DK150044B - Potensoploeftningsanordning for et signal - Google Patents

Description

150944

Opfindelsen angår en potensopløftningsanordning for et signal med vilkårlige eksponenter, ved hvilken der til en firkantgenerator er sluttet et første overføringsled med den tidsafhsngige overføringsfunktion f-| og et andet overfø-5 ringsled med overføringsfunktionen f2 = fi^r ved hvilken udgangen af det første overføringsled er forbundet med en sammenligners første indgang, og sammenlignerens anden indgang kan tilføres det signal x, som skal opløftes i potenseksponenten b, og ved hvilken øjebliksværdien xb af det andet 10 overføringsleds udgangssignal y kan lagres i afhængighed af det ved lighed af signalet x og udgangssignalet af det første overføringsled optrædende udgangssignal fra sammenligne-ren.

En sådan anordning kan anvendes til linearisering af et må-15 leapparats karakteristik. Fortrinsvis benyttes den til linearisering af strømningsmåleres karakteristik.

Ved en kendt anordning af den i indledningen nævnte art (DE-PS 815 559) påvirkes begge overføringsled af firkantgeneratoren samtidig med et signalspring, således at, uafhæn-20 gigt af det tidsmæssige forløb af overføringsfunktionerne f·) og f2 alene på grund af den kendsgerning, at det andet overføringsleds overføringsfunktion f2 altid er den b'ende potens af det første overføringsleds overføringsfunktion f-j, det andet overføringsleds udgangssignal i hvert øjeblik er 25 den b'ende potens af det første overføringsleds udgangssignal. Hvis derfor det andet overføringsleds udgangssignal y aftastes og fastholdes i det øjeblik, hvor det første overføringsleds udgangssignal er lig med det signal x, som skal opløftes i potens, så gælder for det andet overføringsleds 30 udgangssignal: y = xb.

Den kendte firkantgenerator er udformet som ustabil multivibrator med fast frekvens og fast tastforhold. Overføringsleddene indeholder en indstillelig kondensator og en ind- 150044 2 stillelig modstand i parallelforbindelse med eksponentens b indstilling. Ved indstillingen af eksponenten b skal man dog være opmærksom på, at det første overføringsleds tidskonstant endnu indstilles så høj, at det første overføringsleds 5 udgangssignal endnu under eller mellem to impulser fra firkantgeneratoren opnår værdien af det signal x, der skal opløftes i potens, da det andet overføringsleds udgangssignal y kun udløses i afhængighed deraf. Indstilles tidskonstanten for højt, således at værdien af det signal x, der skal op-10 løftes i potens, ikke opnås i løbet af en periode af firkan tgeneratoren, angives et falsk regneresultat. Endvidere burde afladeprocessen af kondensatoren af det første overføringsleds RC-led altid sætte ind ved den samme ladespænding for at undgå regnefejl. Heller ikke dette er sikret, hvis 15 opladeprocessen på grund af en for høj ladetidskonstant ikke er afsluttet inden slutningen af en impuls fra firkantgeneratoren. Eksponentens b indstillingsområde indsnævres derfor betydeligt af firkantgeneratorens frekvens og tastforhold.

Formålet med opfindelsen er at angive en potensopløftnings-20 anordning af den i indledningen nævnte art, som ved forholdsvis enkel opbygning har et større indstillingsområde for eksponenterne b.

Ifølge opfindelsen løses denne opgave ved, at firkantgeneratoren har et bistabilt kipled, hvis indstillingsindgang er 25 forbundet med sammenlignerens udgang, hvis tilbagestillingsindgang er forbundet med en anden sammenligners udgang, og hvis udgang er forbundet med overføringsleddenes indgange, og at den anden sammenligners første indgang er forbundet med det første overføringsleds udgang, og den anden sammen-30 ligners anden indgang er forbundet med en referencespændingskilde.

