DE2062073A1

DE2062073A1 - Integrationsgenerator zur Angabe des Numerus einer loganthmischen Funktion

Info

Publication number: DE2062073A1
Application number: DE19702062073
Authority: DE
Inventors: Robert Lindsay Medfield Lars son Robert Wayne Holhston Mass Scott (V St A )
Original assignee: Corning Glass Works
Current assignee: Corning Glass Works
Priority date: 1969-12-22
Filing date: 1970-12-17
Publication date: 1971-06-24
Also published as: FR2071982B1; NL7018579A; SE365369B; US3649826A; FR2071982A1; CH529383A; GB1329837A; CA925622A; JPS4921452B1

Description

Anmelderin: Corning Glass Works

doming, New York, USA

Integrationsgenerator zur Angabe des Numerus einer logarithmischen Funktion

Die Erfindung betrifft einen Integrationsgenerator zur Angabe des Numerus einer logarithmisehen Funktion, günstigerweise in digitaler Form, mit zweifacher Integration, Während des ersten Integrationsvorgangs wird ein einer unbekannten Spannungsgrösse entsprechendes Zeitintervall bestimmt und .eine dem Numerus dieser unbekannten Spannungsgrösse proportionale Spannung erzeugt. Während des anschliessenden zweiten Integrationsvorgangs kann dann ein diesem Numerus entsprechendes Ausgangssignal in digitaler Form erzeugt werden.

Das Prinzip einer zweifachen Integration (dual slope integration) bei der Analog-Digitalwandlung ist an sich

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bekannt. Die vorliegende Erfindung verwendet dieses Prinzip bei einem Analog-Digitalwandler, der mit einem Exponentialfunktonsgenerator und weiterer Logikschaltung zusammenarbeitet, dass eine Darstellung des Numerus einer unbekannten Spannungsgrösse bzw. eines Signals unbekannter Grosse, günstigerweise in digitaler Form, erhalten wird.

Diese Vorrichtung ist besonders in der Chemie oder Biomedizin in den Fällen einsetzbar, in denen eine optisch sichtbare Anzeige oder ein anderweitig auswertbares Signal günstigerweise in digitaler Form die Ionenkonzentration oder -aktivität einer wässerigen Lösung darstellen soll.

Eine Messvorrichtung zur Angabe der φ ezifischen Ionenaktivität besteht z. B. aus einer Elektrode, die beim Eintauchen in die zu messende Lösung eine dem Logarithmus der spezifischen Ionenaktivität entsprechende Spannung erzeugt. Diese Spannungsgrösse kann mit einem entsprechend geeichten Spannungsmesser auf einer nicht-linearen Skala angezeigt und von dieser abgelesen werden.

Die Bestimmung der oft benötigten spezifischen lonenkonzentration oder Aktivität ist aber umständlich und zeitraubend, da die Errechnung mit Hilfe von Logarithmentabellen oder dem Rechenschieber vorgenommen werden muss.

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Es besteht daher ein Bedürfnis und ist Aufgabe der Erfindung, eine Digitalmessvorrichtung zu schaffen, die z· B. in Verbindung mit einem pH-Messer, einer lonenmesselektrode oder dergleichen nicht bloss den pH-Wert oder einen Spannungswert in Millivolt, sondern unmittelbar ein der Ionenkonzentration oder -aktivität entsprechendes Ausgangssignal liefert und damit umständliche Berechnungen überflüssig macht.

Gelöst wird die Aufgabe durch den erfindungsgemassen Integrationsgenerat or zur Angabe des Humerus einer logarithmischen Funktion, der gekennzeichnet ist durch einen Analog-Digit alwandler, enthaltend Mittel zur Erzeugung eines ersten, der Grosse einer Spannung unbekannter Höhe proportionalen Zeitintervalls, Mittel zur Anlegung der Spannung unbekannter Höhe an den Eingang des Analog-Digitalwandlers, wenigstens einen Teil des Analog-Digitalwandlers umfassende Mittel zur Erzeugung eines zweiten, der Differenz zwischen einem vorgegebenen Zeitintervall und dem ersten Zeitintervall gleichen Zeitintervalls, und einen Spannungsgenerator zur Erzeugung einer exponentiell nach der Gleichung

-t/EC
V » Ve" ' abfallenden Spannung, wobei V_Q die vorgegebene

Spannung, t das zweite Zeitintervall und EO die die Abfallgeschwindigkeit bestimmende Zeitkonetante bezeichnet und der Wert der exponentiell abfallenden Spannung V am Ende

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des zweiten Zeitintervalls den Numerus der Spannung unbekannter Höhe darstellte

Weitere günstige Ausgestaltungen und Merkmale können den Unteransprüchen und der Beschreibung entnommen werden.

