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Die Erfindung betrifft eine besonders einfache und wirtschaftliche
Schaltungsanordnung, insbesondere für einen Frequenzteiler mit hohem Teilerverhältnis
oder auch für einen Impulszähler hoher Zählkapazität.
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Bekannte Schaltungsanordnungen für diese Aufgaben arbeiten im allgemeinen
digital und bedürfen dabei einer dem Teilerverhältnis oder der Zählkapazität entsprechenden
Anzahl von Stufen. Der Aufwand hierfür ist verglichen mit der erfindungsgemäßen
Anordnung sehr groß.
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Weiterhin sind integrierende Frequenzteiler oder Impulszähler bekannt,
die jedoch in ihren bekannten Ausführungen verschiedene Nachteile haben und insbesondere
kein hohes Teilerverhältnis bzw. keine große Zählkapazität erlauben.
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Solche bekannte Frequenzteiler sind beispielsweise beschrieben in
den Aufsätzen von B. P r e s t o n, »A Microelectronic Frequency Divider with a
variable Division Ratio«, in der Zeitschrift »Electronic Engineering«, April 1965,
S.240 bis 244, und 1. P o n n e r, »Betrachtungen über Frequenzteiler mit Doppelbasisdioden«,
in der Zeitschrift »Internationale Elektronische Rundschau«, 1966, H. 6, S. 345
bis 347. Bei den in diesen Aufsätzen beschriebenen Schaltungen werden die Eingangsimpulse
zunächst differenziert und dann die differenzierten Impulse zur Aufladung eines
integrierenden Kondensators verwendet. Diese Schaltungen sind daher von der Form,
insbesondere der Flankensteilheit und der Amplitude der angelegten Impulse abhängig
und setzen, da die Aufladung des integrierenden Kondensators mit der Energie der
angelegten Impulse erfolgt, eine ergiebige Impulsquelle voraus. Diese besonderen
Bedingungen können in manchen Fällen nicht ohne weiteres erfüllt werden und erfordern
dann einen erhöhten Aufwand.
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Die durch die deutsche Auslegeschrift 1141335 bekannte Schaltung bezieht
zwar die Energie zum Aufladen des integrierenden Kondensators aus einer konstanten
Stromquelle und vermeidet damit einen der Nachteile der vorhergenannten Schaltungen,
sie arbeitet jedoch ebenfalls mit differenzierten Ladeimpulsen und bedarf daher
steilflankiger Eingangsimpulse. Als nachteilig muß in dieser und in den vorher genannten
Schaltungen die Verwendung einer Diode oder Zener-Diode als Spannungsdiskriminator
angesehen werden, da es für eine einigermaßen genaue Zählung notwendig ist, durch
den letzten Eingangsimpuls vor der Abgabe des Ausgangssignals den gekrümmten Teil
der Kennlinie der Diode bzw. der Zener-Diode zwischen dem Sperrbereich und der Durchbruchsspannung
zu durchlaufen. Das bedeutet verhältnismäßig große Spannungsänderungen am integrierenden
Kondensator infolge der einzelnen Eingangsimpulse und damit eine sehr begrenzte
Zählkapazität. Durch eine besondere Verbindungsleitung zwischen der auf den Spannungsdiskriminator
folgenden Kippschaltung und dem integrierenden Kondensator wird, ohne däß dies in
der Patentschrift erwähnt ist, erreicht, daß der Kondensator nicht neu aufgeladen
werden kann, solange die Kippschaltung ihren zweiten Schaltzustand hat. über dieselbe
Verbindungsleitung und die Emitter-Kollektor-Strecke eines der Transistoren der
Kippschaltung wird nach dem Ansprechen des Spannungsdiskriminators und dem dadurch
bewirkten Umschalten der Kippschaltung der integrierende Kondensator entladen. Der
dabei fließende hohe Entladestrom gefährdet den Transistor.
