Integrierschaltung zum Erzeugen eines elektrischen Signals, dessen Spannung sich in einem bestimmten zeitlichen Verhältnis ändert
Die Erfindung bezieht sich auf eine Integrierschaltung zum Erzeugen eines elektrischen Signals, dessen Spannung unmittelbar nach einer Periode, während welcher die Spannung konstant bleibt, sich in einem bestimmten zeitlichen Verhältnis ändert, ohne einen Spannungssprung zwischen den beiden Perioden aufzuweisen. Solche Schaltungen werden beispielsweise zur Ausrüstung von Kathodenstrahloszillographen angewandt, wo das von der Integrierschaltung gelieferte Signal die Bewegung des Elektronenstrahls im Zeitkreis steuert.
Eine andere Anwendung der Integrierschaltung ergibt sich für die Steuerung der Bewegung eines verstellbaren Teils verschiedener Einrichtungen, insbesondere von Zugfestigkeitsprüfeinrichtungen. In einer Ausführungsform einer solchen Zugfestigkeitsprüfeinrichtung ist ein Probestück, zum Beispiel ein Garnstück, zwischen eine bewegliche und eine feststehende Klammer geklemmt. Die bewegliche Klammer wird zum Verlängern und Spannen des Probestücks bewegt, und die feststehende Klammer dient zum Messen der Zugkraft während des Streckens des Probestücks. Es ist bekannt, dass sich die bewegliche Klammer normalerweise mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegen muss. Im vorliegenden Fall kann die Bewegung durch eine Integrierschaltung gesteuert werden.
Ein besonderer Vorteil dieser Steuerungsart ist, dass sie ohne grossen Aufwand so auslegbar ist, dass die bewegliche Klammer für unterschiedliche Probestücke mit verschiedenen Geschwindigkeiten bewegt werden kann. Eine bekannte Integrierschaltung weist einen Differential-Verstärker mit hohem Verstärkungsgrad und hoher Impedanz auf und besitzt eine kapizitive Rückkopplung des Ausgangs an einen ihrer Eingänge. Die nachstehend erwähnten Verstärker sind Einrichtungen dieser Art. Der mit der Rückkopplung verbundene Eingang ist ebenfalls mit einem Widerstand verbunden, während der nicht rückgekoppelte Eingang geerdet ist. Die Schaltung arbeitet so, dass an das dem Verstärkeranschluss gegenüberliegende Ende des Widerstandes eine Spannung angelegt wird. Diese bewirkt, dass sich die Spannung am Ausgang in einem konstanten Verhältnis zur Rückkopplungsanordnung zu ändern beginnt.
Sobald der Ausgang stabilisiert ist, folgt diesem Vorgang eine Periode, während welcher das dem Verstärkeranschluss gegenüberliegende Ende des Widerstandes geerdet und die Rückkopplung unterbrochen wird. Normalerweise wird der Schaltungsausgang auf Erdpotential stabilisiert; es kann ihm aber auch eine Vorspannung angelegt werden, um ihn auf irgendein gewünschtes Referenzpotential zu bringen.
Es ergibt sich daraus, dass eine solche Integrierschaltung zwei Grundbetriebszustände aufweist, nämlich den Ruhe -Zustand, während dessen die Spannung des Ausgangs-Signals konstant ist, und den Arbeits > - Zustand, während dessen die Spannung am Ausgang sich entsprechend der Spannung am Eingang ändert.
Ein Nachteil solcher Schaltungen ist jedoch, dass der Übergang vom einen zum andern Zustand von einem scharfen Spannungswechsel, normalerweise einem Spannungsabfall, begleitet ist. Man bezeichnet dies als Sprung > in einer Wellenaufzeichnung. Die Ursache des Sprungs liegt in der Arbeitsweise der oben beschriebenen Integrierschaltung. Wenn sie sich in ihrem Arbeits -Zustand befindet, hält die Schaltung die Spannungen an ihrem Eingang auf dem selben Wert, normalerweise auf Erdpotential, sofern eine allfällige Potentialveränderung im Verstärker nicht berücksichtigt wird. Dies ist deshalb so, weil irgendeine Differenz zwischen den Spannungen an den Eingängen des Verstärkers ein Signal an den Ausgang liefert, welches über die Rückkopplung dazu tendiert, die Eingänge auf den selben Potentialwert zu bringen.
