DE2457520A1

DE2457520A1 - Bistabile selbstkompensierende schaltung fuer einen wandler

Info

Publication number: DE2457520A1
Application number: DE19742457520
Authority: DE
Inventors: Roland Joseph Braun; Frederick Buckley
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1973-12-26
Filing date: 1974-12-05
Publication date: 1976-01-02
Also published as: FR2256589B1; GB1451583A; US3852658A; JPS5099177A; FR2256589A1

Description

Böbl.ingefl - den 3. Dezember 1974 heb-aa

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: EN 973 019

Bistabile selbskompensierende Schaltung für einen Wandler

Die Erfindung betrifft eine bistabile, selbstkompensierende Schaltung für einen Wandler. In vielen Fällen soll von einem Wandler ein relativ kleines Signal abgefühlt werden, das einer unbestimmten oder sich ändernden Vorspannung überlagert ist, die größer ist als die Signalamplitude. Dieser große Vorspannungsbereich kann auf Toleranzen von Bauelementen zurückzuführen sein, wie z.B. der elektrooptische Wirkungsgrad von lichtemittierenden Dioden und Photodetektoren, die Verschiebespannung von Hallgeneratoren, permanente magnetische Felder usw. Dieser Bereich kann außerdem auf physikalische Veränderliche, wie z.B. die Bahn des magnetischen Flusses, einen Abstand, die optische Ausrichtung, Staub oder Farbe zurückzuführen sein und kann durch Temperatur- und Versorgungsspannungsänderungen sowie durch Alterung beeinflußt werden. Das Signal kann ein treppenförmiges Signal, ein Spannungsfluß oder ein Impuls sein mit einer Wiederholungsfrequenz zwischen Gleichstrom und mehreren hundert kHz und Anstiegsund Abfallszeiten bis zu einigen Millisekunden. Das logische Ausgangssignal der Abfühlschaltung muß der Wiederholungsfreguenz entsprechen können und zu allen Zeiten anzeigen, ob der letzte Signalübergang nach oben oder nach unten erfolgte.

Bisher hat man Vorspannungsänderungen dadurch kompemsiert, daß man die Schaltung von Hand nachstellte, was eine ziemlich umstand-

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liehe Maßnahme darstellt oder indem man eine ziemlich komplexe mit der Eingangssignalquelle wechselstromgekoppelte Servoschaltung vorsah. Oft ist es unerwünscht, am Eingang der Schaltung Kondensatoren oder Kapazitäten vorzusehen, da diese auf integrierten Halbleiterschaltungen schlecht darzustellen sind und daher normalerweise diskrete Bauelemente mit Anschlüssen und Anschlußdrähten erforderlich machen, die naturgemäß hochfrequenten Störsignalen stark ausgesetzt sind.

Die bistabile, selbstkompensierende Wandlerschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht eine vollständige Funktion mit nur drei verhältnismäßig einfachen Differentialverstärkern, die sich leicht in integrierter Schaltungstechnik darstellen lassen und die mit der Eingangssignalquelle gleichstromgekoppelt sind. Der Erläuterung halber ist die Eingangssignalquelle als Photosensor und als Hallgenerator dargestellt.

In einem optischen System ist' eine lichtemittierende Diode die Signalquelle für eine Photodiode, und es fließt ein Strom von der Photodiode durch einen Widerstand und ruft einen Spannungsabfall hervor. Dieser Spannungsabfall wird dem Eingang eines Diffentialverstärkers zugeführt, der ein verstärktes invertiertes Signal erzeugt. Dieses invertierte Signal wird wiederum einem Schaltdiffentialverstärker und einem Steuersignal-Diffentialverstärker zugeleitet. Der Schaltverstärker ist an einer festen Bezugsspannung angeschlossen. Ist das invertierte Signal größer als die Bezugsspannung, dann ist das Ausgangssignal des Schaltverstärkers hoch und ist es kleiner als die Bezugsspannung, dann ist das Ausgangssignal tief. Der Steuersignalverstärker ist ebenfalls über einen Widerstand angeschlossen an einer festen Bezugsspannung und ist außerdem über einen anderen Widerstand mit dem Ausgang des Schaltverstärkers verbunden. Der Steuersignalstärker liegt somit an einer veränderlichen Spannung als Bezugsspannung, die vom Ausgangssignal des Schaltverstärkers, der festen Bezugsspannung und dem Wert der Widerstände abhängt.

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Der Steuersignalverstärker verstärkt die Signaldifferenz zwischen invertiertem Eingangssignal und der veränderlichen Bezugsspannung und liefert einen proportionalen Ausgangsstrom an die lichtemittierende Diode. Die Änderung dieses Stromes ist relativ langsam, verglichen mit der Änderungsgeschwindigkeit der anderen Signale, und zwar wegen eines Kondensators. Da die lichtemittierende Diode als Signalquelle für den Photodetektor dient, hat man ein geschlossenes Regelsystem mit negativer Rückkopplung, das durch eine Kapazität stark gedämpt ist und das immer versucht, einen Gleichgewichtszustand anzunehmen.