In den Zeichnungen zeigt die Figur 1 eine geeignete Schaltung einer bevorzugten Ausführung des Integrationsgenerators der Erfindung.

Das Schaubild der Figur 2 zeigt die Zeitstufen und den Arbeit sablauf des Generators in einem typischen Beispielfall.

Ein vollständiger Arbeitsablauf besteht aus zwei Integrationsvorgängen. Während des ersten Integrationsvorgangs werden nacheinander zwei verschiedene Spannungen an den Integrator 10 gelegt. Die erste Spannung wird durch die Analogsignalquelle 12 erzeugt und hat eine zunächst unbekannte Höhe. Erfindungsgemäss soll auf Grund dieser Spannung die Darstellung des logarithmischen Numerus, vorzugsweise in digitaler Form, erreicht werden. Die zweite Spannung vorgegebener Höhe und umgekehrter Polarität wird durch die Bezugsspannungsquelle 14- erzeugt. Durch den ersten Integrationsvorgang soll ein der unbekannten Höhe der von der

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12 erzeugten Spannung E entsprechendes Zeitintervall "bestimmt werden.

Während des zweiten Integrationsvorgangs werden ebenfalls zwei verschiedene Spannungen an den Integrator 10 gelegt. Die erste Spannung, im Folgenden als Numerusspannung ■bezeichnet, wird während des ersten Integrationsvorgangs in der weiter unten erläuterten Weise an anderer Stelle der Schaltung erzeugt. Sie entspricht dem Numerus der unbekannten Spannungshöhe der Spannungsquelle 12. Die zweite Spannung wird wiederum von der B ezugsspannungs quelle 14· geliefert. Durch diesen zweiten Integrati'onsvorgang soll ein der Numerus Spannungshöhe entsprechendes Zeitintervall ■bestimmt werden. Dieses kann als solches verwertet oder vor-: zugsweise in ein zur Anzeige oder anderweitigen Verarbeitung dienendes Digitalsignal umgewandelt werden.

Die Schaltung der Figur 1 enthält einen Impulsgenerator 16, ζ. B₀ einen freilaufenden Multivibrator oder eine entsprechende, eine Reihe durch gleiche Zeitintervalle getrennte Impulse erzeugende Vorrichtung. Ein Impulsfolgezahler 18 erzeugt kontinuierlich oder auf Kommando am Ausgang 20 ein Digitalsignal, das die Anzahl der durch den Generator 16

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seit Beginn des Jeweils letzten Zählzyklus auf den Eingang 22 gegebenen Impulse anzeigt. Ein Zahlzyklus entspricht dabei der im Zähler nacheinander registrierten Impulsreihe oder dem entsprechenden Zeitablauf, beginnend mit einem vorgegebenen, bis zu einem Höchstwert ansteigenden Impulszählwert und endend kurz vor erneuter Aufgabe des vorgegebenen Impulszählwerts. Eine geeignete Anzeigevorrichtung oder ein anderes, das Digitalsignal verwertendes oder verarbeitendes Gerät ist an den Ausgang 20 angeschlossen. An einem Ausgang 26 des Zählers 18 wird ein im Folgenden als Vollaus-Bchlagimpuls bezeichneter Impuls an dem Ende des mit dem höchsten Zämlwert im Zähler zusammenfallenden Zählzyklusender erzeugt.

Der Zähler kann zweckmässig so ausgestaltet sein, dass er sich nach Abschluss eines Jeden Zählzyklus selbstätig auf einen bestimmten Zählwert, z. B. Null oder eine andere Zahl, zurückstellt oder durch äussere Stellmittel zurückgestellt wird« Das Ausführungsbeispiel zeigt automatische Eückstellung.

Die Übertragung einer Impulsfolge vom Generator 16 auf den Eingang 22 kann entsprechend dem Ausführungsbeispiel konti-

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BAD ORIGINAL

nuierlich erfolgen. Der Zähler 18 zählt dann ohne Unterbrechung durch Zustandsänderungen der äusseren Schaltung kontinuierlich durch eine Reihe von Zählstufen· Generator 16 und Zähler 18 arbeiten also als Digitaluhr bzw. -taktgeber durch die vermittels der in regelmässigen Zeitabständen am Ausgang 26 auftretenden Vollausschlagimpulse Vorgänge in der äusseren Schaltung genau geregelt werden können.

