DE2739471A1 - Funktionsumformer zur gewinnung von nichtlinearen verhaeltnissen zwischen elektrischen ein- und ausgangssignalen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Analogrechner und betrifft insbesondere einen Funktionsumformer zur Gewinnung von nichtlinearen Verhältnissen zwischen elektrischen Ein- und Ausgangssignalen.

Die Erfindung kann mit Erfolg in automatischen Informationsverarbeitungssystemen, beispielsweise bei der Umformung von Wechselspannung in Gleichspannung in automatischen Meßsystemen verwendet werden.

Gegenwärtig gilt als Entwicklungstendenz für die Meßtechnik die Analyse der Meßergebnisse durch ein automatisches Informationsverarbeitungssystem und die Erzeugung von Steuersignalen auf Grund der Verarbeitungsergebnisse. Ein Kriterium für die Arbeitseffektivität der automatischen Systeme ist die Signalverarbeitungsgeschwindigkeit, was besondere Anforderungen an die Güte und Schnelligkeit der

Übergangsvorgänge in den einzelnen Umformungsgruppen in einem weiten dynamischen Bereich stellt. Die Sicherung von vorgegebenen nichtlinearen Verhältnissen zwischen elektrischen Ein- und Ausgangssignalen in einem weiten dynamischen Bereich, d.h. bei großen Änderungen der umzuformenden Signale, erfordert die Anwendung von Funktionsumformern mit Operationsverstärkern. Die Eingangssignale sind bei den Funktionsumformern automatischer Systeme oft variable Signale und die Ausgangssignale gleichbleibende Signale. In derartigen Situationen werden Funktionsverstärker erfordert, bei welchen eine große Verstärkung im gesamten Arbeitsfrequenzbereich zur Sicherung einer hohen statischen Umformungsgenauigkeit erhalten bleibt, und bei welchen die verstärkten Schwankungen sowie die Änderungen der Ausgangssignale bei Änderung der umzuformenden Eingangssignale keine dauerhaften Übergangsvorgänge in den Funktionsumformern hervorrufen.

Es ist ein Funktionsumformer zur Gewinnung von nichtlinearen Verhältnissen zwischen elektrischen Ein- und Ausgangssignalen bekannt (s. beispielsweise USA-Patentschrift Nr. 3566145, Kl. 307-235), der einen Operationsverstärker, an dessen Ausgang ein Eingangswiderstand gelegt ist, ein nichtlineares Element, das elektrisch mit dem Eingang und dem Ausgang des Operationsverstärkers verbunden ist und einen Hauptglättungskondensator, der elektrisch mit dem Verbindungspunkt der Widerstände verbunden ist, enthält.

Bei diesem Funktionsumformer muß jedoch das in den Gleichstromrückkopplungskreis geschaltete RC-Glied zur Sicherung der erforderlichen Umformungsdaten auf der unteren Arbeitsfrequenz, d.h. zur Sicherung der erforderlichen hohen Verstärkung auf diesen Frequenzen eine um einige Größenanordnungen kleinere Grenzfrequenz haben, was zur Senkung seiner Schnelligkeit und Verzögerung des Übergangsvorganges führt.

Darüber hinaus müssen zur Sicherung der erforderlichen Grenzfrequenz für das RC-Glied Kondensatoren von größerer Kapazität und somit von größeren Abmessungen benutzt werden, was die Ausführung der Umformer nach der Mikrominiaturtechnologie unmöglich macht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Funktionsumformer zur Gewinnung von nichtlinearen Verhältnissen zwischen elektrischen Ein- und Ausgangssignalen mit solchen Zusatzelementen zu schaffen, die es gestatten, die Schnelligkeit des genannten Funktionsumformers zu erhöhen.

Dies wird dadurch erreicht, daß in den Funktionsumformer zur Gewinnung von nichtlinearen Verhältnissen zwischen elektrischen Ein- und Ausgangssignalen, der einen Operationsverstärker, an dessen Eingang ein Eingangswiderstand gelegt ist, ein nichtlineares Element, das elektrisch mit dem Eingang und dem Ausgang des Operationsverstärkers gekoppelt ist, miteinander verbundene Widerstände, von welchen der eine an den Eingang, und der andere an den Ausgang des Operationsverstärkers gelegt sind, und einen Hauptglättungskondensator, bei welchem der eine Ausgang elektrisch mit dem Verbindungspunkt der Widerstände gekoppelt ist, enthält, gemäß der Erfindung ein zusätzlicher Operationsverstärker, zwei zusätzliche Glättungskondensatoren, bei einem von welchen ein Anschluß an den Eingang des zusätzlichen Operationsverstärkers und bei dem anderen an den Ausgang dieses zusätzlichen Operationsverstärkers gelegt sind, während deren andere Anschlüsse an den Verbindungspunkt der Widerstände gelegt sind, und zwei miteinander verbundene zusätzliche Widerstände, der eine von welchen an den Eingang und der andere an den Ausgang des zusätzlichen Operationsverstärkers angeschlossen sind, während deren Verbindungspunkt an den Hauptglättungskondensator gelegt ist, vorgesehen sind.

