Integrierschaltung zum Erzeugen eines elektrischen Signals, dessen Spannung sich in einem bestimmten zeitlichen Verhältnis ändert
Die Erfindung bezieht sich auf eine Integrierschaltung zum Erzeugen eines elektrischen Signals, dessen Spannung unmittelbar nach einer Periode, während welcher die Spannung konstant bleibt, sich in einem bestimmten zeitlichen Verhältnis ändert, ohne einen Spannungssprung zwischen den beiden Perioden aufzuweisen. Solche Schaltungen werden beispielsweise zur Ausrüstung von Kathodenstrahloszillographen angewandt, wo das von der Integrierschaltung gelieferte Signal die Bewegung des Elektronenstrahls im Zeitkreis steuert.
Eine andere Anwendung der Integrierschaltung ergibt sich für die Steuerung der Bewegung eines verstellbaren Teils verschiedener Einrichtungen, insbesondere von Zugfestigkeitsprüfeinrichtungen. In einer Ausführungsform einer solchen Zugfestigkeitsprüfeinrichtung ist ein Probestück, zum Beispiel ein Garnstück, zwischen eine bewegliche und eine feststehende Klammer geklemmt. Die bewegliche Klammer wird zum Verlängern und Spannen des Probestücks bewegt, und die feststehende Klammer dient zum Messen der Zugkraft während des Streckens des Probestücks. Es ist bekannt, dass sich die bewegliche Klammer normalerweise mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegen muss. Im vorliegenden Fall kann die Bewegung durch eine Integrierschaltung gesteuert werden.
Ein besonderer Vorteil dieser Steuerungsart ist, dass sie ohne grossen Aufwand so auslegbar ist, dass die bewegliche Klammer für unterschiedliche Probestücke mit verschiedenen Geschwindigkeiten bewegt werden kann. Eine bekannte Integrierschaltung weist einen Differential-Verstärker mit hohem Verstärkungsgrad und hoher Impedanz auf und besitzt eine kapizitive Rückkopplung des Ausgangs an einen ihrer Eingänge. Die nachstehend erwähnten Verstärker sind Einrichtungen dieser Art. Der mit der Rückkopplung verbundene Eingang ist ebenfalls mit einem Widerstand verbunden, während der nicht rückgekoppelte Eingang geerdet ist. Die Schaltung arbeitet so, dass an das dem Verstärkeranschluss gegenüberliegende Ende des Widerstandes eine Spannung angelegt wird. Diese bewirkt, dass sich die Spannung am Ausgang in einem konstanten Verhältnis zur Rückkopplungsanordnung zu ändern beginnt.
Sobald der Ausgang stabilisiert ist, folgt diesem Vorgang eine Periode, während welcher das dem Verstärkeranschluss gegenüberliegende Ende des Widerstandes geerdet und die Rückkopplung unterbrochen wird. Normalerweise wird der Schaltungsausgang auf Erdpotential stabilisiert; es kann ihm aber auch eine Vorspannung angelegt werden, um ihn auf irgendein gewünschtes Referenzpotential zu bringen.
Es ergibt sich daraus, dass eine solche Integrierschaltung zwei Grundbetriebszustände aufweist, nämlich den Ruhe -Zustand, während dessen die Spannung des Ausgangs-Signals konstant ist, und den Arbeits > - Zustand, während dessen die Spannung am Ausgang sich entsprechend der Spannung am Eingang ändert.
Ein Nachteil solcher Schaltungen ist jedoch, dass der Übergang vom einen zum andern Zustand von einem scharfen Spannungswechsel, normalerweise einem Spannungsabfall, begleitet ist. Man bezeichnet dies als Sprung > in einer Wellenaufzeichnung. Die Ursache des Sprungs liegt in der Arbeitsweise der oben beschriebenen Integrierschaltung. Wenn sie sich in ihrem Arbeits -Zustand befindet, hält die Schaltung die Spannungen an ihrem Eingang auf dem selben Wert, normalerweise auf Erdpotential, sofern eine allfällige Potentialveränderung im Verstärker nicht berücksichtigt wird. Dies ist deshalb so, weil irgendeine Differenz zwischen den Spannungen an den Eingängen des Verstärkers ein Signal an den Ausgang liefert, welches über die Rückkopplung dazu tendiert, die Eingänge auf den selben Potentialwert zu bringen.