Ein Zeitsteuer-Flip-Flop 28 schaltet bei federn Empfang eines Vollausschlagimpulses um und bleibt im umgeschalteten Zustand, bis der nächste Vollausschlagimpuls auftritt, worauf es erneut umschaltet. Infolgedessen entsteht am Ausgang 30 des Flip-Flop 28 bei jeder abwechselnden Zählstufe des Zählers 18 eine hohe Spannung und in den dazwischen liegenden Stufen eine niedrige Spannung. (Mit "hoch" und "niedrig" wird im Folgenden der jeweilige Zustand im Sinne der relativen Spannungshöhe an den Ausgängen der digitalen Schaltelemente der Vorrichtung bezeichnet).

Der Haupt-Flip-Flop 28 steuert die jeweilige Zeitdauer von zwei getrennten, teilweise durch die Integratorschaltung bzw. den Integrator 10 vorgenommenen Doppeltabfall-Integrationsabläufen. (Vgl. die Beschreibung der Arbeitsweise weiter unten).

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Der Integrator 10 besteht vorzugsweise aus einem Funktionsverstärker 52, einem zwischen dessen Aus- und Eingang geschalteten Rückkopplungskondensator 34- und einem mit dem Verstärkereingang in Reihe liegenden Widerstand 36. Der Integrator erzeugt an seinem Ausgang J8 eine in der Zeit veränderliche und das Zeitintegral einer an seinen Eingang 40 gelegten Spannung darstellende Spannung. Jede diese Funktion erfüllende Schaltung ist als Integrator 10 geeignet.

Der an den Integratorausgang J8 angeschlossene Spannungshöhenkomparator 42 überwacht die Spannungshöhe am Ausgang 38 während der Integrationsvorgänge. Hierzu erzeugt der Komparator 42 am Ausgang 44 eine hohe Spannung, wenn das Signal am Ausgang 38 in einer gegebenen Richtung der Spannungsänderung durch einen bestimmten Schwellenwert geht. Das so am Ausgang 44 erzeugte hohe Spannungssignal dauert an, bis das Integratorausgangssignal in umgekehrter Richtung den Schwellenwert passiert, wobei am Ausgang 44 ein niedriges Signal entsteht. Der Ausgang 44 des !Comparators 42 ist seinerseits mit einem Eingang des stroboskopisehen Zähler-UND-Tors 46 und einem Eingang des Bezugsspannungseingangstors 48 verbunden.

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Flip-Flop 50 ermöglicht eine Steuerung der Durchführung des einen oder des anderen Integrationsvorgangs. Die Taktuhreingangsklemme 52 des Flip-Flop 50 ist mit dem Ausgang 30 des Flip-Flop 28 verbunden. Der Ausgang 54- des Flip-Flop 50 schaltet vom jeweiligen Zustand (hoch oder niedrig) jedesmal dann um, wenn das Signal am Ausgang 30 des Flip-Flop 28 von hoch auf niedrig geht, nicht aber im umgekehrten Falle, wenn also das Signal am Ausgang 30 von niedrig auf hoch geht. Die Schaltfrequenz des Flip-Flop 50 ist daher gleich der halben Schaltfrequenz des Flip-Flop 28, und es arbeitet somit als Frequenzteiler. Der Ausgang 54- ist daher während der ersten beiden Zählstufen des Zählers18 niedrig j so dass der erste Integrationsvorgang ablaufen kann. Während der dritten und vierten Zählstufe des Zählers 18 ist der Ausgang 54- hoch, so dass der zweite Integrationsvorgang ablaufen kann.

Der Ausgang 54 des Flip-Flop 50 ist mit dem Eingang des Analogsignal-Eingangstors 56, dem Eingang des Numerus-Integrationstors 58 und dem Eingang des Numerus-Rückstell-UND-Tors 60 sowie dem Eingang des Stroboskop-Zählertors 46 verbunden.

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Die Analogsignalquelle 12 ist mit dem Eingang 40 des Integrators nur während des Zeitintervalls verbunden, in dem die Ausgänge 50, 54 von Flip-Flop 28 und 50 gleichzeitig niedrig sind, da nur dann das Eingangstor 56 beaufschlagt wird. Das ist nur während der ersten der insgesamt vier Stufen der Fall. Entsprechend wird auch das Numerus-Signal über den Schalter 62 nur dann auf den Eingang 40 gegeben, wenn der Ausgang 30 niedrig und der Ausgang 54 hoch ist, da nur dann das Numerus-Integrationstor 58 beaufschlagt wird. Das ist nur während der dritten Stufe der Fall· Eine schnelle Schaltung wird z. B. durch Feldeffektschalter 64, 66, 68 und 70 erreicht, andere Schalter sind aber ebenfalls einsetzbar·

