DE2135802C3

DE2135802C3 - Voltage controllable relaxation oscillator

Info

Publication number: DE2135802C3
Application number: DE19712135802
Authority: DE
Inventors: Dietrich Dipl.-Ing 2000 Hamburg Meyer-Ebrecht
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Filing date: 1971-07-17
Publication date: 1978-02-02

Description

Die Erfindung betrifft einen Relaxationsoszillator mit durch eine oder mehrere äußere Spannungen steuerbarer Frequenz, bestehend aus einem Integrator mit einem Eingang und einem Referenzeingang und einer Komparatoreinrichtung, deren Eingang mit dem Ausgang des Integrators verbunden ist und deren Ausgang einen elektronischen Umschalter ansteuert, der dem Eingang des Integrators jeweils eine von zwei Spannungen zuführt.The invention relates to a relaxation oscillator which can be controlled by one or more external voltages Frequency, consisting of an integrator with an input and a reference input and a comparator device, whose input is connected to the output of the integrator and whose output is a electronic changeover switch controls the input of the integrator one of two voltages feeds.

In frequenzanalogen Meßsystemen, in denen aus Gründen der Störsicherheit und einfachen Digitalisierbarkeit statt der Amplitude einer elektrischen Große deren Frequenz bzw. Periodendauer die Meßinformation trägt, werden zur Umformung einer Spannung oder eines Stromes in eine Frequenz vor allem spezielle Relaxationsoszillatoren als Meßgrößenwandler eingesetzt Bei Relaxationsoszillaioren haben allgemein die Parameter aktiver Elemente (z. B. Schwellwertschalter) einen wesentlichen Einfluß auf die Schwingfrequenz. Die Inkonstanz dieser Parameter (z. B. Temperaturdrift,In frequency-analog measuring systems, in which for reasons of interference immunity and easy digitization instead of the amplitude of an electrical quantity, its frequency or period is the measurement information are especially special for converting a voltage or a current into a frequency Relaxation oscillators used as transducers. In relaxation oscillators, the Parameters of active elements (e.g. threshold switches) have a significant influence on the oscillation frequency. The inconsistency of these parameters (e.g. temperature drift,

ίο Alterung) erfordert aufwendige Maßnahmen (Thermostaten, Kompensationsschaltungen), wenn hohe Präzision der Umformungskennlinie angestrebt wird.ίο aging) requires complex measures (thermostats, Compensation circuits) if high precision of the deformation characteristic is desired.

Es sind bereits Schaltungsanordnungen für Relaxationsoszillatoren bekannt, mit denen bei geringemThere are already circuit arrangements for relaxation oscillators known with which at low

■ 5 Schaltungsaufwand diese unerwünschten Einflüsse in hohem Maße eliminiert werden. Sie beschränken sich jedoch auf impedanzgesteuerte Oszillatoren.■ 5 circuit complexity, these undesirable influences can be largely eliminated. You limit yourself but on impedance controlled oscillators.