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Schließlich ist in der deutschen Patentschrift 1139 553 die Schaltung
eines »breitbandigen Frequenzteilers« beschrieben, bei der wie bei den vorgenannten
Schaltungen der Ladezustand eines Kondensators entscheidend für das Ausgangssignal
ist. Der Kondensator liegt über einen Widerstand an einer festen Spannung und wird,
sofern seine Spannung einen bestimmten Wert überschritten hat, infolge eines Eingangssignals
entladen. Eines der weiteren Eingangssignale kann erst dann wirksam werden, wenn
der Kondensator über den genannten Widerstand wieder auf eine bestimmte Spannung
aufgeladen ist. Das Ausgangssignal ist eine einer Gleichspannung überlagerte Sägezahnspannung,
deren Grundfrequenz der zu gewinnenden niedrigeren Frequenz entspricht. Die Abhängigkeit
des Teilerverhältnisses von der Frequenz der Eingangssignale soll gemäß der Patentschrift
durch eine Steuerung der Ansprechspannung des Spannungsdiskriminators durch die
Ausgleichspannung kompensiert werden. Das Teilerverhältnis ist darüber hinaus jedoch
auch in erheblichem Maß von der Amplitude der Eingangssignale und auch von der Speisespannung
abhängig. Die Abhängigkeit der Schaltung von der Amplitude der Eingangssignale soll
gemäß der Beschreibung durch geregelte Vorverstärker, also durch einen sehr großen
Aufwand ausgeglichen werden. Dagegen ist bei dieser Schaltung die Form der Eingangssignale
unkritisch. Wegen der im grundsätzlichen Verfahren begründeten Anhäufung nachteiliger
Eigenschaften der Schaltung kann damit eine zufriedenstellende Wirkung nur bei sehr
kleinen Teilerverhältnissen erreicht werden. In der Beschreibung sind als Beispiele
Verhältnisse von 1: 2 und 1: 3 genannt.
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht somit
darin, unter Vermeidung der Nachteile der angeführten Schaltungen eine Schaltungsanordnung
eines Frequenzteilers oder Impulszählers anzugeben, die nach Eingabe einer Reihe
aus einer vorbestimmten oder einstellbaren, insbesondere großen Anzahl beliebig
geformter, untereinander gleicher Eingangsimpulse beliebiger Frequenz ein Ausgangssignal
in Form eines Impulses vorgegebener Dauer abgibt. Die diese Aufgabe lösende Schaltung
enthält als an sich bekannte Teile und Baugruppen einen Kondensator, dem infolge
der Eingangsimpulse Ladungen zugeführt werden, einen mit der Emitter-Basis-l-Strecke
parallel zum Kondensator und mit seinen Basen an der Speisespannung liegenden Unijunction-Transistor,
der nach dem Erreichen einer bestimmten Spannung am Kondensator leitend wird, dadurch
den Kondensator entlädt, wobei zugleich eine nachgeschaltete Kippschaltung aus ihrem
ersten stabilen in ihren zweiten monostabilen Schaltzustand umgesteuert wird. Die
Kippschaltung liefert in ihrem zweiten Schaltzustand ein Ausgangssignal. Die erfindungsgemäße
Schaltung ist dadurch gekennzeichnet,- daß ein durch die Eingangsimpulse gesteuerter,
als Ladeschalter wirkender Transistor während der Dauer jedes Impulses der Reihe
den Kondensator über einen den Ladestrom des Kondensators weitgehend konstanthaltenden
Widerstand an eine konstante Speisespannung schaltet und daß nach dem Einlaufen
der vorgegebenen Anzahl von Impulsen während des zweiten, monostabilen Zustandes
der
Kippschaltung durch eine Verbindung zwischen der Kippschaltung
und der Steuerelektrode des Ladeschalters dieser unabhängig von Eingangsimpulsen
nichtleitend gehalten wird.
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Das Aufladen des Kondensators aus einer konstanten Spannungsquelle
über einen Widerstand und einen durch die Eingangsimpulse gesteuerten Schalter ergibt
eine von der Amplitude und Flankensteilheit der Eingangsimpulse und von der Ergiebigkeit
der Impulsquelle unabhängige Ladung des Kondensators unter der einzigen Voraussetzung,
daß die Eingangsimpulse eine Mindestamplitude überschreiten müssen.
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Die durch die Art der Ladeschaltung erreichbare genau definierte Ladung
des Kondensators in Verbindung mit dem vergleichsweise sehr genau schaltenden Unijunction-Transistor
als Spannungsdiskriminator erlaubt vergleichsweise sehr hohe Tellerverhältnisse
oder eine sehr hohe Zählkapazität. Es können mit der Schaltung Werte .in der Größe
von 1 : 100 bzw. 100 erreicht werden.
