DE19519451A1 - PWM-Schaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft PWM-Schaltungen mit hoher zeitlicher Auflösung sowie Verfahren zum Pulsbreitenmodulieren eines Ausgangssignals.

Solche Schaltungen und Verfahren werden eingesetzt zum Auf­ bauen eines Druckbildes in einem Laserdrucker.

Ein Laserdrucker umfaßt neben einem Laser u. a. einen dreh­ baren Facettenspiegel und eine Trommel, die mit einem lichtempfindlichen Material beschichtet und elektrostatisch aufladbar ist, um entsprechend der Ladungsverteilung Toner­ partikel anzuziehen und später auf einen über die Oberflä­ che der Trommel geführten Aufzeichnungsträger, meist ein Blatt Papier, zu übertragen. Der Facettenspiegel hat im Querschnitt die Form eines regelmäßigen Vielecks. Der La­ serstrahl trifft auf eine Seite des Vielecks und wird von dort auf die Trommel reflektiert. Durch die gleichmäßige Drehung des Facettenspiegels wird der Strahl in Längsrich­ tung der Trommel über deren Oberfläche geführt. Die Inten­ sität des Strahls wird moduliert, so daß entlang der Bahn des Strahls auf der Trommel eine der Strahlintensität ent­ sprechende elektrostatische Ladungsverteilung entsteht, die eine Zeile des Druckbildes darstellt.

Laser und Facettenspiegel sind so zueinander angeordnet, daß wenn der reflektierte Strahl ein Ende der Trommel er­ reicht hat, alsbald eine andere Spiegelfacette in den Strahlengang eintritt, die den Strahl zunächst auf das an­ dere Ende der Trommel reflektiert. Durch die weitere Dre­ hung des Spiegels wird der reflektierte Strahl in einem zweiten Durchgang entlang der Trommel geführt.

Gleichzeitig dreht sich die Trommel um ihre Längsachse, so daß beim zweiten Durchgang der Strahl auf einen anderen Be­ reich der Trommeloberfläche trifft als beim ersten. Auf diese Weise wird Zeile für Zeile das Druckbild aufgebaut.

Die Zeilen bestehen ihrerseits aus einer Vielzahl von Elementarzellen oder Pixeln. Bei frühen Laserdruckern konn­ ten die Pixel nur die Zustände Ein/Aus bzw. belichtet/ nichtbelichtet annehmen und definierten die Auflösung des Druckers, so wie dies bei Bildschirmanzeigen und Matrix­ druckern noch der Fall ist.

Um im Druckbild Graustufen darstellen zu können und durch die Pixelstruktur bedingte unerwünschte Stufen im Druck­ bild, etwa bei der Darstellung von schrägen Linien oder Text zu vermeiden, wurden Verfahren und Vorrichtungen ent­ wickelt, mit denen den Pixeln mit innerer Struktur darge­ stellt werden können. Derartige Vorrichtungen und Verfahren nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche sind z. B. aus US-A-5 122 883 bekannt. Der in diesem Patent beschrie­ bene Rasterabbildungsgerätetreiber erhält zu jedem zu druc­ kenden Pixel zwei Datenwerte von einem Computer übertragen, die jeweils Positionen innerhalb des Pixels definieren, an denen der Laser ein- bzw. ausgeschaltet wird. Der Grad der Schwärzung des Pixels ergibt sich aus der Differenz zwi­ schen den beiden Werten. Mit diesem Treiber lassen sich schräge Kanten, vor allem bei steil zur Zeilenrichtung ver­ laufenden Linien, wirksam glätten, da die Umschaltpositio­ nen an beliebiger Stelle in einem Pixel liegen können. Zu diesem Zweck ist es aber erforderlich, diese Positionen in Abhängigkeit von den Zuständen benachbarter Pixel einzeln zu berechnen. Wenn es um die Darstellung von Text geht, so können diese Berechnungen für alle Zeichen eines Zeichen­ satzes einmal durchgeführt und dann tabelliert werden, 50 daß sie beim Drucken von Text lediglich abgerufen werden müssen. Bei Graphiken, in denen beliebige Formen und Kontu­ ren auftreten können, ist diese Tabellierung nicht möglich, so daß zur Erzeugung der Daten für den Treiber ein erhebli­ cher Rechenaufwand erforderlich ist, der in der Regel vom Computer zu leisten ist, an den der Drucker angeschlossen ist. Dies führt für den Benutzer zu lästigen Wartezeiten zwischen der Eingabe eines Druckbefehls und der Übergabe "druckreifer" Daten an den Treiber, in denen der Computer für andere Tätigkeiten nicht zur Verfügung steht.

Ein weiteres Problem ergibt sich aus der Arbeitsweise des Laserdruckers. Die Drehgeschwindigkeiten des Facetten­ spiegels und der Trommel müssen genau aufeinander einge­ stellt sein und sind daher bauartabhängig fest vorgegeben. Die zum Belichten der Trommel für eine zu druckende Seite verfügbare Zeit liegt damit in sehr engen Grenzen fest. Da die Datenausgabegeschwindigkeit des Computers begrenzt ist, kann in dieser Zeit nur eine begrenzte Datenmenge übertra­ gen werden. Werden zum Aufbau der Seite mehr Daten benö­ tigt, so müssen diese vor Beginn des Belichtungsvorgangs in den Laserdrucker geladen und dort gepuffert werden, was die Druckzeiten wie auch, aufgrund des erforderlichen Puffer­ speichers, die Kosten für den Drucker erhöht.

