DE2301824A1 - Saegezahngenerator - Google Patents
SaegezahngeneratorInfo
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- Tone Control, Compression And Expansion, Limiting Amplitude (AREA)
- Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)
- Control Of Direct Current Motors (AREA)
Description
Patentanwälte Dipl.-Ing. F. Weickmann,
Dipl.-Ing. H. Weickmann, D1PL.-PHYS. Dr. K. Fincke
Dipl.-Ing. F. A-1^EiCKMANN, Dipl.-Chem. B. Huber
8 MÜNCHEN 86, DEN 2301824
POSTFACH 860820
MOHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22
Ampex Corporation, 401 Broadway, Redwood City, Ca.94063
USA .
Sägezahngenerator
Die Erfindung betrifft einen durch Eingangssteuersignale steuerbaren Sägezahngenerator, insbesondere zur Steuerung
einer Treibrollenantriebsschaltung. Der Sägezahngenerator
soll hierbei Sägezahnsignale beliebiger Polarität und justierbarer Amplitude abgeben.
Sägezahngeneratoren werden in der gesamten Elektronikindustrie vielfach angewendet und sie wurden in vielen Ausführungsformen
entwickelt. Die hierbei verwendeten Schaltbilder umfassen im allgemeinen eine Konstantstromquelle, die einen Integrator,
wie z.B. einen Operationsverstärker mit einer kapazitiven Rückkopplung, ansteuert. Oftmals ermöglichen komplizierte
Anordnungen die Kompensation der Temperatur, die Regelung des Ausgangsnullpunkts und die Justierung der Flanke und der
maximalen Spannung sowohl bei positivem wie bei negativem Sägezahnverlauf.
In manchen Digitalsystemen, wie z.B. den Steuersystemen digitaler Kagnetbandtransporteinrichtungen, werden die Befehls-
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signale zur Vorwärts- und Rückwärtslaufrichtung als einziges
Eingangssignal zugeführt, dessen Polarität die gewünschte Laufrichtung.bezeichnet. Beim Anlaufen, Anhalten oder bei der
Laufrichtungsumkehr werden die Eingangssignale in einem abrupten Übergang geändert. Die Bandtransporteinrichtung hat jedoch
üblicherweise einen servogeregelten Treibrollenantrieb, der zur Steuerung der Beschleunigung und Abbremsung im allgemeinen
ein Sägezahnbezugssignal verwendet. Der Sägezahnsignalgenerator spricht auf die Befehlssignale an, indem er zur Steuerung
der Beschleunigung in positiver oder negativer Laufrichtung ein positives oder negatives Sägezahnsignal abgibt und dann
nach Aufhören des Befehlssignals zur Steuerung des Abbremsens ein Sägezahnsignal entgegengesetzter Polarität abgibt. Bei
konstanter Geschwindigkeit wird in beiden Laufrichtungen für den eingeschwungenen Zustand ein Signal festgelegter Amplitude
als Servobezugssignal verwendet. Um all diese Funktionen zu ermöglichen, mußten bisher relativ komplizierte Schaltkreise
verwendet und eine Vielzahl Justierungen vorgenommen werden.
Herkömmliche Treibrollenantriebssysteme verwenden Sägezahngeneratoren
mit getrennten Ausgängen für positive und negative Sägezahnsignale. Diese Ausgänge müssen an den Treibrollenservokreis
über Trenndioden angekoppelt werden, um eine getrennte Justierung entgegengesetzter Polaritäten des Sägezahnsignals
zu ermöglichen. Diese Trenndioden wirkten sich jedoch auf den Treibrollenservokreis, der infolge der Rückkopplungsschaltung in gewissem Ausmaß gedämpft war, nachteilig aus. Bei
schnell ansprechenden Hochgeschwindigkeitstreibrollenmotoren soll die Dämpfung der Kompensationsschaltung vorzugsweise minimal
sein. Die Anforderungen an die Dämpfung ändern sich jedoch mit der Eingangsimpedanz des Servokreises. Ist die Eingangsimpedanz niedrig, so ist die erforderliche Kompensation sehr
klein; ist die Eingangsimpedanz aber hoch, so ist die erforderliche
Kompensation beträchtlich, um Schwingungen des Treib-
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rollenservokreises zu vermeiden. Die Trenndioden herkömmlicher
Systeme zeigen zwar im leitenden Zustand eine nur geringe Kompensation erfordernde kleine Eingangsimpedanz, benötigen
aber beträchtliche Kompensationsmaßnahmen wegen ihrer hohen
Impedanz, v/enn keine leitend ist. Infolge der Kosten einer an beide Zustände angepaßten Anordnung geht der nicht gewollte
Kompromiß im allgemeinen zu Lasten des Ausmaßes der Kompensation.
Demgegenüber hat die Erfindung die Aufgabe, einen einfachen, sowohl für positive als auch negative Amplituden des Sägezahnsignals
durch einen einzigen Widerstand einstellbaren Sägezahngenerator zu schaffen.
Sie löst diese Aufgabe durch eine Integrationsschaltung, die entsprechend einem ihrem Eingang zur Integration zugeführten
Strom an ihrem Ausgang ein Sägezahnsignal abgibt, durch eine Steuerstreinschaltung, die entsprechend dem ihr zugeführten
Eingangssteuersignal einen festgelegten Strom an einen Verbindungspunkt abgibt, durch eine Stromquelle, die entsprechend
einem von ihr aus dem Verbindungspunkt aufgenommenen Strom den zu integrierenden Strom an den Eingang der Integrationsschaltung
abgibt, und durch eine zwischen dem Ausgang der Integrationsschaltung und dem Verbindungspunkt angeschlossene
Impedanz.
