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IMPULSGENERATOR
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Impulsgenerator gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
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In den verschiedenen Anwendungsgebieten von Impulsgeneratoren tritt
häufig die Forderung nach einer Veränderbarkeit der Impulsform hinsichtlich Breite,
Amplitude, Steilheit der ansteigenden und abfallenden Flanken usw. auf. Die vorliegende
Erfindung bezieht sich im wesentlichen auf den Parameter Impulsbreite, d.h. die
Einstellbarkeit des Verhältnisses zwischen Impulsdauer und Impulsperiode. Nach dem
Stand der Technik erfolgt die Erzeugung von Impulsen variabler Breite üblicherweise
indirekt über die Erzeugung einer Rampenspannung an einem Kondensator. Dieser Kondensator
wird durch einen konstanten Strom von einer vorgegebenen Anfangsspannung auf eine
vorgegebene Endspannung aufgeladen. Der rampenförmige Spannungsverlauf zwischen
Anfangsspannung und Endspannung wird mittels einer Impulsformerschaltung in einen
Rechteckimpuls umgewandelt. Die Breite dieses Rechteckimpulses läßt sich dadurch
verändern, daß man die Anfangs-, die Endspannung oder die Stärke des Ladestroms
verändert.
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Der Kondensator wird nach Erreicht, der Endspannung über einen Schalter
und einen Entladekreis wieder auf die Anfangsspannung entladen. Dazu wird selbstverständlich
eine endliche Zeitspanne benötigt, was wiederum zur Folge hat, daß zwischen zwei
aufeinanderfolgenden Impulsen ein gewisser Mindestabstand nicht unterschritten werden
kann. D.h., das Verhältnis Impulsbreite zu Periodendauer kann nicht gegen 100% gehen.
Ein Verhältnis von 50% läßt sich bei hohen Frequenzen im allgemeinen nicht überschreiten.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Impulsgenerator
der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß sich eine Impulsbreite einstellen
läßt, die an 100% der Periodendauer heranreicht. Die Lösung dieser Aufgabe ist im
Anspruch 1 gekennzeichnet.
Beim erfindungsgemäßen Impulsgenerator
ist also die Summe aus Lade-und Entladezeit des Kondensators für die Impulsbreite
bestimmend.
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Da der Kondensator am Ende jedes Impulses wieder auf die Anfangsspannung
entladen ist, kann sofort wieder ein neuer Impuls gestartet werden.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen bzw. Weiterbildungen der Erfindung
sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand von AusfUhrungsbeispielen in
Verbindung.mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen Figur
1 das Prinzipschaltbild eines Impulsgenerators gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung; Figur 2 ein Zeitfolgediagramm der wesentlichen in der Schaltung gemäß
Figur 1 auftretenden Spannungssignale bei Ansteuerung mit kurzzeitigen Impulsen;
Figur 3 ein Zeitfolgediagramm der wesentlichen in der Schaltung gemäß Figur 1 auftretenden
Spannungssignale bei Ansteuerung mit länger dauernden Impulsen; und Figur 4 das
Blockschaltbild einer Erweiterung der Schaltung gemäß Figur 1.
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In Figur 1 ist mit 11 eine Eingangsklemme für ein Startsignal (UE)
bezeichnet, die mit dem mit 1 bezeichneten Eingang eines Schmitt-Triggers 13 verbunden
ist. Ein weiterer, mit 2 bezeichneter Eingang des Schmitt-Triggers 13 ist mit dem
Ausgang eines Schmitt-Triggers 15 verbunden. Auf die Funktionsweise der Schmitt-Trigger
13 und 15 wird weiter unten näher eingegangen.
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Der Ausgang des Schmitt-Triggers 13 ist mit einem Eingang eines
ODER-Gliedes
17, einem Eingang eines UND-Gliedes 19 sowie mit der Anode einer Diode D1 verbunden.
Die Kathode der Diode D1 ist mit der Kathode einer weiteren Diode D2 verbunden,
und dieser Verbindungspunkt ist mit dem Ruhekontakt eines Umschalters S verbunden.
