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Impulsgenerator zur Erzeugung von gegenüber Eingangsimpulsen verzögerten
Ausgangsimpulsen, insbesondere filr einen Sampling-Oszillographen.
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Die Erfindung betrifft im allgemeinen einen elektrischen Impulsgenerator
und insbesondere einen schnellen Säge zahngenerator mit Vergleicherkreis, welcher
einen Ausgangsimpuls erzeugt, der um eine vorherbestimmte Zeit gegenüber einem Eingangstriggerimpuls
verzögert ist.
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Der schnelle Sägezahngenerator mit Vergleicher nach der Erfindung
ist besonders zweckmässig als Verzögerungsschaltung ftir einen Kathodenstrahloszillographen
nach dem Sampling-Prinzip (sampling type cathode ray oscilloscope). Eine solche
Verzögerungaschaltung erzeugt nach einstellbarer Verzögerungszeit einen Ausgangsimpuls
nachdem ein Eingangsimpuls an die Schaltung angelegt wurde, welches selbst vom Eingang
eines sich wiederholenden Vertikalsignales am Eingang des Oszillographen getriggert
wurde. Der Ausgangsimpuls der Verzögerungseinheit wird einem Abirageimpulsgenerator
zugeführt und bewirkt, dass dieser kurzzeitig ein Tor (sampling gate) leitend gemacht
wird, um einen Teil des vertikalen Eingangssignales durch die Torschaltung hindurch
zu lassen. Der Sägezahngenerator mit Vergleicher nach der Erfindung verändert die
Zeitverzögerung des Ausgangsimpulses durch Vergleichen einer Sägezahnspannung mit
einer
treppenstufenförmigen Spannung, welche für jeden Ausgangsimpuls
ihren Wert um eine Treppenstufe ändert, so dass verschiedene Abschnitte der Wellenform
des vertikalen Eingangssignales von aufeinander folgenden Ausgangssignalen als Teilbilder
dargestellt werden können. Dieses Verzögern (slewing) des Ausgangsimpulses bezüglich
des Eingangstriggerimpulses gestattet es, dass man die Wellenform hochfrequenter
Eingangs-Vertikalsignale durch die Teilbilder, die durch das Sampling-Tor gelangten
speichert und als Ausgangs signal auf den Bildschirm eines Eathodenstrahlossillographen
gibt, der nunmehr das Signal mit erheblich niedrigerer Frequenz darstellen kann.
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Der Sägezahngenerator mit Vergleicher nach der Erfindung hat eine
Reihe von Vorteilen gegenüber bekannten Schaltungen dieser Gattung. Dazu gehört
vor allem ein Schaltkreis, welcher verhindert, dass die Torschaltung, welche den
Stromfluss zum Sägezahngenerator steuert ins Sättigungsgebiet verbracht wird.
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Dadurch wird die Schaltzeit der Torschaltung erheblich kürzer und
es kann, bezogen auf dcn Eingangstriggerimpuls die Sägezahnepannung früher erzeugt
werden. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass die Torschaltung durch Impulse
niedrigerer Amplitude in den nicht leitenden Zustand versetzt werden kann.
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Bei der Schaltung nach der Erfindung wird ein einfacherer Vergleicherkreis
in Form einer Diode angewendet, der bestimmt, wann die Sägezahnspannung eine vorherbestimmte
Bezugsspannung übersteigt und der die Erzeugung eines Ausgangsimpulses in diesem
Augenblick bewirkt.
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Die Wirkungsweise der Schaltung nach der Erfindung ist ausserdem gegenüber
dem Bekannten erheblich genauer durch Verwendung einer Stromquelle von im wesentlichen
konstanten Strom sowohl zur Erzeugung der Sägezahnepannung als auch zur Lieferung
des Vorspannungestromes für eine Ausgangstunneldiode, die als
bistabiler
Oszillator mit der Vergleicherdiode zusammengeschaltet ist, so dass die Tunneldiode
zur Erzeugung des Ausgangsimpulses getriggert wird, wenn die Vergleicherdiode leitend
gemacht wird. Auf diese Weise wird das Rauschen im Vorspannungestrom der Ausgangstunneldiode
stark vermindert und es wird ein unbeabsichtigtes Triggern der Tunneldiode vermieden.
