DE1913641A1

DE1913641A1 - Schaltmodulator

Info

Publication number: DE1913641A1
Application number: DE19691913641
Authority: DE
Inventors: Vachon Patrick Alban; Colton John Robert; Sheehan John Robert
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1968-03-20
Filing date: 1969-03-18
Publication date: 1969-10-30
Also published as: FR2004301A1; NL6904003A; GB1236713A; AU5197869A; US3497830A; SE346187B; BE730011A; FR2004301B1; DE1913641B2; DE1913641C3

Description

Western Electric Company, Incorporated Colton, J.B. 1-3-1 New York, N.Y., V.St.A.

Schaltmodulator

Die Erfindung betrifft Schaltmodulatoren unter Verwendung von Operationsverstärkern.

Operationsverstärker sind Gleichstromverstärker sehr hoher Leerlaufverstärkung, die mit einer Bückkopplungsimpedanz versehen sind. Je nach der Art des Rückkopplungselementes lassen sich die mathematischen Operationen, Addition, Subtraktion, Multiplikation, Integration und Differentiation durchführen. Wenn im speziellen Fall das Bückkopplungeelement zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangspunkt ein Widerstand mit dem Wert B„ ist und eine Eingangsspannung E, über einen weiteren Widerstand mit dem Wert B. anliegt, so ersoheint am Ausgangspunkt eine Spannung E , die gleich dem negativen Wert der Eingangsspannung E. multipliziert mit dem Verhältnis von B» ^{au B}i ^i-*i ^dae beisst

«J

Operationsverstärker sind lsi allgemeinen vom invertierenden Typ, damit die Bückkopplung die richtige Phasenlage hat, die bewirkt, dass der Eingang dauernd auf scheinbarem Erdpotential liegt. Da jedoch die für einen erfolgreichen

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Betrieb erforderlichen hohen Werte der Leerlaufverstärkung eine Verwendung von vielstufigen Verstärkern bedingen, ist es verhältnismässig einfach, einen weiteren, nicht invertierenden Eingang an einer mittleren Verstärkerstufe vorzusehen. Es kann also erreicht werden, dass gewisse Eingänge additiv und andere subtraktiv sind. Im folgenden soll gezeigt werden, das* die Verwendung eines Operationsverstärkers mit additiven und subtraktiven Eingängen für die Verwirklichung der Erfindung vorteilhaft ist.

Symmetrische Modulatoren bekannter Art stellen im Prinzip Schaltgeräte dar, die an einen Eingang angelegte Signale entsprechend den negativen Halbwellen eines an einen anderen Eingang angelegten Trägers oder einer Schaltwelle invertieren. Das Ausgangssignal ist dann im wesentlichen das Produkt der Signalwell· und der Schaltwelle. Eine als Schaltwelle benutzte Trägerwelle wirkt im wesentlichen nach Art einer Hechteckwelle hoher Frequenz« Bekannt· Anordnungen zur Verwirklichung von Modulatoren sind Dioden-Brückenschaltungen und Gegentaktschaltungen, deren stromleitende Wege mit der Trägerfrequenz geschaltet werden. Solch· bekannten Modulatoren enthalten üblicherweise streng symmetrische Eingangs- und Ausgangsübertrager, die in vielen Fällen besondere Symmetriereineteilungen erforderlich machen.

Erfindungsgemäss ist vorgesehen, dass bei ein·· Operationsverstärker mit hoher Verstärkung, der einen invertierenden

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und einen nichtinvertierenden ^ingangspunkt sowie eine negative Rückkopplungsverbindung zwischen einem Ausgangspunkt und dem invertierenden Eingangspunkt aufweist, ein Modulationssignal an einen oder beide Eingangspunkte angelegt ist und dass eine Schalteinrichtung über der U,ü ckkopp lungeverbindung liegt und durch eine Schaltquelle gesteuert wird. Die wirksame Verstärkung des Operationsverstärkers bei geschlossener Schleife wird entsprechend der jeweiligen Polarität des Ausgangssignalβ der Schaltquelle durch richtige Wahl der Eingangs- und Uückkopplungeimpedanz zwischen gleichen positiven und negativen Werten umgeschaltet. Das Auagangsaignal der Signalquelle wird daduroh zur Erzielung einer symmetrischen Modulatorwirkung mit dem Ausgangssignal der Schaltquelle multipliziert.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung liegt das Signal über Widerstandenetzwerke parallel sowohl am invertierenden als auch am nichtinvertierenden Eingangspunkt· Bei offener Schalteinrichtung wird eine positive Verstärkung bei geschlossener Schleife mit Bezug auf den nichtinvertierenden Eingang ausgeglichen gegen eine negative Verstärkung bei geschlossener Schleife mit Bezug auf den invertierenden Eingang· Andererseits ist bei geschlossener Schalteinrichtung nur die positive Verstärkung wirksam. Durch Wahl von Widerstandswerten entsprechend der Erfindung können die positive bzw* negative Verstärkung bei geschlossener Schleife im wesentlichen absolut gleich gemacht werden.

