DE69024688T2

DE69024688T2 - Analog-Impulsformer

Info

Publication number: DE69024688T2
Application number: DE69024688T
Authority: DE
Inventors: Vesa Pekkarinen; Jukka Sarasmo; Risto Vaisanen
Original assignee: Nokia Mobile Phones Ltd
Current assignee: Nokia Oyj
Priority date: 1989-03-29
Filing date: 1990-03-08
Publication date: 1996-07-04
Anticipated expiration: 2010-03-09
Also published as: EP0390356A2; EP0390356B1; DE69024688D1; ATE133016T1; FI87030B; FI891512A0; FI891512A; FI87030C; ES2083426T3; EP0390356A3; US5118965A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Schaltung, durch die ein Rechteckpuls analog in einem cos²-Puls mit veränderbarer Zeitkonstante umgeformt wird.
Neue Geräte und Systeme benötigen Steuerpulse mit einer genau definierten Form. Eine solche Form wird durch die Umformung eines Eingangspulses in eine gewünschte Pulsform mittels eines Impulsformers erhalten. Die Lösung dieses Problems mittels der Digitaltechnik ist bekannt. Hier wird ein Elngangspuls ohne großen Aufwand digital geformt und mittels eines D/A Wandlers in einen analogen Puls der gewünschten Form gewandelt. Dieses Verfahren einen Puls digital zu formen hat den Nachteil, daß die Hüllkurve des Eingangspulses wegen der begrenzten Bitanzahl des D/A Wandlers treppenförmig verläuft. Wird die Leistung eines Funktelefons in einem digitalen GSM System mittels eines digital geformten Pulses gesteuert, so verursacht der stufenweise Verlauf des Pulses wegen seiner Quantisierung Probleme. Ein solcher Puls verursacht eine Erweiterung des Leistungsspektrums. Zusätzlich benötigt ein Digital-Impulsformer eine digitale Steuerung.
Die FR-A-2 454 226 offenbart einen Analog-Impulsformer mit den Merkmalen des Oberbegriffs des beigefügten Patentanspruchs 1.
Es ist deshalb die Aufgabe, eine elektrische Schaltung anzugeben, die einen Puls mit einer nicht treppenförmigen Hüllkurve erzeugt und die so einfach wie möglich zu implementieren ist. Diese Aufgabe wird mit der vorliegenden Erfindung durch den in den beigefügten Patentansprüchen definierten Impulsformer gelöst.
Kurz zusammengefaßt arbeitet der Impulsformer wie folgt: durch Widerstände, einen Kondensator und Transistoren wird eine an den Eingang der Schaltung angelegte Rechteckwelle in eine Dreieckwelle umgeformt. Das geschieht, indem die ansteigende und die abfallende Flanke der Rechteckwelle jeweils als Trigger dienen, die die Ladung und Entladung des Kondensators mit einem konstanten Strom umschalten und dadurch einen Dreieckpuls bilden. Abhängig von der Pulslänge der Rechteckwelle ist der Dreieckpuls vollständig oder an seiner Spitze abgeschnitten. Weiter wird durch eine Anzahl Transistoren der Dreieckpuls in einen cos²- Puls umgeformt. Vorzugsweise enthalten die ersten Mittel zusätzliche Kondensatoren, die parallel zum oben erwähnten Kondensator schaltbar sind, wodurch die Zeitkonstante des Kondensators verändert werden kann. N zusätzliche schaltbare Kondensatoren ermöglichen 2N Zeitkonstanten
Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung wird nachfolgend unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen Schaltungsaufbau nach der Erfindung,
Fig. 2 die zeitliche Beziehung der an die Schaltung angelegten Rechteckwelle und der Kondensatorspannung, und
Fig. 3 die von der Schaltung geformte Ausgangsspannung als Funktion der Zeit.
In der Schaltung nach Figur 1 wird durch die Transistoren Q5 und Q6 und einen Kondensator C1 ein Eingangspuls VEIN in eine über dem Kondensator liegende Dreieckspannung geformt. Von dieser Dreiecksspannung wird weiter durch Transistoren Q1-Q4 und Widerstände R3, R9 und R10 eine geformte Ausgangsspannung V0 erhalten. Mittels als Schalter arbeitender Transistoren Q7...QN können Kondensatoren C4...CN parallel zum Kondensator C1 geschaltet werden.
Der Impulsformer funktioniert wie folgt: eine Rechteckwelle VEIN wird von der Versorgungsspannung Vs geformt, indem sie gesteuert in invertierte Pulse der gewünschten Länge geschnitten wird. Ein Puls entspricht dem Zeitintervall in dem die Spannung 0 V ist. Natürlich kann eine Rechteckwelle auch nach anderen bekannten Arten geformt werden. Transistoren Q5 und Q6 arbeiten als Stromspiegel. An der abfallenden Flanke des Eingangspulses (wenn die Spannung von Vs auf 0 V fällt) wird der Transistor Q6 leitend und der Strom fließt über den als Diode geschalteten Teil des Transistors Q6. Wegen der Umschaltung fließt der gleiche Strom über den anderen Teil des Transistors Q6. Dieser Strom Ic lädt den Kondensator C1. Die Stärke des Ladestroms ergibt sich zu:
Ic = Vs - 0,6 V/R1
Die Zeitkonstante T1 für die Ladung des Kondensators C1 ergibt sich zu:
T1 = C1 x Vs/Ic
Die Zeitkonstante hängt vom Wert von C1 ab. Wie oben erwähnt, können die Kondensatoren C4...CN mittels der Steuerleitungen Csw1...N parallel zum Kondensator C1 geschaltet werden. Dadurch kann die Zeitkonstante und damit die Anstiegsrate der Ladespannung des Kondensators variiert werden.
Auf die gleiche Art und Weise wird an der ansteigenden Flanke der Rechteckwelle Vin (die Spannung steigt von 0V auf Vs an) der Transistor Q5 leitend und wenn R1 = R2 ist, entlädt sich der Kondensator C1 mit einem Strom, dessen Stärke so hoch wie die des Ladestroms ist. Dadurch wird die in Figur 2 zu sehende abgestufte Wellenform gebildet. Figur 2 zeigt, wie die effektive Spannung V1 über dem Kondensator C1 nach einer Zeitkonstante T1 auf einen Wert nahe Vs angestiegen ist und jeweils innerhalb derselben Zelt auf 0 V abfällt, wenn die ansteigenden und abfallenden Flanken der Rechteckwelle als Auslöser dienen. Ist der Rechteckpuls kurz, so wird aus der Spannung V1 ein Dreieckpuls erhalten. Bei einem langen Rechteckpuls wird jeweils ein Puls mit einer abgeschnittenen Spitze erhalten. Die Flankensteilheit des Pulses wird durch den Kondensator C1 bestimmt.
Aus Figur 1 kann erkannt werden, daß der Transis tor Q1 leitend wird, wenn die ansteigende effektive Spannung über dem Kondensator die Basisemitterspannung 0,6 V dieses Transistors erreicht und dadurch die Emitterspannung V2 beginnt anzusteigen. Erreicht diese Spannung die Basisemitterspannung 0,6 V des Transistors Q2, so beginnt die Emitterspannung V3 anzusteigen. Die Spannungen V1, V2 und V3 werden durch die Widerstände R3, R9 und R10 als Ausgangsspannung Vo der Schaltung aufsummiert. Diese Spannung hat die Form eines cos²-Pulses.
Für die Spannung Vo gilt:
Die Spannung ist eine Funktion der Zeit, da V1, V2 und V3 jeweils Funktionen der Zeit sind.
Figur 3 zeigt die Form der Ausgangsspannung Vo der Schaltung als eine Funktion der Zeit. Beginnend mit einem Zustand, in dem die abfallende Flanke einer invertierten Rechteckwelle ein lineares Anwachsen der Ladespannung des Kondensators C1 verursacht, ist die Form der Ausgangsspannung leicht zu verstehen. In diesem Fall entsteht die Kurve zwischen den Winkelpunkten 1 und 2. Hier sind V2 und V3 Null, während V1 auf 0,6 V ansteigt. Diese 0,6 Volt werden beim Winkelpunkt 2 erreicht.
Am Winkelpunkt 2 ist V2 = 0, V3 = 0 und V1 = 0,6 V.
Am Winkelpunkt 3 ist V2 = 0,6 V, V3 = 0 V und V1 = 1,2 V.
Vom Winkelpunkt 4 an ist V3 konstant, d.h
V3 = R13/R12 + R13 x Vs - 0,6 V.
Am Winkelpunkt 4 ist
V1 = R13/R12 + R13 x Vs + 0,6 V + V3/R11 x hFE x R7 + V2/R8 x hFE x R.
hFE = Direktstromverstärkung der Transistoren Q1 und Q2.
Vom Winkelpunkt 5 an ist V2 konstant, nämlich
V2 = R6/(R5 + R6) x Vs - 0,6 V
und
V1 = R6/R5 + R6 x Vs + 0,6 V + V2/R8 + hFE x R4.
Die erste Hälfte des Ausgangspulses Vo wird auf diese Art geformt. Die andere Hälfte wird spiegelförmig davon gebildet, wenn der Kondensator an der ansteigenden Flanke des Eingangspulses VEIN mit der Entladung beginnt.
Theoretisch hätte der geformte cos²-Puls an den Winkelpunkten scharfe Winkel. In der Praxis sind die Winkelpunkte wegen der Kennlinien der Transistoren und wegen des Kondensators C3 abgerundet, wodurch ein cos²-Signal mit guter Qualität erhalten wird.
Die beschriebene Impulsformerschaltung nach der Erfindung hat viele Vorteile gegenüber den Schaltungen nach dem Stand der Technik, die mittels der Digitaltechnik aufgebaut sind. Hier existieren keine Quantisierungsstufen und es wird keine digitale Steuerung benötigt. Die Schaltung erzeugt kein Quantisierungsrauschen, wodurch bei dem Gebrauch der Schaltung ein beträchtlicher Vorteil entsteht. Die Schaltung ist einfach aufgebaut und enthält wenig Kompondenten. Weiterhin ist sie leicht und kostengünstig als IC-Schaltung zu realisieren.
Die Impulsformerschaltung nach der Erfindung ist im speziellen dazu gedacht, einen Steuerpuls für den Sender eines mobilen Funktelefons oder einer Bodenstation in einem GSM-System zu bilden. Natürlich kann sie auch benutzt werden, um einen Steuerpuls für jegliches andere Gerät zu formen.