Ein weiteres Problem, das bei der Ausgabe von in einem Rechner gespeicherten Bildern oder Graphiken auftreten kann, ist das des Aspektverhältnisses. Häufig sind die Ver­ hältnisse von Pixelhöhe zu -breite bei Bildschirmanzeige und Drucker unterschiedlich. Wenn in einem solchen Fall ein Pixelmuster identisch vom Bildschirm auf den Drucker über­ tragen wird, erscheinen die Proportionen verzerrt. Um dies zu vermeiden, müssen auf dem Bildschirm angezeigtes Bild und Druckbild ineinander umgerechnet oder beide aus einem gemeinsamen, das Bild beschreibenden Datensatz berechnet werden, was in jedem Falle Zeit erfordert.

Aufgabe der Erfindung ist, PWM-Schaltungen und Verfahren für die Pulsbreitenmodulierung anzugeben, mit denen eine hohe Auflösung bei geringem Steuerungsaufwand erreicht wer­ den kann.

Die Aufgabe wird zum einen gelöst durch eine digital ge­ steuerte PWM-Schaltung nach Anspruch 1. Erfindungsgemäß ist die Periode des Rampengenerators gleich dem Zeitabstand, mit dem der Pufferspeicher von einer Datenquelle, z. B. dem Bus eines den Laserdrucker mit Hilfe der Schaltung ansteu­ ernden Computers, empfangene Daten weitergibt und der erste D/A-Wandler jeweils aktualisierte Ausgangssignalpegel an den Modulator weitergibt. Im Gegensatz zu US-A-5 122 883, wo die Periode der zwei Rampengeneratoren das Doppelte der PWM-Modulationsperiode beträgt, benötigt die erfindungsge­ mäße Schaltung nur einen Rampengenerator. In jeder Periode des Taktgenerators läuft ein vollständiger Zyklus der Schaltung ab, in dem der Modulator anhand eines vom Puffer­ speicher ausgegebenen Datenwerts genau einen Spannungspuls passender Breite erzeugt. Bei gleicher Ausgabekapazität der Datenquelle können daher mit Hilfe der erfindungsgemäßen Schaltung in vorgegebener Zeit doppelt so viele Pixel defi­ niert werden wie mit der aus US-A-5 122 883 bekannten Schaltung. D.h. sie kann in der Zeit, die der Laser zum Be­ lichten einer Zeile auf der Trommel benötigt, diesen mit doppelt so vielen, jeweils einem Pixel entsprechenden, breitenmodulierten Pulsen ansteuern. Da hierdurch die Brei­ te der Pixel halbiert, d. h. die horizontale Auflösung ver­ doppelt ist, ermöglicht es die erfindungsgemäße Schaltung, auf die zeitaufwendige Berechnung der Übergangspositionen innerhalb der Pixel zu verzichten.

Dies macht sich insbesondere beim Drucken von Bildern vor­ teilhaft bemerkbar, bei denen quasikontinuierliche Über­ gänge zwischen verschiedenen Farb- oder Grauabstufungen auftreten. Bei diesen Übergängen liegt der Informationsge­ halt für den Betrachter nicht in der genauen Position der Farbpunkte im gedruckten Bild, sondern lediglich im Ver­ hältnis von deren Größe zur Gesamtfläche des Pixels. Je kleiner die Pixel gemacht werden können, desto kontinuierli­ cher erscheinen die Farbabstufungen.

Die Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Schaltung nach Anspruch 7. Diese Schaltung ermöglicht, durch Durchstimmen des Taktgenerators die Längen der Pixel zu verändern und dadurch das Aspektverhältnis so anzupassen, daß jegliche Verzerrungen beim Ausdruck vermieden werden, ohne daß hier­ für der Inhalt der zu druckenden Pixel einzeln berechnet werden muß. Die Einstellung der Taktfrequenz kann software­ gesteuert vorgenommen werden, wobei die Steuerdaten vor­ zugsweise von derselben Datenquelle übertragen werden wie die zu druckenden Daten.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispie­ len mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer ersten erfindungsge­ mäßen PWM-Schaltung;

Fig. 2 Formen der in der Schaltung aus Fig. 1 verwende­ ten Spannungsrampe;

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer zweiten erfindungsge­ mäßen PWM-Schaltung;

Fig. 4 den Verlauf einer in einem Speicherelement der Schaltung aus Fig. 3 abgespeicherten Funktion;

Fig. 5 eine erste Ausgestaltung eines abstimmbaren Taktgenerators;

Fig. 6, 7 zwei Varianten des Taktgenerators aus Fig. 5;

Fig. 8 eine zweite Ausgestaltung eines abstimmbaren Taktgenerators;

Fig. 9 ein Detail des Taktgenerators aus Fig. 8;