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Bei eine» weiteren Auaführungabeispiel der Erfindung wird das Signal _{nur an} £_en invertierenden Eingang angelegt« Der niehtinrertierende Eingang wird auf einem festen Potential mit Bezug auf Erdpotential gehalten. Gleichzeitig wird eine nicht geachaltete Hilfs-Vorwärtaverbindung (feedforward connection) zwischen dem Eingang und dem Ausgang der Gesamtschaltung hergestellt, und die Verstärkung bei geschlossener Schleife (closed-loop gain) wird zwischen einem negativen Wert und Null unter Steuerung der Schalteinrichtung umgeschaltet. Durch Wahl von Widerstandswerten werden erfindungsgemäss die umschaltbaren Verstärkungen bei geschlossener Schleife so mit Bezug auf das Vorwärta-Spannungaverhältnie symmetriert, dass sich in wesentlichen gleiche positive und negative Gesamtverstärkungswerte ergeben. Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel wird der Einfluss von Gegenspannungen wegen der vorhandenen Schalteinrichtung gegenüber dem bei dem ersten Ausführungsbeispiel herabgesetzt.

Weiterhin lassen sich erfindungsgemäss beide Schaltmodulatoren entsprechend den Ausführungsbeispielen wie oben so abändern, dass sie als Vollweggleichrichter und Gatterschaltungen arbeiten. Es können auch mehrere Schaltasodulatoren nach einem der Ausführungsbeispiele mit einem weiteren Summier-Operationsverstärker so kombiniert werden, dass eie als Digital-Analogwandler und vielstufige Digital-Dateneodierer arbeiten.

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Ein bedeutsamer Vorteil besteht darin, dass alle wählbaren Elemente für die erfindungsgemässen Ausführungsbeispiele Widerstände sind. Es werden keine Spulen, Kondensatoren oder Übertrager benötigt· Daher lassen sich die Schaltmodulatoren naoh der Erfindung an die Verwendung von Verfahren auf der Grundlage von integrierten Schaltungen anpassen·

In den Zeichnungen seigen:

- Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemässen Sohaltmodulators unter Verwendung eines Opera· tionsverstärkers, bei dem die Signalquelle parallel an einen invertierenden und einen nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers angeschaltet ist;

Fig« 2 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemässen

Sohaltmodulators unter Verwendung eines Operationsverstärkers, bei dem die Signalquelle nur an den invertierenden Eingang des Verstärkers angeschaltet ist;

Fig. 3 ein Bloekschaltbild eines Digital-Analogwandlers unter Verwendung einer Vielzahl von Sohaltmodu» latoren nach der Erfindung;

Fig. 4 ein Blockeohaltbild eines Vollweggleiehrichier*

aater ¥erweia&ttng eines Sefealtiaodulators nach der Erfia

go 5 eia Bleeksehaitbiid eines¹ Abtast-Gatiersehaltiiag iiafest.' ¥effWQßdwag siues Ssfea ltmodulatc^s na.ch dar «rfiindung. S 0 S * 04 / 1 5 7 1 -6-

