DE1271174B - Astable multivibrator controllable with DC voltage - Google Patents

Astable multivibrator controllable with DC voltage

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    • H03K7/06Frequency or rate modulation, i.e. PFM or PRM

Description

Mit Gleichspannung steuerbarer astabiler Multivibrator In der Meßtechnik, insbesondere der Fernmeßtechnik, besteht schon seit längerem die Forderung nach einem Gleichspannungs-Frequenzumsetzer, bei dem die erzeugte Frequenz linear von der variablen Steuergleichspannung abhängt. Als Frequenzumsetzer bietet sich der bekannte astabile Multivibrator an, der eine Impulsfrequenz liefert, die im wesentlichen von der Zeitkonstante der RC-Kopplung bestimmt wird. Solche Multivibratoren weisen zwei Verstärkerelemente auf, bei denen der Ausgang von jedem Verstärkerelement über je eine RC-Kombination mit dem Eingang des anderen Verstärkerelements gekoppelt ist. Es ist bekannt, daß sich die Impulsfrequenz mittels einer an einer bestimmten Stelle der Multivibratorschaltung angelegten Gleichspannung variieren läßt. Dabei mußte man aber bisher den Nachteil in Kauf nehmen, daß sich bei Multivibratoren der eingangs genannten Art die Impulsfrequenz nicht linear mit der Steuergleichspannung ändert. Diese Gesetzmäßigkeit ist auch aus der folgenden Formel über die Frequenz des Multivibrators ersichtlich, in der U" = Aufladespannung; U;" = Umladespannung = Steuerspannung ist: Unter diesen Voraussetzungen hat es die Fachwelt nicht an Versuchen fehlen lassen, den Nachteil der Nichtlinearität durch besondere schaltungstechnische Maßnahmen zu beseitigen.Astable multivibrator controllable with direct voltage In measurement technology, in particular telemetry, there has long been a requirement for a direct voltage frequency converter in which the frequency generated depends linearly on the variable direct voltage control. The known astable multivibrator, which supplies a pulse frequency that is essentially determined by the time constant of the RC coupling, can be used as a frequency converter. Such multivibrators have two amplifier elements, in which the output of each amplifier element is coupled to the input of the other amplifier element via an RC combination. It is known that the pulse frequency can be varied by means of a direct voltage applied to a specific point in the multivibrator circuit. Up to now, however, one had to accept the disadvantage that in multivibrators of the type mentioned above, the pulse frequency does not change linearly with the DC control voltage. This law can also be seen from the following formula for the frequency of the multivibrator, in which U "= charging voltage; U;" = Recharging voltage = control voltage is: Under these conditions, there has been no lack of attempts by experts to eliminate the disadvantage of non-linearity by means of special circuitry measures.

So ist z. B. ein Multivibrator bekannt, bei dem der Zusammenhang zwischen einer Gleichspannung und der von dieser gesteuerten Schwingungsfrequenz in einem bestimmten Bereich durch eine lineare Funktion dargestellt wird. Dieser Multivibrator benötigt jedoch mindestens einen magnetischen Kern aus hochpermeablem Blech und mehrere Wicklungen, so daß dessen Herstellung verhältnismäßig teuer Ist. So is z. B. a multivibrator is known in which the relationship between a DC voltage and the oscillation frequency controlled by this is represented in a certain range by a linear function. However, this multivibrator requires at least one magnetic core made of highly permeable sheet metal and several windings, so that its production is relatively expensive .

Bei einem weiteren bekannten Multivibrator wird ein linearer Zusammenhang zwischen Frequenz und Steuerspannung für ganz bestimmte Parameter der Multivibratorschaltung erzielt. Es ist daher bei diesem Multivibrator nur sehr beschränkt möglich, die Neigung der Frequenz-Steuerspannungs-Charakteristik zu ändern; ohne der Linearität verlustig zu gehen.In another known multivibrator, a linear relationship is used between frequency and control voltage for very specific parameters of the multivibrator circuit achieved. It is therefore only possible to a very limited extent with this multivibrator that The tendency of the frequency-control voltage characteristic to change; without the linearity to go forfeit.

