TRIANGULAR VOLTAGE GENERATOR

Abstract: 1. A device for the production of a sawtooth electrical voltage (Ud ) whose amplitude (Ud max ) bears a predetermined ratio (k) to a predeterminable input variable (Uz ), comprising a regulator (8), a change-over device (1) and an integrator (3), wherein the regulation deviation between a theoretical voltage from a d.c. input device, which is proportional to the input variable (Uz ), and a voltage tapped from the integrator output (5) by means of rectifier (7) is fed to the regulator (8) as an actual value, and wherein the change-over device applies the variable, which is derived from the regulation deviation, to the integration input of the integrator (3) in a periodical clock pulse having an alternating plus or minus sign, characterized in that the integrator (3) is provided with a zero point regulation circuit (Figure 8) and a voltage is supplied to the regulator (8) as an actual value by means of the rectifier (7), which voltage is proportional to the average value of the rectified sawtooth voltage (Üd ) at least on a time average (Figure 1).

Description: Vorrichtung zur Erzeugung einer elektrischen Dreiecke spannung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung einer elektrischen Dreieckspannung, deren Amplitude in einem vorgegebenen Verhältnis zu einer vorgebbaren Eingangsgrösse steht. Die Vorrichtung enthält einen Integrator und eine Umschalteinrichtung, die eine der Eingangsgrösse proportionale Eingangsgleichspannung mit einem periodischen Takt mit alternierendem Vorzeichen an den Integrationseingang des Integrators legt. Wird der Eingang eines Integrators mittels eines Schalters, der mit einer vorgegebenen Taktfrequenz fT betätigt wird, abwechselnd direkt bzw. über einen Umkehrverstärker an eine Eingangsspannung uz gelegt, so entsteht am Integratorausgang eine Dreiecksspannung Ud, für deren Amplitude gilt Ud max = wobei die Proportionalitätskonstante k von der Taktfre- quenz fT und der Zeitkonstanten T des Integrators abhängt. Da die zur Integratorbeschaltung nötigen Kapazitäten und Widerstände nur in diskreten Werten gefertigt werden und da sowohl die Taktfrequenz üblicher Frequenzgeber sowie die Kapazitäten, also die Zeitkonstante X, erheblichen Fertigungstoleranzen unterliegen, ist es beim Aufbau eines derartigen Dreiecksgenerators nicht möglich, die Propor tionalitätskonstante k von vornherein festzulegen. Vielmehr muss diese nachträglich auf den gewünschten Wert abgeglichen werden. Insbesondere bei umfangreicheren Anlagen, z.B. bei Rechenanlagen mit Impulsbreiten-Multiplizierern, die derartige Dreiecksspannungen benötigen, ist es jedoch wünschenswert, die Amplituden der einzelnen Spannungen, d.h. die Proportionalitätskonstanten k, von vornherein auf die gewünschten Werte auszulegen und ohne einen zeitraubenden nachträglichen Abgleich nach Herstellung der Anlage auszukommen. Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs angegebenen Art so zu verbessern, dass bereits bei dem Aufbau der Schaltung das Verhältnis zwischen der Eingangsgrösse und der erzeugten Dreiecksamplitude in einem exakt vorgegebenen, gewünschten Verhältnis steht. Gemäss der Erfindung wird dies dadurch erreicht, dass dem Gleichspannungseingang der Umschalteinrichtung die Ausgangsspannung eines Reglers zugeführt wird. Als Regelabweichung wird dem Regler die Abweichung zwischen dem Mittelwert (Ist-Wert) der mittels eines Gleichrichters gleichgerichteten, vom Integrator gebildeten Dreiecksspannung und einem entsprechenden, aus der Eingangsgrösse ±gebildeten Soll-Spannung zugeführt. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Regler ein PI-Verhalten besitzt. Zur Mittelwertbildung ist vorteilhaft wenigstens ein Glättungsglied vorgesehen, das der zur Regelabweichung benötigten Vergleichs stelle vor- oder nachgeschaltet ist. Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen. In den Figuren 1 bis 4 ist mit 1 die Umschalteinrichtung bezeichnet, deren Schalter 2 im Takt eines externen Frequenzgebers betätigt wird und den Eingang eines Integrators 3 abwechselnd direkt oder über einen Umkehrverstärker 4 an eine Eingangsgleichspannung u0 legt. Vom Ausgang 5 des Integrators, an dem die erzeugte Dreiecksspannung Ud anliegt, führt eine Rückführungsleitung 6 zu einem Gleichrichter 7, der durch Vorzeichenumkehr jeweils einer Halbwelle der Dreiecksspannung eine gleichgerichtete Dreiecksspannung ud erzeugt, die die Form einer Dreiecksspannung mit doppelter Frequenz hat (Vollwellengleichrichtung). Der Mittelwert dieser gleichgerichteten Dreiecksspannung entspricht dem halben Amplitudenwert ud max der vom Integrator erzeugten Dreiecks spannung ud. Entsprechend der gewünschten Beziehung wird dieser Mittelwert mit einer aus der Eingangsgrösse gebildeten, entsprechenden Gleichspannung verglichen. In den Ausführungsbeispielen dient als Eingangsgrösse eine Gleichspannung uz. Die bei diesem Vergleich entstehende Regelabweichung wird einem PI-Regler 8 zugeführt, der mit dem Gleichspannungseingang der Umschalteinrichtung 1 verbunden ist. Bei der Ausführungsform nach Figur 1 ist zwischen dem Gleichrichter 7 und einer zur Bildung der Regelabweichung dienenden Vergleichsstelle 10 ein Glettungsglied 11 angeordnet. Dessen Ausgangs spannung ist bei Vollwellengleich richtung gleich der halben Amplitude bzw. bei Halbwellengleichrichtung gleich dem Viertel der Amplitude der vom Integrator 3 erzeugten Ist-Dreiecksspannung. Wird für die Dreiecksspannung der Zusammenhang uz= 1/2 ud max gefordert, so kann in der Vergleichsstufe 10 direkt die Abweichung dieses Mittelwertes von der Eingangsspannung uz gebildet und dem PI-Regler 8 zugeführt werden. Der allgemeinere Zusammenhang uzk=ud max kann durch entsprechende Multiplikation bzw. Division erhalten werden, z.B. durch Verdoppelung des Mittelwertes (bzw. durch Vervierfachung bei Halbwellengleichrichtung) im Multiplikator 12 und gleicheeitige Multiplikation der Eingangs spannung uz mit der Konstanten k im Multiplikator 13. Im Ausführungsbeispiel nach Figur 1 wird das Ausgangssignal des PI-Reglers 8 direkt auf den Gleichspannungseingang der Umschalteinrichtung 1 gegeben. Der PI-Regler regelt die Eingangsgleichspannung u0 der Umschaltvorrichtung solange nach, bis die Regelabweichung verschwindet, d.h. die Amplitude der Dreiecksspannung die geforderte Beziehung erfüllt. Bei einer sprunghaften Änderung der Eingangsgrösse uz führt der Regler die Spannung u0 nach, bis die Amplitude der erzeugten Dreiecksspannung den zum neuen Wert uz gehörenden Wert aufweist. Das dynamische Verhalten bei einer derartigen Nachführung kann durch eine Vorsteuerung noch verbessert werden (Figur 2). Dies wird dadurch erreicht, dass dem Eingang der Umschaltvorrichtung 1 zusätzlich zu dem Ausgangssignal des PI-Reglers 8 eine der Eingangsgrösse entsprechende Spannung (im Ausführungsbeispiel die Eingangs spannung uz