Fig. 10 ein Computer/Drucker-System mit einer erfindungs­ gemäßen PWM-Schaltung.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße PWM-Steuerschaltung für einen Laserdrucker. Die Steuerschaltung ist über eine bidi­ rektionale Schnittstelle 1 zur Übertragung von Steuerinfor­ mation und Daten mit einer Datenquelle, hier dem Bus 10 ei­ nes Computers, verbunden. Diese Schnittstelle kann je nach­ dem, ob die Schaltung in den Computer oder den Drucker ein­ gebaut wird und je nach zu überbrückender Entfernung z. B. ein Steckverbinder, ein LWL-Kabel mit Optokopplern, eine SCSI-Schnittstelle oder ähnliches sein. Sie gibt vom Bus 10 empfangene Daten auf einen internen Bus 2 der Karte weiter. Der interne Bus 2 verfügt über 16 Datenleitungen, an die ein aus zwei Speicherbänken 3a, 3b aufgebauter Pufferspei­ cher angeschlossen ist, in dem auf dem internen Bus 2 lie­ gende Daten zwischengespeichert werden können. Die Spei­ cherbänke 3a, 3b werden durch Adreßgeneratoren 12a bzw. 12b adressiert. Die Speicherbänke sind jeweils mit Sequenzer­ schaltungen 5a, 5b verbunden, die einen von der Speicher­ bank ausgegebenen 16 Bit breiten Datenwert in zwei aufein­ anderfolgende 8 Bitwerte umsetzen und über einen internen Kanal 4 mit 8 Bit Breite an einen ersten D/A-Wandler 7 wei­ tergeben. Der Ausgangsanschluß des ersten D/A-Wandlers 7 ist mit dem Tastverhältnis-Steueranschluß eines Modulators 8 verbunden.

Der Modulator 8 umfaßt im wesentlichen einen Rampengenera­ tor 81 und einen Komparator 82. Der Rampengenerator 81 er­ zeugt eine Sägezahnspannung mit einer Periode T, die von einem abstimmbaren Taktgenerator 11 vorgegeben wird, dessen Aufbau und Funktionsweise an späterer Stelle behandelt wer­ den. Die Sägezahnspannung ist zeitlich symmetrisch, d. h. die Steigungen ihrer steigenden und fallenden Flanken sind im wesentlichen entgegengesetzt gleich. Der Obertonanteil an der spektralen Zusammensetzung eines solchen Signals ist geringer als bei asymmetrischen Sägezahnsignalen, so daß sich das symmetrische Signal schaltungstechnisch einfacher und genauer erzeugen läßt und die von einer solchen Schal­ tung ausgehende Störstrahlung verringert ist.

Der Komparator 82 vergleicht die Sägezahnspannung mit dem am Tastverhältnis-Steueranschluß anliegenden Spannungspegel und gibt genau dann ein hohes Ausgangssignal aus, um den Laser einzuschalten, wenn die Sägezahnspannung kleiner als die Spannung am Tastverhältnis-Steueranschluß ist.

Am internen Bus 2 liegt ferner ein zweiter D/A-Wandler 9, der die Steigung der vom Rampengenerator 82 erzeugten Rampe kontrolliert, indem er den Ladestrom für einen Kondensator des Rampengenerators 82 bestimmt.

Es wird nun die Arbeitsweise der Schaltung beschrieben. In einer Initialisierungsphase wird in einem ersten Schritt über die Schnittstelle 1 und den internen Bus 2 ein Steuer- Datenwert in den Taktgenerator 11 geladen, um dessen Fre­ quenz festzulegen.

In einem zweiten Schritt wird ein Steuer-Datenwert an den zweiten D/A-Wandler 9 übermittelt, der daraufhin eine dem Datenwert entsprechende Analogspannung ausgibt, die den La­ destrom für die Kondensatoren des Sägezahngenerators 81 und damit die Steigung bzw. die Amplitude des Sägezahnsignals bestimmt. Hierdurch kann einer Temperaturdrift des Modula­ tors entgegengesteuert oder der Kontrast des Druckbildes geregelt werden, wie im folgenden doch genauer beschrieben wird.

Nachdem die Initialisierungsschritte in beliebiger Reihen­ folge durchgeführt worden sind, ist die Schaltung bereit zum Empfang von Druckdaten. Diese werden vom Computer über die Schnittstelle 1 auf den internen Bus 2 übergeben. Ge­ steuert durch ein Taktsignal vom Computer erzeugt der Adreßgenerator 12a eine Gray-Code-Folge von Adressen, unter denen die Daten in der ersten Speicherbank 3a zwischenge­ speichert werden. Sobald in der ersten Speicherbank die zum Aufbau einer Druckzeile erforderliche Datenmenge gespei­ chert ist, wird die Speicherbank 3a vom internen Bus 2 ab­ gekoppelt, woraufhin die in der Folge vom Computer gelie­ ferten Daten mit Hilfe des zweiten Adreßgenerators 12b in der zweiten Speicherbank 3b zwischengespeichert werden. Während die Speicherbank 3b aufgefüllt wird, erzeugt der Adreßgenerator 12a die zum Abspeichern der Druckdaten in der ersten Speicherbank verwendete Adressenfolge erneut, wobei die Abfolge der Adressen dieses Mal durch den Taktge­ nerator 11 bestimmt wird. In jedem Taktzyklus des Taktgene­ rators 11 wird ein 8-Bit-Datenwert auf den Datenkanal 4 ausgegeben und vom ersten D/A-Wandler 7 in ein analoges Ausgangssignal umgesetzt.

Im Rahmen einer Funktionsüberprüfung der Schaltung, etwa beim Systemstart, können die in den Speicherbänken 3a, 3b gespeicherten Daten über den internen Bus 2 vom Computer ausgelesen, bevor oder anstatt daß sie auf den Datenkanal 4 ausgegeben werden.

