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Spannungsgesteuerter astabiler Multivibrator Gegenstand der Erfindung
ist ein astabiler Multivibrator mit einer von einer Gleichspannung bestimmten Schwingfrequenz,
bestehend aus mindestens zwei Transistoren und einem frequenzbestimmenden Koppelkondensator.
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Zur Umsetzung von Gleichspannungen in proportionale Frequenzen werden
Multivibratoren verwendet, deren Schwingfrequenz linear proportional der Eingangsgleicbspannung
ist. Die Schwingfreouenz eines Iultivibrators wird von der Umladezeit der beiden
Koppelkondensatoren bestimmt.
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Während beim Multivibrator mit koslstanter Frequenz diese Umladezeiten
durch einen Widerstand oder durch ein Widerstandsnetzwerk bestimmt sind, werden
zur Steuerung der Umladezeit bei Multivibratoren mit variabler Frequenz Stromgeneratoren
verwendet. Es werden dann mit der frequenzbestimmenden Eingangsgleichspannung entweder
nur einer oder beide Stromgeneratoren angesteuert, wobei der Ausgangsstrom der Stromgeneratoren
proportional der Eingangsspannung ist.
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Es ist bereits eine Schaltungsanordnung fur einen spannungsgesteuerten
Multivibrator mit großem Frequenzbereich bekannt, der aus mindestens zwei Transistoren
und zwei frequenzbestimmenden Koppelkondensatoren aufgebaut ist (OS 1 958 093>.
Anstelle von zwei Stromgeneratoren, die den beiden Koppelkondensatoren zugeordnet
sind, wird nur ein Stromgenerator verwendet, der mittels eines Umschalters
angeschaltet
wird, so daß die Entladezeit beider Kondensatoren in je einer Schaltstellung von
ein und demselben Stromgenerator gesteuert wird.
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Die bekannte Schaltung verwendet einen Multivibrator, bei dem eine
kapazitive Kopplung zwischenden Kollektorelektroden und den Bssiselektroden erfolgt.
Dadurch ist die Frequenz nicht völlig unabhängig von der Versorgungsspannung.
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Der Einfluß der Basis-Emitterstrecken auf die Frequenz kann nicht
verhindert werden. Da jeweils zwei Kondensatoren und zwei verschiedene Umladevorgänge
für die Frequenz entscheidend sind, ist bei nicht exakt gleichen Bauteilen eine
Temperaturabhängigkeit und eine Beeinflussung der Schwingfrequenz durch unterschiedliche
A1-terung der einzelnen Bauteile gegeben.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen saunungsgesteuerten Multivibrator
aufzuzeigen, bei dem sowohl die Frequenz als auch die Periodendauer linear von den
zugehörigen Steuerspannungen abhängen.
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Die Lösung der Aufgabe besteht darin, daß ein an sich bekannter emittergekoppelter
astabiler Multivibrator mit zwei Transistoren angeordnet ist, daß in jedem Emitterkreis
eine Stromquelle eingeschaltet ist, die von der Steuerspannung für die Frequenz
steuerbar ist, daß einer der Koliektorwiderstj½nde über eine Regel stufe steuerbar
ist, daß die Regelstufe die Steuerspannung für die Perioden dauer und die Spannung
am steuerbaren Widerstand vergleicht und aus der Differenz eine Stellgröße für die
Veränderung des Widerstades bildet.
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Die Frequenz und die Periodendauer des Multivibrators ist getrennt
von den zugehörigen Steuerspannungen linear abhängig. Durch die Venzendung eines
emittergekoppelten Multivibrators wird nur ein Kondensator verwendet, der nicht
wie die zwei Kondensatoren des kollektorgekoppelten Multivibrators
nach
jeder leilperiode schnell entladen werden muß, d.h. es tritt bei der erfindungsgemäßen
Schaltung keine Relaxationszeit auf. Daher kann der Multivibrator bei sehr hohen
Frequenzen arbeiten. Die Transistoren werden im ungesättigten Bereich betrieben,
so daß keine Speicherzeiten auftreten. Es steht ein freier Kollektor zur Äuskopplung
zur Verfügung, so daß der Multivibrator von der Last entkoppelt arbeitet. Durch
eine geeignete Dimensionierung ist eine weitgehende Unabhängigkeit der Frequenz
von der Versorgungsspannung gewährleistet. eben der hohen Linearität, der Abhängigkeit
der Frequenz und der Periodendauer von der jeweiligen Steuerspannung, besitzt die
Schaltung gute dynamische Eigenschaften, insbesondere kann beim Einsatz des steuerbaren
Multivibrators als SM-Modulator die Modulationsfrequenz von der gleichen Größenordnung
wie die Oszillatorfrequenz sein.
