DE2028251C3 - Sägezahnschwingungsfrequenzteiler - Google Patents

Description

Alle ^-Transistor-Verstärker, z. B. ein Emitterfolger und eh: Transistorverstärker mit geerdetem Emitter, können keine Spannungsaussteuerung η (das ist das Verhältnis einer verzerrungsfreien, maximalen Ausgangsspannung Kmax zur Betriebsspannung E) von 100% aufweisen. Theoretisch ergibt sich eine Aussteuerung Tj von 100% bei Verwendung eines idealen Transistors nur mit einem Emitterwiderstand als Emitterfolger oder nur mit einem Kollektorwiderstand als Transistorverstärker mit geerdetem¹ Emitter (auch Kollektorschaltung genannt), die bekanntlich beide die beste Spannungsaussteuerung aufweisen.

Es gibt jedoch keine idealen Transistoren, denn in der Praxis läßt sich das Eingangssignal nicht bis auf Null Volt heruntersteuern, weil der Sperrbereich durch das Auftreten eines in Durchlaßrichtung gepolten Spannungsabfalls VBg an der Basis-Emitter-Strecke (dieser Wert liegt im allgemeinen bei Germanium-S Transistoren bei 0,2 bis 0,3 Volt und bei Silicium-Transistoren bei etwa 0,6 bis 0,7 Volt) beschränkt ist. Ferner kann das Ausgangssignal nicht bis auf den Maximalwert ansteigen, weil es durch einen KoSlektor-Emitter-SpannungsabfaH Vcb bei durchgesteuet tem Transistor begrenzt ist (dieser Spannungsabfall liegt bei etwa 0,3 bis 0.5 Volt).

Außerdem ist der Koeffizient A/, (Stromverstärkungsfaktor) nicht linear, und sein Verstärkungsfaktor nimmt in Bereichen der Betriebskennlinie, die nahe

»5 dem Sperrbereich und dem Sättigungsbereich liegen, zu. Aus diesem Grunde gibt es keinen ÄC-gekoppelten ^-Verstärker mit einem Aussteuerungsbereich von

100%.
Demgegenüber tritt bei einem Schaltglied, z. B.

*o einem Flip-Flop, das nur zwei Zustände einnehmen kann, nämlich EIN und AUS, keine Kurvenformverzerrung des Ausgangssignals auf. Ferner kann die Eingangssp?.nnung in diesem Falle einen Wert annehmen, der das Schaltglied übersteuern kann. Daher

as ist der ein/ige Faktor, der bei einem als Schalter betriebenen Transistor die Spannungsauss'euerung begrenzt, der Spannungsabfall V₍e im gesättigten Zustand, so daß man leicht eine Aussteuerung von nahezu 100% erhält.

Auf Grund der Tatsache, daß in elektronischen Musikinstrumenten eine große Anzahl von Frequenzteilerschaltungen verwendet wird, sollten die Frequenzteilerschaltungen die größtmögliche Spannungsaussteuerung aufweisen. Wenn die Spannungsaus- steuerung größer ist, kann die Betriebsspannung verringert werden, und die Schaltungsbauteile können auf einen geringeren Nennstrom, geringere Durchbruchsspar.nung und niedrigere Nennleistungen ausgelegt sein. Ferner sollte die Signalamplitude in den elektronischen Musikinstrumenten verhältnismäßig groß sein, um einen möglichst großen Störabstand (das ist das Verhältnis des Nutzsignals zu Störsignalen) zu erhalten. In der Praxis müssen die von den Tongeneratorschaltungen in einem elektronischen Musik-

♦5 instrument erzeugten Signale in den folgenden Stufen verstärkt werden, weil die Signale in den Tastatur- und Mischkreisen erheblich gedämpft werden. Wenn daher die Amplituden der Ausgangssignale der Tongeneratorschaltungen schon vorher größer gewählt

so werden, kann die Anzahl der erforderlichen Verstärkerstufen verringert und mithin auch der Störabstand vergrößert werden.