Gleichzeitig steuert der Taktgenerator 11 den Rampengene­ rator 81 so an, daß dessen Ausgangssignal zu dem Zeitpunkt, an dem der Ausgangssignalpegel des ersten D/A-Wandlers 7 sich ändert, maximal ist. Im Komparator 82 werden die Aus­ gangssignalpegel des ersten D/A-Wandlers 7 und des Rampen­ generators 81 verglichen, und es wird eine positive Aus­ gangsspannung ausgegeben, die dem Einschaltzustand des La­ sers entspricht, wenn die Rampenspannung kleiner ist als der Ausgangssignalpegel des ersten D/A-Wandlers 7. Wenn sie größer ist, wird das Ausgangssignal auf Null gesetzt, was dem Ausschaltzustand des Lasers entspricht. So gesteuert erzeugt der Laser pro Taktperiode, in der der Ausgangssi­ gnalpegel des D/A-Wandlers 7 nicht Null ist, und damit pro Pixel einen Bildpunkt auf der lichtempfindlichen Walze. Da zur Definition des Bildpunkts nur ein Datenwert benötigt wird, kann die Taktfrequenz doppelt so groß wie bisher ge­ wählt werden und damit die Zahl der Punkte pro Zeile ver­ doppelt werden.

Beim Drucken kann das Problem auftreten, daß, wenn der Druckdatenwert klein ist, d. h. der Ausgangssignalpegel des Wandlers 7 nahe bei Null ist, der Laser nur für einen sehr kurzen Teilzeitraum der Periode eingeschaltet wird. Unter­ schreitet die Länge dieses Teilzeitraums einen Gegenwert t₀, so kann die durch den Laserpuls auf der lichtempfindli­ chen Walze erzeugte Ladungsverteilung zu wenig ausgeprägt sein, um Toner aufzunehmen, so etwas weil sie zu klein ist oder ihr Potential nicht stark genug von dem der Umgebung abweicht, so daß der gewünschte Punkt nicht gedruckt wird. Genauso kann, wenn der Druckdatenwert groß und der Aus­ gangssignalpegel des Wandlers 7 hoch ist, die Länge der Un­ terbrechung des Lasers einen Grenzwert t₁ unterschreiten, so daß die durch die Unterbrechung erzeugte Lücke in der Ladungsverteilung so klein wird, daß sie von benachbarten belichteten Bereichen überdeckt wird und so ein durchgehend schwarzes Pixel gedruckt wird. Die Grenzwerte D₀, D₁ des Druckdatenwerts, jenseits derer dies der Fall ist, sind von Umgebungsparametern der lichtempfindlichen Walze wie etwa Temperatur und Luftfeuchtigkeit, vom Abnutzungsgrad ihrer lichtempfindlichen Schicht oder auch vom zu bedruckenden Material abhängig. Um eine optimale Genauigkeit in der Wie­ dergabe von Graustufen zu erreichen, muß diesem Effekt Rechnung getragen werden.

Dies geschieht mit Hilfe des zweiten D/A-Wandlers 9 auf die in Fig. 2 veranschaulichte Weise. Fig. 2a zeigt als Funk­ tion der Zeit t eine Periode der Länge τ einer vom Rampen­ generator 81 erzeugten Sägezahnspannung V (t), deren Ampli­ tude (V_max-V_min) über die den Grenz-Datenwerten D₀ und D₁ entsprechenden Spannungswerte V₀, V₁ hinausgeht. Ein Aus­ gangssignal vom ersten D/A-Wandler 7 mit einem dem Wert D₀ entsprechenden Spannungspegel entsprechend der Strichpunkt­ linie in Fig. 2a liefert einen Puls der Länge t₀, der knapp zu kurz ist, um als Punkt gedruckt zu werden. Das Pixel bleibt also weiß, genauso wie bei allen anderen Spannungs­ pegeln im Spannungs-Bereich I zwischen V₀ und V_min. Analog erkennt man, daß alle Spannungspegel im Bereich II zwischen V₁ und V_max zu vollständiger Schwärzung des betreffenden Pixels führen müssen. Lediglich Pegel im Zwischenbereich zwischen V₀ und V₁ werden als Graustufen gedruckt. Der Kon­ trast des Bildes ist also zu hoch.

Es wird daher mit Hilfe des zweiten D/A-Wandlers 9 die Steigung des Sägezahnsignals erhöht, wie in Fig. 2b ge­ zeigt. Nun wird die minimal nötige Pulsdauer t₀ bereits bei der dem Druckdatenwert 0 entsprechenden Spannung V_min er­ reicht, so daß alle Druckdatenwerte im Bereich I als Grau­ stufen gedruckt werden können. Für den Bereich II gilt sinngemäß entsprechendes.

Es ist dabei für die Funktion der Schaltung ohne Belang, ob die Sägezahnspannung V(t) die Schnittpunkte X₀, X₁ der Sä­ gezahnflanken tatsächlich erreicht, oder ob, z. B. bedingt durch die Versorgungsspannungen des Rampengenerators, die Extremwerte der Spannung V(t) in Bereichen zwischen V_max und X₁ bzw. V_min und X₀ liegen.

Durch Verringern der Steigung des Sägezahnsignals kann der Kontrast selbstverständlich auch gesteigert werden.

Fig. 3 zeigt eine zweite Ausgestaltung der erfindungsgemä­ ßen PWM-Schaltung. Sie unterscheidet sich von der in Fig. 1 gezeigten durch ein Speicherelement 6, das zwischen dem Ka­ nal 4 und dem ersten D/A-Wandler 7 eingefügt ist. Die Adreßeingänge des Speicherelements 6 liegen am Kanal 4, seine Datenein-/Ausgänge mit einer genutzten Breite von 10 Bit können mit dem internen Bus 2 sowie, unter Umgehung dieses Busses, mit dem ersten D/A-Wandler 7 verbunden wer­ den.