Auch Relaxationsoszillatoren mit spannungssteuerbarer Frequenz sind bereits bekannt (FR-PS 15 27 133 oder FR-PS 15 86 096), wo der Eingang des Integrators über einen Schalter aus Transistoren oder Feldeffekttransistoren abwechselnd an eine von zwei Spannungen gelegt wird. Diese Schalter werden von einer Komparatoreinrichtung angesteuert, die für den oberen und den unteren Endpunkt der Dreieckspannung jeweils einen Komparator enthält. Es ist jedoch praktisch nicht möglich bzw. sehr aufwendig, zwei völlig gleiche Komparatoren zu bauen, sondern sie werden sich immer in der Verstärkung oder besonders im Offset, auch in deren Abhängigkeit von Temperatur und Alterung unterscheiden. Dies bewirkt eine Verschiebung der Endpunkte der Dreieckspannung gegeneinander und damit eine Änderung der Frequenz. Mit den bekannten Schaltungen ist es also nicht möglich, eine stets reproduzierbare Umwandlung von Spannung in Frequenz zu erzeugen.Relaxation oscillators with a voltage controllable frequency are already known (FR-PS 15 27 133 or FR-PS 15 86 096), where the input of the integrator via a switch made of transistors or field effect transistors is alternately applied to one of two voltages. These switches are made by a comparator device controlled, one for each of the upper and lower endpoints of the triangular voltage Contains comparator. However, it is practically impossible or very expensive to have two completely identical To build comparators, but they will always be in the gain or especially in the offset, also in differentiate between their dependence on temperature and aging. This causes a shift in the End points of the triangular voltage against each other and thus a change in frequency. With the known It is therefore not possible for circuits to convert voltage into frequency in a reproducible manner to create.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Steuerbarkeit der Frequenz oder der Periodendauer durch eine Spannung oder einen Strom zu erzielen, ohne daß die dazu zusätzlichen erforderlichen Funktionselemente infolge ihrer nicht idealen Eigenschaften zusätzliche Fehler verursachen. Angestrebt wird die Realisierung von hoehpräzisen, umweltunabhängigen spannungs- oder stromsteuerbaren Meßoszillatoren unter weitgehender Verwendung üblicher, nicht kostspieliger Bauelemente und unter Anwendung integrierter und hybrider Technologien.The aim of the present invention is the controllability of the frequency or the period by a To achieve voltage or a current without the additional necessary functional elements cause additional errors due to their non-ideal properties. The aim is to achieve this of high-precision, environment-independent voltage or current-controllable measuring oscillators with extensive use of conventional, inexpensive components and using integrated and hybrid technologies.

Dies wird bei einem Relaxationsoszillator nach der Erfindung dadurch erreicht, daß die Komparatoreinrichtung einen Komparator mit einem Eingang und nur einem Referenzeingang enthält, der sowohl beim Überschreiten wie auch beim Unterschreiten der Spannung am Eingang gegenüber der Spannung am Referenzeingang seinen Ausgangszustand wechselt, undThis is achieved in a relaxation oscillator according to the invention in that the comparator device contains a comparator with one input and only one reference input, which is used by both Exceeding as well as falling below the voltage at the input compared to the voltage at Reference input changes its initial state, and

:i5 daß dem Referenzeingang des Komparators ein parallel mit dem Umschalter vor dem Eingang des Integrators angesteuerter Umschalter vorgeschaltet ist, der diesem Referenzeingang jeweils eine von zwei Spannungen zuführt.: i5 that the reference input of the comparator a parallel with the changeover switch in front of the input of the integrator controlled changeover switch is connected upstream of this Reference input supplies one of two voltages.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigtEmbodiments of the invention are explained with reference to the drawing. It shows

F i g. 1 das der Erfindung zugrunde liegende Prinzipschaltbild, F i g. 1 the basic circuit diagram on which the invention is based,

Fig. 2 das dazugehörende Spannung-Zeit-Dia-Fig. 2 the associated voltage-time slide

f>5 gramm,f> 5 grams,

Fig. 3 u. 4 ausführlichere Schaltbilder eines Relaxationsoszillators, 3 and 4 more detailed circuit diagrams of a relaxation oscillator,

F i g. 5 die Anwendung in einer Brückenschaltung.F i g. 5 the application in a bridge circuit.