Dagegen werden während der Zeit, in der sich die Schaltung in ihrem 6;Ruhe -Zustand befindet und die Rückkopplung unter brochen ist, die Spannungen an den Eingängen nicht auf dem selben Wert gehalten. Sobald jedoch die Rückkopplung wieder eingeschaltet wird, korrigiert das sofortige Ansprechen des Verstärkers die Differenzen der Spannungen an seinen Eingängen, was den erwähnten Sprung erzeugt.
Während die Anwendung einer konventionellen Integrierschaltung für gewisse Fälle zulässig ist, ist sie dort nicht allgemein gegeben, wo der Ausgang der Schaltung die Bewegung eines Teils einer Einrichtung steuert, beispielsweise die bewegliche Klammer einer Zugfestigkeitsprüfeinrichtung, die progressiv bewegt werden muss.
Die erfindungsgemässe Integrierschaltung zum Erzeugen eines elektrischen Signals, dessen Spannung sich in einem bestimmten zeitlichen Verhältnis ändert, ist dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Verstärker besitzt, dessen Ausgang über einen einen Kondensator aufweisenden Rückkopplungsweg mit einem ersten Eingang an diesem Verstärker verbunden ist, welcher auch mit dem einen Ende eines Widerstands in Verbindung steht, dass eine Einrichtung zum Anlegen einer ersten Spannung an einen zweiten Eingang am Verstärker vorhanden ist, dass der Wert der ersten Spannung so gewählt ist, dass die Ausgangsspannung am Verstärker einen bestimmten konstanten Wert aufweist, während das dem Verstärker abgewandte Ende des Widerstandes an Erde gelegt ist, und dass mindestens ein Schalter dazu dient,
den genannten Widerstand vom Erdpotential zu trennen und ihn mit einer Spannungsquelle mit einer zweiten Spannung zu verbinden, damit, während die erste Spannung am zweiten Eingang angelegt ist, die Spannung am Ausgang des Verstärkers sich mit einem konstanten zeitlichen Verhältnis zu ändern beginnt.
Es sei vorausgesetzt, dass der Ausdruck Erde in der Beschreibung als ein konstanter Spannungs-Bezugswert verstanden wird. Dieser beträgt üblicherweise, je doch nicht in jedem Fall, ungefähr null Volt.
Die Mittel zum Anlegen der ersten Spannung können üblicherweise ein geschlossener Teilstromkreis sein, der den Ausgang eines ersten Verstärkers mit dem Eingang eines zweiten Verstärkers verbindet, dessen Ausgang mit dem zweiten Eingang des ersten Verstärkers in Verbindung steht. Wenn der erste Eingang des ersten Verstärkers an Erde liegt und der zweite Eingang des zweiten Verstärkers mit einer weitern Quelle konstanter
Spannung verbunden ist, kann die Schaltung sich selbst stabilisieren, wobei die Spannung am Ausgang des ersten Verstärkers ungefähr gleich ist der Spannung an der genannten weitern Stromquelle, welche auf dem gewünschten Referenzspannungswert für den Ausgang des Verstärkers gehalten ist, bevor die Spannungsänderung im erwähnten konstanten Verhältnis beginnt.
Die Spannung am Ausgang des zweiten Verstärkers, die dem zweiten Eingang des ersten Verstärkers zugeführt wird, ist dann auf jenem Wert gehalten, den sie erreicht hat, wenn die Schaltung über einen Speicherkondensator stabil geworden ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im fol genden anhand der Zeichnung beschrieben, in der
Fig. 1 ein Schema der Integrierschaltung, und
Fig. 2 ein Diagramm der Ausgangsspannung (E) der in Fig. 1 gezeigten Integrierschaltung in Funktion der Zeit (T) zeigt.