Die Schaltung arbeitet für einen Hallgenerator als Eingangssignalquelle in genau der gleichen Weise. Die die Hallspannung führenden Elektroden sind mit dem Eingangsdifferentialverstärker verbunden und der Ausgangsstrom des Steuersignal-Diffentialverstärkers wird an eine Kompenstationselektrode am Hallgenerator zurückgekoppelt.

Die vorliegende Schaltung enthält verschiedene funktionelle Merkmale, die ein wesentlich besseres Arbeiten der Schaltung zur Folge haben:

1. Es ist eine gleichstromgekoppelte Schaltung mit einer automatischen Kompensation für niederfrequente Störungen über eine ständig nachgeregelte Vorspannung;

2. Hier wird ein bipolarer Schwellwert mit einer positiven und einer negativen Schwellwertspannung verwendet, die über einen großen Bereich für gleiche oder, verschiedene Werte auswählbar ist.

3. Die Amplitude des gesamten niederfrequenten Rauschens kann viel größer sein als die Signalamplitude.

4. Man erzielt eine hohe Genauigkeit des Schwellwertes, die von der Verschiebespannung der Eingangsstufe unabhängig ist.

Aufgabe der Erfindung ist es also, eine neuartige verbesserte bistabile, selbstkompensierende Wandlerschaltung zu schaffen, die mit einer Eingangssignalquelle gleichstromgekoppelt ist, mit

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deren Hilfe positive und negative Signale unter extremen Vorspannungsbedingungen ableitbar sind, wobei zu diesem Zweck nur drei relativ einfache Diffentialverstärker Verwendung finden.

Die Erfindung wird nunmehr anhand von zwei Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung im einzelnen beschrieben. Die unter Schutz zu stellenden Merkmale der Erfindung sind in den ebenfalls beigefügten Patentansprüchen im einzelnen angegeben.

In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 schematisch ein Blockschaltbild einer Schaltung

gemäß der vorliegenden Erfindung für Anschluß an eine Photosensor-Signalguelle,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Wandlerschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung zum Anschluß an eine mit Hallgenerator ausgestattete Signalquelle und

Fig. 3 ein Impulsdiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise der in Fig. 1 und 2 dargestellten Schaltungen .

In Fig. 1 ist eine bistabile selbstkompensierende Schaltung gezeigt, die im wesentlichen aus drei Diffentialverstärkern D1, D2 und D3 besteht. D1 kann eine übliche, aus zwei Transistoren bestehende Eingangsstufe eines Differentialverstärkers sein, dessen positive Eingangsseite an der Eingangsklemme A und dessen negative Seite an der Eingangsklemme B angeschlossen ist. Der Ausgang des Verstärkers D1 ist mit der positiven Eingangsseite eines Differentialverstärkers D2 verbunden und außerdem mit der positiven Eingangsseite eines Differentialverstärkers D3. Die negative Eingangsseite des Differentialverstärkers D3 ist an einer Bezugsspannungsquelle r angeschlossen. Der Differentialverstärker

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D3 arbeitet als Schaltverstärker und kann beispielsweise aus einer üblichen, mit zwei Transistoren bestückten Diffentialverstärker-Eingangsstufe bestehen, auf die eine PNP-Inverterstufe mit einer normalen, offenen Kollektortreiberstufe folgt. Das Ausgangssignal des Verstärkers D3 wird über einem Widerstand R2 abgenommen und über eine Leitung 10 nach der negativen Eingangsseite des Verstärkers D2 geführt. In Abhängigkeit von einem Eingangssignal e von der Signalquelle liefert der Verstärker D1 ein verstärktes, invertiertes Ausgangssignal b. Wenn das Ausgangssignal b größer ist als die Bezugsspannung r, dann ist das Ausgangssignal K des Verstärkers D3 auf seinem Pegel 1. Ist aber das Signal b kleiner als die Bezugsspannung r, dann ist das Ausgangssignal K auf seinem Pegel null.

Die negative Eingangsseite des Verstärkers D2 ist außerdem über einen Widerstand R1 an der Bezugsspannungsquelle r angeschlossen und der Verstärker D2 liegt außerdem an der Bezugsspannung g auf der Leitung 10, die vom Ausgangspegel K des Verstärkers D3, der Bezugsspannung r und den Werten der Widerstände R1 und R2 abhängt. Nimmt man beispielsweise die Spannung r = 0 Volt, R1 =0,11 mal R2 und K = 5 Volt (logisch 1), dann beträgt die Bezugsspannung g = 0,5 Volt und wenn K = -5 Volt (logisch 0), dann ist g = -0,5 Volt.

Der Verstärker D2 arbeitet als Steuersignalverstärker und kann aus einer mit zwei Transistoren bestückten Differentialverstärker-Eingangs stufe, gefolgt von einer dreistufigen Darlington-Ausgangstreiberstufe bestehen. Der Verstärker D2 verstärkt die Spannungsdifferenz b - g und liefert einen proportionalen Ausgangsstrom an die Ausgangsklemme C. Dieser Strom wird, wie noch beschrieben wird, nach der Eingangssignalquelle zurückgekoppelt, um sich ändernde Vorspannungsbedingungen auszukompensieren. Die Änderungsgeschwindigkeit dieses Stromes ist relativ klein, verglichen mit der Anderungsgeschwxndigkeit der anderen Signale e, b und K, und zwar wegen der Dämpfungswirkung des Kondensators C1, der zwischen Verstärker D2 und Masse eingeschaltet ist.

