DE1910102A1 - Signalumsetzer - Google Patents

Description

DipUng. R. Mertens

" Patentanwalt 1Q1 mho

!.,.AmmelburgstraS·* I3IUIUZ

Frankfurt am Main, den 27.£¹e'bruar 1969

■ . '■ - H 31 P 137 -

HONEYWELL INC..

270ί j Fourth Avenue South

Minneapolis, Minnesota / USA
» Signalumsetzer »

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Signalumsetzer, der hauptsächlich als Rechenschaltung-Verwendung findet.

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Als Rechenschaltung dienende elektrische Signalumsetzer zum Durchführen einer oder mehrerer wählbarer Rechenoperationen sind bekannt. Die bekannten Signalumsetzer haben aber den Nachteil,· daß die Zahl der möglichen Operationsarten sehr klein ist oder die Signalumsetzer sehr kompliziert aufgebaut und damit sehr teuer und störanfällig sind.

Aufgabe der Erfindung ist es "daher, einen einfach aufgebauten und zuverlässig arbeitenden elektrischen Signalumsetzer zur vorzugsweisen Durchführung von Rechenoperationen darzustellen. Dieser Signalumsetzer soll so .aufgebaut sein, daß sich an ihm ein Signal abgreifen läßt,:das einmal wahlweise der Wurzel oder dem Integral eines ihm zugeführten Eingangssignales entsprechen kann, zum anderen aber wahlweise auch von dem Produkt'-oder dem Quotienten zweier ihm zugeführter Eingangssignale linear abhängen kann.^

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in dem erfindun'gsgemäßen elektrischen Signalumsetzer an den Ausgang eines Verstärkers der Eingang eines Spannungs-Frequenz-Umsetzers angeschlossen ist, dessen Ausgang mit dem Verstärkereingang über eine Gegenkopplungs» s'chaltung verbunden ist, deren Gegenkopplungssignal durch die Ausgangs frequenz des U/f-Umsetzers bestimmt "ist. Die Ausgangs- ■· Signalfrequenz des U/f-Umsetzers hängt von der Größe des Verstärkereingangssignales ab. Mit einem derartig ausgestalteten

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elektrischen Slgnalumsetzer Ist eine stabile Umsetzung eines Elng'-• gangssignales in ein mit seiner Frequenz der Größe des Eingangs—-signales entssprechendes Ausgangssignal in einfacher und zuver-

lässiger Weise möglich. ■ .

In vorteilhafter Weiterbildung des Signalumsetzers empfiehlt es. ■sich, daß die Gegenkopplungsschaltung einen Eingang für ein gegebenenfalls veränderbares Bezugssignal sowie eine, in Abhängigkeit vom Umsetzer-Ausgangssignal den Stromfluß vom Bezugssignaleingang zum Verstärkereingang steuernde Steuerschaltung aufweist. Betrachtet man das Bezugssignal als Variable, so ist bei dieser Schaltungsanordnung die Frequenz des Ausgangssignales am U/f-Umsetzer proportional dem Eingangssignal aber umgekehrt proportional dem Bezugssignal.. " . /;'■..' -

In vorteilhafter Weiterbildung ist der Signalumsetzer derart? ausgestaltet, daß eine weitere Gegenkopplungsschaltung zwischen Ausgang und Eingang eines weiteren Verstärkers eingeschaltet und mit einer Steuerschaltung zur Steuerung des dem Verstärkereingang zugeführten Gegenkopplungssignales in Abhängigkeit von der Frequenz des Umsetzer-Ausgangssignals versehen ist. Bei dieser Ausgestal- ^: .tung ist, wie weiter unten noch gezeigt wird, der erfindungsgev mäße elektrische Slgnalumsetzer als Muitiplikations- und Divisionsschaltung verwendbar. Von dem.weiteren Verstärker läßt sich ein Signal abgreifen, welches dem Produkt aus dem Eingangssignal des weiteren-Verstärkers und dem Bezugssignal geteilt durch das Eingangssignal des erstgenannten Verstärkers proportional ist.

Eine besonders günstige Lösung ergibt sich, wenn der Ausgang des weiteren Verstärkers vorzugsweise über einen Schalter mit dem Eingang des erstgenannten·Verstärkers in Verbindung steht. In dieser Anordnung gibt der Signalumsetzer ein Signal ab, welches der aus dem Eingangssignal des weiteren Verstärkers gebildeten Quadratwurzel proportional ist. Dabei kann die im abgegebenen Signal enthaltene mathematische Beziehung entweder analog öder durch die Frequenz des abgegebenen Signales ausgedrückt seih.

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In Weiterbildung der Erfindung empfiehlt; es sich, daß die Gegen-, kopplungsschaltung(en) einen Kondensator sowie eine den Kondensator wahlweise an den Eingang der Gegenkopplungsschaltung oder den Verstärkereingang anschließende Schaltanordnung aufweist, welche durch die vom Ausgangssignal des Umsetzers beeinflußte Steuerschaltung betätigbar ist. .

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektrischen Signal-Umsetzers wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert; darin zeigt:

Pig. 1 ein Blockschaltbild des bevorzugten Ausführungsbeispieles, ·

Pig. 2 eine schematische Darstellung der in FIg.,1 rechts von % der gestrichelten Linie liegenden Bauteile und Baugruppen,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der in Fig. 1 links * von der gestrichelten Linie liegenden Bauteile und Baugruppen, ' -■■..■ ■ ■'■ ■ ..·;-■.- -■ . ' ■_-.._ ■':■■■■

Fig. 4 eine s cheBiatische Darstellung einer geeigneten Ausgaigsschaltu-ag und

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines in dem erfindungsgemäßen .Signalumsetzer vorteilhaft verwendbaren U/f-Umsetzers.