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Durch die Wahl der Zeitkonstante des Regelkreises kann die Dynamik
ohne Beeinflussung anderer Kemlgrößen festgelegt werden Es ist auch möglich, ein
integrierendes Verhalten bezüglich der Steuerspannung für die Frequenz und die Periodendauer
zu erhalten. Die hohe Linearität und die Unabhängigkeit der Steuerung von Frequenz-
und Periodendauer durch je eine Spannung ergibt auch einen sehr genauen Quotientenbildner.
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Einzelheiten der Erfindung werden anhand von Blockschaltbildern und
vorteilhaften Ausführungsbeispielen, die in den Figuren dargestellt sind, erläutert.
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Fig. 1 zeigt die Prinzipschaltung eines emittergekoppelten astabilen
Multivibrators, Fig. 2 zeigt im Prinzipschaltbild den gesteuerten astabilen Multivibrator
gemäß der Erfindung, Fig. 3 zeigt im Prinzipschaltbild eine Variante des gegesteuerten
astabilen Multivibrators gemäß der Erfindung,
Fig. 4 zeigt ein vorteilhaftes
Ausführungsbeispiel für den gesteuerten astabilen Multivibrator für hohe Frequenzen,
Fig. 5 zeigt ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel für den gesteuerten Multivibrator
für niedrige Frequenz und geringere Dynamik.
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In Fig. 1 ist im Prinzip der emittergekoppelte astabile Multivibrator
mit den beiden Transistoren T1 und T2 dargestellt. In jeder Emitterelektrode ist
eine Stromquelle St1 und St2 eingeschaltet, die jeweils einen Strom Igi, I02 einspeisen.
Zwischen den beiden Emitterelektroden ist der frequenzbestimmende Kondensator C
eingeschaltet. An den Kollektorwiderständen R1 und R2 entsteht die Schwingfrequenz,
die in Fig. 1 am Ausgang A abgenommen wird. Es sei angenommen, daß der Transistor
T1 leitend und der Transistor T2 gesperrt sei. Der Emitterstrom von T1 setzt sich
aus dem Strom-I01 und dem Ladestrom-Ic, der dem Konstantstrom I02 entspricht, zusammen.
Der Strom IC vermindert linear die Spannung am Emitter des Transistors 22.
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Dadurch wird die Basis-Emiter-Spannungsschwelle des Transistors T2
überschritten, der Transistor T2 beginnt zu leiten und ein Teil des Stromes I02
wird vom Transistor abgeleitet. Dadurch sinkt der Emitterstrom des Transistors TI
und die Kollektorspannung UK und die Basisspannung am Transistor T2 steigen an,
so daß der Transistor T2 stärker leitend wird. Durch diesen Rückkopplungseffekt
wird die Kippstufe in die andere Lage gekippt. Ein ähnlicher Effekt bringt die Kippstufe
wieder in die ursprüngliche Lage.
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Die Periodendauer g setzt sich aus den beiden Zeitabschnitten tl und
t2 zusammen, wobei während der Zeit t1 der Transisto T1 und während der Zeit t2
der Transistor T2 gesperrt
ist.
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c.... Konstante; UK.... Spannungsabfall an R1; Für die Frequenz f
ergibt sich daraus:
101 ist proportional zu I02, so daß sich die Frequenz wie folgt bestimmt: (3) Aus
Gleichung (3) ergibt sich, daß die Frequenz des astabilen Multivibrators unabhängig
ist von der Betriebsspannung.
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Fig. 2 zeigt im Prinzip die Steuerung des in Fig. 1 gezeigten astabilen
emittergekoppelten Multivibrators. Aus den Gleichungen (1) und (2) ergibt sich der
Zusammenhang zwischen der Frequenz bzw. der Periodendauer und den Strömen Io1, I02
bzw. dem Spannungshub U. Für die Steuerung des astabilen Multivibrators wird angenommen,
daß I01 = I02 = Io ist.
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Aus den Gleichungen (1) und (2) ergeben sich dann einfache Gleichungen
für Fig. 2:
Wenn die Spannung UK an einem der beiden Kollektorwiderstände konstant
gehalten wird, ergibt sich, daß die Frequenz f linear mit dem Strom 10 bzw. mit
der angelegten Steuerspannung Uf zusammenhängt.
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Wird der Strom Io konstant gehalten, so ändert sich die Periodendauer
T linear mit der Steuerspannung UT für die Periodendauer. Da die Frequenz f und
die Periodendauer g voneinander unabhängig regelbar sind, eeignet sich die Schaltung
als Quotientenbildner. Die resultierende Frequenz fq beträgt:
Fig. 2 zeigt im Prinzip die Steuerung des astabilen emittergekoppelten Multivibrators,
der aus den beiden Transistoren Tl und T2 der Kapazität C und den beiden Eollektorwiderständen
R1 und R2 besteht. Die Stromquellen St1 und St2.sind steuerbar mit der Steuerspannung
Uf. Im Ruhezustand begrenzen sie den Strom auf den Wert I0, Bei einer Änderung der
Steuerspannung Uf ändert sich der Strom 1o und damit die Frequenz linear mit der
Steuerspannung, wenn der Spannungssprung Uk am Widerstand R1 konstant gehalten wird.