Es ist auch ein gleichspannungsgcsteuertcr Multivibrator mit zwei Vcrstärkerclcmcntcn bekannt, bei dem der Eingang des ersten Verstärkerelements über die Parallelschaltung eines Widerstandes und eines kapazitiven Netzwerkes mit einer Eingangsklemme verbunden ist, die an einer als Steuerspannung für die Frequenz des Multivibrators in ihrer Höhe veränderbaren Gleichspannung liegt.It is also a DC controlled multivibrator with two Vcrstarkkerclcmcntcn known in which the input of the first amplifier element via the parallel connection of a resistor and a capacitive network with a Input terminal is connected to a control voltage for the frequency of the Multivibrators in their height is variable DC voltage.

Schließlich ist bei einer anderen Multivibratorschaltung in die Steuerstrecke der Multivibratortransistoren ein weiterer Transistor geschaltet worden, wodurch ein konstanter Kondensatorladestrom erzielt wird, so daß die Ladespannung linear von der Zeit abhängt.Finally, another multivibrator circuit is in the control path of the multivibrator transistors another transistor has been switched, whereby a constant capacitor charging current is achieved, so that the charging voltage is linear depends on the time.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Gleichspannungs-Frequenzumsetzer mit linearer Abhängigkeit der Frequenz von der Steuergleichspannung zu schaffen, der trotz des Vorurteils der Fachwelt einen einfachen, d. h. nur aus den notwendigen Grundbausteinen bestehenden, astabilen Multivibrator anwendet. Die Aufgabe der linearen Abhängigkeit der Frequenz von der Steuergleichspannung wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Umladespannung U", bzw. U,, und Us, größer ist als die Aufladespannung U". In Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist eine Multivibratorschaltung so aufgebaut, daß zwei an einer Hilfsspeisespannung U,, liegende Spannungsteiler vorgesehen sind, an denen je einer der Multivibratortransistoren derart angeschaltet ist, daß der eine Spannungsteilerwiderstand parallel zur Kollektor-Emitter-Strecke liegt und der andere Spannungsteilerwiderstand den Kollektorwiderstand des Transistors bildet. Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung sind im folgenden an Hand von zwei Ausführungsbeispielen näher beschrieben und in der Zeichnung dargestellt.The invention is now based on the object of creating a direct voltage frequency converter with a linear dependence of the frequency on the direct voltage control voltage, which, despite the prejudice of experts, uses a simple, astable multivibrator consisting only of the necessary basic components. The object of the linear dependence of the frequency on the DC control voltage is achieved according to the invention in that the recharging voltage U ", or U" and Us, is greater than the charging voltage U ". In development of the invention a multivibrator circuit is constructed so that two opposite to an auxiliary supply voltage U ,, voltage dividers are provided, to each of which one of the multivibrator transistors is turned on so that a voltage divider resistor is connected in parallel with the collector-emitter path and the other voltage divider resistor to Collector resistance of the transistor forms. Further features and details of the invention are described in more detail below with reference to two exemplary embodiments and illustrated in the drawing.

F i g. 1 zeigt einen astabilen Multivibrator, dessen Frequenz mit Hilfe eines Potentiometers veränderbar ist; F i g. 2 zeigt eine ähnliche Schaltung, bei der die Frequenz mit Hilfe einer veränderbaren Spannung steuerbar ist.F i g. 1 shows an astable multivibrator whose frequency is with Can be changed using a potentiometer; F i g. 2 shows a similar circuit, in which the frequency can be controlled with the help of a variable voltage.