Fig. 1 «teilt ein Blockschaltbild ein·· Operationsverstärker· dar, der erfindungagemäss so abgeändert worden ist, d_aae er die funktion eine· übertragerlosen symmetriechen Modulator· erfüllt. Der symmetrisch· Modulator selbst, der innerhalb des gestrichelt gezeichneten Kästohena 15 gezeigt ist, weiat einen hochveratärkenden Operationsverstärker 12 mit einem durch ein Minus-Zeichen bezeichneten invertierenden Eingang und einem durch ein Plus-Zeichen bezeichneten nichtinvertierenden Eingang auf, ferner einen Eingangswiderstand II. zwischen der Eingangs leitung B und dem invertierenden Singang des Verstärkers 12, einen Spannungsteiler mit Widerständen B- und B. zwischen der Eingangsleitung B und dem nichtinvertierenden Eingang, einen swiaehen den Auegang des Verstärker· 12 (Leitung C) und den invertierenden Eingang geschalteten Büekkopplungswiderstand B-, ein· parallel zum Bückkopplungswiderstand B₂ liegende und durch den Transistor 13 dargestellte Schalteinrichtung sowie einen Strombegrenzungswiderstand B_, der zwischen den Schaltsteuerpunkt A und der Basis des Transistors 13 liegt. An den Steuerpunkt A ist eine Schaltspannungequelle 10, an den Modulationseingang B eine Signalquelle und an den Auegang C eine Verbraucherachaltung 14 angelegt.

Für einen Betrieb als symmetrischer Modulator oder Demodulator kaian die Schaltquelle 10 mit Vorteil eine Trägerfrequens— quelle sein. Die Signalquelle 11 kann eine Grundband-V/geiissl=.

a tiros= oder Gleichstromquelle sein, wena dia Sehaltuag einem tltduia&ar darstellen soll₈ und eine i>urehloDDöaE(I=üueiio_p

Q 0 9 8 4 Li 15 71

wenn die Schaltung einen Demodulator darstellen soll . Die Verbraucherschaltung 14 kann entweder eine Übertragungseinrichtung für ein trägermoduliertee Signal oder ein Signalempfänger für ein demoduliertes Signal sein.

Der Schaltmodulator nach Fig, 1 läest sich anhand üblicher Verfahren analysieren. Die Verbindungepunkte oder Knoten zwischen den Widerständen R, und Ii₂ sowie zwischen den Widerständen R, und R, sind zum Zweck dieser Analyse mit den Buchstaben D bzw. F in der Zeichnung bezeichnet. Betrachtet man zunächst den Knoten D (den invertierenden Eingang des Verstärkers 12), so kann man schreiben:

E_n - E

-²^-²" (2)

wobei mit E Spannungen an den angegebenen Verbindungspunkten und mit R Widerstandswerte gemäss Fig. 1 bezeichnet sind.

Iiöat man die Gleichung (2) nach Ε_ auf, so erhält man: EJft„ + E„R,

^J» \+ ^ß2

Betrachtet man dann den Verbindungspunkt F (den nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 12), so erhält man:

E.

wobei V_n-- definiert ist als die äquivalente *angangs-UHr

9 0 9 8^/1571 _₈_

Veraetzungaapannung des Operationareratärkera 12, di· sich

⁸§wohl aua der tatsächlichen Einganga-Veraetzungaapannung ale auch dem Einganga-Veraetzungaatrom mit beliebiger Polarität ergibt. Ea handalt eich um einen Fehler-Term.

Jetzt aei die Spannung am Auagangapunkt C betrachtet:

^GF -

wobei G die Leerlaufreratärkung oder innere Verstärkung dee Operationsveratärkers 12 ist«, Diese kann in der Gröasenord~ nung Ton einigen Hundert oder einigen Tausend liegen.

Setzt man die Gleichungen (5) und (4) in die Gleichung»» (5) ein, so erhält man:

B₄ B₂ R₁

**/i ** \Ti _■ Ό ^^"Q Λ T? TP Ό _t- ID U "D t TO ^^f^ &

Durch Zusammenfaesen der E--Ausdrücke der Gleichung (6) er· gibt sich:

^Bl B₄ B₂

^ ^EB " B + E ^E

B₃ + E₄ ^EB " B₁ + E₂ ^EB

Bei einer praktisch auegeführten Schaltung ist G so groan, dasa aein Kehrwert klein im Vergleich zu E₁Z(E₁ + E₀) ist. Dann kann man die Gleichung (7) nach E- anflögen;

V»

-9-

c '^{^hr_k ^eb ^{+ v}off) ^ ⁺ \ ) -1

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Der «rat« Klammerausdruok auf dar rechten Seit· in Gleichung (θ) gibt dan Beitrag da· niohtinvertiarenden Verstärkungsweges über den Veratärker 12 und dar negative Ausdruck dan Beitrag de· invertierenden Verstärkungslage· an.