Es sind bereits Frequenzteilerschaltungen für Sägezahnschwingungen bekannt. Ein typisches Beispiel dieser Schaltungen ist so aufgebaut, wie es in F i g. 1 dargestellt ist, wenn man davon absieht, daß die Maximalamplituden der ursprünglichen Sägezahnschwingung und der Rechteckschwingung gleich sind und die Widerstände A₁ und Ra gleich und nicht unterschiedlich gewählt sind, wie es bei der Schaltung nach F i g. 1 zu erwarten ist, und daß die Vorspannungswiderstände nicht in der Mischschaltung vorgesehen sind.
Im folgenden soll die Wirkungsweise einer bekannten Schaltung an Hand von F i g. 1 näher erläutert werden, und zwar unter der Annahme, daß Va = K₁, Ra = A₁ ist und die Widerstände R_t und A₃ nicht vorhanden sind. Dem Eingangsanschluß I_A einer

eßChtecksdJWingungsfrequenzteilerschaltung O wird recateckförmiges oder sagezahnförmiges Auslösenut einer Frequenz/ zugeführt, und am Ausanschluß O_A der Schaltung O erscheint dann öse Rechtecksehwingung V_A mit einer Frequenz//2. i Diese Rechleckschwingung V_A wird dann der Basis eines Transistors TrI über einen Mis Swiderstand R_A pjgeführt. Ferner wird der Basis eines Transistors TrI n, einem Sägezahn-Trennverstärker P über einen EingangsanschluB /, eine Sägezahnschwingung mit einer Frequenz/ zugeführt. Das am Ausgangsan-SChIuBO₁ am der Emitterseite des Transistors Tr 1 erscheinende, sägezahnförmige Ausgangssignal V₁ (das Ausgangssignai V₁ ist so eingestellt, daß seine Maximalamplitude genau gleich der Maxirrtalamplitude öer Rechtecksehwingung V_A ist) wird der Basis des Transistors TrI über einen weiteren Mischwiderstand Äi (Ri = Ra) zugeführt. Auf diese Weise werden die beiden Signale V_A und V₁ mit gleicher Maximalamplitude gemischt, bzw. überlagert, so uaß auf der EmitterseiU des (als Emitterfolger betriebenen) Tranastors TrI eine Sägezahnschwingung F₂ mit einer Frequenz von //2 erscheint.

Wenn die Frequenz des sägezahnförrnigen Signals noch weiter untersetzt werden soll, /. B. auf ' ₄, '/„,

*/j, wird eine entsprechende Anzahl der beschrie-

benen Frequenzteilerschaltungen hintereinandergeschaltet und entweder das rechteckförmige Ausgangssigpal vom Anschluß Oa oder das sägezahnförmige Ausgangssignal vom Anschluß O₂ dem Eingangstnschluß der in der folgenden Sägezahnschwingungsfrequenzteiierschaltung enthaltenen Rechteckschwingungsfrequenzteilerschaltung zugeführt, so daß die Frequenz der Sägezahnschwingung noch weiter unter- »etzt wird.

Wenn jedoch mehrere der bekannten Frequenzteilerschaltungen für eine Sägezahnschwingung zum Untersetzen der Frequenz hintereinandergeschaltet werden, ergeben sich Schwierigkeiten, die zur Folge haben, daß die Verbindung der Frequenzteilerschaltungen äußerst kompliziert und ihr Betrieb instabil wird.

Die Hauptursache dieser Schwierigkeiten besteht du n, daß die Spannungsaussteuerungen der RechteckNchwingungsfrequenzteilerschaltung O und der Trennverstärkerschaltung P verschieden s nd. Wegen dieser Verschiedenheit der Spannungsaussteuerungen sind die Ausgangssignalamplituden jener Schaltung und dieser Schaltung, die in einem verzerrungsfreien Bereich betrieben werden, ebenfalls verschieden, und wenn die Betriebsspannungen Ea und E₁ gleich groß gewählt sind, ist das Ausgangssignal der zulettt genannten Schaltung kleiner als das Ausgangssignal der zuerst genannten Schaltung.

