DE19931132A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Nachbildung beliebiger nichtlinearer Beziehungen - Google Patents

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung anzugeben, mit der modellierte nichtlineare Beziehungen möglichst exakt und mit möglichst geringem zeitlichen sowie finanziellen Aufwand realisiert werden können. DOLLAR A Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe durch DOLLAR A - mathematische Modellierung der Übertragungsfunktionen mittels einer Software in einem Personalcomputer, DOLLAR A - Erzeugen eines Assembler Codes für einen digitalen Signalprozessor mittels einer Software im Personalcomputer (PC), der die modellierten nichtlinearen Beziehungen repräsentiert, DOLLAR A - Übertragen des Codes in den Speicher des digitalen Signalprozessors und DOLLAR A - Überprüfen der realisierten nichtlinearen Beziehungen durch praktische Messungen und gegebenenfalls erneute Durchführung der vorangegangenen Verfahrensschritte, bis die modellierten Beziehungen mit den gewünschten übereinstimmen. DOLLAR A Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Realisierung nichtlinearer Beziehungen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Realisierung nichtlinearer Beziehungen.

Sie dient zur effizienten praktischen Realisierung von beliebigen nichtlinearen Beziehungen.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die zugehörige Schaltungsanordnung ist für vielfältige Anwendungsfälle einsetzbar, da in der Elektrotechnik viele Anwendungen auf der Nutzung von nichtlinearem Bauelementeverhalten aufbauen. Oftmals wird dabei das Verhalten für einen begrenzen Arbeitsbereich durch eine Linearisierung vorhandener nichtlinearer Kennlinien bestimmt. Für eine vollständige Erfassung des realen Systemverhaltens ist jedoch die volle Berücksichtigung aller nichtlinearer Beziehungen erforderlich.

Viele neue Anwendungsgebiete erschließen sich, wenn gezielt nichtlineare Phänomene für die Realisierung technischer Systeme genutzt werden. Beispiele hierfür sind Chaosgeneratoren, frequenzvervielfachende Netzwerke oder die Nutzung von Sprungphänomenen nichtlinearer Resonanzkreise.

Der Entwurf solcher Systeme erfordert zu Beginn eine Beschreibung des Verhaltens in mathematischer Form. Nach der mathematischen Modellierung folgt die Entnormierung der Gleichungen in physikalische Größen. Je nach technischer Anwendung sind dann Übertragungsglieder mit nichtlinearen Eigenschaften zu realisieren.

Im Stand der Technik ist es bekannt, daß gewünschte nichtlineare Übertragungsfunktionen durch Kombination von Übertragungsfunktionen verschiedener Bauelemente approximiert werden. Dies erfolgt im allgemeinen durch Netzwerke bestehend aus Widerständen, Dioden, Varistoren, Transistoren, Operationsverstärkern und weiteren Bauelementen. Die exakte Nachbildung von mathematisch modellierten Funktionen ist dabei oft sehr zeit- und materialaufwendig. Nachteilig sind zumeist noch die in bekannten Anordnungen hinzukommenden Temperatur- und Alterungsprobleme. Müssen bestehende Parameter von Übertragungsfunktionen geändert bzw. optimiert werden, so erfordert dies meist eine modifizierte Hardwareanordnung.

In der Regelungs- und Steuertechnik werden nichtlineare Übertragungsglieder mit exponentieller oder logarithmischer Charakteristik eingesetzt. Dies wird zum Beispiel in Anwendungen genutzt, die für Aufgaben des menschlichen Helligkeits- oder Hörempfindens entwickelt wurden.