Während des Betriebes wird auf die in Fig. 1 gezeigte Klemme 1 das Signal V gegeben, welches über einen Ruhekontakt,20 und einen A Widerstand 17 zum Eingang des Verstärkers 11 gelangt. Der Ausgang """ dieses Verstärkers liegt über einen Ruhekontakt 21 an dem Verbindungspunkt 2 ,an dem eine hiermit Zl bezeichnete Spannung erscheint. Der Ausgang des Verstärkers 11 ist darüberhinaus noch Über einen Rückkopplungsweg 10a mit dem Eingang einer Schaltanordnung 10*verbunden> deren Ausgang zu dem Eingang des Verstärkers 11 geführt ist. Wie weiter unten noch näher beschrieben, bilden der Rückkopplungsweg 1Oa und die SchaItanordnung 10 einen Gegenkopplungskreis. Ausgehend"von einer Steuerschaltung 15 ge-' ' ··■ langt ein Steuersignal an einen Eingang der Schaltanordnung 10, durch v;elches noch zu beschreibende Schaltvorgänge ausgelöst werden. ■

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'Die Klemme 1 ist weiterhin noch Über den Arbeitskontakt 19» den Verbindungspunkt 2 und einen Widerstand l8 mit dem Eingang des Verstärkers Ij5 verbunden, dessen Ausgang zu dem Eingang eines Spannungs-Frequenz-Umsetzers 14 geführt ist. Der Ausgang des Ü/f-Umsetzers ist an die Steuerschaltung 15 angeschlOSsen, deren Ausgang an einem Steuereingang einer zweiten Schaltanordnung 12 liegt. Ein anderer Eingang der Schaltanordnung 12 ist zum Eingang des Verstärkers IJ> geführt, während ein weiterer Eingang dieser Schaltanordnung mit einer das Signal E_R abgebenden Bezugsspannungsquelle verbunden ist. Durch die Steuerschaltung 15 und die Schaltanordnung 12 wird eine vom Ausgang des Umsetzers 14 zum Eingang des Verstärkers IJ führende Gegenkopplungsschleife gebildet, wie weiter unten noch beschrieben ist. An die Steuerschaltung 15 ist weiterhin noch eine Ausgangsschaltung 16 angeschlossen. Die Kontakte 19, 20 und 21 sind für den Betrieb des erfindungsgemäßen Signalumsetzers nicht unbedingt notwendig. Sie dienen zur Umschaltung des Umsetzers von einem linearen Spannungs-Frequenz -Umsetzer zu einer einer. Quadratwurzel bildenden und integrierenden Schaltung. Wie weiter unten noch beschrieben wird, können zur Nachbildung anderer mathematischer Funktionen in den Signalumsetzer weitere Kontaktkombinationen eingefügt werden. Bei dem in Flg.1"gezeigten Zustand der Kontakte 19, 20 und 21 gelangt das Eingangssignal V Über den Widerstand 17 zum Eingang des Verstärkers 11 und den einen Eingang, der Schaltanordnung 10. Der Ausgang des Verstärkers 11 liegt über dem Kontakt 21 am Verbindungspunkt 2, so daß einmal das an diesem Verbindungspunkt erscheinende Signal 21 über den Widerstand 18 zu einem der Eingänge der Schaltanordnung 12 gelangt und dieses. Signal zum anderen über den RUckkopplungsweg 10a einen-.-. .;." : : der Eingänge der Schaltanordnung 10 erreicht. Bei einer derartigen Anordung wird vom elektrischen Signalumsetzer das Integral der Quadratwurzel der Span— nung V abgeleitet. - ..

Bringt man .die Kontakte 19,· 20 und 21 in den in Fig.- 1 nicht gezeigten Zustand, beispielsweise durch Betätigung eines in Fig. 1 nicht dargestellten Relais, so gelangt das Eingangssignal V an Klemme 1 über den Kontakt 19 und den Widerstand 18 zum Verstärker I^ und zur Schaltanordnung 12, wodurch mittels des

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»-elektrischen Signalumsetzers eine Umsetzung der Spannung V in eine von dieser Spannung linear abhängige am Ausgang des Umsetzers 14 abgreifbare Frequenz erzielt wird. '

Vor einer mehr ins Einzelnen gehenden Beschreibung des elektrischen' Signa!Umsetzers soll zum besseren Verständnis zuvor noch seine

• grundsätzliche Arbeitsweise beschrieben werden. Gelangt bei dem rechts von der gestrichelten "Linie in Fig. 1 liegenden Schaltungsteil des Umsetzers ein Signal ZI von der Klemme 2 zum Verstärker 15j so gibt- dieser ein entsprechendes Ausgangssignal ab, durch welches die Ausgangsfrequenz des U/f-Umsetzers 14 bestimmt ist. Durch das Ausgangssignal des Umsetzers 14 wird die Steuerschaltung 15 betätigt, die abwechselnd einen in der Schaltanordnung 12befindlichenKondensator an die Bejäugsspannungsquelle mit der Spannung E_n und an den Eingang des Verstärkers 13 anschließt. Dieser Wechsel erfolgt mit der halben Frequenz des Umsetzer-Ausgangssignaies. Hierdurch erhält man einen im gegenkoppelnd&i Sinne auf den Verstärker Ij? einwirkenden Rückkopplungsstrom, der in Abhängigkeit voh der Frequenz des Umsetzers 14 von der Steuerschaltung und der Schaltanordnung 10 gesteuert wird. Die ge-, schlossene Schleife wirkt selbstabgleichend, die Ausgangsfrequenz ist stabil wenn der Rückkopplungsstrom gleich dem Einggangssignal Zl ist. Daraus folgt, daß das Signal Zl den Wert der Ausgangsfrequenz bestimmt.

