibt sich daher, daß die Erfindung in der Lage ist, schneller zu arbeiten, als die für eine digitale Linearisierung erforderlichen seriellen Entwicklungstechniken, wobei auch weniger Konstante und Bezugstabellen für eine Annäherung oder Approximation durch lineare Segmente benötigt werden.

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Claims (11)

1. Dipi.-ing. Peter Otte _7O33 „_errentä0 J_KlJJ_n]_en)

   Patentanwalt EifelstraBe 7

   Telefon (O 70 32) 319 99

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   25. März 19βΟ

   Herr Jean-Pierre Ibar, Balleinvilliers Frankreich

   Patentansprüche

   ι. Einrichtung zur Modifizierung und Beeinflussung des Kurvenverlaufs eines Ausgangssignala in Abhängigkeit zum Verlauf eines von einem Wandler erzeugten Parameters (Temperatur, Druck, Spannung ...), gekennzeichnet durch eine elektrische Schaltung (1) mit zwei Verzweigungen (2, 3) denen jede das zu tx'ansformierende Eingangssignal (V₁) zugeführt iat, wobei eine der Verzweigungen eine lineare Schaltung umfaßt, die eine lineare Iran3forma tion (Aq + A₁V^) des Eingangasignals (V₁) durchführt und die andere Verzweigung (3) einerseits aus einer linearen Vielfachschaltung besteht zur Durchführung einer Vielfach-Lineartransformation (Ap + V₁), (A₇ +V..), (A. + V..... etc.), die zu Zwischensignalen (X = A₂ + V₁), (Z = A. + V₁... etc.) führt, und andererseits eine Kombinationsschaltung (5) umfaßt, der die Zwischensignale (X,Y,Z) zugeführt sind und die diese durch Multiplikation (Χ^Υ/3ζ^Γ... etc.) kombiniert, mit mindestens einer der Zahlen (cdß» O ... etc.) in negativer Form, ferner gekennzeichnet durch einen Addierer (6), dem das lineare Signal (A_Q + A₁V₁) der ersten Verzweigung (2) und das Kombinationssignal (X, Y, Z) der zweiten Verzweigung zugeführt sind und der nach Addition derselben das transformierte Ausgangssignal (V-,) erzeugt.

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2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Verzweigungen (2, 3) digitale Schaltungen sind, die am Eingang einen Analog/Digitalwandler und am Ausgang einen Digital/Analogwandler aufweisen.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Verzweigungen (2, 3) analoge Schaltungen sind, deren Exponenten lauten Cu= + 1,/O= + 1,^f= -1.
4. 4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die lineare Schaltung und die Vielfach-Lineareschaltung Widerstandsschaltkreise sind
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kombinationsschaltung eine Multiplizierschaltung ist.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Multiplizierschaltung so ausgebildet ist, daß sie Stromsignale empfängt und verarbeitet.
7. 7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Multiplizierschaltung die Transformation XY ausführt.
8. 8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangaleitungen der Zwischeneignale X, Y, Z nicht mit der Kombinationsschaltung verbunden sind.
9. 9. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle daß (X = 1,[J= - 1,<5*=o, die Kombinationsschaltung gebildet ist von einem Analog/Digitalwandler (5), dessen Signaleingang das Signal (X) und dessen Bezugsspannungseingang das Signal (Y) empfängt und daß diesem

   030041/073?

   25. März 1980 - 3 -

   Wandler ein Digital/Analogwandler (5A) zugeordnet ist, der mit dem einen Eingang des nachgeschalteten Addierers

   (6) verbunden ist, dem dabei das Signal (V₁ = A_Q + A₁V₁) zugeführt ist.
10. 10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle von (X= 1,/3= - 1 und ^f= 0 bei A_Q = beliebiger Wert und A₁ = 0 der Ausgangsanschluß der das Signal (V,) erzeugenden Schaltung der Ausgang des Digital/Analogwandlers (5A) ist bei einem analogen Ausgangssignal bzw. der Ausgang des Analog/Digitalwandlers (5) bei einem digitalem Ausgangssignal.
11. 11. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß dem Addierer (6) ein gegebenenfalls rückgekoppelter Operationsverstärker

    (7) nachgeschaltet ist.

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