DE2301824A1

DE2301824A1 - Saegezahngenerator

Info

Publication number: DE2301824A1
Application number: DE2301824A
Authority: DE
Inventors: Richmon E Deas; Hale M Jones
Original assignee: Ampex Corp
Current assignee: Ampex Corp
Priority date: 1972-03-03
Filing date: 1973-01-15
Publication date: 1973-09-06
Also published as: DE2301824C3; BE795491A; FR2191356A1; GB1367266A; DE2301824B2; CA1002118A; FR2191356B1; IT977020B; JPS5915407B2; JPS48104455A; US3745373A

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-

309836/1087

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-

309836/10 87

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-

309836/1087

-■4 -

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-

309836/1087

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

309836/1087

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

30 383·6/1|Ι087

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

309836/1087

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

309836/1ΌΙ-87

-♦9 -

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

309a36/1087

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

309836/1087

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 E_in~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-

309836/1087

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 = I_np· Damit wird ein negatives Säge-

dt

zahnsignal 54 erzeugt, bis E^ seine maximale negative Spannung 56 erreicht hat, wobei dann I_f^ = -^E _ou+/Rf· gleich dem Bezugsstrom I^ ist. Wenn I_n^ 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.

309836/1087

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.

309836/1087

23Ό1824

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 -I_np = (-Vc-V₀Q)/Rc+, der den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 24 aussteuert und das positive Sägezahnsignal 66 erzeugt. V_Dq 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:

309836/1087

Zenerdiode 18 Dioden D1-D6, D8-D9, 29, 30

Rn+, Rn-

R_f 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.

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

309836/1087

-«16 -

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-

309836/1087

- V - 230Ί82Α

stromquelle ansprechenden integrierenden Verstärkerschaltkreis 84, eine zwischen einem Ausgang der integrierenden Verstärkerschaltung 84 und dem als Summationspunkt dienenden Verbindungspunkt 12 geschaltete Rückkopplungsimpedanz R_f, 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.

309836/10 8 7

·- 18 -

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.

303836/1087

Claims

Patentansprüche

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-

309836/1087

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)

309838/1087

230Ί824

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

309836/1087

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.

309836/1087

Leerseite