Der links von der gestrichelten Linie in Fig. 1 liegende Schaltungs teil des elektrischen Signalumsetzers arbeitet in ähnlicher Weise. Der Unterschied liegt im wesentlichen darin, daß die Schaltanordnung 10 einen Rückkopplungsstrom steuert, der diesmal vom Ausgang des Verstärkers 11 zu seinem Eingang fließt. Diese Steuerung geschieht wiederum, durch die Steuerschaltung 15 in Abhängigkeit von der Ausgangsfrequenz des Umsetzers 14. Ebenso wie in der Schaltanordnung 12 wird in der Schaltanordnung 10 ein Kondensator umgeladen, wordurch man einen Gegenkopplungsstrom erhält. Mit Hilfe dieses Gegenkopplungssignales wird der Verstärker 11 in einen Zustand gebracht, in dem sein mit dem Signal' Zl übereinstimmen- · des Ausgangssignal dem Eingangssignal des Verstärkers 11 proportional und der Ausgangsfrequenz des Umsetzers l4 .umgekehrt proportional ist. Ais Einganssignal des Verstärkers 11 wirkt über den Widerstand 17 das Signal V an der Klemme 1.

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Zum Zählen von Impulsen oder Integrieren kann man an den Ausgang ^; der Steuerschaltung 15 eine von dieser betätigte Ausgangsschal-'-tung 16 anschließen und damit die vom Umsetzer 14 abgegebenen Im- pulse zählen oder integrieren. Allerdings ist hierbei zu beach-. . ten, daß die Ausgangsfrequenz der Steuerschaltung nur halb so 7 groß ist wie die des Umsetzers 14. ^;

In Fig. 2 sind in schematischer Darstellung Einzelheiten der rechts von der gestrichelten Linie in Fig. 1 liegenden Baugruppen gezeigt. Wie oben schon erwähnt, ist Zl das Signal am Verbindungspunkt 2, der an das eine Ende des Widerstands 18 angeschlossen ist. Das andere Ende dieses Widerstandes ist über die Klemme Dl an den invertierenden Eingang des,Verstärkers 13 und den Emitter eines Transistors 30 geführt. Der nicht invertierende Eingang des Verstärkers 13 ist über einen Widerstand 51 mit Masse verbunden. Der Widerstand 51 dient der Vorstromkompensation des. als Operationsverstärker ausgestalteten Verstärkers 13, wobei der Verstärker die auf seinen Eingang gelangenden Ströme summiert.".

Der Emitter des Transistors 30 in der Schaltanordnung 12 ist ebenfalls mit der Klemme Dl verbunden, wobei der Kollektor dieses Transistors zum Emitter eines Transistors 31 und über einen Präzisionskondensator 34 an Masse geführt ist. Der Kollektor des Transistors 31 ist über eine in Fig.2 als Batterie dargestellte Spannungsquelle mit Masse verbunden. Diese.Spannungsquelle stellt die oben schon erwähnte Bezugsspannung E_R von beispielsweise + 5 V zur Verfügung. Die Basis des Transistors "3I ist über " eine in Richtung zu diesem Transistor in Durchlaßrichtung geschaltete Diode 36 an Masse angeschlossen. Der Emitter des Transistors 30 ist über einen Kondensator 3J5 an der Klemme Cl mit Masse und über eine Diode 32 mit seiner Basis verbunden. ·

Die Basis des Transistors '30 ist über eine Serienschaltung aus einem Widerstand 38, einem Kondensator 4ö und einem Widerstand 48 zur Klemme Bl eines Flip-Flops 70 geführt. Die Klemmen Al undBl sind die komplementären Ausgangsklemmen des Flip-Flops 70 durch die entweder der Transistor 30 oder der Transistor 31* Je nach Zustand des

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Flip-Flops 70,durchgeschaltet wird,;:.,

Der Verbindungspunkt zwischen Kondensator 4o und Widerstand 48 ist über einen Kondensator 42 an den Verbindungspunkt eines Widerstandes 45 mit. der Anode einer Diode 43 angeschlossen. Die Kathode dieser Diode und die andere Klemme des Widerstandes 45 liegen an Masse. Der Verbindungspunkt zwischen Kondensator 39 und Widerstand 47 ist über einen Kondensator 4l an den Verbindungspunkt der Anode einer Diode 44 mit dem einen Ende eines Widerstandes 46 angesschlossen. Das andere Ende des Widerstandes 46 und die Kathode der Diode 44 liegen an Masse.

In dem U/f-Umsetzer l4 1st der Ausgang des Verstärkers 13 über einen Widerstand 51 mit der Basis eines Transistors 53 verbunden, (J dessen Emitter über den Widerstand 52 an Masse liegt,und dessen Kollektor über einen Kondensator /zu einer Spannungsquelle von beispielsweise +12 V geführt ist. Der Kollektor des Transistors 53 ist weiterhin mit dem Kollektor eines Transistors 56 verbunden, dessen Emitter über einen Widerstand 55 an Masse liegt. Die Anöde eines Thyristors 63 ist über einen Widerstand 62 mit einer +12-V Spannungsquelle verbunden, während seine Kathode an den Kollektor des Transistors 56 angeschlossen ist.

Zwischen der -+12 V Spannungsquelle und Masse liegt ein aus den

Widerständen 57,58,59 und 60-.bfisJ;Bh!?adÄr^_Sjp!anni»jgs teiler «Ein, :

verschiebbarer Abgriff auf den Widerstand 59 ist mit der Basis des Transistors 56 verbunden, während der Verbindungspunkt der beiden Widerstände 58 und 59 über eine Diode 54 an die Basis des Transistors 53 angeschlossen ist. Der Verbindungspunkt der beiden Widerstände 57 und 58 ist über den Widerstand 72 zur Steuerelektrode des Thyristors 63 geführt.

