DE1498151A1 - Schaltungsanordnung zur Integration einmaliger,schnellverlaufender Vorgaenge - Google Patents

Description

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Dipl.IngoDreBr.h.c· Haas· List , Graz (Österreich)

Schaltungsanordnung zur Integration einmaliger, schnellverlauf ender Vorgänge

Auf manchen Gebieten der Meßteohnik besteht die Notwendigkeit, eine Integration der Meßgrößen über bestimmt· Bereiche, ZoB* Zeit- oder Wegabschnitte, durchzuführen, um das gesuchte Meßergebnis zu erhalten* Als Beispiele hiezu seien genannt: Die Berechnung des einem Geschoß erteilten Gesamtimpulses durch Integration des Druckes nach der Zeit_e In gleicher Weise erhält man durch Integration die Verformungsarbeit aus Kraft und Weg, die Energie aus leistung und Zeit, die elektrolytisch umgesetzten Mengen aus Stromstärke und Zeit, die Meng· Umgesetzter radioaktiver Substanzen, die Schwärzung und viel·

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ähnliche Meßwerte,. wie z.B. die trichromatischen Werte bei der Farbmessung»

Die Integration mittels eines der bekannten Geräte-, z.B· ..eines Miller-Integrators, liefert bei einmaligen und sehr schnell verlaufenden Vorgängen nur ungenügende Ergebnissen, und erfordert zusätzlich eine nachträgliche Auswertung oder Bewertung der erhaltenen Integralkurve, So muß in diesen lallen auf die Möglichkeit des Integrierens durch Flächenbestimmung, (Auszählen, Auswägen, Planimetrieren) bzw» einer graphischen Integration, oder auf ein numerisches Verfahren (Simpsonsche Regel), das auf einer quadratischen Interpolation beruht, zurückgegriffen werden. Die hiefür erforderlichen Aufzeichnungen (Oszillogramme) der zu integrierenden Funktion und das nachfolgende Integrationsverfahren sind mit einem hohen Zeitaufwand und, vielfach auch mit beträchtlichen Materialkosten verbunden» Besondere Schwierigkeiten bestehen auch bei den meisten bekannten elektrischen Integrationsverfahren, wenn nicht nach der Zeit, sondern nach irgend einer von der Zeit abhängigen Veränderlichen integriert werden soll. Eine Ausnahme hiezu bietet lediglich eine bekannte Integrieranlage, die aber mit mechanischen Integrationsgetrieben arbeitet»

Die Erfindung beseitigt die genannten Schwierigkeiten .durch die Schaffung einer Schaltungsanordnung, die er ermög- ■:■'.[ licht, das numerische Integrationsverfahren auf elektronischer , Basis rasch und sehr genau bei geringstem Schal tungs aufwand - * anzuwenden» Diese Schaltungsanordnung kennzeichnet sich er— findungsgemäß dadurch, daß ein frequenzmodulierbarer Sägezahn-

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generator vorgesehen ist, der vorzugsweise .eine an sich bekannte Yierschiehtdioden-SGhaltung mit einem !Transistor als · Iiadewiderstand enthält, nand daß die Sägezahnfreguenz mittels des regelbaren Arbeitswiderstandes des Transistors einstell·- bar und durch, eine an den Eingang des iransistors abgegebene Zeitfunktion beeinflußbar ist, daß dem Sägezahngenerator sin Impedanzwandler und diesem ein an sich bekannter Spannungs-« -komparator zum Vergleich der periodischen SageZahnspannung mit der zu integrierenden Spannung nachgeschaltet ist, und daß dem Spaimungskomparator ein ÜND-Gatter folgt, an dessen zweitem Eingang eine frequenzkonstante Spannung liegt, die mittels der frequenz- und breitenmodulierten Impulsspannung des Spannungskomparators in Impulskolonnen über das TTND^Satter einem diesem nachgeschalteten Digitalzähler zuführbar ist, wobei Integrationsgrenzen in Form eines Eechteokimpulees über das Tor des Digitalzählern oder einen dritten Eingang des ÜUE-Gatters einleitbar sind. Mit dieser Schaltungsanordnung wird in ähnlicher Weise wie beim nw&erischen Verfahren auf elektronischem Wege die von der Kurve eingesehlossene Jläehe in gleiche Ilächenstreifen zerlegt« Die Intfgratioa erfolgt durch Bestimmung der Amplituden der Flächenstreifen und anschließende Summenbildung zwischen den. vorgegebenen orenZen. Die Zerlegung der yon der zu integrierenden Kurve y = f (x) eingeschlossenen Fläche in Fläoihenstoeifen ejpfolgt durch den Sägezahngenfiratpr, wobei die durch die Folgefregufaz des Säge<zahngenerators gegebene frei te der Flächenstreifen in gewiese» durch ire^änderung des Innenwideretandes 4es Transistors