Gemäß F i g. 1 ist der astabile Multivibrator in bekannter Weise aufgebaut aus zwei Transistoren T, den Koppelkondensatoren C, den Kollektorwiderständen R, und den Basiswiderständen R. Die Hilfsspannung Uh ist größer als die Aufladespannung Uo, so daß innerhalb des Bereiches der Hilfsspannung die Werte für U" und die Vorspannung U" durch Spannungsteilung mit Hilfe des Spannungsteilers R1, R2, R3 beliebig variiert und festgelegt werden können. Die Vorspannung Ui, muß zur Erzielung eines möglichst kleinen Linearitätsfehlers größer als U, sein. Damit befindet man sich auch außerhalb desjenigen Bereiches, in dem ein Vorzeichenwechsel der Frequenzänderung eintritt. Bei dieser Schaltung ergibt sich eine einfache Möglichkeit, die Frequenz mit Hilfe des Potentiometers R1 zu steuern. Dabei rufen Schwankungen der Hilfsspannung Uh keine Änderungen der Frequenz hervor, sofern die Transistorrestgrößen vernachlässigbar sind. Als Belastungswiderstand für das Potentiometer R1 gilt der Wert von etwa 1/2 R.According to FIG. 1 the astable multivibrator is constructed in a known manner from two transistors T, the coupling capacitors C, the collector resistors R, and the base resistors R. The auxiliary voltage Uh is greater than the charging voltage Uo, so that the values for U "and the bias voltage are within the range of the auxiliary voltage U "varies as required by dividing the voltage with the aid of the voltage divider R1, R2, R3 and can be set. The bias Ui must to achieve a possible small linearity error greater than U, be. So you are also outside that area in which a change in sign of the frequency change occurs. With this circuit there is a simple possibility of using the frequency of the potentiometer R1. Fluctuations in the auxiliary voltage cause Uh no changes in frequency emerge, provided that the residual transistor sizes are negligible are. The load resistance for the potentiometer R1 is about 1/2 R.

In F i g. 2 ist eine Multivibratorschaltung dargestellt, die gegenüber der in F i g. 1 gezeigten in einigen Punkten abgeändert ist. Hier wird die Spannungsteilung zur Erzeugung der Aufladespannung U" durch die Widerstände R, und R6 vorgenommen, die für jeden Transistor T einen Spannungsteiler bilden, die an der Hilfsspannung Uh liegen. Der Spannungsteilerwiderstand R6 liegt dabei parallel zur Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors, während der andere Spannungsteilerwiderstand R, gleichzeitig den Kollektorwiderstand darstellt. Man erhält dadurch bei gleicher Stromentnahme eine steilere Anstiegsflanke, da die hierfür maßgebliche Zeitkonstante verringert wird. Zur Vergrößerung der Schaltleistung ist eine aus dem Transistor TZ bestehende Schaltstufe nachgeschaltet. Die Steuerstrecke des Schalttransistors T2, also Basis und Emitter, liegen parallel zum Spannungsteilerwiderstand Rb und zur Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors R. In die Schaltung sind zusätzlich die beiden Kondensatoren Cl eingesetzt, die zwischen Basis und Emitter der Transistoren T liegen. Sie verhüten Fehlschaltungen des Multivibrators durch etwa auf den Eingang bzw. die Steuerleitungen einwirkende Störimpulse.In Fig. FIG. 2 shows a multivibrator circuit which, compared to that shown in FIG. 1 shown has been modified in some points. Here, the voltage division for generating the charging voltage U "is carried out by the resistors R, and R6, which form a voltage divider for each transistor T which is connected to the auxiliary voltage Uh . The voltage divider resistor R6 is parallel to the emitter-collector path of the transistor, while the other voltage divider resistor R represents the collector resistance at the same time. This gives a steeper rising edge with the same current consumption, since the time constant relevant for this is reduced. A switching stage consisting of the transistor TZ is connected downstream to increase the switching capacity Base and emitter are parallel to the voltage divider resistor Rb and to the collector-emitter path of the transistor R. The two capacitors Cl are also used in the circuit, which are located between the base and emitter of the transistors T. They prevent incorrect switching of the multivibrator by et wa interference pulses affecting the input or the control lines.

