DE2635224A1 - Elektronisches mehrheitsgatter - Google Patents

Description

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D-8023 München-Pullach, Wiener Str. 2; Tel. (089) 7 93 30 71; Telex 5212147 bros d; Cables: «Patentibus» München

Diplom Ingenieure

Ihr Zeichen: Tag: 4. AugUSt 1976

Your ref.: Date:

V.I./sta - 5366-A·,

THE BENDIX CORPORATION, Executive Offices, Bendix Center, SouthfJeId₁ Michigan 48075, USA

Elektronisches Mehrheitsgatter

Die Erfindung betrifft allgemein Mehrheitsgatterschaltungen desjenigen Typs, der auf mehrere Eingangssignale anspricht, um ein/gewünschtes Ausgangssignal zu erzeugen. Speziell betrifft die Erfindung eine Mehrheitsgatterschaltung des erwähnten Typs, die eine mittelwertbildende Einrichtung enthält, durch welche eine TotZonencharakteristik eliminiert wird, die auftritt, wenn die unerwünschten Eingangssignale sich nahe bei null befinden.

Bekannte Mehrheitsgatterschaltungen des genannten Typs besitzen mehrere Eingangsverstärker, die auf entsprechende Eingangssignale ansprechen, um ein gewünschtes Signal vorzusehen, und sie besitzen eine TotZonencharakteristik, wenn

oder nicht gewählten ein Eingangssignal geerdet wird, und wenn die unerwünschten / Signale sich nahe bei null befinden. Diese Totzonencharakte-

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j ristik ergibt sich in erster Linie aufgrund der Eingangsver-
! stärker, die in einem gesättigten Bereich arbeiten, wenn ihre
J jeweiligen Eingangssignale nicht für das Ausgangssignal ausgewählt werden. Dies ist insbesondere bei Anwendungsfällen mit
! schwachem Signal unerwünscht.

«I

j Die Erfindung schafft ein Gerät des genannten Typs, bei welchem
; jgiehrere Eingangssignale über entsprechende Verstärker zugeführt
weVden, um ein gewünschtes Signal aus der Vielzahl der Eingangssignale für ein Ausgangssignal auszuwählen. Die Verstärker
■ werden mit einer Rückkopplung in einer solchen Weise ausgestattet, daß eine Mittelwertbildung der nicht ausgewählten Signa- j le durchgeführt wird. Der Punkt, bei welchem die Mittelwerts- j bildung aufhört, und die Torsteuerung (voting) auftritt, ist

durch die folgende Gleichung gegeben:

V R. i

V. = 3 . ttS wobei (1) I

V. das Eingangssignal, V . die Sättigungsspannung des Ein- I : gangsverstärkers, R. der Verstärker-Eingangswiderstand und
R_T der örtliche Rückkopplungswiderstand des Verstärkers bedeu— j ten.

Aus der Gleichung (1), die im folgenden entwickelt werden soll, ' läßt sich erkennen, daß der Bereich, über welchem das Mehrheits-¹

gatter einen Mittelwert bildet, bestimmt wird durch eine Analy- ι -Versetzungen oder i

ι se der SysteraARegelreste (offsets) und des dynamischen Berei- ^!

ches. Die Mittelwertsbildungszone wird so klein wie praktisch ;

; möglich gehalten, so daß nahe den Nullbedingungen die gesamte !

Systemleistung oder -qualität nicht verschlechtert wird. :

: I

: Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Mehrheitsgatterschaltung des j '. genannten Typs zu schaffen, um mehrere Eingangssignale tormäßig
'. zu steuern, wobei mittelwertsbildende Einrichtungen vorgesehen
sind, um eine TotZonencharakteristik zu eliminieren, wenn die
nicht tormäßig gesteuerten Eingangsgrößen sich nahe bei null
befinden.