Ved denne udformning danner såvel den første sammenligner som det første overføringsled en del af firkantgeneratoren, 150044 3 således at de opfylder en dobbelt funktion. Den første sammenligner sørger ikke kun for sammenligningen af det første overføringsleds udgangssignal med det signal, der skal opløftes i potens, men udløser samtidig også firkantgenerato-5 ren, når det første overføringsleds udgangssignal opnår værdien af det signal, der skal opløftes i potens. Det første overføringsled danner ikke kun den tidsafhængige overføringsfunktion f-|, men også tidsleddet for firkantgeneratoren. Det bestemmer derfor, i forbindelse med referencespæn-10 dingskilden og den anden sammenligner, firkantgeneratorens periodevarighed og tastforhold, således at de to værdier automatisk tilpasses det første overføringsleds tidskonstant, når denne ændres for at ændre eksponenten b. Eksponenten b kan derfor ændres i et større område, uden at dette fører 15 til regnefejl.

Som ved anordningen ifølge opfindelsen kan hvert overføringsled være et RC-led, hvis udgangssignal kan aftages ved sin kondensator. Herved er det gunstigt, når hvert RC-leds kondensator er efterkoblet RC-leddets modstand. Dette giver 20 ved de to overføringsled på enkel måde med kun to komponenter en eksponentialfunktion som overføringsfunktion.

Endvidere kan modstandsværdien af det første overføringsleds RC-led, som i det kendte tilfælde, være indstillelig. Når så det indstillelige RC-leds modstand består af en fast mod-25 stand og en med denne i serie liggende indstillelig modstand, og de øvrige elementer af RC-leddene har valgte faste værdier således, at såvel kapaciteterne som de faste modstandsværdier af RC-leddene er ens, er det sikret, at indstillingsområdet for det første overføringsleds tidskonstant 30 ligger over det andet overføringsleds tidskonstant, og ændringshastigheden af det andet overføringsleds udgangssignal er aldrig lavere end ændringshastigheden af det første overføringsleds udgangssignal. Startværdien af ladningen af det andet overføringsleds kondensator ligger derfor ligeledes, 150044 4 uafhængigt af en ændring af henholdsvis eksponenten b og firkantgeneratorens tastforhold og periodevarighed, altid fast.

Fortrinsvis ligger referencespændingskildens referencespæn-5 ding umiddelbart under firkantgeneratorens udgangsspænding. Referencespændingskilden kan derfor være udformet som en simpel spændingsdeler, som forsynes med den samme driftsspænding som det bistabile kipled. Alligevel når ladespændingen af det første overføringsleds kondensator i løbet af 10 en endelig tid referencespændingen for at sætte det bistabile kipled tilbage.

Således kan der være sørget for, at det tredie overføringsleds udgang er forbundet med den første indgang af en direkte modkoblet differensforstærker, hvis anden indgang over en 15 kondensator er forbundet med stel. Denne direkte modkoblede differensforstærker sørger for en overføring af den i det tredie overføringsleds lagerled fastholdte aftastningsværdi i forholdet 1:1 ved samtidig impedansændring for tilpasning til en efterfølgende indikatoranordning.

20 Sammenlignerne kan i alle tilfælde være udformet som differensforstærkere med høj forstærkning. Disse reagerer meget følsomt på de mindste differencer i indgangssignalerne og disse differencers fortegn ved omstyring af deres udgangssignal fra den ene til den anden mætningsværdi. De er derfor 25 særlig velegnede både til sammenligning og til udformning af firkantgeneratoren og aftastnings- og holdeanordningen.

Opfindelsen beskrives nærmere i det følgende ved hjælp af tegningen, der viser i fig. 1 et blokdiagram for en på lignende måde kendt po-30 tensopløftningsanordning.

150044 5 fig. 2 et tidsdiagram til belysning af funktionsmåden for anordningen ifølge fig. 1 og fig. 3 et blokdiagram for et udførelseseksempel af en potensopløftningsanordning ifølge opfindelsen.

