DE2343092C3 - Programmierbarer Funktionsgenerator - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen programmierbaren Funktionsgenerator zur Erzeugung einer Ausgangsspannung als Funktion eines veränderbaren Eingangssignals mit einem Netzwerk und einer Steuerschaltung, welche den Ausgang in Abhängigkeit eines Taktgebers an jeweils eine Stufe des einseitig am Eingangssignal liegenden Netzwerkes schaltet

Zur Steuerung von Prozessen, z. B. Belastungsvorgängen, werden häufig Spannungen benutzt, die jeweils einen exakt reproduzierbaren Verlauf haben müssen. Hiei-zu ist es üblich, Funktionsgeneratoren zu verwenden, die in der Regel ein Netzwerk aufweisen, das in Abhängigkeit eines Eingangssignals durch entsprechende Steuerung die gewünschte Ausgangsspannung liefert Im einfachsten Fall kann ein derartiges Netzwerk durch einen mehrstufigen Spannungsteiler gebildet werden, dessen einzelne Stufen über Schalter zu einem Ausgang führen. Durch entsprechende Steuerung dieser Schalter kann man somit am Ausgang dieses Netzwerkes eine sich stufenförmig ändernde Spannung entnehmen, die sich dem gewünschten Verlauf um so mehr nähert, je größer die Zahl der Stufen ist

Es ist bekannt, sowohl mechanisch verstellbare als auch kontaktlose Schalter zur Einstellung derartiger Netzwerke zu verwenden und diese Schalter mit Hilfe einer Steuerschaltung entsprechend anzusteuern. Ein Funktionsgenerator, der mit Potentiometern und mechanischen Schaltern aufgebaut ist, ist wegen seiner vielen mechanischen Glieder sehr störanfällig und entspricht daher nicht mehr dem neuesten Stand der Technik. Unbefriedigend ist auch die Tatsache, daß der jeweils gewünschte Spannungsverlauf sich mit der notwendigen Genauigkeit nicht reproduzieren läßt, da die Potentiometer und Schalter wegen ihrer relativ großen Massen sich mit den erforderlichen kurzen Schalt- und Stellzeiten nicht einstellen lassen.

Bei einem anderen aus der DE-AS 1215 965 bekannten Verfahren werden die gewünschten Ausgangsspannungen mit Hilfe eines Digitalrechners erzeugt, der durch die Errechnung von Zwischenwerten recht gut in der Lage ist, einen Spannungsverlauf mit beliebig kleinen Stufen anzunähern. Die zur Berechnung der Zwischenwerte vorgegebenen Spannungsanfangsund Spannungsendwerte werden dabei für die Zeit des Rechenvorganges in Zwischenspeichern gespeichert, während ein weiterer Informationsspeicher eine einen geraden- oder einen kreisförmigen Verlauf bestimmende Informationen erhält zur Einstellung der Rechenschaltung für den jeweiligen Spannungsverlauf. Diese

Art der Erzeugung gewünschter Spannungsverläufe erfordert einen Kleinrechner, der aber bei sehr feiner Stufung der Ausgangsspannung und bei Versorgung mehrerer Kanäle sehr schnell seine Leistungsgrenze erreicht. Da aber der Aufwand eines derartigen

Funktionsgenerators durch den Kleinrechner schon beträchtlich ist, würden größere und leistungsfähigere Rechner einen nicht zu vertretenden Aufwand bedeuten.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die

^b5 Leistungsfähigkeit eines von einer Eingangsspannung abhängigen aus einem durchschaltbaren Netzwerk und einer Steuerschaltung bestehenden Funtionsgenerators zur Erzeugung beliebiger Spannungsverläufe wesentlich

zu verbessern. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Steuerschaltung den Ausgang des Netzwerkes zyklich vom Fußpunkt zum Hochpunkt durchschaltet und daß die Ausgangsspannung der jeweils letzten Schaltstufe innerhalb ihrer Durchschaltzeit Ober einen Speicher in den jeweiligen Fußpunkt des Netzwerkes als Aniangswert für den nachfolgenden Durchlauf auf den neu vorgegebenen Wert der Eingangsspannung einschaltbar ist

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Maßnahme ist es möglich, einen leistungsfähigen Funktionsgenerator mit relativ wenig Aufwand aufzubauen und Ausgangsspannungen sehr gut reproduzierbaren Verlaufs zu erzeugen.

Eine besondere Ausführungsform besteht darin, daß beide Seiten des Netzwerkes mit einem Speicher versehen sind, auf die wechselweise das Eingangssignal geschaltet wird und das dann die Schaltstufen vor- und rückwärtslaufend durchgeschaltet werden.