V_nra„ kann zunächst einmal vernachlässigt werden. En aei B„ - 2B. und B_ ■ B.. Dann ergibt sich:

Die Gleichung (9) gibt dia Ausgang·apannung da· Modulators nach Flg.l an, weiw dar Sohalttransistor 13 (hier als npn-Tranaistor dargestellt) durch die Schaltquell· 10 in Sperrriohtung vorgespannt ist·

Der Modulator naoh ^fig»l läset sich auf entsprechend· Weise für die Bedingung analysieren, dass dar Sohalttransistor gesättigt ist. Dar Büokkopplungswiderstand R„ ist dann praktisch unwirksam, und as erscheint nur «in Fehler-Spannungsabfall Vg.- zwischen den Kollektor und den Emitter des Transistors 13·

Betrachtet man wieder den Knoten D₁ so kann man schreiben:

^ED - ^EC

Der VerbinduBgsjraakt ®&«r Knoten W bleibt in dem durch die Gleichung (4) abgegebenen

Ae> ÄtiagaEäßGp«p.Iit C gilt wiedsr die S-leiehang (5)_s aber die Hloiefeßg (6) trieiaa

9 0 S 8 4 4 / 1 5 7 1

-10-

^EC ■ ^G (57h; ^EB - ^BC - ^V0FF - W ·

Löst man nach der Ausgange spannung E-, AUF, so ergibt sich:

G B₄

^EC " UG ^E₃ + B₄ ⁸B ^{+ V}OFF Vernachlässigt man die Fehlerkomponenten Vq«-, und

setzt, wie rorher, B- - B₄ und nimmt an, dass G sehr gross

gegen Eins ist, so reduziert sioh die Gleichung (12) zu:

■_c-^ . (13)

Die Gleichung (13) gibt die Ausgangsspannung des Modulators nach *"ig.l an, wenn der Schalttransistor 13 durch die Schaltquelle 10 in Durchlassrichtung vorgespannt ist. Es zeigt sich, dass unter den angenommenen, zweckmässig ausgewählten Bedingungen die Schaltung 15 in Fig.l als Umkehrschalter mit einer Frequenz arbeitet, die durch das Auegangssignal der Sehaltquelle 10 bestimmt ist. Sie hat daher die Eigenschaften eine· symmetrischen Modulators. Zur Aufrechterhaltung einer symmetrischen Modulatorwirkung ist eine weitere Bedingung zu erfüllen, nämlich:

2H₁E₄ - R₂E₃ . (14)

Figc 2 sei ort ein Blockschaltbild eines alternativen Ausführungs&eispiels eines iibertragerloeen Schaltmodulatora nach du? Erfindung. Die Schaltquelle 20, die ^igmalquelle 21 und

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die Verbraucherechaltung 24 entsprechen im Prinzip den Vorteilen 10, 11 und 14 in Fig.l. Die Schaltungen innerhalb des gestrichelt gezeichneten Kästchens 25 bilden den symmetrischen Modulator selbst. Er weist Elemente auf, die den in Fig.l gleich bezeichneten Elementen entsprechen. Der Operationsverstärker 22 besitzt einen invertierenden Eingang, der mit (-) bezeichnet ist, einen nichtinvertierenden Eingang, der mit (+) bezeichnet ist, und einen Ausgangspunkt auf. Der ^ingaugswiderstand E, und der Rückkopplungawiderstand Bp in *'ig.2 entsprechen genau den Widerständen R, und R_p in der Schaltung nach Fig.l. Dem Widerstand R„ in Fig.2 ist eine Schalteinrichtung parallel geschaltet, die durch einen npn-Tranaistor 23 dargestellt wird, dessen Basis über einen Strombegrenzungswiderstand R₁- und eine Leitung A mit der Schaltquelle 2^ verbunden ist. Die Schaltung 25 weicht von der Schaltung 15 in ^ig.l dadurch ab, dass der Widerstand R/- zwischen den Ausgang des Verstärkers 22 und die Ausgangsleitung C geschaltet ist. Ausserdem ist die Leitung B über den Widerstand R_ mit der Leitung C verbunden. Der nicht, invertierende Eingang (+) liegt über einen Widerstand R, an Erde. Die ^bignalquelle 21 ist nur mit dem invertierenden Εχ_η_ gang (-) verbunden, und nicht auch mit dem nichtinvertierenden Eingang wie in

Der symmetrische Modulator nach ig.2 lässt sich auf ahnliehe Weise wie der Modulator nach Fig.l analysieren. Die Einzelheiten sollen jedoch hier weggelassen werden. Es lässt

909844/157". ₁₂

sich zeigen, dass hei gesperrtem Schalttransietor 23 für die Ausgangsspannung gilt:

C"E₇ + B^ ^EB " I ₊ G ₊ R₂A₁ ¹ 1 +

wobei die G-, E-, Ε-Werte und ^V__F_ die gleiche Bedeutung wie vorher besitzen.