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Zwei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
werden an Hand der Stromlaufpläne F i g. 1 und 2 nachstehend näher erläutert. Dabei
ist die Grundschaltung in beiden Figuren gleich, und einander entsprechende Elemente
sind gleich bezeichnet. Die Schaltungsanordnung nach F i g. 2 enthält eine in manchen
Anwendungsfällen nützliche Ergänzung der Grundschaltung.
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Die Grundschaltung enthält einen Eingangsspannungsteiler mit den Widerständen
R 1 und R 2, den als Ladeschalter dienenden Transistor Tr
1, dazu in Reihe an der Speisespannung den Widerstand R 3 und den Kondensator
C 1. Der Widerstand R 3 und/oder der Kondensator C 1 kann verändert und damit das
Tellerverhältnis oder die Zählkapazität eingestellt werden. Parallel zum Kondensator
C1 liegt die Emitter-Basis-l-Strecke des Unijunction-Transistors Tr2 in Reihe mit
einem Widerstand R 5. Ein vor der Basis 2 des Unijunction-Transistors liegender
Widerstand R 4 dient zum Stabilisieren der Schaltung bei Temperaturänderungen. Eine
am Widerstand R 5 auftretende Spannungsänderung wird durch den Kondensator C 2 auf
die nachfolgende Kippschaltung übertragen. Diese besteht aus den zueinander komplementären
Transistoren Tr3 und Tr4 mit den Basisvorwiderständen R 7 und R9, die zugleich in
Verbindung mit den ihnen in Reihe geschalteten Widerständen R 6 bzw. R 8 den Emitterwiderstand
für den jeweils anderen der zwei Transistoren bilden. Der Widerstand R 6 bildet
zusammen mit dem in Reihe zu ihm liegenden Kondensator C3 einen Zeitkreis zwischen
dem Kollektor des Transistors Tr3 und der Basis des Transistors Tr4. Schließlich
besteht über eine Diode D 1 eine Verbindung zwischen dem Kollektor des Transistors
Tr3 der Kippschaltung und der Basis des als Ladeschalter dienenden Transistors Tr
1. Die Diode D 1 verhindert eine ungewollte Rufladung des Kondensators
C3 des Zeitkreises über den Widerstand R 2. Nach dem gewollten Aufladen des Kondensators
C 3 wird dieser über den Widerstand R 10 entladen. Eine Diode D
2 im Ladekreis kompensiert die Schwellenspannung der Diode D 1.
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Jeder über den Eingang E einlaufende, im gezeichneten Beispiel negative
Impuls bewirkt einen Strom über die Widerstände R 1 und R 2, wodurch die Spannung
an der Basis des Transistors Trl gegen negative Werte verschoben wird. Der zuvor
gesperrte Transistor Tr 1 wird dabei für die Dauer der Eingangsimpulse
leitend, und der Kondensator C 1 wird über die Diode D 2 und den Widerstand R 3
geladen. Solange der Ladestrom des Kondensators C 1 konstant ist, ist seine Ladung
proportional der Summe der Dauer der angelegten Impulse. In einfacher Weise kann
ein hinreichend konstanter Ladestrom erreicht werden durch einen großen Wert des
Ladewiderstandes R 3 und durch ein großes Verhältnis der an den Ladekreis angelegten
Spannung zur Zündspannung des Unijunetion-Transistors. Erreicht die Spannung am
Kondensator C1 nach einer durch die Bemessung der Schaltung, insbesondere des Ladekreises,
und durch die Anzahl und Dauer der Eingangsimpulse gegebenen Zeit einen bestimmten
Wert, so wird die Emitter-Basis-1-Strecke des Unijunetion-Transistors Tr2 leitend,
und der Kondensator Cl entlädt sich über den Widerstand R 5. Der dabei am Widerstand
R 5 auftretende Spannungsabfall wird durch den Kondensator C2 differenziert, und
es gelangt ein kurzer Impuls an die Basis des Transistors Tr4 der Kippschaltung.