Der Ausgang 1 des in Fig. 1 mit Al bezeichneten Verstärkers ist über eine Rückkopplungsanordnung, die einen Widerstand Rl und einen Kondensator C1 aufweist, mit einem ersten Eingang 2 verbunden. Der Ausgang 1 des Verstärkers Al, dessen Spannung mit EO bezeichnet wird, ist auch mit einem Eingang 3 eines zweiten Verstärkers A2 verbunden. Der Ausgang 4 des zweiten Verstärkers ist über einen Widerstand R2 und einen Relaisschaltkontakt L1 (in der entregten Stellung gezeigt) mit dem zweiten Eingang 5 des Verstärkers Al verbunden. Der zweite Eingang 6 des Verstärkers A2 ist mit dem Schleifkontakt 7 eines variablen Widerstandes RV1 verbunden, dessen eines Ende bei 8 geerdet ist, während das andere an einem Potential El liegt. Die Spannung am Schleifkontakt 7 ist eine Teilspannung von El und wird mit E2 bezeichnet.
Der Eingang 5 des Verstärkers Al ist ebenfalls mit der einen Seite eines zweiten Kondensators C2 verbunden, dessen andere Seite bei 9 geerdet ist. Der Eingang 2 des Verstärkers Al ist über einen dritten Widerstand R3 und einen zweiten Relaisschaltkontakt L2 (in der entregten Stellung gezeigt) bei 9 an Erde gelegt, und über einen vierten Widerstand R4 und einen dritten und vierten Relaisschaltkontakt M1 und N1 (beide in der entregten Stellung gezeigt) bei 10 an Erde gelegt.
Die Erregung des Relais zu Kontakt Nl bewirkt, dass der Eingang 2 des Verstärkers Al über den Widerstand R4 und den Kontakt M1 mit einer Stromquelle verbunden wird, deren Spannung mit E3 bezeichnet ist.
Das Schema zeigt den Zustand, bei dem durch die Stellungen der Schalter die Spannung EO konstant gehalten wird, d. h. den Ruhe -Zustand. Der Eingang 2 des Verstärkers Al ist über den niederohmigen Widerstand R3 und den Kontakt L2 bei 9 an Erde gelegt.
Damit ist ein selbstkompensierender, geschlossener Stromkreis über die Verbindungen zwischen den Verstärkern Al und A2 erstellt. Die Spannungen in diesem geschlossenen Stromkreis sind, abgesehen von kleinen Differenzen zwischen den Spannungen an den Eingängen 2 und 5, bzw. 3 und 6 der bezüglichen Verstärker Al bzw. A2, konstant. Weil der Widerstand R2 nieder ohmig ist und hauptsächlich zur Stromkreisstabilisierung dient, entspricht die Spannung am Ausgang 4 des Verstärkers A2 praktisch dem Erdpotential, während die Spannung am Ausgang 1 des Verstärkers Al praktisch dem Potential E2 entspricht. Weil Verstärker mit einem sehr hohen Verstärkungsgrad angewendet werden, kann für praktische Anwendungsfälle erwogen werden, für EO und E2 gleiche Werte zu wählen.
Durch die Verbindung des Ausgangs 4 des Verstärkers A2 über den Kondensator C2 mit Erde bei 9 und die zusätzliche Verbindung zwischen dem Ausgang 4 und dem Eingang 5 des Verstärkers Al wird der Kondensator C2 auf eine mit E4 bezeichnete Spannung aufgeladen. Der Wert der Spannung E4 ist so, dass sich die gewünschte Differenz der Spannungen der Eingänge 2 und 5 am Verstärker Al ergibt, um die Spannung EO, zusammen mit allfälligen, in der Praxis im Verstärker Al anfallenden Ausgleichsspannungen auf den Wert von E2 zu bringen.
Nachdem die Ausgangsspannung EO der Schaltung stabil geworden ist, wird ein den Schaltkontakten Ll und L2 zugeordnetes (nicht gezeigtes) Relais erregt, und diese beiden Kontakte werden geöffnet. Dies tritt im Zeitpunkt T1 ein, wie im Diagramm nach Fig. 2 gezeigt. Der früher beschriebene geschlossene Stromkreis ist damit unterbrochen, und der Gesamtstromkreis zeigt einen Zustand, der dem Arbeits -Zustand einer konventionellen Integrierschaltung entspricht, obschon sich die Ausgangsspannung EO nicht ändert, wenn die Schaltkontakte L1 und L2 geöffnet sind. Dies erklärt sich dadurch, dass sich die Spannungen an den Eingängen 2 und 5 des Verstärkers Al im Zeitpunkt T1 nicht ändern.