Nimmt man an, dass G sehr gross ist, vernachlässigt man zunächst V_0FF und setzt B « 2B, and Bg-B-, so ergibt sichs

I₀- -S⁸ · <^l6>

Die Gleichung (l6 entspricht genau der Gleichung (9) gibt die -^usgangsepannung des Modulators naoh ^ig«2 an, wenn der Schalttransistor 23 (der als npn-Transistor dargestellt ist) durch die Schaltquelle 20 in Sperrichtung vorge spannt wird.

Es lässt sich weiter zeigen, dass bei gesättigtem Schalttransistor 23 die ^-us gangs spannung wird:

R GV-V

E 7 _E /SAT ^VOFF ^EC ⁼ B₇ + R₆ ^EB " 1 + G T₊ B₆/B₇

Nimmt man wieder an, dass G sehr gross ist, vernachlässigt man die Fehlerausdrücke V_n-,- und V₀._. und setzt E- « B/-.

l/JP JC - OaJL g Q

13-

so reduziert sich die Gleichung (l) zu:

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B₀ - J⁸ . (18)

Die Gleichungen (l6) und (18) sind mit Ausnahme des Vorzeichen« identisch. Daher arbeitet die Schaltung nach ^ig*2 ebenfalls ala Umkehr«ehalter unter Steuerung dee Ausgangssignals der Sehaltquelle 20« Für eine symmetrische Modulatorwirkung muss eine zusätzliche Bedingung erfüllt sein, nämlich:

2E₁E₆ » B₂B₇ . (19)

Die funktion der Schaltmodulatoren nach *ig.l und 2 ist praktisch gleich, ausser dass bei dem Modulator nach Fig.2 die Wirkung der Fehlerspannungen V«™ und V„,_T herabgesetzt ist. Bsi einer typischen Schaltung unter Verwendung eines handelsüblichen integrierten Operationsverstärkers liegt V_QpF in der Grössenordnun*ng von 5₍4 mV,und V_g.„ liegt für einen typischen npn-Tr&neistor zwischen etwa 1 und 5 mV·

Bei gesperrtem Schalttransistor lässt eich die für Fig.l geltende Gleichung (β) mit der für die Fig.2 geltenden Gleichung (IS) vergleichen. In beiden Gleichungen ist Vq*·« amltipliziert mit (l * Rg/R..), aber in Gleichung (15) wird dieser Wert dividiert durch (l + IL-/B«), wobei der Divisor den Wert 2 hat. Trenn E_£ « B ist.

6 7

Für den gesättigten Schalttraasistor lässt eich die für ^ig. geltende Gleichung (12) auf ähnlich® Weise mit der für Fig.2

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-14-

geltenden Gleichung (17) vergleichen. In beiden Gleichungen wird die Differenz zwischen V_.™ und V_g.„, multipliziert mit G/(l + G), aber in Gleichung (17) wird diese Differenz dividiert durch (l + Bg/B_), wobei der Divisor den Wert 2 hat,

wenn E₁- - B- ist. Daher wird unter Aufwand der beiden zu— ο 7

sätzlichen Widerstände B/- und B_ bei dem Modulator nach ^ig.2

die Wirkung der Fellerspannungen im Vergleich zu dem Modulator nach *"ig, 1 halbiert. Es wurde gefunden, dass die Bedingungen nach den Gleichungen (14) und (19) für eine symmetrische Modulatorwirkung notwendig sind, aber es lassen sich

befriedigende Ergebnisse für Werte des Verhältnisses B₂/B, erreichen, die von dem vorher zur Erläuterung angenommenen Wert 2 abweichen. Beide Modulatoren liefern eine Träger-r und Signalunterdrückung von mindestens 40 dB. Da der Operations-Verstärker bereits als integrierte Schaltung verfügbar ist, bereitet es nur wenig Mühe, den gesamten symmetrischen Modulator durch Hinzufügen des Schalttransistors und eines weiteren Eingangsanschlusses an den Operationsverstärker als integrierte Schaltung auszuführen. Alle Widerstände sind vorzugsweise Präzisionswiderständ« mit einer ^oleranz von 0,1 ^. Ein typischer Wert für Β_χ beträgt 10.000 0hm.