Das Stroboskoptor 46 steuert den Zähler 18 so, dass dessen Digitalinformation genau dann über den Ausgang 20 auf die Anzeigevorrichtung 24 gegeben wird, 'wenn der Ausgang 44 des !Comparators 42 von hoch auf niedrig geht und gleichzeitig der Ausgang 54 des Flip-Flop 50 hoch ist. Das ist nur während der vierten Stufe in dem Moment der Fall, in dem die Zahl im Zähler 18 repräsentativ für die Höhe der Numerus-Spannung ist· Da das Stroboskop-Zählertor 46 vom Zeitpunkt des Eintretens dieser Bedingungen bis zum Abschluss der vierten Stufe aktiv bleibt, wird zwischen das Tor 46 und den

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Zähler 18 ein Impulsformer oder -generator 72 geschaltet. Dieser sendet in "bekannter Weise nur dann einen kurzen Impuls, wenn das auf seinen Eingang gegebene Signal seine Höhe a"brupt ändert, z. B. von niedrig auf hoch geht· Dabei ist für den Impulsformerausgang das weitere Andauern des Signals auf dieser Höhe ohne Belang. Wesentlich ist aber, dass der vom Impulsformer 72 beim Umschalten des Stroboskopzählertors 46 von niedrig auf hoch ausgesendete Impuls nicht langer andauert, vorzugsweise sogar kürzer ist, als ein vom Impulsgenerator16 erzeugter einzelner Impuls, damit die Information des Zählers während der Anzeige oder anderweitigen Verwertung nicht verändert wird· Würde der vom Impulsformer 72 gesendete Impuls zwei oder mehrere Impulse des Generators 16 überlagern, so würde sich die Zählerinformation während der Anzeige ändern, was eine falsche Auswertung der Anzeigeinformation zur Folge hätte.

Eine dem Numerus des Signals der Spannungsquelle 12 entsprechende Spannung wird in dem Schwingungskreis 74· erzeugt. Er besteht aus dem Widerstand 76 und dem Kondensator 78 die in der gezeigten Weise geschaltet sind, mit beliebiger, vorgegebener Zeitkonstante· Eine Spannung bestimmter Höhe wird zunächst von der Spannungsquelle 80 über den vom Numerusrückstelltor 60 gesteuerten Schalter 68 an den Kon-

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densator 78 gelegt. Die Numerasspannung entsteht durch Entladen des Kondensators 78 an Masse über den Widerstand 76 ■und den Schalter 70 während eines bestimmten, vom Numerus-UND-Tor 82 gesteuerten ZeitIntervalls. Die Eingänge dieses TJND-Tors 82 sind mit dem Ausgang 30 des Flip-Flop 28 und dem Ausgang 84 des Bezugseingangstors 48 verbunden; es arbeitet während eines Teils der zweiten Stufe bei hohem Ausgang 30 und niedrigem Ausgang 84, so dass der Schalter 70 geschlossen ist undder Kondensator 78 exponentiell entlädt. Hierbei ist die Energiequelle 80 vom Kreis 74 abgeschaltet. Am Ende der zweiten Stufe stellt die verbleibende Kondensatorladung den Numerus der von der Quelle 12 gelieferten Spannung dar} diese Ladung muss daher erhalten werden, damit sie während des unmittelbar folgenden zweiten Integrationsvorgangs gemessen werden kann. Hierzu wird das Tor 82 abgeschaltet, der Schalter 70 geöffnet und die Kondensatorladung damit isoliert·

Zum besseren Verständnis soll die Arbeitsweise unter Bezugnahme auf das in der Figur 2 dargestellte Zeitschaltbild erläutert werden.

Ein einzelner Arbeitsablauf der gezeigten Schaltung umfasst den Zeitraum von vier aufeinanderfolgenden Zählstufen des

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Zählers 18, beginnend mit dem Zeitpunkt "0", in dem die
Analogsignalquelle 12 mit dem Integrator 10 verbunden ist und endend zum vier Zählstufen danach liegenden Zeitpunkt T^, in dem der Zustand des Zeitpunkts "0^w wieder erreicht ist und eine neue Arbeitsfolge beginnen kann. Die Achse
86 der Zeitfunktion des Schaubilds ist daher in vier gleiche, je eine Stufe des Zählers 18 darstellende Zeitintervalle T unterteilt. Als Beispiel sei angenommen, dass unmittelbar vor dem Zeitpunkt ¹¹O* die Ausgänge 30 und 54 von Flip-Flop 28 und 50 hoch sind.