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Der Arbeitskontakt des Umschalters S steht in Verbindung mit der Anode
der Diode D2, einer Stromquelle 21, dem einen Anschluß eines Kondensators C sowie
dem (negativen) Eingang des Schmitt-Triggers 15. Der Kondensator C liegt mit seinem
anderen Anschluß an Masse.
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Der Schaltarm des Umschalters S ist mit einer Stromquelle 23 verbunden.
Der Umschalter S ist im vorliegenden Beispiel nur aus Gründen der Übersicht und
der Einfachheit als mechanischer Schalter dargestellt. üblicherweise wird selbstverständlich
eine dem Fachmann geläufige Transistorschaltung verwendet werden. Die Stromquellen
21 und 23 liefern Ströme I bzw. 21 in den dargestellten Richtungen.
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Der Ausgang des Schmitt-Triggers 15 ist außer niit dem negativen Eingang
des Schmitt-Triggers 13 noch mit dem zweiten, invertierenden Eingang des ODER-Gliedes
17 sowie mit dem zweiten Eingang des UND-Gliedes 19 verbunden.
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Die Ausgangssignale der Schmitt-Trigger 13 und 15 sind mit ST1 bzw.
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ST2 bezeichnet. Das Signal ST2 wird auch zur Steuerung des Umschalters
S verwendet, wie durch die gestrichelte Linie 25 angedeutet ist. Das Ausgangssignal
des ODER-Gliedes 17 ist mit TIME bezeichnet, wobei gilt TIME = ST1 v ST2. Dieses
Signal ist das Impuls-Ausgangssignal des Impulsgenerators. Das Ausgangssignal des
UND-Gliedes 19 ist mit RATE bezeichnet, wobei gilt RATE = ST1 A ST2. Auf dieses
Signal wird weiter unten näher eingegangen.
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Zum Verständnis der Schaltung gemäß Figur 1 ist es zunächst erforderlich,
sich mit der Funktionsweise der Schmitt-Trigger 13 und 15 vertraut zu machen. Bei
den vorkommenden Spannungspegeln wird dabei, wie bei logischen Schaltkreisen üblich,
nur zwischen hohem und niedrigem Pegel (entsprechend logisch "L" bzw. logisch "0")
unterschieden.
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Der Schmitt-Trigger 13 hat, wie bereits erwähnt, zwei Eingänge 1 und
2. Seine Arbeitsweise ist die eines normalen Schmitt-Trig;ers mit einem Eingang
und vorgeschaltetem Addierer mit zwei Eingängen.
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Das Ausgangssignal ST1 des Schmitt-Triggers 13 geht auf den niedrigen
Pegel, wenn die Signale an beiden Eingängen auf niedrigem Pegel sind und geht auf
den hohen Pegel, wenn die Summe beider Eingangssignale das Doppelte des hohen Pegels
beträgt. Geht die Summe beider Eingangssignale auf den (einfachen) hohen Pegel wird
das vorherige Ausgangssignal ST1 (hoher oder niedriger Pegel) beibehalten.
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Der Schmitt-Trigger 15 gibt an seinem Ausgang ein Signal mit hohem
Pegel ab, solange sich sein Eingangssignal auf niedrigem Pegel befindet. Steigt
das Eingangssignal jedoch auf den hohen Pegel an, so schaltet der Schmitt-Trigger
15 sein Ausgangssignal T2 auf den niedrigen Pegel, der dann solange beibehalten
wird, bis das Eingangssignal wieder den niedrigen Pegel erreicht.
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Im Ausgangszustand der Schaltung gemäß Figur 1 befindet sich der Schalter
S in der dargestellten Stellung. Das Signal ST1 befindet sich auf niedrigem Pegel,
und das Signal ST2 auf hohem Pegel.
