DE2758758C3

DE2758758C3 - Nichtlineare Funktionsschaltung

Info

Publication number: DE2758758C3
Application number: DE2758758A
Authority: DE
Inventors: Tsuneyuki Okazaki Egami; Hisasi Toyohashi Kawai; Tokio Nishio Kohama; Hideki Aichi Obayashi
Original assignee: Nippon Soken Inc
Current assignee: Soken Inc
Priority date: 1977-02-25
Filing date: 1977-12-29
Publication date: 1980-10-30
Also published as: DE2758758A1; DE2758758B2; JPS53105334A; US4200843A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine nichtlineare Funktionsschaltung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei solchen Funktionsschaltungen besteht zwischen Eingangssignal und Ausgangssignal eine vorgegebene nichtlineare Beziehung, wobei insbesondere beliebige Segmentfunktionen mit einer gewünschten Eingangs-Ausgangs-Charakteristik bzw. -Kennlinie gebildet wer den sollen.

Bei einer bekannten nichtlinearen Funktionsschaltung der vorstehend genannten Art, wie sie z. B. in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 51-28486 beschrieben ist, treten nachteiligerweise stoß- bzw. sprungartig verlaufende momentane Änderungen der Ausgangsspannung der Funktionsschaltung an den Knickpunkten der als Ausgangssignal erzeugten Segmentfunktion auf.

In Fig. 1 der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der aus der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 51-28486 bekannten nichtlinearen Funktionsschaltun gen dargestellt, während F i g. 2 der Zeichnung eine Eingangs-Ausgangs-Kennlinie der Funktionsschaltung gemäß F i g. 1 veranschaulicht.

In F i g. 1 bezeichnet das Bezugszeichen Ei die Eingangsspannung, während das Bezugszeichen E₀ die Ausgangsspannung bezeichnet, die an einem Lastwiderstand Ri abfällt, welcher mit einem Eingangswiderstand Ri in Reihe geschaltet ist Eine Reihenschaltung aus einem Widerstand R\ und einem NPN-Transistor Th und eine weitere Reihenschaltung aus einem Widerstand R₂ und einem NPN-Transistor Tr₂ sind dem Lastwiderstand R/ parallelgeschaltet, wodurch zwei Schaltstromkreise gebildet werden. Die Bezugszahlen 1 und 2 bezeichnen Verstärker, die jeweils zwei Eingangsanschlüsse mit den dargestellten Polaritäten aufweisen und z. B. aus linearen integrierten Schaltkreisen bestehen, die jeweils die Ausgangsspannung E₀ über Widerstände /?₃ und R₄ als ein Eingangssignal erhalten, während ihnen als Bezugseingangssignale Vorspannungen Vi und V₂ mit der Relation V₂ > Vi > 0 zugeführt werden, so daß ein Vergleich der Ausgangsspannung E₀ mit den Vorspannungen Vi bzw. V2 erhalten wird. Die Ausgänge der Verstärker 1 und 2 sind jeweils mit den Basen der Transistoren Th und Tr₂ über Basisstrombegrenzungswiderstände /?₅ und Λ₆ verbunden, so daß die Transistoren Th und Tr₂ in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen der Verstärker 1 und 2 zur Steuerung des jeweiligen Schaltstromkreises in den Leit- und Sperrzustand geschaltet werden. Die Bezugszeichen D\ und D₂ bezeichnen Dioden mit der dargestellten Polarität, über die die Basis-Emitter-Strecken der Transistoren Th und Tr₂ bei Anliegen einer Spannung in Durchlaßrichtung an den Dioden Di und D₂ kurzgeschlossen werden.

Da bei dieser Schaltungsanordnung die Transistoren Th und Tr₂ beide sperren, bis die Ausgangsspannung E₀ die Bezugsspannung Vi erreicht, steigt die Ausgangsspannung Eo hierbei proportional zu der Eingangsspannung £, zunächst mit der Steigung

d£_;

R₁ + R,

an. Während des Übergangs der Ausgangsspannung E₀ von der Bezugsspannung Vi auf die Bezugsspannung V₂ ist der Transistor Γη durchgeschaltet, während der Transistor Tr₂ weiterhin sperrt, so daß der Anstieg der Ausgangsspannung E₀ proportional zu der Eingangsspannung E₁ nunmehr mit der konstanten Steigung