In der Initialisierungsphase dieser Ausgestaltung werden in einem dritten Schritt über die bidirektionale Schnittstelle 1 und den internen Bus 2 Umsetzungsdaten D′ in das Spei­ cherelement 6 eingetragen, die zu jedem möglichen Druckda­ tenwert D das gewünschte Tastverhältnis charakterisieren. Auf diese Weise wird für jeden später an die Schaltung zu übertragenden Druckdatenwert das Tastverhältnis des Modula­ tors einzeln festgelegt. Dadurch wird eine praktisch belie­ bige Genauigkeit bei der Wiedergabe verschiedener Graustu­ fen ermöglicht. Durch Anpassung der Umsetzungsdaten können Bauteiletoleranzen und -driften der erfindungsgemäßen Schaltung oder des Druckers auf einfache Weise kompensiert werden.

Nachdem die Umsetzungsdatenwerte in das Speicherelement 6 geladen worden sind, können sie über die Schnittstelle 1 und den internen Bus 2 vom Steuercomputer aus abgefragt werden, um das ordnungsgemäße Funktionieren der Schaltung zu überprüfen.

Fig. 4 zeigt ein Beispiel für ein mögliches Verhältnis zwi­ schen Druckdaten D und Umsetzungsdaten D′, wie es in dem Speicherelement 6 abgelegt sein kann.

Wie man leicht einsieht, ist es nicht sinnvoll, mehr als je einen Umsetzungsdatenwert zu verwenden, der im Ausgangs­ spannungspegel des D/A-Wandlers 7 unterhalb V₀ bzw. ober­ halb V₁ umgesetzt wird. Vorzugsweise werden die Extremwerte D′_min = 0 und D′_max = 2¹⁰ verwendet. Im Bereich zwischen den diesen Spannungsgrenzwerten entsprechenden Umsetzungs­ datenwerten D_0′ bzw. D_1′ sollte die Funktion D′ (D) aber mit möglichst großer Genauigkeit dargestellt werden können. Zu diesem Zweck muß die Zahl der schaltungstechnisch dar­ stellbaren Umsetzungsdatenwerte im Intervall von D_0′ bis D_1′ deutlich größer sein als die der möglichen Druckdaten­ werte, d. h. ihre Darstellung muß genauer sein. Deswegen ist die Breite der Umsetzungsdatenwerte D′ um zwei Bit größer als die der Druckdatenwerte D.

In Fig. 4 ist eine monoton steigende Funktion D′ (D) darge­ stellt. Genausogut kann eine monoton fallende Funktion ver­ wendet werden, wobei in diesem Fall der Komparator dann eine dem Einschaltzustand des Lasers entsprechende Spannung ausgeben muß, wenn die Rampenspannung vom Generator 81 grö­ ßer als der Spannungspegel vom D/A-Wandler 7 ist.

Im folgenden wird Aufbau und Funktion des abstimmbaren Taktgenerators 11 beschrieben.

Ein erstes Ausführungsbeispiel des Taktgenerators in Form einer PLL-Schaltung ist in Fig. 5 dargestellt. Der Taktge­ nerator umfaßt einen D/A-Wandler 27, der einen Datenwert vom Computer über den internen Bus 2 empfängt und in einen analogen Spannungspegel umwandelt. Dieser liegt über eine Überlagerungsschaltung 26 am Steuereingang eines spannungs­ gesteuerten Oszillators 23 an. Frequenzteiler 21, 24 erzeu­ gen aus dem Ausgangssignal des Oszillators 23 ein Ver­ gleichssignal REF mit einer Frequenz, die weitgehend der Frequenz eines externen Phasensteuersignals BD entspricht. Dieses Phasensteuersignal BD wird z. B. von der Position des rotierenden Spiegels abgeleitet, z. B. indem der Zeitpunkt registriert wird, in dem der vom Spiegel reflektierte La­ serstrahl einen im Drucker eingebauten Detektor 28 über­ streicht. Ein Phasenkomparator 25 vergleicht die Phase des Steuersignals BD mit der des Vergleichssignals REF und er­ zeugt ein Gleichspannungs-Ausgangssignal, das dem Ausgangs­ signal des D/A-Wandlers 27 in der Schaltung 26 überlagert wird. Wenn der Phasenkomparator 25 feststellt, daß das Ver­ gleichssignal REF dem Phasensteuersignal BD voraneilt, ver­ ringert er seine Ausgangsspannung, um die Frequenz des Oszillators 21 herabzusetzen. Wenn das Vergleichssignal REF nachhinkt, wird die Ausgangsspannung des Phasenkomparators 25 heraufgesetzt. Die Überlagerungsschaltung 26 ist dabei so ausgelegt, daß der Einfluß des Komparators 25 auf die Steuerspannung des Oszillators 23 wesentlich kleiner ist als der des D/A-Wandlers 27. Der D/A-Wandler 27 gibt somit die Frequenz im groben vor, der Phasenkomparator 25 dient lediglich zur Feinregelung, was die Stabilität der Rück­ kopplungsschleife erheblich verbessert und den Einschwing­ vorgang verkürzt.

