DE2211137A1

DE2211137A1 - Verfahren und einrichtung zum automatischen abgleich einer gleichspannung auf einen sollwert

Info

Publication number: DE2211137A1
Application number: DE19722211137
Authority: DE
Inventors: Alex Vinatzer
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1972-02-21
Filing date: 1972-03-08
Publication date: 1973-08-30
Also published as: GB1379705A; CH542477A; FR2173032B1; NL7302285A; AT320084B; JPS4894849A; FR2173032A1

Description

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Aktiengesellschaft Brown Boveri & Cie»· Baden/Schweiz

Verfahren und Einrichtung zum automatischen Abgleich einer Gleichspannung auf einen Sollwert

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum automatischen Abgleich einer Gleichspannung auf einen vorgegebenen Sollwert und eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

In Analogschaltungen, insbesondere in Messschaltungen zur Durchführung von Messerien, ist es notwendig, Gleichspannungen möglichst genau auf einen Sollwert abzugleichen, Besonders aktuell ist das Problem des Gleichspannungsabgleichs bei der Einstellung der OPPSET-Spannung von

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Rechen-Verstärkern, auch Operationsverstärker genannt. Ein solcher Gleichspannungsabgleich erfolgt normalerweise manuell mit einem Potentiometer oder mit einem aus Festwiderständen aufgebauten Spannungsteiler. Es ist auch ein Gleichspannungsverstärker bekannt, bei welchem ein automatischer Abgleich der Gleichspannung mit Hilfe eines motorgetriebenen Potentiometers vorgenommen wird. Der Nachteil der bekannten Lösungen liegt in der langen Abgleichzeit sowie in der begrenzten Betriebssicherheit der elektromechanischen Bauteile, insbesondere der verwendeten Schleifring-Potentiometer.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Einrichtung anzugeben, mit denen sich ein schneller Abgleich durchführen lässt, und wobei die verwendeten Mittel eine hohe Betriebssicherheit sowie eine hohe zeitliche Konstanz aufweisen. Diese Aufgabe wird für ein eingangs zitiertes Verfahren erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Gleichspannung eine durch elektronische Mittel selbsttätig zeitlich veränderbare Spannung überlagert wird, dass die Summenspannung mit dem Sollwert verglichen wird und dass ein die Uebereinstimmung beider Werte anzeigendes Steuersignal auf die elektronischen Mittel rückgeführt wird, wodurch diese die veränderbare Spannung auf demjenigen Augenblickswert halten, bei welchem die Uebereinstimmung auftritt.

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Durch diese Massnahme ist es möglich, einen vollelektronischen automatischen Abgleich einer Gleichspannung vorzunehmen. Damit wird die Abgleichzeit wesentlich reduziert und die Genauigkeit sowie die Zuverlässigkeit der verwendeten Mittel erhöht.

Die erfindungsgemässe Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Ueberianerungsschaltung, welcher die abzugleichende Gleichspannung zugeführt ist, mit dem Aus.gang eines digitalen Funktionsgenerators zur Erzeugung einer sägezahnartig verlaufenden Spannung in Verbindung steht, dass der Ausgang der Ueberlagerungsschaltung, an welchem

die abgeglichene Gleichspannung auftritt, mit dem Eingang eines. Vergleichers verbunden ist, an dessen zweitem Eingang die Sollwertspannung anliegt, und dass der Ausgang des Vergleichers mit einem Steuereingang zum Anhalten des digitalen Funktionsgenerators in Verbindung steht.

Diese Massnahme erlaubt den Aufbau der Einrichtung mit Hilfe von integrierten Schaltungen, wenigstens teilweise in Transistor - Transistor-Logik (TTL), also ohne Verwendung von diskreten Widerständen und Kondensatoren, wodurch sich für die gesamte Einrichtung eine äusserst kompakte und störsichere Ausführung ergibt.

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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels,

Fig. 2 ein Zeitdiagramm, welches die Signale an verschiedenen Stellen der Einrichtung gemäss Fig. 1 zur Uebersicht zusammenstellt, und

Fig. 3 das Blockschaltbild einer Einrichtung zum Nullabgleich der OFFSET-Spannung eines als Verstärker geschalteten Rechenverstärkers.