Die Einstellung der Vorspannung U" bzw. der Anfangsfrequenz erfolgt über einen eigenen Spannungsteiler Ri, P1, R2, der ebenfalls an der Hilfsspannung Uh liegt. Soll die Endfrequenz den vorgeschriebenen Wert stets genau einhalten, dann müssen Abweichungen der Steuerspannung U" bzw. der Spannung zwischen den Punkten A und B vom Sollwert durch einen weiteren Spannungsteiler P2, RE ausgeglichen werden. Bei dieser Schaltung kann die Frequenz des astabilen Multivibrators entweder - wie in der Schaltung nach F i g. 2 angegeben -durch eine veränderbare Gleichspannung U" oder nach geringen Schaltungsänderungen durch ein nicht dargestelltes Potentiometer gesteuert werden. Bei Verwendung eines Potentiometers haben Schwankungen der Hilfsspannung Uh nur einen sehr geringen Einfluß auf die Frequenz, deren Änderung in einem weiten Bereich möglich ist, wobei die Amplitude der Ausgangsspannung stets konstant bleibt.The setting of the bias voltage U "or the initial frequency takes place via a separate voltage divider Ri, P1, R2, which is also connected to the auxiliary voltage Uh between points A and B are balanced by the setpoint value by a further voltage divider P2, RE. In this circuit, the frequency of the astable multivibrator can either - as in the circuit according to FIG. 2 specified -be controlled by a variable DC voltage U "or, after minor circuit changes, by a potentiometer (not shown). When using a potentiometer, fluctuations in the auxiliary voltage Uh have only a very slight influence on the frequency, the change of which is possible over a wide range The amplitude of the output voltage always remains constant.

Soll die Frequenz mit einer getrennten Spannungsquelle U" gesteuert werden, so wird diese mit dem einen Pol an die beiden Basiswiderstände und mit dem anderen Pol an den Spannungsteiler.Ri, P1,- R? geschaltet. Bei dieser Schaltung wird die Summe beider Spannungen von U, und Ui, wirksam, wobei Um etwa gleich U" ist.Should the frequency be controlled with a separate voltage source U " it is connected to one pole of the two base resistors and to the other pole to the voltage divider.Ri, P1, - R? switched. With this circuit the sum of both voltages of U, and Ui, becomes effective, where Um is approximately equal to U " is.

Durch das Einfügen der Spannungsquelle U" mit ihrem Innenwiderstand Ri wird dieser Widerstand Rill RE zu dem Widerstand von R addiert, wodurch die Anfangsfrequenz niedriger wird. Sollen die vorher festgelegten Werte erhalten bleiben, so muß R um den Betrag von Rill RE verkleinert werden. Die untere Grenze der Schwingungsfrequenz ist unabhängig von den Eigenschaften der Transistoren T, und sie wird allein durch den Isolationswiderstand der Kondensatoren C bestimmt. Die obere Grenze der Schwingungsfrequenz ist im wesentlichen durch die (3-Grenzfrequenz der Transistoren bestimmt, sofern die Einschaltzeit der Anstiegsflanke das noch zuläßt.By inserting the voltage source U "with its internal resistance Ri, this resistance Rill RE is added to the resistance of R, whereby the initial frequency becomes lower. If the previously determined values are to be retained, R must be reduced by the amount of Rill RE The lower limit of the oscillation frequency is independent of the properties of the transistors T, and it is determined solely by the insulation resistance of the capacitors C. The upper limit of the oscillation frequency is essentially determined by the (3 limit frequency of the transistors, provided that the switch-on time of the rising edge is still allows.

Je kleiner die zur Verfügung stehende Steuerspannung U, für eine Änderung der Frequenz ist, desto kleiner muß auch die Aufladespannung U" werden. Die absolute Größe von U, muß jedoch mindestens so groß sein, daß sich die ergebende Differenzspannung U, - Ue# Es., - UB Es"", die jeweils den entsprechenden Transistor sperren muß, noch genügend groß ist, um diese Funktion zu gewährleisten.The smaller the available control voltage U, for a change in the frequency, the smaller the charging voltage U "must also be. The absolute value of U, must, however, be at least large enough that the resulting differential voltage U, - Ue # Es ., - UB Es "", which must block the respective transistor, is still large enough to ensure this function.