Nach einem weiteren wichtigen Gedanken ist nach der Erfindung vorgesehen, dass die
Ausgangstunneldiode erst nach dem Beginn der Erzeugung der Sägezahnspannung in einen
Zustand verbracht wird, in welchem sie getriggert werden kann, um auf diese Weise
zu verhindern, dass irgendwelche von Eine und Ausschaltvorgängen im Zusammenhang
mit dem Beginn der Sägezahnspannung die Tunneldiode vorzeitig triggern können. Ein
weiterer Vorteil der Schaltung nach der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen,
dass die Ausgangstunneldiode als bistabiler Oszillator geschaltet ist, die stets
unabhängig von der Neigung der Anstiegsflanke der Sägezahnspannung bei der gleichen
Spannung getriggert wird.
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Gegenüber dem Bekannten werden nach der Erfindung die beschriebenen
Vorteile erreicht durch einen mit einer Stromquelle und einer Torschaltung derart
verbundenen, eine rampenartig ansteigende oder abfallende Spannung erzeugenden Generator,
dass die rampenartige Spannung nur bei geöffneter Torschaltung erzeugt wird, einen
ersten, mit dem Tor verbundenen Oszillator mit mindestens einem stabilen Zustand
zum Öffnen des Tores bei Anliegen eines Eingangaimpulses, einen mit dem Generator
verbundenen Vergleichskreis zum Vergleich des Generatorausgangs mit einer Bezugsspannung,
der bei die Bezugsspannung überschreitendem Generatorausgang in einen anderen Leitzustand
umschaltet und damit einen zweiten Oszillator mit mindestens einem stabilen Zustand
zur Abgabe eines Impulsee triggert, und einen Spannunga-Anklemmkreis (voltage
clamp
means) zur Verhinderung einer Sättigung der Torschaltung im Leitzustand.
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Die Bezugsepannung ist dabei zweckmässigerweise eine treppenstufenartige
Spannung. Bei einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass
der Spannungs-Anklemmkreis einen Teil einer negativen Spannungsrückkopplungsschleife
für die Torschaltung bildet. Dabei ist zweckmässig in der negativen Rückkopplungsschleife
ein Verstärker vorgesehen.
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In Weiterentwicklung dieses Gedankens kann zweckmässig vorgesehen
sein, dass der Verstärker von einem ersten in Basisschaltung geschalteten Transistor
gebildet wird, dass die Torschaltung von einem zweiten, in Emitterschaltung geschalteten
Transistor gebildet ist, dessen Basis mit dem Kollektor des ersten Transistors verbunden
ist, und dass zur Spannungsanklammerung eine Diode zwischen dem Kollektor des zweiten
Transistors und dem Emitter des ersten Transistors liegt, wobei der zweite Transistor
im Ruhezustand in den Leitzustand vorgespannt ist, um Strom von der Stromquelle
zu leiten.
