DE2451962A1

DE2451962A1 - Analogue computing circuit for quarz oscillator - noise problems associated with small amplitude input by using comparator controlled stage

Info

Publication number: DE2451962A1
Application number: DE19742451962
Authority: DE
Inventors: Klaus Allenstein
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1974-10-29
Filing date: 1974-10-29
Publication date: 1976-05-06

Abstract

An analogue control circuit for the determination of the characteristic of a quartz oscillator performs either multiplication or division of two A.C. signals followed by multiplication or division by a constant. The solution provides a greater dynamic operational range, high computing speed and accuracy particularly in the situation where one input is of a very much smaller amplitude than the other. The larger amplitude input (A) is amplified (1) and the R.M.S. value generated by a rectifier (2) before the logarithmic function is generated (3). Signal (B) is transmitted through a similar arrangement except the rectifier (6) and a second amplifier are controlled by a comparator stage (8). The comparator ensures a constant gain factor through the second stage amplifier and rectifier and avoids any problem due to noise. The logarithmic output (9) is compared with Log A (10) to generate the required outputs (A/B.V, A.B.V.).

Description

Analogrechner zur Quarzmessung Die Erfindung betrifft einen Analogrechner zur Bildung des Produktes bzw. des Quotienten der Effektivwerte unterschiedlicher Größenordnung zweier variabler wechselspannungsförmiger Eingangssignale mit nachfolgender Konstanten-Multiplikation, insbesondere zur Quarzmessung.Analog computer for quartz measurement The invention relates to an analog computer for the formation of the product or the quotient of the effective values of different Order of magnitude of two variable AC input signals with the following Constant multiplication, especially for quartz measurement.

In der Meßtechnik fallen oftmals Meßwerte in Form von Spannungen an, die erst nach einer mehr oder weniger aufwendigen rechnerischen Weiterverarbeitung das eigentliche Meßergebnis liefern Üblicherweise werden hierfür neben manuellen Verfahren (Rechenschieber, elektronische Tischrechner) auch halb- oder vollautomatische Berechnungsverfahren wie z.B. in Meßwerterfassungsanlagen mit programmierbaren Analog- oder Digital- Rechnern angewandt. Das Gemeinsame aller automatischen Verfahren ist jedoch der hohe Geräteaufwand, der den Einsatz bei kleineren Automatisierungsvorhaben in der Meßtechnik verbietet.In measurement technology, measured values often occur in the form of voltages, only after a more or less complex computational processing The actual measurement result is usually provided in addition to manual Procedures (slide rule, electronic desk calculator) also semi or fully automatic Calculation methods such as in data acquisition systems with programmable analogue or digital computers. What is common to all automatic procedures is however, the high outlay on equipment that makes it suitable for smaller automation projects prohibited in measurement technology.

Insbesondere taucht bei der Bestimmung der charakteristischen Größen eines Schwingquarzes wie beispielsweise bei der Messung des Ersatzwiderstandes mit Hilfe eines TT - Netzwerkes das Problem auf, aus zwei sich ändernden Spannungen laufend den Widerstand nach einer festen Bestimmungsgleichung zu errechnen, wobei sich die eine Spannung beispielsweise im Bereich 40 mV ... 1 V und die andere Spannung im Bereich fO/V. .. 35 mV ändern kann.In particular, it appears when determining the characteristic quantities a quartz crystal, for example when measuring the equivalent resistance A TT network solves the problem of two changing voltages continuously calculate the resistance according to a fixed equation, whereby one voltage is, for example, in the range 40 mV ... 1 V and the other voltage in the area fO / V. .. 35 mV can change.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, unter Vermeidung der obengenannten Nachteile einen Analogrechner zur Bildung des Produktes bzw. des Quotienten zweier wechselspannungsförmiger Eingangssignale unterschiedlicher Größenordnung mit nachfolgender Konstanten - Multiplikation anzugeben, der die folgenden Eigenschaften besitzt: 1) vergleichsweise sehr geringer Aufwand 2) festverdrahtete Rechneroperation 3) sehr großer Dynamikbereich der Variablen 4) hohe Rechengeschwindigkeit Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das größere der wechselspannungsförmigen Eingangssignale mit einem Effektivwert A in ein statisches Signal der Größe log A und das kleinere der wechselspannungsförmigen Eingangssignale mit einem Effektivwert B, verstärkt um einen konstanten Faktor V, in ein statisches Signal der Größe log VB umgewandelt werden und daß diese statistischen Signale mit Hilfe eines Summenverstärkers addiert bzw. durch Zwischenschalten eines Inverters subtrahiert ein Signal liefern, das nach Delogarithmierung und nachfolgender Verstärkung um einen konstanten Faktor K ein statisches Signal R der Größe R X A.B.K.V bzw R=A.K BV am Ausgang erzeugt.The object of the present invention is to avoid the above Disadvantages of an analog computer for forming the product or the quotient of two AC input signals of different magnitudes with the following Specify constants multiplication that has the following properties: 1) comparatively very little effort 2) hardwired computer operation 3) very large dynamic range of the variables 4) high computing speed This task is achieved according to the invention in that the larger of the alternating voltage Input signals with an effective value A into a static signal of the size log A and the smaller of the AC input signals with an effective value B, amplified by a constant factor V, into a static signal of the size log VB are converted and that these statistical signals with the help of a summing amplifier Adds or subtracts an inverter to deliver a signal, after delogarithmization and subsequent amplification by a constant factor K generates a static signal R of the size R X A.B.K.V or R = A.K BV at the output.

