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Transistorbestückte Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer sich
ändernden Eingangsspannung in eine Impulsfolge Es ist manchmal erwünscht, eine Gleichspannung,
die eine Reihe von Änderungen durchläuft, in eine Impulsfolge umzuwandeln, deren
Frequenz durch die jeweilige Größe der Gleichspannung bestimmt ist. Beispielsweise
wurde festgestellt, daß in binärer Form vorliegende Daten sich unter manchen Bedingungen
leichter über Fernsprechleitungen übertragen lassen, wenn sie zuerst in eine Impulsfolge
umgewandelt werden, die sich zwischen zwei vorbestimmten Frequenzen hin und her
ändert und dadurch die betreffenden Zeichen oder Trennschritte darstellt.
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Bisher hat man diese Aufgabe dadurch gelöst, daß man frei schwingende
Multivibratoren verwendete. Beim Arbeiten mit Elektronenröhren ist es möglich, die
Ausgangsfrequenz eines frei schwingenden Multivibrators im wesentlichen in linearer
Form dadurch zu steuern, daß man die veränderliche Spannung einer oder mehreren
der Hauptvorspannungsquellen des Multivibrators überlagert. Versucht man jedoch
das gleiche Verfahren mit Transistoren, dann stellt man fest, daß der Basisstrom,
der sich in jedem Transistor einstellt, selbst wenn der Transistor in Sperrrichtung
vorgespannt ist, die Wirkung hat, daß sich bei der Steuerung der Ausgangsfrequenz
nachteilige Nichtlinearitäten ergeben.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, die bekannten Vorteile
der langen Lebensdauer und des verringerten Leistungsbedarfes sowie des verringerten
Raumbedarfes der Transistoren bei ihrer Verwendung in einer Multivibratorschaltung
nutzbar zu machen, deren Ausgangsfrequenz durch eine sich ändernde Eingangsspannung
verändert wird, ohne daß sich durch die Verwendung der Transistoren eine Verschlechterung
in der Qualität der Arbeitsweise der Schaltung ergibt. Die Erfindung soll es ermöglichen,
den nachteiligen Effekt des Transistorbasisstromes auf die Linearität zu beseitigen,
mit der die Ausgangsfrequenz durch die Änderungen einer Eingangsspannung gesteuert
werden kann.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zur Bildung
der Impulsfolge eine an sich bekannte regenerative Schaltung dient, die mindestens
einen stabilen Gleichgewichtszustand besitzt, und daß diese Schaltung durch mindestens
einen Steuerkreis gesteuert wird, der mit der regenerativen Schaltung so verbunden
ist, daß diese bis zum Einsetzen des Kippvorganges von dem Steuerkreis elektrisch
getrennt ist, und daß ferner der Steuerkreis nach jedem Kippvorgang von der regenerativen
Schaltung über einen Rückführkreis in die Ausgangsstellung zurückgeführt wird.
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An Stelle der inneren, die Kippfrequenz bestimmenden Schaltelemente
wird also bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ein außerhalb des Multivibrators
liegender Steuerkreis verwendet, dessen zeitbestimmendes Element zweckmäßig ein
Kondensator ist, dessen Aufladung von der jeweiligen Größe der Eingangsspannung
bestimmt wird. Um die Arbeitsweise des Steuerkreises völlig unabhängig von den Transistoren
des Multivibrators zu machen, ist ferner eine Schaltvorrichtung vorgesehen, die
den Steuerkreis während der Ladung des Kondensators von den Transistoren des Multivibrators
trennt. Zu diesem Zweck dient vorteilhaft eine Schaltdiode, die zwischen den Steuerkreis
und den Multivibrator geschaltet ist.
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Die jeweilige Größe der sich ändernden Eingangsspannung steuert die
Geschwindigkeit, mit der das Potential an dem zeitbestimmenden Kondensator sich
ändert. Hat die Spannung an dem Zeitkondensator den zum Kippen des Multivibrators
notwendigen Wert erreicht, dann wird die zwischen dem Steuerkreis und dem Multivibrator
liegende Schaltdiode leitend und bewirkt dadurch die Einleitung des Kippvorganges,
um gleich darauf den Steuerkreis wieder von dem Multivibrator zu trennen. Da die
Schaltdiode den Steuerkreis von dem Multivibrator mit Ausnahme des kurzen Augenblicks
trennt, in dem der Kippvorgang einsetzt, gestattet die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
somit die Verwendung von
Transistoren, ohne daß die Gefahr besteht,
daß die Basisströme der Transistoren die Ladung des Zeitkondensators der Steuerkreise
beeinflussen.