Es ist zweckmäßig, die Ausgänge jeder zweiten Stufe des Netzwerkes über einen Impedanzwandler auf eine Seite eines stufenförmig umschaltbaren mit der anderen Seite ebenfalls über einen Impedanzwandler an den Ausgängen der Zwischenstufen des Netzwerkes liegenden Unternetzwerk zu schalten und bei der Durchschaltung der Stufen des Netzwerkes jeweils zwei Schalter benachbarter Netzwerkstufen derart schrittweise durchzuschalten, daß ein Schalter für jeweils zwei Schaltperioden geschlossen ist Auf diese Weise ist es möglich, mit relativ wenig Schaltern Ausgangsspannungen sehr feiner Stufungen zu erzeugen.

Für die Erzeugung der jeweils gewünschten Ausgangsspannung ist es möglich, die Schaltzeiten der Netzwerkstufen auf gleiche Werte zu bemessen und den Verlauf der Ausgangsspannung durch Bemessung der Netzwerkstufen zu bestimmen. Es ist aber auch möglich, die Neztwerkstufen auf gleiche Werte zu bemessen und den Verlauf der Ausgangsspannung durch variable Schaltzeiten der einzelnen Stufen zu bestimmen.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine Prinzipschaltung des erfindungsgemäßen Funktionsgenerators,

F i g. 2 ein Netzwerk zur Erzeugung einer feinstufigen Ausgangsspannung,

Fig.3 ein umschaltbares Netzwerk zur Erzeugung verschiedener Ausgangsspannungsverläufe und

F i g. 4 ein Blockschaltbild für einen digital steuerbaren Funktionsgenerator.

Das in F i g. 1 dargestellte Prizipschaltbild zeigt ein Netzwerk 10, das aus einer Reihenschaltung mehrerer Widerstände /?i bis R_n besteht Die Eingangsspannung Ue wird dem Netzwerk 10 an der höchsten Stufe, das heißt oberhalb von R_n zugeführt, während der Fußpunkt des Netzwerkes am Ausgang eines an Masse liegenden, zur Entkopplung dienenden Impedanzwandlers 12 Hegt Der Eingang des Impedanzwandlers 12 erhält von einem als Speicher dienenden Kondensator 11 die Eingangsspannung über einen Schalter Su dessen andere Seite am Hochpunkt des Netzwerkes liegt. Die einzelnen Stufen des Netzwerkes 10 sind über Schalter Si bis S_n auf einen geme^iri!>an>cn Ausgang schaltbar, wobei der Schalter S_n gleichzeitig mit dem Schalter Sl angesteuert wird. Zur Steuerung des Netzwerkes ist eine Steuerschaltung vorgesehen, die aus einem Taktgeber 13, einem davon angesteuerten Zähler 14 und einem Dekoder 15 besteht. Der durch den Zähler 14 angesteuerte Dekoder 15 schaltet die Schalter Si bis S_n schrittweise auf den Ausgang, so daß diesem eine Spannung entnehmbar ist, die von der Bemessung der Widerstände R\ bis R_n abhängt Bei gleichen Schaltzeiten und gleichen Widerstandswerten ist dem Ausgang bei konstanter Eingangsspannung Ue somit eine treppenförmige Ausgangsspannung entnehmbar, deren Stuten gleiche Werte aufweisen. Mit dem Schalten der letzten Stufe S_n erhält der Ausgang die Eingangsspannung Ue durchgeschaltet und gleichzeitig wird mit dem Schließen des Schalters Sl die Eingangsspannung über

ίο den Speicher 11 auf den Impedanzwandler 12 geschaltet Somit wird die Eingangsspannung wänrend der Schaltzeitig von St in den FuBpunkt des Netzwerkes 10 eingespeist, so daß über diesem keine Spannung besteht Je nach dem, wie die Eingangsspannung danach geändert wird, kann mit einem erneuten Durchlauf der Schalter Si bis S_n entweder ein Anstieg oder Abfall der Ausgangsspannung erzeugt werden. Eine sich während eines Durchlaufs ändernde Eingangsspannung beeinflußt natürlich in direkter Weise auch die Ausgangs- spannung. Die Stufen der einzelnen Widerstände R\ bis R_n sind nach den jeweils gestellten Forderungen entsprechend zu bemessen. Bei dieser Prizipdarstellung erfolgt die Durchschaltung der einzelnen Stufen nur in Richtung Si bis S_n. Es ist aber auch möglich, die Schaker Si bis S_n vor- und rücklaufend zu betreiben. Dabei ist es erforderlich, die obere Seite des Netzwerkes ebenfalls mit einem Speicher zu versehen und das Eingangssignal entsprechend abwechselnd auf die beiden Speicher zu schalten. Bei dieser Version entfällt der Schalter Si,