Um den Dynamikbereich einer der Eingangssignale nocn weiter zu erhöhen, besteht eine weitere Ausbildung der Erfindung darin, daß das kleinere der wechselspannungsförmigen Eingangssignale über einen Vorverstärker zu einer Komparatorschaltung und zu einem weiteren Verstärker gelangt, der einen Mittelwertgleichrichter ansteuert, wobei mit Hilfe des Komparators bei bestimmten Eingangsspannungen die Verstärkung in der Verstärkerstufe und ein im Mittelwertgleichrichter befindlicher Teiler elektronisch mittels einer vom Komparator gelieferten Steuerspannung so umgeschaltet werden, daß unabhängig vom Schalt zustand des Komparators das Verhältnis der vom Mittelwertgleichrichter gelieferten Ausgangsspannung zum Effektivwert B - des wechselspannungsförmigen Eingangssignals konstant den Wert V hat.To further increase the dynamic range of one of the input signals, Another embodiment of the invention is that the smaller of the alternating voltage Input signals through a preamplifier to a comparator circuit and to a another amplifier arrives, which controls an average value rectifier, wherein with the help of the comparator for certain input voltages the gain in the Amplifier stage and a divider located in the mean value rectifier electronically can be switched by means of a control voltage supplied by the comparator, that regardless of the switching state of the comparator, the ratio of the mean value rectifier supplied output voltage to the rms value B - of the AC input signal constant has the value V.

Eine hohe Umschaltgeschwindigkeit wird hierbei durch die zusätzliche Maßnahme erzielt, daß die vom Komparator angesteuerte Verstärkerstufe aus einem Operationsverstärker besteht, dessen elektronische Umschaltung mit Hilfe eines MOS-BET's erreicht wird, dessen Drain-Source-Strecke einen Teil der Rückführungsimpedanz des Operationsverstärkers in Abhängigkeit von der Polarität der Komparator-Steuerspannung kurzschließt oder unbeeinflußt läßt.The additional Measure achieved that the controlled by the comparator amplifier stage from one There is an operational amplifier whose electronic switching is done with the aid of a MOS-BET is reached whose drain-source path is part of the feedback impedance of the Operational amplifier as a function of the polarity of the comparator control voltage short-circuits or leaves unaffected.

Der erfindungsgemäße Analogrechner eignet sich sowohl zur Division zweier Variablen A und B mit nachfolgender Multiplikation mit einer Konstanten K (Fall I) als auch zur Multiplikation zweier Variablen A und B mit der Konstanten K (Fall II). Bezeichnet man das Rechenergebnis mit R, so gilt: I.: R = A . K BV II.: R = A-B-KV Der in beiden Gleichungen auftretende Faktor V ermöglicht die Anpassung des Analogrechners an unterschiedliche Eingangsspannungsbereiche, wobei für V bei der Ausgabe des Resultates in Form einer Dezimalzahl zweckmäßig ganzzahlige Zehnerpotenzen gewählt werden.The analog computer according to the invention is suitable for division two variables A and B with subsequent multiplication by a constant K. (Case I) as well as for multiplying two variables A and B by the constant K (case II). If the calculation result is denoted by R, then the following applies: I .: R = A. K BV II .: R = A-B-KV The factor V appearing in both equations enables the adaptation of the analog computer to different input voltage ranges, where useful for V when outputting the result in the form of a decimal number integer powers of ten can be chosen.

Im folgenden Ausführungsbeispiel wird nun ein Analogrechner gemäß der Erfindung an Hand der Zeichnungen naher erläutert.In the following exemplary embodiment, an analog computer is now in accordance with the invention explained in more detail with reference to the drawings.

Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels.Fig. 1 shows the block diagram of an embodiment.