Dagegen werden während der Zeit, in der sich die Schaltung in ihrem 6;Ruhe -Zustand befindet und die Rückkopplung unter brochen ist, die Spannungen an den Eingängen nicht auf dem selben Wert gehalten. Sobald jedoch die Rückkopplung wieder eingeschaltet wird, korrigiert das sofortige Ansprechen des Verstärkers die Differenzen der Spannungen an seinen Eingängen, was den erwähnten Sprung erzeugt.
Während die Anwendung einer konventionellen Integrierschaltung für gewisse Fälle zulässig ist, ist sie dort nicht allgemein gegeben, wo der Ausgang der Schaltung die Bewegung eines Teils einer Einrichtung steuert, beispielsweise die bewegliche Klammer einer Zugfestigkeitsprüfeinrichtung, die progressiv bewegt werden muss.
Die erfindungsgemässe Integrierschaltung zum Erzeugen eines elektrischen Signals, dessen Spannung sich in einem bestimmten zeitlichen Verhältnis ändert, ist dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Verstärker besitzt, dessen Ausgang über einen einen Kondensator aufweisenden Rückkopplungsweg mit einem ersten Eingang an diesem Verstärker verbunden ist, welcher auch mit dem einen Ende eines Widerstands in Verbindung steht, dass eine Einrichtung zum Anlegen einer ersten Spannung an einen zweiten Eingang am Verstärker vorhanden ist, dass der Wert der ersten Spannung so gewählt ist, dass die Ausgangsspannung am Verstärker einen bestimmten konstanten Wert aufweist, während das dem Verstärker abgewandte Ende des Widerstandes an Erde gelegt ist, und dass mindestens ein Schalter dazu dient,
den genannten Widerstand vom Erdpotential zu trennen und ihn mit einer Spannungsquelle mit einer zweiten Spannung zu verbinden, damit, während die erste Spannung am zweiten Eingang angelegt ist, die Spannung am Ausgang des Verstärkers sich mit einem konstanten zeitlichen Verhältnis zu ändern beginnt.
Es sei vorausgesetzt, dass der Ausdruck Erde in der Beschreibung als ein konstanter Spannungs-Bezugswert verstanden wird. Dieser beträgt üblicherweise, je doch nicht in jedem Fall, ungefähr null Volt.
Die Mittel zum Anlegen der ersten Spannung können üblicherweise ein geschlossener Teilstromkreis sein, der den Ausgang eines ersten Verstärkers mit dem Eingang eines zweiten Verstärkers verbindet, dessen Ausgang mit dem zweiten Eingang des ersten Verstärkers in Verbindung steht. Wenn der erste Eingang des ersten Verstärkers an Erde liegt und der zweite Eingang des zweiten Verstärkers mit einer weitern Quelle konstanter
Spannung verbunden ist, kann die Schaltung sich selbst stabilisieren, wobei die Spannung am Ausgang des ersten Verstärkers ungefähr gleich ist der Spannung an der genannten weitern Stromquelle, welche auf dem gewünschten Referenzspannungswert für den Ausgang des Verstärkers gehalten ist, bevor die Spannungsänderung im erwähnten konstanten Verhältnis beginnt.
Die Spannung am Ausgang des zweiten Verstärkers, die dem zweiten Eingang des ersten Verstärkers zugeführt wird, ist dann auf jenem Wert gehalten, den sie erreicht hat, wenn die Schaltung über einen Speicherkondensator stabil geworden ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im fol genden anhand der Zeichnung beschrieben, in der
Fig. 1 ein Schema der Integrierschaltung, und
Fig. 2 ein Diagramm der Ausgangsspannung (E) der in Fig. 1 gezeigten Integrierschaltung in Funktion der Zeit (T) zeigt.