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und mit dessen regelbarem Arbeitswiderstand eingestellt werden kann·

Erfolgt die Integration nach, einer beliebigen Zeitfunktion, so kann diese an den Eingang des Transistors gegeben und damit die Streifenbreite in die entsprechende Abhängigkeit von der Zeitfunktion gebracht werden» Da die Sägezahnspannung bei der erfindungsgemäßen Schaltung über einen Impedanzwandler an den Spannungskomparator gelangt, wird jede unerwünschte Frequenzbeeinflussung vermiedene Als Spannungskomparator kann im einfachsten Fall ein Schmitt-Trigger Verwendung finden, wobei die Rückstellung durch die ' abfallende Planke des Sägezahnes erfolgte Die so erhaltenen Reohteokimpulse entsprechen in ihrer Breite jeweils der Amplitude der zu integrierenden Funktion. Der Breite der Impulse entspricht aber auch die Anzahl der an den Zähler gelangenden frequenzkonstanten Zahlfrequonz. Der Zähler zählt summierend die Impulskolonnen und bildet damit das Integral der funktion. Die Integrationsgrenzen werden durch den Torimpuls eingeführt, der den Zähler während dieser Zeit für den Zählvorgang freigibt. Bei Zählern, welche keine Torsteuerung besitzen, kann der Torimpuls auch an den dritten Eingang des UND-Gatters gegeben werden,,

Durch geeignete Wahl der Sägezahnfrequenz und der Zählfrequenz kann eine sehr große Genauigkeit und ein hohes Auflösungsvermögen erreicht werden. Besonders bei langsamen Vorgängen ist das Auflösungsvermögen in erster linie durch das '■ Speichervermögen des*· verwendeten Digitalzählers begrenzt·

Weitere Einzelheiten und Vorzüge der erfindungsgemäßen · Schaltungsanordnung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung hervor, Es' zeigen Figo 1 das Schaltbild einer ersteren Ausführungsform der Erfindung mit digitaler Meßwerterfassuhg, Fig« 2 eine schematischet Darstellung des Meßtrorganges in Diagrammform und Fig. 3 das Schaltbild einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung für Analoganzeige, wobei nur der von der Ausführung der Fig» 1 abweichende Schaltungsteil dargestellt ist.

Die Schaltungsanordnung umfaßt einen Sägezahngenerator 1, der eine an sich bekannte Viersohiohtdiodensehaltung 2 mit einem Transistor 3 als Ladewiderstand enthält» Dem Transistor 3 ist ein regelbarer Arbeitswiderstand 4 zugeordnet. Mit 5 ist der Eingang des Sägezahngenerators 1 bezeichnet, Dem Sägezahngenerator 1 ist ein Impedanzwandler 6 und diesem ein an sich bekannter Spannungskomparator 8 mit einem Eingang für die zu integrierende Spannung 9 nachgeschaltet» 7 bezeichnet die zum Spannungsvergleich-hereingezogene Sägezahnspannung» Dem Spannungskomparator 8 folgt ein UND-Gatter 12 und • diesem ein Digitalzähler 15. Am zweiten Eingang des UND-Gatters 12 liegt eine frequenzkonstante Spannung 11. Integrationsgrenzen in Form eines lechteokimpulses 14 sind entweder über einen dritten Eingang des UND-Gatters 12 oder über das Tor des Digitalzählers 15 einleitbar. Mit 10 ist die vom Spannungskomparator 8 ausgehende frequenz- und breitenmodulierte .Impuls-j spannung und mit 13 eine der an den Digitalzähler 15 gelangenden Impulskolonnen bezeichnet«

