DE2041531A1 - Spannungsgesteuerter Oszillator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen spannungsgesteuerten Oszillator der eine Ausgangsfrequenz erzeugt, welche eine Funktion der angelegten Spannung ist.

Ein spannungsgesteuerter Oszillator besitzt viele Anwendungs- «löslichkeit en.. Eine Anwendung besteht in der Umwandlung, einer Spannung mit einer zur Größe von Meßdaten analogen Amplitude in eine Impulsfolge zur Weiterverarbeitung durch eine für die Ausnutzung von Frequenzen geeignete Vorrichtung. Das-die-Meßgrößen anzeigende Signal kann beispielsweise das •Ausgangssignal eines Meßfühlers zur Erfassung mechanischer Zugbelastung sein und die-Vorrichtung zur Auswertung der Ausgangsfrequenz kann.ein Impii-lsse'nder sein. -

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Fin typischer spannungsgesteuerter Oszillator enthält einen Kondensator, der durch eine Spannungsquelle aufgeladen wird. Wenn die Ladung auf dem Kondensator einen vorgegebenen Wert erreicht, wird eine Schaltvorrichtung betätigt, so daß ein Ausgangsimpuls erzeugt wird. Nach der Auslösung des Ausgangsimpulses wird der Kondensator entladen. Fs ist erwünscht, daß der spannungsgesteuerte Oszillator einen breiten Bereich von Ausgangsfrequenzen für einen gegebenen Bereich von Eingangsspannungen erzeugt. Dies ermöglicht die größte Auflösung bezüglich der Fingangsspannung, so daß an die Auswertevorrichtung für die Frequenz ein präzises Ausgangssignal weitergegeben wird. Bisher bekannte Wandler sind sehr komplex in ihrem Aufbau gewesen. Da sie mehrere Schalterelemente zur Erzeugung eines Ausgangsiinpulses besitzen, wird ihre Ansprechzeit bezüglich der Kondensatoraufladung erhöht und der Bereich der Ausgangsfrequenz wird verringert. In der vorliegenden Frfindung wird eine möglichst kleine Zahl von Schalterelementen verwendet, um die Ausgangsimpulse zu erzeugen. Außerdem muß ein bestimmter Wert der Ladung auf dem Kondensator ausgewählt werden als der Punkt, an dem der Schaltvorgang ausgelöst wird, welcher den Ausgangsimpuls erzeugt. Der Bereich der Eingangsspannungen, auf die der spannungsgesteuerte Oszillator anspricht, ist daher beschränkt. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Wert der Aufladung des Kondensators, bei dem der SchaItVorgang ausgelöst wird, entsprechend der Änderung der Eingangsspannung geändert.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen spannungsgesteuerten Oszillator zu schaffen mit einem vergrößerten Bereich von Ausgangsfrequenzen für einen vorgegebenen Bereich von Eingangsspannungen.

Es ist weiterhin eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen spannungsgesteuerten Oszillator zu liefern, der mit einem hohen Auflösungsgrad eine Ausgangsfrequenz liefert, welche die angelegte Spannung anzeigt.

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Es ist auch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen spannungsgesteuerten oszillator zu erhalten, in dem der Umschaltpunkt für die Schaltung, welche den Ausgangsimpuls erzeugt, durch den absoluten Betrag der Eingangsspannung gesteuert wird, um den Bereich der Eingangsspannungen zu vergrößern, auf die der spannungsgesteuerte Oszillator anspricht.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Frfindung, einen spannungsgesteuerten Oszillator zu liefern, der in der Lage ist, automatisch funktionsunfähig gemacht zu werden, wenn die Eingangsspannung unter den Spannungswert absinkt, auf den der spannungsgesteuerte Oszillator noch anspricht.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen spannungsgesteuerten Oszillator zu schaffen, der in seinem Aufbau äußerst einfach ist.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch einen spannungsgesteuerten Oszillator gelöst, welcher eine Ausgangsfrequenz entsprechend der angelegten Fingangsspannung erzeugt. Ein Zeitgliedkondensator ist mit einer Spannungsquelle verbunden und seine Aufladegeschwindigkeit wird durch eine als Stromquelle dienende Schaltung bestimmt, welche durch die Eingangsspannung angesteuert wird. Eine Komparatorschaltung, welche einen Rechenverstärker umfassen kann, besitzt einen ersten Eingangsanschluß, der so verbunden ist, daß der Verstärker auf den Spannungswert an einem Anschlußpunkt des Kondensators anspricht und ein zweiter Eingangsanschluß ist mit einer Bezugsspannungsquelle verbunden. Wenn der Spannungswert an einem Anschluß des Kondensators einen vorgegebenen Wert bezüglich der Bezugsspannung erreicht, ändert sich der Schaltzustand am Ausgang des !Comparators und es wird ein Ausgangsimpuls ausgelöst. Die Änderung des Schaltzustandes des Komparators löst auch eine Entladung des Kondensators aus, so daß der Wandler seinen nächsten Arbeitszyklus beginnen kann.