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Nach einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen,
dass der erste und der zweite Oszillator als bistabile Oszillatoren (Multivibratoren)
geschaltet sind und ein dritter monostabiler Oszillator mit dem ersten Oszillator
verbunden ist, um diesen umzuschalten und die Torschaltung zur Beendigung der Sägezahnspannung
in den Ruhezustand zu versetzen, wobei der zweite Oszillator eine vorherbestimmte
Zeit nachdem der dritte Oszillator durch einen Eingangstriggerimpuls getriggert
wurde, umgeschaltet wird. Zweckmässig weist dabei der dritte Oszillator mehrere
verschiedene Haltekondensatoren auf, von denen jeweils einer eingeschaltet ist und
der Schalter, mit welchem dieser Kondensator eingeschaltet wird ist
gekoppelt
mit einem zweiten Schalter, der einen von mehreren verschiedenen Kondensatoren in
den Sägezahngenerator im Sinne einer Veränderung der Steigung der Anstiegsflanke
des Sägezahnimpulses einschaltet.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der
nun folgenden Beachreibung eines Ausführungsbeispiels unter Hinweis auf die Zeichnung,
deren einzige Figur im Schalt schema den Sägezahngenerator mit Vergleichs schaltung
nach der Erfindung darstellt. Die Schaltung nach der Erilndung weist zunächst eine
geregelte Stromquelle mit im wesent- -lichen gleichbleibendem Strom auf, die einen
NPN-Transistor 10 aufweist, dessen Emitter über einen Widerstand 12 von 1o Kilo-Ohm
und einen veränderlichen Widerstand 14 von 2 Kiloohm mit einer negativen Gleichspannungsquelle
von -ioo Volt verbunden ist. Die Basis des Transistors to ist über einen Widerstand
16 von 10 Ohm mit einer negativen Gleichspannungsversorgung von -19 Volt verbunden,
so dass ein Strom von etwa 7,5 Milliampere in der Emitter-Kollektorstrecke des Transistors
fliesst. Zwischen Emitter und Basis des Transistors lo liegen in'Reihe ein Hochfrequenz-Nebenschlusskondensator
15 und ein zur Unterdrückung von Schwingungen dienender Widerstand 17, um den Transistor
gegen ungewollte Schwingungen zu sichern. Der Kollektor des Transistors 10 ist über
einen Widerstand 20 von loo Ohm mit dem Kollektor eines PNP-Transistora 18 (gating
transistor) und über einen mit dem Widerstand 20 in Reihe liegenden, veränderlichen
Widerstand 24 von 200 Ohm mit einem Schaltkreis 22 zur Erzeugung einer eägczahnförmigen
Spannung. Der Emitter des als Tor dienenden Transistors 18 ist geerdet und der Transistor
ist im Ruhezustand in den nicht leitenden Zustand vorgespannt, so dass im wesentlichen
der gesamte von der Stromquelle (ransistor lo) mit konstantem Strom erzeugte Strom
durch
diesen als Tor wirkenden Transistor zur Erde abfliesst und
nicht durch den Sägezahngenerator 22.
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Die Basis des Xortransitors 18 liegt an der Kathode einer Eingangstunneldiode
26, deren Anode geerdet ist. Die Tunneldiode 26 ist als bistabiler Oszillator geschaltet,
wobei sie normalerweise in ihrem höheren Spannungszustand durch Strom vorgespannt
ist, der durch einen Transistor 28 fließt.
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Der Kollektor dieses Transistors 28 ist über einen Widerstand 32 von
470 Ohm mit der Kathode der Tunneldiode verbunden und der Emitter des Transistors
28 ist über einen Widerstand 30 von 5,6 Kiloohm an eine negative Vorspannungequelle
von -19 Volt gelegt. Wenn die Tunneldiode 26 in einen Zustand niedrigerer Spannung
getriggert wird, dann wird an ihrer Kathode eine positive Stufenspannung erzeugt
und an die Basis des Tortrensiators 18 gelegt, wodurch dann dieser Tor-Transistor
nicht leitend wird. Dadurch beginnt dann der zuvor durch den Tor-Transistor 18 geflossene
Strom durch den Sägezahngenerator 22 zu fliessen, der beispielsweise aus einer Vielzahl
von Paaren in Serie geschalteter Widerstände 34 und Kondensatoren 36 verschiedener
Werte besteht, die wahlweise mittels eines Schalters 38 sn die Stromquelle anschaltbar
sind.
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Der Emitter des Trantors 28 ist über eine Kopplungsdiode 40 mit dem
Kollektor des Tor-Transistors 18 verbunden und die Basis des Transistors 28 ist
mit einem Spannungsteiler verbunden, der von zwei in Reihe liegenden widerständen
42 und 44 von 16 Kiloohm gebildet ist, die ihrerseits zwischen einer negativen Gleichspannungsversorgung
von -19 Volt und Erde liegen. Da der Spannungsabfall über dem Widerstand 44 etwa
-2 Volt ist, wird der Emitter des Transistors 28 wegen seiner Leitung auf etwa -2,5
Volt gehalten. Das heisst also, dass die Eopplungsdiode 40 solange nicht leitet,
wie die Spannung am Kollektor
des Tor-Transistors 18 kleiner als
etwa -2 Volt ist. Die Eopplungadiode wird leitend, wenn die Kollektorspannung des
Transistors grösser wird als 2 Volt und verhindert, dass diese Kollektorspannung
stärker positiv wird. Der Transistor 28 bewirkt auch eine negative Spannungsrückkopplung
für den Tor-Transistor 18, wenn die Kopplungsdiode 40 leitet, um den Stromfluss
in diesem Tor-Transistor 18 zu verringern.