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j -J-

j Auch ist es Ziel der Erfindung, die Totzonenchaxakteristik zu
; beseitigen, und zwar durch Anwendung einer Rückkopplung zu den
; Eingangsverstärkern, so daß eine Mittelwertsbildung der uner-
! wünschten Signale stattfinden kann.

bereich
Durch die Erfindung soll auch ein Betriebs/ vorgesehen wer-

' den, bei welcher die Mittelwertsbildung aufhört, und eine echte
; -|ormäßige Steuerung (voting) in Einklang mit einer Analyse der

Systemregelreste und des dynamischen Bereiches vorgesehen bzw. | . erreicht wird. '·

Beim Gegenstand der Erfindung soll auch der Mittelwertsbildungsbereich so klein als praktisch möglich gehalten werden, so daß ^: um den Wert null herum, die Qualität der Schaltung nicht vermin- ' dert wird. ^;

Schließlich soll durch die Erfindung auch eine Mehrheitsgatter- '-. schaltung geschaffen werden, die sich in Verbindung mit Ein-
! gangssignalen mit geringem Wert verwenden läßt.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem Anspruch 1.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich \

aus der nun folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels ; . unter Hinweis auf die Zeichnung. Es sei jedoch darauf hingewie- ι ι sen, daß die Zeichnungen nur dazu dienen, den Gegenstand der
' Erfindung zu veranschaulichen, und daß die Erfindung nicht auf

die Zeichnungen bzw. das Ausführungsbeispiel beschränkt ist.

Es zeigt:

! Figur 1 einen schematischen elektrischen Stromlaufplan -

ι einer Mehrheitsgatterschaltung mit einer mittel- j

wertsbildenden Einrichtung nach der Erfindung; ;

ι i

: ι

Figur 2 eine graphische Darstellung, die Signalübertra- \

ι gungscharakteristika im Sinne der Erfindung ver- j

anschaulicht. ^!

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! Gemäß Figur 1 ist eine Mehrheitsgatterschaltung gezeigt, die
! als Beispiel jeweils drei Eingangskanäle 1, 2 und η besitzt. In j diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß die beschriebene Vorrichtung auch mit irgendeiner Anzahl von Eingangskanälen
j ausgeführt werden kann bzw. zur Anwendung gebracht werden kann, wie dies für den Fachmann offensichtlich ist. ,

' per Schaltung gemäß Figur 1 werden Eingangssignale V₁, V₂ und : V₁₁ über Widerstände 3f 4 und 6, und zwar zu den invertierenden , Eingangsanschlussen (-) der Verstärker 8, 10 und 12, jeweils ' zugeführt. Die Ausgangsgrößen der Verstärker 8, 10 und 12 ge- j ^! langen über Widerstände 14» 16 und 18 jeweils zu einem invertierenden Eingangs ans chluß (-) eines Verstärkers 20. Der Ver- . stärker 20 besitzt einen nichtinvertierenden Eingangsan— ! Schluß (+), der über einen Widerstand 22 mit Masse verbunden ist;" und der an einem Ausgangs ans chluß ein Ausgangs signal V erzeugt.;

Der nichtinvertierende Eingangs ans chluß (+) des Verstärkers 8 ', ist über einen Widerstand 24, der nichtinvertierende Eingangsan-^! Schluß (-t) des Verstärkers 10 ist über einen Widerstand 26 und
der nichtinvertierende Eingangsanschluß (+) des Verstärkers 12
ist über einen Widerstand 28 mit dem Ausgangs ans chluß des Ver- _; stärkers 20 verbunden. .

] Der nichtinvertierende Eingangsanschluß (+) des Verstärkers 8 ;

ist über einen Widerstand 30 mit Masse oder Erde verbunden. Der j

nichtinvertierende Eingangsanschluß (+) des Verstärkers 10 ist .