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Ein besseres Verständnis der Erfindung, ihres Aufbaus, ihrer Arbeitsweise und weitere Aufgaben und Vorteile ergibt sich aus der nachstehenden Beschreibung von Ausführungsformen im Zusammenhang mit den Abbildungen.

Figur 1 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen spannungsgesteuerten Oszillators.

Figur 2 ist eine Darstellung der Arbeitsweise der Schaltung nach Figur 1.

Figur 3 ist eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

Figur 1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen spannungsgesteuerten Oszillators, der eine Ausgangsfrequenz entsprechend dem momentanen Wert einer angelegten positiven Eingangsspannung liefert. Fine von einer Spannungsquelle A gelieferte Eingangsspannung wird an dem Eingangsanschluß 1 zugeführt und bestimmt die Größe des von einer Stromquellenschaltung 2 gelieferten Stroms. Diese Schaltung 2 ist über einen Anschlußpunkt 4 mit einem Anschluß eines Zeitgliedkondensators 3 verbunden. Der andere Anschluß des Kondensators ist mit einer Quelle 6 für eine positive Spannung verbunden. Mit der Aufladung des Kondensators 3 verringert sich der Spannungswert am Anschluß 4. Fine Spannung, die dem Wert am Anschlußpunkt 4 entspricht, wird zwecks Vergleich mit einer Bezugsspannung auf eine Komparatorschaltung 8 eingekoppelt. Wenn die auf den Komparator vom Anschlußpunkt 4 gekoppelte Spannung einen vorgegebenen Wert erreicht, ändert der Ausgang des Kompara to rs 8 sich von einem niedrigen Schaltzustand zu einem hohen Schaltzustand. Dieser Ausgang wird auf ein bistabiles Schaltelement gekoppelt, das einen Transistor 10 umfaßt, und bei dem Schaltzustand hoher Spannung wird das Schaltelement eingeschaltet.

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Der Emitter-Kollektorkreis des-Transistors. 10 .ist zwischen die Spannungsquelle 6 und einen niedrigeren Spannungswert geschaltet, welcher in dieser Ausführungsform das Massepotential ist. Der Schaltzustand des Transistors 10, welcher mit der Spannungsquelle 6 verbunden ist, steuert die Größe der Spannung an einem Ausgangsanschluß 12, der ebenfalls mit der Spannungsquelle 6 verbunden ist. Wenn der Transistor 10 eingeschaltet wird, wird das Potential am Ausgangsanschluß 12 auf Massepotential gebracht. Diese Änderung des Potentialwertes am Ausgangsanschluß 12 ergibt einen Ausgangsimpuls. Die Vorrichtung B zur Auswertung der Ausgangsfrequenz kann unmittelbar an den Ausgangsanschluß 12 angeschlossen werden und dadurch jederzeit auf das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators ansprechen. Wenn es erwünscht ist, daß der spannungsgesteuerte Oszillator nur dann ein Ausgangssignal abgibt, wenn die Eingangsspannung positiv ist, kann die Vorrichtung B zur Auswertung der Ausgangsfrequenz mit einem gattergesteuerten Ausgangsanschluß 15 eines NAND-Gatters 13 gekoppelt werden. Ein Eingangsanschluß des NAND-Gatters ist mit dem Ausgangsanschluß 12 verbunden und die Ansteuerung des Gatters erfolgt in der unten beschriebenen Weise.

Weiterhin ist der Kollektor des Transistors 10-mit der Basis eines Transistors 14 verbunden, dessen Emitter-Kollektorkreis über den Kondensator 3 geschaltet ist. Infolgedessen wird zu dem gleichen Zeitpunkt, an dem ein Ausgangsimpuls erzeugt wird, der Transistor 14 eingeschaltet und entlädt den Kondensator 3, so daß der Ausgangsanschluß des Komparators in seinen niedrigen Schaltzustand zurückkehrt, den Transistor 10 abschaltet und den Ausgangsimpuls beendet.

Das NAND-Gatter 13 wird von einem Transistor 16 angesteuert, welcher zwischen die Stromquellenschaltung 2 und die Spannungsquelle 6 geschaltet ist. Der Transistor 16 arbeitet als bistabiles Schaltelement und erzeugt am Anschluß 17 ein Ausgangssignal, welches einem Eingangsanschluß des NAND-Gatters zugeführt wird.

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Nachstehend werden weitere Einzelheiten der Figur 1 erörtert. Die Stromquellenschaltung 2 umfaßt einen Rechenverstärker 20 mit einem nicht umkehrenden Eingangsanschluß 21, einem umkehrenden Eingangsanschluß 22 und einem Ausgangsanschluß 23. Der Anschluß 21 ist über einen Widerstand mit dem Eingangsanschluß 1 verbunden und der Ausgangsanschluß 23 ist durch einen Widerstand 25 mit der Basis eines NPN-Transistors 28 verbunden, welcher ebenfalls einen Teil der Stromquellenschaltung 2 bildet. Zwischen den Emitter des Transistors 28 und Masse ist ein Strommeßwiderstand 29 eingefügt. Zwischen den Emitter des Transistors 28 und den umkehrenden Eingangsanschluß 22 des Rechenverstärkers 20 ist ein Rückkopplungswiderstand 30 geschaltet. Der Rechenverstärker 20 ist als Spannungsfolger geschaltet und hält dadurch den Spannungsabfall über dem Widerstand 29 im wesentlichen gleich der Eingangsspannung am Eingangsanschluß 21. Der Widerstand 29 dient außerdem noch als Strommeßwiderstand.