Genauer gesagt: Während der Maximalwert V_A des Ausgangssignals der Rechteckschwingungsfrequenzteilerschaltung O nahezu gleich der Betriebsspannung E_A ist (el. h. V_A = E^₄), ist die Ausgangsspannung V₁ der Sägezahnschwingungserzeugungsschaltung P = η· E_A (z. B. gleich 0,8 Ea). Wenn daher die Mischwiderstände A₁ und R_A gleich groß gewählt sind, müssen die Betriebsspannungen E_A und E₁ verschieden groß gewählt sein, wenn beide Ausgangssignale mit dem gleichen Maximalwert (V₁ = Va) gemischt werden sollen.

Selbst wenn die Betriebsspannungen Ea und E₁ gleich groß gewählt sind, ist dennoch das Ausgangssignal F₈ der Mischschaltung kleiner als das Ausgangssignal V₁. Der Grund dafür ist darin zu sehen, daß die Spannungsverstärkung der Mischschaltung, die den Transistor 7>2 enthält, bei etwa 0,8 bis 0,9 liegt.

Ferner ist die Gleichspannung am Ausgangsanschluß O_t wegen des Spannungsteilerverhältnisses der Mischwiderstände und des (endlichen) Eingangs-Widerstandes der Trennverstärkerschaltung mit dem Transistor TrI nach F i g. 1 und auch wegen des Spannungsabfalls V_Bb, der nicht vernachlässigbar ist, geringer als die am Ausgangsanschluß O₁.

Wenn zum Untersetzen der Frequenz der Sägezahnschwingung mehrere Frequenzteilerschaltungen hintereinandergeschaltet sind, verringert sich das Ausgangssignal von Stufe zu Stufe, und deren Gleichspannungen nehmen ebenfalls ab, was zur Folge hat, daß der Arbeitspunkt auf den Betriebskennlinien der hintereinandergeschalteten Stufen nicht auf einem angemessenen Gleichspannungswert gehalten werden kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Frequenzteiierschaltung für Sägezahnschw mgungen anzugeben, bei der alle diese Nachteile bekannter Schaltungen weitgehend beseitigt sind. Ferner soll die Frequenzteilerschaltung so ausgebildet sein, daß die Maximilamplitude ihres sägezahnförmgen Ausgangssignate mit der Frequenz/2 gleich der ursprünglichen Maximilamplitude der Sägezahnschwingung mit der Frequenz f ist. Insbesondere soll die Gleichspannung am Ausgangsanschluß der Sägezahnschwingung, die die Frequenz//2 aufweist, gleich der Gleichspannung am Ausgingsanschluß der die Sägc/ahnschwingung mit der Frequenz/ erzeugenden Schaltung sein. Bei Hintereinander«: haltung mehrerer dieser Frequenzteilerschaltungen für Sägezahnschwingungen soll die Amplitude der in der ,Frequenz untersetzten Schwingung unverändert bleiben. Schließlich soll diese Frequenzteiierschaltung ' nur mit einer einzigen Betriebsspannungsquelle auskommen.

Nach der Erfindung besteht die Lösung dieser Aufgabe bei einem Sägezahnschwingungsfrequenzteiler mit einer Schaltung zur Erzeugung einer Sägezahnschwingung in Form einer Spannung mit der Maximaiamplitude V₁ und einer Frequenz /, mit einer Schaltung zur Erzeugung einer Rechteckschwingung in Form einer Spannung mit der Maximalamplitude V_A, die größer als V₁ ist, und mit einer den beiden Schaltungen über zwei Mischwiderstände /?, und Ra nachgeschalteten Trennschaltung zur BiI-dung der gewünschten Ausgangssägezahnschwingung in Form einer Spannung mit der Frequenz fll, wobei der Eingang der Trennschaltung über den einen Mischwiderstand A₁ mit dem Ausgang der Sägezahnschwingungserzeugungsschaltung und über den anderen Widerstand R_A mit dem Ausgang der Rechteckschwingungserzeugungsschaltung verbunden ist, darin, daß R₁IRa = V₁IVa und so gewählt ist, daß die Maximalamplitude V₂ der Ausgangssägezahnschwingung der Trennschaltung in ihrem verzerrungsfreien Bereich gleich oder größer als V₁ ist.