Der Schaltmodulator nach der Erfindung besitzt viele sinnvolle Anwendungen, denen bisher nicht durch integrierte Schaltungen genügt werden konnte. Fig. 3 zeigt als Blockschaltbild einen Digital—Analogwandler unter Verwendung einer Vielzahl von Schaltmodulatoren 55—1₁ bis 35-a des in den ^ig.l und 2

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anhand der Schaltungsblöcke 15 bzw. 25 gezeigten Typs. Der Block 30 stellt eine digitale Datenquelle üblicher Art dar, in der Seriendaten in parallele Datenwörter umgewandelt worden lind. Die einzelnen Ziffern werden gleichzeitig auf den Leitungen 31-1 bis 31-n in der Reihenfolge

Von der niedrigsten zur höchsten Ziffernstelle, d.h. D bis D abgegeben. Jede Leitung 31 ist mit dem Schalteingang A eines Schaltmodulatora 35 der oben beschriebenen Art verbunden. Die Signaleingänge B der Schaltmodulatoren 35 liegen gemeinsam an einer Bezugsspannungsquelle 32. Abhängig davon, ob eine "1" oder eine "0" an den A-Eingang eines einzelnen ächaltmodulators 35 angelegt ist, erscheint auf der Leitung C eine negative oder eine positive Ausgangsspannung, die der Spannung am Ausgang der Quelle 32 proportional ist. Wenn beispielsweise die Ausgangsspannung der Quelle 32 2,0 V beträgt und alle Schaltmodulatoren 35 entsprechend der oben getroffenen Annahme eine Gesamtverstärkung von — haben, ändert sich die Ausgangsspannung auf den Leitungen C von -1,0V auf +1,0 V entsprechend 1-Werten und O-Werten als Eingangssignalen auf den Leitungen 31«

Die Ausgangsleitungen C der Schaltmodulatoren 35 sind über geeignet ausgewählte Bewertungswiderstände 36 mit den verschiedenen Eingängen eines herkömmlichen Summier-Operationsverstärkers 37 verbunden. Im dargestellten Falle sind die Widerstände 36 binär bewertet. Der Ausgang des Summierers liegt an der Verbraucherschaltung 33«

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Der Summier-Operationsverstärker arbeitet entsprechend der folgenden Gleichling:

E ■ - B5" -^ (20)

OUT *" H_T„ V^"/

wobei E-™, - die summierte Ausgangs spannung, E_T„ ■ die Spannung am Eingang, B - der Bückkopplungsiriderstand und R_TN a der bewertete Eingangswiderstand (ein binärer Bruchteil des Rückkopplungewiderstandes B in Fig.3) ist.

Im vorliegenden Falle wurde angenommen, dass die Bezugsspannungsquslle 32 eine positive Spannung von 2,0 V liefert. Jeder Schaltmodulator 35 erzeugt auf der Leitung C eine Ausgangsspannung von -2,0/2 ■ - 1,0 V für ein Eingangs» signal "1" und +2,0/2 = + 1,0 V für ein Eingangssignal "0" von der Datenquelle 30. Es sei angenommen, dass die Datenquelle 30 drei parallele Ziffern liefert, die auf 2-8 Stufen zu kodieren sind. Die Ziffer der höchsten Ziffernsteile D. wird am Ausgang des Summierers 37 für ein "1"-Bit

2 als Produkt der Eingangsspannung -1,0 V und -2 , also durch + 4,0 V dargestellt und für ein "O"-Bit als Produkt von

2
-1,0 V und + 2 , also - 4,0 V. Entsprechend wird die Ziffer der nächst niedrigen Ziffernstelle D„ am Ausgang des Summierers 37 durch Plus oder Minus 2,0 V dargestellt. Die Ziffer der in diesem Beispiel niedrigsten Ziffernstelle D-wird durch Plus oder Minus 1,0 V dargestellt« Das kombinierte

909844/1571 ' „i₇_

Anagangssignal des Summiere 37 besteht ais der Summe dieser drei Spannungen, wobei die Summe zwischen -Ä -7,0 Y für ein digitales Eingangssignal 000 und + 7,0 V für ein Eingangssignal 111 sit inkrementellen Schritten von 2,0 V entsprechend der folgenden Tabelle I liegt. Die drei Eingangs-Bits werden also in ein analoges Ausgangesignal mit einem Ton acht bestiemten Stufen umgewandelt.