Der zum Zeitpunkt "0" am Ausgang 26 erzeugte Vollausschlag impuls 88 schaltet die Ausgänge 30 und 5^ auf niedrig, wodurch das an Flip-Flop 28 und 50 angeschlossene Analogsignaleingang stör 56 erregt wird, den Schalter 64 schliesst und damit die Spannungsquelle 12 mit dem Integratoreingang 40 verbindet. Währenddessen bleiben die übrigen, den Integrator an Spannung legenden Tore unbe auf schlagt. Hlmmt man eine konstante Höhe und Polarität der Spannung unbekannter Höhe der Quelle 12 an, so erzeugt der Integrator 10 somit am Ausgang 38 eine dem Zeitintegral der Spannung am Eingang 40 proportionale, linear ansteigende Spannung* Die Spannungsintegration der Analogsignalquelle 12 erfolgt während der ersten Zählstufe, bis zum Zeitpunkt T, zu Beginn der
zweiten Zählstufe der Zähler 18 am Ausgang 26 einen weiteren

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Yollausschlagimpuls 88 abgibt. Dieser Impuls schaltet den Ausgang 30 von Flip-Flop 28 auf hoch. Eine entsprechende .Änderung des Eingangs von Flip-Flop 50 ändert aber nicht den auf niedrig stehenden Ausgang 54, wie die Wellenform der Figur 2 zeigt. Unberührt bleibt auch der Zustand des Ausgangs 44 von Komparator 4-2, der infolge der positiven Spannung 90 am Ausgang 38 während der ersten Stufe hoch war und hoch bleibt. Infolge der Zustandsänderung von Flip-Flop 28 wird das Analogsignaltor 56 abgeschaltet, das Signal der Quelle 12 am Eingang 40 des Integrators 10 gelöscht und der Ausgang des Bezugssignaleingangstors 48 auf hoch geschaltet, da die Ausgänge von Komparator 42 und Flip-Flop 28 mit dem den Schalter 66 betätigenden Tor 48 verbunden sind. Die Bezugsspannungsquelle 14 wird daher an den Eingang 40 gelegt. Da deren Polarität der der Analogspannungsquelle 12 entgegengesetzt ist, nimmt die Spannung 92 am Ausgang 38 des Integrators 10 nun zeitline ar ab. Zum Zeitpunkt t erreicht die Spannung am Ausgang 38 den Schwellenwert des Komparators 42 und der Komparatorausgang 44 wird niedrig. Die Integratorausgangsspannung verbleibt währenddessen bis zum Ende der zweiten Stufe auf der Höhe des Schwellenwerts. Wie der Fachmann erkennt, ist das Zeitintervall t zwischen T, und t der unbekannten Spannungshöhe des Signals von der Quelle 12 proportional. Dieses Zeitintervall t muss ermittelt werden, bevor die Numerusspannung des

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Eingangssignals erzeugt werden kann. Die im Zähler 18 zum Zeitpunkt t auftretende Zahl entspricht dieser Höhe und kann angezeigt oder in anderer Weise verwertet werden.

Geht der Ausgang 44 des !Comparators 42 auf niedrig, so wird auch der Ausgang des Bezugsspannungstors 48 niedrig, öffnet der Schalter 66 und trennt die Bezugsspannungsquelle 14 vom Integrator 10. Während des verbleibenden Zeitraums der zweiten Stufe (t_) wird der Numerus der Spannung E unbe-

kannter Höhe der Qaeile 12 erzeugt.

Sobald der Ausgang 84 des Bezugssignaltors 48 niedrig wird, während der Ausgang 30 des Flip-Flop 28 noch hoch ist, geht der Ausgang des Humerus-Generatortors 82 auf hoch und schliesst den Schalter 70, wodurch die an den Kondensator 78 gelegte Anfangsspannung mit exponentieller Geschwindigkeit während des bis zum Ende Tp der zweiten Stufe dauernden Zeitraums t_ (T₀ - t ) über den Widerstand 76 an Masse entladen wird.

Der zweite Integrationsvorgang beginnt mit der dritten Stufe des Zählers 18, indem die während der vorausgehenden Stufe erzeugte Numerusspannung über den Schalter 62 auf den Eingang 40 des Integrators 10 gegeben wird. Die Schalter-

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stellung wird durch das Numems-Integrations-UND-Tor 58 gesteuert.

Zum Zeitpuntk T^ entspricht die Kondensatorspannung 78 dem Numerus der unbekannten Spannungsgrösse der Quelle 12. Zur Erhaltung dieser während des zweiten Integrationsvorgangs zu bestimmenden Spannung schaltet der zum Zeitpunkt Tg auftretende Vo11ausschlägimpuls 88 Flip-Flop 28, so dass dessen Ausgang niedrig wird, das Tor 82 stromlos wird, der Schalter 70 öffnet, und die Kondensatorladung isoliert wird. Da der Rückstellausgang J>0 niedrig wird, wird der Ausgang von Flip-Flop 50 hoch.