Ein erfindungsgemäßer genauer Sägezahngenerator doppelter Polarität hat eine relativ einfache als monolithischer
integrierter Schaltkreis herstellbare Konstruktion und muß nur an einer einzigen Stelle zur Steuerung des Spannungspegels
beider Polaritäten der Ausgangssägezahnsignale eingestellt
v/erden. Wird der Sägezahngenerator unmittelbar an einen Servokreis,
wie z. B. den Servokreis einer Treibrollenantriebsschaltung
einer Bandtransporteinrichtung angekoppelt, so lie-
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fert er dem Eingang eine optimalesFrequenzverhalten des Servokreises
ermöglichende konstante Impedanz.
Der Sägezahngenerator liefert entsprechend speziellen positiven und negativen stufenförmigen Eingangssignalen exakt temperaturkompensierte
Bezugsströme doppelter Polarität. Eine Rückkopplungsschaltung, die sowohl für positive als auch negative
Sägezahnsignale einen einzigen veränderbaren Widerstand auf v/eist, liefert einen dem Schaltkreisausgangssignal proportionalen
Rückkopplungsstrom. Das Sägezahnsignal wird von einem Integrationsverstärker geliefert, der von einer Konstantstromquelle
doppelter Polarität entsprechend einer Differenz zwischen dem Bezugs- und den Rückkopplungsströmen angesteuert
wird.
In einem speziellen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel steuert eine Diodeneingangsbrückenschaltung die Spannung über
einer zwischen zwei gegenüberliegenden Eckpunkten der Brükkenschaltung angeschlossenen Zenerdiode, wobei zwei Ausgangsanschlüsse
der Eingangsbrückenschaltung über angepaßte Widerstände an einen Summationspunkt gekoppelt sind. Die Anschlüsse
der Zenerdiode werden entsprechend positiven bzw. negativen Eingangsspannungen wechselv/eise im Potential festgelegt
(clamped) und die Eingangsbrückenschaltung liefert damit genau geregelte Bezugsströme entgegengesetzter Polaritäten
über die beiden Widerstände an den Summationspunkt. Die Zenerdiode kann so ausgewählt sein, daß sie eine Temperaturempfindlichkeit
hat, die diejenige der anderen Schaltkreiselemente kompensiert.
Die Konstantstromquelle kann einen Verstärker hoher Verstärkung aufweisen, der einen als spannungsgesteuerte Stromquelle
verwendeten Brückenbegrenzer schaltet. Sie steuert den Integrationsverstärker entsprechend den Strömen aus dem Summations-
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punkt an. Infolge der hohen Verstärkung des schaltenden Verstärkers
wird der Brückenbegrenzer wirkungsvoll im Schalt "betrieb betrieben und zeigt ein schnelles genaues Ausgangsansprechverhalten.
Als Rückkopplungsschaltkreis vom Ausgang des Integrationsverstärkers zum Sumraationspunkt dient ein das
Sägezahnsignal regelndes Potentiometer. Wenn das Ausgangssägezahnsignal eine den Strom durch den Rückkopplungswiderstand
an den Bezugsstrom angleichende Spannungsamplitude hat, wird dem schaltenden Verstärker kein Strom mehr zugeführt
und das Sägezahnsignal behält seinen Pegel bei. Wenn das
Eingangssignal Null wird, so nimmt das Ausgangssignal sägezahnförmig
auf einen sehr genauen Nullpunkt ab.
In anderen Ausführungsformen können eine Vielzahl Merkmale hinzugefügt werden, die das Ausgangssignal abändern oder
unsymmetrische Eigenschaften bewirken. Werden zum Beispiel die angepaßten Widerstände in der Eingangsbrückenschaltung
durch veränderbare Widerstände ersetzt, so können die Endamplituden der positiven und negativen Sägezahnsignale unabhängig
voneinander geregelt werden. Durch Verbinden des negativen Eingangs des schaltenden Verstärkers mit einer
Gleichstromspannungsquelle kann das Ausgangssignal um einen
der Amplitude der Spannungsquelle gleichen Betrag verschoben
werden. Werden zwischen der positiven und der negativen Spannungsquelle und der Brückenbegrenzerschaltung veränderbare
Widerstände eingeführt, so können die Flanken der Sägezahnsignale unabhängig voneinander geregelt werden, während
die Verwendung einer veränderbaren Impedanz zwischen der Brückenbegrenzerschaltung und dem Integrationsverstärker
die gemeinsame Regelung der positiven und negativen Flanken des -Sägezahnsignals ermöglicht.
In seiner Grundform verringert der durch eine einzige Justierung
einstellbare Sägezahngenerator die Einstellzeit auf ein Minimum und erhöht die Zuverlässigkeit, indem er die
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Anzahl elektromechanischer Bauteile auf ein Mindestmaß verringert.
Alle Bauteile eignen sich zusätzlich für integrierte Schaltkreistechnik (medium scale integration) und Einbau
in ^inheitsgehäuse (dual inline packages).
» Zum besseren Verständnis der Erfindung soll sie im folgenden
anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. Hierbei zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Treibrollenantriebsschaltung
in Verbindung mit einem erfindungsgemäßen Sägezahngenerator;
Fig. 2 eine Darstellung der das Verständnis der erfindungsgemäßen Betriebsweise erleichternden Signalverlaufe
a) bis d)j und
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sägezahngenerators. >
Ein in Fig. 1 dargestellter erfindungsgemäßer Sägezahngenerator 10 erzeugt entsprechend positiven und negativen Eingangssignalen
E. Sägezahnspannungen doppelter Polarität. Der Sägezahngenerator 10 erzeugt zur Steuerung der Endamplitude
der positiven und negativen Sägezahnsignale an einem Verbindungspunkt 12 einen genauen Bezugsstrom. Der Verbindungspunkt
12 liegt zwischen zwei Widerständen Rn+ und Rn-, die zwischen zwei Anschlüssen 14, 16 einer Eingangsbrückenschaltung
17 angeschlossen sind. Die Eingangsbrüclcenschal tung 17 erzeugt eine ausgewählte Rückwärtsdurchbruchsspannung
über einer Zenerdiode 18.