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Unter Bezugnahme auf Jig. 2 ergibt sich folgende Funktionsweise der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungι Die Zerlegung der von der zu integrierenden Kurve y = f (x) (9 in Pig· 1 und 2) eingeschlossenen Fläche in Flächenstreifen von der Breite X₁ (7) erfolgt durch den Sägezahngenerator 1. Die Flächenbreite x- der Streifen ist durch die Folgefrequenz dös Sägezahngenerators 1 gegeben, die in gewissen Grenzen durch Veränderung des Innenwiderstandes des ■ Transistors 3 und mittels seines regelbaren Arbeitswider-.Standes 4' eingestellt werden kann.

Soferne die Integration nicht nach der Zeit sondern nach einer anderen Veränderlichen, z»B* einer Zeitfunktion χ a f (t) erfolgt, so wird diese Funktion an d*n Eingang 5 des Transistors 3 abgegeben und damit die Streifenbreite x^ in die entsprechende Abhängigkeit von der Funktion χ = f (t) gebracht. Die vom Sägezahngenerator 1 abgegebene und durch den Impedanzwandler 6 von unerwünschten Frequenzbeeinflussungen frei gehaltene Sägezahnspannung 7 wird im Spannungskomparator 8 mit der zu integrierenden Funktion y = f(x) (9) verglichen. Als Spannungskomparator kann im einfachsten Fall ein Schmitt-Träger verwendet werden, wobei die Rückstellung durch die abfallende Flanke des Sägezahnes erfolgt. Der Spannungskomparator 8 liefert somit eine frequenz- und breitenmodulierte Impulsspannung 10 in Form von Rechteckimpulsen» Diese entsprechen in ihrer Breite B jeweils der Amplitude y„ der Funktion y » f (x) im Abstand χ · Während der Dauer B des / leohteokimpulses 10 wird die frequenzkonstante Spannung 11

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als Zählfrequenz über das UND-Gatter 12 an den Digitalzähler 15 geleitet. Der Breite B_n der Rechteokimpuise 10 entspricht die Anzahl N der Zählfrequenz 1.1'und es gilt H_n « y_.und ιέ =%_n.

Der Zähler 15 zählt summierend die Impulskolonnen 13 und

bildet damit das Integral der Funktion y = f(x)· Der Torimpuls 14 mit der-Dauer χ = n- bis χ = η liefert die Integrationegrenzen, indem er den Zähler 15 während dieser Zeit für den Zählvorgang freigibt. Bei Zählern ohne Torsteuerung wird der Torimpuls 1£ an den dritten Eingang 16 des UND-Gatters 12 gegeben·

Zur Analogdarstellung des zu integrierenden Vorganges wird der Digitalzähler 15 durch den in Fig. 3 dargestellten Schaltungsteil ersetzt. Den Eingang dieses Schaltungsteiles bilden eine Diode 17 mit nachfolgendem Widerstand 18, der mit dem Eingang eines Feldeffekttransistors 20 verbunden ist. Mit dem Widerstand 18 liegt ein über einen Taster 24 entladbarer Kondensator 19 in Serie. Dem Feldeffekttransistor 20 ist eine Meßbrücke mit Drehspulmeßwerk 21 und Potentiometer 23 zur Nullpunkteinstellung .nachgeschaltet. Die Integrationsspannung für oszillographische Aufzeichnungen ist am Arbeitswiderstand 22 des Feldeffekt-Transistors 20 entnehmbar. -