Das größere der wechselspannungsförmigen Eingangssignale A-gelangt über den Wechselspannungsverstärker 1 zum Mittelwertgleichrichter 2 , der eine streng lineare Umwandlungscharakteristik bis herab zu sehr kleinen Signalspannungen hat. Durch einen entsprechend bemessenen Spannungsteiler im Ausgangskreis des Mittelwertgleichrichters wird erreicht, daß an seinem Ausgang eine Gleichspannung auftritt, deren Betrag exakt gleich dem Effektivwert A der Eingangsspannung ANbei Sinusform ist. In der Stufe 3 wird diese Gleichspannung logarithmiert lineare Änderung der Eingangsspannung bewirkt logarithmische Änderung der Ausgangsspannung).The larger of the AC input signals A-arrives via the AC voltage amplifier 1 to the mean value rectifier 2, which is a strict has linear conversion characteristics down to very small signal voltages. With an appropriately sized voltage divider in the output circuit of the mean value rectifier it is achieved that a DC voltage occurs at its output, the magnitude of which is exactly equal to the rms value A of the input voltage AN with sinusoidal shape. In the Stage 3 is this DC voltage logarithmized linear change in the input voltage causes a logarithmic change in the output voltage).

Das kleine der wechselspannungsförmigen Eingangssignale B gelangt über den Vorverstärker 4zu einer Komparatorschaltung 8 und zu einem weiteren Verstärker 5, der wiederum einen Mittelwertgleichrichter 6 ansteuert, welcher ebenfalls eine streng lineare Umwandlungscharakteristik hat und am Ausgang eine Gleichspannung B liefert. Die Besonderheit dieser Schaltungsanordnung liegt darin, daß mit Hilfe des Komparators bei bestimmten Eingangsspannungen die Verstärkung der Stufe 5 und ein im Mittelwertgleichrichter 6 befindlicher Teiler elektronisch so umgeschaltet werden, daß der Ubertragungsfaktor konstant bleibt und unabhängig vom Schaltzustand des Komparators die Ausgangsspannung V;B geliefert wird. Durch dieses Verhalten der schaltung werden bei kleinen Eingangsspannungen Probleme des Verstärker-Rauschens und der Drift und bei großen Eingangsspannungen Probleme der Übersteuerung weitgehend vermindert. Die Spannung V.B wird in der Stufe 7 logarithiniert.The small of the AC input signals B arrives Via the preamplifier 4 to a comparator circuit 8 and to a further amplifier 5, which in turn controls an average value rectifier 6, which also has a has strictly linear conversion characteristics and a DC voltage at the output B delivers. The peculiarity of this circuit arrangement is that with the help of the comparator at certain input voltages the gain of stage 5 and a divider located in the mean value rectifier 6 is switched over electronically be that the transfer factor remains constant and independent of the switching state of the comparator the output voltage V; B is supplied. Through this behavior the circuit will experience amplifier noise problems with low input voltages and the drift and with high input voltages problems of overdriving largely reduced. The voltage V.B is logarithinized in stage 7.

Die Ausgangsspannungen der Stufe 3 log A und der Stufe 7 log VB werden in dem Summenverstärker 10 addiert (Fall II, Multiplikation der Variablen) oder durch Zwischenschalten eines Inverters 9 zwischen 7 und 10 im Summenverstareer subtrahiert (Fall I, Division der Variablen). Der Su:nenverstärker 10 liefert ein Signal an die Delogarithmierstufe 11 wo aus der logarithmischen Änderung der Eingangsspannung eine lineare Anderung der Ausgangs spannung erzeugt wird.The output voltages of level 3 are log A and level 7 are log VB added in the summing amplifier 10 (case II, multiplication of the variables) or subtracted between 7 and 10 in the sum amplifier by interposing an inverter 9 (Case I, division of the variables). The sun amplifier 10 delivers a signal the delay stage 11 where from the logarithmic change in the input voltage a linear change in the output voltage is generated.

Im Fall I erscheint hier das Signal A<B.V , in Fall II das A Signal BV . In dem Gleichspannungsverstarker 12 wird dann das Signal mit der Konstanten K multipliziert und an seinem Ausgang erscheint das Rechenergebnis R.In case I the signal A <B.V appears here, in case II the A signal BV. In the DC voltage amplifier 12, the signal with the constant K is multiplied and the calculation result R appears at its output.