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Ein Rückführkreis sorgt dafür, daß das Potential am Zeitkondensator
.nach dem Kippvorgang wieder auf den Ausgangswert zurückgeführt wird, so daß der
Steuerkreis damit für eine weitere Arbeitsperiode vorbereitet ist. Vorteilhafterweise
werden im Rückführkreis Transistoren vorgesehen, die nach der Auslösung des Kippvorganges
die Entladung der Zeitkondensatoren steuern.
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Eine zweckmäßige Ausführungsform der Erfindung besteht darin, einen
bistabilen Transistormultivibrator mit zwei Eingängen als regenerative Schaltung
zu verwenden, die durch ein Paar Steuerkreise gesteuert wird, die über ein Paar
normalerweise in Sperrichtung vorgespannte Dioden mit dem Multivibrator verbunden
sind. Eine solche Schaltung kann entweder mit einer oder mit zwei veränderlichen
Eingangsspannungen arbeiten. Wenn nur eine veränderliche Spannung vorhanden ist,
wird sie zur Steuerung der Ladegeschwindigkeit beider Zeitkondensatoren verwendet.
Bei zwei veränderlichen Eingangsspannungen kann durch Änderung des Verhältnisses
der Spannungswerte der Ablaufzyklus des Multivibrators zusätzlich gesteuert werden.
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Zum besseren Verständnis der Merkmale und der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung ist im folgenden im Zusammenhang mit den Figuren ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben. Dabei zeigt Fig.l ein Blockdiagramm zur Erläuterung des
Prinzips der Erfindung, Fig. 2 ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform
der Erfindung und Fig. 3 A bis 3 F Wellenformen, wie sie an verschiedenen Punkten
innerhalb der Schaltung nach Fig. 2 auftreten.
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Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm zur Erläuterung des Prinzips der Erfindung.
Eine bistabile Schaltung 8
weist zwei Eingänge auf, die jeweils mit zwei Trennvorrichtungen
9 und 10 verbunden sind. An den anderen Klemmen der Trennvorrichtungen
9 und 10
sind die Ausgänge von zwei Steuerkreisen 11 und
12
angeschlossen. Zwei Rückführkreise 13 und 14 sind mit den
Steuerkreisen 11 bzw. 12 verbunden, um diese Schaltungen nach Beendigung
ihres Arbeitszyklus wieder zurückzustellen. Die Ausgänge des bistabilen Multivibrators
8 sind jeweils mit den Rückführkreisen 13 bzw. 14 verbunden,
um diese zu betätigen. Ein Paar von Eingangsklemmen 16 und 17
ist vorgesehen,
um die veränderliche Eingangsspannung an die Steuerkreise 11 bzw.
12 anzulegen, während Ausgangsimpulse an einer Ausgangsklemme 15
auftreten,
die mit einem der Ausgänge des bistabilen Multivibrators 8 verbunden ist.
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Beim Betrieb der Schaltung erzeugen die Steuerkreise 11 und 12 Spannungen,
die sich mit einer Geschwindigkeit ändern, die durch die Augenblickswerte des Eingangssignals
bestimmt wird. Erreicht die Ausgangsspannung einer der Steuerkreise 11 oder
12
einen vorbestimmten Wert, dann wird diese über die zugeordneten Trennvorrichtungen
9 oder 10 dem bistabilen Multivibrator zugeführt, und zwar als Kippsignal.
Der Multivibrator 8 erzeugt dann, wenn er gekippt wird, Ausgangsimpulse,
die den Rückführkreisen 13 und 14 zugeleitet werden, die ihrerseits die Steuerkreise
11 oder 12 in ihren Ausgangszustand zurückführen, wenn diese gerade
ihren Arbeitszyklus beendet haben. Werden die Rückführkreise 13 und
14
durch das Ausgangsignal aus dem Multivibrator 8 betätigt, dann leitet der
verbleibende Steuerkreis 11 oder 12 einen ähnlichen Zyklus ein. Auf diese
Weise arbeiten die Steuerkreise 11 und 12 abwechselnd, so daß der Multivibrator
in Zeitabschnitten gekippt wird, die durch die Augenblickswerte der Eingangsspannungen
bestimmt werden.
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Fig. 2 zeigt ein schematisches Schaltdiagramm einer besonderen Ausführungsform
der Erfindung. Der bistabile Multivibrator 8 enthält zwei npn-Transistoren
18 und 19, die Widerstände 20 bis 26 und den Kondensator 27. Der Widerstand 26 und
der Kondensator 27 sind parallel geschaltet und bilden eine Vorspannungsschaltung.
Eine Klemme dieser Parallelschaltung ist mit den Emitterelektroden der Transistoren
18 und 19 verbunden, während die andere Klemme mit einer Quelle negativen Potentials
E" verbunden ist. Die Widerstände 20 und 21 liegen zwischen der negativen
Spannungsquelle E" und den Basiselektroden der Transistoren 18 bzw.