5 Ifølge fig. 1 er en firkantgenerators 1 udgang forbundet med indgangene af to overføringsled 2 og 3. Udgangen af det første overføringsled 2 er forbundet med den første (ikke-inverterende) indgang af en som differensforstærker med høj forstærkning udformet sammenligner 4. Den anden (inverteren-10 de) indgang af sammenligneren 4 tilføres det signal x, som skal opløftes i potens. Udgangen af det andet overføringsled 3 er forbundet med overføringsindgangen af en aftastnings-og holdeanordning 6. Mellem sammenlignerens 4 udgang af tastindgangen af aftastnings- og holdeanordningen 6 ligger 15 et monostabilt kipled 7. Overføringsleddet 2 er et integrerende RC-led med tidskonstanten Τ·| og overføringsleddet 3 et integrerende RC-led med tidskonstanten T2 = T)/b, hvorved b er eksponenten, hvormed signalet x skal opløftes i potens.

Derved kan modstandsværdien R8 af modstanden 8 i det første 20 overføringsled 2 være lig med det b-dobbelte af modstandsværdien R9 af modstanden 9, mens kapaciteterne C10 og C11 af kondensatorerne 10 og 11 kan være ens.

Til belysning af funktionsmåden af anordningen ifølge fig. 1 er der også henvist til fig. 2, hvorved det af hensyn til 25 forenklingen er antaget, at overføringsleddet 2 har overføringsfunktionen f1 og overføringsleddet 3 overføringsfunktionen f2 = fi*3.

Når indgangene af overføringsleddene 2 og 3 fra firkantgeneratoren 1 tilføres et positivt signalspring, stiger amplitu-30 den af overføringsleddets 2 udgangssignal ifølge overføringsfunktionen f], mens overføringsleddets 3 udgangssignal stiger ifølge overføringsfunktionen f-|b. I tidspunktet t) 150044 6 når overføringsleddets 2 udgangssignal værdien x. I det samme tidspunkt t·} har da overføringsleddets 3 udgangssignal y værdien xb. Når overføringsleddets 2 udgangssignal når værdien x, skifter det indtil da negative eller på nul liggende 5 udgangssignal fra sammenligneren 4 henholdsvis sit fortegn eller sin værdi. Dette skifte udløser det monostabile kipled 7 til afgivelse af en kort impuls. Denne impuls taster af-tastnings- og holdeanordningen 6 åben, således at værdien y = xb af overføringsleddets 3 udgangssignal i det øjeblik, 10 hvor overføringsleddets 2 udgangssignal er lig med x, bliver aftastet og fastholdt til indikering.

Da det ved overføringsleddene 2 og 3 dog blot drejer sig om simple RC-led, gælder relationen f2 = fib mellem deres udgangssignaler dog kun under de i det følgende nærmere be-15 tragtede antagelser.

I et tidsrum mellem to positive spændingsspring ved overføringsleddenes 2 og 3 indgange gælder for det første overføringsleds 2 udgangsspænding 0] _ t_

Ui = U . e T1 (1) 20 og for det andet overføringsleds udgangsspænding 02 t

To 02 - 0 · e * (2) med tidskonstanterne *1 T2 = -r- (3) b og i tidspunktet t = ti, når det første overføringsleds 2 25 udgangsspænding 0i er faldet til x, gælder 150044 7 -ti O^t!) = U . e Tl = x (4) og for

-tiK

U2U1) = ϋ . e T1 = y (5)

Dermed fremkommer der fra ligningerne (4) og (5) Y x b 5 - = (-) (6)

U O

og y = u(1-b) . xb (7) det vil sige, at det andet overføringsleds 3 udgangsspænding U2 (t) = y i tidspunktet ti, hvor det første overføringsleds 10 2 udgangsspænding når værdien x, er principielt ikke blot proportional med en potens af x, men også proportional med en potens af U, maksimalværdien af firkantgeneratorens 1 udgangssignal. Hvis man dog indskrænker sig til eksponenter b, som er væsentlig mindre end 1, er eksponenten af U tilnær-15 melsesvis lig med 1, således at der gælder y«0 . xb (8) hvorved O blot udgør en målestoks- eller justeringsfaktor, således at der gælder y~ xb (9) 20 Hvis man ikke vil indskrænke sig til eksponenter b, som er væsentligt mindre end 1, så kræves der efter hver ændring af b en ny justering, fx ved tilsvarende ændring af O, således at der gælder 150044 8 u(T-b) = konstant (10)

For simple lineariseringsformål kan man dog som regel nøjes med en engangs-indstilling af b.