Der Eingang 2 bleibt über den Widerstand R4 und die Erdungsstelle 10 auf Erdpotential, und der Eingang 5 wird durch den aufgeladenen Kondensator C2 auf dem Potential E4 gehalten.
In diesem Betriebszustand ist der Verstärker A2 nicht mehr aktiv, während sich der Verstärker Al nun in der früher beschriebenen Grundschaltungsdisposition einer Integrierschaltung befindet, mit der Ausnahme, dass a) die Spannung E4 an Stelle des Erdpotentials an den Eingang 5 des Verstärkers Al gelegt ist, und b) der Eingang 2 über den Widerstand R4 und die Schaltkontakte M1 und N1 bei 10 an Erde liegt.
Im Zeitpunkt T2 gemäss Fig. 2 wird das dem Kontakt N1 zugeordnete Relais erregt. Dadurch wird die Spannung E3 über den Widerstand R4 an den Eingang 2 des Verstärkers Al angelegt. Dies bewirkt, dass die Ausgangsspannung EO sich nach der Gleichung dEo E3 dT = - C1 R4 zu ändern beginnt, wobei C1 und R4 den bezüglichen Werten des Kondensators C1 und des Widerstands R4 entspricht.
Weil die Spannung E3 konstant ist, ändert sich die Spannung EO gemäss der geneigten Linie im Diagramm nach Fig. 2 weiter, bis entweder: a) der Verstärker Al seinen Sättigungswert erreicht, wenn die Spannung EO durch seine maximale Spannungsänderungskapazität geändert wird, b) der Kontakt M1 geöffnet wird, wobei die Spannung EO auf dem Wert gehalten wird, den sie in jenem Zeitpunkt erreicht hat, oder c) die Schaltung in ihren Ruhe -Zustand gesetzt wird, indem alle Schaltkontakte in den Zustand bei entregten Relais gemäss Fig. 1 zurückgebracht werden, wobei die Spannung EO auf einen der Spannung E2 entsprechenden Wert zurückkehrt.
Der Verlauf der Ausgangsspannung der Integrierschaltung weist somit während jedes Arbeitsspiels die in Fig. 2 gezeigte Form auf, und es treten keine Sprünge im Spannungsverlauf ein, wenn die Spannung von einem konstanten Wert auf einen sich mit konstantem Veränderungsverhältnis ändernden Wert übergeht. Dieser Zyklus kann sich selbstverständlich beliebig oft wiederholen. Wenn bei einer konventionellen Integrierschaltung das Verhältnis der Spannungsänderung nicht konstant bleibt, kann es durch Variieren der Werte der Schaltungskomponenten justiert werden. Dagegen liefert eine erfindungsgemässe Integrierschaltanordnung ein Signal, deren Spannung sich bei irgendeinem konstanten Eingangsspannungswert in einem konstanten Verhältnis ändert.
Ein Anwendungsbeispiel einer erfindungsgemässen Integrierschaltung zum Steuern der Bewegung der beweglichen Klammer in einer Zugfestigkeitsprüfeinrichtung geht aus dem Patent Nr. 496 952 (Patentgesuch Nr. 17214/67) hervor.
Integrating circuit for generating an electrical signal, the voltage of which changes in a certain temporal relationship
The invention relates to an integrating circuit for generating an electrical signal, the voltage of which changes immediately after a period during which the voltage remains constant, in a specific time relationship, without having a voltage jump between the two periods. Such circuits are used, for example, to equip cathode ray oscilloscopes, where the signal supplied by the integration circuit controls the movement of the electron beam in the time cycle.
Another application of the integrating circuit is for controlling the movement of an adjustable part of various devices, in particular tensile strength testing devices. In one embodiment of such a tensile strength testing device, a test piece, for example a piece of yarn, is clamped between a movable and a fixed clamp. The movable clamp is moved to elongate and tension the specimen, and the fixed clamp is used to measure the tensile force during stretching of the specimen. It is known that the movable clamp must normally move at a constant speed. In the present case, the movement can be controlled by an integrating circuit.