Vorzugsweise enthält die Trennschaltung eine VorSpannungsvorrichtung für die Basiselektrode, so daß das Gleichpotential der Basiselektrode gegenüber dem des Ausgangsanschlusses der Sägezahnschwingungserzeugungsschaltung um einen Betrag erhöht ist, der gleich dem erwähnten Spannungsabfall Vbe zwischen Basis und Emitter des in der Trennschaltung enthaltenen Transistors ist, so daß das Gleichpotential des

Ausgangsanschlusses der Trennschaltung gleich dem ein Widerstand A₂ zur Ausbildung einer Gleich-

des Ausganglianschlusses der Sägezahnschwingungs- vorspannung und erforderlichenfalls auch ein ge-

erzeugungsschaltung ist. erdeter Widerstand R₃ angeschlossen. Die resultierende

Vorzugsweise ist die Sägezahnschwingungserzeu- Ausgangs:ichwingung wird am Emitter des Tran-

gungsschalturig als Trennverstärker und die Recht- 5 sistors Tr'l abgenommen. Die Ausgangsschwingiing V_x

eckschwingungserzeugungsschaltung als Flip-Flop aus- (bzw. deren Maximalwert) ist jetzt kleiner als die

gebildet. rechteckförmige Ausganigsschwingung V_A (bzw. deren

Vorzugsweise speist eine einzige Betriebsspannungs- Maximalwert), so daß F₁ = kV_A ist, wobei k kleiner

quelle alle erv'ähnten Schaltungen. als 1 ist.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von ₁₀ Obwohi die Werte der Mischwiderstände R_A und

Zeichnungen ausführlicher beschrieben. R₁ ebenfalls so gewählt sind, daß sie der Beziehung

F i g. 1 stellt ein Schaltbild einer Frequenzteiler- /J₁ = AA,, genügen, weiden die Rechteckschwingung

schaltung für eine Sägezahnschwsngung nach einem und die Sägezahiischwingung am Verbindungspunkt X

bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. der Mischwiderstände Ra und R₁ mit gleicher Maxi-

Die F i g. 2 (a) und (b) stellen ein schematisches ₁₅ malamplitude gemischt. Zur Vereinfachung der wei-

Schaltbild und den Verlauf von Schwingungen dar, teren Erläuterungen sei angenommen, daß der Be-

auf die zur Erläuterung des Grundgedankens der lastungswiderstand am Verbindungspunkt X unend-

Erfindung Bezug genommen wird, und lieh und die Amplitude (Maximalamplitude bzw. der

F 1 g. 3 stellt graphisch die Abhängigkeit des Ver- Maximalwert) der Sägezahnschwingung an diesem ,

hältnisses V_tJV_t von einem Koeffizienten k dar. ₂₀ Punkt gleich K₁₁₁. ist. Dann ist die oben angegebene

F i g. 2 stel't das Prinzip dar, wie die Frequenz Beziehung

einer Sägezahnschwingung durch Mischen (Über- 2

lagerung) einer Rechteckschwingung und einer Säge- V_1x V₁ (2)

zahnschwingung nach der Erfindung halbiert wird. ί + k Wie man sieht, werden eine Rechteckschwingung V_A 45

(Maximalwert) mit einer Frequenz//2 und eine Säge- erfüllt, und wie sich aus dieser Gleichung ebenfalls

zahnschwingung V₁ (wobei es sich ebenfalls um den ergibt, ist V_iX größer als F₁.