Die große Linearität zwischen Steuerspannung und Impulsfrequenz wird auch hier wieder im wesentlichen dadurch bestimmt, daß die Umladespannung (U" + U",) größer gewählt ist als die Aufladespannung Uo, wobei die besten Ergebnisse dann erzielt werden, wenn U", (F i g. 1) bzw. (U,,+ U";) (F i g. 2) gleich oder größer der 1,5fachen Spannung von U" ist.The high linearity between control voltage and pulse frequency is again essentially determined by the fact that the charge reversal voltage (U "+ U",) is selected to be greater than the charging voltage Uo, the best results being achieved when U ", (F i g. 1) or (U ,, + U ";) (F i g. 2) is equal to or greater than 1.5 times the voltage of U".

Eine Umwandlung der symmetrischen Rechteckform der erzeugten Spannung in eine Sinusform läßt sich bei einer relativ kleinen Frequenzänderung in einfacher Weise durchführen, weil die Oberwellen erst bei der dritten Harmonischen beginnen. Bei Fernmeßeinrichtungen nach dem Frequenzvariationsverfahren beträgt der übliche Frequenzhub nur 15% der Anfangsfrequenz, so daß der erfindungsgemäße Multivibrator auch für Fernmeßzwecke geeignet ist und trotz seines einfachen Aufbaues eine Reihe von vorteilhaften Eigenschaften aufweist. Bei geeigneter Dimensionierung der elektrischen Schaltelemente können mit dem astabilen Multivibrator in einem praktisch linearen Bereich Frequenzen von 5 bis 15 Hz erzeugt werden, wobei bei einer verwirklichten Schaltung der Linearitätsfehler mit maximal 0,36%, bezogen auf 10 Hz Freque:izveränderung, festgestellt wurde. Auch der TemperaturfehIer ist vernachlässigbar gering, denn er wurde in einem Temperaturbereich von -20 bis +60°C mit etwa 0,6% pro 10° Temperaturänderung festgestellt. Dieser Fehler kann mit sehr einfachen Mitteln noch wesentlich herabgesetzt werden, z. B. mit Hilfe eines temperaturabhängigen Widerstandes im Spannungsteiler, der zur Erzeugung der Vorspannung dient.A conversion of the symmetrical rectangular shape of the generated voltage A sinusoidal shape can be easily converted into a relatively small frequency change Perform wisely because the harmonics don't start until the third harmonic. In the case of telemetry systems based on the frequency variation method, the usual Frequency deviation only 15% of the initial frequency, so that the multivibrator according to the invention is also suitable for telemetry purposes and despite its simple structure a number has advantageous properties. With suitable dimensioning of the electrical Switching elements can with the astable multivibrator in a practically linear Frequency range from 5 to 15 Hz can be generated, with one being realized Switching the linearity error with a maximum of 0.36%, based on 10 Hz frequency: iz change, was established. The temperature error is also negligibly small, because it was in a temperature range from -20 to + 60 ° C with about 0.6% per 10 ° temperature change established. This error can be reduced considerably with very simple means be e.g. B. with the help of a temperature-dependent resistor in the voltage divider, which is used to generate the preload.

Die Erfindung ist nicht auf die in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Unter anderem ist es auch möglich, den npn- bzw. pnp-Transistor in solche entgegengesetzten Leitfähigkeittyps auszutauschen und die Spannungen umzupolen.The invention is not limited to that in the drawing shown Embodiments limited. Among other things, it is also possible to use the npn or Replace pnp transistor in such opposite conductivity type and the To reverse the polarity of voltages.

Claims (7)