selbst) aufgeschaltet ist (Leitung 16). In diesem Fall greift der PkcOltr nur korrigierend ein und beeinfluBt das dynamische Verhalten der Regelstrecke wenig. Hat nämlich der PI-Regler ein bestimmtes Verhältnis zwischen Eingangs spannung und Dreiecksamplitude eingeregelt und wird nun die Eingangsspannung uz sprunghaft erhöht, so wird durch die direkte Aufschaltung von uz die Eingangsgrösse u0 nachgeführt und der Regler führt nur noch eine Feineinstellung ohne wesentliche Verstellung der Regelstrecke aus. Abweichend von Figur 1 wird bei den Ausführungsbeispielen nach Figur 2 und 3 der Mittelwert der gleichgerichteten Dreiecksspannung (Vollwellengleichrichtung) mit 2/k multipliziert (Multiplizierer 22) und mit der Eingangsspannung uz als Sollwert verglichen. Ebenso könnte natürlich auch der geglättete Mittelwert direkt herangezogen und mit der Grösse u. k/2 als Sollwert verglichen werden. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform (Figur 3) wird das Signal des Reglers 8 nicht unmittelbar dem Eingang der Umschalteinrichtung 1 zugeführt, sondern in einem Multiplikator 20 zur Eingangsgrösse uz multipliziert, um die durch Fertigungstoleranzen bedingte mangelhafte Amplitudenverstärkung des Integrators 3 zu korrigieren. Insbesondere Toleranzen und zeitliche Schwankungen des Frequenzgenerators und der den Integrator 3 beschaltenden Kapazitäten (Temperaturschwankungen!) wirken sich multiplikativ in der Amplitude aus. Der Regler greift nach Figur 3 ebenfalls multiplikativ ein und ermöglicht damit ein dynamisch richtiges Verhalten, bei dem der Regler im wesentlichen nur ein statisches Korrektursignal liefert. Abweichend von den Figuren 1 und 2 kann die Glättung vorteilhaft nach der Bildung der Regelabweichung vorgenommen werden. Ein derartiges, hinter der Vergleichsstelle 10 geschaltetes Glättungsglied 21 bewirkt gleichzeitig mit der Glättung des Nittelwertes auch eine Glättung des Eingangswertes, so dass die Regelstrecke bei einer sprunghaften Änderung der Eingangsgrösse uz ein gleiches Zeitverhal ten für den rückzuführenden Ist-Wert und den zuzuführenden Sollwert aufweiset. Eine Ubersteuerung der Dreiecksamplitude über den p-Anteil des Reglers wird vermieden. Entsprechend zu Figur 2 kann auch bei der Ausführungsform nach Figur 3 vorteilhaft eine Vorsteuerung vorgenommen werden, in dem die der Eingangsgrösse entsprechende Span nung uz zusätzlich zum Ausgangssignal des Multiprikators 20 additiv auf den Gleichspannungseingang der Umschalteinrichtung 1 gegeben wird (Leitung 23). In Figur 4 ist eine Vorrichtung nach der Erfindung dargestellt, die im wesentlichen dem Blockschaltbild der Figur 2 entspricht. Der Gleichrichter 7 enthält eine aktive Gleichrichter-Diodenschaltung mit Kompensation der Diodenschwellspannung. Hierzu ist eine Diode 30 vorgesehen, die nur eine, z.B. die negative, Halbwelle einer anliegenden itechselspannung durchlässt. Dieser Diode 30 ist ein Verstärker 31 mit einer Diode 32 in der Rückführungsleitung vorgeschaltet. Parallel zu Diode 30 und Verstärker 31 liegt ein Widerstand 33. An diese Gleichrichterschaltung, an deren Ausgang auf die angegebene Weise gleichzeitig die Spannung Uz für den Ist/Sollwertvergleich aufgeschaltet ist, ist ein Glättungsglid 34 angeschlossen, das eine zweifache Glättung mittels einer Verstärkerschaltung und einer RC-Schaltung bewirkt. Der Gleichrichter 7 ist eine besonders einf che scilaltungs- technische Zusammenfassung verschiedener