Dadurch wird zunächst der Transistor Tr4 und danach durch die an die Basis des Transistors
Tr3 gelangende negativere Spannung des Abgriffes am Spannungsteiler aus den Widerständen
R 8
und R 9 auch der Transistor Tr3 leitend gesteuert. Der über die Widerstände
R 6 und R 7 fließende Strom hält mit dem am Widerstand R 7 auftretenden Spannungsabfall
den Transistor Tr4 zunächst leitend, bis mit zunehmender Ladung des Kondensators
C3 der Strom über die Widerstände R 6 und R 7 und die Spannung am Widerstand R 7
so weit abnimmt, daß der Transistor Tr4 und anschließend daran auch der Transistor
Tr3 sperrt. Die Schaltungsanordnung hat damit wieder ihren Ausgangszustand erreicht.
Die Kippschaltung arbeitet in diesem Fall in bekannter Weise monostabil. Während
des leitenden Zustandes kann an der mit dem Kollektor eines der Transistoren der
Kippschaltung verbundenen Klemme A ein Ausgangssignal abgenommen werden.
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Über die Verbindung vom Kollektor des Transistors Tr3 der Kippschaltung
über die Diode D 1 zur Basis des als Ladeschalter dienenden Transistors Trl
wird während des leitenden Zustandes des Transistors Tr3 der Transistor Trl durch
Verschieben seines Basispotentials gesperrt. Damit wird das erneute Laden des Kondensators
C 1 infolge eines noch nicht beendeten, jedoch schon ausgewerteten Eingangsimpulses
verhindert.
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Die Schaltungsanordnung nach F i g. 1 setzt für ein sicheres Zählen
oder Frequenzteilen voraus, daß die Dauer der von der monostabilen Kippschaltung
abgegebenen Ausgangssignale der Dauer der Eingangssignale angepaßt ist. Die Kippschaltung
wird dabei zweckmäßig so bemessen; daß die Dauer des von ihr abgegebenen Signals
mindestens so groß ist wie die Dauer des kürzesten Eingangsimpulses, jedoch kürzer
als die Periodendauer der Eingangsimpulse.
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Die Schaltungsanordnung nach F i g. 2 arbeitet weitgehend unabhängig
von der Dauer der Eingangsimpulse. Sie enthält zusätzlich zu den Teilen der Schaltung
nach F i g. 1 einen zweiten Eingangsspannungsteiler mit den Widerständen R 11 und
R 12, einen Transistor Tr5, der ebenso wie der Ladeschalter-Transistor Tr
1 von den Eingangsimpulsen gesteuert wird, und eine UND-Schaltung
U mit zwei Eingängen. Der erste dieser Eingänge ist verbunden mit dem Kollektor
des Transistors Tr5, der zweite
mit dem Kollektor des Transistors
Tr3 der Kippschaltung und damit zugleich mit einem der Beläge des Kondensators C
3 des Zeitgliedes der Kippschaltung. Der Ausgang der UND-Schaltung ist verbunden
mit dem zweiten Belag desselben Kondensators C 3.
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Es ergibt sich dann für den Schluß des Zählvorganges folgende Wirkungsweise:
Wenn die Kippschaltung umgeschaltet hat, der Transistor Tr3 leitend geworden ist
und zugleich der Eingangsimpuls noch andauert, schließt die UND-Schaltung U den
Kondensator C 3 kurz, und die Kippschaltung ist bistabil bis zum Ende des Eingangsimpulses.
Dann wird der Kurzschluß des Kondensators C 3 aufgehoben, und die Kippschaltung
kehrt nach Ablauf der durch den ZeitkreisR6, C3 bestimmten Zeit in ihren ersten
Schaltzustand zurück, arbeitet also nun monostabil. Dabei kann die Schaltdauer der
monostabil arbeitenden Kippschaltung beliebig klein und unabhängig von der Dauer
der Eingangsimpulse sein. Die von der Kippschaltung abgegebenen Ausgangsimpulse
sind im allgemeinen länger als die durch den Zeitkreis gegebenen Zeiten, können
jedoch bei genügend kleiner Zeitkonstante des Zeitkreises niemals größer werden
als die Dauer einer Eingangsimpulsperiode.
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Neben dem genannten einfachen Aufbau haben die erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen
den Vorteil, daß ihr Zählgrad oder ihr Teilerverhältnis leicht und in weiten Grenzen
einstellbar ist.