Der Relaxationsoszillator.in Fig. 1 besteht aus einem Integrator, der durch einen mit Eingangswiderstand R und Gegenkopplungskondensator C beschalteten Operationsverstärker Vi gebildet ist, und einer Komparatoreinrichtung £ Der Eingang des Integrators wird mit einem Umschalter Si zwischen den beiden Spannungsquellen U\ und LV umgeschaltet Die Ausgangsspannung U, des Integrators wird der Komparatoreinrichtung zugeführt, die einen Komparator K mit einem Eingang ma nur einem Referenzeingang enthält Ein derartiger Komparator wird z. B. ebenfalls durch einen Operationsverstärker dargestellt, dem gegebenenfalls zur Versteilerung der Flanken der Ausgangsspannung ein Schmitt-Trigger nachgeschaltet wird oder dem durch entsprechende Beschallung derartige Eigenschaften gegeben werden können. Der Referenzeingang wird mit einem zweiten Umschalter S₂ zwischen den Spannungsquellen U₂ und UJ umgeschaltet. Die beiden Schalter bilden je einen doppelpoligen Umschalter, der vom Ausgangssignal der Komparatoreinrichtung E gesteuert wird.The relaxation oscillator in Fig. 1 consists of an integrator, which is formed by an operational amplifier Vi connected to an input resistor R and negative feedback capacitor C , and a comparator device £ The input of the integrator is switched with a switch Si between the two voltage sources U \ and LV Output voltage U, of the integrator is fed to the comparator device, which contains a comparator K with an input ma only one reference input. B. also represented by an operational amplifier, which may be followed by a Schmitt trigger to steepen the edges of the output voltage or to which such properties can be given by appropriate sound reinforcement. The reference input is switched between the voltage sources U ₂ and UJ with a second switch S _2. The two switches each form a double-pole changeover switch which is controlled by the output signal of the comparator device E.

Diese Schaltung arbeitet nur, wenn folgende Bedingungen erfüllt sind:This circuit only works if the following conditions are met:

£/, < 0, U_x ¹ > 0, LZ₂ > U₂'. _2S £ /, <0, U _x ¹ > 0, LZ ₂ > U ₂ '. _2S

Bei der in F i g. 1 gezeichneten Schalterstellung ist die Ausgangsspannung U, des Integrators we^en der negativen Integratoreingangsspannung U\ eine positive Rampe (Schwingungsphase 71 in F i g. 2). Erreicht U₁ die Referenzspannung des Komparators K, die jetzt U- ist, dann schaltet die Komparatoreinrichtung die Schalter S[ und S₂ um. Damit liegt der Eingang des Integrators nun an der positiven Spannung LV und der Referenzeingang des Komparators K an der Spannung Ui. Die positive Integratoreingangsspannung erzeugt eine negative Rampe der Ausgangsspannung L/,(Schwingungsphase T₂ in Fig.2). Der Komparator schaltet zurück, wenn U₁ die Spannung U₂ am Referenzeingang des Komparators erreicht hat. Damit führt die Ausgangsspannung Ui eine Dreieckschwingung zwischen den Grenzwerten Ut und UJ aus. Ihre Periode 7o ist eine Funktion der Spannungen LV LV. U₂ und UJ und der Integratorzeitkonstanten R ■ C: In the case of the in FIG. 1 is the switch position shown, the output voltage U, of the integrator we ^ en the negative integrator input voltage U \ a positive ramp (oscillation phase 71 in FIG. 2). If U _{1 reaches} the reference voltage of the comparator K, which is now U- , the comparator device switches the switches S [ and S ₂ over. The input of the integrator is now connected to the positive voltage LV and the reference input of the comparator K is connected to the voltage Ui. The positive integrator input voltage generates a negative ramp of the output voltage L /, (oscillation phase T ₂ in FIG. 2). The comparator switches back when U _{1 has reached} the voltage U ₂ at the reference input of the comparator. The output voltage Ui thus carries out a triangular oscillation between the limit values Ut and UJ . Its period 7o is a function of the voltages LV LV. U ₂ and UJ and the integrator time constants R ■ C:

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Dieser Oszillator ist unempfindlich gegen Spannung- und Stromoffset der Verstärker. Ein Offset zwischen den Eingängen des Komparators K verschiebt nur die beiden Grenzen der Dreieckschwingung gleichzeitig, beeinflußt jedoch nicht deren Amplitude und damit deren Periode; ein Offset des Integratorverstärkers wird dann näherungsweise eliminiert, wenn die Schwingung symmetrisch ist, wenn also LZi = -LV ist.This oscillator is insensitive to the voltage and current offset of the amplifier. An offset between the inputs of the comparator K only shifts the two limits of the triangular oscillation at the same time, but does not affect its amplitude and thus its period; an offset of the integrator amplifier is approximately eliminated when the oscillation is symmetrical, that is, when LZi = -LV.

