DE2635224C2

DE2635224C2 - Schaltanordnung zur Bildung eines einzelnen Ausgangssignals in Abhängigkeit einer Mehrzahl von zugeführten Meßsignalen

Info

Publication number: DE2635224C2
Application number: DE2635224A
Authority: DE
Inventors: Albert Montvale N.J. Kirchhein; Donald J. Bayonne N.J. Porawski; Francis J. West Paterson N.J. Thomas
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Bendix Corp
Priority date: 1975-09-29
Filing date: 1976-08-05
Publication date: 1986-05-15
Also published as: DE2635224A1; FR2326099A1; JPS5256840A; JPS5947348B2; GB1538134A; FR2326099B1; US4001605A

Description

D __ 3 'sal η

^Rl - τ ίγ '

wobei V_sa, die jeweilige Verstärkersättigungsspantnung, Vj die Größe des jeweils zugeführten Meßsignals, R₁ der Verstärkereingangswiderstand ist.

2. Schaltanordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Eingänge der Eingangsverstärker (8,10,12) invertierende Eingänge sind, während es sich bei den zweiten Eingängen um nichtinvertierende Eingänge handelt

3. Schaltanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsverstärker (20) einen invertierenden und einen nichtinvertierenden Eingang aufweist, wobei die Ausgangssignale der Eingangsverstärker (8,10,12) dem invertierenden Eingang zugeführt sind, während der nichtinvertierende Eingang über einen Widerstand (22) geerdet ist.

4. Schaltanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß den ersten Eingängen der Eingangsverstärker (8,10,12) Widerstände .{3, 4, 6) vorgeschaltet sind.

5. Schaltanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß den Ausgängen der Eingangsverstärker (8,1% 12) zusätzlich einzelne Widerstände (14, 16,18) nachgeschaltet sind.

6. Schaltanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Eingänge der Eingangsverstärker (8, 10, 12) zusätzlich über einzelne Widerstände (30, 32, 34) mit Erde verbunden sind.

7. Schaltanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in die einzelnen Verbindungsleitungen zwischen dem Ausgang des Ausgangsverstärkers (20) und den zweiten Eingängen der Eingangsverstärker (8, 10, 12) zusätzlich Widerstände (24, 26, 28) eingesetzt sind.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaltanordnung zur Bildung eines Ausgangssignals in Abhängigkeit einer Mehrzahl von an entsprechenden Eingangsklemmen zugeführten Meßsignalen, wobei im Hinblick auf die Möglichkeit des Ausfalls von einem dieser Meßsignale das Ausgangssignal durch Mehrheitsbildung der zugeführten Meßsignale ableitbar ist, bestehend aus einer Anzahl von Eingangsverstärkern, welchen die verschiedenen Meßsignale zuführbar sind, sowie einem mit den Ausgängen der Eingangsverstärker verbundenen gemeinsamen Ausgangsverstärker, von welchem einerseits das zu bildende Ausgangssignal ableitbar ist, andererseits eine Rückführung dieses Ausgangssignals an die Eingänge der verschiedenen Eingangsverstärker erfolgt. Derartige Schaltanordnungen zur Bildung eines einzigen Ausgangssignals in Abhängigkeit einer Mehrzahl von zugeführten Meßsignalen sind bereits bekannt (siehe beispielsweise US-PS 35 51 821 und 36 86 493). Derartige Schaltanordnungen besitzen eine Mehrzahl von Eingangsverstärkern, mit welchen in Abhängigkeit der zugeführten Eingangssignale ein durch Wägung gebildetes Ausgangssignal gebildet wird.

Die bisher bekannten Schaltungsanordnungen dieser Art haben jedoch die Eigenschaft, daß das durch Wägung gebildete Ausgangssignal in einen toten Bereich gelangt, falls eines der zugeführten Eingangssignale geerdet ist oder die nicht zur Wägung herangezogenen Signale einen sehr niedrigen Spannungswert besitzen, d.h. beinahe den Wert Null aufweisen. Diese Eigenschaft des Auftretens eines toten Bereichs ergibt sich vor allem aufgrund der Tatsache, daß die Eingangsverstärker im gesättigten Zustand betrieben werden, falls die jeweils zugeführten Eingangssignale für die Bildung des Ausgangssignals nicht zur Wägung herangezogen werden. Diese Eigenschaft der Bildung eines toten Bereichs ist dabei insbesondere in jenen Fällen nachteilig, falls die betreffende Schaltanordnung in Verbindung mit relativ schwachen Meßsignalen verwendet wird.