Im Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 ist eine Prinzipschaltung für einen Funktionsgenerator zu sehen, bei dem dem Netzwerk 10 ein Unternetzwerk 20 zur Erzeugung feinstufiger Ausgangsspannungen nachgeschaltet ist. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die Einzelheiten, die bereits im Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 erläutert sind, nicht näher eingegangen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist jede zweite Stufe des Netzwerkes 10 über einen Impedanzwandler 21 auf eine Seite eines Unternetzwerkes 20 geschaltet, dessen andere Seite über einen Impedanzwandler 22 auf die Zwischenstufen des Netzwerkes 10 schaltbar ist Die Impedanzwandler 21, 22 sind hier ebenfalls zur Entkopplung vorgesehen. Das Unternetzwerk 20 besteht aus einer Reihenschaltung mehrerer Widerstän-

*⁵ de RSt bis RS_m wobei jede Stufe über einen Schalter SSi bis SS_n auf den Ausgang schaltbar ist Die Schalter Si bis S_n des Netzwerkes 10 werden derart schrittweise durchgeschaltet, daß jeweils zwei benachbarte Schalter Si, Sb; S2, S3 für jeweils zwei Schaltperioden durchge schaltet sind. Auf diese Weise wird der Spannungsabfall über den jeweils durchgeschalteten Widerständen auf das Unternetzwerk geschaltet und von diesem durch die Schalter SSi bis SS_n noch weiter abgestuft. Am Ausgang kann somit eine feinstufigere Spannung entnommen werden. Die Stufen des Unternetzwerkes 20 müssen dabei fortlaufen von oben nach unten beziehungsweise unten nach oben durchlaufen werden, da durch die hier gewählte Art der Aufschaltung die Zuschaltung der Stufe aus dem Netzwerk 10 zwischen den Seiten des Unternetzwerkes wechselt. Mit Hilfe des Unternetzwerkes 20 läßt sich somit eine feinstufige Ausgangsspannung erzielen, da der Spannungsabfall über den Stufen des Netzwerkes 10 durch die Stufen des Un lernetzWerkes 20 zusätzlich abgestuft wird. Die

^b5 hierzu notwendige Zahl der Schalter ist dabei relativ gering, da sich die Zahl der Gesamtstufen aus der Multiplikation der Stufen des Netzwerkes 10 mit den Stufen des Unternetzwerkes 20 ergibt

Beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 ist ein Netzwerk 10 zu sehen, das durch Zusatz-Widerstände RZu RZi ... RZ„-u RZ_n ergänzt wurde und zur Erzeugung einer Ausgangsspannung mit veränderbarem Verlauf dient. Die Widerstände RZ werden hierbei mit Hilfe zweier Schalter Ku K₂ zugeschaltet und ändern die Stufen des Netzwerkes 10 derart, daß sich bei gleichen Schaltzeiten am Ausgang der geänderte Spannungsverlauf entnehmen läßt. Bei diesem Beispiel hat das Netz 10 einen linearen Verlauf. Durch Zuschalten der Widerstände ÄZIäßt sich ein kosinusförmiger Verlauf erreichen, wobei auch Kombinationen möglich sind. Die Bemessung der einzelnen Widerstände stellt in diesem Zusammenhang nichts besonderes dar, so daß darauf nicht näher eingegangen wird. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist es möglich, von einem Unternetzwerk, wie zuvor beschrieben, Gebrauch zu machen, um eine feinere Abstufung der Ausgangsspannung zu erhalten.

Beim letzten Ausführungsbeispiel nach F i g. 4 ist ein Blockschaltbild zu sehen, das für einen Funktionsgenerator mit digitaler Ansteuerung vorgesehen ist. Da es häufig vorkommt, daß die Eingangsspannung Ue in digitaler Form vorliegt, ist es zweckmäßig, den Zwischenspeicher ebenfalls digital aufzubauen. Ein derartiger Funktionsgenerator bietet besondere Vorteile bei der Erzeugung von Ausgangsspannungen, deren Werte sich relativ langsam ändern, denn bei einer Analogspeicherung können durch Leckströme Driften entstehen, wodurch der Verlauf der Ausgangsspannung in ungewünschter Weise beeinflußt werden kann.