In F i g. 3 ist dargestellt, wie die Umschalter 5i und S₂ mit geringem Aufwand so realisiert werden, daß die nichtidealen Eigenschaften der verwendeten Bauelemente praktisch keinen Einfluß auf die Oszillatorfrequenz haben. Die Umschalter Si und 52 werden durch jeweils zwei Feldeffekttransistoren Fi, Fi' und F₂, FJ (z. B. MOSFET's) gebildet, wobei von einer Ansteuerschaltung 5 in der Komparatoreinrichtung E die Transistoren Fi und F₂ gegenüber Fi' und F₂' im Gegentakt angesteuert werden. Feldeffekttransistoren (>s erzeugen i eine Offsetspannungen, haben je· ch auch im leitenden Zustand erhebliche Innenw rstände. Damit der Eingangsstrom des Integrators nicht über den Schalter fließt und dabei einen die Eingangsspannung verfälschenden Spannungsabfall erzeugt, wird der Schalter Su also die Feldeffekttransistoren Fi und Fi' durch einen Verstärker V₂ mit hohem Eingangswiderstand vom Integrator entkoppelt Dies kann ein Operationsverstärker sein, wie in F i g. 3 dargestellt der als Impedanzwandler mit der Verstärkung 1, d.h. als Spannungsfolger geschaltet ist da die Spannungen LZi und LV praktisch immer genügend groß gewählt werden können. Auch ein Offset dieses Verstärkers führt nur zu einer kleinen Unsymmetrie der Dreieckschwingung und somit nur zu einem Fehler zweiter Ordnang.In Fig. 3 shows how the changeover switches 5i and S _{2 are implemented} with little effort so that the non-ideal properties of the components used have practically no influence on the oscillator frequency. The changeover switches Si and 52 are each formed by two field effect transistors Fi, Fi 'and F ₂ , FJ (e.g. MOSFETs), with the transistors Fi and F ₂ opposite Fi' and F ₂ 'from a control circuit 5 in the comparator device E are driven in push-pull. Field effect transistors (> s generate offset voltages, but have considerable internal resistances even in the conductive state. So that the input current of the integrator does not flow through the switch and thereby generates a voltage drop that falsifies the input voltage, the switch Su becomes the field effect transistors Fi and Fi 'uncoupled by an amplifier V ₂ with a high input resistance from the integrator This may be an operational amplifier as g in F i. 3 the practically always sufficiently large chosen as an impedance transformer with the gain of 1, ie as a voltage follower is connected since the voltages SOCi and LV Even an offset of this amplifier only leads to a small asymmetry of the triangular oscillation and thus only to an error of the second order.

In gleicher Weise kann dem Referenzeingang des Komparators ein Verstärker V3 mit hohem Eingangswiderstand vorgeschaltet werden, falls dieser Referenzeingang nicht hochohmig genug ist Ein Offset dieses Verstärkers V₃ bewirkt nur eine Verschiebung der absoluten Lage der Dreieckschwingung und hat daher überhaupt keinen Einfluß auf die Periodendauer. Wird der Oszillator jedoch durch sehr kleine Spannungen U₂ gesteuert, dann hat die entstehende Dreieckschwingung nur eine sehr kleine Amplitude. Um ein exaktes Schalten des Komparators zu gewährleisten, wird diesem zweckmäßigerweise ein Vorverstärker vorgeschaltet Dazu kann dem Verstärker V3 ein weiterer Verstärker nachgeschaltet werden, oder der Verstärker V₃ kann selbst durch eine entsprechende Gegenkopplung mit den Widerständen Λ 3 und R* mit einer Verstärkung > 1 ausgerüstet werden. Auch in diesen Fällen hat ein Verstärkeroffset keinen Einfluß. Würde man dagegen einen Vorverstärker zwischen LZ₂ und dem Schalter einfügen, wie dieses bei anderen gesteuerter. Oszillatoren bekannt ist, dann würde U₂ durch dessen Offset verfälscht werden.In the same way, an amplifier V3 with a high input resistance can be connected upstream of the reference input of the comparator if this reference input is not high enough.An offset of this amplifier V ₃ only causes a shift in the absolute position of the triangular wave and therefore has no influence at all on the period. However, if the oscillator is controlled by very small voltages U ₂ , the resulting triangular oscillation only has a very small amplitude. In order to ensure exact switching of the comparator, a preamplifier is expediently connected upstream of it. For this purpose, a further amplifier can be connected downstream of amplifier V3, or amplifier V ₃ can itself be coupled with resistors Λ 3 and R * with a gain> 1 be equipped. An amplifier offset has no effect in these cases either. If, on the other hand, you would _{insert a preamplifier between LZ 2} and the switch, like this one with other controlled devices. Oscillators is known, then U ₂ would be falsified by its offset.