Solch eine Ausführung des erfindungsgemäßen Funktionsumformers gestattet es, das Verhältnis zwischen der unteren Arbeitsfrequenz und der Grenzfrequenz des RC-Gliedes im Gleichstromrückkopplungskreis zu vermindern, was die Widerherstellungszeit der Arbeitsfähigkeit des Funktionsumformers nach zufälligen Überlastungen stark vermindert und seine Störfestigkeit erhöht.

Außerdem sichert die Erfindung die Wahl einer optimalen Übergangskennlinie (zum Beispiel einer monotonen Übergangskennlinie bzw. einer gleichwelligen Übergangskennlinie).

Nachstehend wird die Erfindung durch die Beschreibung eines konkreten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung, in der das Strukturschema eines erfindungsgemäßen Funktionsumformers zur Gewinnung von nichtlinearen Verhältnissen zwischen elektrischen Ein- und Ausgangssignalen gezeigt ist, erläutert.

Der Funktionsumformer zur Gewinnung von nichtlinearen Verhältnissen zwischen elektrischen Ein- und Ausgangssignalen enthält einen Operationsverstärker 1, dessen Eingang 2 mit dem Anschluß des Eingangswiderstandes 3 im Punkt 4 verbunden ist, wobei der andere Anschluß dieses Widerstandes 3 an die Eingangsklemme 5 gelegt ist. Der Ausgang 6 des Verstärkers 1 ist mit dem einen Anschluß des Hauptwiderstandes 7 und dem einen Anschluß des nichtlinearen Elementes 8 im Punkt 9 verbunden. Der andere Anschluß des nichtlinearen Elementes 8 und der eine Anschluß des Hauptwiderstandes 10 sind an den Punkt 4 gelegt. Die anderen Anschlüsse der Hauptwiderstände 7, 10 und die einen Anschlüsse der zusätzlichen Glättungskondensatoren 11, 12 sind im Punkt 13 verbunden. Der Eingang 14 des zusätzlichen Operationsverstärkers 15, der andere Anschluß des zusätzlichen Kondensators 11 und der eine Anschluß des zusätzlichen Widerstandes 16 sind im Punkt 17 verbunden. Der Ausgang 18 des zusätzlichen Operationsverstärkers 15, der andere Anschluß des zusätzlichen Kondensators 12 und der eine Anschluß des zusätzlichen Widerstandes 19 sind im Punkt 20 verbunden. Die anderen Anschlüsse der zusätzlichen Widerstände 16, 19 und der eine Anschluß des Hauptkondensators 21 sind im Punkt 22 verbunden, während der andere Anschluß des Hauptkondensators 21 geerdet ist.

Der Funktionsumformer zur Gewinnung von nichtlinearen Verhältnissen zwischen elektrischen Ein- und Ausgangssignalen arbeitet wie folgt.

Die an die Eingangsklemmen 5 und 23 angelegte Wechselspannung erzeugt am Eingangswiderstand 3 einen Wechselstrom, der dem Verhältnis dieser Wechselspannung zum Widerstandswert des Eingangswiderstandes 3 entspricht. Der am Widerstand 3 erzeugte Wechselstrom fließt über das nichtlineare Element 8 zum Ausgang 6 des Operationsverstärkers 1. Am Ausgang 2 des Operationsverstärkers 1 ist die Spannung wegen der Wechselstromgegenkopplung nahezu gleich Null, deshalb wird dieser Wechselstrom nicht zum Widerstand 10 abgezweigt. Am Ausgang 6 des Operationsverstärkers 1 wird eine Spannung erzeugt, die durch das nichtlineare Element 8 und den durch dieses fließenden Wechselstrom bestimmt.

Vom Ausgang 6 des Operationsverstärkers 1 wird die Spannung dem Gleichstromrückkopplungskreis des Operationsverstärkers 1 über den Hauptwiderstand 7 zugeführt. Die Filterung des im Gleichstromrückkopplungskreis des Verstärkers 1 fließenden Stromes wird durch den Hauptwiderstand 7, die zusätzlichen Glättungskondensatoren 11, 12, den Hauptglättungskondensator 21, die zusätzlichen Widerstände 16, 19 und den zusätzlichen Operationsverstärker 15 realisiert. Der von den aufgezählten Elementen gebildete Kreis hat eine von der Frequenz der umzuformenden Wechselspannung abhängige Eingangsimpedanz und bildet im Wechselstromrückkopplungskreis des Operationsverstärkers 1 gemäß der Erfindung drei Pole für die Übertragungsfunktion des elektrischen Signals (in der Zeichnung nicht gezeigt) vom Ausgang 6 des Operationsverstärkers 1 auf seinen Eingang 2 über die Widerstände 7 und 10.