über einen Widerstand 32 mit Masse oder Erde verbunden, und der .

nichtinvertierende Eingangsanschluß (+) des Verstärkers 12 ist ;

über einen Widerstand 34 mit Masse oder Erde verbunden. _;

Wie bereits an früherer Stelle erwähnt wurde, tritt bei bekann- j ten Mehrheitsgatterschaltungen eine Totzone zwischen den Punk- ■ ten A und B in Figur 2 auf. Dies ergibt sich in erster Linie j aus der Tatsache, daß dann, wenn eines der Eingangssignale V.,
Vp oder V geerdet ist, und die Schaltung arbeitet, um eine .

Torsteuerung durchzuführen oder um eines der Signale als ein j

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Ausgangssignal auszuwählen, die Verstärker, die die nicht ausgewählten Eingangssignale empfangen, in einem gesättigten Bereich arbeiten. Die TotZonencharakteristik wird durch eine im wesentlichen null betragende Spannung zwischen den Punkten A und B gekennzeichnet. Durch die vorliegende Erfindung wird dieser Nachteil dadurch beseitigt, daß eine "örtlichß Rückkopplung" zur Anwendung gelangt, und zwar bei jedem Eingangsverstärker, so daß dadurch die TotZonencharakteristik abgeändert

wird, und eine Mittelwertsbildung der zwei verbleibenden Signa- i Ie stattfindet, um eine Charakteristik oder Kennlinie zu errei— i chen, wie sie in Figur 2 gezeigt ist. Der Punkt, "bei welchem j die Mittelwertsbildung aufhört, und eine echte tormäßige Steuerung (voting) einsetzt, ist durch die Gleichung (1) bestimmt, _: die im folgenden analytisch entwickelt werden soll.

Die örtliche Rückkopplung wird dadurch erreicht, indem man die Widerstände mit geeignetem Widerstandswert an die Ausgangsanschlüsse und an die invertierenden Eingangsanschlüsse (-) der \ jeweiligen Eingangsverstärker anschließt. Gemäß Figur 1 ist ein Widerstand 36 mit dem Ausgangsanschluß des Verstärkers 8 und mit dem invertierenden Eingangsanschluß (-) des Verstärkers verbunden. Ein Widerstand 38 ist mit dem Ausgangsanschluß des Verstärkers 10 und dem invertierenden Eingangsanschluß (-) des Verstärkers verbunden, und weiter ist ein Widerstand 40 mit dem ^: Ausgangsanschluß des Verstärkers 12 und dem invertierenden Eingangsanschluß (-) des Verstärkers verbunden.

Die Gleichung (1), die in allgemeiner Form angegeben ist, soll zum besseren Verständnis für das Eingangssignal E.. entwickelt werden, wobei darauf hingewiesen sei, daß eine ähnliche Analyse für die anderen Eingangssignale der Figur 1 entwickelt werden kann. Bei der Herleitung der Gleichung ist angeno-nmen, daß der Verstärker 20 in einem linearen Bereich arbeitet, und daß alle Verstärker-Regelspannungen (offset voltages) und Ströme ver- : nachlässigbar sind, so daß für einen idealen Operationsverstärker am invertierenden Eingangsanschluß (-) des Verstär- i kers 20 eine Spannung E. erscheint, wobei die Spannung E. null ^;

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j ist:

j E₄ = O (2)

- Am Ausgangsanschluß des Verstärkers 8 erscheint eine Spannung E₁, an dem Ausgangsanschluß des Verstärkers «10 erscheint
* eine Spannung E_?, und am Ausgangsanschluß des Verstärkers 12

: erscheint eine Spannung E-,. Es ergibt sich daher die folgende

5
Beziehung:

ETJi TTi "Tp π TTi

* — Ji . ÜJ_O — Σλ , .Cl-, — Hi-

^R14' ^R16 ^B18 ;

: Durch Substitution der Gleichung (2) in die Gleichung (3) und j bei R₁ . = R_1ir = R₁O ergibt sich folgende G-leichung: !