Funktionglieder, die in Figur 5 und 6 näher erläutert ist. Es soll der Zusammenhang ud max= 1,1 u erreicht werden. Dabei wird eine, z.E. die positive,Halbwelle der Dreiecksspannung verdoppelt und invertiert (Spannungsverlauf UR, Figur 5) und zur Drei- ecksspannung ud addiert, wodurch die argestrobte vollwel- len-gleichgerichteWe Dreiecksspannung Ud entsteht, deren Mittelwert ud max/2 ist. Hierzu dient der Gleichrichter 69 mit der in Figur 6 angegebenen Kompensation der Diodenschwellspannung und das angeschlossene Additionsglied 62. Daran schliesst sich ein Umkehrverstärker 63 mit dem Ver stärkungsverhältnis 1:1,1 an. Es ergibt sich somit ein Istwert der gleichgerichteten Spannung mit dem Mittelwert Ud max12,2, der in einem weiteren Additionsglied 64 mit deru Sollwert u/2 verglichen wird. Als Funktionsglieder 60 bis 64 dienen Operationsversturker, wobei die zur Beschaltung nötigen Widerstände in der angegebenen Weise als Vielfache eines vorgegebenen Widerstandes (z.B. R=20 Ixn) dimensioniert sind. Am Ausgang dieses Gleichrichters 7 steht somit bereits die Regelabweichung zwischen der gleichgerichteten Dreiecksspannung ud (Mittelwert Ud max/2k) und dem Sollwert Uz/2 an. Die Glättung der Regelabweichung in dem Glättungsglied 34 (Figur 4) entspricht einer gleichzsitigen Glättung der Dreiecksspannung und des Soll-Wertes. Anschliessend wird die geglättete Regelabweichung dem Pl-Regler 8 zugeführt, dessen Ausgangsspannung zusammen mit der Spannung uz einer Addierschaltung 35 zugeführt wird. Das dort gebildete Signal u0 wird dann entweder bei geöffnetem Schalter 2 der Umschalteinrichtung 1 ueber den Inverter oder bei geschlossenem Schalter 2 mit entgegengesetztem Vorzeichen an den Integratoreingang gelegt, wobei die Änderung des Vorzeichens beim Schliessen des Schaliers durch eine geeignet gewichtete Addition des invertierten und nichtinvertierten Signals u0 erreicht wird. Die Erfindung ermöglicht es, eine exakte Proportionalität zwischen der Eingangsgrösse und der Amplitude der erzeugten Dreiecksspannung ohne genaue Kenntnis der Taktfrequenz des Taktgebers einzustellen. Ein Abgleich der Taktfre quenz auf die jeweils angestrebte Proportionalitätskon stante entfällt. Daher ist es möglich, eine oder entsprechend Figur 7 mehrere derartige Vorrichtungen 70, 71 (z.B. mehrere Impulsbreitenmultiplizierer einer Anlage) mit einem einzigen externen Frequenzgeber (72) zu betreiben. Insbesondere können für die Taktfrequenz relativ grosse Schwankungen und Toleranzen zugelassen werden, was die Verwendung einfach aufgebauter und billiger Taktgeneratoren ermöglicht. Ferner ist die Amplitude weitgehend unabhängig von Änderungen der Kondensatorkapazitäten und der Taktfrequenzen infolge von Temperaturschwankungen und Langzeitdrift. Die gewünschte Proportionalitätskonstante zwischen Eingangsgrösse und Dreiecksamplitude kann bereits bei der Konzipierung der Anordnung von vornherein festgelegt werden, ohne dass nach Fertigstellung der Schaltung weitere Abgleicharbeiten erforderlich sind. Bei der Gleichrichterschaltung nach Figur 6 war vorausgesetzt, dass vom Integrator 3 eine symmetrische Dreiecksspannung ud geliefert wird. Daher ist vorteilhaft eine Nullpunktsregelschaltung vorgesehen, die einen z.B. durch Nullpunktsverschiebung am Integrator entstehenden Gleichanteil der Dreiecks spannung unterdrückt. Diese Nullpunktsregelschaltung kann vorteilhaft parallel zum Integrator 3 geschaltet sein (Figur 8) und aus