Nunmehr wird das Numerus-Integrationstor 58 stromführend, der Schalter 62 geschlossen und die Numerusspannung des Kondensators 78 an den Integrator 10 gelegt. Jetzt läuft der zweite, die digitale Darstellung der Numerusspannung erzeugende Integrationsvorgang über zwei Zählerstufen hindurch, bis zum Zeitpunkt T^. Die Spannung 98 am Ausgang 38 des Integrators 10 nimmt als Zeitintegral der Spannung 100 des Kondensators 78 zu. Da die Änderung positiv ist, wird der Ausgang 44 des Komparators 42 hoch und hält das Stroboskop ζählertor 46 stromlos. Die Integration geht weiter, bis der Zähler 18 am Ende der dritten Stufe zum Zeitpunkt T, einen Vollausschlag 88 am Ausgang 26 erreicht. Dieser

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schaltet Hip-Hop 28, dessen Ausgang 30 h.och wird, gleichzeitig die Ausgänge 44 und 54 des Komparators 42 bzw. Flip-Flop 50 ebenfalls hoch. Dadurch wird das Numerus-Integrationstor 58 stromlos, der Schalter 62. geöffnet und" die Integration der Kondensatornumerusspannung 100 unterbrochen. Da die Spannung 100 nun nicht mehr benötigt wird, kann der Kondensator 78 wieder bis auf die Anfangsspannung 94 geladen werden, damit er für den nächsten Arbeitsgang bereit steht. Zur Aufladung wird der Ausgang des Numerus-Rückstelltors 60 durch Flip-Flop 28 und 50 zum Zeitpunkt T, auf hoch geschaltet. Dadurch wird der Schalter 68 geschlossen und die Quelle 80 direkt über den Kondensator 78 an Masse gelegt ο Hierdurch wird der Kondensator fast sofort aufgeladen und bleibt bis zum Zeitpunkt t_Q der zweiten Zählstufe des folgenden Arbeitsgangs aufgeladen.

Zum Zeitpunkt T₅, des ersten Arbeitsgangs wird das Bezugstor 48 zum zweiten Male beaufschlagt und schliesst den Sch&lter 66, wodurch die Bezugsspannungsquelle 14 erneut mit dem Integrator 10 verbunden wird, so dass die Spannung 102 am Ausgang 38 zeitlinear abnimmt. Zum Zeitpunkt t während der vierten Zählstufe geht die Spannung 102 am Ausgang 38 in Abhängigkeit von der Höhe der Numerusspannung 100 durch den Schwellenwert des Komparators 42, so dass der Kompara-

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torausgang 44 niedrig wird. Zum Zeitpunkt t ist die im Zähler 18 enthaltene Digitalgrösse repräsentativ für die Höhe der Numerusspannung 100. Zur Anzeige dieser Grosse wird der Ausgang des Stroboskopzählertors 46 zum Zeitpunkt t , zu dem die Ausgänge von Komparator 42 und Flip-Flop 50 niedrig bzw. hoch sind, auf hoch geschaltet. Auf das positive Signal vom Tor 46 sendet der Impulsformer 72 einen Impuls 104, durch den die Digitalgrösse des Zählers 18 zum Zeitpunkt t_x auf die Anzeigevorrichtung 24 übertragen wird»

Die folgende Gleichungsableitung zeigt, warum die Schaltung 74 eine Spannung V erzeugt, die eine Funktion der Spannung E der Analogsignalquelle 12 ist. Bei der Beschreibung der Figur 2 wurde bereits ausgeführt, dass das Zeitintervall t_r der von der Schaltung der Figur 1 empfangenen Signalspannung E proportional ist. Die Schaltung 74 wird von einer gegebenen Spannungshöhe V_Ä für ein Zeitintervall t_ entladen, das

O S

gleich ist einer Zählstufe (Tg - T₁) verringert um das Zeitintervall to Die am Ende des Zeitraums t_g auf dem Kondensator 78 verbleibende Ladung wird durch die Gleichung definiert

V - V_oe-V^R0 (1)

worin EO die durch den Widerstand 76 und die Kapazität des

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Kondensators ?8 bestimmte Zeitkonstante der .Abf allsgeschwindigkeit von Y bezeich.net. Die Zeitkonstante kann auch durch eine beliebige andere, exponentiell veränderliche Quelle bestimmt werden. Urn V zum Numerus der Eingangssignalspannung E in Beziehung zu setzen, wird die Spannung E folgendermassen ausgedrückt:

E-K₁ + K₂ log A ' . (2)

worin A die der von der Schaltung 74· gelieferten entsprechende resultierende Spannung bezeichnet. Durch Umformung der Gleichung (2) erhält man

log A-(E- K₁)ZK₂ (3)

(E-K )/K₂

A-IO
Da log A * In A log e, folgt aus (3):

In A - Wo-K₁)ZK₂ log e (5)