₁ // R₁

UE₁

R₁ + R₁ Il R₁

bO verläuft. Überschreitet die Ausgangsspannung E₀ auch die Bezugsspannung V₂, so sind beide Transistoren Tr_x und Tr₂ durchgeschaltet und der Anstieg der Ausgangsspannung E₀ vollzieht sich nun proportional zu der Eingangsspannung E, mit der konstanten Steigung

d£„ ₌ R₂ H R₁ Il R,
dE, "R₁ . + R₂ 'Il RJ/ R₁ '

Da somit beim Erreichen der Bezugsspannung Vi durch die Ausgangsspannung E_n aufgrund des Durchschaltens des Transistors Tn die Widerstände R\ und Ri

parallelgeschaltet werden, während beim Erreichen der Bezugsspannung V₂ durch die Ausgangsspannung E₀ aufgrund des dann erfolgenden Durchschaltens auch des Transistors Th der Widerstand R2 den bereits parallelgeschalteten Widerständen R) und Ri parallelgeschaltet wird, tritt jeweils zu diesen Zeitpunkten ein momentaner stoß- bzw. sprungartiger Abfall der Ausgangsspannung Eo an den Knickpunkten der Segmentfunktionskennlinie in der F i g. 2 dargestellten Weise auf.

Aufgabe der Erfindung ist es, den vorstehend beschriebenen Nachteil des Standes der Technik zu beheben und eine nichtlineare Funktionsschaltung zu schaffen, deren Ausgangsspannung sich an den Knickpunkten der Segmentfunktionskennlinie ohne Spannungsstöße bzw. -Sprünge stetig ändert, so daß Abweichungen der Ausgangsspannungskennlinie im Bereich der Kennlinien-Knickpunkte vermieden werden und dadurch jede Segmentfunktion mit der gewünschten Genauigkeit herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Mitteln gelöst.

Hierdurch wird verhindert, daß die Kennlinie im Bereich der Knickpunkte der Ausgangsspannung der Funktionsschaltung stoß- bzw. sprungartige Abweichungen aufweist, wodurch die gewünschte stetige nichtlineare Segmentfunktions-Kennlinie erhalten wird. Die nichtlineare Funktionsschaltung kann hierbei je nach den Erfordernissen eine Vielzahl der genannten Reihenschaltungen aufweisen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild einer nichtlinearen Funktionsschaltung des Standes der Technik,

Fig.2 eine Eingangs-Ausgangs-Kennlinie der Funktionsschaltung gemäß F i g. 1,

F i g. 3 ein Schaltbild einer Ausführungsform einer nichtlinearen Funktionsschaltung gemäß der Erfindung,

Fig.4 eine Eingangs-Ausgangs-Kennlinie der Funktionsschaltung gemäß F i g. 3,

F i g. 5 ein Schaltbild einer zweiten Ausführungsform der nichtlinearen Funktionsschaltung gemäß der Erfindung und

F i g. 6 eine Eingangs-Ausgangs-Kennlinie der Funktionsschaltung gemäß F i g. 5.

Bei der in F i g. 3 dargestellten ersten Ausführungsform der Erfindung bezeichnet das Bezugszeichen £, die Eingangsspannung, während das Bezugszeichen Eo die über einen Eingangswiderstand Λ, erzeugte Ausgangsspannung bezeichnet. Eine Reihenschaltung aus einem Widerstand R\, einem Analogschalter S\ und einer Bezugsspannungsquelle Vi, sowie eine gleichartige Reihenschaltung aus einem Widerstand Rj, einem Analogschalter 52 und einer Bezugsspannungsquelle V₂ sind zwischen einen Ausgangsanschluß Pi und einen Masseanschluß P₂ geschaltet und bilden einen ersten und einen zweiten Schaltstromkreis. Die Bezugszahlen 1 und 2 bezeichnen Ver?Wcher, die jeweils zwei Eingangsanschlüsse mil Ut.π Umgestellten Polaritäten aufweisen und als Eingangssignal die an dem Ausgangsanschluß Pi anstehende Spannung und als Bezugseingangssignale Bezugsspannungen K₁ und V₂ mit der Relation 0 < Vi < V₂ erhalten, so daß die Ausgangsspannung Eo jeweils mit der Bezugsspannung V\ bzw. der Bezugsspannung V2 verglichen wird. Die Ausgänge der Vergleicher 1 und 2 sind jeweils mit dem

Steueranschluß C der Anaiogschalter Si bzw. S₂ verbunden, so daß die Analogschalter Si und S2 in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen der Vergleicher ί und 2 zur Steuerung der zugehörigen Schaltstromkreise geöffnet und geschlossen werden. Im übrigen sind die gleichen Bezugszahlen zur Bezeichnung des Eingangsv/iderstandes, der mit den Analogschaltern in Reihe geschalteten Widerstände, usw. verwendet wie im Falle der Schaltungsanordnung gemäß F i g. 1.