Claims

1. Analog-Impulsformer, der einen Rechteckpuls in einen cos²-Puls umformt, mit:

einem Eingangsanschluß (Vin), an den der Rechteckpuls anlegbar ist,

einem Spannungsversorgungsanschluß (Vs),

ersten an den Eingangsanschluß (Vin) angeschlossenen Mitteln, um den Rechteckpuls in einen Dreieckspuls (V1) mit ansteigender und abfallender Flanke und eventuell einer abgeschnittenen Spitze zu formen, wobei die ersten Mittel weitere Mittel (C1) zur Änderung der Flankensteilheit des Dreieckpulses enthalten,

zweiten Mitteln, an die der durch die ersten Mittel geformte Dreieckpuls angelegt wird, um ihn in einen cos²-Puls umzuformen, und

einem Ausgangsanschluß (Vo) zur Ausgabe des cos²-Pulses, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Mittel mindestens folgendes enthalten:

einen ersten Schaltungsabschnitt (Q1, Q4, R4, R5, R6, R8), an den die einen Minimalwert von Null aufweisende Dreieckpulsspannung (V1) angelegt wird, und der eine mit der Dreieckpulsspannung (V1) ansteigende und abfallende zweite Spannung (V2) abgibt, die zwischen Null als unterer Grenze und einer oberen Grenze eingeschränkt ist, wobei die Grenzen jeweils mit einem ersten Wert größer als Null und einem zweiten Wert größer als der erste Wert, aber kleiner als der Maximalwert der Dreieckpulsspannung (V1), korrespondieren, sowie

einen funktionsmäßig mit dem ersten Schaltungsabschnitt gleichen zweiten Schaltungsabschnitt (Q2, Q3, R7, R12, R13, R11), an den die zweite Spannung (V2) angelegt wird, und der eine mit der zweiten Spannung (V2) und der ersten Dreieckpulsspannung (V1) ansteigende und abfallende dritte Spannung (V3) abgibt, die zwischen Null als untere Grenze und einer oberen Grenze eingeschränkt ist, wobei diese Grenzen jeweils mit einem dritten Wert, der größer als der erste Wert, aber kleiner als der zweite Wert, und einem vierten Wert korrespondieren, der größer als der dritte Wert, aber kleiner als der zweite Wert der Dreieckpulsspannung (V1) ist,

und

summenbildende Mittel (R3, R9, R10), an die die Dreieckpulsspannung (V1), die zweite Spannung (V2) und die dritte Spannung (V3) angelegt werden und durch die sie kombiniert werden, um eine Ausgangsspannung (Vo) mit zum ersten, zweiten, dritten und vierten Wert der Dreieckpulsspannung (V1) korrespondierenden Winkelpunkten (2, 5, 3, 4) zu erzeugen, die eine cos²-Pulsform annähert.