Gemäss Fig. 1 wird eine abzugleichende Gleichspannung Eg. dem Eingang eines Verstärkers 1 zugeführt, der beispielsweise ein Rechenverstärker ist. An einem zweiten Eingang des Verstärkers 1 liegt eine auf eine Sollspannung E„ .., bezogene Korrekturspannung. Am Ausgang des Verstärkers 1 wird die auf den vorgegebenen Sollwert E„ .... abgeglichene Gleichspannung E. abgegriffen. Gleichzeitig wird diese Spannung E. einem Eingang eines

d> AUS

J₀ zweiten Verstärkers 2, der ebenfalls ein Rechenveroo

ω stärker sein kann, zugeführt. An einem zweiten Eingang cn

Q des zweiten Verstärkers 2 liegt die Sollspannung ^E _Soll»

ω mit welcher die Ausgangssparinung E. verglichen wird. lieber ein RC-Glied 3 und einen Schmitt-Trigger ¹J wird das Ausgangssignal des zweiten Verstärkers 2 über einen

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Impulsformer 14 einem Eingang einer ODER-Schaltung^» ¹¹^f zugeführt. Der Ausgang der ODER-Schaltung führt zum Rückstelleingang R einer bistabilen Kippschaltung 6 (Flip-Flop). Am Stelleingang S dieser bistabilen Kippschaltung ist eine manuell betätigbare Taste über einen Impulsgeber 13 angeschlossen. Der Ausgang der bistabilen Kipp-schaltung 6 ist über einen zweiten Schmitt-Trigger 7 an den Rückstelleingang eines Binärzählers 8 angeschlossen. Der Eingang des Binärzählers 8 wird von einem Oszillator 9 über eine UND-Schaltung 10 gespeist. Dabei wird der Zustand der UND-Schaltung über ein vom Ausgang der bistabilen Kippschaltung 6 abgegriffenes Signal gesteuert. An die Ausgänge der Zählstufen 2°, 2¹, 2²,...,2ⁿ des Binärzählers 8 sind gleichartige Transistorschalter 11 angeschlossen. Diese bilden zusammen mit nachgeschalteten Widerständen R_Q, R-, ...,R einen Digital/Analog-Umsetzer. Die Widerstände

R₀, R,, bis R sind ineinem gemeinsamen Sammelpunkt 12 zusammengefasst, der als Summierschaltung wirkt. Die Widerstände R_Q bis R sind entsprechend dem gewünschten Verlauf der Korrekturspannung gewichtet.

Enthält der Binärzähler 8 die Zählstufen 2⁰^¹ bis 2ⁿ und soll als Korrekturspannung eine Sägezahnspannung e

erzeugt werden, so beträgt im vorliegenden Fall der Wider-

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ORIGINAL INSPECTED

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standswert des an die m-te Stufe (m = l,2,...,n) des Binärzählers 8 angeschlossenen, zur Widerstandskette

Rn ^

gehörenden Widerstandes _ü , wenn R_n der Wert des an

2^m

die Stufe 2 des Binärzählers 8 angeschlossenen Widerstandes ist. Ueber einen am Sammelpunkt 12 angeschlossenen Spannungsteiler, welcher den Sammelpunkt 12 über einen Widerstand R an eine Vorspannung +U und über einen Widerstand R an das Potential der

es

Sollspannung ^E _Soll anlegt, ist der Sammelpunkt 12 an den zweiten Eingang des ersten Verstärkers 1 angeschlossen,

Für den Fall, dass die Ausgangsspannung E des ersten

nUo

Verstärkers 1 die Sollspannung E„ ,, nicht erreicht, ist die letzte Zählstufe 2ⁿ des Binärzählers 8 über . einen zweiten Impulsformer 15 mit dem zweiten Eingang der ODER-Schaltung 5 verbunden. Dadurch verursacht ein Ueberlauf des Zählers 8 die Rückstellung der bistabilen Kippschaltung 6 und damit ein Verriegeln der UND-Schaltung 10, wodurch die Impulse des Oszillators 9 vom Eingang des BinärZählers 8 ferngehalten werden.