Yderligere betingelser, som skal være opfyldt, er, at x skal 5 være mindre end U og kun tidsområdet mellem to positive impulser fra firkantgeneratoren 1 bør udnyttes. Sidstnævnte betingelse kan opfyldes ved, at det monostabile kipled 7 dimensioneres således, at det kun reagerer på det modsatte skifte af sammenlignerens 4 udgangssignal af det ovenfor an-10 førte.

For indstilling af den ønskede eksponent b kan tidskonstanterne t-| = R8 . C10 og/eller T2 = R9 . C11 være indstillelige.

Ved udførelseseksemplet ifølge fig. 3 indeholder firkantge-15 neratoren 12 selv sammenligneren 4, en yderligere sammenligner 13 og et bistabilt kipled 14. Den anden (inverterende) indgang af den første sammenligner 4 og den første (ikke-in-verterende) indgang af den anden sammenligner 13 er forbundet med udgangen af det første overføringsled 2, hvis mod-20 stand 8 består af en fast modstand 15 og en indstillelig modstand 16, hvorved R15 = R9 og C10 = C11. Den anden indgang af den anden sammenligner 13 er forbundet med udtaget af en en referencespændingskilde dannende spændingsdeler af to modstande 17 og 18, som er således indstillet, at den på 25 udtaget optrædende referencespænding Ur ligger umiddelbart, cirka 1%, under driftsspændingen (+), som svarer til værdien U ifølge fig. 1 og her andrager 10 volt, dvs. Or = 9,99 volt.

Sammenlignerens 13 udgangsspænding tilføres over en yderli-30 gere spændingsdeler, bestående af modstande 19 og 20, tilbagestillingsindgangen R, og sammenlignerens 4 udgangsspænding 150044 9 tilføres det bistabile kipleds 14 indstillingsindgang S over en spændingsdeler, bestående af modstande 21 og 22. Det bistabile kipleds 14 udgang Q er forbundet med indgangene af overføringsleddene 2 og,3.

5 Overføringsleddets 3 udgang er forbundet med den første indgang af en tredie sammenligner 23. Denne udgang er over et tredie overføringsled 24 i form af et integrerende RC-led, bestående af en modstand 25 og en kondensator 26, forbundet med sin anden indgang og med den første indgang af en fjerde 10 sammenligner 27. Sammenlignerens 27 udgang er direkte forbundet med en anden indgang, over en kondensator 28 til stel og over en modstand 29 med driftsspændingens positive pol.

Ved denne udgang aftages da udgangssignalet y. Modstandsværdien R25 er væsentlig mindre end modstandsværdien R9, mens 15 kapaciteterne C10, C11, C26 og C28 alle er ens.

Sammenlignerne er alle udformet som differensforstærkere med høj forstærkning (såkaldte operationsforstærkere), ved hvil-, ke blot en meget lille spændingsdifference af det ene eller andet fortegn på deres indgange fører til en fuldstændig ud-20 styring til det ene eller det andet mætningsområde. Hvis potentialet på den første indgang (+) er højere end på den anden indgang (-), er udgangssignalet positivt, ellers nul (eller negativt).

For belysning af funktionsmåden antages det, at det bistabi-25 le kipled 14 er "indstillet", således at dets udgangssignal udgøres af den positive driftsspænding på 10 volt, hvorved dets udgangsmodstand er forholdsvis lavohmsk. Så oplades kondensatorerne 10 og 11 samtidigt, men kondensatoren 10 langsommere end kondensatoren 11, fordi R8 er større end R9.