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Durch diese Haltewirkung des Transistors 28 und der Eopplungsdiode
4o wird verhindert, dass der Transistor 18 gesättigt wird, wenn dieser Transistor
leitet. Auf diese Weise wird die Schaltzeit des Transistors verringert, die andernfalls
wegen der Minoritätsträgerspeicherung erheblich vergrössert würde, wenn man den
Transistor sich sättigen ließe.
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Die Eingangstunneldiode 26 wird getriggert, wenn ein Eingangssignal,
welches beispielsweise das vertikale Ablenksignal eines Kathodenstrahl-Oszillographen
sein kann, an einen Eingangsanschluss 46 eines Triggergenerators 48 gelegt wird.
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Das Ausgangssignal des Triggergenerators wird über einen Kondensator
50 von loo Mikromikrofarad und einen Widerstand 52 von 51 Ohm geleitet und differenziert,
um eine positive Spannungsspitze an die Anode einer Tunneldiode (trigger shaper
tunnel diode) 54 zu legen, um diese Tunneldiode zu triggern. Die Kathode der Tunneldiode
54 ist geerdet und sie ist als bistabiler Oszillator geschaltet, der im Ruhezustand
in den niedrigeren Spannungszustand durch einen Strom vorgespannt ist, der durch
eine Belastungsinduktivität 56 von 0,5 Mikrohenry fliesst, welche mit der Anode
der Diode 54 verbunden ist. Die Anode der Tunneldiode 54 liegt ebenfalls über einem
Kondensator 58 von 100 Mikromikrofarad an der Kathode der Eingangstunneldiode 26,
so dass also dann, wenn die Tunneldiode 54 in den hohen Spannungszustand getriggert
wird, die an deren Anode entstehende positive Stufenspannung
die
Eingangstunneldiode 26 in deren niedrigeren Spannungszustand triggert. Wenn die
Tunneldiode 26 getriggert wird, dann wird der Tor-Transistor 18 in den nicht leitenden
Zustand verbracht und ein negativer Sägezahnspannungsimpuls 6o wird im Sägezahngenerator
22 erzeugt. Die Anstiegsflanke der Sägezahnspannung 60 wird linear mit der Zeit
kleiner und zwar nach einem anfänglichen schnellen stufenartigen Anstieg, der dadurch
erzeugt wurde, dass die Kopplungsdiode 40 in den nicht leitenden Zustand verbracht
wurde. Der lineare Verlauf des schrägen Teils des Sägezahnimpulses wird dadurch
erreicht, dass der durch den Generator 22 fliessende Strom konstant ist (Transistor
1o). Eine Vergleicher-Diode 62 ist mit ihrer Anode mit dem Ausgang eines Generators
64 verbunden, der eine treppenstufenartige Spannung liefert. Die Kathode der Diode
62 liegt über einen Widerstand 66 von 75 Ohm am Sägezahngenerator 22 und an der
Anode einer Ausgangstunnel-Diode 65. Die Ausgangstuxnel-Diode ist als bistabiler
Oszillator geschaltet und im Ruhezustand in einen niedrigeren Spannungszustand durch
einen Vorspannungsstrom vorgespannt, der vom Transistor 10 geliefert wird und an
die Kathode dieser Tunneldiode gelegt ist.
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Die Vergleicher-Diode 62 ist normalerweise in den nicht leitenden
Zustand durch eine negative Stufenspannung vorgespannt, die vom Treppenspannungs-Generator
6 4 an die Anode derselben gelegt ist. Wenn die negative Sägezahnapannung 60 an
der Kathode der Vergleicher-Diode auf einen Wert absinkt, der kleiner ist als der
der Treppenspannung, dann wird die Vergleicher-Diode plötzlich in den leitenden
Zustand verbracht.