Der Widerstand 30 wird so gewählt, daß er einen Wert besitzt, bei dem der durch ihn fließende Strom vernachlässigt werden kann. Dann kann man sagen, daß der Strom durch den Widerstand 29 gleich der Summe von Basisstrom und Kollektorstrom des Transistors 28 ist. Für den optimalen Betrieb wird der Kollektorstrom des Transistors 28 dadurch auf ein Maximum gebracht, daß man einen Transistor 28 mit einem hohen beta-Wert oder Stromverstärkungswert auswählt, beispielsweise mit einem beta-Wert von 100. Der Kollektor 28 ist mit dem Anschlußpunkt 4 und dadurch mit dem unteren Ende des Kondensators 3 verbunden. Das obere Ende des Kondensators 3 ist mit der positiven Spannungsquelle 6 verbunden. Der Kondensator 3 wird durch den Kollektorstrom des Transistors 28 aufgeladen. Der Kollektorstrom steht in einer festen Beziehung zu dem Strom durch den Widerstand 29, welcher der Eingangsspannung entspricht. Der auf den Kondensator 3 über den Anschluß 4 fließende Aufladestrom ist gleich der algebraischen Summe der Ströme durch den Widerstand 29 und der durch die anderen

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Stromwege fließenden Ströme. Diese Ströme durch andere Stromwege enthalten den Basisstrom des Transistors 28, den Strom' durch den Widerstand 30 und den Strom vom Anschlußpunkt 4 zum Recheηverstärker 8 und zum Transistor 14. Diese Ströme sind jedoch im Verhältnis zu dem Aufladestrom gering. Daher entspricht die Aufladegeschwindigkeit des Kondensators 3 der Eingangsspannung und ist ihr im wesentlichen proportional.

Beim Beginn eines Arbeitszyklus wird der Kondensator 3 entladen und der Spannungswert am Anschluß 4 ist gleich der Spannung der Quelle 6. Der Anschluß 4 ist über einen Widerstand 32 auf einen umkehrenden Eingang 34 des Rechenverstärkers 8 gekoppelt, so daß auf den Rechenverstärker, wie in Figur 2a gezeigt, eine Spannung V „ gekoppelt wird, welche die Ladung auf dem Kondensator 3 anzeigt. Der Spannungswert am Anschluß 4 ist gleich der Spannung der Quelle 6 abzüglich des zeitlichen Integrals des Kollektorstroms des Transistors 28. Wie bereits erläutert, ist der Kollektorstrom des Transistors 28 im wesentlichen proportional der Spannung über dem Widerstand 29. Die Spannung Vp₃ wird mit einer BezugsspannungV _f (s. Figur 2a) verglichen, die an einen nichtumkehrenden Eingang 35 des Rechenverstärkers 8 gekoppelt ist. Der Wert der Spannung V_ref wird so gewählt, daß er wenig oberhalb des Wertes liegt, auf den V_c3 absinken kann. Dadurch wird an einem Punkt während jedes Arbeitszyklus die Spannung V_C3 unter die Spannung V _ef absinken, um den Schaltzustand des Rechenverstärkers 8 zu ändern. Ein bequemer Spannungswert für die Spannung V _ef ist ein Wert, der geringfügig oberhalb der Maximalspannung des Eingangsspannungsbereichs liegt, welche über dem Widerstand 29 erscheint.

Wenn der Rechenverstärker 8 seinen Schaltzustand ändert, ändert sich das Potential an seinem Ausgangsanschluß 36 von einem niedrigen Schaltzustand, beispielsweise 0 Volt, auf einen hohen Schaltzustand, d.h. auf ein Potential, welches in der Lage ist, den Transistor 10 einzuschalten. Die Spannung

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V - wird von einem Spannungsteiler geliefert, der ein Paar

von Widerständen 37 und 38 umfaßt, die in Reihe zwischen die Spannungsquelle 6 und den Ausgangsanschluß des Rechenverstärkers 8 geschaltet sind. Der Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 37 und 38 ist mit dem nicht-umkehrenden Eingangsanschluß 35 verbunden. Wenn sich der Ausgang des Recheηverstärkers 8 in dem hohen Schaltzustand befindet, bewirkt der Widerstand 38 eine positive Rückkopplung auf den Eingangsanschluß 35, um eine vorgebbare Hysterese zwischen den Umschaltpunkten des Recheηverstärke rs 8 zu erhalten.