Der Emitter eines Transistors 67 ist mit der +12 V Spannungsquelle verbunden,und ein Widerstand 66 liegt zwischen Emitter und Basis des Transistors 67. Ein Kondensator 65 verbindet die Anode des Thyristors 63 mit der Basis des Transistors 67,dessen-Kollektor an den Steuereingang des Flip-Flops 70 und Über einen Widerstand 6l an Masse angeschlossen ist. Durch die" vom U/f-Umsetzer 14 ; kommenden Signale wird das Flip-Flop 70 angesteuert, wodurch.dessen Ausgangsspannung abwechselnd an den Klemmen Al und Bl liegt.

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>. 1914302,

.Der Ausgang Al des Flip-Flops 70 ist über einen Kondensator/zxxxa Kollektor des Transistors 68 .geführt, dessen Emitter an Masse und dessen Basis am Verbindungspunkt des einen Endes des Widerstandes 49 mit der Anode der Diode 50 liegt. Das andere Ende des Widerstandes 49 ist zum Ausgang des Verstärkers I3 geführt, während die Kathode der Diode 50 Massepotential hat.' .

Der Widerstand 69 verbindet eine Bezugsäpannungsquelle von -12 V mit dem Kollektor des Transistors 68 sowie mit einer noch zu erläuternden Ausgangsschaltung 16. .

Während des Betriebes summiert der als Operationsverstärker wir- , kende Verstärker 1;5 die beiden über den Verbindungspunkt Dl auf seinen Eingang gelangenden Ströme Il und 12. Die Größe des Stromes II· ergibt sich aus der Gleichung.

·■■-■ 11 = ZL. (i) -V-

^Rl8 . -

wobei R.O der Widerstandswert des Widerstandes l8 ist.,

Der Mittelwert des Stromes 12 berechnet sich nach der Gleichung

12 = C₃₄ E_R F (2) .

wobei F die Schaltfrequenz der beiden Schalt transistoren /50 und 31 ist. Die beiden Schalttransistoren werden durch das Flip-Flop betätigt, welches wiederum durch die'Ausgangsfrequenz des U/f-Umsetzers l4 angesteuert wird. CVh ist"'der Kapazitätswert des Kondensators J>k und E_R der Spannungswert der Bezugsspannungsquelle

Während des Betriebes des in Fig. 2 gezeigten Sehaltungsteilsdes elektrischen Signalumsetzers sucht der Verstärker I3 in_; bekannter Weise einen Ausgangswert einzustellen, bei dem das negative Riipk-' kopplungssignal 12 gleich dem Eingangssignal Il ist. Aus der zweiten Gleichung läßt sich erkennen, daß das Rückkopplungssignal '12 ,der Ausgangsfrequenz des Umsetzers 14 proportional ist, welche 5 ihrerseits dem Gleichstromausgangssignals des Verstärkers 1> proportional ist. Da der Verstärker 13 sein Ausgangssignal ständig auf einem Wert zu halten sucht, bei dem sich das Rückkopplungs-Signal und sein Eingangssignal im Gleichgewicht- befinden, so.muß

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sich die Frequenz des U/f-Umsetzers 14 proportional zum Verstär-, kereingangssignal ändern, da diese Frequenz ja gerade zur Einstellung des- RUckkopplungssignales dient. In anderen Worten ausgedrückt, da der Verstärker die Gleichheit von Il und 12 erzwingt, so gilt gemäß der Gleichungen (1) und (2)
— \^s—Q—W~ * '

^Durch die Rückkopplung erzielt man die folgende Wirkung. L Bas Ausgangssignal des Verstärkers 13 gelangt auf die Basis des Transistors : 53 und steuert dessen Leitfähigkeit, wodurch die Geschwindigkeit,mit der sich der Kondensator 64 über den Widerstand 52 und den Transistor 53 auflädt,bestimmt ist/ Entsprechend der Aufladung des Kondensators fällt die Spannung an der Kathode des Thyristors 63. d Die Zeitkonstante des den Kondensator aufladenden Kreises ist sehr groß, wodurch die Spannungsverminderung an der Thyristorkathode linear verläuft. Sobald die Spannung an der Kathode des Thyristors 63 eine bestimmte mittels des SSpannungstellernetzwerkea 57-60 an seiner Gitterelektrode eingestellte Vorspannung erreicht, so wird der Thyristor leitend, wodurch sich der Kondensator 64 entlädt. Nachdem der Kondensator 64 sich entladen hat, kehrt der Thyristor 63 in seinen Sperrzustand zurück, woraufhin der Kondensator sich wieder zu laden beginnt.

Immer wenn der Thyristor 63 zündet, und der Kondensator 64 sich zu entladen beginnt, fließt ein relativ großer Strom durch den Widerstand 62, wodurch an diesem eine ziemlich hohe Spannung abfällt. . f Entsprechend dem Spannungsabfall am Widerstand 62 fällt die Basisspannung', des Transistors 67, wodurch dieser Transistor leitend wird und eine entsprechend hohe Spannung auf den Eingang des Flip-Flops 70 gibt. Wegen der kurzen Entladezeit des Kondensators 64 fällt der Thyristor 63 schnell wieder in seinen nicht leitenden Zustand zurück. Dementsprechend kurz ist auch die D»uer des leitenden Zustandes des Transistors 67, so daß auf den Eingang des Flip-Flops 70 nadelförmige Impulse gelangen:. ■ ■ - ; ■ _■' ■ ^;

Die nadeiförmigen Impulse steuern das Flip-Flop 70 an, so daß dessen Äusgahgsspannung abwechselnd am Ausgang Al und Bl liegt, wodurch die