Dieser Oszillator ist linear in seiner Periode Tu durch die Spannung U₂ steuerbar. Die Spannung L'₂' kann zur Nullpunktverschiebung herangezogen werden oder Null sein. Die beiden Referenzspannungsquellen U\ und LV haben betragsmäßig etwa gleiche Spannung, jedoch verschiedene Polarität. Die Umwandlungskennlinie wird lediglich durch zwei passive Bauelemente R und C bestimmt. Die Eigenschaften der aktiven Bauelemente, wie Verstärker und Schalter, haben keinen Einfluß auf die Periodendauer des Oszillators, wenn sie sich in den üblichen Toleranzen halten.This oscillator can be controlled linearly in its period Tu by the voltage U _2. The voltage L ' ₂ ' can be used for the zero point shift or it can be zero. The two reference voltage sources U \ and LV have approximately the same voltage in terms of magnitude, but different polarity. The conversion characteristic is only determined by two passive components R and C. The properties of the active components, such as amplifiers and switches, have no effect on the period of the oscillator if they are kept within the usual tolerances.

Die in F i g. 4 dargestellte Schaltung benötigt nur eine einzige Referenzspannungsquelle LV Der Referenzeingang des Integratorverstärkers Vi ist hier nicht wie üblich mit dem Schaltungsnullpunkt verbunden, sondern liegt über den Spannungsteiler R\, R₂ auf dem PotentialThe in F i g. 4 only requires a single reference voltage source LV. The reference input of the integrator amplifier Vi is not connected to the circuit zero point as usual, but is at the potential via the voltage divider R 1, R ₂

τ U₁. Je nach Schalterstellung wird abwechselndτ U ₁ . Depending on the switch position, will alternate

τ U\ — U\ und -, LZi-O integriert und somit dieτ U \ - U \ and -, LZi-O integrated and thus the

Symmetrie der Dreieckschwingung gewahrt. Dabei müssen die Widerstände R] und R₂ nur näheiiingsweise gleich sein. Eine Abweichung der Integratorreferenzspannung y U\ führt zu einer Unsymmetrie derThe symmetry of the triangular oscillation is preserved. The resistances R ₁ and R 2 only have to be approximately the same. A deviation in the integrator reference voltage y U \ leads to an asymmetry of the

Schwingung und damit nur zu einem Fehler zweiter Ordnung. Auch dieser Oszillator kann durch die Speinung U₂ linear in seiner Periode gesteuert werden. Da der Oszillator nach F i g. 4 nur eine Referenzspannungsquelle benötigt, ist leicht auch eine lineare Steuerung der Frequenz möglich, indem U_t als Eingangsspannung und U₂ als Referenzspannung wirkt. Verträgt die Spannungsquelle U\ aufgrund ihresOscillation and thus only to a second-order error. This oscillator can also be controlled linearly in its period by the voltage U _2. Since the oscillator according to FIG. 4 only requires one reference voltage source, linear control of the frequency is also easily possible, in that U _t acts as the input voltage and U ₂ acts as the reference voltage. Tolerates the voltage source U \ due to its

Innenwiderstandes nicht die Belastung durch den Spannungsteiler Ru /?2, dann kann Rs über einen Impedanzwandler an den gemeinsamen Knoten von U\ und Fi angeschlossen werden. Ungenauigkeiten dieses Impedanzwandlers (Offset oder Verstärkung 1) bewirken nur wieder Fehler zweiter Ordnung.Internal resistance does not reduce the load caused by the voltage divider Ru /? 2, then Rs can be connected to the common node of U \ and Fi via an impedance converter. Inaccuracies in this impedance converter (offset or gain 1) only cause errors of the second order again.