Der Ausgang 1 des in Fig. 1 mit Al bezeichneten Verstärkers ist über eine Rückkopplungsanordnung, die einen Widerstand Rl und einen Kondensator C1 aufweist, mit einem ersten Eingang 2 verbunden. Der Ausgang 1 des Verstärkers Al, dessen Spannung mit EO bezeichnet wird, ist auch mit einem Eingang 3 eines zweiten Verstärkers A2 verbunden. Der Ausgang 4 des zweiten Verstärkers ist über einen Widerstand R2 und einen Relaisschaltkontakt L1 (in der entregten Stellung gezeigt) mit dem zweiten Eingang 5 des Verstärkers Al verbunden. Der zweite Eingang 6 des Verstärkers A2 ist mit dem Schleifkontakt 7 eines variablen Widerstandes RV1 verbunden, dessen eines Ende bei 8 geerdet ist, während das andere an einem Potential El liegt. Die Spannung am Schleifkontakt 7 ist eine Teilspannung von El und wird mit E2 bezeichnet.
Der Eingang 5 des Verstärkers Al ist ebenfalls mit der einen Seite eines zweiten Kondensators C2 verbunden, dessen andere Seite bei 9 geerdet ist. Der Eingang 2 des Verstärkers Al ist über einen dritten Widerstand R3 und einen zweiten Relaisschaltkontakt L2 (in der entregten Stellung gezeigt) bei 9 an Erde gelegt, und über einen vierten Widerstand R4 und einen dritten und vierten Relaisschaltkontakt M1 und N1 (beide in der entregten Stellung gezeigt) bei 10 an Erde gelegt.
Die Erregung des Relais zu Kontakt Nl bewirkt, dass der Eingang 2 des Verstärkers Al über den Widerstand R4 und den Kontakt M1 mit einer Stromquelle verbunden wird, deren Spannung mit E3 bezeichnet ist.
Das Schema zeigt den Zustand, bei dem durch die Stellungen der Schalter die Spannung EO konstant gehalten wird, d. h. den Ruhe -Zustand. Der Eingang 2 des Verstärkers Al ist über den niederohmigen Widerstand R3 und den Kontakt L2 bei 9 an Erde gelegt.
Damit ist ein selbstkompensierender, geschlossener Stromkreis über die Verbindungen zwischen den Verstärkern Al und A2 erstellt. Die Spannungen in diesem geschlossenen Stromkreis sind, abgesehen von kleinen Differenzen zwischen den Spannungen an den Eingängen 2 und 5, bzw. 3 und 6 der bezüglichen Verstärker Al bzw. A2, konstant. Weil der Widerstand R2 nieder ohmig ist und hauptsächlich zur Stromkreisstabilisierung dient, entspricht die Spannung am Ausgang 4 des Verstärkers A2 praktisch dem Erdpotential, während die Spannung am Ausgang 1 des Verstärkers Al praktisch dem Potential E2 entspricht. Weil Verstärker mit einem sehr hohen Verstärkungsgrad angewendet werden, kann für praktische Anwendungsfälle erwogen werden, für EO und E2 gleiche Werte zu wählen.
Durch die Verbindung des Ausgangs 4 des Verstärkers A2 über den Kondensator C2 mit Erde bei 9 und die zusätzliche Verbindung zwischen dem Ausgang 4 und dem Eingang 5 des Verstärkers Al wird der Kondensator C2 auf eine mit E4 bezeichnete Spannung aufgeladen. Der Wert der Spannung E4 ist so, dass sich die gewünschte Differenz der Spannungen der Eingänge 2 und 5 am Verstärker Al ergibt, um die Spannung EO, zusammen mit allfälligen, in der Praxis im Verstärker Al anfallenden Ausgleichsspannungen auf den Wert von E2 zu bringen.