E₁₊E_{2 +} E₃ = 0 (4) ^:

i Damit die in Figur 1 wiedergegebene Schaltung aus den Eingangs- ;

Signalen V₁, V₂ und V einen Mittelwert bilden kann, müssen die ■ Verstärker 8, 10 und 12 in ihren linearen Betriebsbereichen be- , trieben werden. Es ergeben sich daher die folgenden Gleichun— j

^R3

	= -V1	R6	> I	1
E1	= -v2	R3	)
E2		R8
E3	R6 (
.[

L "30
R₀o I I R.

26;

34 ^{+ R}28

Durch Substitution der Gleichungen (5)» (6) und (7) in Gleichung (4) ergibt sich folgende Beziehung:

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-St - AQ

-V.

^R28 J

= 0

R.

1 +

40

7"

(3)

■ Eine Vereinfachung der Gleichung (8) führt zu folgendem Ergebnis :

2 *

R.

R.

^L24 J

1 +

J L ^2

Tl^j

^L2£

R.

28 J

(9)

Damit die Eingangsverstärker der Schaltung die gleiche Gewichtung • bzw. Stellengewicht für die drei Eingangs signale V.., Vp und V haben, müssen die folgenden Bedingungen erfüllt werden:

R.

"36 _ "38 _ ^R3 ^R4 "6

30

R.

^R30 ^{+ R}24 ^R32 ^{+ R}26 ^R34 ^{+ R}28 ^R3 ^R36 _ ^R30 ^R4 . ^R4 ^R38 _ ^I

(10)

(11)

_ ^R36 ^R30 ⁺

^R4 ^{+ H}38

₃₂

₂₆

^R6 ^R40 ₌ ^R34 ^R23 ^R6 ^{+ R}40 ^R34 ^{+ R}28

(12)

Durch Substitution der Gleichungen (10), (11) und (12) in Glei- | chung (8), ergibt sich die folgende Beziehung: i

»n

(13)

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; j

j Aus der vorausgegangenen Analyse läßt sich erkennen, daß die i ; Ausgangsspannung V_n am Ausgangsanschluß des Verstärkers 20 den j ; Mittelwert der drei Eingangssignale V₁, V₂ und V_n darstellt. j

Nun muß bestimmt werden, wann mit der Mxttelwertsbildung aufge- ^: hört wird und auf die Eigenschaften bzw. die Charakteristik der Dreikanal-Mehrheitsgatterschaltung gemäß Figur 1 ,zurückgekehrt

Eö^; sei angenommen, daß Vp + V = O. Aus der Gleichung (13) ist : somit folgendes ersichtlich:

V₀=Il (η,

Durch Substitution der Gleichungen (H) und (12) in Gleichung (5) wird folgende Beziehung erhalten:

₁
jedoch R₂₄ = R, und E₁ = . g-22. und (16)

vena E₁ = die Sättigungsspannung (V_sa*) des Eingangsverstärkers, so erreicht die Schaltung die Kennlinie eines Dreikanal-Mehrheitsgatters, so daß sich ergibt:

(17) was sich als Äquivalent der Gleichung (1) erkennen läßt.

Obwohl nur eine einzige Ausführungsform des Gegenstandes der Erfindung erläutert und veranschaulicht ist, sei darauf hingewiesen, daß die Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt ist. Es lassen sich eine Reihe von Änderungen hinsichtlich der Ausführung und der Anordnung der Teile vornehmen, ohne dadurch den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen, wie dies für den Fachmann ganz offensichtlich ist.

Sämtliche in der Beschreibung erkennbaren und in der Zeichnung

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veranschaulichten Einzelheiten sind für die Erfindung von Bedeutung.