Patentansprüche: 1. Mit Gleichspannung steuerbarer astabiler Multivibrator zum Erzeugen einer Impulsfrequenz, die linear von der Steuergleichspannung abhängt, insbesondere als Gleichspannungs-Frequenzumsetzer für Fernmeßzwecke, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t, daß die Umladespannung (U", bzw. U,, + U";) größer ist als die Aufladespannung (U,) der Multivibratortransistoren (T). Claims: 1. With direct voltage controllable astable multivibrator for generating a pulse frequency which is linearly dependent on the control direct voltage, in particular as a direct voltage frequency converter for telemetry purposes, because the recharge voltage (U "or U" + U "); ) is greater than the charging voltage (U,) of the multivibrator transistors (T). 2. Multivibrator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei an einer Hilfsspeisespannung (U,,) liegende Spannungsteiler (RjR6), an denen je einer der Transistoren (T) derart angeschaltet ist, daß der eine Spannungsteilerwiderstand (R,,) parallel zur Kollektor-Emitter-Strecke liegt und der andere Spannungsteilerwiderstand (R,) den Kollektorwiderstand des Transistors (T) bildet. 2. Multivibrator according to claim 1, characterized by two connected to an auxiliary supply voltage (U ,,) Voltage divider (RjR6), each of which has one of the transistors (T) connected in this way is that the one voltage divider resistor (R ,,) parallel to the collector-emitter path and the other voltage divider resistor (R,) is the collector resistance of the Transistor (T) forms. 3. Multivibrator nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen dritten an der Hilfsspeisespannung (U,,) liegenden Spannungsteiler (Ri, P1, R2), an dessen Potentiometerabgriff der eine Pol einer Steuerspannungsquelle (US,) angeschlossen ist, während der andere Pol über je einen Widerstand (R) mit den Basen der Transistoren (T) verbunden ist. 3. Multivibrator according to claim 1 or 2, characterized by a third voltage divider (Ri, P1, R2), one pole of a control voltage source at its potentiometer tap (US,) is connected, while the other pole is connected via a resistor (R) connected to the bases of the transistors (T). 4. Multivibrator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an den Kollektor eines der Transistoren (7) die Steuerstrecke eines Schalttransistors (TZ) angeschlossen ist, in dessen Kollektorkreis der Lastwiderstand (RL) liegt. 4. Multivibrator according to claim 3, characterized in that the control path is connected to the collector of one of the transistors (7) of a switching transistor (TZ) is connected, in whose collector circuit the load resistance (RL) lies. 5. Multivibrator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen ein Potentiometer (R1) enthaltenden, an einer Hilfsspannung (U,,) liegenden Spannungsteiler (R1, R2, R3), bei dem der verstellbare Potentiometerabgriff über die Basiswiderstände (R) mit den Basen der Transistoren (T) verbunden ist, während die Kollektoren der Transistoren (T) über die Kollektorwiderstände (RJ an ein geringeres Potential des Spannungsteilers angeschlossen sind (F i g. 1). 5. Multivibrator according to claim 1, characterized by a potentiometer (R1) containing voltage divider (R1, R2, R3), in which the adjustable potentiometer tap via the base resistors (R) connected to the bases of the transistors (T), while the collectors of the transistors (T) via the collector resistors (RJ to a lower potential of the voltage divider are connected (Fig. 1). 6. Multivibrator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Steuerstrecke der Transistoren (T) je ein Kondensator (Cl) geschaltet ist. 6. Multivibrator according to claim 1, characterized in that that a capacitor (Cl) is connected in parallel to the control path of the transistors (T) is. 7. Multivibrator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerspannung (US,) an einen aus einem Widerstand (Re) und einem Potentiometer (P2) gebildeten Spannungsteiler geschaltet ist, derart, daß der eine Pol (B) der Steuerspannung mit dem Abgriff des Potentiometers' (P1) und der Abgriff des Spannungsteilerpotentiometers (P2) mit den Basiswiderständen (R) verbunden ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschriften Nr. 1093 818, 1 105 987, 1 119 331, 1 131729; USA.-Patentschrift Nr. 2 338 395; schweizerische Patentschrift Nr. 251761; P u e k 1 e, »Time Bases«, 1951, S. 32, 33; Electronics, 26. April 1963, S. 64, 65; Elektronik, 1966, H. 11, S.337 bis 340.7. Multivibrator according to claim 3, characterized in that the control voltage (US,) is connected to a voltage divider formed from a resistor (Re) and a potentiometer (P2), such that the one pole (B) of the control voltage with the tap of the potentiometer (P1) and the tap of the voltage divider potentiometer (P2) is connected to the base resistors (R). Considered publications: German Auslegeschriften Nos. 1093 818, 1 105 987, 1 119 331, 1 131729; U.S. Patent No. 2,338,395; Swiss Patent No. 251761; P uek 1 e, "Time Bases", 1951, pp. 32, 33; Electronics, April 26, 1963, pp. 64, 65; Elektronik, 1966, issue 11, pages 337 to 340.
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