In A - (E-K₁)A₃ (6)

worin K, » K₂ log e. Daher:

(E - K₁VK-.
A-.e ■ ^{1 5} (7)

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* Die grb'sste Amplitude der durch die linear ansteigende Spannung 90 dargestellten Integratorspannung ist der von der Quelle 12 gelieferten Analogeingangssignalspannung E proportional, vgl. die Figur 2. Für die Spannung 92 gilt nun die Gleichung:

t = K₁- (E - K₁) . (8)

Das Zeitinterval t steht daher zu E in linearer Beziehung, mit einem Absatz K, und einem Gefälle K₁-. Beginnt man mit der Entladung des Kondensators 18 zum Zeitpunkt t , also dem Ende des Zeitintervalls t , wird die Entladung über den festen Zeitraum Tp fortgesetzt und dann der Schalter 70 geöffnet, so entlädt der Kondensator im Zeitintervall t . Der Einfachheit halber soll t~ = T₀ - T_n sein. Daraus folgt

XS ez. X

t - t_f - t (9)

ο Xo X

Durch Umformung der Gleichung (1) erhält man

V = V₀e ^{fs r} (10)

-t^/RO t /RO

V « V₀e ^fs e ^r (11)

daher

t /RC

V - K₆ e ^r (12)

-t_f /RO worin K₆ » V_Qe ^a . Setzt man Gleichung (8) in Gleichung

(12) ein, dann erhält man

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Κ_ς(Ε - K₁ )/ V « K₆ e ? ^x (13)

7 - K₆ e ^{X 5} (14)

worin EO * Κ-,Κ,-. Die Gleichung (14) entspricht "bis auf die durch Einstellung der Schaltungsmerkmale wählbare Konstante K₆ der Gleichung (?),

Durch geeignete Auswahl von Schaltungsmerkmalen wird die Kondensatorspannung dem Numerus der Spannung der Analogsignalquelle 12 proportional. Veränderlich sind z, B. der Widerstand 76, der Kondensator 78 und die Spannungsquelle 80»

Der Zeitraum zwischen t und T^ steht zur Bestimmung grösserer Numerus-Spannungswerte als im vorliegenden Beispiel zur Verfügung. Zum Zeitpunkt T^, am Ende der vierten Stufe, schaltet der am Ausgang 26 erzeugte Yollausschlagimpuls 88 Flip-Flop 28 auf niedrig, womit auch Ausgang 54 von Flip-Flop 50 niedrig wird. Damit ist der dem Zeitpunkt "O" entsprechende Zustand wiederhergestelltj ein neuer Arbeitsgang kann beginnen.

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Claims

Patentansprüche

/1* Integrationsgenerator zur Angabe des Numerus einer logarithmischen Funktion, gekennzeichnet durch einen Analog-Digital wandler, enthaltend Mittel zur Erzeugung eines ersten, der Grosse einer Spannung unbekannter Höhe proportionalen Zeitintervalls, Mittel zur Anlegung der Spannung unbekannter Höhe an den Eingang des Analog-Digitalwandlers, wenigstens einen Teil des Analog-Digitalwandlers umfassende Mittel zur Erzeugung eines zweiten, der Differenz zwischen einem vorgegebenen Zeitintervall und dem ersten Zeitintervall gleichen Zeitintervalls, und einen Spannungsgenerator, zur Erzeugung einer exponentiell nach der Gleichung 7 » Ve" ' abfallenden Spannung, wobei V die vorgegebene Spannung, t das zweite Zeitintervall und RC die die Abfallgeschwindigkeit bestimmende Zeitkonstante bezeichnet, und der Wert der exponentiell abfallenden Spannung V am Ende des zweiten Zeitintervalls den Numerus der Spannung unbekannter Höhe darstellt.

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2. Integrationsgenerator gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Eingabe der abgefallenen Spannung in den Eingang des Inalog-Digitalwandlers vorgesehen sind, und der Wandle raus gang den Numerus in digitaler Form liefert.
3· Integrationsgenerator gemäss Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, die am Ende des zweiten Zeitintervalls einen weiteren Spannungsabfall der exponentiell abfallenden Spannung verhindern.
4-. Integrationsgenerator gemäss Anspruch 1, 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, die beim Anlegen der Spannung unbekannter Höhe den Ausgang des Analog-Digitalwandlers blockieren.