Nachdem die Ausgangsspannung EO der Schaltung stabil geworden ist, wird ein den Schaltkontakten Ll und L2 zugeordnetes (nicht gezeigtes) Relais erregt, und diese beiden Kontakte werden geöffnet. Dies tritt im Zeitpunkt T1 ein, wie im Diagramm nach Fig. 2 gezeigt. Der früher beschriebene geschlossene Stromkreis ist damit unterbrochen, und der Gesamtstromkreis zeigt einen Zustand, der dem Arbeits -Zustand einer konventionellen Integrierschaltung entspricht, obschon sich die Ausgangsspannung EO nicht ändert, wenn die Schaltkontakte L1 und L2 geöffnet sind. Dies erklärt sich dadurch, dass sich die Spannungen an den Eingängen 2 und 5 des Verstärkers Al im Zeitpunkt T1 nicht ändern.
Der Eingang 2 bleibt über den Widerstand R4 und die Erdungsstelle 10 auf Erdpotential, und der Eingang 5 wird durch den aufgeladenen Kondensator C2 auf dem Potential E4 gehalten.
In diesem Betriebszustand ist der Verstärker A2 nicht mehr aktiv, während sich der Verstärker Al nun in der früher beschriebenen Grundschaltungsdisposition einer Integrierschaltung befindet, mit der Ausnahme, dass a) die Spannung E4 an Stelle des Erdpotentials an den Eingang 5 des Verstärkers Al gelegt ist, und b) der Eingang 2 über den Widerstand R4 und die Schaltkontakte M1 und N1 bei 10 an Erde liegt.
Im Zeitpunkt T2 gemäss Fig. 2 wird das dem Kontakt N1 zugeordnete Relais erregt. Dadurch wird die Spannung E3 über den Widerstand R4 an den Eingang 2 des Verstärkers Al angelegt. Dies bewirkt, dass die Ausgangsspannung EO sich nach der Gleichung dEo E3 dT = - C1 R4 zu ändern beginnt, wobei C1 und R4 den bezüglichen Werten des Kondensators C1 und des Widerstands R4 entspricht.
Weil die Spannung E3 konstant ist, ändert sich die Spannung EO gemäss der geneigten Linie im Diagramm nach Fig. 2 weiter, bis entweder: a) der Verstärker Al seinen Sättigungswert erreicht, wenn die Spannung EO durch seine maximale Spannungsänderungskapazität geändert wird, b) der Kontakt M1 geöffnet wird, wobei die Spannung EO auf dem Wert gehalten wird, den sie in jenem Zeitpunkt erreicht hat, oder c) die Schaltung in ihren Ruhe -Zustand gesetzt wird, indem alle Schaltkontakte in den Zustand bei entregten Relais gemäss Fig. 1 zurückgebracht werden, wobei die Spannung EO auf einen der Spannung E2 entsprechenden Wert zurückkehrt.
Der Verlauf der Ausgangsspannung der Integrierschaltung weist somit während jedes Arbeitsspiels die in Fig. 2 gezeigte Form auf, und es treten keine Sprünge im Spannungsverlauf ein, wenn die Spannung von einem konstanten Wert auf einen sich mit konstantem Veränderungsverhältnis ändernden Wert übergeht. Dieser Zyklus kann sich selbstverständlich beliebig oft wiederholen. Wenn bei einer konventionellen Integrierschaltung das Verhältnis der Spannungsänderung nicht konstant bleibt, kann es durch Variieren der Werte der Schaltungskomponenten justiert werden. Dagegen liefert eine erfindungsgemässe Integrierschaltanordnung ein Signal, deren Spannung sich bei irgendeinem konstanten Eingangsspannungswert in einem konstanten Verhältnis ändert.
Ein Anwendungsbeispiel einer erfindungsgemässen Integrierschaltung zum Steuern der Bewegung der beweglichen Klammer in einer Zugfestigkeitsprüfeinrichtung geht aus dem Patent Nr. 496 952 (Patentgesuch Nr. 17214/67) hervor.