30 Så snart spændingen på kondensatoren 10 når værdien Ur = 9,99 volt, skifter sammenlignerens 13 udgangssignal fra nul til den positive mætning. Derved tilbagestilles kipleddet 14, således at dets udgangssignal er nul. Nu aflades konden- 150044 10 satorerne 10 og 11 over deres for-modstand 8 og 9, men kondensatoren 11 igen hurtigere end kondensatoren 10, indtil spændingen på kondensatoren 10 når værdien x, som er indstillet lavere end Ur. Så snart spændingen på kondensatoren 5 10 underskrider værdien x en smule, går det indtil da på nul liggende udgangssignal af sammenligneren 4 til den positive mætning, således at kipleddet 14 igen indstilles, og kondensatorerne 10 og 11 atter oplades.

Værdien af den spænding, som i øjeblikket for det sidstnævn-10 te skifte af sammenlignerens 4 udgangssignal ligger på kondensatoren 11, fastholdes ved hjælp af sammenligneren 23 og overføringsleddet 24. Så længe spændingen på kondensatoren 11 falder, falder også spændingen på kondensatoren 26, og endog med samme hastighed og til samme værdi. For når spæn-15 dingen på henholdsvis kondensatoren 11 eller den første indgang (+) af sammenligneren 23 underskrider spændingsværdien på henholdsvis kondensatoren 26 eller den anden indgang af sammenligneren 23, så skifter sammenlignerens 23 udgangssignal straks til nul, og kondensatoren 26 aflades over den 20 lavohmske modstand 25 hurtigere end kondensatoren 11, således at udgangssignalet af sammenligneren 23 straks igen bliver positivt. Kondensatoren 26 oplades da igen meget langsomt over modstanden 25 og den forholdsvis højohmske udgangsmodstand af sammenligneren 23. Som resultat bibeholder 25 kondensatoren 26 praktisk talt stadig den lavere værdi af spændingen på kondensatoren 11. Når den laveste værdi af spændingen på kondensatoren derimod på grund af en ændring af x stiger, fastholder kondensatoren 26 sluttelig også denne værdi fast som ny værdi, i det mindste efter en til to 30 perioder af firkantgeneratoren 12. Den i kondensatoren 26 lagrede værdi svarer til det ønskede udgangssignal y ifølge ligning (7).

Sammenligneren 27 og kondensatoren 28 har i princippet samme funktion som sammenligneren 23 og overføringsleddet 24. Det 180044 11 sidste trin 27, 28, 29 har kun funktion som en impedansomformer med overføringskoefficienten 1 på grund af den direkte modkobling af sammenligneren 27, således at det samme signal y står på udgangen af denne sammenligner 27.

Claims (3)

150044

1. Potensopløftningsanordning for et signal med vilkårlige eksponenter, ved hvilken der til en firkantgenerator (1, 12) er sluttet et første overføringsled (2) med den tidsafhængige overføringsfunktion fi og et andet over-5 føringsled (3) med overføringsfunktionen f2 = fib, ved hvilken udgangen af det første overføringsled (2) er forbundet med en sammenligners (4) første indgang, og sammenlignerens (4) anden indgang kan tilføres det signal x, som skal opløftes i potenseksponenten b, og ved 10 hvilken øjebliksværdien xb af det andet overføringsleds (3) udgangssignal y kan lagres i afhængighed af det ved lighed af signalet x og udgangssignalet af det første overføringsled (2) optrædende udgangssignal fra sammen-ligneren (4),kendetegnet ved, at firkant-15 generatoren (12) har et bistabilt kipled (14), hvis indstillingsindgang (S) er forbundet med sammenlignerens (4) udgang, hvis tilbagestillingsindgang (R) er forbundet med en anden sammenligners (13) udgang, og hvis udgang (Q) er forbundet med overføringsleddenes 20 (2, 3) indgange, og at den anden sammenligners (13) første indgang er forbundet med det første overførings-leds (2) udgang, og den anden sammenligners (13) anden indgang er forbundet med en referencespændingskilde (17, 18).

2. Anordning ifølge krav 1, ved hvilken hvert overførings leds (2, 3) er et RC-led, hvis udgangssignal kan aftages ved sin kondensator (10, 11), kendetegnet ved, at kondensatoren (10, 11) af hvert RC-led er efterkoblet dets modstand (8, 9).

3. Anordning ifølge krav 2, ved hvilken modstandsværdien af det første overføringsleds (2) RC-led er indstille-