Unter Bezugnahme auf F i g. 4 sollen nachstehend nun Eigenschaften und Funktion der den vorstehend beschriebenen Aufbau aufweisenden ersten Ausführungsform der Funktionsschaltung beschrieben werden.

Da die Ausgangssignale der Vergleicher 1 und 2 beide einen niedrigen Wert aufweisen (der nachstehend einfach durch das logische Symbol »O« bezeichnet ist) und somit beide Analogschalter Si und S₂ abgeschaltet sind, ist die resultierende Steigung der Segmentfunktion gegeben durch:

^d£" = 1

d£,

V_x < E₁, <

Da das Ausgangssignai des Vergleichers 1 einen hohen Wert (der nachstehend einfach mit dem logischen Symbol »1« bezeichnet ist) und das Ausgangssignal des Vergleichers 2 den Wert »O« aufweisen, und somit der Analogschalter Si eingeschaltet und der Analogschalter S2 abgeschaltet sind, ist die resultierende Steigung der Segmentfunktion gegeben durch:

d£„

R₁- + R₁

E₁₁ :

Da die Ausgangssignale der Vergleicher 1 und 2 beide den Wert »1« aufweisen und dementsprechend die Analogschalter Si und S₂ beide eingeschaltet sind, ist die resultierende Steigung der Segmentfunktion gegeben durch:

d E₀ R₁ R₂

dE,

R, + R₁ /,' R₂

wobei R\//R2 der gemeinsame Widerstand der Widerstände R\ und R₂ im parallelgeschalteten Zustand ist.

Da zwischen den Steigungen der vorstehend aufgeführten und in F i g. 4 dargestellten Segmentfunktionsabschnitte 1), 2) und 3) immer die Beziehung

R, + R₁

R₁ // R₂
R- +"R₁" R,

gilt, weist die in F i g. 3 dargestellte Schaltungsanordnung eine Eingangs-Ausgangs-Kennlinie in Form einer Segmentfunktion mit einer allmählich abnehmenden

Steigung auf. Es ist ersichtlich, daß die Anzahl der Knickpunkte dieser Segfmentfunktionskennlinie in Abhängigkeit von der Anzahl der Schaltstromkreise jeden vorgegebenen Wert größer als 1 annehmen kann.

Wenn bei der ^c-haltungsanordnung gemäß F i g. 3 die Ausgangsspannung E_n die Bezugsspannung Vl erreicht, wird der Analogschalter Si geschlossen und der Widerstand R\ mit dem Eingangswiderstand R₁ in Reihe geschaltet, während beim Erreichen der Bezugsspannung V₂ der Analogschalter S₂ geschlossen und der Widerstand R₂ dem Widerstand R\ parallelgeschaltet wird. Zwar ändert sich beim Schließen der Analogschalter Si und S₂ der Widerstandswert zwischen den Anschlüssen P₂ und P3. Da jedoch die Bezugsspannungen V₁ und V₂ jeweils an dem Reihenwiderstand R\ bzw. R₂ anliegen, wird die Ausgangsspannung E₀ jeweils auf den Bezugsspannungswerten V, und V₂ gehalten und damit eine ohne momentane Spannungsstöße bzw. -Sprünge erfolgende stetige Änderung der Ausgangsspannung Eo an den Knickpunkten der Segmentfunktionskennlinie erzielt.

Wenn ein Lastwiderstand zwischen die Ausgangsanschlüsse Pi und Pi geschaltet ist, führt dies lediglich zu einer Änderung der Steigung dEo/dE/, so daß keine Gefahr besteht, daß sich die Ausgangsspannung Eo an dem Knickpunkt stoß- bzw. sprungartig ändert.

Bei der in Fi g. 5 dargestellten Ausführungsform .der Funktionsschaltung, die hinsichtlich ihres Aufbaus der ersten Ausführungsform gemäß F i g. 3 ähnlich ist, wobei gleiche Bauelemente mit den gleichen Bezugszahlen wie in F i g. 3 bezeichnet sind, wird die in F i g. 6 dargestellte Eingangs-Ausgangs-Kennlinie in Form einer Segrnentfunktion erhalten.