Die Stufe 5, deren Verstärkung elektronisch umgeschaltet wird, weist ebenfalls eine Besonderheit auf. Als Schalter wird hier ein MOS-Feldeffekttransistor 14 veflrendet Csiehe Fig. 2), der je nach Schaltzustand zwei verschiedene Verstärker-Schaltungen realisiert. Hat die Komparatorspannung Uc an der Gate-Elektrode G des MOS-vET's 14 eine solche Polarität, daß der Transistor gesperrt wird, dann entsteht die in Fig. 3 gezeigte Ersatz schaltung. Hierzu haben alle Widerstände R1, R2, R3 und R4 nach der Gleichung Einfluß auf die Verstärkung.Level 5, the gain of which is switched electronically, also has a special feature. A MOS field effect transistor 14 is used here as the switch (see FIG. 2), which realizes two different amplifier circuits depending on the switching state. If the comparator voltage Uc at the gate electrode G of the MOS-VET 14 has such a polarity that the transistor is blocked, then the equivalent circuit shown in FIG. 3 is produced. For this purpose, all resistors R1, R2, R3 and R4 have according to the equation Influence on the reinforcement.

Ist jedoch die Polarität der Komparatorspannung so, daß der MOS-Feldeffekt-Transistor 14 leitend wird, dann ird der Widerstand R2 praktisch kurzgeschlossen und es entsteht die Grundschaltung eines invertierenden Verstärkers mit belastetem Summenpunkt (siehe Fig. 4). Die Verstärkung wird damit Der Vorteil dieser Schaltungsanordnung liegt in der sehr hohen Schaltgeschwindigkeit durch Verwendung des LOS-Et2's.If, however, the polarity of the comparator voltage is such that the MOS field effect transistor 14 becomes conductive, then the resistor R2 is practically short-circuited and the basic circuit of an inverting amplifier with a loaded summation point is created (see FIG. 4). The reinforcement is with it The advantage of this circuit arrangement is the very high switching speed due to the use of the LOS-Et2.

Der MOS-FET's üblicherweise anhaftende Nachteil der sehr geringen Spannungsaussteuerbarkeit bei gesperrter Drain-Source-Strecke D-S bleibt durch die in Fig. 2 gezeigte Anordnung in der Rückführung des Operationsverstärkers ohne Einfluß.The MOS-FET's usually inherent disadvantage of very minor Voltage modulation with blocked drain-source path D-S remains through the The arrangement shown in FIG. 2 in the feedback of the operational amplifier without influence.

Die Erfindung bietet den Vorteil, daß durch Anwendung von Logarithmierung und Delogarithmierung die Spannungsaussteuerung innerhalb der für Operationsverstärker üblichen Aussteuergrenzen bleibt und dadurch in der Schaltung die Verwendung normaler Operationsverstärker ermöglicht wird.The invention offers the advantage that by using logarithmization and Delogarithmierung the voltage control within the for operational amplifiers usual modulation limits and thus the use of normal ones in the circuit Operational amplifier is made possible.

Diese Maßnahme ermöglicht einen großen Eingangsspannungsbereich und vermeidet die sonst notwendige Normierung der Eingangsspannungen.This measure enables a wide input voltage range and avoids the normalization of the input voltages that would otherwise be necessary.

Beispielsweise beträgt der Dynamikbereich bei der Eingangsspannung Asw 26 dB und bei der Eingangsspannung B«,60 dB.For example, the dynamic range for the input voltage is Asw 26 dB and at the input voltage B «, 60 dB.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Analog computer for forming the product or the quotient of the RMS values of different magnitudes of two variable alternating voltages Input signals with subsequent constant multiplication, especially for quartz measurement, d a d u r c h e k e n n n z e i c h n 'e t that the greater of the alternating voltage Input signals (AN) with an effective value A into a static signal of magnitude log A and the smaller of the AC input signals (B) with a RMS value B, amplified by a constant factor V, into a static signal of the size log VB and that these static signals with the help of a Sum amplifier (10) added or

by interposing an inverter (9) subtracts a signal deliver that after delogarithmization (11) and subsequent reinforcement (12 »m a constant factor K a static signal R of the size R = A.B.K.V or R = A.K BV am Output generated.

2. Analog computer according to claim 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that the smaller of the alternating input signals (B) has a Preamplifier (4) to a comparator circuit (8) and to a further amplifier (5) arrives, which controls an average value rectifier (6), with the help of the Comparator (8) for certain input voltages the gain in the amplifier stage (5) and a divider located in the mean value rectifier (6) electronically by means of a control voltage (Uc) supplied by the comparator can be switched so that the ratio of the mean value rectifier regardless of the switching state of the comparator supplied output voltage to the effective value B of the we of the alternating voltage Input signal (B "') has the value V constantly.

3. Analog computer according to claims 1 and 2, d a d u r c h it is noted that the amplifier stage controlled by the comparator (8) (5) consists of an operational amplifier (13) whose electronic switching is achieved with the help of a MOS-FET (14) whose drain-source path (D-S) a part (R2) of the feedback impedance (R2, R3) of the operational amplifier (13) short-circuits depending on the polarity of the comparator control voltage (Uc) or leave it unaffected.