A particular advantage of this type of control is that it can be designed without great effort so that the movable clamp can be moved for different specimens at different speeds. A known integrating circuit has a differential amplifier with a high gain and high impedance and has a capacitive feedback of the output to one of its inputs. The amplifiers mentioned below are devices of this type. The input connected to the feedback is also connected to a resistor, while the input not fed back is grounded. The circuit works in such a way that a voltage is applied to the end of the resistor opposite the amplifier connection. This has the effect that the voltage at the output begins to change in a constant ratio to the feedback arrangement.
As soon as the output is stabilized, this process is followed by a period during which the end of the resistor opposite the amplifier connection is grounded and the feedback is interrupted. Normally the circuit output is stabilized at ground potential; however, a bias voltage can also be applied to it in order to bring it to any desired reference potential.
It follows that such an integrating circuit has two basic operating states, namely the idle state, during which the voltage of the output signal is constant, and the working> state, during which the voltage at the output changes according to the voltage at the input .
A disadvantage of such circuits, however, is that the transition from one state to the other is accompanied by a sharp voltage change, usually a voltage drop. This is known as a jump> in a wave recording. The cause of the jump lies in the functioning of the integrating circuit described above. When it is in its working state, the circuit keeps the voltages at its input at the same value, usually at ground potential, unless any potential change in the amplifier is taken into account. This is because any difference between the voltages at the inputs of the amplifier provides a signal at the output which, via the feedback, tends to bring the inputs to the same potential value.
On the other hand, the voltages at the inputs are not kept at the same value during the time in which the circuit is in its 6; idle state and the feedback is interrupted. However, as soon as the feedback is switched on again, the immediate response of the amplifier corrects the differences in the voltages at its inputs, which creates the mentioned jump.
While the use of a conventional integrating circuit is permissible in certain cases, it is not generally applicable where the output of the circuit controls the movement of part of a device, for example the movable clamp of a tensile tester, which must be moved progressively.
The inventive integrating circuit for generating an electrical signal, the voltage of which changes in a certain temporal relationship, is characterized in that it has an amplifier whose output is connected via a feedback path having a capacitor to a first input on this amplifier, which is also connected to is connected to one end of a resistor that a device for applying a first voltage to a second input on the amplifier is present, that the value of the first voltage is selected so that the output voltage at the amplifier has a certain constant value, while the The end of the resistor facing away from the amplifier is connected to earth, and that at least one switch is used to
to separate said resistor from ground potential and to connect it to a voltage source with a second voltage so that, while the first voltage is applied to the second input, the voltage at the output of the amplifier begins to change with a constant temporal ratio.
It is assumed that the term earth in the description is understood as a constant voltage reference value. This is usually, but not in every case, approximately zero volts.
The means for applying the first voltage can usually be a closed circuit which connects the output of a first amplifier to the input of a second amplifier, the output of which is connected to the second input of the first amplifier. When the first input of the first amplifier is connected to ground and the second input of the second amplifier with a further source is more constant
Voltage is connected, the circuit can stabilize itself, the voltage at the output of the first amplifier is approximately the same as the voltage at the said further current source, which is kept at the desired reference voltage value for the output of the amplifier before the voltage change in the mentioned constant ratio begins.
The voltage at the output of the second amplifier, which is fed to the second input of the first amplifier, is then kept at the value that it has reached when the circuit has become stable via a storage capacitor.
An embodiment of the invention is described in the fol lowing with reference to the drawing in which
Fig. 1 is a diagram of the integrating circuit, and
FIG. 2 shows a diagram of the output voltage (E) of the integrating circuit shown in FIG. 1 as a function of time (T).
The output 1 of the amplifier denoted by A1 in FIG. 1 is connected to a first input 2 via a feedback arrangement which has a resistor R1 and a capacitor C1. The output 1 of the amplifier A1, the voltage of which is designated EO, is also connected to an input 3 of a second amplifier A2. The output 4 of the second amplifier is connected to the second input 5 of the amplifier A1 via a resistor R2 and a relay switching contact L1 (shown in the de-energized position). The second input 6 of the amplifier A2 is connected to the sliding contact 7 of a variable resistor RV1, one end of which is grounded at 8, while the other is at a potential El. The voltage at the sliding contact 7 is a partial voltage of El and is referred to as E2.