Bei dem in F i g. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Eingangssignal in digitaler Form in einen Digitalspeicher 30 eingegeben, der durch eine Steuerschaltung 31 beeinflußbar ist Das Ausgangssignal des Digitalspeichers 30 gelangt über einen Digital-Analogwandler 33 zu dem Widerstandsnetzwerk, das hier ebenfalls als Block 32 angedeutet ist Da die. Eingangsspannung mit dem Erreichen der höchsten Stufe im Netzwerk über einen Speicher in den Fußpunkt des Netzwerkes eingespeist werden soll, wird das in digitaler Form vorliegende Eingangssignal vom Speicher 30 durch einen Befehl der Steuerschaltung 31 in den digitalen Zwischenspeicher 35 übernommen und

ίο dann über einen Digital-Analogwandler 36 in den Fußpunkt des Netzwerkes 32 eingespeist. Die Steuerschaltung 31 steuert das Netzwerk 32 in einer bei den zuvor abgehandelten Ausführungsbeispielen geschilderten Weise. Auch hier besteht die Möglichkeit, daß die digitalen Eingangsdaten wechselweise direkt in die Speicher 30 und 35 eingegeben werden, und die Schalter des nachgeschalteten Netzwerkes — wie bereits beschrieben — entsprechend vor- und rückwärtslaufend angesteuert werden.

Der erfindungsgemäße Funktionsgenerator hat den Vorteil, daß durch den Einsatz derartiger Netzwerke aufwendige Rechenvorgärige entfallen, so daß sich preiswerte Kleinrechner zur Steuerung einsetzen lassen. Da anstatt der Einzelwerte nur noch zwei Funktionsendwerte für einen Ausgangsspannungsverlauf erforderlich sind, ist ein Kleinrechner in der Lage, mehrere Kanäle mit relativ hoher Frequenz gleichzeitig zu bedienen, ohne an seine Leistungsgrenze zu geraten. Ein weiterer Vorteil ist in der Verwendung von Lochstrei-

jo fenlesern zur Erzeugung bestimmter Spannungsverläufe beim Einsatz des erfindungsgemäßen Funktionsgenerators zu sehen, was sich besonders dann als sinnvoll erweist, wenn relativ einfache, immer wiederkehrende Vorgänge auszulösen sind.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Programmierbarer Funktionsgenerator zur Erzeugung einer Ausgangsspannung als Funktion eines veränderbaren Eingangssignals mit einem Netzwerk und einer Steuerschaltung, welche den Ausgang in Abhängigkeit eines Taktgebers an jeweils eine Stufe des einseitig am Eingangssignal liegenden Netzwerkes schaltet, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (13,14, 15; 31) den Ausgang (U_A) des Netzwerkes (A₁, R₂, R_n) zyklisch (S_t, S₂, ... S_n) vom Fußpunkt zum Hochpunkt durchschaltet und daß die Ausgangsspannung der jeweils letzten Schaltstufe (S_n) innerhalb ihrer Durchschaltzeit über einen Speicher (U, 35) in den jeweiligen Fußpunkt des Netzwerkes als Anfangswert für den nachfolgenden Durchlauf auf den neu vorgegebenen Wert der Eingangsspannung einschaltbar ist

2. Funktionsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge jeder zweiten Stufe des Netzwerkes (10) über einen Impedanzwandler (21) auf eine Seite eines schrittweise durchschaltbaren, mit der anderen Seite ebenfalls über einen Impedanzwandler (22) an den Ausgängen der Zwischenstufen des Netzwerkes (10) liegenden Unternetzwerkes (20) schaltbar sind und daß bei der Durchschaltung der Stufen des Netzwerkes (10) jeweils zwei Schalter (S\, S₂; S₂, S₃) benachbarter Netzwerkstufen derart schrittweise durchschaltbar sind, daß ein Schalter für jeweils zwei Schaltperioden durchgeschaltet ist.

3. Funktionsgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (11) durch einen Kondensator gebildet ist.

4. Funktionsgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher als digitaler Zwischenspeicher (35) ausgebildet und über einen Digital-Analogwandler mit dem Fußpunkt des Netzwerkes (22) verbunden ist.

5. Funktionsgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung aus einem von dem Taktgeber (13) angesteuerten Zähler (14) besteht, der über eine Dekodierstufe (15) die Schalter (S, SS) des Netzwerkes (10, 20; 32) ansteuert.

6. Funktionsgenerator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zähler (14) als Vorwärts-Rückwärts-zähler ausgebildet ist und eine Auf- und Abwärtssteuerung der Netzwerkstufen gestattet, wobei das Netzwerk (10) zwischen zwei Speichern liegt, denen das Eingangssignal entsprechend der Steuerung wechselweise zuführbar ist.

7. Programmierbarer Funktionsgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß den Netzwerken zur Beeinflußung des Ausgangsspannungsverlaufs Elemente zu- und/oder abschaltbar sind.

8. Funktionsgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltzeiten für die Netzwerkstufen auf gleiche Werte bemessen sind und daß der Verlauf der Ausgangsspannung durch die Bemessung der Netzwerkstufen bestimmt ist.

9. Funktionsgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Netzwerkstufen gleiche Werte aufweisen und der Verlauf der Ausgangsspannung durch variable Schaltzeiten der einzelnen Stufen bestimmt ist