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Claims (9)

Patentansprüche

1. Mehrheitsgatterschaltung für die tormäßige Steuerung (voting) von mehreren Eingangssignalen, um ein Ausgangssignal vorzusehen, mit mehreren Eingangsverstärkern, von denen jeder eines
von mehreren Eingangssignalen an einem ersten ,Eingangsan-Schluß empfängt und an einem Ausgangsanschluß ein Ausgangssi-j

., gnal erzeugt, und mit einem Ausgangsverstärker, der mit j einem ersten Eingangsanschluß an den Ausgangsanschluß jedes j Eingangsverstärkers angeschaltet ist und mit einem Ausgangs-! anschluß an einem zweiten Eingangsanschluß jedes Eingangsver-: stärkers angeschaltet ist und mehrere Eingangssignale tormäßig steuert, um an seinem Ausgangsanschluß das Ausgangs- _; signal zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Ausgangsanschluß und den ersten ^: Eingangsanschluß jedes Eingangsverstärkers (8, 10, 12) eine j mittelwertsbildende Einrichtung (36, 38, 40) eingeschaltet ! ist, um aus der Vielzahl der Eingangssignale über einen vor— ! bestimmten Bereich hinweg einen Mittelwert zu bilden, wobei
die tormäßige Steuerung (voting) außerhalb dieses genannten ; Bereiches stattfindet.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
zwischen den Ausgangsanschluß und den ersten Eingangsan—
Schluß jedes Eingangsverstärkers (8, 10, 12) eingeschaltete
mittelwertsbildende Einrichtung (36, 38, 40), um aus der
Vielzahl der Eingangssignale über einen bestimmten Bereich
einen Mittelwert zu bilden, mehrere Widerstände (36, 38, 40)
enthält, von denen jeder zwischen den Ausgangsanschluß und
den ersten Eingangsanschluß eines jeweiligen Eingangsverstärkers der genannten Eingangsverstärker (8, 10, 12) eingeschaltet ist, um eine örtliche Rückkopplung an dem entsprechenden Eingangsverstärker vorzusehen.

3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der
vorbestimmte Mittelwertsbildungsbereich folgender Beziehung
gehorcht:

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ORIGINAL INSPECTED

¹ " ^{3 2 R}L j

worin V. das von einem der Eingangsverstärker empfangene ; Eingangssignal, V _, eine Verstärkersättigungsspannung, j

S SAß ·

R. ein Verstärker-Eingangswiderstand (3; 4; 6) und R-j- der ; örtliche Verstärker-Rückkopplungswiderstand (^6; 38; 40) "be- ^: deuten. ,

4--Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Eingangsansehluß jedes Eingangsverstärkers (8, 10, 12) ; aus einem invertierenden Eingangsanschluß (—) und daß der zweite Eingangsanschluß jedes der Eingangsverstärker (8, 10, 12) aus einem nichtinvertierenden Eingangsanschluß (+) be- ; steht.

5. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Eingangsanschluß des Ausgangsverstärkers (20) aus einem invertierenden Eingangsanschluß (-) besteht, und daß der Ausgangsverstärker (20) einen geerdeten nichtinvertierenden Eingangsanschruß (+) enthält.

6. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Widerstände (3» 4, 6) vorgesehen sind, von denen jeder mit dem ersten Eingangsanochluß eines entsprechenden Eingangsverstärkers der mehreren Eingangsverstärker (8, 10, 12) verbunden ist, wobei der jeweilige Eingangsverstärker das Eingangssignal über den Widerstand empfängt.

7. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Widerstände (14, 16, 13) vorgesehen sind, von denen jeder zwischen den Ausgangsanschluß eines entsprechenden Eingangsverstärkers der mehreren Eingangsverstärker (8, 10, 12) und den ersten Eingangsanschluß des Ausgangsverstärkers (20) geschaltet ist.

8. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Widerstände (30, 32, 34) vorgesehen sind, von denen jeder

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zwischen den zweiten Eingangsanschluß eines entsprechenden j Eingangsverstärkers der mehreren Eingangsverstärker (8, 10,
12) and Masse oder Erde geschaltet ist.

9. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß raeh- j rere V/iderstände (24, 26, i-δ) vorgesehen sind, von denen je- j der zwischen den zweiten Eingangsanschluß eines entsprechenden Eingangsverstärkers der mehreren Eingangsverstärker (8, ' 10, 12) xvaä. den Ausgangs ans chluß des Ausgangsverstärkers (20), geschaltet ist, |