Wenn mit Hilfe der erfindungsgemäßen Schaltung der Laser zum Bedrucken eines Blatts angesteuert werden soll, muß zunächst die Zahl der Pixel in einer Druckzeile, d. h. die für eine Zeile benötigte Datenmenge und die entsprechende Anzahl Taktzyklen feststehen.

Diese Zahl, ggf. zzgl. der Zahl von Taktzyklen zwischen dem Ende des Schreibens einer Zeile und dem Beginn des nächsten Schreibvorgangs, wird als Teilerfaktor n in den program­ mierbaren Teiler 21 geladen.

Der spannungsgesteuerte Oszillator 23 erzeugt Schwingungen mit Hilfe eines LC-Gliedes. Gegenüber einem RC-Oszillator hat dieser Aufbau den Vorteil besserer Schwingungsstabili­ tät. Folge der Stabilität ist jedoch, daß die Stromstärken und Ladungen in dem LC-Glied nicht beliebig schnell geän­ dert werden können, so daß die Phase des Oszillators nur kontinuierlich und mit Verzögerung an ein Steuersignal an­ gepaßt werden kann. Wenn im Falle des in Fig. 5 gezeigten Taktgenerators das Ausgangssignal des Oszillators 23 direkt zum Ansteuern des Modulators 8 verwendet wird, kann diese Verzögerung zu einer Streuung der Pixelpositionen in auf­ einanderfolgenden Druckzeilen führen. Dieses Problem wird mit Hilfe des Zählers 22 gelöst. Er besitzt einen Reset- Eingang, an dem dasselbe Phasensteuersignal anliegt wie am Phasenkomparator 25. Bei Eintreffen des Phasensteuersignals BD wird der Zählerstand im Zähler 22 auf Null zurückge­ setzt, was einer Einstellung der Taktphase auf einen defi­ nierten Wert entspricht. Dieser Vorgang findet regelmäßig zu Beginn des Zeilenschreibvorgangs statt, wodurch die Po­ sition der Pixel dem Teilerverhältnis 1 : 8 des Zählers 22 entsprechend auf ein Achtel ihrer Länge genau definiert wird.

Fig. 6 zeigt eine erste Variante des Taktgenerators aus Fig. 5. Hier ist 3 ein Verzögerungsglied 29 zwischen dem Strahldetektor 28 des Druckers und dem Reset-Eingang des Zählers 22 angeordnet. Mit diesem Verzögerungsglied 29 kann z. B. über den Bus 2 gesteuert jeder zweite Steuerpuls vom Teiler 22 um eine halbe Periode verzögert werden, so daß die Pixel in aufeinanderfolgenden Druckzeilen nicht unter­ einanderstehen, sondern jeweils um eine halbe Pixellänge gegeneinander versetzt sind.

Dieselbe Wirkung läßt sich mit der in Fig. 7 gezeigten Va­ riante erzielen. Bei dieser sind Dateneingänge des Zählers 22 mit dem internen Bus 2 verbunden, so daß bei Eintreffen eines Phasensteuersignals am Reset-Eingang des Zählers 22 der an den Dateneingängen anliegende Wert in den Zähler 22 geladen wird, und von diesem Wert ausgehend weitergezählt wird. Dieser Wert kann vom Computer jedesmal geändert wer­ den, wenn die einer Pixelzeile entsprechenden Daten in die PWM-Schaltung übertragen worden sind und z. B. abwechselnd auf 0 und 4 gesetzt werden.

Die Fig. 8 zeigt eine alternative Ausgestaltung eines ab­ stimmbaren Taktgenerators. Es handelt sich dabei um eine Schaltung zur digitalen Funktionssynthese, mit einem Spei­ cherelement 33, in dem eine Mehrzahl von Stützpunkten einer zu synthetisierenden Funktion abgelegt sind, einem festfre­ quenten hochstabilen Oszillator 31 in Form eines Schwing­ quarzes, einem Adreßgenerator 32, der mit einer vom Oszil­ lator vorgegebenen Frequenz von ca. 50 MHz Adressen an das Speicherelement ausgibt, einem D/A-Wandler 34 und einem Tiefpaßfilter 35. Wie in Fig. 9 genauer gezeigt, umfaßt der Adreßgenerator 32 ein Register 36 von 16 Bit Breite, in das über den internen Bus 2 ein Wert eingetragen werden kann. Gesteuert durch das Signal vom Oszillator 31 wird in einem Addierer 37 der Inhalt des Registers 36 zu dem eines Akku­ mulators 35 gleicher Breite hinzuaddiert. Mit den acht höchstwertigen Bits d8-d15 des Akkumulatorinhalts wird das Speicherelement 33 adressiert. Das Speicherelement 33 gibt daraufhin eine Folge von Funktionswerten an den D/A-Wandler 34 (Fig. 8) aus, der daraus ein analoges Spannungssignal erzeugt. Dieses Signal hat eine Grundfrequenz Fg = F₀·n: 2¹⁶, wobei F₀ die Frequenz des Oszillators 31 und n den im Akkumulator 36 gespeicherten Wert bezeichnet. Aufgrund des Abtastvorgangs ist dieser Grundfrequenz ein Signalanteil mit der Frequenz F₀ überlagert. Diese wird durch den nach­ geschalteten Tiefpaßfilter 35 unterdrückt, so daß an dessen Ausgang ein Signal vorliegt, dessen Spannungsverlauf der im Speicherelement 33 abgelegten Funktion nachgebildet ist.