Die Funktion des beschriebenen Sohaltungsteiles ist folgende: Die vom UND-Gatter 12 kommenden Impulekolonnen 13 laden über die Diode 1.7 und den Widerstand 18 den Kondensator 19 auf. Die Ladung dee Kondensators 19, die der Impulsanzahl proportional ist, wird über den Feldeffekt-Transistor 20 mit

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dem Drehspulmeßwerk 21 in Brückensehaltung gemessen» Die. am Arbeitswiderstand. 22 entnehmbare Ladespannung kann zur Darstellung des Integrationsvorganges einem Oszillographen zugeführt werden. Die Ladung am Kondensator 19 wird naoh erfolgter Messung durch den Taster 24 abgeführt»

Bei vielen Anwendungsfällen ist es erforderlich, daß eine schwankende Nüllinie bei der Integration mitberücksichtigt wirde Bei den vorstehend beschriebenen Sehaltungsanordnungen kann dies durch Vorschaltung eines Differenzverstärkers vor den Eingang 9 erfolgen, wobei die zu integrierende Spannung an die beiden Eingänge des Differenzverstärkers angeschlossen wird«

Patentansprüche;

λ η ο ηο / η -π ο ι

Claims (1)

1. Patentansprücheϊ

   S ohaltungaanor dnung zur Integration einmaliger, schnell· verlaufenaer Torgänge nach der Zeit oder einer beliebigen, von der Zeit abhängigen Punktion, dadurch gekennzeichnet , daß ein frequenzmodulierbarer Sägezahngenerator (1) vorgesehen ist, der vorzugsweise eine an sich bekannte Vierschichtdiodenschaltung (2) mit einem !Transistor (J) als ladewiderstand enthält, und daß die Sägezahnfrequenz mittels des regelbaren Arbeitswiderstandes (4·) des Transistors (3) einstellbar und durch eine an den Eingang (5) des !Translators (3) abgegebene Zeitfunktion beeinflußbar ist, daß dem Sägezahngenerator (2) ein Impedanzwandler (6) und diesem, ein an sich bekannter Spannungskomparator (8) zum Vergleich der periodischen Sägezahnspannung (7) mit der zu integrierenden Spannung , (9) nachgeschaltet ist, und daß dem Spannungskomparator (8) ein UHD-Gatter (12) folgt, an dessen zweitem Eingang eine frequenzkonstante-Spannung (11) liegt, die mittels der frequenz-» und breitenmodulierten Impulsspännung (10) des Spannungskomparators (8) in Impulskolonnen (13) über das TJBB-Gratter (12) einem diesem nachgeschalteten Digitalzähler (15) zuführbar ist, wobei Integrationsgrenzen in Form eines Rechteckimpulses (H) über das Tor des Digitalzählers (15) oder einen dritten Eingang des UND-Gatters (12) einleitbar sind· '...'.

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   - ίο -

   2. Schaltungsanordnung nach Anspruch. 1, für Analogdarstellung des zu integrierenden Vorganges,' dadurch gekennzeichnet, daß der Rechteckimpuls (14) am dritten Eingang des MD-Gatters (12) eingeleitet ist, daß dem UND-Gatter (12) eine Diode (17) und dieser ein Widerstand (18) zur Aufladung eines mit ihm in Serie geschalteten, über einen Taster (24) entladbaren Kondensators (19) nachgeschaltet ist, und daß der Kondensator (19) mit dem Eingang eines nachfolgenden Feldeffekt-Transistors (20) verbunden ist, dem eine Meßbrücke mit Drehspulmeßwerk (21) und Potentiometer (23) zur Nullpunkteinstellung folgt, wobei am Arbeitswideratand (22) des Feldeffekt-Transistors (20) die Integrations spannung für oszillographische *Aufzeichnungen entnehmbar ist»

   3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Spannungskomparator (8) an seinem Eingang für die zu integrierende Spannung (9) ein Differenz-verstärker vorgeschaltet ist, an dessen beiden Eingängen die zu integrierende Spannung (9) aufgegeben istο

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