Die Ausführungsform gemäß F i g. 5 unterscheidet sich von der in F i g. 3 dargestellten Schaltungsanordnung dahingehend, daß die Polarität der beiden Eingangsanschlüsse der Vergleicher 1 und 2 umgekehrt ist. Bei der Schaltungsanordnung gemäß Fi g. 5 werden die Analogschalter Si und S₂ wie im Falle der Schaltungsanordnung gemäß F i g. 3 entsprechend der Ausgangsspannung £"_o geöffnet und geschlossen. Hierbei lassen sich folgende Fälle unterscheiden:

In diesem Zustand sind die Analogschalter Si und S₂ beide eingeschaltet, so daß die resultierende Steigung der Segmentfunktion gegeben ist durch:

d£„

R, // R₂ R₁-V R₁, R₂

< E₁₁ < 1-2 :

Hierbei ist der Analogschalter Si abgeschaltet, während der Analogschalter S₂ eingeschaltet ist, so daß die resultierende Steigung der Segmentfunktion gegeben ist durch:

d £,

R₁-V R₁

K₂ < E_n :

Hierbei sind die Analogschalter Si und S₂ beide abgeschaltet, so daß sich für die resultierende Steigung der Segmentfunktion ergibt:

d£„

= 1

In den vorstehend aufgeführten Fällen 4), 5) und 6) unterliegen somit die Steigungen der Beziehung

_1 _
R, + R₁ R₂

R, + R₁

so daß eine Eingangs-Ausgangs-Kennlinie in Form einer Segmentfunktion mit allmählich ansteigender Steigung erhalten wird, wie sie in F i g. 6 dargestellt ist.

Sowohl bei dem Schaltungsaufbau gemäß F i g. 5 als auch im Falle des Schaltungsaufbaus gemäß F i g. 3 weist die Ausgangsspannung Eo kurz vor Erreichen und nach dem Erreichen der Bezugsspannung V, den gleichen Wert auf. Auch wenn ein Lastwiderstand zwischen die Ausgangsanschlüsse P₂ und Pj geschaltet wird, ändert sich somit die Ausgangsspannung Eo nicht sprungartig sondern stetig.

Hierzu 3 Blatt Zeichnumicn

Claims

Patentansprüche:

1. Nichtlineare Funktionsschaltung mit zumindest einer aus einem Widerstand und einer Schalteinrichtung bestehenden Reihenschaltung, der ein Eingangswiderstand in Reihe vorgeschaltet ist, zumindest einer Bezugsspannungsquelle und zumindest einem Vergleicher, der eingangsseitig mit dem Verbindungspunkt des Eingangswiderstands und der Reihenschaltung sowie mit der Bezugsspannungsquelle und ausgangsseitig mit einem Steueranschluß der Schalteinrichtung verbunden ist und deren öffnen und Schließen in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleichs seiner Eingangssignale steuert, dadurch gekennzeichnet, daß die Dezugsspannungsquelle (Vw ^2) der Reihenschaltung (Ru Sv, R₂, S₂) des Widerstands (Rv, R₂) mit der Schalteinrichtung (S₁; S₁) in Reihe nachgeschaltet ist, wobei der mit dem Vergleicher (1; 2) gekoppelte 2» Anschluß der Bezugsspannungsquelle mit dem Endanschluß der Reihenschaltung an der Schalteinrichtung verbunden ist.

2. Funktionsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung (Si, S₂) 2ί über den Vergleicher (1, 2) schließbar ist, wenn die Bezugsspannung höher als die Spannung am Ausgangsanschluß ist.

3. Funktionsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung (Su S₂) jo über den Vergleicher (1, 2) schließbar ist, wenn die Bezugsspannung kleiner als die Spannung am Ausgangsanschluß ist.

4. Nichtlineare Funktionsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine ;-, Vielzahl der jeweüs aus dem Widerstand (R\, R₂) und der Schalteinrichtung (Su S₂) bestehenden Reihenschaltungen, eine Vielzahl von jeweils mit einer der Reihenschaltungen verbundenen Bezugsspannungsquellen (V_x, V₂) und eine Vielzahl von jeweils einer w der. Reihenschaltungen zugeordneten und mit dieser verbundenen Vergleichern (1,2).