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BAQOHJGINAL

-■**■-■■ ■- ■ "■' - .... ^; 4& 191Ö1Q2

Schalttransistoren 31 und 30. über die Bauteile 47, 39/37/bzw; ;,_v 48, 4o, 38 abwechselnd durchgeschaltet werden. Immer sobald der ' Transistor 31 durchschaltet, wird die Bezugsspannungsquelle 35 an den Kondensator 34 gelegt, der zweckmäßigerweise ein. Präzlsiqns-, kondensator ist. Bei durchgeschaltetem Transistor 30 dagegen ist der Kondensator 34 mit dem Verbindungspunkt Dl sowie dem Eingang des Verstärkers 13 verbunden und gibt dorthin einen Strom 12 ab. Da sich der Kondensator 34 nur periodisch entlädt, wird der Strom 12 durch den Kondensator 33 geglättet. Daraus ergibt sich, daß die Abhängigkeit des Mittelwertes des Stromes 12 zur ,Frequenz P der Ausgangsimpulse des Transistors 67 linear ist. Bei sich ändernder Bezugsspannung ist der Strom 12 dieser Änderung proportional, wie es sich auch aus der Gleichung (2) ergibt. Der Ausgang Al des Flip-Flops 70 ist über den Kondensator 7I mit der Ausgangsschaltung 16 verbunden, welche vorzugsweise einen Zähler zum Abzählen der vom Flip-Flop 70 abgebenen Signale und eine geeignete Vorrichtung zur Anzeige der ermittelten Zahl aufweist. Auf diese Weise arbeitet die in Figur 2 gezeigte Schaltung bezüglich des Eing~ gangssignales Zl als linearer U/f-Umsetzer, soweit es die Ausgangsimpulse des Transistors .67 und des Flip-Flops 70 betrifft und/oder als eine lineare Intergrierschaltung falls die Ausgangsschaltung mit einem Zähler versehen ist.

Der Transistor 56 hat die Aufgabe den Kondensator 64 mit einem minimalen Vorstrom zu versorgen. Das.ist notwendig, fall! die■Frequenz F sehr klein ist, Wodurch die beiden Transistoren 351 und 33 Jeweils sehr lange in ihrem Schaltzustand verharren. Als Folge" davon gibt der Verstärker 13 ein verhältnismäßig negatives AusgangsIignSiab, das den Transistor 53 vollkommen sperrt, ifi diesem Fäll wlrä der¹ Kondensator über den Transistor 56 mit einem sehr klÜheri Mlfideststrom versorgt. Liegt die Spännung des Äusgähgss.ignäies deä Verstärkers 13 unter einem bestimmten Mindestwert, sä wirdi der' Trärisis tor 68 leitend und legt den Ausgang des Flip-Flöpä 78 an" Wasser Das hat die Wirkung, daß der Betrieb der Ausgangsschaltung 16 solange unterbrochen ist,.wiö die Betriebs frequenz' ünterfiäiö e'iriem' . gewissen, Grenzwert liegt.

Da die Transistoren 30 und 31 mir zur äbw:gchse'lnderr K-Bri€Iictgißi dienen, können sie auch dürbh ändere äöfiäitiinricötuHgen ersetit

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dere Halbwerden. So lassen sich beispielsweise statt dieser an leiter, wie z.B. Feldeffekt-Transistoren benutzen. Auch kann mäh ' Relais,wie z.B. Relais mit Schutzgaskontakten verwenden. Bei der Anwendung von Relais werden die Ausgänge Al und Bl an die Relais-spulen, angeschlossen, um eine abwechselnde Kontaktgabe zu erzielen..

In weiterer Abwandlung des elektrischen Signalumsetzers, bei der auf den Transistor 6? und auf dessen Zuleitungen verzichtet werden kann, läßt sich der Steuereing-ang des Flip-Flops 70 an den Verbindungs-' punkt von Kollektor des Transistor 53 ^unci Kapazität 64 anschliessen, wobei ein in Fig. 2 nicht dargestellter Widerstand diesen Kollektor mit der Kathode des Thyristors 6J5 verbindet, um eine geeignete Isolation zu erhalten.

In Fig. 3 ist der links von der Strichlinie in Fig.1 dargestellte Schaltungsteil gezeigt, wobei allerdings die Schalter. 19 und 21 weggelassen wurden. Das mit. Z2 bezeichnete Signal entspricht .dem Signal V in Fig.l. Es gelangt über den Widerstand 1? und einen Verbindungspunkt D2 zu einem der Eingänge des Verstärkers 11. Der andere Eingang des Verstärkers ist Über einem Widerstand 93 an Masse gelegt, wobei dieser Widerstand zur Vorspannungskompensation des Verstärkers dient. Der Ausgang des Verstärkers ist mit der Basis des Transistors 95 verbunden, der die Aufgabe eines Trennverstärkers hat. Der Kollektor des Transistors 95 ist an eine geeignete Bezugsspannung von beispielsweise - 12 V angeschlossen, während sein Emitter zu einer Klemme,an der das Signal Zl erscheint, und über einen Widerstand 9k zur Masse geführt ist.

Der Emitter des Transistors95 ist Über den Rückkopplungsweg lOa mit dem Kollektor des in der Schaltanordnung 10 befindlichen Transistors 75 verbunden. Wie sich aus dem Vergleich der beiden Figuren 2 und 3 ergibt, hat die Schaltanordnung 10 den gleiohen Aufbau wie die Schaltanordnung 12, deren Aufbau weiter oben schon beschrieben wurde, wobei der Unterschied der beiden Schaltanordnungen im wesentlichen darin besteht, daß der Transistor 75 iⁿ der Schaltanordnung IG sein Eingangssignal über den Rückkopplungsweg löa erhält, während der Eingang· des entsprechenden Transistors j51 in Schaltanordnung 12 durch eine Bezugsspannungsquelle 35 gespeist wird.