2. Analog-Impulsformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die ersten Mittel einen Kondensator (C1), einen ersten Stromspiegel (Q6) und einen zweiten Stromspiegel (Q5) aufweisen, wobei der erste Stromspiegel (Q6) über einen Eingangswiderstand (R1) an den Eingangsanschluß (Vin) sowie direkt an den Spannungsversorgungsanschluß (Vs) und an den Kondensator (C1) angeschlossen ist,so daß der Kondensator vom ersten Stromspiegel (Q6) bei niedriger Rechteckpulsspannung mit einem ersten konstanten Strom geladen wird, und wobei der zweite Stromspiegel (Q5) über einen Eingangswiderstand (R2) an den Eingangsanschluß (Vin) sowie direkt an das Erdungspotential und an den Kondensator (C1) angeschlossen ist, so daß der Kondensator (C1) bei hoher Rechteckpulsspannung durch den zweiten Stromspiegel (Q5) mit einem zweiten konstanten Strom entladen wird, wobei der Dreieckpuls die Spannung (V1) über dem Kondensator (C1) ist, und

der erste Konstantstrom bei niedriger Rechteckpulsspannung durch eine Spannungsdifferenz zwischen der Versorgungsspannung und der Recheckpulsspannung, den ersten Stromspiegel (Q6) und den ersten Eingangswiderstand (R1) bestimmt wird, und

der zweite Konstantstrom bei hoher Rechteckpulspannung durch eine Spannungsdifferenz zwischen dem Erdungspotential und der Recheckpulsspannung, den zweiten Stromsplegel (Q5) und den zweiten Eingangswiderstand (R2) bestimmt wird.

3. Analog-Impulsformer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flankensteilheit des Dreieckpulses durch wahlweise parallel zu dem in den ersten Mitteln enthaltenen Kondensator (C1) schaltbare (CSW1, Q7; ...; CSWn, Qn) Kondensatoren (C4, ..., Cn) auswählbar ist.

4. Analog-Impulsformer nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichet, daß der erste und zweite Schaltungsabschnitt jeweils enthalten:

einen ersten Transistor (Q1; Q2), an dessn Basis jeweils die Dreieckpulsspannung oder die zweite Spannung (V1; V2) angelegt wird, der jeweils die zweite oder die dritte Spannung (V2; V3) am Emitter erzeugt und der jeweils leitend oder nichtleitend wird, und dessen Emitterspannung (V2; V3) am ersten und dritten Wert der Dreieckpulsspannung (V1) jeweils von Null anfängt anzusteigen oder dahin abzufallen, und

einen zweiten Transistor (Q4; Q3), der in Reihe zum ersten Transistor (Q1; Q2) geschaltet ist, und an dessen Basis zur Erzeugung der oberen Grenze der Emitterspannung (V2; V3) jeweils am zweiten oder vierten Wert der Dreieckspulsspannung (V1) ein Spannungsteiler (R5, R6; R12, R13) angeschlossen ist.

5. Analog-Impulsformer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die summenbildenden Mittel einen ersten Widerstand (R3), einen zweiten Widerstand (R9) und einen dritten Widerstand (R10) enthalten, an deren ersten Anschluß jeweils die Dreieckspulsspannung (V1), die zweite Spannung (V2) und die dritte Spannung (V3) angeschlossen sind, und deren zweite Anschlüsse zusammengeschaltet sind, um eine Ausgangsspannung (Vo) nach der Gleichung

Vo = V1/R3 + V2/R9 + V3/R10/ 1/R3 + 1/R9 + 1/R10

zu erhalten.

6. Analog-Impulsformer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kondensator (C3) zwischen Ausgangsanschluß (Vo) und Erde geschaltet ist, um die Winkelpunkte der Schrägen der Ausgangsspannung (Vo) zu glätten, damit die cos²-Form besser angenähert wird.