Maximalwert handelt und F₁ = k V_A und λein Koeffi- Der wahre Eielastungswiderstand am Punkt* ist zient ist) mit einer Frequenz/ in einer vorbestimmten jedoch nicht unendlich, er besteht vielmehr aus dem relativen Phasenlage gemischt, wie es durch Misch- ^₀ Eingang*widerstand des Transistors 7>2 und den widerstände Ra und R₁ angedeutet ist. R_x ist gleich Widerständen anderer parallelgeschalteter Kreise (^;n kR_A, so daß die Mischspannungsverluste in diesen diesem Falle R₁ und Ä_s), so daß die Spannung an Widerständen derart unterschiedlich sind, daß das diesem Punkt A' nicht genau gleich dem oben ange-Mischverhältnis der Rechteckschwingung zur Säge- gebenen Wert V_tx, sondern gleich einem Wert V_2x zahnschwingung gleich k : 1 ist und infolgedessen die ₃₅ ist. der etwas geringer als V_sx ist. Die Ausgangsspangemischten Komponenten der beiden Schwingungen nung V₂ am Ausgangsanschluß O₂ ist noch geringer nach dem Mischen gleich sind, so daß ach eine Säge-_ als die Spannung V\_x, und zwar wegen des Spanzahnschwingung F_ia: mit einer Frequenz//2 ergibt. nungsabfalls V[,_B am Transistor 7>2 und der (nicht

In diesem Falle läßt sich das Ausgangssignal (bzw. dargestellten) Belastung, die am Ausgangsanschluß O₂

dessen Maximalwert) V_1x durch folgenden Ausdruck 40 angeschlossen ist.

angeben: Wenn man daher das Verhältnis k der Widerstände

A₁ und Ra passend wählt, ergibt sich der Vorteil,

2£ 2 ^aB d'^e Amplitude der Ausgangsschwingung V₂ am

F_tI= Va = V_x (1) Anschluß O₂ gleich der Amplitude der Ausgangs-

1+* 1-l· k ₄₅ schwingung F₁ am Ausgang der Sägezahnschwingungs-

erzeugungsschaltung isL Wenn beispielsweise das

Das heißt, die gemischte Schwingung V_%1 und die Spannungsverhältnis VJV_tx gleich 0,8 ist, läßt sich

Eingangsschwingung F₁ sind nicht gleich groß. Die ein Spannungsverhältnis von V_1xIV₁ = 1,25 erzielen.

Differenz hängt vom Wert des Koeffizienten k ab, indem man den Wert von k — 0,6 wählt, so daß man

und wenn * kleiner als 1 ist, wird die Ausgangs** win- 50 das gewünschte Ergebnis F₁ = F₁ erhält,

gung V_tx größer als F₁. Diese Art der Verstärkung Wie man sieht, sind die Widerstandswerte der

ist ein wesentliches Merkmal der Et&ndung, worauf Misch widerstände R_A und R₁ (R₁ = kR_A) nach der

noch näher eingegangen wird. Dk Abhängigkeit des Erfindung so gewählt, daß das Mischverhältnis der

Verhältnisses V_9xIV_x vom Koeffizienten k ist in beiden Signale ungleich 1 ist, d. h. der Wert von k

F i g. 3 dargestellt. 55 ist kleiner als 1, so daß die Ausgangsschwingungen V₁

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung und F₁ (d. h. deren MaKimalamplituden) so eingestellt

wird jetzt aa Hand von F i g. 1 beschrieben. werden können, daß F₁ = F₁ oder F_t sogar größer

Eine Ausgangsschwingnng V_A mit einer Frequenz als F₁ ist.

//2 einer Rechteckschwingungsfrequenzteilerschal- Ferner kann zur Angleichung der Gleichspannun-

tungO, bei der es sich in diesem Beispiel um ein 60 gen am AusgangsanschlußO₁ und am Anschluß O₁

Flip-Flop handelt, wird der Basis eines Transistors z. B. ein Vorspannungseinstellwiderstand R_t mit oder