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■Eine weitere Abweichung der beiden Schaltanordnungen besteht in der Tatsache, daß wegen der veränderten Polarität der Betriebsspannung auch die Polaritäten aller Halbleiter umgekehrt wurden. Wegen der sonstigen Übereinstimmung des Aufbaues der-Schaltanordnung-10 mit der Schaltanordnung 12 soll diese, nicht im einzel*-' nen beschrieben werden. . ·.

Auch im Betriebsverhalten gleichen sich die beiden Schaltanordnungen 10 und 12. Die abwechselnd an den beiden Klemmen Al und Bl des Flip-Flops 70 liegenden Spannungen schalten die Transistoren 75 und 76 wechselweise durch, wodurch am Verbindungspunkt D2 ein Rückkopplungsstrom auftritt. Dieser Rückkopplungsstrom ■ ist proportional der Schaltfrequenz F des Flip-Flops 79 und proportional der abwechselnd an den Transistoren 75 und 76Hegienden Spannung, die in diesem Falle allerdings nicht, wie bei Schaltanordnung 12, von der Bezugsspannungsquelle 55 abgegeben wird, sondern die Ausgangsspannung Zl ist.

Der Verstärker 11 ist wieder als Operationsverstärker geschaltet und summiert die über den Widerstand 17 und den Transistor 76 fließenden Ströme, wobei er ein den Betrieb des"Koppeltransistors 95 steuerndes Ausganssignal abgibt. Der Transistor 95 bestimmt , wiederum den Spannungswert des Signales Zl,aus dem sich wieder die Größe des über den Rückkopplungsweg 10a und die Transistoren 75 und 76 fließenden Rückkopplungsstromes ergibt.

Der Verstärker und die.Schaltanordnung aus Fig.3. erzeugen ein Ausgangssignal Zl, das vom Eingangssignal Z2,der Betriebsfrequenz der ersten Schaltanordnung 12, dem Wert des Eingangswiderstandes 17 und von der Kapazität des Präzisionskondensators 79 abhängt. Als Gleichung ausgedrückt ergibt sich für die Ausgangsspannung Zl

Zl = ^Zg-^:

. ^C79^R17^P ·:

wobei F die Ausgangsfrequenz des Frequenzumsetzers 14,R₁₇ der Widerstand des Widerstandes 17 und G₇₉ die Kapazität des Kondensators 79 darstellt. Diese Gleichung ergibt, sich ebenso wie Gleichung (3) aus der Gleichheit der Beträge der beiden in Richtung Ver-Stärkereingang fließenden Ströme.

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Werden die beiden in Fig.2 und 3 gezeigten Teilschaltungeh gemäß ■ Fig.1 zusammengefügt und die Kontakte 19-21 in die In Fig.1 gezeigte Lage gebracht, so ist Zl in beiden Teilschaltungen und damit in den Gleichungen (3) und (4) identisch und es kann eliminiert werden. Daraus ergibt sich

Z2 - E₁₁C₇₉R₁₇C₃₄R₁₈F² (5).

Setzt man voraus, daß Kapazitätswerte, Widerstandswerte und der Spannungswert der Bezugsspannungsquelle sich nicht ändern, ,so darf man schreiben

F VK /Z2~ (6),

wobei K eine Konstante ist.

Versieht man die Ausgangsschaltung 16 mit einer Zählvorrichtung, so läßt sich das Zählergebnis darstellen durch einen Wert

wodurch sich der Gesamtfluß- einer Strömung darstellen läßt, bei der Z2 veränderbar und proportional der Quadratwurzel des Flusses ist.

Durch Eliminierung Von F aus den beiden Gleichungen (3) und (4)." ergibt sich

Zl = K.¹ / Z2 · (8),

wobei K¹ eine Konstante ist. Daher läßt sich die Schaltung ebenfalls zur .Darstellung der Quadratwurzel eines Eingangssignales Z2 verwenden, wenn das Signal Zl als Ausgangssignal genommen wird.

Trennt man den Verstärker 11 durch öffnen des Kontaktes 21 vom Verbindungspunkt 2 ab.und nennt das Ausgangssignal des Verstärkers Zl, während Zl ein unabhängiges Eingangssignal des Verstärkers 13 und E_R und Z2 ebenfalls veränderbare Eingangssignale sind, so erhält man aus den Gleichungen (3) und(4)

• Zl' =/°34^ΐ8ν.^ζ2ίΕΗ ' (9). C₇₉R₁₇ Zl .

Da sich das Vorzeichen des Eingangssignales Z2 umkehren läßt, kann man die Schaltung als eine Zwelquadranten-Multiplikations-Divisionsschaltung 'verwenden.

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Durch Ändern· des Zustandes aller ,drei Kontakte 19-21 werden der Verstärker 11 und die Schaltanordnung 10 abgeschaltet und die ' · rechts von der Strichlinie in Pig.l liegende Teilschaltung setzt · nur noch das Eingangssignal an der Klemme 1 in ein Signal mit ihm entsprechender Frequenz um, das als Ausgangssignal genommen und^ oder wie schon beschrieben, durch eine geeignete Ausgangsschaltung 16 integriert werden kann.

Fig.4 zeigt eine der möglichen Formen für die Ausgangsschaltung in der zusätzlich noch der Transistor 68, der Widerstand 69 und der Kondensator 71 dargestellt wurden, die an sich zur Steuerschaltung 1-5 gehören.