Die Steuerung durch einen Strom wird erreicht, indem eine der steuernden Spannungsquellen durch einen ohmschen Widerstand ersetzt wird, an dem der Steuerstrom einen proprotionalen Spannungsabfall erzeugt.Control by a current is achieved by using one of the controlling voltage sources an ohmic resistor is replaced at which the control current has a proportional voltage drop generated.

Fig.5 zeigt den Einsatz eines Relaxationsoszillators zur linearen Umwandlung einer Brückenverstimmung in eine Schwingungsperiode. Die Brücke B wird aus dci Referenzspannungsquellen U\ und LV gespeist. An di< Stelle der Spannungen t/j und LV tritt die Brückendia gonalspannung. Auf diese Weise wird die Schwingungs ^s periode unabhängig von der Brückenspeisespannung (J und U]'. Wenn der Verstärker Vs, wie bereit: beschrieben wurde, durch entsprechende Bemessunj der Widerstände Ri und Ra neben der Impedanzwand lung auch zur Verstärkung herangezogen wird, ergib ίο sich durch einen Widerstand R·, zwischen dem Ausganj des Verstärkers Vj und dem gemeinsamen Knoten de Widerstände /?i und Λ eine einfache Möglichkeit zu Nullpunktjustage.5 shows the use of a relaxation oscillator for the linear conversion of a bridge detuning into an oscillation period. The bridge B is fed from the reference voltage sources U \ and LV. The bridge diagonal tension takes the place of the t / j and LV tensions. In this manner, the vibration is ^s period regardless of the bridge supply voltage (J and U] 'When the amplifier Vs as ready. Been described by corresponding Bemessunj of the resistors Ri and Ra in addition to the impedance wall lung is also used for reinforcement, Surrender ίο A resistor R ·, between the output of the amplifier Vj and the common node of the resistors /? i and Λ is a simple way of adjusting the zero point.

HkT/u 4 Blatt ZeichnungenHkT / u 4 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Relaxation oscillator with a frequency controllable by one or more external voltages, consisting of an integrator with an input and a reference input and a comparator device, the input of which is connected to the output of the integrator and the output of which controls an electronic switch that controls the input of the integrator of two voltages, characterized in that the comparator device (E) contains a comparator (K) with one input and only one reference input, which both when the voltage (U ₁ ) is exceeded and when it falls below the voltage (U 1) at the input compared to the voltage (Ui or . U {) at the reference input changes its output state, and that the reference input of the! Comparator (K) has a changeover switch (S ₂ ; F ₂ , F ₂ ) controlled in parallel with the changeover switch (Si; Fi, Fi ') in front of the input of the integrator is connected upstream, which feeds one of two voltages (U ₂ , U ₂ ) to this reference input.

2. Relaxation oscillator according to claim!, Characterized in that the changeover switches (Si, S ₂ ) each consist of two field effect transistors (Fi, F, '; F ₂ , F ₂ '), the control of which takes place in push-pull with both changeover switches

3. Relaxation oscillator according to claim 1 or 2, characterized in that the reference input of the comparator (K) is directly preceded by an amplifier (Kj) with a high input resistance.

4. relaxation oscillator according to claim 1 or one of the following, characterized in that the Input of the integrator directly an amplifier (Vy with high input resistance connected upstream is.

5. relaxation oscillator according to claim 1 or one of the following, characterized in that the two voltages (Uu U \ ') alternately supplied to the input of the integrator are at least approximately symmetrical to the voltage at the reference input of the integrator.

6. Relaxation oscillator according to claim 1 or one of the following, characterized in that the two voltages (U \, U \) fed alternately to the input of the integrator are the supply voltage of a bridge circuit (B) , the other diagonal of which is that of the reference input of the comparator (K ) supplies alternately supplied two voltages (U ₂ , U ₂ ').