Der Ausgangsanschluß 36 des Rechenverstärkers 8 ist über einen Widerstand 40 an die Basis des Transistors 10 gekoppelt, Der Emitter des Transistors 10 ist mit Masse verbunden und der Kollektor ist mit dem Ausgangsanschluß 12 verbunden. Der Ausgangsanschluß 12 ist durch die in Reihe geschalteten Widerstände 42 und 44 mit der Spannungsquelle 6 verbunden. Wenn daher der Transistor 10 gesperrt ist, besitzt die Spannung V . am Ausgangsanschluß 12 (s. Figur 2c) einen ersten Wert, welcher etwa gleich dem Wert der Spannungsquelle 6 ist. Wenn der Transistor 10 durch eine Änderung des Schaltzustandes des Rechenverstärkers 8 eingeschaltet wird, wird der Ausgangsanschluß 12 mit MassepotentIaI verbunden. Die Ausgangsspannung V . nimmt dann ihren zweiten Wert an und es wird ein Ausgangsimpuls ausgelöst.

Der Kollektor des Transistors IO ist noch durch den Widerstand 44 mit der Basis des PNP-Transistors 14 verbunden. Die Emitter-Kollektorschaltung des Transistors 14 ist über den Kondensator 3 geschaltet. Wenn daher der Transistor 10 eingeschaltet wird und das Potential an seinem Kollektor praktisch auf Massepotential absinkt, schaltet sich der Transistor 14 ein und entlädt den Kondensator 3. Bei der Entladung des Kondensators 3 erhöht sich die Spannung V_cg und führt den Rechenverstärker 8 zu seinem ursprünglichen Schaltzustand zurück. Daher werden die Transistoren 10 und 14 gesperrt, der

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Spannungswert V . am Ausgangsanschluß 12 kehrt auf seinen ersten Wert zurück und der Ausgangsimpuls wird beendet. Die ZeitVerzögerungen in der Schaltung gewährleisten, daß eine hinreichende Periode des Stromdurchgangs für den Kondensator 14 zur Entladung des Kondensators 3 vorhanden ist. Die Änderung der Spannung an dem Ausgangsanschluß 12 von dem ersten Wert auf den zweiten Wert bildet die Auslösung des ersten Teils einer Periode des Ausgangsimpulses und die Rückkehr der Spannung auf den ersten Wert bildet den Beginn des zweiten Teils einer Periode des Ausgangsimpulses. Die Impulsfolgefrequenz am Ausgangsanschluß 12 bildet die Ausgangsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators.

Der spannungsgesteuerte Oszillator nach Figur 1 erzeugt eine Ausgangsfrequenz, die genau dem augenblicklichen, am Eingangsanschluß 1 anliegenden positiven Spannungswert entspricht Infolge von Leckströmen in dem Kondensator 3 ist die Schaltung jedoch in der Lage, eine niederfrequente Ausgangsspannung sogar dann zu erzeugen, wenn die Eingangsspannung auf einen negativen Wert absinkt, der eine Neigung zeigt, den Transistor 28 zu sperren. In bestimmten Anwendungsfällen, in denen diese niederfrequente Ausgangsspannung nicht erwünscht ist, wird ein einpoliger Umschalter 46 verwendet, um die Vorrichtung B für die Auswertung der Ausgangsfrequenz von dem Ausgangsanschluß 12 abzutrennen und sie an den Ausgangsanschluß 15 des NAND-Gatters 13 anzuschließen. Das NAND-Gatter 13 hat einen ersten Eingangsanschluß 47, der mit dem Ausgangsanschluß '12 verbunden ist, und einen zweiten Eingangsanschluß 48, der mit dem Anschlußpunkt 17 verbunden ist. Der Anschluß 17 ist mit dem Kollektor des Transistors verbunden. Die Basis des Transistors 16 ist mit Massepotential verbunden und sein Emitter an den vom Rechenverstärker entfernten Anschluß des Widerstandes 25 geschaltet. Der Kollektor ist über einen Widerstand 49 mit der Spannungsquelle verbunden.

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Wenn die Eingangsspannung am Anschluß 1 auf einen negativen Wert geht, erscheint am Anschluß 23 eine negative Spannung. Der daraus resultierende negative Strom durch den Widerstand 25 neigt dazu, den NPN-Transistor 16 einzuschalten und den Transistor 28 zu sperren. Daher sinkt die Spannung am Anschluß 17 von einem Spannungswert gleich der Spannung der Quelle 6, der einem logischen Wert 1 entspricht, praktisch auf Massepotential, welches dem logischen Wert 0 entspricht. Daher geht die Eingangsspannung am Anschluß 48 des NAND-Gatters 13 auf einen logischen Wert 0. Da ein NAND-Gatter eine Ausgangsspannung mit einem Wert entsprechend dem logischen Wert 1 erzeugt, wenn einer der beiden Eingänge eine logische 0 besitzt, kann an dem Ausgangsanschluß 15 unabhängig von der am Ausgangsanschluß 12 an den Eingangsanschluß abgegebenen Eingangsspannung nur ein Spannungswert entsprechend dem logischen Wert 1 erscheinen. Da dieser logische Wert dem zuvor beschriebenen ersten Spannungswert am Ausgangsanschluß 12 entspricht, werden keine Ausgangsimpulse erzeugt und der spannungsgesteuerte Oszillator ist funktionsunfähig gemacht.