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Dadurch wird der durch die Ausgangstunnel-Diode 68 fliessende Strom
vergrössert und diese Tunnel-Diode geht in ihren Zustand mit höherer Spannung über.
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Die Ausgangstunnel-Diode 68 ist in ihren niedrigen Spannungszustand
im Ruhezustand mit einem Vorspannungsstrom Null vorgespannt,
da
der Tor-Transistor normalerweise leitet. Wenn der Tor-Transistor 18 und die Kopplungs-Diode
40 nicht leitend werden, um die Sägezahnspannung einzuleiten, dann wird der Strom
in der Ausgangstunnel-Diode 68 auf einen etwas kleineren Wert vergrössert als der
Spitzenstrom der Tunnel-Diode, um so die Tunnel-Diode in einen solchen Zustand zu
versetzen (arming), dass sie getriggert werden kann sobald die Vergleicher-Diode
leitend gemacht wird.
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Dieses Vorbereiten oder arming" der Auagangstunnel-Diode 68 verhindert
ein ungewolltes Triggern der Tunnel-Diode durch irgendwelche von Eine und Ausschaltvorgängen
oder dgl. erzeugte Spanungsspitzen, die beim Beginn der Sägezahnspannung erzeugt
werden. Die Verwendung einer Stromquelle mit konstantem Strom zur Lieferung des
Vorspannungsstromes für die Ausgangstunnel-Diode gestattet es, dass der Wert dieses"arming"-Stromee
der Tunnel-Diode viel näher an ihrem Spitzenstrom liegt, ohne dass die Tunnel-Diode
getriggert wird, da in diesem Vorspannungsatrom das Rauschen stark vermindert ist.
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Die Anode der Ausgangstunnel-Diode 68 ist mit einem Anschluss einer
Primärwicklung 70 eines Transformators 72 verbunden und das andere Ende dieser Primärwicklung
ist über ein RC-Glied enthaltend einen Widerstand 72 von 390 Ohm und parallel dazu
einen Kondensator 74 mit 47 Mikromikrofarad mit der Kathode der Ausgangstunnel-Diode
verbunden. Die Zeitkonstante des RC-Gliedes mit den Bauteilen 73 und 74 wird gleichgemacht
der L/R-Zeitkonstante von Induktivität und Widerstand der Primärwicklung 70, so
dass die Belastungsimpedanz der Ausgangstunnel-Diode sich nicht mit der Frequenz
ändert. Auf diese Weise wird die Ausgangstunnel-Diode unempfindlich gegenüber Veränderungen
in der Steigung der Sägezahnspannung 60 und die Diode kann im wesentlichen immer
bei einer gegebenen Treppenstufen
-Bezugsspannung bei demselben
Spannungswert der Sägezahnspannung unmittelbar nach dem Leitendwerden der Vergleicher-Diode
62 getriggert werden.
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Die Sekundärwicklung 76 des Ausgangs transformators 72 ist mit einer
Belastung verbunden, die beispielsweise ein Lawinentransistor oder ein anderer Verbraucher
sein kann, der im vorliegenden Fall durch zwei in Reihe geschaltete Widerstände
78 und 80 dargestellt ist. Der gemeinsame Punkt von Belastungswiderstand 80 und
dem oberen Ende der Sekundärwicklung 76 ist geerdet und der gemeinsame Punkt des
Belastungswiderstandes 78 und des unteren Endes dieser Sekundärwicklung ist mit
einem Ausgangsansohluss 82 für das Signal verbunden.
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Auf diese Weise wird der positive Ausgangsimpuls der Ausgangstunnel-Diode
umgekehrt und als negativer Spannungsimpuls dem Ausgangsanschluss 82 zugeführt,
wenn die Polarität der Transformatorwicklungen so ist, wie dies in der Figur mit
den beiden Punkten angedeutet ist. Der gemeinsame Punkt der Belastungswiderstände
78 und 80 ist mit dem Eingang des die treppenstufenartige Spannung erzeugenden Generators
64 verbunden, so dass der über dem Widerstand 80 abfallende Teil des Ausgangsimpulses
diesem Generator zugeführt wird, um dessen Ausgangsspannung bei jedem derartigen
empfangenen Impuls um eine Stufe zu verringern. Daraus ergibt sich, daß das Ausgangssignal
des Generators 64 nach jedem zugeftihrten Auagangsimpuls die Vergleicher-Diode 72
mit einer etwas grösseren Gegenvorspannungs-Spannung versorgt. Weiter ergibt sich,
dass die Ausgangstunnel-Diode 68 aufeinanderfolgend an immer negativeren Punkten
der Anstiegsflanke der Sägezahnspannung 60 für jeden Ausgangsimpuls getriggert wird,
so dass die Ausgangsimpulse bezüglich der entsprechenden, an den Eingangsanschluss
46 gelegten Eingangs signale um sukzessive länger werdende Zeitabstände verzögert
werden.