Die Zenerdiode 18 liefert ihre Rückwärtsdurchbruchsspannung
zwischen einem Kathodenanschluß 20 und einem Anodenanschluß 22. Die Eingangsbrücksnschaltung 17 erzeugt die Rückwärtsdur
chbruchs spannung in Abhängigkeit von einer Eingangsspannung
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und weist eine den Strom vom Kathodenanschluß 20 zum Anschluß 14 leitende Diode D1 , eine Strom vom Anschluß 16 zum Anodenanschluß
22 leitende Diode D2, eine Strom von der Masse zum Kathodenanschluß 20 leitende Diode D3, eine Strom vom Anodenanschluß
22 zur Hasse leitende Diode D4, eine Strom von der Eingangsklernme E. zum Kathodenanschluß 20 leitende Diode D5
und eine Strom vom Anodenanschluß 22 zur Eingangskiemme E. leitende Diode D6 auf. Die .Eingangsbrückenschaltung 17 muß
nicht notwendigerweise als monolithischer Schaltkreis ausgeführt seixi; diese Ausführungsform wird jedoch bevorzugt, da
sie gleichmäßigere Betriebseigenschaften der Dioden D1 bis D6 sicherstellt.
Im Betrieb treibt eine positive Eingangsspannung an der Eingangsklemme
E. einen Strom durch einen Widerstand R , die Diode D5, die Zenerdiode 18 und die Diode D4 und bewirkt sa
die Rückwärtsdurchbruchsspannung Vb über der Zenerdiode 18,
deren Anodenanschluß 20 auf Masse gehalten wird. Eine negative Eingangsspannung an der Eingangsklemme E. treibt einen
Strom von der Masse über die Diode D3, die Zenerdiode 18, die Diode D6 und den Widerstand R_ zur Eingangsklemme E. .
£* XXl
Durch die negative Eingangsspannung an der Eingangsklemme E. wird der Kathodenanschluß 20 auf Masse gehalten. Im eingeschwungenen
Zustand befindet sich der "Verbindungspunkt 12 auf virtuellem Massepotential und es fließt am Verbindungspunkt 12 ein genau geregelter Bezugsstrom I^ = Vb/Rn+
oder I^ = Vb/Rn-. Solange die Widerstände Rn+ und Rn-Präzisionswiderstände
mit gleichen Widerstandswerten sind und solange die Spannungen an der Eingangsklemme E. 'die
Rückv/ärtsdurchbruchsspannung Vb übersteigen, sind die Amplituden
der Bezugsströme I^ sowohl für positive als auch negative
Eingangsspannungen an der Eingangsklemme E. gleich
und nahezii unabhängig von der Amplitude dieser Eingangs- spannungen.
Da die einzelne Zenerdiode 18 die Amplituden sowohl positiver als auch negativer Spannungen über den
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Widerständen Rn+ und Rn- bestimmt, treten keine Probleme
beim Anpassen der Zenerdioden oder durch Alterungsabweichungen auf. Die Rückwärtsdurchbruchsspannung Vb wird vorzugsweise
etwa im Bereich von 5>1 bis 5,6 V gewählt und
zeigt fast keinerlei Teraperaturernpfindlichkeit, da in diesem
Spannungsbereich betriebene Zenerdioden äußerst stabil 'sind.
ff
Das Ausgangssignal E . liefert ein integrierender Operationsverstärker
24 mit einem zwischen dem Ausgang und einem invertierenden Eingang als Rückkopplung angeschlossenen
Integrationskondensator 25 (C^.). Ein als Rückkopplungswiderstand
R^o, z.B. als Potentiometer ausgeführter, veränderbarer
Widerstand 26 ist zur Rückkopplung zwischen dem Ausgang und dem Verbindungspunkt 12 angeschlossen.
Eine Konstantstromquelle führt den invertierenden Eingang
des Operationsverstärkers 24 entsprechend positiven und negativen Gesamtströmen am Verbindungspunkt 12 Strom zu. In einer
bevorzugten Ausführungsform weist die Konstantstromquelle einen Operationsverstärker 27 und eine Brückenbegrenzerschaltung
28 mit Dioden DS - D11 auf, die zwischen einer ersten Stromquelle -Vc/Rc+ und einer zweiten Stromquelle
+Vc/Rc- angeschlossen sind. Die Brückenbegrenzerschaltung ist ähnlich der Eingangsbrückenschaltung 17 vorzugsweise
als monolithischer integrierter Schaltkreis ausgeführt. Der Operationsverstärker 27 ist mit seinem positiven Eingang an
den Verbindungspunkt 12 angeschlossen und sein invertierender Eingang ist über einen Dämpfungswiderstand R. mit Masse verbunden.
Z\vischen dem Ausgang und dem negativen Eingang des
Operationsverstärkers 27 können zusätzlich zwei gegensinnig gepolte Dioden 29 und 30 parallel angeschlossen sein und als
Zenerdioden zur Begrenzung der maximalen Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 27 dienen. Ein Operationsverstärker
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geht nicht unmittelbar von einer positiven Spannung auf eine negative Spannung über, sondern dies erfolgt mit einer
dem gewählten Typ des Operationsverstärkers eigentümlichen vorbestimmten Geschwindigkeit. Ist die maximale Ausgangsspannung
etv,ra durch die Dioden 29 und 30 begrenzt, so ist die maximale Übergangszeit ebenfalls begrenzt und die An-Sprechgeschwindigkeit
des Systems wird verbessert. Da die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 27 die Durchlaßvorspanrung
der Brückendioden nicht überschreiten muß, um die Brückenbegrenzerschaltung 28 abzuschalten, können die
Kosten gesenkt werden, indem die Dioden 29 und 30 als Standarddioden auf dem gleichen Typ der integrierten Schaltung
ΐηΐΐ den Dioden der Brückenbegrenzerschaltung 28 vorgesehen
werden. Werden Dioden 29 und 30 benutzt, so begrenzen sie die Ausgangsspannung·des Operationsverstärkers 27 durch
ihre Durchlaßvorspannung.
