DE2556323C2 - Monostabile Kippschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine monostabile Kippschaltung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige monostabile Kippschaltung ist aus der Electronics 21. Juli, 1969, Seite 84, bekannt Die bekannte Schaltung verwendet eine erste integrierte Schaltung, die als monostabile Kippschaltung wirkt, eine zweite integrierte Schaltung, die als Integrierglied fungiert und zusätzlich einen diskreten Transistor. Es werden somit drei getrennte und unterschiedlich aufgebaute aktive Schaltungsvorrichtungen verwendet, was zu einem komplexen und teuren Aufbau führt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine monostabile Kippschaltung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 einfach und kostengünstig derart auszugestalten, daß sich ein weiter Arbeitsbereich ergibt, über den die Ausgangsimpulsdauer zuverlässig gesteuert werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst bei einer monostabilen Kippschaltung mit den Merkmalen des Kennzeichens des Patentanspruchs 1.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung werden erste, zweite und dritte Vergleichsvorrichtungen verwendet Diese Vorrichtungen sind jedoch gleich, so daß in der Praxis eine im Handel erhältliche einzige integrierte Schaltung jedes Element darstellt, wie sie als »QUAD COMPARATOR« bekannt ist

Hierdurch ergibt sich ein einfacher und kostengünstiger Aufbau. Außerdem brauchen bei den drei Vergleichsvorrichtungen nur passive Bauelemente (Widerstände, Kondensatoren, Dioden) für den Aufbau der ίο erfindungsgemäßen monostabilen Kippschalking verwendet zu werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels im einzelnen mit Hilfe von Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigt
is F i g. 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines monostabilen Multivibrators;

Fi g.2A, 2B und 2C stellen Zeit- und Wellenformdiagramme dar, die in dem Multivibrator gemäß F i g. 1 gemessen werden können;

F i g. 3 eine Schaltung einer monostabilen Kippschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung und

Fig.4 Zeit- bzw. Impulswellenformen, die in der Schaltung gemäß F i g. 3 gemessen werden können.

Die in F i g. 1 dargestellte monostabile Multivibratorschaltung enthalt einen spannungsgesteuerten monostabilen Multivibrator 10, wie er beispielsweise aus der US-Patentschrift 35 17 220 bekannt ist. Dieser erzeugt in Abhängigkeit vor an ihn angelegten Eingangstriggersignalen Ausgangsimpulse mit einer Dauer (Pulsbreite), die abhängig ist von einer an ihn angelegten Steuerspannung. Die Arbeitsweise der Schaltung gemäß F i g. 1 wird verständlicher, wenn Bezug auf die in den F i g. 2A, 2B und 2C gezeigten Darstellungen genommen wird.

Die Anlegung eines Triggerimpulses an den Multivibrator 10 bewirkt die Erzeugung eines Ausgangsimpulses mit einer Impulsbreite, die im wesentlichen in einer linearen Beziehung zu der monostabilen Multivibratorsteuerspannung Vf steht Der Ausgang des Multivibrators 10 ist über einen Inverter 14 mit einer ÄC-Rückkopplung verbunden, die aus einem Widerstand 16 und einem Kondensator 12 besteht Der Steuereingang des Multivibrators 10 ist mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand 16 und dem Kondensator 12 verbunden. Somit wird die Steuerspannung V₁ über dem Kondensator 12 entwikkelt Diese stellt ein von den Multivibratorausgangsimpulsen abgeleitetes Zeitdurchschnittssignal dar. Ein Ausgangsimpuls bewirkt, daß der Ausgang des Inverters 14 auf Null herunterfällt. Zu dieser Zeit wird der Kondensator 12 über den Widerstand 16 mit einer ÄC-Zeitkonstante entladen. R ist der Wert des Widerstandes 16 und Cdie Kapazität des Kondensators 12.

In F i g. 2A zeigt die Linie (a)d\e lineare Abhängigkeit zwischen der Dauer der Ausgangsimpulse und der Steuerspannung Vf. Somit ist

Hierbei ist k_t eine interne Konstante des monostabilen Multivibrators 10. Wenn der Kondensator 12 über den Widerstand 16 entladen wird, steigt Vt exponentiell während jeder Schaltperiode des monostabilen Multivibrators an, wie durch die Kurve (b) angedeutet ist, so daß sich folgender Zusammenhang ergibt:

-Ρ/ι) β

wobei

ist Die reziproke Zeitkonstante des ÄC-Kreises 16, 12 und der Steuerspannung V/ \ ist die Ruhezustandssteuerspannung.