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5· Integrationsgenerator gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Analog-Digitalwandler einen ein dem Zeitintegral eines aufgegebenen Eingangssignals proportionales Ausgangssignal liefernden Integrator und einen an diesen angeschlossenen Komparator aufweist, der an seinem Ausgang ein Signal einer ersten Höhe erzeugt, wenn das Integratorsignal über einem bestimmten Schwellenwert liegt und ein Signal einer zweiten Höhe erzeugt, wenn das Integratorausgangssigiial unter diesem Schwellenwert liegt.
6. Integrationsgenerator gemäss Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, dass der Integrator einen Punktionsverstärker, einen zwischen dessen Ein- und Ausgang geschalteten Rückkopplungskondensator und einen mit dem Eingang des Verstärkers in Reihe geschalteten Widerstand enthält.
7. Integrationsgenerator gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der die exponentiell abfallende Spannung erzeugende Spannungsgenerator einen Schwingungskreis mit einem Widerstand und einer Kapazität enthält.

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8. Integrationsgenerator gemäss Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsgenerator die Kapazität während des zweiten Zeitintervalls von der vorgegebenen Anfangs spannung V über den Widerstand entladende Mittel enthält.
9. Integrationsgenerator gemäss Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die die Kapazität entladenden Mittel einen hinter den Widerstand geschalteten Schalter enthalten.
10* Integrationsgenerator gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Aufladung der Kapazität auf die vorgegebene Anfangsspannung V vorgesehen sind.
11. Integrationsgenerator gemäss irgend einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Analog-Mgitalwandler einen Impulsgenerator, einen an diesen angeschlossenen Impulszähler und eine an den letzteren angeschlossene Anzeigevorrichtung enthält.

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12. Integrationsgenerator gemäss irgend einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Impulsgenerator eine Reihe von Impulsen gleicher Dauer erzeugt, und an diesen angeschlossene Impulszähler an der Zahl der empfangenen Impulse entsprechendes digitales Ausgangssignal und aufeinanderfolgende erste, zweite, dritte und vierte Zeitintervalle gleicher Dauer liefert, die die Spannung unbekannter Höhe anlegenden Mittel diese während des ersten Zeitintervalls auf den Integratoreingang geben, durch geeignete Mittel zu Beginn des zweiten Zeitintervalls für eine der Grosse der unbekannten Spannung entsprechenden Dauer eine bekannte Spannung auf den Integratoreingang ge geben wird, zu Beginn des dritten Zeitintervalls die abgefallene Spannung auf den Integratoreingang gegeben wird, und Mittel vorgesehen sind, die den Komparatorausgang an den Impulszähler legen, der während des vierten Zeitintervalls eine digitale Darstellung des Numerus der unbekannten Spannungsgrösse liefert.
13. Integrationsgenerator gemäss Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Frequenzteiler, z. B. ein Flip-Flop, mit seinem Eingang an den Impulszähler angeschlossen ist.

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it
14. Integrationsgenerator gemäss Anspruch 3 und 12 oder 1$, dadurch gekennzeichnet, dass die den weiteren Spannungsabfall verhindernden Mittel aus einem an den Komparator und den Frequenzteiler angeschlossenen stroboskop!sehen Zähler-IJND-Tor und einem zwischen den Ausgang dieses Tors und den Impulszähler geschalteten und den letzteren des digitalen Ausgangssignal aktivierenden Impulsformer "bestehen.
15· Integrationsgenerator gemäss Anspruch 12, gekennzeichnet durch Mittel, die den Ausgang des Impulszählers bei Anlegen der unbekannten Spannungsgrösse an den Integrator blockieren.
16. Integrationsgenerator gemäss Ansprüchen 12 - 15» dadurch gekennzeichnet, dass zur Anlegung der unbekannten Spannungsgrösse ein erster Schalter in Reihe an den Integratoreingang angeschlossen und ein mit diesem Schalter zusammenarbeitendes erstes UND-Tor an den Impulszähler angeschlossen ist.

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17· Integrationsgenerator gemäss einem der Ansprüche 12 16, dadurch gekennzeichnet, dass zur Anlegung der bekannten Spannung ein zweiter Schalter in Reihe an den Integratoreingang und ein mit diesem Schalter zusammenarbeitendes zweites UND-Tor an den Impulszähler und den Komparator angeschlossen ist.

18ο Integrationsgenerator gemäss einem der Ansprüche 12 17t dadurch gekennzeichnet, dass zur Entladung der Kapazität ein dritter Schalter in Reihe an den Widerstand und ein mit diesem Schalter zusammenarbeitendes UND-Tor an den Impulszähler und den Komparator angeschlossen ist.

19· Integrationsgenerator gemäss einem der Ansprüche 12 18, dadurch gekennzeichnet, dass zur Anlegung der abgefallenen Spannung an den Integrator ein vierter Schalter zwischen den Integrator- und den Kondensatoreingang geschaltet und ein mit diesem Schalter zusammenarbeitendes viertes UND-Tor an den Impulszähler angeschlossen ist.

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