TrI über einen Mischwiderstand R_A zugeführt. Gk-ich- ohne einen weiteren Widerstand R₉ verwendet werden,

zeitig wird die Ausgangsschwingung F₁ einer Säge- wie es in F i g. 1 dargestellt ist. In diesem Falle sind

zahaschwingungserzeugungsschalrung P, bei der es die Werte der Widerstände A₁ und R_t so gewählt, sich um eine Trennschaltung oder Pufferschall ung 65 daß die Gleichspannung am Verbindungspunkt X

bandelt, der Basis des Transistors 7> 2 über einen (bzw. das Gleichpotential dieses Punktes X) größer

weiteren Mischwiderstand R_x mit einer Frequenz/ als die am Ausgan?sanschlußO, ist, und zwar um

zugeführt. An der Basis des Transistors TrI ist ferner einen Betrag, der gleich dem Spannungsabfall F/|_K

zwischen Basis und Emitter des Transistors Tr 2 ist. Dadurch ist es möglich, mehrere Frequenzteilerschaltungen dieser Art hintereinanderzuschalten und den Arbeitspunkt aller Stufen konstant zu halten.

Außerdem kann die Amplitude Va der Ausgangsrechteckschwingung größer als die Amplitude V₁ der Ausgangssägezahnschwingung gewählt werden, wozu eine einzige Betriebsspannungsquelle für alle Teilschaltungen, wie die erwähnte Rechteckschwingungserzeugungsschaltung, mit guter Spannungsaussteuerung, die Sägezahnschwingungscrzeugungsscha'ltung mit etwas schlechterer Spannungsaussteuerung und die MischtrennschaHüng verwendet werden. Auf diese Wehe lassen sich der Aufbau der Frequenzteilerschaltung für Sägezahnschwingungen erheblich vereinfachen und die Spannungsaussteuerungen der einzelnen Stufen bei Hintereinanderschaltung mehrerer dieser Schaltungen verbessern.

Die Erfindung ist nicht auf das bevorzugte Ausführungsbeispiel beschränkt. Abweichungen von diesem Ausführungsbeispiel liegen im Rahmen der Erfindung So kann z. B. an Stelle des Flip-Flop irgendeine anden bekannte Rechteckschwingungserzeugungsschaltunj verwendet werden, und die Transistoren in den Trenn schaltungen können durch Feldeffekt-Transistorei ersetzt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Sägezahnschwingungsfrequenzteiler mit einer Schaltung zur Erzeugung einer Sägezahnschwingung in Form einer Spannung mit der Maximalamplitude V_x und einer Frequenz /, mit einer Schaltung zur Erzeugung einer Rechteckschwingung in Form einer Spannung mit der Maximalamplitude V_A, die größer als V₁ ist, und mit einer den beiden Schaltungen Ober zwei Mischwiderstände R₁ und R_A nachgeschalteten Trennschaltung zur Bildung der gewünschten Ausgangssägezahnschwingung in Form einer Spannung mit der Frequenz //2, wobei der Eingang der Trennschaltung über den einen Mischwiderstand R₁ mit dem Ausgang der Sägezahnschwingungserzeugungsschaltung und über den anderen Widerstand R_A mit dem Ausgang derRechtecksciiwingungserzeugungsschalomg verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß R_t/R_A — V_XIV_A und so gewählt ist, daß die Maximaiamplitude V_s der Ausgangssägezahnschwingung der Trennschaltung in ihrem verzerrungsfreien Bereich gleich oder größer als V_x ist.

2. Frequenzteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorspannungsvorrichtung für die Trennschaltung zur Bildung der Ausgangssägezahnschwingung V₁ vorgesehen ist, die derart ausgebildet ist, daß die Gleichspannung am Ausgang der Trennschaltung gleich der Gleichspannung am Ausgang der Sägezahnschwingungserzeugungäschaltung ist, so daß eine vorbestimmte Anzahl von Sägezabnschwingungsfraquenzteilern hintereinandergest'ialtet werden Kann.

3. Frequenzteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine einzige Betriebsspannupgsquelle für alle Schaltungen, nämlich die Sägezahnschwingungerzeugungsschaltung, die Rechteckschwingungerzeugungsschaltung und die Mischtrennschaltung vorgesehen ist.

4. Frequenzteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechteckschwingungerzeugungsschaltung ein Flip-Flop enthält.

5. Frequenzteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennschaltung als Emitterfolger-Verstärker ausgebildet ist.