Zur Zeit to' schneiden sich die Kurven (a) und (b) am Punkt (q). Der Kondensator 12 wird bis zur Zeit to' entladen, so daß die Ursprungssteuerspannung Via um den Wert Δ Vr auf Vn reduziert wurde. Dann wird der Kondensator während eines Zeitintervalls Δ t bis zum nächsten Eingangstriggersignal geladen, das zur Zeit t_p erscheint

Wenn die Multivibratorausgangsimpulse beendet sind, bewirkt die Ausgangsspannung eo durch ihr Abfallen, daß am Inverterausgang der Kondensator 12 geladen wird. Dies geschieht am Punkt (q), wie aus Fig. 2A ersichtlich ist, wenn der Ladungsabbau während einer Entladung gleich dem Betrag ist, der während des vorangehenden Triggerimpulses hinzugegeben wurde. Es ist somit ersichtlich, d?.3 sich der Gleichgewichtspegelbezugsspannungswert der Spannung Visowohl auf die Breite der Ausgangsimpulse, die beim Arbeiten des Multivibrators an dessen Ausgang entstehen, als auch auf die Impulswiederholungsfrequenz der Triggerimpulse am Eingang des Multivibrators beziehen, da der Ruhezustandsimpuls bzw. dessen Breite in einem logarithmischen Verhältnis zur Eingangstriggerfrequenz steht Die Breite des Ausgangsimpulses hängt somit nicht nur von der internen Zeitkonstante der Schaltung, sondern auch von de. Triggerfrequenz ab. Zur Zeit tp, die von der Eingangstriggerfrequenz abhängt, wird die vorangehend erwähnte Entladung wieder eingeleitet

F i g. 2B zeigt die Multivibratorreaktion während des Übergangs von einer anfänglichen Ruhelage zur Zeit to zu einem Zustand, bei dem konstante Operationsabschnitte erreicht sind. Aufgrund eines ersten Triggerimpulses zur Zeit to erfolgt eine Reduzierung der Steuerspannung Vr₀ auf eine neue Steuerspannung Vr \ zur Zeit to', wie im Zusammenhang mit der F i g. 2A beschrieben. Zur Zeit to' wird der Ausgangsimpuls festgelegt und der Kondensator 12 um den Betrag aufgeladen, den er während des Zeitintervalls von to' bis fi verloreij hat Zur Zeit t\ wird eh: zweiter Triggerimpuls an dem Kondensator 12 angelegt um wieder einen Entladezyklus einzuleiten. Wie aus der Zeichnung hervorgeht, ist der Spannungspegel zur Zeit ii etwas kleiner als der ursprüngliche Spannungswert V/o. Der Spannungspegel V?o entspricht V_n plus der Ladung, die sich in de* Zeitperiode fo' bis ii angesammelt hat. Wenn der nächste Impuls zur Zeit t\ auftritt, beginnt eine neue Entladung, so daß sich ein neuer Spannungspegel Vn einstellt, der kleiner als der Pegel Vr \ ist. Der Kondensator hatte sich zur Zeit fo nicht mehr auf den gleichen Pegel aufladen können, wie er es zum Zeitpunkt ii konnte, da ein geringerer Steuerausgangsspannungspegel Vn zu Beginn vorhanden war. Wenn zur Zeit h der nächste Triggerimpuls erscheint, erfolgt eine Entladung zwischen der Zeit fc und ti wiederum auf einen niedrigeren Steuerspannungspegel. Der nun vorhandene Steuerspannungspegel Vn liegt unterhalb dem Spannungspegel Vn zum Zeitpunkt U'- Nach einer Anzahl von Zyklen aus Lade- und Entladevorgängen kann festgestellt werden, daß die Referenzspannung Vr sich auf einen Wert stabilisiert und daß zu dieser Zeit die Zeitgabeperiode kurz genug ist, um die Kapazität 12 jeweils wieder exakt um den Wert aufzuladen, um den während einer Periode entladen wird. Die Impulsbreite des stabilisierten Impulses steht somit in einem logarithmischen Verhältnis zur Eingangstriggerfrequenz, und zwar kann diese durch die Funktion

wiedergegeben werden. Somit hat sich die Impulsbreite

ίο auf die Triggereingangsfrequenz stabilisiert In Fi g, 2C sind die stabilisierten Ausgangsimpulse über der Eingangstriggerfrequenz aufgetragen. Mit Po stellt sich eine Impulsbreite bei einer Null-Triggerfrequenz ein und bei /W eine Impulsbreite bei einer maximalen Triggerfrequenz, zum Beispiel bei einer Frequenz oberhalb von 60 Hertz.