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Durch die Dioden D1 und D2 fließt jeweils der Strom I. Die Spannung
am Kondensator C ist daher gleich dem niedrigen Pegel des Signals ST1. Das Eingangssignal
u E an der Eingangsk;emme 11 und damit am positiven Eingang des Schmitt-Triggers
13 befindet sich auf niedrigem Pegel. Dementsprechend bleibt das Signal ST1 auf
niedrigem Pegel, auch wenn das Signal ST2 am negativen Eingang des Schmitt-Triggers
13 sich auf hohem Pegel befindet.
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Unter Bezugnahme auf das Zeitfolgediagramm gemäß Figur 2 sei nun angenommen,
daß als Eingangssignal uE an der Eingangsklemme 11 ein kurzer Startimpuls in Form
eines Differenzierimpulses auftritt Das Ausgangssignal ST1 des Schmitt-Triggers
13 geht dadurch auf den hohen Pegel. Dadurch wird die Diode D2 gesperrt.
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Das bedeutet, daß durch die Diode D1 nun der Strom 21 fließt und daß
der Kondensator C von der Stromquelle 21 mit dem Strom I auf-
geladen
wird. Dies geht solange, bis die Spannung am Kondensator C die obere Schaltschwelle
des Schmitt-Triggers 15 erreicht hat.
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Das Ausgangssignal ST2 des Schmitt-Triggers 15 geht dann auf den niedrigen
Pegel. Da dieses Signal dem negativen Eingang des Schmitt-Triggers 13 zugeführt
wird, geht dessen Ausgangssignal ST1 in diesem Moment wieder auf den niedrigen Pegel.
Gleichzeitig schaltet das Signal ST2 den Schalter S in die der dargestellten Stellung
entgegengesetzte Stellung um. Dadurch werden beide Dioden D1 und D2 gesperrt, und
es fließt jeweils ein Strom I von der Stromquelle 21 und vom Kondensator C zur Stromquelle
23. Der Kondensator C entlädt sich dadurch wieder, bis seine Spannung u, die untere
Schaltschwelle des Schmitt-Triggers 15 erreicht, die gleich dem niedrigen Pegel
des Signals ST1 ist. Das Ausgangssignal ST2 des Schmitt-Triggers 15 geht dann wieder
auf den hohen Pegel, Der Schalter S geht in seine dargestellte Ausgangsstellung
zurück, und die Schaltung gemäß Figur 1 befindet sich wieder in dem oben genannten
Ausgangszustand.
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Der Schmitt-Trigger 15 ist kein ideales Bauelement, sondern hat einen
endlichen Eingangswiderstand. Daher fließt aus dem Kondensator C ein Leckstrom zum
Schmitt-Trigger 15. Da dies jedoch sowohl während der Ladephase als auch während
der Entladephase geschieht, wird der dadurch entstehende Fehler im wesentlichen
kompensiert.
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Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, hat das Ausgangssignal TIME des ODER-Gliedes
17 eine Impulsbreite tD, die vom Beginn des rampenförmigen Ansteigens der Spannung
uC bis zum Ende von deren rampenförmigen Abfallen reicht. Da sich die Schaltung
gemäß Figur 1 am Ende der Impulsdauer tD wieder im Ausgangszustand befindet, kann
unmittelbar danach ein neuer Impuls erzeugt werden, indem wieder auf die Eingangsklemme
11 ein kurzer Startimpuls gegeben wird.
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Die Impulslänge tD läßt sich ohne Anderung der Schwellenspannungen
der Schmitt-Trigger 13 und 15 in einfacher Weise dadurch variieren, daß der Strom
I und/oder die Kapazität des Kondensators C verändert werden.
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Bei der vorstehend beschriebenen Schaltung läßt sich leicht eine Fehlererkennung
durchführen, d.h. die Erkennung eines Eingangsimpulses an der Eingangsklemme 11
während der Abgabe eines Ausgangsimpulses (Signal TIME). Ein solcher Eingangsimpuls
geht nämlich verloren. Zur Erkennung eines solchen Fehlers dient ein D-Flipflop
27 dessen Takteingang mit der Eingangsklemme 11 und dessen D-Eingang mit dem Ausgang
des ODER-Gliedes 17 verbunden ist. Das Fehlersignal wird am Q-Ausgang abgegeben.