Zur besseren Uebersicht wird im folgenden die gesamte zwischen dem Ausgang des zweiten Verstärkers 2 und dem Sammelpunkt 12 liegende Schaltung als Sägezahn-

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generator 20 bezeichnet. . ^* I I I J/

Im folgenden wird die Funktion der beschriebenen.Schaltung, anhand des¹ in Fig. 2 dargestellten Signalverlaufs erläutert. Zur Auslösung des Abgleichvorganges wird die Taste am Eingang des Impulsgebers 13 manuell betätigt. Damit erscheint am Stelleingang S der bistabilen Kippschaltung 6 ein Auslöseimpuls gemäss Zeile A in Fig. 2. Die bistabile Kippschaltung 6 wechselt daraufhin ihren Zustand, wodurch an ihrem Ausgang ein Signalsprung gemäss Zeile B auftritt. Durch dieses Ausgangssignal wird einerseits durch den Schmitt-Trigger

7 ein Rückstellimpuls gemäss Zeile C für den Binärzähler

8 erzeugt, wodurch dieser auf Null zurückgestellt wird, und andererseits die UND-Schaltung 10 freigegeben, so dass die periodischen Impulse des Oszillators 9 über die UND-Schaltung 10 den Eingang des Binärzählers 8 gemäss Zeile D erreichen. An den Binärstufen 2,2,2 des Binärzählers 8 treten Signale gemäss den Zeilen E, F und G auf.

Die Ausgangssignale der Binärzählerstufen werden in dem Digital/Analog-Umsetzer bestehend aus der Widerstandskette R_n bis R und den als Schalter wirkenden ο η

Transistoren 11, in einen proportionalen Strom umgewandelt.

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Die resultierende Treppenkurve e kann mit hin-

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reichender Näherung als Sägezahnimpuls aufgefasst werden. In dem nachfolgenden Spannungsteiler, beV-stehend aus den Widerständen R_n und R wird der Sägezahnimpuls e_e auf das Potential der Sollspannung E₀ ... bezogen und dem zweiten Eingang des ersten Verstärkers 1 zugeführt, um der dem ersten Eingang zugeführten abzugleichenden Gleichspannung Eg. überlagert zu werden. Am Ausgang des Verstärkers 1 entsteht ein Signalverlauf gemäss Zeile H in Fig. 2.

Bei Verwendung eines Zwölfbit-Binärzählers 8 beträgt

1 -iJ die Auflösung der Sägezahnkurve -τ-=· = 2,5 x 10 .

2 Bei einer Oszillatorfrequenz von 10 kHz beträgt die Abieichzeit maximal 0,¹I sek. Selbstverständlich muss die Amplitude des Sägezahnimpulses grosser sein als der absolute Betrag der maximal zulässigen Abweichung der abzugleichenden Gleichspannung E-. von der Sollspannung E

Der Vergleich des Signalverlaufs H mit der Sollspannung Eg₀₁₁ im Verstärker 2 ergibt einen Signalverlauf gemäss Zeile J. Ist Uebereinstimmung mit der Sollspannung erzielt, tritt zu diesem Zeitpunkt ein Signalsprung auf. Dieser Sprung wird zum Festhalten der zuletzt aufgetretenen Sägezahnspannung ausgenutzt. Dies geschieht

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auf die im folgenden beschriebene Weise durch Fest-. halten der Zählerstellung, indem die' Zuführung von Oszillatorimpulsen mit Hilfe der UND-Schaltung 10 zum Binärzähler 8 unterbrochen wird.