In Fig.3 ist ein monostabiler Multivibratorkreis gemäß der Erfindung dargestellt, bei dem die Steuerung der Ausgangsimpulsbreite durchgeführt wird, indem ein Vergleich zwischen zwei zeitunabhängigen Spannungen vorgenommen wird, die von zwei ÄC-Netzwerken unterschiedlicher Zeitkonstanten abgeleitet werden. Die Schaltung gemäß Fig.3 wird zui Erzeugung von Ausgangsimpulsen verwendet deren variable Impulsbreite sowohl von der Triggereingangsfrequenz als auch von der Wirkung der ÄC-Netzwerke abhängt

Die Funktionsweise des Multivibrators gemäß F i g. 3 ist ähnlich der in F i g. 1 dargestellten Schaltung, da auch hier die Steuerspannung nach einer Anzahl von Zyklen stabilisiert ist

Ein bistabiler Sperrkreis enthält Spannungsvergleicher 20 und 22, die komplementäre Ausgänge liefern, welche die Taktung des monostabilen Multivibratorkreises durchführen. Die Vergleicher 20 und 22 können jeweils aus einem Differentialverstärker bestehen. Vor dem Anlegen eines Triggerimpulses befindet sich die Schaltung in ihrem Ruhezustand, wobei der Kondensator auf + Vc (vorzugsweise 24 Volt Gleichspannung) über den Widerstand 26 und über den Widerstand 28 aufgeladen ist Der Vergleicher 20 ist in seinem »Aus-Zustand« und der Vergleicher 22 in seinem »Fin-Zustand«. Dadurch entsteht ein Bezugsspannungspotential von V«/2, wobei Vr eine positive Bezugsspannung von vorzugsweise 5 Volt Gleichspannung ist die an den nichtinvertierenden Eingang 34 des Yergleichers 22 angelegt wird, der sicherstellt, daß im Ruhezustand der Vergleicher 20 nichtleitend ist, so daß die Kreisbelastung, die als Lastwiderstand 30 zwischen V_c und dem Vergleicher 20 dargestellt ist, die Ausgangsspannung bestimmen wird, und zwar auf den Spannungswert $>■ Die Ausgangsspannung ö> ist im Ruhezustand hock und hält den Invertierungseingang 32 des Vergleichers 22 auf einem positiveren Potential als der nichtinvertierende Eingang 34 aufweist, wodurch bewirkt wird, daß ein Ausgangstransistor (nicht gezeigt), der im Vergleicher 22 enthalten ist, in der Sättigung verbleibt und wiederum bewirkt daß eine Spannung von VrII am Verbindungspunkt 36 der Teilerwiderstände 38 und 40 vorhanden ist Diese Spannung erscheint an dem negativen oder invertierenden Eingang 42 des Vergleichers 20. Der Kondensator 44 wird auf einem niedrigen Spannungspegel durch die Diode 46 und den Widerstand 48 gehalten, die den Ausgang eines weiteren Vergleichers sperren. Der Vergleicher SO

es vergleicht die Spannung, die abgeleitet wird von der Zeitkonstante des Kreuie?. einschließlich der Kondensatoren 24 und 44. Er kann ebenfalls aus einem Differentialverstärker bestehen.

Wenn ein negativer Eingangstriggerimpuls an den Eingang 54 angelegt wird, wird vorübergehend ein Impuls mit der gleichen Größe an den nichtinvertierenden Eingang 52 des Vergleichers 20 angelegt, nachdem eine Differenzierung durch das Differenzationsnetzwerk bestehend aus dem Kondensator 56, dem Widerstand 58 und der Diode 60 vorgenommen wurde. Nach einer geringfügigen Verzögerung bedingt durch den Bezugsspannungspegel V«/2 und festgelegt durch «lie Zeitkonstante erreicht der angelegte Impuls den Bezugspegel VrII, wodurch der Vergleicher 20 leitend wird und eingeschaltet wird, wodurch bewirkt wird, daß die Ausgangsspannung eü abfällt. Das Ergebnis ist. daß die Spannung am negativen Eingang 32 des Vergleichers 22 abfällt und bewirkt, daß der Vergleicher 22 aufhört zu leiten und abschaltet, wodurch ein Ansteigen der Spannung am Punkt 36 zwischen den Widerständen 38 und 40 auf einen Pegel bewirkt wird, der größer ist als die Bezugsspannung Vr. Dadurch wird sichergestellt, daß die beiden Vergleicher 20 und 22 in dem neuen stabilen Zustand festgehalten werden. Gleichzeitig mit dem Schalten der Vergleicher 20 und 22 beginnt eine Entladung des Kondensators 24 mit einer Zeitkonstante kz und eine Ladung des Kondensators 44 mit einer Zeitkonstante k\. Die Zeitkonstante jti wird so festgelegt, daß sie kürzer ist als die minimal auftretende Eingangstriggerwiederholungsperiode. Sie wird festgelegt durch den Widerstand 62, den Widerstand 48, den Kondensator 44 und den Kondensator 64 und ist gleich dem Produkt aus (R\ + Ri)(Q + C₂), wobei Λ, der Widerstand 62, A₂ der Widerstand 48, G der Kondensator 44 und C₂ der Kondensator 64 ist. Die Zeitkonstante k] wird im wesentlichen festgelegt durch den Kondensator 44. Der Kondensator 64 wird verwendet, um eine leichte zusätzliche Verzögerung während der Entladung des Kondensators 44 zu bewirken, so daß eine gewisse Störunempfindlichkeit erreicht wird. Der Widerstand 62 kann auch als Potentiometer ausgebildet sein, so daß die Wahl der Zeitkonstante auf einen gewünschten Wert in den verschiedenen Anwendungsfällen möglich ist. Die -, Zeitkonstante k₂ wird so festgelegt, daß sie in bezug auf die Triggereingangswiederholungsperioden lang ist. Sie wird bestimmt durch den Widerstand 26, den Widerstand 28, den Kondensator 24 und die Zenerdiode 66 und entspricht annäherend dem Produkt (R\ +Ri)C₃, wobei R\ den Widerstand 26, Ri den Widerstand 28 und Ci den Kondensator 24 interpretiert. Die Zenerdiode 66 verbessert die Wiederholungskompensation nach der ersten Triggerung. Die Kreiszeitkonstanten *i und k₇ bestimmen im wesentlichen die Breite des Ausgangsim-