Zwischen dem Ausgang des Flip-Flops 70' und Masse liegt ein aus den Widerständen 103 und 104 bestehender Spannungsteiler, wobei der Verbindungspunkt der beiden Widerstände zu der Basis des Transistors 105 geführt ist. Die Widerstände 102 und 113 stellen ebenfalls einen zwischen dem Ausgang des Flip-Flops 70 und Masse liegenden Spannungsteiler dar. Der .Verbindungspunkt dieser beiden Widerstände ist zur Basis des Transistors 106 geführt. Die KoI- . lektoren der Transistoren 105 und 106 sind mit den beiden Enden. der Antriebsspule 109 eines Impulsmotors 110 verbunden, mit ,dessen Antriebswelle, wie durch eine Strichlinie angedeutet, ein Zähler, 111 gekuppelt ist. Die Anoden der als Überlastungsschutz dienenden Dioden 107 und 1θ8 sind miteinander verbunden, während ihre Kathoden jeweils zu dem Kollektor eines der Transistoren 105 und ." ΐοβ geführt sind. Der.Verbindungspunkt der beiden Diodenanoden ist an einen Abgriff in der Mitte der Antriebsspule 109 und an die Kathode einer Spannungsstabilisationsröhre 112 angeschlossen. Der Verbindungspunkt der beiden Diodenanoden liegt darüberh'inaus noch an einer Spannungsquelle von - 12 V. Die Anode der Röhre 112 ist zu dem Verbindungspunkt der beiden Emitter der Transistoren .105 und 106 geführt und darüberhinaus noch an Masse angeschlossen.

Zur Erläuterung des Betriebsverhaltens der Schaltung nach Fig.-4 sei angenommen, daß der Transistor 68 sich anfangs in einem nicht " leitenden Zustand befindet. Durch vom Flip-Flop 70 über den Kondensator 7.1.. an-den Steuereingang des Flip-Flops 70'■■ gelangende. Nadelimpulse

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wird das Flip-Flop' angesteuert und gibt an seinen beiden Ausgängen rechteckförmige Signale ab, die in entgegengesetzer Richtung verlaufen. Jeweils eines der beiden Signale wird zu der Basis eines der Transistoren 105 und ΙΟβ geführt. Nimmt man an, daß anfänglich über den Widerstand 103 an die Basis des Transistors 105 ein relativ positives und über den Widerstand 102 an die Basis des Transistors ΙΟβ ein relativ negatives Signal gelangt, so ist der Transistor 105 gesperrt und der Transistor ΙΟβ geöffnet. Bei geöffnetem Transistor 106 fließt in der entsprechenden Hälfte der Spule 109 ein Strom, der den Impulsmotor 110 antreibt und den Zähler 111 um eine Einheit weiterschaltet.

Ein nachfolgender, über den Kondensator 71 zum Flip-Flop 70' gelangender Nadelimpuls schaltet das Flip-Flop um,Wodurch die Spannungen an den Basen der Transistoren 105 und lo6 vertauscht werden, so daß nun Transistor 105 leitend und Transistor 106 gesperrt ist. Hierdurch fließt der Strom jetzt in der anderen Hälfte der Spule 109» so daß der Motor 110 erneut angetrieben und der Zähler 111 um einen Schritt oder eine Einheit weitergeschaltet wird. Auf diese Weise Taestimmt die Ausgangs frequenz des U/f-Umsetzers 14 die Umsehaltfrequenz des Flip-Flops fo'" und damit das Zählergebnis des Zählers 11j. Das vom Zähler 111 angezeigte Ergebnis stellt also die Integration des vom U/f-Umsetzers abgegebenen Frequenzsignales dar. Es ist festzustellen, daß das Flip-Flop 70 die Ausgangsfrequenz des Umsetzers halbiert. Will man eine Halbierung der Ausgangsfrequenz vermeiden, so kann man den Kondensator 71 direkt an den Ausgang des U/f-Umsetzers 14 anschließen. Auf der anderenSeite lassen sich·, wenn eine noch höhere Frequenzteilung erwünscht ist, noch zusätzliche Flip-Flops Zwischenschalten. _,

Die Reihenschaltung des Kondensators 101 mit dem Widerstand lOÖ zwischen der einen Klemme des Flip-Flops 70' und der Spannungsquelle von- - 12V dient zum Eichen der Schaltung. Die beiden zur Eichung dienenden Klemmen liegen an der - 12 V-Spannungsquelle und an dem Verbindungspunkt von Widerstand 1ÖÖ und Kondensator 101. Der Aufbau der Schaltung zum. Eichen kann 'selbstverständlich im Rahmen der Erfindung abgewandelt oder auch weggelassen Werden.

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•Pig.5 ist eine schematische Darstellung einer weiteren als U/f-Umsetzer 14 geeigneten Schaltung. In dieser Schaltung ist die Basis eines Transistors 201 an eine Eingangsklemme 200 angeschlosr sen, die mit dem Ausgang des Verstärkers 13 in Verbindung steht. Der Kollektor dieses Transistors liegt an ,Masse; während sein Emitter zur Basis eines Transistors 202 geführt ist. Der Emitter des Transistors 201 ist weiterhin über einen Widerstand 203 mit einer + 12 VoIt-Spannungsquelle und über Widerstand 203* Kondensator 204 mit dem Kollektor des Transistors-202 verbunden. Der Emitter des Transistors 202 ist über Widerstand 219 an Masse angeschlossen, während sein Kollektor am Kollektor eines Transistors

205 liegt, dessen Emitter mit der 4- 12 V-Spannungsquelle verbunden, ist. Die Basis des Transistors 205 ist zur Anode einer Diode 207 geführt, deren Kathode an der + 12 V-Spannungs.quelle liegt _o ·

Die Verbindung zwischen Basis des Transistors 205 und Diode.20? ist zu einer positiven durch die Klemme 209 dargestellten Spannungsquelle geführt und darüberhinaus noch über Widerstand 215* ah den Kollektor des Transistors 218 angeschlossen, dessen Emitter mit Masse verbunden ist. Die Basis des Transistors 218 liegt am Kollektor eines Transistors 211, dessen Basis über Widerstand