Tabelle I Eingangs- Multiplikation*- Staune der Multi- Suaunierer-

2iffern fakteren für Ein- plikations- Ausgangsspan-

gangssignale auf faktoren nungen X 1,0 V

den Leitungen

______ 36-1 36-2 36-3

1	1	0	4	2	-1
1	0	1	4	-2	1
1	0	0	4	-2	-1
0	1	1	-4	2	1
0	1	0	-4	2	-1
0	0	1	-4	-2	1
0	0	0	-4	-2	-1

1114 2 1 7 7,0

5 5,0

3 3,0

1 1,0

-1 -1,0

-3 -3,0

-5 -5,0

-7 -7,0

Alternativ können die Widerstände 36 gleiche Werte besitzen, und die Bewertung lässt sieh in den Schaltmodulatoren entsprechend den oben angegebenen Slticirangen (δ), (l2), (14), (15), (17) und (19) vornehmen. Bei dem angegebenen Beispiel, für das ein Eingangssignal mit drei Bit angenommen wurde,

909844/1571 _lß

lässt sich für die GesamtTerstärkung jedes der Sehaltmodulatoren 35-1, 35-2 und 35-3 *in absoluter Wert von —, τ und — herstellen· Für die GeeamtverStärkung von l/2 sind die geeigneten Werte B₂ ■ 2R,, R- ■ R. und Rg ■ R_ bereits bei früheren Beispielen angegeben worden. Der Schaltmodulator 35-1 wird auf diese Werte entsprechend der bei den Schaltmodulatoren nach Fig.l oder Fig.2 getroffenen Wahl eingestellt.

Die Schaltmodulatoren 35-2 und 35-3 werden auf Gesantrerstärkungswerte τοη τ und -τ eingestellt. Beispielsweise erhält man für den Verstärkungswert r (der bei dem Schaltmodulator 35-2 su Tcrwenden ist) die Werte von E_ und E. durch Lösen der Gleichung (12) für das Verhältnis Eq/^q ■ Γ und Vernachlässigen τοη V_opp Und V₃.-, R- ist dann gleich 3R.. Setzt man R- - 3R. in Gleichung (l4) ein, dann erhält man R_n - 'i&t· Die Ergebnisse lassen sich durch Einsetzen dieser Werte in die Gleichung (8) prüfen. Für den Verstärkung s wert — (der bei dem Schaltmodulator 35-3 zu benutzen ist) erhält man die folgenden Werte: R- - IB.. und R„ =■ y*j·

Wenn der Schaltmodulator 25 nach Fig.2 in dem Digital. Analogw_andler nach Fig.3 benutzt wird, so erhält man die geeigneten Widerstandswerte aus den Gleichungen (17) und (l9) in dieser Eeihenfolge, die durch die Gleichungen (l5) bestätigt werden. Diese Werte lauten für die Gesamtverstärkung —: Kg a R , R₂ - 2R.} für die Verstärkung -r :

-19-

909844/157 i

3R-, H ■ ~ R,; für die Verstärkung ^: Rg » 7R-, und

Für jedes der letztgenannten Beispiele ist ein geeigneter Wert für K-, E. oder R- 10.000 Ohm. Die Werte der Eingangswiderstände 36 für den Summierer 37 wurden jeweils untereinander gleich und gleich dem Bückkopplungswiderstand gewählt.

Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild eines Vollweggleichrichters, der eich unter Verwendung der Schaltmodulatoren nach Fig.l oder Fig.2 wegen der dort auftretenden Phasenumkehrverwirklichen lässt. Der Vollweggleichrichter weist eine Wechselstrom-Signalquelle 40, einen Schaltmodulator 45 und eine Verbraucherschaltung 48 auf. Das Ausgangssignal der Quelle 40 liegt an beiden Eingängen A und B des Schaltmodulators, der alternativ der Schaltmodulator 15 nach Fig.l oder der Schaltmodulator 25 nach Fig.2 sein kann. Positive Halbwellen aus der Quelle 40 werden invertiert,und negative Halbwellen werden mit unveränderter Polarität durchgelassen.