Dies ist lückenlos über die gesamte Impulsbreite möglich.
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Wie aus Figur 3 ersichtlich ist, kann als Eingangssignal uE an der
Eingangsklemme 11 statt eines kurzen Impulses auch eine länger dauernder Impuls
verwendet werden. Während der Dauer dieses Impulses wird der Kondensator C aufeinanderfolgend
abwechselnd geladen und entladen. Der beim Auftreten det abfallenden Flanke des
Eingangsimpulses uE begonnene Lade- und Entladezyklus wird dann noch zu Ende geführt.
Danach befindet sich die Schaltung gemäß Figur 1 wieder im Ausgangszustand. Das
Impuls-Ausgangssignal TIME hat dann eine Breite, die der Summe aller durch das Eingangssignal
UE verursachten Lade- und Entladezeiten entspricht.
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Beim vorstehendbeschriebenen Betrieb der Schaltung gemäß Figur 1 tritt
auch ein Ausgangssignal des UND-Gliedes 19, nämlich RATE auf. Dieses Signal hat
eine vom Strom I und von der Kapazität des Kondensators C abhängige Frequenz. Die
Schaltung nach Figur 1 hat also ohne Modifikation auch die Eigenschaft eines Folgefrequenzgenerators.
Wird die Folgefrequenz des Signals RATE auf einen vorbestimmten Wert geregelt, z.B.in
einer phasenstarren Schleife, so wird damit auch die Länge des einzelnen Lade-/Entladezyklus
geregelt.
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Damit ist eine Eichung der Impulsbreite für den Betrieb gemäß Figur
2 möglich. Das Signal RATE kann in einer Weise verwendet werden, die in Figur 4
dargestellt ist. In Figur 4 ist mit 101 schematisch ein Impulsgenerator bezeichnet,
der mit der Schaltung gemäß Figur 1 identisch ist. Der Impulsgenerator 101 gibt
als Inpuls-Ausgangssignal wiederum das Signal TIME ab. Das Signal RATE wird einem
voreinsteilbaren Zähler 103 zugeführt. Der Zähler 103 zählt die Impulse des
Signals
RATE, bis er seinen voreingestellten Wert erreicht. Während des Zählvorgangs gibt
er an seinem Ausgang ein Dauersignal mit hohem Pegel ab. Dieses wird dem einen Eingang
eines ODER-Gliedes 105 zugeführt, dessen anderem Eingang ueber eine Eingangsklemme
107 ein Startimpuls nach Art des in Figur 2 dargestellten Eingangssignals uE zugeführt
werden kann. Das Ausgangssignal des ODER-Gliedes 105 ist das eigentliche Eingangssignal
UE' des Impulsgenerators 101.
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Die Schaltung gemäß Figur 4 arbeitet in folgender Weise: Wenn an die
Eingangsklemme 107 ein Startimpuls angelegt wird, beginnt ein Lade- und Entladezyklus.
Gleichzeitig gibt der Zähler 103 ein Ausgangssignal ab, das logisch "1" bleibt,
bis der voreingestellte Zählerstand erreicht ist. Solange bleibt auch das Eingangssignal
uE des Impulsgenerators 101 auf einem hohen Pegel, so daß sich die Lade- und Entladezyklen
wiederholen, bis der voreingestellte Zählerstand erreicht ist. Das Ausgangssignal
des Zählers 103 geht dann auf logisch "0", und der Impulsgenerator 101 führt den
zu diesem Zeitpunkt angefangenen Lade- und Entladezyklus zu Ende und bleibt dann
in seinem Ausgangszustand stehen.
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Es zeigt sich, daß bei der Schaltung nach Figur 4 mittels der Voreinstellung
des Zählers 103 eine Impulsbreite eingestellt werden kann, die ein gewünschtes ganzzahliges
Vielfaches der vom Impulsgenerator 101 vorgegebenen Impulsbreite tD ist. Die Schaltung
gemäß Figur 4 verhält sich ansonsten in jeder Beziehung genau so, wie die Schaltung
gemäß Figur 1.