i-, pulses und entsprechend den Kreiskompensationsbereich.

Wenn die Spannung V₂ über die Ladung des Kondensators 44 ansteigt und die Spannung V₁ über der Entladung des Kondensators 24 gleich ist wie am Punkt

.'ο (q) in F i g. 4 gezeigt, wird der Vergleicher 50 leitend und eingeschaltet, wodurch eine Entsperrung der Vergleicher 20 und 22 und ein Zurücksetzen bewirkt wird. Die invertierte Ausgangsspannung e^ ist dann hoch genug geworden infolge des Anlegens der Spannung V₀ um zu

r> bewirken, daß der Kondensator 24 in Richtung V_r in der vorangehend beschriebenen Weise geladen wird. In ähnliche·* Weise erfolgt eine Entladung des Kondensators 44 Vn Richtung Massepotential über die Diode 46 und den Widerstand 48, wenn der Vergleicher 50 leitend

in wird. Da in der Praxis die Entladespannung Vt im wesentlichen als annähernd linear angesehen werden kann, wobei die Ladespannung V₂ wie ersichtlich exponentiell verläuft, steht wie in der Schaltung gemäß F i g. 1 die Breite der Ausgangsimpulse ebenfalls in

)i einem logarithmischen Verhältnis in bezug zur Frequenz der Eingangstriggerimpulse.

Ilier/u 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Monostabile Kippschaltung zur Erzeugung von Ausgangsimpulsen, deren Dauer von der Frequenz der Eingajigstriggersignale abhängt, mit einer Impulserzeugerschaltung, die auf die Triggersignale anspricht, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulserzeugerschaltung eine erste (20) und eine zweite (22) Vergleichsvorrichtung besitzt, die in Kreuzkopplung angeordnet sind, daß jedes Triggersignal die erste Vergleichsvorrichtung (20) aus einem ersten in einen zweiten Zustand schaltet und einen Ausgangsimpuls hierdurch auslöst, daß eine erste (24, 26, 28) und eine zweite (44, 48, 62) ÄC-Rückkopplung vorgesehen sind, die mit den Ausgängen der ersten (20) bzw. zweiten (22) Vergleichsvorrichtung verbunden sind und abfallende bzw. ansteigende Ausgangsspannungs-Signalformen beim Anlegen jedes Triggersignals abgeben und daß eine dritte Vergleichsschaltung (50) vorgesehen ist, deren Eingängen mit den Ausgängen der ersten und zweiten ÄC-Rückkopplung gekoppelt sind und die derart angeordnet ist, daß sie die erste Vergleichsschaltung (20) aus dem zweiten in den ersten Zustand schaltet, wenn die Eingangssignale der dritten Vergleichsschaltung gleich werden, wodurch der Ausgangsimpuls beendet wird.

2. Monostabile Kippschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten ersten (24, 26, 28) und zweiten (44, 48, 62) ÄC-Rückkopplungen eine Zeitkonstante aufweisen, die entsprechend länger und kürzer ist als die Wiederholungsperioden der genannten Eingangstriggersignale.

3. Monostabile Kippschaltung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten ersten und zweiten AC-Rückkopplungen entsprechende erste (24) und zweite (44) Kondensatoren enthalten, die so angeordnet sind, daß sie entladen und geladen werden können in Abhängigkeit davon, ob die genannte erste und zweite Vergleichsvorrichtung (20, 22) von ihrem ersten in ihren zweiten Zustand geschaltet wird.