Wenn die Eingangsspannung wieder einen positiven Wert annimmt, wird der Transistor 16 gesperrt und die Eingangsspannung am Anschluß 48 des NAND-Gatters 13 kehrt auf einen Wert entsprechend der logischen Eins zurück. Daher wird der normale Betrieb der Schaltung wieder aufgenommen. Das NAND-Gatter 13 erzeugt jedoch an dem Ausgangsanschluß 15 eine Ausgangsspannung, welche umgekehrt ist gegenüber der Spannung am Anschluß 12. Insbesondere liefert der Eingangsanschluß 47 jedesmal dann einen Wert entsprechend der logischen Null an das NAND-Gatter 13, wenn der Spannungswert am Ausgangsanschluß 12 von dem ersten Wert auf den zweiten Wert geht, welcher einer logischen Null entspricht. Daher erscheint am Ausgangsanschluß 15 ein logischer Wert 1 entsprechend dem ersten Spannungswert. Das Vorhandensein des logischen Wertes 1 an dem Ausgangsanschluß 15 zu diesem Zeitpunkt bildet den ersten

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Teil der Periode des umgekehrten Ausgangsimpulses. Wenn der Spannungswert am Ausgangsanschluß 12 auf seinen ersten Wert zurückkehrt, wird dem NAND-Gatter 13 am Eingangsanschluß 47 ein Wert entsprechend der logischen Eins zugeführt und am Ausgangsanschluß 15 erscheint ein Wert entsprechend 0. Dieser logische Wert 0 entspricht dem zweiten Spannungswert und bildet den zweiten Teil der Periode des umgekehrten Ausgangsimpulses. Die Impulsfolgefrequenz an dem Ausgangsanschluß ist die gleiche wie am Ausgangsanschluß 12,

Es ist zu beachten, daß das am Anschluß 17 erscheinende Ausgangssignal auch dazu verwendet werden könnte, um andere passende Vorrichtungen zu steuern, die den spannungsgesteuerten Oszillator funktionsunfähig machen. Die Quelle der Fingangsspannung A kann eine Wechselspannungswelle abgeben oder eine variable oder feste Gleichspannung. Der spannungsgesteuerte Oszillator entsprechend Figur 1 wird eine Ausgangsfrequenz erzeugen, welche dem augenblicklichen Wert einer am Eingangsanschluß zugeführten positiven Spannung entspricht und wird kein Ausgangssignal abgeben, wenn die Spannung am Fingangsanschluß 1 auf einem negativen Wert liegt.

Figur 2 zeigt die drei Arbeitsperioden des spannungsgesteuerten Oszillators. Figur 2a zeigt die Spannung Vp₃. Die Figur 2b zeigt den Schaltzustand des Ausgangsanschlusses 36 des Rechenverstärkers 8 und die dort herrschende Spannung V„ . Die Figur 2c zeigt die Ausgangsspannung V _u- am Ausgangsanschluß 12. Die an dem Ausgangsanschluß 15 erscheinende Wellenform ist in Figur 2 nicht wiedergegeben, da sie lediglich ein umgekehrtes Abbild der Kurve der Figur 2c darstellt. Für diese Darstellung sei angenommen, daß die Quelle A eine augenblickliche Spannung von +3 Volt an den Eingangsanschluß 1 liefert und der Ausgangsanschluß 12 eine Spannung V . mit

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einer Frequenz von 5000 Hz an die Vorrichtung B zur Auswertung der Ausgangsfrequenz abgibt.

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In Figur 2a stellt die nach oben verlaufende Stufe der Spannung die Entladung des Kondensators 3 dar. Für die Analyse sei angenommen, daß der Kondensator 3 gerade entladen worden ist und der Transistor 14 sperrt. Die Spannung V_c3 ist dann auf dem Spitzenwert der in Figur 2a gezeigten Wellenform. Wie oben erläutert, lädt sich der Kondensator 3 mit einer Geschwindigkeit auf, die proportional der am Anschluß 1 zugeführten Fingangsspannung ist. Da der Kondensator 3 durch die Stromquelle 2 aufgeladen wird, sinkt die Spannung Vp₃ linear ab. Die Neigung der Wellenform der Spannung V_c3 ist proportional der Fingangsspannung. Wenn Vpo unterhalb des Wertes von V ~ absinkt, ändert der Re ehe η verstärker 8 seinen

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Schaltzustand und sein Ausgang 36 geht von einem niedrigen Zustand auf einen hohen Zustand (Figur 2b). Daher schaltet der Transistor 10 ein und bringt die Ausgangsspannung V . auf Massepotential.