Die Brückenbegrenzerschaltung 28 hat einen ersten Anschluß 31, der über einen Widerstand Rc- an eine positive Spannung
+Vc angeschlossen ist, einen zweiten Anschluß 32, der über einen Widerstand Rc+ an eine negative Spannung -Vc angeschlossen
ist, einen dritten Anschluß 33, der mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 27 verbunden ist, und einen
vierten Anschluß 34, der mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 24 verbunden ist. Eine Diode D8 leitet
Strom vom ersten Anschluß 31 zum dritten Anschluß 33;
eine Diode D9 leitet Strom vom vierten Anschluß 34 zum
zweiten Anschluß 32; eine Diode DIO leitet Strom vom dritten Anschluß 33 zum zweiten. Anschluß 32; und eine Diode D11
leitet Strom vom ersten Anschluß 31 zum vierten Anschluß
In einer anderen Ausführungsform ist die Brückenbegrenzerschaltung
28 fortgelassen und ein Widerstand Ra ist, wie in
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Fig. 1 gestrichelt eingezeichnet, zwischen den Ausgang des
Operationsverstärkers 27 und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 24 angeschlossen. In dieser Ausführungsform
ergibt die den Widerstand Ra zugeführte maximale Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 27 die Konstantstromquelle
zum Betrieb des Operationsverstärkers 24. Diese Ausführungsform ist zwar etwas einfacher, ermöglicht jedoch
v/eniger genaue Regelung der Ausgangsflanken als die bevorzugte Ausführungsform.
Um die Beschreibung der Betriebsweise des Sägezahngenerators
10 zu erleichtern, sollen verschiedene Ströme bezeichnet werden. Durch den veränderbaren Rückkopplungswiderstand
fließt ein Strom I^ vom Verbindungspunkt 12 zum Aiisgang
und vom Verbindungspunkt 12 fließt ein Strom I ^ zu einem Verbindungspunkt 38 des Rückkopplungswiderstands 26 mit
dem positiven Eingang des Operationsverstärkers 27· Der Eingangsstrom
des Operationsverstärkers 27 ist damit i = I^ - 1,^
Durch den Integrationskondensator 25 (C-) fließt ein Strom
Lp zum Ausgang und vom vierten Anschluß 34 fließt ein Strom ■
Ip zu einem Verbindungspunkt 40 des Integrationskondensators
25 mit dem negativen Eingang des Operationsverstärkers
Wird der Sägezahngenerator 10 wie im vorliegenden Fall als
Steuerschaltung einer Digitalmagnetbandtransporteinrichtung verwendet, so ist der Ausgang E . des Sägezahngenerators
10 an einen Treibrollenservokreis 41 angeschlossen. Der Treibrollenservokreis
41 v/eist einen Vorverstärker 42 auf, der an einen seinerseits einen Treibrollenmotor 44 speisenden
Leistungsverstärker 43 angeschlossen ist. Ein erster Rückkopplungsweg 45 koppelt zwischen den Anschlußklemmen des
Treibrollenmotors 44 und dem Vorverstärker 42 zurück. Ein mechanisch angekoppelter Tachometer 46 ermittelt, durch eine
gestrichelte Linie 47 schematisch dargestellt, die Treibrollengeschwindigkeit
und liefert als zweiter Rückkopplungsv/eg
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ein Rückkopplungssignal an den Vorverstärker 42. Die mechanische
Kopplung 47 kann herkömmlich durch unmittelbare Kopplung
mit der Welle des Treibrollenmotors oder durch Reibungsantrieb einer drehbaren, der Treibrolle benachbarten Rolle
durch das Band erfolgen.
Im Gegensatz lu herkömmlichen Systemen muß das alleinige Ausgangssignal
des Sägezahngenerators 10 nicht über Dioden an den Treibrollenservokreis 41 angekoppelt werden und die Quellenimpedanz
am Vorverstärker 42 bleibt über dem gesamten Betriebsbereich des Sägezahngenerators 10 im wesentlichen konstant
auf einem x'elativ kleinen Wert. In der Schaltung des
ersten Rückkopplungswegs 45 müssen deshalb nur geringe Kompensationsmaßnahmen ergriffen werden, um hohe Geschwindigkeit
und rasches Ansprechen ohne Schwingungen in der Nähe des Nullpunktpegels der Sägezahnsignale zu erhalten.
Der Eingangskiemne E. des Sägezahngenerators 10 werden
digitale Befehlssignale für Vorwärts-, Stopp- und Rückwärtsbefehle zugeführt. Der Sägezahngenerator 10 spricht hierauf
mit einem geeigneten negativen oder positiven Sägezahnausgangssignal
an der Ausgangsklemme E .j. an, das als genaues
Bezugssignal zur Regelung der Beschleunigung und Abbremsung des Treibrollenmptors 44 dient. Die Kurve a der Fig. 2 zeigt
typische Befehlssignale des digitalen Ein~Signals mit einem
Vorwärtsbefehl 50 bei t^, einem Stoppbefehl 50a bei t~ und
einem Rückwärtsbefehl 50b bei t^. Der Stoppbefehl 50a hat
Massepotential, während die Vorwärts- und Rückwärtsbefehle 50, 50b positive bzw. negative Spannungen haben, die bei vorzugsweise
gleicher Amplitude, über der Rückwärtsdurchbruchsspannung der Zenerdiode 10 liegen. Die Amplituden der Vorwärts-
und Rückwärtsbefehle 50, 50b liegen üblicherweise bei ■s- 12 V.