Es muß also der Spannungsabfall RI. 1o durch Veränderung des Widerstandes R1 konstant
gehalten werden. Erwähnt sei, daß Vorspannungen an den Basiselektroden der Transistoren
T1 und T2 die Verhältnisse nicht verändern, da die Transistoren im ungesättigten
Bereich arbeiten und aus den Stromquellen 5t1 und St2 gespeist werden. Die Steuerung
des Widerstandes R1 erfolgt mit einem Regelverstärker RV, der einen Differenzverstärker
V1 und ein Zeitglied enthält. Der Differenzverstärker V1 vergleicht die am regelbaren
Widerstand R1 entstehende Spannung mit der anliegenden Vergleichsspannung UT, die
bei linearer Änderung
der Frequenz mit der Steuerspannung Uf konstant
bleibt.
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Der Verstärker V1 verstärkt die Differenz der beiden Spannungen und
bildet eine Stellgröße, die über das Zeitglied R3 und CI verzögert auf die Einstellung
des Widerstandawertes wirkt. Bei Änderung der Steuerspannung UT für die Perioden
dauer wird der von den gesteuerten Stromquellen Stl und St2 gelieferte Strom konstant
gehalten. Dies wird erreicht,indem die Steuerspannung Uf nicht verändert wird. Die
durch die Steuerspannung geänderte Periodendauer erscheint am Ausgang A. Die Periodendauer
ändert sich dann linear mit der Steuerspannung UT.
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Entscheidend für die Funktion des Multivibrators sind die Vorgänge
in der Umgebung der Zeitpunkte, zu denen die Transistoren T1 und T2 gesperrt werden.
Die Spannung UK kann Jeden beliebigen Verlauf annehmen, wenn nur gewährleistet ist,
daß der jeweils gesperrte Transistor sicher gesperrt bleibt und der Jeweils leitende
Transistor im ungesättigten Bereich arbeitet. Unvermeidliche Parallelkapazitäten
zum regelbaren Widerstand R1 und die Zeitkonstante des Regelverstärkers RV können
in der Größe der Periodendauer T liegen, ohne zu stören. Die Regelzeitkonstante
= R3 . C1 ist für den Übergang vom leitenden in den gesperrten Zustand des Transistors
erforderlich, da sich die Spannung UK während des Kippvorganges ändern können muß,
da ansonsten keine Rückkopplung eintritt. Durch die Regelzeitkonstante setzt der
Regelvorgang erst nach dem Xippvorgang ein.
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Für den Kippvorgang vom gesperrten Zustand in den leitenden Zustand
ist die Regelzeitkonstante unerheblich, da die Regelung erst nach dem erfolgten
Kippvorgang einsetzen kann.
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Erst zu diesem Zeitpunkt fließt ein Kollektorstrom, der den Spannungsabfall
am Widerstand R1 hervorruft. Die obere Grenzfrequenz
o des Multivibrators
beträgt: f0 # 1/# (7) Zeitkonstante des Regelverstärkers.
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Da nach jeder Halbperiode die Regelung durch den Regelverstärker einsetzt,
kann eine Änderung der Frequenz in vergleichbarer Zeit erfolgen. Daraus ergibt sich,
daß die Modulationsfrequenz etwa der oberen Grenzgrequenz entspricht.
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Die Fig. 3 zeigt eine Schaltungsvariante zu Fig. 2. Die Fig. 3 unterscheidet
sich von Fig. 2 dadurch, daß- die Rcgelung für die Periodendauer direkt an der Basis
des Transistors T2 erfolgt. Da fiir den Kippzeitpunkt des Multivibrators nu der
Zeitpunkt entscheidend ist, zu dem der Transistor T2 leitend wird, kalm man die
Regelung auch direkt an der Basis des Transistors 22 vornehmen. Der Spalmungsabfall
am Widerstand R1 steuert die Stromquelle St3, die den Strom durch den Widerstand
R4 verändert. Im Regelverstärker RV wird mit dem Differenzverstärker V1 die Spannung
am Widerstand R4 mit der Steuerspannung UT verglichen. Die Differenz zwischen den
beiden Spannungen steuert über das Zeitglied R3, CI den Widerstand R4.