Der Schalter 43 ist am Eingang A für den Fall vorgesehen, dass die Ableitung der Eingangsfunktion bei NuI!-Kreuzungen zu klein ist, um die Schalteinrichtung im Schaltmodulator zuverlässig zu betätigeh. Der Schalter 43 kann dann nach rechts gelegt werden, so dass ein üblicher Detektor 42 für Null—Kreuzungen über die Leitungen 41 und 44 in Reihe mit dem Eingang .A liegt. Der Schaltmodulator 45 wird dann durch zuverlässig schnelle Triggerimpulse beaufschlagt.

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Fig. 5 zeigt als Blockachaltbild eine Abtastschaltung unter Verwendung des Schaltmodulators nach der Erfindung. Die Schaltung nach Fig»5 ist im wesentlichen die gleiche wie die in ^ig.l und 2 , mit der^Auenahme, dass an den Schalteingang A des Schaltinodulators 55 eine Abtast-Iaipulsfolge von der Gatterquelle 50 statt einer Ee eilte ekare lie an gelegt ist. Die Signalquelle 51 liefert ein beliebiges Analogsignal, das an die Verbrauchersehaltuag 53 in Form von impulsamplitudenmodulierten Ziffern zu liefera ist» Die Wirkungsweise dürfte im Hinblick auf die obige Beschreibung ohne weiteres klar sein.

Eine weitere Anwendung des erfindungsgsmässen Scnaltmodulators, die in der Zeichnung nicht dargestellt ist, betrifft einen getasteten Oszillator. Bei dieser Anwendung wird ein auf die gewünschte Frequenz abgestimmter Schwingkreis in Reihe zu dem Rückkopplungswiderstand E^ in Fig. 1 geschaltet, und parallel zum Schwingkreis und zum Rückkopplunggwiderstand liegt der Schalttransistor 13. Die Eingangswiderstände H₁, E und K, sind weggelassen, und der nicht invertierende Eingang (+) liegt direkt an Erde. Die Schaltquelle 10 kann dann eine unsymmetrische Hechteckwelle liefern, und am Ausgang erscheint eine Folge von Schwingungen, während negativer Ausschläge des Schalt-Eingangssignals«

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Claims

Patentansprüche

Schaltmodulator mit einem Operationsverstärker, der einen invertierenden und einen nichtinvertierenden Eingang β punk t, einen Ausgangspunkt und eine negative Rückkopplungsverbindung zwischen dem Ausgangspunkt und de» invertierenden Eingangspunkt aufweist, dadurch gekennzeichnet,

dass der Büekkopplungsverbindung (B₂) eine Schalteinrich tung (l3 oder 23) parallel geschaltet ist, dass die Schalteinrichtung durch eine Schaltquelle (lO oder 20) steuerbar ist und

dass eine Signalquelle (ll oder 21) mit wenigstens einem der Eingangspunkte (D, F) verbunden ist.

2. Schaltmodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein nichtinvertierender Vorwärtsweg zwischen der Signalquelle (il oder 21) und dem Ausgangspunkt (c) vorgesehen ist.

3. Sehaltmodulatsr nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Yorwärtswog einen zwischen die Signalquello (ll) uiad den niclatiEivertierendan Eiagaagspankt (F) geschalteten Widerstand (ß)

% G \ h '■■> h ' "\ ^l; 1 1

JUr

4, Schaltmodulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dasa der Vorwärtsweg in Beihe zwischen die ^ignalquelle (2l) und den Ausgangspunkt des Verstärkers (22) geschaltete Widerstände (B- und Bg) enthält.

5· Schaltmodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Signal- und die Schaltquelle identische Signale an die Eingangspunkte und die Schalteinrichtung liefern, derart, dass ein Vollweggleichrichter für die identischen Signale gebildet ist.

6. Schaltaodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalquelle ein festes Gleichstrompotential besitzt, dass die Schaltquelle ein Generator für binäre Säten ist und dass das Ansgangssignal des Schaltmodulatora entsprechend der Position des jeweiligen Daten-Bits in einem binären Wort bewertet wird.

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