Wie die in Verbindung mit den Fig. 5 bis 7 beschriebenen Taktgeneratoren ist auch dieser durch ein Phasensteuersi­ gnal BD mit dem Laserdrucker synchronisiert. Dieses Phasen­ steuersignal BD wird von einem Reset-Eingang des Adreßgene­ rators 32 empfangen und bewirkt, daß der Abtastvorgang an einer vorgegebenen Stelle im Verlauf der nachzubildenden Funktion neu beginnt. Aufgrund der hohen Genauigkeit und Zeitauflösung des Quarz-Oszillators 31 ist bei diesem Takt­ generator keine Rückkopplungsregelung erforderlich.

In Analogie zu den in Fig. 6 und 7 kann das BD-Signal über eine Verzögerungsschaltung wie die Schaltung 29 an den Re­ set-Eingang des Adreßgenerators 32 geführt werden, oder der Adreßgenerator kann so ausgelegt werden, daß der Abtastvor­ gang bei Eintreffen des BD-Signals an unterschiedlichen Stellen des Funktionsverlaufs neu beginnen kann, wobei die jeweils gewünschte Stelle über den Bus 2 dem Adreßgenerator 32 angegeben werden kann.

Der Abstimmbereich der hier beschriebenen abstimmbaren Taktgeneratoren kann leicht eine Oktave und mehr umfassen. Um im gesamten Frequenzbereich ein Taktsignal mit gleich­ bleibender Amplitude zu erzeugen, kann die Ausgangsspannung des D/A-Wandlers 9 und damit die Steigung des Taktsignals mit Hilfe des Computers umgekehrt proportional zur Taktfre­ quenz geregelt werden.

Fig. 10 zeigt eine bevorzugte Anordnung der erfindungsgemä­ ßen PWM-Schaltung 50 in einem Computer/Druckersystem. Com­ puter und Drucker 60 sind über eine herkömmliche parallele Schnittstelle 40, wie z. B. eine Centronics-Schnittstelle verbunden. Über diese Schnittstelle werden Textdaten über­ tragen, bei denen lediglich Schwarzweißdarstellung, aber keine Graustufendarstellung erforderlich ist. Der Drucker 60 kann über eine für die Schriftdarstellung optimierte Treiberschaltung 61 verfügen, die über die Schnittstelle 40 angesprochen wird. Die Ausgangssignale der PWM-Schaltung 50 und der Treiberschaltung 61 werden über eine logische Oder- Verknüpfung gemeinsam auf die Laserdiode 62 des Druckers gegeben, um auf der lichtempfindlichen Walze (nicht darge­ stellt) eine aus Text und Graustufenbildern bestehende Druckseite in kürzestmöglicher Zeit aufzubauen.

Der Anschluß 63 für die Eingabe des PWM-Signals der Schal­ tung 50 in den Drucker 60 ist bei Laserdruckern der Fa. Hewlett Packard standardmäßig vorhanden und wird als "Vi­ deo-Port" bezeichnet.

Die Verbindung über die Schnittstelle 40 ist nicht zwingend erforderlich, da die erfindungsgemäße PWM-Schaltung 50 sel­ ber auch in der Lage ist, Schwarzweißgraphik und Texte dar­ zustellen.

Die erfindungsgemäße PWM-Schaltung kann im Computer oder im Drucker eingebaut sein, oder ihre Komponenten können nach Zweckmäßigkeitsgesichtspunkten auf beide verteilt sein. Sie kann in deren Schaltungen fest verdrahtet oder als nach­ rüstbare Steckkarte, Hybridschaltung oder ASIC ausgebildet sein. Bei der Ausbildung als Nachrüstsatz führt die Ab­ stimmbarkeit des Taktgenerators zu dem besonderen Vorteil, daß dieselbe Schaltung ohne Änderungen für Laserdrucker mit unterschiedlichen Aspektverhältnissen verwendet werden kann, da die zur Erzeugung der Dichte benötigte Taktfre­ quenz der Schaltung durch passende Softwaretreiber auf den Computer vorgegeben werden kann.

Es ist offensichtlich, daß die hier in Verbindung mit einem Schwarzweiß-Drucker gegebene technische Lehre ohne wesent­ liche Abwandlungen auf die Verarbeitung der einzelnen Grundfarben für einen Farblaserdrucker übertragbar ist.

Die Lehre ist auch nicht auf den Einsatz an Laserdruckern beschränkt. Sie setzt lediglich ,voraus, daß der Drucker eingerichtet ist, um innerhalb eines Pixels des Druckbildes Farbpunkte unterschiedlicher, regelbarer Größe zu erzeugen. Auch Tintenstrahldrucker können hierzu in der Lage sein.

Claims (25)

1. PWM-Schaltung zum Ansteuern des Lasers in einem Laser­ drucker, mit

• - einer Schnittstelle (1), die mit einer externen Datenquelle verbindbar ist,
• - einem Pufferspeicher (3a, 3b) mit einem Eingabe­ anschluß zum Empfangen von Daten über die Schnittstelle (1) und einem vom Eingabeanschluß unabhängigen Ausgabeanschluß, der mit einer von einem Taktgenerator (11) vorgegebenen Periode (τ) zuvor empfangene Datenwerte auf einen internen Kanal (4) weitergibt,
• - einem ersten D/A-Wandler (7), dessen Ausgangssi­ gnalpegel mit der Periode τ anhand der weiterge­ gebenen Datenwerte aktualisiert wird,
• - einem Modulator (8), der einen Rampengenerator (81) umfaßt und anhand des Ausgangssignalpegels des ersten D/A-Wandlers (7) ein pulsbreitenmodu­ liertes Laser-Steuersignal mit einer Modulations­ periode erzeugt,

dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationsperiode des Laser-Steuersignals gleich der Periode τ ist und daß der Rampengenerator (81) ein Rampensignal in Form einer symmetrischen Dreieckspan­ nung mit der Periode τ erzeugt.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Pufferspeicher zwei Speicherbänke (3a; 3b) umfaßt, die abwechselnd zum Empfangen mit der Schnittstelle (1) oder zum Weitergeben mit dem internen Datenkanal (4) verbindbar sind.

3. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Pufferspeicher aus frei adres­ sierbaren Speicherelementen aufgebaut ist.

4. Schaltung nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Pufferspeicher aus FIFOs aufgebaut ist.

5. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Pufferspeicher ein Zweitor-Speicher ist.

6. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die im Pufferspeicher enthaltenen Daten über die Schnittstelle (1) ausgegeben werden können.

7. PWM-Schaltung zum Ansteuern des Lasers in einem Laser­ drucker, mit

• - einer Schnittstelle (1) die mit einer externen Datenquelle verbindbar ist,
• - einem ersten D/A-Wandler (7), dessen Ausgangssi­ gnalpegel mit einer von einem Taktgenerator (11) vorgegebenen Periode (τ) anhand von über die Schnittstelle (1) empfangenen Daten aktualisiert wird,
• - einem Modulator (8), der anhand des Ausgangssi­ gnalpegels des ersten D/A-Wandlers ein pulsbrei­ tenmoduliertes Laser-Steuersignal erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß die Periode (τ) des Taktgenerators (11) in einem vor­ gegebenen Bereich wählbar ist.

8. Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Taktgenerator einen Phasensteueranschluß aufweist, der mit einem Steuersignal (BD) beschaltet werden kann, um die Phase des Taktsignals auf einen vorbe­ stimmten Wert zu setzen.

9. Schaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Taktgenerator (11) eine Phasenregelkreis-(PLL)- Schaltung ist.

10. Schaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die PLL-Schaltung einen spannungsgesteuerten Oszilla­ tor (23) umfaßt, dessen Steuerspannung von einem D/A- Wandler (27) grob vorgegeben und von einem rückgekop­ pelten Phasenkomparator anhand des Phasensteuersignals (BD) fein abgestimmt wird.

11. Schaltung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen Frequenzteiler (22), der aus dem Ausgangssignal des Oszillators (23) das Taktsignal (LL) erzeugt und einen Reset-Eingang besitzt, über den er in eine vordefi­ nierte Phase versetzt werden kann.

12. Schaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Phasensteuersignal (BD) über ein steuerbares Verzögerungsglied (29) am Reset-Anschluß anliegt.

13. Schaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Phasensteuersignal (BD) direkt am Reset-An­ schluß anliegt und die vordefinierte Phase mehrere verschiedene Werte annehmen kann.

14. Schaltung nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Taktgenerator (11) eine Funk­ tionssyntheseschaltung ist, welche umfaßt:

• - einen hochstabilen Oszillator (31),
• - ein Speicherelement (33), in dem eine Vielzahl von Werten der zu synthetisierenden Funktion ge­ speichert ist,
• - einem Adreßgenerator (32), der in durch den Os­ zillator (31) festgelegter zeitlicher Folge die an das Speicherelement (33) ausgegebenen Adressen um einen wählbaren Wert erhöht oder erniedrigt, und
• - einen D/A-Wandler (34), der aus den vom Speicher­ element (33) ausgegebenen Funktionswerten das Taktsignal (LL) erzeugt.

15. Schaltung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktion eine Sinusfunktion ist.

16. Schaltung nach Anspruch 14 oder 15, gekennzeichnet durch einen Tiefpaßfilter (35) zum Verstetigen des vom D/A-Wandler (34) ausgegebenen Taktsignals.

17. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang eines zweiten D/A- Wandlers (9), der ein Datenwort über die Schnittstelle (1) empfangen kann, mit einem Steuereingang des Ram­ pengenerators (81) zur Steuerung der Steigung der Ram­ pe verbunden ist.

18. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, gekenn­ zeichnet durch ein Speicherelement (6), das mittels der weitergegebenen Daten adressiert wird, und dessen Ausgänge mit den Eingängen des ersten D/A-Wandlers (7) verbunden sind.

19. Schaltung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Daten im Speicherelement (6) größer ist als die der zur Adressierung des Speicherelements (6) verwendeten Daten.

20. Schaltung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherbreite des Speicherelements (6) 10 Bit und die Adreßbreite 8 Bit beträgt.

21. Schaltung nach einem der Ansprüche 18 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Speicherelement (6) ein Schreib-Lese-Speicher ist, der auch über die Schnitt­ stelle beschrieben und gelesen werden kann.

22. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß sie auf einer Steckkarte zum An­ schließen an den Video-Port (63) eines Laserdruckers (60) implementiert ist.

23. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß sie auf einem Chip integriert oder als Hybridschaltung aufgebaut ist.

24. Laserdrucker mit einer Schaltung (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittstelle (1) der Schaltung (50) zum Empfangen von Bilddaten vorgesehen ist und eine zweite Schnittstelle (40) zum Empfangen von Textdaten vorgesehen ist.