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Fig. 4 zeigt ein vorteilhaftes Ausführlmgsbeispiel für den gesteuerten
astabilen Multivibrator für hohe Frequenzen. Der Multivibrator besteht aus den Transistoren
T1 und T2 und dem Kondensator 0. Mit dem Spannungsteiler R2 und R3 wird der Spannungwert
Null an der Basis des Transistors T1 gebildet Die beiden gesteuerten Stromquellen
werden durch die Transsistoren T5 und T6 mit den Emitterwiderständen R7 und 118
verwirklicht. Am gemeinsamen Verbindungspunkt der Basiselektroden liegt die Steuerspannung
Uf gegen die Betriebsspannung
von -12 V an. Die beiden Transistoren
sind ständig leitend unQ' durch Veränderlmg der Spannung Uf wird der Strom in beiden
Transistoren in gleicher Weise verändert. An dem einen Kollektorwiderstand R6 des
Multivibrators liegt der Ausgang A für die Schwingfrequenz. Der regelbare Kollektorwiderstand
des Multivibrators wird durch einen Feldeffekttransistor T3 realisiert, der vom
Differenzverstärker des Regelverstärkers RV mit den Transistoren T7 und T8 und dem
nachgeschalteten Transistor T9 gesteuert wird. Die Differenz zwischen der Spannung
an der Schaltstrecke des Transistors T3 und der Steuerspannung UT verändert den
Durchlaßwiderstand des Feldeffektransistors, so daß die beiden Spannungen gleich
werden. Die Regelzeitkonstante wird durch C1 und 111 bestimmt.
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Der Emitterfolger mit dem Transistor T4 und den Emitterwiderständen
R4 und R5 ist zur Entkopplung des Feleffekttransistors T3 eingeschaltet. Der große
Laststrom würde einen sehr kleinen Innenwiderstand des Feldeffekttransistors ergebefl,
bei dem eine Regelung des Widerstandes und damit des Spannungabfalles schwierig
wäre.
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Pig. 5 zeigt ein einfaches Ausführungsbeispiel für den gesteuerten
Multivibrator für niedrige Frequenzen und geringe Dynamik. Der astabile Multivibrator
besteht aus den Transistoren T1 und T2, dem Kondensator C und dem Kollektorwiderstand
R2, an dem der Ausgang A für die Schwingfrequenz liegt. Als regelbarer Widerstand
ist der Feldeffekttransistor T3 eingeschaltet. Die gesteuerten Stromquellen bestehen
aus den Transistoren T4 und 25 mit den Emitterwiderständen R5 und R6, die von der
Steuerspannung Uf gemeinsam gesteuert werden.
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Der Feldeffekttransistor T3 wird von einem einfachen Regelverstärker
RV mit nur einem Transistor T6 und einer Zenerdiode Z1 gesteuert. Bedingt durch
die große Kapazität der Zenerdiode Z1 wird dem Basiswiderstand R7 des Transistors
T6
eine Kapazität C2 zur Kompensation parallel geschaltet.
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Es wird damit ein Regelvorgang auf grund dynamischer Ursachen, wie
beispielsweise beim Kippvorgang, vermieden. Dadurch kommt nur die statische Kennlinie
der Zenerdiode zur Wirkung. In dieser Schaltung ist es nicht möglich, die Periodendauer
ohne Eingriff in die Schaltung zu verändern, da sie durch die Größe der Zenerspamlung
fest vorgegeben ist. Auf den Wert der Zenerspannung wird der Spannungsabfall am
Beldeffekttransistor nach der Regelzeitkonstante eingeregelt.-Die Regelzeitkonstante,
die mit 111 und C1 gebildet wird, ist relativ groß, so daß während der Sperrphase
des Transistors T1 ein Nachregeln des Widerstandes des Feldeffekttransistors T3
entfällt. Es wird damit ein konstantes leilverhaltnis ueber den Innenwiderstand
des Feldeffekttransistors und die Widerstände 113 und R4 erreicht, so daß kein Einfluß
der Teilwiderstände auf die Linearität der Spannungs-Frequenz-Kennlinie ausgeübt
wird.
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Während der Aussteuerbereich in Fig. 4 etwa t:100 beträgt, liegt der
Aussteuerbereich in Fig. 5 bei etwa 1:10.
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Dimensioniert man die Regelzeitkonstante des Regelverstärkers RV sehr
groß gegenüber der Steuergeschwindigkeit und die Frequenz des Multivibrators, so
bleibt der Spannungsabfall am regelbaren Widerstand (T3> über viele Perioden
nahezu konstant und stellt sich erst langsam auf den neuen Wert ein. Daraus ergibt
sich eine integrierende Steuerung der Frequenz und der Periodendauer durch die Steuerspannungen
Uf und UT. Die Steuerung bringt eine Störunterdrückung und eine Basisbandbegrenzung
bei der Verwendung des steuerbaren Multivibrators als integrierender FM-Modulator.
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5 Patentansprüche 5 Figuren