einem Glättungsglied 80 und einem nachgeschalteten PI-Regler 81 bestehen. Als Glättungsglied ist nach Figur 8 ein Filter vorgesehen, das aus zwei Widerständen und einem Kondensator in T-Anordnung besteht und Verzerrungen klein hält. Der PI-negler 81 ist aus einem Operati Operationsversterker mit einer RC-Serienschaltung in der Rückführung aufgebaut. Der I-Anteil des Reglers bewirkt die Unterdrückung von Gleichanteilen der Dreiecksspannung, der P-Anteil eine Dämpfung unerwünschter Schwingungen (Stabilisierung). Das invertierte Ausgangssignal des Reglers 81 wird dem Integratoreingang zugeführt. Figur 9 zeigt die Zusammenfassung der Umschalteinrichtung 1, des Integrators 3 und des Nullpunktreglers zu einer kompakten Schaltanordnung. Damit ist eine Symmetrisierung der Dreiecks spannung bei fremdgetakteten Dreiecksspannungs-Generatoren unter Verwendung einfacher Integratoren möglich. 10 Patentansprüche 9 Figuren

Claims: Patentansprüche 1. Vorrichtung zur Erzeugung einer elektrischen Dreiecksspannung, deren Amplitude in einem vorgegebenen Verhältnis zu einer vorgebbaren Eingangsgrösse steht, mit einem Integrator und einer Umschalteinrichtung, die eine der - O-X.gsgröBve p oportievale Eingangspamung in einm periodischen Takt an den Integrationseingang des Integrators mit alternierendem Vorzeichen legt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass dem Gleichspannungseingang der Umschalteinrichtung (1) die Ausgangsspannung eines Reglers (8) und dem Regler (8) die Regelabweichung zwischen dem Mittelwert (Ist-Wert) der mittels eines Gleichrichters (7) gleichgerichteten Dreiecksspannung 7d und einem entsprechenden, aus der Eingangsgrösse (uz) gebildeten Soll-Spannung zugeführt ist (Figur 1). 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass einer die Regelabweichung bildenden Vergleichsstelle (10) wenigstens ein Glättungsglied (11, 34) zur Nittelwertbildung vor- oder nachgeschaltet ist. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Regler (8) ein PI-Verhalten besitzt. 4. Vorrichtung nach einer der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die dem Gleichspannungseingang zuzuführende Ausgangs spannung des Reglers mit der Eingangsgrösse (uz) multipliziert ist (Figur 3). 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass dem Gleichspannungseingang der Umschalteinrichtung zusätzlich zur Ausgangsspannung des Reglers eine der Eingangsgrösse entsprechende Spannung (uz) zugeführt (16, 23) wird (Figur 2, Figur 3). 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Gleichrichter (7) eine aktive Gleichrichter-Dioden-Schaltung (30, 31, 32) mit Kompensation der Diofenschwellspannung besitzt. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Integrator (3) mit einer Nullpunktsregelschaltung (80, 81) versehen ist. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zur Nullpunktsregelung das Integratorausgangssignal über ein Glättungsglied (80) und einen nachgeschalteten PI-Regler (81) zuui Integratoreingang zurückgeführt ist. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Taktfrequenz extern vorgegeben ist. 10. Anordnung mit mehreren Vorrichtungen nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Vorrichtungen (70, 71) an eine gemeinsame Taktfrequenz (72) angeschlossen sind.

Inventors: RENG, LEONHARD, DIPL.-ING.
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT BERLIN UND MUNCHEN
Application year: 1980
Main classification: H03K4
IPC codes: H03K4