19. Der
Widerstand 22 ist zwischen dem Kollektor des Transistors
18 und der Basis des Transistors 19 über Kreuz eingeschaltet, während
der Widerstand 23
zwischen dem Kollektor 19 und der Basis des Transistors
18 über Kreuz eingeschaltet ist. Die Widerstände 24 und
25 liegen zwischen einer positiven Potentialquelle E' und den Kollektorelektroden
der Transistoren 18 bzw. 19.
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Ein Paar Dioden 28 und 29, die die Trennvorrichtungen 9 und 10 der
Fig. 1 darstellen, sind mit den Basiselektroden der Transistoren 18 bzw.
19 verbunden und derart gepolt, daß die Stromdurchlaßrichtung in Richtung
auf die Transistoren 18 und 19 gerichtet ist.
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Der Steuerkreis 11 enthält einen Widerstand 30
und einen Kondensator
32, die in Reihe geschaltet sind, während der Steuerkreis 12 einen Widerstand 31
und einen damit in Reihe geschalteten Kondensator 33 enthält. Der Verbindungspunkt
des Widerstandes 30 und des Kondensators 32 ist mit der verbleibenden
Elektrode der Diode 28 verbunden, während der Verbindungspunkt des Widerstandes
31 und des Kondensators 33 mit der verbleibenden Elektrode der Diode 29 verbunden
ist. Die anderen Klemmen der Kondensatoren 32 und 33 sind mit Masse verbunden, und
die verbleibenden Klemmen der Widerstände 30 und
31 sind mit den Signaleingangsklemmen
16 bzw. 17
verbunden.
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Die Rückführkreise 13 und 14 enthalten PNP-Transistoren
34 und 35, die Widerstände 36 bis 39
und die Dioden
40 und 41. Die Emitter der Transistoren 34 und 35 sind geerdet, und
die Widerstände 36 und 37 liegen zwischen einer negativen Spannungsquelle E" und
den Kollektoren der Transistoren 34
bzw. 35. Die Diode 40 ist
zwischen dem Kollektor des Transistors 34 und dem Verbindungspunkt des Widerstandes
30 und dem Kondensator 32 angeschlossen, während die Diode 41 zwischen dem
Kol-
lektor des Transistors 35 und dem Verbindungspunkt des Widerstandes
31 und dem Kondensator 33 angeschlossen ist. Die Dioden 40 und 41
sind so angeschlossen, daß die Durchlaßstromrichtung in Richtung auf die Transistoren
34 bzw. 35 liegt. Der Widerstand 38 ist zwischen der Basis des Transistors
34 und dem Kollektor des Transistors 19 eingeschaltet, während der Widerstand 39
zwischen der Basis
des Transistors 35 und dem Kollektor des
Transistors 18 liegt.
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Für einen symmetrischen Schaltungsaufbau ist die Arbeitsweise der
Ausführungsform nach Fig. 2 durch die Wellenformen in Fig. 3 A bis 3 F erläutert.
Fig. 3 A und 3 D zeigen die Wellenformen am Kollektor mit den Kollektorspannungen
Ec1; und EC2 der Transistoren 18 und 19. Die Fig. 3 B und 3 E zeigen
die Wellenformen an der Basis und die Basisspannungen E,3, und EK., der Transistoren
18 und 19.
Die Fig. 3 C und 3 F zeigen die Wellenformen der Spannungen
e 1 und e 2 über den Kondensatoren 32 und 33. E 1 und E
2 stellen die Potentiale der Eingangsspannungen dar (wobei E2 größer ist
als E1), und E" und E6 stellen die Potentialpegel der Spannungen e 1 bzw.
e 2 dar, die zum Kippen des Multivibrators 8 erforderlich sind. E
stellt den Bezugspotentialkegel für die Spannungen e 1 bzw. e 2 dar,
nach welchem die Steuerkreise 11 und 12 zurückgestellt werden.