206 zum Kollektor des Transistors· 202 geführt ist. Die Basis des Transistors 211 ist zusätzlich noch über eine Reihenschaltung aus Widerstand 216, Kondensator 217 an den Kollektor von Transistor 218 angeschlossen. Eine Diode 208 liegt mit ihrer Anode an der Basis des Transistors 211, während ihre Kathode an die + 12 V-'Spannungsquelle angeschlossen ist. Der Kollektor des Transistors 212 liegt auf Masse. "Die Emitter, der beiden Transistoren 211, 212 sind miteinander verbunden und ihr Verbindungspunkt ist an das eine Ende eines Widerstandes 210 geführt, dessen anderes Ende an der + 12 V-Spannungsquelle liegt. Ein aus den Widerständen 213, 214 bestehender Spannungsteiler verbindet die Spannungsquelle mit Masse. Der Verbindungspunkt der beiden Widerstände ist zur Basis des Transistors 212 geführt.

Der U/f-Umsetzer nach'Fig.5 wurde durch Weglassen der Begrenzungs-, schaltung für niedrige Stromwerte vereinfacht, es kann aber

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nötigenfalls eine der in Fig.2 gezeigten ähnliche Begrenzungsschaltung in Fig.5 eingefügt werden. · · -..,"■

Der¹ Betrieb der Schaltung nach Fig.5 gleicht dem Betrieb der Schaltung nach Fig.2 sehr. Der Thyristor 65 wurde aber weggelassen, die ■ Entladung des Kondensators 204 erfolgt statt-dessen über den Transistor 205. Bei dem in Fig.5 gezeigten Umsetzer bilden die beiden Transistoren 201 und 202 eine· komplementäre Darlingtonschaltung, die als die Aufladung des Kondensators 204 steuernder Generator . wirkt.

Die Transistoren 211, 212 sind als Differenzverstärker geschaltet. Dieser Verstärker stellt den Zeitpunkt fest, an dem die Spannung des Kondensators 204,die über den Widerstand 206 auf die Basis j des Transistors 211 übertragen wird, eine durch die Widerstände

214 vorgegebene Spannung überschreitet. Beim Überschreiten der Vergleichsspannung durch die Spannung des Kondensators 20Λ wird der Transistor 211 leitend und gibt ein Signal an die Basis des Transistors 2l8 ab, der wiederum den Transistor 205 "in seinen leitenden Zustand steuert und damit den Kondensator 204 sehr, schnell entlädt. Nach der Entladung des Kondensators kehrt die Schaltung in ihren Anfangszustand zurück, in dem die Transistoren 211, 218 und 205 nicht leitend sind. Die veränderbare Ausgangsfrequenz wird vom Kollektor des Transistors 218 zum Flip-Flop 70 in Fig.2 geführt. . . .

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Claims (8)

04-3522 Ge Patentansprüche

1. Elektrischer Signalumsetzer dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang eines Verstärkers (13) der Eingang eines ein Signal mit vom Verstärkereingangssignal abhängiger Frequenz erzeugenden Spannungs-Frequenz-Umsetzers (l4) angeschlossen und dessen Ausgang mit dem Verstärkereingang über eine Gegenkopplungsschaltung (12,15) verbunden ist, deren Gegenkopplungssignal durch die Ausgangsfrequenz des U/f-Umsetzers bestimmt ist.

2. Signalumsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenkopplungsschaltung (12,15) einen Eingang für ein gegebenenfalls veränderbares Bezugssignal (E_R) aufweist sowie eine in Abhängigkeit vom Umsetzer-Ausgangssignal, den Stromfluß vom Bezugssignaleingang zum Verstärkereingang steuernde Steuerschaltung (15)·

J5. Signalumsetzer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß eine weitere Gegenkopplungsschaltung (lo,15) zwischen Ausgang und Eingang eines weiteren Verstärkers (11) eingeschaltet und mit einer Steuerschaltung (15) zur Steuerung des dem Verstärkereingang zugeführten Gegenkopplungssignals in Ab- " hängigkeit von der Frequenz des Umsetzer-Ausgangssignals versehen ist.

4. Signalumsetzer nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Gegenkopplungsschaltung (10,15) eine in Abhängigkeit von der Frequenz des Umsetze.r-Ausgangssignals den Stromfluß vom Verstärkerausgang zum Verstärkereingang steuernde Schaltung (15) enthält.

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^B*D OFiIGINAL

5. Signalumsetzer nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des weiteren Verstärkers (11) vorzugsweise über einen Kontakt (21) mit dem Eingang des erstgenannten Verstärkers (I3) in Verbindung steht.

6. Umsetzer nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenkopplungsschaltung(en) einen Kondensator (34,bzw.79) sowie eine den Kondensator wahlweise an den Eingang der Gegenkopplungsschaltung oder den Verstärkereingang anschließende Schaltanordnung (50,31 bzw.75,76) aufweist, welche durch die vom Ausgangssignal des Umsetzers (14) beeinflußte Steuerschaltung (15) betätigbar ist.

7* Signalumsetzer nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der U/f-Umsetzer (14) einen in einen Ladestromkreis(64,53*52) eingeschalteten Kondensator (64) sowie im Ladestromkreis eine an den Ausgang des erstgenannten Verstärkers (13) angeschlossene, den Ladestrom festlegende Steuereinrichtung(52,53) enthält und daß eine Schwellwertschaltung (57-60,63,70) beim Erreichen eines vorgegebenen Wertes der Kondensatorspannung am Umsetzerausgäng ein Signal liefert und den Kondensator entlädt.

8. Signalumsetzer nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch

gekennzeichnet, daß an den Ausgang des U/f-Umsetzers (14) eineImpulszählvorrichtung (105-111) oder eine Integrier- ™

vorrichtung für die Ausgangsimpulse angeschlossen ist.

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ORDINAL INSPECTED

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