Wenn an der Basis des Transistors 14 Massepotential anliegt, schaltet er ein und entlädt den Kondensator 3. Mit der Entladung des Kondensators 3 erhöht sich die Spannung Vp₃ schnell (Figur 2a) und wenn die Spannung am Anschluß 34 des Rechenverstärkers 8 die Spannung am Anschluß 35 übersteigt, kehrt der Ausgang 36 des Rec hen verstärke rs 8 auf seinen niedrigen Schaltzustand zurück, sperrt den Transistor 10 und beendet den Ausgangsimpuls. Daher geht der Spaimungswert an der Basis des Transistors 14 wieder auf einen positiven Wert, sperrt den Transistor und ein neuer Arbeitszyklus des spannungsgesteuerten Oszillators kann beginnen. Durch die Zeitverzögerung innerhalb der Schaltung steht eine ausreichende Zeit zur Entladung des Kondensators 3 zwischen dem Einschalten des Transistors 14 und dem Sperren des Transistors zur Verfügung. Ein weiterer Gewinn an Zeit für die Entladung des Kondensators 3 ergibt sich als Ergebnis der positiven Rückkopplung mit dem Widerstand 38, da die Spannung Vp₃ auf einen Wert ansteigen muß, der etwas höher ist als die Spannung V_ref, um den Rechenverstärker 8 wieder in seinen ursprünglichen Zustand zurückzuschalten.

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In Figur 2 wird gezeigt, daß die Änderungen des Zustandes des Bechenverstärkers 8 und der Ausgangsspannung infolge der Änderungen des Zustandes des Transistors 10 eine gewisse Zeit nach dem Zeitpunkt auftreten, an dem die Spannung V_Cq auf einen Wert unterhalb der Spannung V^« absinkt oder auf einen Wert oberhalb dieser Spannung zurückkehrt. Dies erfolgt, um die Zeitverzögerungen in der Schaltung zu veranschaulichen. Da jedoch die drei Wellenformen der Figur 2 innerhalb einer Zeitspanne von einer Millisekunde auftreten können und die ZeitVerzögerungen in der Schaltung in der Größenordnung von MikroSekunden liegen, ist zu beachten, daß die Figur 2 lediglich eine anschauliche Darstellung der Arbeitsweise der Schaltung enthält und nicht ein genaues Zeitdiagramm darstellt.

Figur 3 zeigt eine andere Ausführurigsform der Erfindung, welche eine größere Vielseitigkeit erzielt. Dies geschieht dadurch, daß die Spannung V_co, welche auch die Kollektorspannung des Transistors 28 bildet, anstatt mit einer festen Bezugsspannung mit der Basisspannung des Transistors 28 verglichen wird. In der Ausführungsform nach Figur 1 wird eine Bezugsspannung V _f gewählt, welche um einen geeigneten Spannungswert, beispielsweise 0,5 Volt neben der maximalen über dem Widerstand 29 liegenden Spannung liegt. In der Ausführungsform nach Figur 3 wird diese Bezugspannung stets dadurch erhalten, daß die Basisspannung des Transistors 28 als Bezugsspannungsquelle ausgenutzt wird. Weiterhin ist anstelle des Transistors 16 ein bistabiles Schaltelement mit einem Transistor 56 vorgesehen, um den spannungsgesteuerten Oszillator außer Betrieb zu setzen, wenn die Spannung am Eingangsanschluß auf einen negativen Wert geht. In Figur 3 werden die gleichen Bezugsziffern zur Bezeichnung der gleichen Schaltungsteile wie in Figur 1 verwendet, wenn diese in der gleichen Weise arbeiten. Nachstehend wird die Figur 3 erörtert bezüglich der Mittel, mit denen der Rechenverstärker 8 geschaltet wird und der Art und Weise, in der der Transistor 56 verwendet wird.

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Die Bezugsspannung V _f wird auf den Eingangsanschluß 35 des Rechenverstärkers 8 dadurch gegeben, daß ein Widerstand 57 zwischen die Basis des Transistors 28 und den Eingangsanschluß 35 geschaltet ist. Der Eingangsanschluß 34 des Recheηverstärkers 8 ist über den Widerstand 32 mit dem Anschluß 4 verbunden. Da die Spannung V_C3 auch die Kollektorspannung des Transistors 28 anzeigt und mit einer Spannung V „,. ver-

rex

glichen wird, die praktisch der Basisspannung entspricht, wird die Sättigung des Transistors 28 erfaßt. Mit der Aufladung des Kondensators 3 verringert sich die Spannung Vp₃. Da die Basisspannung des Transistors 28 stets gleich dem Spannungsabfall über der Basis-Emitterstrecke plus der Fingangsspannung ist, liegt der Wert der Bezugsspannung V „, die dem Eingangsanschluß 35 zugeführt wird, stets oberhalb des Wertes des maximalen Spannungsabfalls über dem Widerstand 29. Wie daher im Zusammenhang mit Figur 1 erläutert, liegt die Spannung V _f stets unterhalb des Wertes, auf den sich die Spannung Vp₃ während jedes Arbeitszyklus verringern kann. Da V _f nicht festgelegt ist, sondern durch die Eingangsspannung bestimmt wird, ist sie stets auf einem gewünschten Wert, so daß der Rechenverstärker 8 auf die Spannung Vp₃ anspricht und einen Ausgangsimpuls auslöst.