The input 5 of the amplifier A1 is also connected to one side of a second capacitor C2, the other side of which is grounded at 9. The input 2 of the amplifier A1 is connected to ground at 9 via a third resistor R3 and a second relay switching contact L2 (shown in the de-energized position), and via a fourth resistor R4 and a third and fourth relay switching contact M1 and N1 (both in the de-energized position) Position shown) at 10 to earth.
The excitation of the relay to contact Nl causes the input 2 of the amplifier A1 to be connected via the resistor R4 and the contact M1 to a current source, the voltage of which is designated E3.
The diagram shows the state in which the voltage EO is kept constant by the positions of the switches, i.e. H. the resting state. The input 2 of the amplifier A1 is connected to ground via the low resistance R3 and the contact L2 at 9.
This creates a self-compensating, closed circuit via the connections between amplifiers A1 and A2. The voltages in this closed circuit are constant, apart from small differences between the voltages at the inputs 2 and 5, or 3 and 6 of the relevant amplifiers A1 and A2. Because the resistor R2 has a low resistance and is mainly used to stabilize the circuit, the voltage at the output 4 of the amplifier A2 practically corresponds to the ground potential, while the voltage at the output 1 of the amplifier A1 practically corresponds to the potential E2. Because amplifiers with a very high gain are used, it can be considered for practical applications to choose the same values for EO and E2.
By connecting the output 4 of the amplifier A2 via the capacitor C2 to earth at 9 and the additional connection between the output 4 and the input 5 of the amplifier A1, the capacitor C2 is charged to a voltage labeled E4. The value of the voltage E4 is such that the desired difference between the voltages of the inputs 2 and 5 at the amplifier A1 results in order to bring the voltage EO, together with any compensating voltages occurring in practice in the amplifier A1, to the value of E2.
After the output voltage EO of the circuit has become stable, a relay (not shown) assigned to the switching contacts L1 and L2 is energized, and these two contacts are opened. This occurs at time T1, as shown in the diagram of FIG. The closed circuit described earlier is thus interrupted, and the overall circuit shows a state which corresponds to the working state of a conventional integrating circuit, although the output voltage EO does not change when the switching contacts L1 and L2 are open. This is explained by the fact that the voltages at the inputs 2 and 5 of the amplifier A1 do not change at the time T1.
The input 2 remains at ground potential via the resistor R4 and the grounding point 10, and the input 5 is held at the potential E4 by the charged capacitor C2.
In this operating state, the amplifier A2 is no longer active, while the amplifier A1 is now in the basic circuit disposition of an integrating circuit described earlier, with the exception that a) the voltage E4 is applied to the input 5 of the amplifier A1 instead of the earth potential, and b) input 2 is connected to earth at 10 via resistor R4 and switching contacts M1 and N1.
At time T2 according to FIG. 2, the relay assigned to contact N1 is energized. As a result, the voltage E3 is applied to the input 2 of the amplifier A1 via the resistor R4. This has the effect that the output voltage EO begins to change according to the equation dEo E3 dT = - C1 R4, where C1 and R4 correspond to the respective values of the capacitor C1 and the resistor R4.
Because the voltage E3 is constant, the voltage EO continues to change according to the inclined line in the diagram of FIG. 2 until either: a) the amplifier A1 reaches its saturation value when the voltage EO is changed by its maximum voltage change capacity, b) the Contact M1 is opened, the voltage EO being held at the value it reached at that point in time, or c) the circuit is set to its quiescent state by returning all switching contacts to the state with de-energized relays according to FIG the voltage EO returning to a value corresponding to the voltage E2.
The course of the output voltage of the integrating circuit thus has the form shown in FIG. 2 during each working cycle, and there are no jumps in the voltage course when the voltage changes from a constant value to a value which changes with a constant change ratio. This cycle can of course be repeated as often as desired. In a conventional integrating circuit, if the ratio of the voltage change does not remain constant, it can be adjusted by varying the values of the circuit components. In contrast, an integrating circuit arrangement according to the invention supplies a signal, the voltage of which changes in a constant ratio for any constant input voltage value.
An example of an application of an integrating circuit according to the invention for controlling the movement of the movable clamp in a tensile strength testing device emerges from patent no. 496 952 (patent application no. 17214/67).