Die Verminderung der Verstärkung bei dem Operationsverstärker 1, hervorgerufen durch seine Gleichstromrückkopplung bei Gleichheit der Pole, ist etwa der dritten Potenz des Verhältnisses zwischen der unteren Arbeitsfrequenz und der Grenzfrequenz des Gleichstromrückkopplungskreises gleich.

Bei einem zulässigen statischen Fehler, beispielsweise der Größenordnung 0,1%, ist ein Rückkopplungsgrad von 1000 erforderlich. In diesem Falle wird das Verhältnis zwischen der unteren Arbeitsfrequenz und der Grenzfrequenz gleich 10. Die Einschwingzeit der Ausgangsgleichspannung des Operationsverstärkers 1 und somit des Umformers selbst ist dabei umgekehrt proportional der Grenzfrequenz, d.h. sie beträgt 10 Perioden der unteren Arbeitsfrequenz des Umformers.

Für einige konkrete Arten von nichtlinearen Verhältnissen zwischen elektrischen Ein- und Ausgangssignalen, beispielsweise bei der Umformung von Wechselspannung proportional dem mittleren Wert ihres Absolutbetrags, ist ein schwingender Übergangsprozeß in dem Operationsverstärker 1 zulässig, da der Umformungsfehler hierbei quadratisch abnimmt. Deshalb können gemäß der Erfindung die Nennwerte der Elemente im Gleichstromrückkopplungskreis derart gewählt werden, daß die Pole der Übertragungsfunktion des Gleichstromrückkopplungskreises des Verstärkers 1 nicht ein Vielfaches darstellen, sondern dem gleichwelligen Übergangsprozeß entsprechen (auf der Zeichnung nicht gezeigt).

In diesem Falle findet in dem Gleichstromrückkopplungskreis 1 des Verstärkers 1 ein schwingender Übergangsprozeß statt (in der Zeichnung nicht gezeigt) mit vorbestimmter Überschwingungsamplitude statt, wobei zusätzlich die Einschwingzeit der Ausgangsgleichspannung des Umformers vermindert wird.

Die Erfindung hat einen bestimmten technisch-ökonomischen Effekt.

Der zuzätzliche Verstärker 15 in Kombination mit zusätzlichen Widerständen 16, 19 und Kondensatoren 11, 12 gestattet es, die Grenzfrequenz des Gleichstromrückkopplungskreises um einige Größenordnungen zu erhöhen. Die Erhöhung der Grenzfrequen bietet die Möglichkeit, die sperrigen und kostspieligen Kondensatoren von großer Kapazität in dem Gleichstromrückkopplungskreis durch kleine Kondensatoren von geringer Kapazität zu ersetzen.

Außerdem werden an den zusätzlichen Operationsverstärker 15 in der vorgeschlagenen Schaltungsart keine harten Anforderungen gestellt, da dieser Verstärker 15 mit einer 100%-igen Gleichstromrückkopplung versehen ist.

Aus den oben erwähnten Gründen kann der Umformer mit den zusätzlichen Kreisen in Miniaturausführung realisiert werden.

Die Erhöhung der Schnelligkeit des erfindungsgemäßen Funktionsumformers gestattet es, die Umformung ohne Einfluß der Drift des Operationsverstärkers 1 auszuführen und damit die Genauigkeit der Umformung von kleinen Signalen zu erhöhen. Dies gestattet die Benutzung von billigeren Operationsverstärkern mit großer Drift.

Claims (1)

1. Funktionsformer zur Gewinnung von nichtlinearen Verhältnissen zwischen Ein- und Ausgangssignalen, der einen Operationsverstärker, an dessen Eingang ein Eingangswiderstand angeschlossen ist, ein nichtlineares Element, das elektrisch mit dem Eingang und dem Ausgang des Operationsverstärkers gekoppelt ist, miteinander verbundene Widerstände, von denen der eine an den Eingang und der andere an den Ausgang des Operationsverstärkers gelegt sind, und einen Hauptglättungskondensator, bei welchem der eine Ausgang elektrisch mit dem Verbindungspunkt der Widerstände gekoppelt und der andere Ausgang geerdet ist, enthält, dadurch gekennzeichnet, daß in diesen ein zusätzlicher Operationsverstärker (15), zwei zusätzliche Glättungskondensatoren (11, 12), bei einem von welchen ein Anschluß an den Eingang (14) den zusätzlichen Operationsverstärker (15) und bei dem anderen an den Ausgang (18) dieses zusätzlichen Operationsvers (15) gelegt sind, während deren andere Anschlüsse an den Verbindungspunkt (13) der Hauptwiderstände (7, 10) gelegt sind, und zwei miteinander verbundene zusätzliche Widerstände (16, 19), der eine von welchen an den Eingang (14) und der andere an den Ausgang (18) des zusätzlichen Operationsverstärkers (15) angeschlossen sind, während deren Verbindungspaket (22) an den Hauptglättungskondensator (21) gelegt ist, vorgesehen sind.