In Anwendungen der analogen Signalverarbeitung sind oftmals mathematische Operationen wie Multiplikation, Division oder das Wurzelziehen zeitkontinuierlicher Größen erforderlich. Für ausgewählte Aufgabenbereiche existieren dafür relativ aufwendige Speziallösungen. Diese arbeiten zumeist nur innerhalb eingegrenzter Arbeitsbereiche und die Variationen von Parametern durch den Anwender ist oftmals nicht möglich. Gerade während der zeitkritischen Entwicklungs- und Prototypenphase neuer Produkte ist ein Tool erforderlich, mit dem man modellierte nichtlineare Beziehungen schnell und exakt realisieren und modifizieren kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, mit der modellierte nichtlineare Beziehungen möglichst exakt und mit möglichst geringem zeitlichen sowie finanziellen Aufwand realisiert werden können.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 3 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Anordnung wird ein anwenderfreundliches, effizientes Tool zur Realisierung von beliebigen nichtlinearen Beziehungen geschaffen. Zur Durchführung von theoretischen Untersuchungen und von Experimenten bei der Entwicklung neuer Produkte müssen häufig Parameter verändert, Komponenten ergänzt oder verschiedene Varianten von Bauteilekombinationen erprobt werden. Dabei wird eine schnelle, einfach zu handhabende und exakte Realisierung der mathematisch modellierten Beziehungen angestrebt. Der Einsatz von komfortabel bedienbaren Simulationstools mit beliebig programmierbaren Eigenschaften ist hierbei vorteilhaft.

Weiterhin kann ein solches System auch zur gezielten Kompensation bestehender nichtlinearer Eigenschaften genutzt werden.

Mit einem solchen erzeugten Korrektursignal ist es möglich, unerwünschte nichtlineare Eigenschaften geeignet zu kompensieren.

Ein besonderer Vorzug des hier beschriebenen Verfahrens ist es, daß kein neuer Hardwareentwurf erforderlich ist, wenn eine realisierte Variante verworfen wird. Notwendig ist lediglich eine Neuprogrammierung der optimierten Eigenschaften. Die Aufgabe der numerischen Berechnung der nichtlinearen Zusammenhänge zwischen Ein- und Ausgangsgrößen und die Speicherung der zugehörigen Algorithmen übernimmt in der hier vorgestellten Schaltungsanordnung ein digitaler Signalprozessor.

Die erfindungsgemäße Anordnung stellt ein Experimentier- und Simulationsgerät dar, das für den effizienten Entwurf für Anwendungen der nichtlinearen Dynamik konzipiert ist. Die Realisierung von neuen und interessanten Anwendungen in der nichtlinearen Elektrotechnik kann damit vereinfacht und beschleunigt werden.

Die Anordnung kann zeitgleich mehrere analoge Größen (Ströme oder Spannungen) messen, in digitale Werte wandeln und daraus mittels eines digitalen Signalprozessors entsprechend den programmierten nichtlinearen Zusammenhängen zeitgleich mehrere Ausgangsgrößen berechnen. Mittels eines Digital-Analog-Wandlers werden diese dann in analoge Signale zurückgewandelt. Allgemein gelten folgende implizite Gleichungen als Zusammenhang zwischen Ein- und Ausgangsgrößen:

Die Verarbeitung der Signale erfolgt dabei zeitkontinuierlich und sehr schnell. Die Programmierung der nichtlinearen Zusammenhänge kann direkt mittels des Assemblercodes des digitalen Signalprozessors erfolgen. Für eine effiziente Realisierung wird die Schaltungsanordnung an einen Personal Computer angekoppelt. Somit können bereits realisierte Lösungen abgespeichert und wieder abgerufen werden. über Katalogfunktionen können vorhandene Kennlinien ausgewählt und in den Digitalen Signalprozessor übertragen werden. Die Überwachung der Funktionalität der Schaltungsanordnung erfolgt ebenfalls über den Personal Computer.

Die Erfindung wird im Folgenden an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 den Verlauf einer allgemeinen nichtlinearen Strom-Spannungs-Kennlinie und

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.

Erfindungsgemäß können beliebige nichtlineare, mehrdeutige, aktive sowie passive Kennlinien in Abhängigkeit mehrerer Eingangsgrößen frei programmiert werden. In Fig. 1 ist als Beispiel der Verlauf einer mehrdeutigen, unsymmetrischen, nichtmonotonen gemischt aktiven (Verlauf der Funktion im 2. Quadranten) sowie passiven (Verlauf im 1. Quadranten) Kennlinie abgebildet. Ebenso können mathematische Funktionen wie zum Beispiel Multiplikation, Division, Exponentialoperationen, Polynomberechnungen oder Trigonometrische Polynome berechnet werden.

Mit den bekannten Methoden und Verfahren ist die Realisation eines solchen nichtlinearen Zusammenhangs nur sehr schwierig und umständlich möglich. Mit der hier vorgestellten Schaltungsanordnung kann eine derartige Kennlinie schnell und effizient realisiert und modifiziert werden.

Der prinzipielle Aufbau einer möglichen Schaltungsanordnung ist in Fig. 2 erläutert. Im dargestellten Beispiel sind jeweils nur zwei Ein- und Ausgangsgrößen dargestellt. Die Schaltungsanordnung kann je nach Anwendung über weniger oder mehr Ein- und/oder Ausgänge verfügen.

Die Anordnung besteht prinzipiell aus einem digitalen Signalprozessor DSP, der zeitweilig an einen Personal Computer PC gekoppelt ist. Die Eingangssignale werden in den digitalen Signalprozessor DSP über in Reihe geschaltete Operationsverstärker OPV, Filter, Koppler und einem Analog-Digital-Umsetzer ADU zugeführt. Die Ausgangssignale des digitalen Signalprozessors DSP werden über einen Digital-Analog-Umsetzer ADU, Koppler, Filter und einen Operationsverstärker OPV geführt und am Ausgang ausgegeben.

Die Koppler dienen der Auftrennung der unterschiedlichen Spannungspotentiale zwischen den Eingängen, dem Potential des digitalen Signalprozessors DSP und den Potentialen der Ausgänge.

Der digitalen Signalprozessor DSP ist zum Zweck der Programmierung, des Datenaustauschs und Überwachung zeitweilig mit einem Personalcomputer PC verbunden.

An den digitalen Signalprozessor DSP ist ein programmierbares EPROM angeschlossen. In diesem EPROM ist der Algorithmus zur Bestimmung der nichtlinearen Beziehungen gespeichert.

Die Eingangstufe der Anordnung besteht aus einem Operationsverstärker (OPV). Das gemessene analoge Eingangssignal wird mittels einer Potentialauftrennung/Koppler zum Analog-Digital-Wandler übertragen. Somit ist eine potential- und rückwirkungsfreie Messung der Eingangsgröße möglich. Vor der Wandlung dieser Spannung in einen digitalen Wert erfolgt eine Tiefpaßfilterung. Die digitalen Werte werden abgespeichert und kontinuierlich entsprechend der modellierten Übertragungscharakteristik mit Hilfe des digitalen Signalprozessors in Ausgangswerte umgeformt. Diese digitalen Werte werden in analoge Ausgangswerte gewandelt, über den Koppler übertragen und tiefpaßgefiltert. Zur Entkopplung erfolgt eine Pufferung des Ausgangssignals mittels eines Operationsverstärkers. Besonders wichtig bei dieser Anordnung ist die potentialfreie Messung der Eingangsgrößen und die Ausgabe der Ausgangsgrößen über potentialfreie Quellen. Die Entkopplung der Signale kann zum Beispiel über einen ISO- oder Optokoppler erfolgen.

Durch einen Personal Computer kann die Schaltungsanordnung komfortabel und einfach bedient sowie überwacht werden. Der digitale Signalprozessor verfügt über einen frei programmierbaren EPROM. Darin kann das Programm zur Steuerung der Quelle abgespeichert werden. Weiterhin enthält der EPROM einen Algorithmus, der das automatische Starten des digitalen Signalprozessors ermöglicht, sobald dieser an eine Energiequelle angeschlossen wird. Somit wird der unabhängige Betrieb der Schaltungsanordnung ermöglicht. Die Software zur Ansteuerung des digitalen Signalprozessors stellt eine Auswahl von Standardfunktionen wie zum Beispiel Potenz-, Exponential- oder Trigonometrische Polynome zur Verfügung.