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Der Ausgang eines monostabilen Haltemultivibrators 84 ist mit den
Tunnel-Dioden 54 und 26 verbunden, um diese Tunnel-Dioden wieder in ihren Ruhezustand
zurückzuschalten. Der Haltemultivibrator 84 wird durch einen Ausgangsimpuls vom
Triggergenerator 48 beim Anlegen eines Eingangssignales an den Triggergenerator
zur selben Zeit getriggert, zu der die Tunnel-Dioden 54 und 26 durch einen anderen
Impuls vom Triggergenerator getriggert werden. Im getriggerten Zustand erzeugt der
Haltemultivibrator 84 einen positiven Spannung impuls, welcher die Tunnel-Dioden
26 und 54 in ihren getriggerten stabilen Zuständen hält und verhindert so, dass
diese Tunnel-Dioden noch einmal getriggert werden können bevor die Auagangstunnel-Dlode
68 von der Sägezahnspannung zur Erzeugung eines Ausgangsimpulses getriggert wurde.
Wenn der positive Ausgangsimpuls des Haltemultivibrators 84 zu Ende geht, dann schaltet
dessen negativ werdende Abfallflanke die Tunnel-Dioden 26 und 54 in ihren Ruhezustand,
so dass eie wieder vom nächsten vom Triggergenerator 48 kommenden Impuls getriggert
werden können.
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Wenn die Tunnel-Diode 26 umgeschaltet wird, dann legt sie eine negativ
werdende Stufenspannung an die Basis des Tor-Transistors 18, wodurch dieser Transistor
leitend wird. Dadurch entlädt sich der (jeweils) geladene Kondensator 36 des Sägezahngenerators
22 schnell durch den Tor-Transistor hindurch auf seine Ruhe spannung und zwar schneller
als der Ladevorgang vor sich ging, bei welchem der rampenartige Teil des Sägezahns
erzeugt wurde; durch diesen letzteren Vorgang wird die positiv werdende Abfallflanke
des bei 6c dargestellten Impulses erzeugt. Die Abfallflanke des Impulses 60 macht
die Vergleicher-Diode 62 wieder nicht leitend und schaltet die Ausgangstunnel-Diode
68 in ihren dem Ruhezustand entspreohenden stabilen Zustand mit niedriger
Spannung
um. Damit ist ein Arbeitstakt der Schaltung nach der Erfindung abgeschlossen.
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Die Breite des vom Haltemultivibrators 84 erzeugten Haltesignales
wird durch einen Schalter 86 gewählt, der in jeder von verschiedenen Stellungen
mit einem von mehreren Haltekondensatoren 88 verschiedener Werte verbunden ist,
die ihrerseits in Beziehung zu den Werten der verschiedenen Kondensatoren 36 im
Sägezahngenerator stehen. Der bewegliche Kontakt des Schalters 86 ist mit dem beweglichen
Kontakt des Schalters 38 des Sägezahngenerators gekoppelt, um die Breite des Haltesignales
vergrössern zu können, wenn die Steigung des rämpenartigen Abachnittes des Signales
60 schwächer wird. Die Breite des Haltesignales ist etwas grösser als die maximale
Zeit zwischen dem Beginn der Sägezahnspannung und dem Triggern der Ausgangstunnel-Diode
68 welches dann eintritt, wenn die grösste negative Spannungs stufe der treppenstufenartigen
Spannung an die Vergleicher-Diode gelegt wird.
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Alle dargestellten Einzelheiten sind für die Erfindung von Bedeutung.