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Vor dem Zeitpunkt t0, dargestellt in Fig. 3 A bis 3 F, sind die Transistoren
18 und 35 in ihrem gesperrten oder Aus-Zustand und die Transistoren
19
und 34 in ihrem geöffneten oder Ein-Zustand. Der Kondensator
33 liegt auf dem Bezugspotentialpegel E (die Diode 29 ist dabei in Sperrichtung
vorgespannt), und der Kondensator 32 lädt sich über den Widerstand 30 auf
das Potential EI auf. Wenn das Potential der Spannung e 1 den Zwischenpegel
EA zum Zeitpunkt t0 (Fig. 3C) erreicht, wird die Diode 28 in Durchlaßrichtung
vorgespannt, und der Transistor 18
kippt in seinen Ein-Zustand (Fig. 3 A),
so daß dadurch unmittelbar der Transistor 19 in seinen Sperr-oder Aus-Zustand
gekippt wird, und zwar wegen der kreuzweisen Kopplung durch den Widerstand
22
(Fig. 3 E). Die Spannung e,., am Kollektor des Transistors
19 (Fig. 3 D) ist über Kreuz mit der Basis des Transistors 18 gekoppelt
(Fig. 3 B), wodurch dieser Transistor in seinem Ein-Zustand gehalten wird. Die Spannung
e,.2 wird außerdem nach der Basis des Transistors 34 gekoppelt, um diesen
von seinem Ein-Zustand in seinen Aus-Zustand zu kippen, und die Spannung e" wird
außerdem nach der Basis des Transistors 35 gekoppelt, um diesen von seinem Aus-Zustand
in seinen Ein-Zustand zu kippen. Wegen der Polarität der Spannungsquelle E", die
negativ ist, sind die Potentiale der Spannung an den Kollektoren der Transistoren
34 und 35 negativ, wenn ihre entsprechenden Transistoren im Sperr-Zustand
oder Aus-Zustand sind (im Ein-Zustand liegen sie insbesondere auf Erdpotential).
Ist das Potential der Spannung am Kollektor eines der beiden Transistoren
34
und 35 negativ, dann ist der zugehörige Diodenschalter
40 oder 41 in Durchlaßrichtung vorgespannt, und der Kondensator 32
oder 33 der Steuerkreise 11 und 12, der damit verbunden ist, wird entladen. Zum
Zeitpunkt t0 wird daher der Transistor 34 in seine Aus-Stellung gekippt. Der Kondensator
32 wird über die Diode 40 und den Widerstand 36 entladen. Dies
ist in Fig. 3 C zwischen den Zeitpunkten t 0 und t 1
dargestellt.
Die Diode 41, die vorher in Durchlaßrichtung vorgespannt war, wird zum Zeitpunkt
t 0 in Sperrichtung vorgespannt, so daß der Kondensator 33 über den Widerstand
31 eine Ladung aufnehmen kann. Dies ist in Fig. 3 F zwischen den Zeitpunkten
t0 und t1 dargestellt. Wenn das Potential der Spannung e 2 zum Zeitpunkt
t 1 den Pegel Eb erreicht, wird die Diode 29 in Durchlaßrichtung vorgespannt,
und der Transistor 19 wird in seinen Ein-Zustand gekippt, wodurch die Transistoren
18 und 35 gesperrt werden und der Transistor 34 eingeschaltet wird. Die Diode
40 wird in Sperrichtung vorgespannt, während die Diode 4.1 in Durchlaßrichtung
vorgespannt ist. Der Kondensator 33 wird auf seinen Bezugspegel E entladen, und
der Kondensator 32 beginnt, sich in Richtung El aufzuladen. Wegen der Kreuzkopplung
über die Widerstände 22 und 23 ist jede der Dioden 28 und 29 normalerweise in Sperrichtung
vorgespannt, außer dann, wenn der Potentialpegel der Spannung über dem Kondensator
32 oder 33 ausreichend groß ist, um eine Änderung in dem Zustand des Multivibrators
8 hervorzurufen. Wenn diese eintritt, dann wird die Diode 28 oder
29 in Durchlaßrichtung vorgespannt, bis der Transistor 18 oder
19
in der anderen Hälfte des Multivibrators 8 gesperrt ist. Da die
Dioden 28 und 29 immer in Sperrichtung vorgespannt sind, mit Ausnahme der Zeit,
während der Kippvorgang vor sich geht, sind die Zeitkondensatoren 32 und 33 von
den Transistoren 18 und 19 abgetrennt, so daß die Basisströme, die in diesen Transistoren
fließen, wenn sie im Sperr-Zustand vorgespannt sind, die Ladung auf den Kondensatoren
nicht beeinflussen oder stören.
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Die vorangegangene Beschreibung der Erfindung und die Beschreibung
der Arbeitsweise stützen sich darauf, daß eine Schaltungssymmetrie besteht und daß
Spannungen von verschiedenem Verlauf an die Eingangsklemmen 16 und
17 angelegt sind. Der Arbeitszyklus des Ausgangssignals des Multivibrators
wird in einfacher Weise dadurch gesteuert, daß das Verhältnis zwischen den Augenblickswerten
der Eingangsspannungen geändert wird. Solange dieses Verhältnis konstant gehalten
wird, ergibt sich eine im wesentlichen lineare Steuerung der Impulswiederholungsfrequenz
des Multivibrators 8, welche aufrechterhalten wird. Wie bereits festgestellt
wurde, kann man auch eine einzige Eingangsspannung beiden Eingangsklemmen gleichzeitig
zuführen, in welchem Fall die Impulswiederholungsfrequenz der Ausgangsimpulse in
einem linearen Verhältnis zu der Augenblicksspannung der einzigen Eingangsspannung
steht.