Um ein sicheres Ansprechen der verwendeten Schaltglieder zu gewährleisten, wird der erwähnte Signalsprung am Ausgang des zweiten Verstärkers 2 'um eine Zeitspanne tp verzögert, wobei diese Zeitspanne kleiner ist als der Impulsabstand t.. der vom Oszillator

9 abgegebenen Impulse. Die erwähnte Verzögerung wird durch das RC-Glied 3 und den Schmitt-Trigger ¹J vorgenommen. Dabei wird der Signalsprung gemäss Zeile J durch die Tiefpassfunktion des RC-Gliedes in einen allmählichen Signalwechsel gemäss Zeile K umgewandelt, welcher bei Ueberschreiten des dem Schmitt-Trigger *J eigenen Schwellenwertes diesen zum Ansprechen bringt. Das Ausgangssignal des Schmitt-Triggers 4 verläuft dann gemäss Zeile L. Im nachfolgenden Impulsformer 14 wird der Signalsprung gemäss Zeile L zu einem Impuls gemäss Zeile M umgeformt. Dieser Impuls durchläuft die ODER-Schaltung 5 und erreicht den Rückstelleingang R der bistabilen Kippschaltung 6, um diese rückzustellen. Dadurch entsteht am Ausgang der Kippschaltung 6 ein Signalwechsel gemäss Zeile B, wodurch die UND-Schaltung

10 gesperrt wird und damit der Binärzähler 8 in der ge-

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Ad

wünschten Weise auf den letzten Zählerstand verriegelt wird. Somit bleibt diejenige Korrekturspannung, für welche die Ausgangsspannung E_Aug mit der Sollspannung ^E5_Oll übereinstimmt, bis zum nächsten Abgleichvorgang erhalten. Diese Korrekturspannung wird der abzugleichenden Gleichspannung E„. im ersten Verstärker 1 ständig überlagert. EiX η

Sollte die Schwankung der abzugleichenden Gleichspannung Besser sein als erwartet, kann die Amplitude des

Sägezahnimpulses e„ zu klein sein, um am Ausgang des zweiten Verstärkers 2 einen Signalsprung hervorzurufen. Für diesen Fall ist der Ausgang der letzten Stufe 2ⁿ des Binärzählers 8 über den zweiten Impulsformer 15 auf den zweiten Eingang der ODER-Schaltung 5 geführt. Dadurch wird der Abgleich-Vorgang bewusst beendet und mit den grösstmöglichen Näherung, entsprechend der Kapazität des Binärzählers 8, vorgenommen. In diesem Fall tritt am zweiten Eingang der ODER-Schaltung 5 ein Impuls gemäss Zeile N auf, während am Ausgang der bistabilen Kippschaltung 6 das die UND-Schaltung 10 sperrende Signal gemäsB Zeile Bl erscheint.

Fig. 3 zeigt in Form eines Blockschaltbildes die Anwendung des beschriebenen Verfahrens für den Nullabgleich der OFFSET-Spannung eines Rechenverstärkers, der als reiner Verstärker geschaltet ist.

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Das zu verstärkende Eingangssignal E wird dem ersten Verstärker 1 über einen Vorwiderstand R zugeführt. Der Ausgang des Verstärkers 1, an dem das Signal E. abgegriffen wird, ist über einen Widerstand R₁

AUS χ

auf den Eingang rückgeführt. Gleichzeitig ist der Ausgang mit dem Verstärker 2 verbunden, welcher die Ausgangsspannung E. mit dem Null-Potential vergleicht und das Vergleichsergebnis dem gemäss Pig. I aufgebauten Sägezahngenerator 20 zuführt. Dieser erzeugt den Sägezahnimpuls e . welcher dem zweiten Eingang

des ersten Verstärkers 1 über ein Widerstandsnetzwerk, bestehend aus den Widerständen R und R_> zugeführt wird.

Ueber den Widerstand R wird die erforderliche Vor-

spannung U zugeführt, während der Widerstand R die Normierung des Signals e„ auf das Null-Potential vornimmt.

Das beschriebene Verfahren lässt sich überall dort mit Vorteil anwenden, wo Spannungen periodisch neu abgeglichen werden müssen. Eines der vielen möglichen Anwendungsbeispiele ist ein B/H-Kennlinienschreiber zur Aufnahme von Magnetisierungskennlinien, bei welchem in zwei parallelen Zweigen eine zugeführte Gleichspannung (die Messspannung) und die OPPSET-Spannung der Integratoren abgeglichen werden.