Wird der Eingangsklernme E. zum Zeitpunkt t. der Vorwärtsbe-
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fehl 50 mit einer positiven Eingangsspannung zugeführt, so steigt die Spannung am Verbindungspunkt 12 auf eine leicht
positive Spannung 52 (Kurve b) an und bewirkt einen Strom I„^
= (Vb/Rn+) - (E out/Rf) ^n ^en positiven Eingang des Operationsverstärkers
27. Dieser Eingangsstrom führt dazu, daß der Operationsverstärker 27 ausreichend Strom' durch die Diode D1O
und den Widerstand Rc+ treibt, um die Spannung am zweiten Anschluß 33 auf die maximale Aus'gangsspannung des Operationsverstärkers
27 oder auf eine Spannung ansteigen zu lassen, die einen zum Sättigen des Operationsverstärkers 27 ausreichenden
Strom durch den Widerstand Rc+ schickt. Da die Diode D1O infolge des Operationsverstärkers 27 leitet, sind die Dioden
D8 und D9 in Sperrichtung vorgespannt und in den negativen
Eingang- 40 des Operationsverstärkers 24 fließt ein Strom Ip
= (+Vc-Vp.,,,)/Rc-; hierbei bedeutet V-n-i-i den Dur chi aß Spannungsabfall
über der Diode D11. Auf diesen Strom hin wird der Ausgang des Operationsverstärkers 24 negativ und zieht einen
Strom Ι-,ρ = C-p out = Inp· Damit wird ein negatives Säge-
dt
zahnsignal 54 erzeugt, bis E^ seine maximale negative
Spannung 56 erreicht hat, wobei dann If^ = -E ou+/Rf· gleich
dem Bezugsstrom I^ ist. Wenn In^ und I^ gleich sind, so
ist das Eingangssignal des Operationsverstärkers 27 Null; die Brückenbegrenzerschaltung 28 ist damit abgeglichen und
schaltet I « ab und die Ausgangs spannung an E .. bleibt
auf dem Pegel der maximalen Ausgangsspannung 56 stehen. Diese
maximale Ausgangsspannung 56 wird durch Einstellen des veränderbaren Widerstands 26 (R^) geregelt. Wenn der Widerstandswert
des Widerstands 26 zunimmt, so muß die Amplitude der Spannung an E . zunehmen, bevor I-,, = I >, ist.
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Nachdem der Operationsverstärker 24 den Strom I^,,, abgeschaltet
hat, wird der Laststrom den Integrationskondensator C~ langsam entladen, was zu einem Strom ^I-p? führt, aufgrund dessen
der Verstärker den größten Teil des für die Last und I«,, erforderlichen
Stroms liefert. Die Amplitude der Spannung an E . wird jedoch beim Entladen von C^ abnehmen, bis I~,, nicht
mehr gleich I^ ist und der Operationsverstärker 27 eingeschaltet
wird. Wenn der zwischen Masse und dem negativen Eingang des Operationsverstärkers 27 angeschlossene Widerstand
R. relativ groß und das System damit überbedämpft ist, so
wird ein in Kurve c der Fig. 2 dargestellter, eingeschwungener Zustand erreicht, bei dem ein kleiner Unterschied zwischen
I-., und I ^ den Operationsverstärker 27 ein klein wenig aussteuert,
hierdurch die Brückenbegrenzerschaltung ein klein wenig verstimmt und einen kleinen Strom ΔI ~ bewirkt. Infolge
ΔI ο zieht der Ausgang des Operationsverstärkers 24
einen zur Kompensation von AI^ und des Laststroms ausreichenden
Strom und das System bleibt abgeglichen. Ist jedoch R, unzureichend klein und das System damit unstabil, so erreicht
der Operationsverstärker 27 den eingeschwungenen Zustand nicht, sondern schaltet ständig zwischen einem Ein-
und einem Aus-Zustand hin und her. Dieses Schalten bev/irkt wiederum, daß der Operationsverstärker 24 ständig ein-und
ausgeschaltet wird und hierdurch, wie in Kurve d der Fig. 2 dargestellt, dem maximalen Spannungspegel einen Sägezahnsignalverlauf
58 überlagert. Die Verwendung von Dioden 29 und 30 zur Begrenzung des Spannungshubs des Operationsverstärkers
27 vermindert auch die Amplitude des als Welligkeit überlagerten Sägezahnsignalverlaufs 58. Die unterbedämpfte
Betriebsweise führt nicht nur zu einem unerwünschten überlagerten Sägezahnsignalverlauf 58, sie hat auch einen scharfen
Übergang 60 zum Zeitpunkt t^ bei Beginn des Sägezahnsignals
zur Folge. Im Gegensatz hierzu verzögert bei einem überbedämpften Sägezahngenerator ein allmählicher Übergang 62
auf ein Sägezahnausgangssignal etwas das Ansprechen.
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Jedesmal, wenn das Signal an der Eingangsklemme E. wieder Null wird, wie z.B. zum Zeitpunkt tp, kehrt die Ausgangsspannung
E , nach einer Sägezahnfunktion, wie z.B. der Sägezahnspannung
64, ebenfalls nach Null zurück. ¥ird der Sägezahngenerator 10 zusammen mit einer Servoregelung verwendet,
so erhält man auf diese Weise eine glatte, geregelte Abbremsfunktion.
Ist E. Null, so bewirkt eine nicht verschwindende E .-Spannung einen Strom I ~»,. Der Strom I ~* steuert den
Operationsverstärker 27, verstimmt hierdurch die Brückenbegrenzerschaltung 28 und hat einen Strom Ip zur Folge, der
E .-sägezahnartig nach Null führt. Auf diese Weise kann die Ausgangsspannung E . sehr genau auf Null gehalten werden,
wenn die Eingangs spannung an der Eingangsklemme E. Null ist.
Eine negative Spannung an der Eingangsklemme E. führt zu einem positiven Sägezahnsignal 66, das in ähnlicher Weise
wie das negative Sägezahnsignal 54, jedoch mit Strömen und Spannungen entgegengesetzter Polaritäten, erzeugt wird. Eine
negative Spannung an der Eingangsklemme E. läßt die Diode D2, die Diode D3, die Zenerdiode 18 und die Diode D6 leitend werden
und führt zu einem negativen Strom I^. Der Strom I . bewirkt
ein negatives Ausgangssignal des Operationsverstärkers 27, das die Diode D8.vollständig durchschaltet und hierdurch
die Dioden D10 und D11 in Sperrichtung vorspannt. Die Diode D9 führt einen Strom -Inp = (-Vc-V0Q)/Rc+, der den invertierenden
Eingang des Operationsverstärkers 24 aussteuert und das positive Sägezahnsignal 66 erzeugt. VDq ist der Durchlaßspannungsabfall
über der Diode D9. Das Sägezahnsignal 66 endet in einer maximalen Spannungsamplitude 68, wenn das
System überbedämpft ist und in einem Sägezahnverlauf 70,
wenn es unterbedämpft ist.
Eine zufriedenstellend arbeitende Ausführungsform des Sägezahngenerators
10 weist folgende Komponenten und Werte auf:
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Zenerdiode 18 Dioden D1-D6, D8-D9, 29, 30
Rn+, Rn-
Rf Operationsverstärker 24
IN751A IN914A
470 α
27
Rc+, Rc- +V
7,5Ka(Potentiometer)
1/2 SN72558P 1/2 SN72558P 10KII 0,047/uf
6
+12,0 V Gleichstrom +12 V Stufen oder 0 V
Der Sägezahngenerator 10 liefert entsprechend den negativen und positiven digitalen Eingangssignalstufen positive und
negative Sägezahnsignale doppelter Polarität. Die Sägezahnsignale weisen Flanken und maximale Amplituden auf, die von der Eingangsamplitude nahezu unabhängig sind und das Ausgangssignal kehrt in einem Sägezahnverlauf exakt zum Nullpunkt zurück, wenn das Eingangssignal Mull wird. Die Amplitude des
eingeschwungenen Zustands kann mit einem einzigen Potentiometer justiert v/erden, das auf die Amplitude sowohl der positiven wie auch der negativen Ausgangssignale gleichermaßen einwirkt.
negative Sägezahnsignale doppelter Polarität. Die Sägezahnsignale weisen Flanken und maximale Amplituden auf, die von der Eingangsamplitude nahezu unabhängig sind und das Ausgangssignal kehrt in einem Sägezahnverlauf exakt zum Nullpunkt zurück, wenn das Eingangssignal Mull wird. Die Amplitude des
eingeschwungenen Zustands kann mit einem einzigen Potentiometer justiert v/erden, das auf die Amplitude sowohl der positiven wie auch der negativen Ausgangssignale gleichermaßen einwirkt.
Da nur ein einziges Potentiometer sowohl für die positiven
als auch die negativen Sägezahnsignale verwendet wird, wird beim Eichen und Einjustieren der Schaltung sowohl in der
Fabrik als auch bei der Anwendung Zeit gespart. Da die Zuverlässigkeit elektronischer Bauelemente verglichen mit der eines mechanischen Potentiometers nahezu unbegrenzt ist, ist die
Zuverlässigkeit des erfindungsgemäßen Sägezahngenerators etwa doppelt so groß wie die eines herkömmlichen, zwei Potentiometer erfordernden Sägezahngenerators. Die Ausgangsspannung
als auch die negativen Sägezahnsignale verwendet wird, wird beim Eichen und Einjustieren der Schaltung sowohl in der
Fabrik als auch bei der Anwendung Zeit gespart. Da die Zuverlässigkeit elektronischer Bauelemente verglichen mit der eines mechanischen Potentiometers nahezu unbegrenzt ist, ist die
Zuverlässigkeit des erfindungsgemäßen Sägezahngenerators etwa doppelt so groß wie die eines herkömmlichen, zwei Potentiometer erfordernden Sägezahngenerators. Die Ausgangsspannung
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ist bei der Eingangsspannung Null exakt geregelt und jede
leichte Abweichung wirkt sich auf positive und negative Sägezahnsignale gleichermaßen aus.
Da leicht erhältliche Bauteile in einer äußerst einfachen Schaltung verwendet werden, kann der Sägezahngenerator ,mit
weniger als drei Gehäuseeinheiten (D.I.P. packages) zusatz-
lieh zum Integrationskondensator und dem Potentiometer aufgebaut
v/erden. Demzufolge sind sowohl die Material- als auch die Zusammenbaukosten verglichen mit einem herkömmlichen Sägezahngenerator
vergleichbarer Präzision äußerst niedrig.
Durch Änderung gewisser Bauteilwerte können die Sägezahnfunktionen
unsymmetrisch gemacht werden. Zum Beispiel regeln die Widerstände Rc+ und Rc- die Amplitude des Stroms Ip un(i
damit die Flanke des positiven bzw. negativen Sägezahnsignals. Entsprechend regeln die Widerstände Rn+ und Rn- den Strom I ,,,
der den Strom 1-^ festlegt, und regeln damit die relativen
maximalen Amplituden der positiven und negativen Sägezahnsignale .
Die in Fig. 1 gezeigte grundlegende Ausführungsform des Sägezahngenerators
10 kann durch Hinzufügen oder Abändern variabler Widerstände an ausgewählten Schaltungspunkten für spezielle Effekte abgeändert werden. Diese speziellen Effekte können
die Brauchbarkeit des erfindungsgemäßen Sägezahngenerators
erheblich vergrößern.
Ein in Fig. 3 dargestellter Sägezahngenerator 80 weist eine mit dem als Summationspunkt dienenden Verbindungspunkt 12
verbundene Eingangsbrückenschaltung 82, eine auf den Strom aus dem als Summationspunkt dienenden Verbindungspunkt 12
ansprechende Konstantstromquelle, einen auf die Konstant-
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stromquelle ansprechenden integrierenden Verstärkerschaltkreis 84, eine zwischen einem Ausgang der integrierenden Verstärkerschaltung
84 und dem als Summationspunkt dienenden Verbindungspunkt 12 geschaltete Rückkopplungsimpedanz Rf, und
eine an den Ausgang der integrierenden Verstärkerschaltung angeschlossene Ausgangsschaltung 86 zur Änderung der Signalflanke
auf. Die Eingangsbrückenschaltung 82 ähnelt der Eingangsbrückenschaltung
17 des Sägezahngenerators 10 und ist, bis auf variable Widerstände VRn+ und VRn-, die die Widerstände
Rn+ und Rn- ersetzen, ähnlich aufgebaut. Durch Ändern der Widerstände VRn+ und VRn- können die maximalen Ausgangsspannungen
der positiven und negativen Sägezahnsignale unabhängig voneinander geregelt werden. Wird z.B. VRn+ verkleinert, so
wird das Sägezahnausgangssignal negativer v/erden, bevor I^
gleich I .. wird und die Schaltung des Sägezahngenerators
abgleicht. Die änderbare Impedanz R^ kann immer noch zur
Regelung des maximalen Ausgangssignals sowohl der positiven
als auch der negativen Sägezahnsignale gleichzeitig verwendet v/erden.
In der den Operationsverstärker 27 und die Brückenbegrenzerschaltung
28 aufweisenden Konstantstromquelle können ebenfalls spezielle Eigenschaften vorgesehen werden. Eine zwischen dem
Widerstand R, am negativen Eingang des Operationsverstärkers
27 und Masse angeschlossene Spannungsquelle V, kann zum Verschieben des gesamten Ausgangsspannungssignalverlaufs verwendet
v/erden. Ändert sich zum Beispiel die Ausgangsspannung
des Sägezahngenerators 80 zwischen -12 V und + 12 V bei einem Ruhepunkt bei 0 V, wenn V, = 0 ist, so wird sie sich zwischen
-10 V und +14 V mit einem Ruhepunkt bei +2 V ändern, wenn V, = 2 V ist. Werden außerdem die festen Widerstände Rc+
und Rc- durch variable Impedanzen VRc+ und VRc- ersetzt, so können die Flanken des positiven und negativen Sägezahnausgangssignals
unabhängig voneinander geändert werden, ohne die maximale Amplitude der Ausgangsspannung zu beeinflussen.
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Wird zwischen dein Ausgang 34 der Brückenbegrenzers chaltung
und dem Verbindungspunkt 40 am Eingang des integrierenden Operationsverstärkers 24 ein veränderbarer Widerstand VR
eingeschaltet, so.können die Flanken sowohl des positiven
als auch des negativen Sägezahnsignals symmetrisch und gleichzeitig geregelt werden. Es muß jedoch sichergestellt sein,
daß die maximale Ausgangssignalspannung des Operationsverstärkers 27 die Spannung über dein Widerstand VR einschließlieh
der Dur chi aßvor spannung der Dioden D8 oder D10 übersteigt,
Anderenfalls arbeitet die Brückenbegrenzerschaltung 28 nicht
richtig im Schaltbetrieb als Begrenzer.
Wird der Sägezahngenerator 80 als Stromgenerator betrieben, so können die positiven und negativen Sägezahnsignale herkömmlich
durch die Ausgangsschaltung 86 unabhängig geregelt werden. Die Ausgangsschaltung 86 weist für positive Ausgangsströme
einen variablen Widerstand VR + und eine Diode D14 und für negative Ausgangsströme einen variablen Widerstand
VR- und eine Diode D15 auf, die parallel zum Widerstand
VR+ und zur Diode D14 geschaltet sind. Im Gegensatz zu den
Impedanzen VR + und VR-, die nur die maximale Spannung beeinflussen,
und den Impedanzen VR + und VR-, die sich nur
C C
auf die Flanken auswirken, beeinflußt eine Änderung der Widerstände VR+ und VR- sowohl die Flanke als auch den
maximalen Strom.
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Claims (17)
1./ Durch Eingangssteuersignale steuerbarer Sägezahngenerator
insbesondere zur Steuerung einer Treibrollenantriebsschaltung,
gekennzeichnet durch eine Integrationsschaltung (24, 25; 84), die entsprechend e'inem ihrem Eingang zur Integration
zugeführten Strom an ihrem Ausgang ein Sägezahnsignal abgibt, durch eine Steuerstromschaltung (17; 80), die
entsprechend dem ihr zugeführten Eingangssteuersignal einen
festgelegten Strom an einen Verbindungspunkt (12) abgibt, durch eine Stromquelle (27, 28; 27, Ra), die entsprechend
einem von ihr aus dem Verbindungspunkt (12) aufgenommenen Strom den zu integrierenden Strom an den Eingang der Integrationsschaltung
(24, 25; 84) abgibt, und durch eine zwischen dem Ausgang der Integrationsschaltung (24, 25; 84)
und dem Verbindungspunkt (12) angeschlossene Impedanz (26).
2. Sägezahngenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Integrationsschaltung (2.4, 25; 84) einen Verstärker (24) aufweist, zwischen dessen Eingang und Ausgang
ein Kondensator (25) angeschlossen ist.
3· * Sägezahngenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Verstärker (24) ein Operationsverstärker ist, und der Kondensator (25) an den invertierenden Eingang
des Operationsverstärkers angeschlossen ist.
4. Sägezahngenerator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle (27, 28) einen
mit seinem Eingang an den Verbindungspunkt (12) angeschlossenen weiteren Verstärker (27) und eine mit dem Ausgang des weiteren
Verstärkers (27) verbundene Brückenbegrenzerschaltung (28) auf-
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weist, dieeinen vom Ausgangssignal des v/eiteren Verstärkers
(27) abhängigen. Strom an die Integrationsschaltung (24, 25; 84) abgibt.
5. Sägezahngenerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang des weiteren Verstärkers (27) eine Begrenzerschaltung.
(D29, D30) zur Begrenzung seiner maximalen
Spannungsausgangsamplitude angeschlossen ist.
6. Sägezahngenerator nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenbegrenzerschaltung (28)
vier als Brücke geschaltete Dioden (D8, D9, D10, D11) aufweist, daß der Ausgang des weiteren Verstärkers (27) und der Eingang
der Integrationsschaltung (24, 25; 84) mit jeweils einem
Anschluß (33, 34) der einen Brückendiagonale verbunden sind, und daß eine positive Stromquelle (+Vc, Rc-) an den einen
Anschluß (31) und eine negative Stromquelle (-Vc, Rc+) an den anderen Anschluß (32) der anderen Brückendiagonale angeschlossen
ist.
7. Sägezahngenerator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden (D8, D9, D1O, D11) für Ströme der positiven
und der negativen Stromquelle (+Vc, Rc-; -Vc, Rc+) in Durchlaßrichtung gepolt sind.
8. Sägezahngenerator nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die positive und die negative Stromquelle
(+Vc, Rc-; -Ve, Rc+) veränderbare Widerstände (Rc-; Rc+) aufweisen, die an eine positive bzw. eine negative
Spannungsquelle (+Vc; -Vc) angeschlossen sind.
9. Sägezahngenerator nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Verstärker (27) mit
einem nicht invertierenden Eingang an den Verbindungspunkt (12)
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und mit einem invertierenden Eingang über einen Widerstand (Rd) an Masse angeschlossen ist.
10. Sägezahngenerator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen dein Ausgang der
Integrationsschaltung (24, 25; 84) und dem Verbindungspunkt (12) angeschlossene Impedanz (26) ein veränderbarer Widerstand ist.
11. Sägezahngenerator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerstromschaltung (17; 80)
zwei mit jeweils einem Anschluß an den Verbindungspunkt (12) angeschlossene Widerstände (Rn+, Rn-) und eine mit ihrer Anode
(22) und ihrer Kathode (20) jeweils an die anderen Anschlüsse der beiden Widerstände (Rn+, Rn-) angekoppelte Zenerdiode
(18) aufweist und daß eine Koppelschaltung (D1-D6) entsprechend der Polarität des ihr zugeführten Eingangssteuersignals
bei positivem Eingangssteuersignal die Anode (22) und/ oder den an sie angekoppelten anderen Anschluß des einen der beiden
Widerstände (Rn-) und bei negativem Eingangssteuersignal die
Kathode (20) und/oder den an sie angekoppelten anderen Anschluß des anderen der beiden Widerstände (Rn+) nach Masse schließt
und hierbei die Rückwärtsdurchbruchsspannung der Zenerdiode (18) an die anderen Anschlüsse der beiden Widerstände (Rn+,
Rn-) anlegt.
12. Sägezahngenerator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet» daß die Koppelschaltung (D1-D6) eine Diodenbrückenschaltung
ist, die so geschaltet ist, daß die Steuerstromschaltung (17; 80) bei fehlendem Eingangssteuersignal keinen Strom
an den Verbindungspunkt (12) abgibt.
13· Sägezahngenerator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Ausgang der Stromquelle
(27, 28) und dem Eingang der Integrationsschaltung eine
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veränderbare Impedanz (VR_) geschaltet ist.
14. Sägezahngenerator nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Kondensator (25)
und dem Ausgang des Verstärkers (24) ein veränderbarer Widerstand geschaltet ist, und daß der gemeinsame Verbindungspunkt des Kondensators (25) und dieses veränderbaren Widerstands
mit der Ausgangsklemme verbunden ist.
15. Sägezahngenerator nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den gemeinsamen Verbindungspunkt des Kondensators
(25) mit dem veränderbaren Widerstand und der Ausgangsklemme eine Ausgangsschaltung angeschlossen ist,
die Ströme entgegengesetzter Richtung über jeweils einen von zwei jeweils eine Diode (D14, D15) und einen veränderbaren
Widerstand (VRu+, VRu-) aufweisende, parallele Stromwege leitet.
16. Sägezahngenerator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch.gekennzeichnet, daß die an den Sägezahngenerator (10) angeschlossene
Treibrollenschaltung einen Treibrollenmotor
(44) und einen vom Ausgangssignal des Sägezahngenerators (10)
steuerbaren Servokreis (41) zur Regelung des Treibrollenmotors
(44) aufweist.
17. Sägezahngenerator nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Servokreis (41) unmittelbar an den Ausgang konstanter
Impedanz des Verstärkers (24) der Integrationsschaltung
(24, 25) angeschlossen ist,der ein Antriebssignal an
den Treibrollenmotor (44) abgibt.
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