Der NPN-Transistor 56 ist vorgesehen, um den spannungsgesteuerten Oszillator funktionsunfähig zu machen, wenn die Eingangsspannung am Anschluß 1 auf einen negativen Wert geht. Die Basis des Transistors 56 ist mit Masse verbunden, der Kollektor ist mit der Basis des Transistors 10 verbunden und der Emitter ist an den Anschlußpunkt des Widerstands 25 angeschlossen, der entfernt von dem Rechenverstärker 20 liegt. Wenn die Eingangsspannung auf einen negativen Wert geht, schaltet der Transistor 56 ein und hält die Basis des Transistors 10 auf einem niedrigen Wert, um seine Umschaltung zu verhindern. Daher können keine Ausgangs impulse erzeugt werden.

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Die vorstehend beschriebene Erfindung liefert einen spannungsgesteuerten Oszillator, der äußerst einfach in seinem Aufbau ist. Infolge der geringen Zahl der verwendeten Bauelemente wird die Ansprechzeit des spannungsgesteuerten Oszillators auf die Eingangsspannung verringert und er besitzt dadurch einen viel größeren Frequenzbereich als bekannte spannungsgesteuerte Oszillatoren. Beispielsweise wurde ein spannungsgesteuerter Oszillator entsprechend Figur 3 aufgebaut , der bei einem Eingangsspannungsbereich von O bis 3 Volt eine Ausgangsfrequenz von 20 Hz bis 5000 Hz erzeugt und die folgenden Bauteile besitzt:

Widerstand 24 ....... 10 kOhm

Widerstand 25 ........... 5 kOhm

Widerstand 29 . . . .. 500 0hm

Widerstand 30 ........... 10 kOhm

Widerstand 32 .... ... 10 kOhm

Widerstand 40 ............ 1 kOhm

Widerstand 42 .. 1 kOhm

Widerstand 44 ....500 0hm

Widerstand 57 10 kOhm

.-Kondensator 3 V...........0,1 /UF Rechen verstärker 8 .... λιΑ7Ο2Α Rechen verstärker 20 ... /UA741 Transistor 28 ......... 2N3417 Transistor 10 ......... 2N3417 Transistor 56 ......... 2N3417

Transistor 14 ...... 2N5367

Spannungsquelle 6 ..... +5 Volt Gleichspannung

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In den Schaltungen nach den Figuren 1 und 3 können die verschiedensten Modifikationen durchgeführt werden, um einen erfindungsgemäßen spannungsgesteuerten Oszillator aufzubauen, Beispielsweise kann der Kollektor des Transistors 28 anstatt der direkten Verbindung mit dem Kondensator 3 mit einem Feldeffekttransistor verbunden werden, der zwischen den Kondensator 3 und den Widerstand 29 geschaltet ist. Viele andere Modifikationen sind möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

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Claims (1)

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   Patentansprüche

   (11 Spannungsgesteuerter Oszillator zur Einschaltung zwischen eine Quelle für die Eingangsspannung und eine Vorrichtung zur Auswertung der Ausgangsfrequenz, dad u rc h ge k e η η ze i c h η e t , daß er umfaßt:

   a) einen Kondensator (3) zur Verbindung mit einer Gleichspannungsquelle (6),

   b) eine Stromquelle (2), von der ein Eingangsansehluß mit der Quelle (A) für die Eingangsspannung verbunden ist und die mit dem Kondensator (3.) zur Steuerung der Größe des Ladestroms des Kondensators in Abhängigkeit von der Größe der Eingangsspannung verbunden ist,

   c) eine Komparatorschaltung (8) mit einem ersten Eingangsansehluß (34), der so geschaltet ist, daß er auf den Spannungsabfall am Kondensator (3) anspricht und einem zweiten Eingangsansehluß (35), der mit einer Bezugs- . Spannungsquelle (37, 38) verbunden ist und einem Ausgangsanschluß (36), wobei sich der Spannungszustand am Ausgang (36) des !Comparators (8) von einem ersten Wert auf einen zweiten Wert ändert, wenn die Spannung an ihrem ersten Eingang (34) einen vorgegebenen Wert bezüglich des Bezugspotentials erreicht* ■

   d) ein erstes bistabiles Schaltelement (10), dessen Steueranschluß an den Ausgang (36) des * !Comparators (8) gekoppelt ist, so daß das Element (10) seinen .Schaltzustand bei einer Änderung des Ausgangszustandes des Komparators ändert j und

   e) eine Vorrichtung (14), die in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung am Komparator (8) den Kondensator (3) entlädt, wenn sich der Ausgang des Komparators von dem ersten Zustand zu dem zweiten Zustand ändert, um den Ausgang der Komparatorschaltung in seinen ersten Schaltzustand zurückzuführen.