Claims

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Patentansprüche

(IJ Verfahren zum automatischen Abgleich einer Gleichspannung auf einen vorgegebenen Sollwert, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannung eine durch elektronische Mittel (20) selbsttätig zeitlich veränderbare Spannung (e ) überlagert wird, dass die Summenspannung mit dem Sollwert verglichen wird und dass ein die Liebere in Stimmung beider Werte anzeigendes Steuersignal (J) auf die elektronischen Mittel rückgeführt wird, wodurch diese die veränderbare Spannung (e ) auf dem-

Jenigen Augenblickswert halten', bei welchem die Uebereinstimmung auftritt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannung eine sägezahnartig verlaufende Spannung überlagert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die durch das Steuersignal (J) ausgelöste Haltefunktion der elektronischen Mittel (20) erst mit Beginn eines neuen Abgleichvorganges aufgehoben wird. λ

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4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, dass eine Ueberlagerungsschaltung (1), welcher die abzugleichende Gleichspannung (E_Ein) zugeführt ist, mit dem Ausgang (12) eines digitalen Funktionsgenerators (6 - 10, R_Q - R ) zur Erzeugung einer sägezahnartig verlaufenden Spannung in Verbindung steht, dass der Ausgang der Ueberlagerungsschaltung (1), an welchem die abgeglichene Gleichspannung (E. ) auftritt, mit dem Eingang eines Vergleichers (2) verbunden ist, an dessen zweitem Eingang die Sollwertspannung (E„ ,,) anliegt, und dass der Ausgang des Vergleichers (2) mit einem Steuereingang (R) zum Anhalten des digitalen Funktionsgenerator^ in Verbindung steht,

5_# Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der digitale Funktionsgenerator einen Binärzähler (8) umfasst, dessen Eingang über einen Schalter (10) mit dem Ausgang eines Oszillators (9) verbunden ist, und dessen Zählstufen über einen Digital/Analog-Umsetzer und eine Summierschaltung an die Ueberlagerungsochaltung (1) angeschlossen sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

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dass der Ausgang des Vergleichers (2), mit dem Steuereingang (R) einer bistabilen Kippschaltung (b) in Verbindung steht, deren Ausgang mit einem Steuereingang des Schalters (10) und mit einem Rückstelleingang des Binärzählers (8) verbunden ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Ausgang des Vergleichers (2) und dem Steuereingang (R) der bistabilen Kippschaltung (6) ein RC-Olied, ein Schmitt-Trigger (4) und eine Impulsformerschaltung (14) angeordnet sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet^ dass dem Steuereingang (R) der bistabilen Kippschaltung (6) eine ODER-Schaltung (5) vorgeschaltet ist, deren zweiter Eingang mit dem Ausgang der letzten Binärzählerstufe (2¹¹) in Verbindung steht.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Ausgang der letzten Binärzählerstufe (2ⁿ) und dem zweiten Eingang der ODER-Schaltung (5) ein zweiter Impulsformer (15) angeordnet ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, dass der an die Zählerstufen des Binärzählers (8) ange-

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schlossene Digital/Analog-Umsetzer die erste Binärzählerstufe 2 mit einem Gewicht A und die nachfolgenden Stufen 2,2, ..., 2ⁿ mit einem Gewicht A , A , ..., A ver-

2¹ 2² 2ⁿ sieht, und dass der Ausgang des Digital/Analog-Umsetzers als Sammelpunkt (12) den Ausgang des digitalen Funktionsgenerators bildet.

11. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Digital/Analog-Umsetzer eine Widerstandskette (PL·, FL, ..., R ) aufweist, wobei der Wert der Widerstände entsprechend dem Gewicht der jeweiligen Binärzählerstufe bemessen 1st.

12. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des Oszillators (9) einem Wert im Bereich zwischen ca. 1 kHz und ca. 1 MHz entspricht.

Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie.

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