Das Importieren und Exportieren von Meßdaten und modellierten Kennlinien nach standardisiertem Protokoll ist in der Software implementiert. Für die Überprüfung der Hardwareplattform stehen Testtools zur Verfügung.

Die gesamte Funktionalität der steuerbaren Quelle kann anhand selbsterklärender Testfunktionen nachvollzogen werden.

Claims (5)

1. Verfahren zur Realisierung nichtlinearer Beziehungen mit Operationsverstärkern, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte

• a) mathematische Modellierung der Übertragungsfunktionen mittels einer Software in einem Personalcomputer (PC),
• b) Überprüfen der modellierten Funktionen durch Simulation mittels einer Software im Personalcomputer (PC),
• c) Optimieren der Eigenschaften der Übertragungsfunktion mittels einer Software im Personalcomputer (PC),
• d) Erzeugen eines Assembler Codes für den digitalen Signalprozessor (DSP) mittels einer Software im Personalcomputer (PC), der die modellierten nichtlinearen Beziehungen repräsentiert,
• e) Übertragen des Codes in den Speicher des digitalen Signalprozessor (DSP) mittels einer Software im Personalcomputer (PC),
• f) Starten des Algorithmus im digitalen Signalprozessor (DSP) mittels einer Software im Personalcomputer (PC),
• g) Überprüfen der realisierten nichtlinearen Beziehungen durch praktische Messungen und gegebenenfalls erneute Durchführung der Verfahrensschritte c) bis f), solange bis die modellierten Beziehungen mit den gewünschten übereinstimmen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich folgende Verfahrensschritte ausgeführt werden:

• a) Ergänzen des Assembler-Codes so, daß das automatische Laden des Algorithmus zur Berechnung der nichtlinearen Beziehungen aus den EPROM in der Speicher des digitalen Signalprozessors (DSP) ermöglicht wird, mittels einer Software im Personalcomputer (PC),
• b) Übertragen des kompletten Algorithmus in den EPROM des digitalen Signalprozessor (DSP) mittels einer Software im Personalcomputer (PC),
• c) Abtrennen des digitalen Signalprozessor (DSP) vom Personalcomputer (PC),
• d) automatisches Starten des Programms, welches den Algorithmus zur Berechnung der nichtlinearen Beziehungen repräsentiert im digitalen Signalprozessor (DSP).

3. Schaltungsanordnung zur Realisierung nichtlinearer Beziehungen mit Operationsverstärkern, dadurch gekennzeichnet, daß

• - eine Eingangsstufe bestehend aus einem Operationsverstärker (OPV), einem Tiefpaßfilter, einem Koppler und einem Analog-Digital-Wandler (ADU)
• - mit einem digitalen Signalprozessor (DSP) zur Speicherung und Umformung der digitalen Werte, der zeitweilig mit einem Personalcomputer gekoppelt ist, verbunden ist und
• - der digitale Signalprozessor mit einer Ausgangsstufe, bestehend aus einem Digital-Analog-Wandler, einem Koppler, einem Tiefpaßfilter und einem Operationsverstärker verbunden ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Ein- und/oder Ausgangsstufen mit dem digitalen Signalprozessor (DSP) verbunden sind.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß an den digitalen Signalprozessor (DSP) ein EPROM angeschlossen ist, welcher einen Algorithmus zur Berechnung der nichtlinearen Beziehungen enthält sowie einen Algorithmus zum automatischen Starten des digitalen Signalprozessors (DSP), sobald der digitalen Signalprozessor an eine Energiequelle angeschlossen wird.