Es ist demzufolge Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Schaltanordnung zur Bildung eines Ausgangssignals in Abhängigkeit einer Mehrzahl von zugeführten Meßsignalen der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß selbst im Fall des Auftretens von Meßsignalen in der Nähe von Spannungswerten »Null« das von der Schaltanordnung gebildete Ausgangssignal keinen Bereich einer toten Zone aufweist.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Eingangsverstärker jeweils mit zwei Eingängen versehen sind, an deren erste Eingänge die Meßsignale zugeführt sind, während den zweiten Eingängen das vom Ausgang des Ausgangsverstärkers abgeleitete Ausgangssignal zugeleitet ist, und daß zwischen den ersten Eingängen und dem Ausgang der Eingangsverstärker mittelwertbildende Rückkopplungswiderstände vorgesehen

sind, weiche wie folgt dimensioniert sind:

wobei V_5a, die jeweilige Verstärkersättigungsspannung, V₁ die Größe des jeweils zugeführten Meßsignals, R₁ der Verstärkereingangswiderstand ist.

Aus der Gleichung (1) ergibt sich, daß der Bereich, innerhalb welchem die betreffende Schaltanordnung einen Mittelwert bildet, durch die Regelabweichungen und den dynamischen Bereich des Systems festgelegt ist. Der für die Mittelwertsbildung verwendete Bereich wird dabei so klein wie möglich gehalten, um auf diese Weise die Charakteristik des Gesamtsystems in der Nähe der Abgleichbedingungen nicht zu verschlechtern.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich anhand der Unteransprüche 2 bis 7.

Die Erfindung soll nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben werden, wobei auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen ist. Es zeigt

Fig. 1 ein schematisches Schaitdiagramm der erfindungsgemäßen Schaltanordnung und !5

Fig. 2 ein Kurvendiagramm der Signal-Transfer-Charakteristik der Schaltanordnung von Fig. 1.

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

Der Schaltung gemäß Fig. 1 werden Eingangssignale V,, V₁ und V_n über Widerstände 3, 4 unrf i, und zwar zu den invertierenden Eingangsanschlüssen (-) der Verstärkers, iO und 12, jeweils zugeführt. Die Ausgangsgrößen der Verstärker 8,10 und 12 gelangen über Widerstände 14,16 und 18 jeweils zu einem invertierenden Eingangsanschluß (-) eines Verstärkers 20. Der Verstärker 20 besitzt einen nichtinvertierenden Eingangsanschiuß (+), der über einen Widerstand 22 mit Masse verbunden ist und der an einem Ausgangsanschluß ein Ausgangssignal V₀ erzeugt.

Der nichtinvertierende Eingangsanschluß (+) des Verstärkers 8 ist über einen Widerstand 24, der nichtinvertierende Eingangsanschluß (+) des Verstärkers 10 ist über einen Widerstand 26, und der nichtinvertierende Eingangsanschluß (+) des Verstärkers 12 ist über einen Widerstand 28 mit dem Ausgangsanschluß des Verstärkers 20 verbunden.

Der nichtinvertierende Eingangsanschluß (+) des Verstärkers 8 ist über einen Widerstand 30 mit Masse oder Erde verbunden. Der 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 bekannten Mehrheitsgatterschaltungen eine Totzone 3; zwischen den Punkten A und B in Fig. 2 auf. Dies ergibt sich in erster Linie aus der Tatsache, daß dann, wenn eines der Eingangssignaie V₁, V₁ oder V_n geerdet ist und die Schaltung arbeitet, um eine Torsteuerung durchzuführen oder um eines der Signale als ein Ausgangssigna! auszuwählen, die Verstärker, die die nicht ausgewählten Eingangssignale empfangen, in einem gesättigten Bereich arbeiten. Die Totzonencharakteristik wird durch ewne im wesentlichen null betragende Spannung zwischen den Punkten A und B gekennzeichnet. Durch die vorliegende Erfindung wird dieser Nachteil dadurch beseitigt, daß eine »örtliche Rückkopplung« zur Anwendung gelangt, und zwar bei jedem Eingangsverstärker, so daß dadurch die Totzonencharakteristik abgeändert wird und eine Mittelwertsbildung der zwei verbleibenden Signale stattfindet, um eine Charakteristik oder Kennlinie zu erreichen, wie sie in Fi g. 2 gezeigt ist. Der Punkt, bei welchem 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 oadurch erreicht, indem man die Widerstände mit geeignetem Widerstandswert an die Ausgangsanschlüsse und an die invertierenden Eingangsanschlüsse (-) derjeweiligen Eingangsverstärker anschließt. Gemäß Fig. 1 ist ein Widerstand 36 mit den 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, so¹! zum besseren Verständnis für das Eingangssignal E\ entwickelt werden, wobei daraufhingewiesen sei, daß eine ähnliche Analyse für die anderen Eingangssignale der Fig. 1 entwickelt werden kann. Bei der Herleitung der Gleichung i=t angenommen, daß dei Verstärker 20 in einem linearen Bereich arbeitet und daß alle Verstärker-Regelspannungen (offset voltages) and Ströme vernachlässigbar sind, so daß für einen idealen Operationsverstärker am invertierenden Eingangsanschluß (-) des Verstärkers 20 eine Spannung E₄ erscheint, wobei die Spannung £, null ist:

Ε,-0. (2)

Am Ausgangsanschluß des Verstärkers 8 erscheint eine Spannung £,, an dem Ausgangsanschluß dos Verstärkers 10 erscheint eine Spannung E₂, und am Ausgangsanschluß des Verstärkers 12 erscheint eine Spannung E_:,. Es ergibt sich daher die folgende Beziehung: <ό

Ει ~ Et ₊ Ei ~ E₄ ₊ Ey - E₄ _ Q

"14 ™li. «IS

Durch Substitution der Gleichung (2) in die Gleichung (3) und bei Ä_u = R_]ft = R_ijt ergibt sich folgende Gleichung:

Damit die in Fig. 1 wiedergegebene Schaltung aus den Eingangssignalen V₁, V₂ und V_n einen Mittelwert bilden kann, müssen die Verstärker 8,10 und 12 in ihren linearen Betriebsbereichen betrieben werden. Es ergeben sich daher die folgenden Gleichungen:

E₁ --_K ■-£■♦«[. ♦-£■] [-J^₇]-

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

_ U . «36 . l/

«40 Ι Γ ;

«6 J L «34

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

«36_ , W . ^3

+ K

γ _ 23 ^M i^6 /cn

" Γ ^Ί Γ ^Rio 11 Γι ι ^Λ38 Ί Γ ^R" Ί ■ Γι -ι ^R" Ί Γ—^-T

«30 + *24 J L «4 J L «32 + «26 J ' L «6 J L «34 + «2S J

«3

Damit die Eingangsverstärker der Schaltung die gleiche Gewichtung bzw. Stellengewicht für die drei Eingangssignale V-, V₂ und V. haben., müssen die folgenden Bedingungen erfüllt werden:

«3ti «38 _ «40 /jq\

(H) und

(12) Durch Substitution der Gleichungen (10), (11) und (12) in Gleichung (8), ergibt sich die folgende Beziehung:

«i «4	«6 '	«34	«32 «26
«30	«32	«34 + «28	«32 ⁺ «26
«30 + «24	«32 + «26	«4 «38
«j«36	«30 «4	«4 + «38
«3 + Rib	«30+ «4 '
«6 «4(1 _	«34 «28
«6 ⁺ «40	«34 + «28

Aus der vorausgegangenen Analyse läßt sich erkennen, daß die Ausgangsspannung V₀ am Ausgangsanschiuß des Verstärkers 20 den Mittelwert der drei Eingangssignale V_x, V₂ und V_n darstellt. Nun muß bestimmt werden, wann mit der Mittelwertsbildung aufgehört wird und auf die Eigenschaften bzw. die Charakteristik der Dreikanal-Mehrheitsgatterschaltung gemäß Fig. 1 zurückgekehrt wird.

Es sei angenommen, daß V₂ + V_n = 0. Aus der Gleichung (13) ist somit folgendes ersichtlich:

K = ^-■ (14)

Durch Substitution der Gleichungen (14) und (12) in Gleichung (5) wird folgende Beziehung erhalten:

jedoch

-2

R_2A = Ä, und £, = -^i- ■ -^-, (16)

3 Λ,

und wenn E₁ = die Sättigungsspannu.ig (Ku/) des Eingangsverstärkers, so erreicht die Schaltung die Kennlinie
ehrheitsg

— V

₍,

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

Hierzu i blatt zeichnungen

20

eines Dreikanal-Mehrheitsgatters, so daß sich ergibt: ||

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltanordnung zur Bildung eines Ausgangssignals in Abhängigkeit einer Mehrzahl von an entsprechenden Eingangsklemmen zugeführten Meßsignalen, wobei im Hinblick auf die Möglichkeit des Ausfalls von einem dieser Meßsignale das Ausgangssignal durch Mehrheitsbildung der zugeführten Meßsignale ableitbar ist, bestehend aus einer Anzahl von Eingangsverstärkern, welchen die verschiedenen Meßsignale zuführbar sind, sowie einem mit den Ausgängen der Eingangsverstärker verbundenen gemeinsamen Ausgangsverstärker, von welchem einerseits das zu bildende Ausgangssignal ableitbar ist, andererseits eine Rückführung dieses Ausgangssignals an die Eingänge der verschiedenen Eingangsverstärker erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsverstärker (8, 10, 12) jeweils mit zwei Eingängen versehen sind, an deren erste Eingänge die Meßsignaie (V₁, V₁... V₁₁) zugeführt sind, während den zweiten Eingängen das vom Ausgang des Ausgangsverstärkers (20) abgeleitete Ausgangssignal (.V₀) zugeleitet ist, und daß zwischen den ersten Eingängen und dem Ausgang der Eingangsverstärker (8,10,12) mittelwertbildende Rückkopplungswiderstände (36, 38, 40) vorgesehen sind, welche wie folgt dimensioniert sind: