DE2543777B2 - Sägezahn-Spannungsgenerator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Sägezahn-Spannungsgenerator mit einem Kondensator, über dem die Sägezahnspannung erzeugt wird, einer Ladestromquelle zur Lieferung eines Ladestroms für den Kondensator, Einrichtungen zur Lieferung von zusätzlichem Strom für den Kondensator, einer Stromsenke zum Aufnehmen des Ladestroms und des zusätzlichen Stroms und mit Einrichtungen zur Steuerung des Ladestroms und des zusätzlichen Stroms in die Stromsenke.

Ein derartiger Sägezahn-Spannungsgenerator ist bereits aus der US-PS 38 12 383 bekannt, siehe insbesondere Fig. 1. Bei dem aus dieser Druckschrift bekannten Sägezahngenerator wird die Sägezahnspannung dadurch erzeugt, daß ein Kondensator durch eine Ladungsspannung geladen und anschließend beispielsweise durch den dargestellten Schalter wieder entladen wird. Um den Ladestrom auf einem bestimmten Wert zu stabilisieren und dadurch eine zeitsynchrone Ladung zu erhalten, wird der Ladestrom auf einen bestimmten Wert begrenzt, der bei der eingangs genannten US-PS durch eine Eingangsspannung festgelegt wird. Nachteilig ist dabei, daß eine derartige Schaltung längere Zeit

benötigt, um sich beispielsweise von negativen Spannungsspitzen (die z. B. durch Überschießen der Entladung Zustandekommen können) zu erholen.

Für einen Sägezahn-Generator, der insbesondere für die Zeitablenkung eines Oszillographen verwendet werden soll, ist jedoch nicht nur eine sehr präzise Zeitlinearität erforderlich, damit eine eindeutige Zuordnung zwischen Strahlstellung und Zeit sich ergibt, der Elektronenstrahl muß auch genau wieder auf die Ausgangsstellung zurückgebracht werden, weil sich sonst bei der Darstellung von Vorgängen auf dem Bildschirm Positionsverschiebungen ergeben.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Sägezahn-Generators, der nicht nur eine verbesserte Zeitlinearität ergibt, sondern auch noch bezüglich der Nullstellung eine größere Stabilität zeigt, als es bei der Schaltung der US-PS 38 12 383 oder noch zu schildernden aus der US-PS 37 23 762 bekannten Einrichtung der Fall ist.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst, vereinfacht gesagt also dadurch, daß Verschiebungen, die sich bezüglich des Ausgangspunktes der Sägezahnspannung ergeben, mit Hilfe einer Rückführung verkleinert werden, die diese Abweichungen verringert, welche Abweichungen insbesondere durch Temperaturschwankungen, Diodenfehlanpassungen usw. entstehen.

Die Rückführungsschleife wird von zwei Verstärkern gebildet, die die Basisspannung auf eine bestimmte externe Bezugsspannung festlegen, wodurch eine Nullpunkt-Stabilität erreicht wird, wie sie beim Stand der Technik nicht vorhanden ist, gleichzeitig aber auch der ansteuernden Sägezahnspannung so genau gefolgt wird, daß auch die Zeitlinearität verbessert wird.

Letzteres wird insbesondere dadurch erreicht, daß die Umschaltung von Ladung auf Entladung mit Hilfe von einer sehr schnell arbeitenden Schalteinrichtung bewirkt wird, die eine Umschaltung des Kondensators von einer Stromquelle zu einer Stromsenke vornimmt, wobei die Stromsenke eine größere Stromkapazität aufweist, wie die Stromquelle.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, das in den Zeichnungen dargestellt ist. Es zeigt

F i g. 1 eine Schaltung zur Erzeugung einer linearen Sägezahnspannung, wie sie aus der US-PS 37 23 762 bekannt geworden ist,

F i g. 2 den Verlauf der aus dieser bekannten Einrichtung gewonnenen Sägezahnspannung,

F i g. 3 die vorzugsweise Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung und

F i g. 4 den Verlauf der von der erfindungsgemäßen Schaltung erzeugten Sägezahnspannung.

In den Zeichnungen zeigt F i g. 1 einen Spannungsgenerator gemäß der US-PS 37 23 762, der bei der Entwicklung der vorliegenden Erfindung als Ausgangspunkt diente und daher hier zusätzlich zu der bereits genannten US-PS 38 12 383 genannt und erläutert sei. Der Sägezahn-Spannungsgenerator gemäß der US-PS 37 23 762 umfaßt einen Kondensator 14 und eine Schaltdiode 12, die dazu verwendet wird, den Kondensator 14 zu laden und zu entladen, wobei die über den Kondensatoranschlüssen entstehende Spannung als Sägezahnspannung verwendet wird. Eine Signalquelle 10, die ein Schaltsignal P erzeugt, ist an einem Ende geerdet und am anderen Ende mit der Kathodenelektrode der Schaltdiode 12 verbunden, deren Anodenelektrode mit dem Verbindungspunkt 13 zwischen dem

Ausgang einer Quelle für Ladestrom 15 und einem Anschluß des Kondensators 14 verbunden ist. Die Polarität der Quelle 15 wird so gewählt, daß der Strom /ι über die Verbindung 13 in den Kondensator 14 fließt. Der andere Anschluß des Kondensators 14 ist geerdet und der Verbindungspunkt 13 noch mit einem Ausgangsanschluß 16 verbunden. Bekannterweise fließt in Abwesenheit eines von der Quelle 10 gelieferten Schaltesignals Pein Strom /ι von der Quelle 15 über die Diode 12 in die Signalquelle 10. Falls ein Schaltesignal P vorhanden ist, wird die Schaltdiode 12 umgekehrt vorgespannt, wodurch dem Strom I\ ermöglicht wird, den Kondensator 14 aufzuladen. Es ist auch bekannt, daß ein exponentiell verlaufender umgekehrter Strom i\ (t) aufgrund der gespeicherten Ladung in den Verbindungspunkt 13 fließt, so daß der Kondensator auch aufgrund dieses Stromes geladen wird. Der Effekt des zusätzlichen exponentiell verlaufenden Stromes führt zu der Sägezahn-Spannungswellenform 19 der Fig.2, in der außerdem noch das Schaltsignal P dargestellt ist. Wie aus Fig.2 zu erkennen ist, ist die Wellenform 19 nicht linear und enthält Anfangs-Wertabweichungen. Um diese Nachteile zu vermeiden, wird ein Serienschaltkreis mit einer Quelle für konstante Spannung 11 und eine zweite Diode 17 parallel zum Kondensator 14 geschaltet. Die Polarität der zweiten Diode 17 und der positive Anschluß der Konstant-Spannungsquelle 11 sind in der Weise angeordnet, daß die Diode 17 bei Abwesenheit eines Schaltsignals P von der Signalquelle 10 leitend ist. Wenn beide Dioden ähnliche Kennlinien haben, wird ein zusätzlicher Exponentialstrom /2 ft) erzeugt, der in der dargestellten Richtung fließt, wenn der Schaltimpuls P zugeführt wird. Im Ergebnis werden die Exponentialströme wirksam beseitigt und die Sägezahn-Spannungswellenform 18 erzeugt. Jedoch verbleiben Anfangs-Abweichungen und Ungenauigkeiten aufgrund von Temperaturschwankungen, Diodenfehlanpassungen usw. erhalten.

In dem US-Patent 36 21 282 ist ein Sägezahngenerator beschrieben, der einen bistabilen Komparator aufweist, um die Sägezahnspannung mit einer Bezugsspannung zur Entladung eines Kondensators zu vergleichen, über den die Sägezahnspannung erzeugt wird, um eine stabilisierte Sägezahnspannung zu liefern. Jedoch kehrt der Ausgang eines solchen Schaltkreises nicht zu einer genauen Bezugsspannung zurück, da der Ausgang des Komparators aufgrund der Parameter des Komparator sich wesentlich verschieben kann.

Gemäß einer vorzugsweisen Ausführungsform der Erfindung, die in F i g. 3 in Einzelheiten dargestellt ist, wird ein Sägezahn-Spannungsgenerator geschaffen, der gegenüber den bekannten Sägezahn-Spannungsgeneratoren weiter verbessert ist und gleichzeitig die Zeitbasis auf einem Bezugspegel hält. Der erfindungsgemäße Sägezahn-Spannungsgenerator umfaßt einen Kondensator 50, der geladen und entladen wird, um die Sägezahn-Spannungswelienform zu liefern. Eine Zeitsteuerungs-Stromquelle 52 ist zwischen der Quelle für ein geeignetes Potential und einem Anschluß des Kondensators 50 angeschlossen, so daß ein Strom /er in den Kondensator 50 hineinfließt. Der andere Anschluß des Kondensators ist geerdet. Der in den Kondensator 50 hineinfließende oder aus diesem herausfließende Strom erzeugt über dem Kondensator eine Anschlußspannung Vct, die einem Ausgangsanschluß 54 mit Hilfe eines Verstärkers 56 zugeführt wird, dessen nichtinvertierender Eingang ebenfalls mit dem nichtgeerdeten Anschluß des Kondensators 5ö verbunden ist. während der invertierende Eingang mit seinem einzigen Ausgangsanschluß und dem Ausgangsanschluß 54 verbunden ist Ein derartig angeschlossener Verstärker stellt einen Spannungsfolger-Verstärker dar. Dadurch wird die Ausgangs-Sägezahnspannung am Ausgangsanschluß 54 herkömmlicherweise definiert durch

^dl

I₁ ,. d V₁₁
= --i, wobei ——
C₁- dl

die erste Ableitung oder lineare Steigung des Zeitsteuerstromes It darstellt, der den Kondensator 50 auflädt (Ct in der obigen Formel entspricht dem

i-j Kondensator 50). Mit dem Ausgangsanschluß 54 ist ein nächster Verstärker 58 verbunden, der die Ausgangs-Sägezahnspannung Vo, die seinem invertierenden Eingang zugeführt wird, mit einer Bezugsspannung Vref vergleicht, die seinem nichtinvertierenden Eingang

2ü während der Ruhezeit zugeführt wird. Es sollte bemerkt werden, daß die Spannung Vref gewähnlich von gleicher Höhe ist wie der Pegel, der für die Zeitbasis der erzeugten Sägezahnspannung gewünscht wird, normalerweise also Null Volt. Der einzige Ausgang des Verstärkers 50 ist daher ein Zählerstrom, der von der Differenz zwischen der Ausgangs-Sägezahnspannung Vo und der Bezugsspannung Vref gesteuert wird. Zwischen dem nicht mit Masse verbundenen Anschluß des Kondensators 50 und dem Ausgang des Verstärkers 58 ist eine asymmetrisch leitende Vorrichtung oder eine unipolare Vorrichtung vorgesehen wie beispielsweise eine Diode 60, die so gepolt ist, daß sie einen Stromfluß /ceo in der dargestellten Richtung ermöglicht, wenn sie in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist

Ein Paar von Transistoren 62, 64 sind mit ihren Emittern gemeinsam an eine Quelle für ein geeignetes Potential so angeschlossen, wie es in der Zeichnung wiedergegeben ist, und zwar über eine seriengeschaltete Stromsenke 66, um den in der dargestellten Richtung fließenden Strom Is aufzunehmen. Die Kollektoren der Transistoren 62,64 sind zu der Anode bzw. Kathode der Diode 60 geführt, während die Basisanschlüsse der Transistoren mit einer Torquelle Vcate und einer Spannungsquelle V_s verbunden sind. Der Generator wird vervollständigt durch eine Diode 68, deren Kathode mit dem Kollektor des Transistors 62 verbunden ist, während die Anode geerdet ist.

In F i g. 4 sind Einzelheiten der mit der erfindungsgemäßen Sägezahnspannungsgenerator-Schaltung verbundenen Wellenformen dargestellt. Die Wellenform 80 stellt die Torquellenspannung Vcate dar. Wenn Vcate zumindest mehrere Zehntel Volt negativer ist als das Potential der Spannungsquelle V_s (82 in der Zeichnung), leitet der Transistor 64 den gesamten Strom Is. (Die Transistoren 62,64 sind in der bekannten emittergekoppelten Weise miteinander verbunden, und ihre Betriebsweise wird hier nicht näher erläutert.) Da der Transistor 64 den gesamten Strom Is leitet, verläuft die Spannung Vct über dem Kondensator 50 und damit Ko am Ausgangsanschluß 54 unter dem Einfluß von Ict gemäß dem Kirchoffschen Gesetz nach der Beziehung

Ict= h+ hm - Is,

wobei h, foto und Is bereits definiert wurden. Indem Is größer gewählt wird als /r(d. h. /i> It), wird l_Dm von der Differenz zwischen V₀ und VW bestimmt, bis Ict= 0 ist. Wenn Icr=0 ist, wird Vo « Vref und es ist kein

Überschußstrom zum Laden oder Entladen des Kondensators 50 erhältlich und V₀ somit als ein Potential festgelegt, das nahe dem Wert VW- Hegt. Es wird nunmehr deutlich, daß unter den oben beschriebenen Bedingungen der Fehlerstrom

I ERROR = Id 60 = ID 68 — IT

ist. Verzerrungen in der Spannung Vo werden durch einen Anstieg oder ein Abfallen des Fehlerstroms korrigiert, wobei lcr veranlaßt wird, ein von Null abweichenden Wert anzunehmen, der den Kondensator in der zur Widerherstellung der richtigen Zeitbasis notwendigen Richtung auflädt oder entlädt. Dieses Verfahren stellt eine deutliche Verbesserung des Standes der Technik dar, weil der Kondensator 50 (Cr) durch einen Strom geladen oder entladen werden kann, der um viele Male größer ist als der Strom It, statt daß dieser Lade- oder Entladestrom auf den Strom Ir selbst begrenzt ist. Letzteres würde eine längere Zeit erfordern, um nach negativen Spannungsspitzen (z. B. Entladungsüberschießen) usw. eine Erholung zu ermöglichen.

Zu einer Zeit ίο wird, um die Sägezahnspannung 86 einzuschalten, die Torspannungsquelle Vcate von einem Potential, das mehrere Zehntel Volt negativer ist als die Spannungsquelle Vs, auf ein Potential umgeschaltet, das mehrere Zehntel Volt positiver ist als die Spannungsquelle Vi. Während dieser Übergangsperiode gilt

Is = Icbi + /c64,

IDbO = I ERROR ~ fcbl

lcr= It+ /d6o — /cw = It+

-Is.

Da, wie erinnerlich, vor dem Übergang

Il RROK — IS — IT

war, muß nun folgen, daß kr = 0 ist. Auf diese Weise ^r> wird der Kondensator 50 nicht durch einen verbleibenden Strom geladen oder entladen. Wenn eine Verminderung des Stromes /cb4 bis zu einem Punkt erfolgt, an dem/c64 = /rist, wird/obo = 0. Die Stromleitung durch Diode 60 hört auf, und Veränderungen des Fehlerstro-H) mes IiiRROR beeinflussen nicht mehr Icr- Die Diode 68 leitet nunmehr, wodurch der Transistor 62 daran gehindert wird, sich zu sättigen. Infolgedessen wird

Ic 7 = It — /(b4

I) und Vctund damit Vo beginnen anzusteigen. Während der Strom /cm auf Null abfällt, steigt die Sägezahnspannung während eines Zeitintervalls, in dem /r> /c64 > 0 ist, langsamer an als ideal wäre. Indem Is viel größer gewählt wird als /r(d. h. Is> It), beträgt ein derartiges

2i) Zeitintervall nur einen Bruchteil der gesamten Anstiegszeit von Vcate, wodurch eine sehr schnelle und »saubere« Stromumschaltung für den Kondensator 50 (Ct) bewirkt wird. Somit stellt die vorliegende Erfindung eine Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik dar, da das Zeitintervall, das notwendig ist, um den ir den Zeitkondensator fließenden Strom wirksam umzuschalten, im wesentlichen begrenzt ist durch die Anstiegszeit der Torsteuerwellenform bzw. durch die Schleifenbandbreite der Operationsintegrator-Säge-

so zahngenerator-Schaltung, wie beispielsweise »Miller-Integratoren«.

Es sei hervorgehoben, daß die vorliegende Ausfüh rungsform nur ein Beispiel darstellt und Änderunger von Fachleuten vorgenommen werden können, ohne

r> daß vom Gedanken der Erfindung abgewichen wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Sägezahn-Spannungsgenerator mit einem Kondensator, über dem die Sägezahnspannung erzeugt wird, einer Ladestromquelle zur Lieferung eines Ladestroms für den Kondensator mit Einrichtungen zur Lieferung von zusätzlichem Strom für den Kondensator, einer Stromsenke zum Aufnehmen des Ladestroms und des zusätzlichen Stroms und mit Einrichtungen zur Steuerung des Ladestroms und des zusätzlichen Stroms in die Stromsenke, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (56, 58) zur Lieferung des zusätzlichen Stroms eine erste Verstärkereinrichtung (56), deren Ausgangsspannung (Vo) der Sägezahnspannung (Vcr) proportional ist, sowie eine zweite Verstärkereinrichtung (58) umfassen, die auf die Differenz der Sägezahnspannung (V₀) und einer externen Bezugsspannung (Vref) reagiert, die der zweiten Verstärkereinrichtung (58) zugeführt wird, und den zusätzlichen Strom (Ierror) liefert.

2. Sägezahn-Spannungsgenerator nach Anspruch

1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtungen ein Paar von emittergekoppelten Transistoren (62, 64) mit zugehörigen Spannungsquellen (Vcatb Vs), eine Schaltdiode (60), die zwischen den Kollektoren der zwei emittergekoppelten Transistoren (62, 64) angeschlossen ist, sowie eine asymmetrisch leitende Einrichtung (68) umfassen, die zwischen den Kollektor eines der beiden emittergekoppelten Transistoren (62) und einer Spannungsquelle (Masse) angeschlossen ist.

3. Sägezahn-Spannungsgenerator nach Anspruch

2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Veränderung zumindest einer der beiden Spannungsquellen (Vgatb V_s) für die emittergekoppelten Transistoren (62,64) vorgesehen ist.

4. Sägezahn-Spannungsgenerator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die asymmetrisch leitende Einrichtung eine Diode (68) ist.