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   2. Spannungsgesteuerter Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daßdie Komparatorschaltung (8) einen Rechenverstärker umfaßt, von dem der erste Eingangsanschluß (34) mit dem Anschluß (4) des Kondensators (3) verbunden ist, an dem sich die Spannung bei der Aufladung des Kondensators ändert, und der weiterhin eine Vorrichtung (38) zur positiven Rückkopplung von dem Ausgangsanschluß (36) auf den zweiten Eingangsanschluß (35) besitzt.

   3. Spannungsgesteuerter Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daßdie Stromquellenschaltung (2) einen Rechenverstärker (20) mit einem ersten (22) und zweiten (21) Fingangsanschluß und einem Ausgangsanschluß (23) umfaßt und die Basis eines Transistors (28) an den Ausgangsanschluß (23) des Recheηverstärkers (20) gekoppelt ist und sein Emitter-Kollektorkreis in Reihe zwischen dem Kondensator (3) und einen Spannungswert geschaltet ist, der sich von dem Wert der Gleichspannungsquelle (6) unterscheidet, wobei noch der erste Eingangsanschluß (22) des Rechen Verstärkers mit dem Emitter des Transistors (28) und der zweite Eingangsanschluß (21) des Rechenverstärkers mit der Quelle (A) für die Eingangsspannung verbunden ist.

   4. Spannungsgesteuerter Oszillator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daßdie Komparatorschaltung einen Rechenverstärker (8) umfaßt, dessen erster Fingangsanschluß (34) mit dem Anschlußpunkt (4) des Kondensators (3) verbunden ist, an dem sich bei der Aufladung des Kondensators die Spannung ändert.

   5. Spannungsgesteuerter Oszillator nach Anspruch 4, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß er eine Vorrichtung (38) zur positiven Rückkopplung vom

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   Ausgangsanschluß (36) des Komparator-RechenVerstärkers (8) zum zweiten Eingangsanschluß (35) besitzt.

   6. Spannungsgesteuerter Oszillator nach Anspruch 3, weiterhin gekennzeichnet durch ein zweites bistabiles Schaltelement (16), das zwischen den Ausgangsanschluß (23) des Rechenverstärkers (20) und die Gleichspannungsquelle (6) geschaltet ist zur Erzeugung einer Ausgangsspannung, welche für die Abschaltung des spannungsgesteuerten Oszillators verwenden werden kann, wenn der Ausgang (23) des Rechen verstärke rs eine Polarität geeignet zur Sperrung des Transistors (28.) besitzt.

   7. Spannungsgesteuerter Oszillator nach Anspruch 6,· dadurch ge kennzeichne t , daß er ein NAND-Gatter (13) mit einem Ausgangsanschluß (15) zur Verbindung mit der Vorrichtung (B) zur Weiterverarbeitung der Ausgangsfrequenz besitzt, sowie einen ersten Eingangsanschluß (47), der mit dem ersten bistabilen Schaltelement (10) verbunden ist und einen zweiten Eingangs&E.-'^nß (48), der mit dem Ausgang des zweiten bistabilen Schaltelements (16) verbunden ist, wodurch keine Ausgangsimpulse für die Vorrichtung (B) zur Auswertung der Ausgangsfrequenz abgegeben werden, wenn der Ausgang des Reeheηverstärkers (8) eine Polarität besitzt, welche den Transistor (10) abschaltet.

   8. Spannungsgesteuerter Oszillator nach Anspruch 3, weiterhin g e k e n.n ζ e i c h net d a du roh , daß er ein zweites bistabiles Schaltelement (16) besitzt, das

   ■β ... ■■'■-'

   zwischen den Ausgangsanschluß (23) des Rechenverstärkers (20) und das erste bistabile Schaltelement (10) geschaltet ist, um das erste bistabile Schaltelement gesperrt zu halten, wenn der Ausgang des Rechenverstärkers (20) eine Polarität besitzt, welche den Transistor (28) sperrt.

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   9. Spannungsgesteuerter Oszillator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Komparatorschaltung einen Rechenverstärker (8) mit einem ersten Fingangsanschluß (34) besitzt, der an den Anschluß (4) des Kondensators (3) angekoppelt ist, an dem sich mit der Aufladung des Kondensators die Spannung ändert, und einen zweiten Eingangsanschluß (35) besitzt, der mit der Basis des Transistors (28) der Stromquellenschaltung (2) verbunden ist.

   10. Spannungsgesteuerter Oszillator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daßerein zweites bistabiles Schaltelement (56) enthält, welches zwischen den Ausgangsanschluß (23) des Rechenverstärkers (20) der Stromquellenschaltung (2) und das erste bistabile Schaltelement geschaltet ist, um das erste bistabile Schaltelement (10) gesperrt zu halten, wenn der Ausgangsanschluß des Rechen verstärke rs eine Polarität besitzt, welche den Transistor (28) der Stromquelle sperrt.

   11. Spannungsgesteuerter Oszillator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Ausgangsspannung vom Komparator (8) ansprechende Vorrichtung zur Entladung des Kondensators (3) einen Transistor (14) umfaßt, dessen Emitter-Kollektorkreis über den Kondensator (3) geschaltet ist und dessen Basis an das erste bistabile Schaltelement (10) angeschlossen ist.

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