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Soll beispielsweise die Anwesenheit eines Belegs oder Dokuments festgestellt werden, so sei zunächst angenommen, daß zwischen der Diode LED und dem Photosensor kein Hindernis liegt, das Ausyangssignal K des Verstärkers D3 auf dem Pegel logisch null und die Signalspannung b nahe bei dem Bezugsspannungspegel g liegt. Bewegt sich nunmehr der Beleg oder das Dokument zwischen die Diode LED und den Photosensor PS, dann wird das auf dem Photosensor auffallende Licht um einen bestimmten Betrag verringert, der von der Transparenz des Belegs oder Dokuments abhängt. Die Eingangsspannung e des Verstärkers D1 fällt ab, was einen entsprechenden verstärkten Anstieg des Signals b zur Folge hat. Dieser Anstieg der Signalspannung b bewirkt, daß der Verstärker D3 ausgangsseitig auf den logischen Pegel 1 umschaltet, worauf wiederum der Bezugsspannungspegel g seinen oberen Wert, beispielsweise +0,5 Volt annimmt. Ist das Signal b zu diesem Zeitpunkt größer als das Signal g, dann verstärkt der Verstärker D2 seinen an die lichtemittierende Diode LED abgegebenen Strom, so daß das Signal e weiter ansteigt und der Signalpegel b abnimmt. Ist dagegen das Signal b kleiner als das Signal g, dann verläuft die Regelung gerade umgekehrt. Das hat zur Folge, daß der an die Diode LED abgegebene Strom automatisch auf einen Wert eingeregelt wird, der bewirkt, daß die Signalpegel e und b einem Gleichgewichtswert in bezug auf die neue Bezugsspannung g zustreben. Da die Signale g und b nunmehr um beispielsweise 0,5 Volt größer sind, als die Bezugsspannung r, bleibt das Signal K auf seinem Pegel logisch 1, bis das Signal b bis unterhalb des Bezugsspannungspegels r abfällt (d.h. bis ein negatives Signal b von mindestens b-r, beispielsweise -0,5 Volt erzeugt wird). Ein solcher Abfall des Signalpegels b tritt ein, wenn das Dokument oder Beleg aus dem Bereich zwischen der Diode LED und dem Photosensor PS entfernt wird. Die Signale K und g gehen dann auf ihr niedriges Potential über und die Signale e und b werden auf ihre Anfangswerte zurückgeregelt.

Sammelt sich zwischen der Diode LED und dem Photosensor PS Staub an, dann verändern sich die Signale e und b ebenfalls. Diese iinde-

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rung tritt jedoch nur allmählich ein und wird relativ klein sein, da sie kontinuierlich durch Wachjustieren des die Diode LED durchfließenden Stroms über die Servoschleife des Verstärkers D2 kompensiert wird. Wie bereits erwähnt, ist die Rückkopplungs-Servoschleife mit dem Verstärker D2 zur Verhinderung einer Auskompensierung regulärer Signalübergänge, die viel schneller ablaufen als ümgebungsanderungen wie Staub, Temperaturänderungen und dergleichen, durch den Kondensator C1 wirksam bedämpft, so daß der die Diode LED durchfließende Strom sich nur relativ langsam ändern kann.

Wenn bei der Feststellung der Anwesenheit eines Beleges oder eines Dokuments ein undurchsichtiger Beleg alles Licht abdeckt, dann fällt das Signal e auf seinen Kleinstwert ab, das Signal b erreicht seinen Höchstwert, und es fließt danach durch die als Lichtquelle dienende Diode LED ein maximaler Strom, der nur durch den Widerstand R3 begrenzt ist. Obgleich unter diesen Bedingungen das System aus seinem normalen Regelbereich herausgelaufen ist, wird ein richtiges Arbeiten doch durch die Tatsache sichergestellt, daß beim Entfernen des undurchsichtigen Dokuments mehr als ausreichend Licht auf der dem Photosensor PS auffällt, um die aktive Regelung wieder in Gang zu setzen. In der Zwischenzeit wird das Ausgangssignal K auf seinem richtigen Pegel gehalten.

Da die Diode LED die Signalquelle für den Photosensor PS ist, ist auf diese Weise ein Regelsystem mit geschlossener. Schleife und negativer Rückkopplung geschaffen worden, das durch einen Kondensator C1 in hohem Maße bedämpft ist und das immer versucht, sich auf einen Gleichgewichtszustand einzuregeln. Die negative Rückkopplung heißt in diesem Fall, daß das Rückkopplungssignal bewirkt, beim Wechselspannungs- oder Wechselstromanteil·, oder bei einer Änderung der Eingangsspannung e bewirkt, daß diese in linearer Korrelation mit dem Ausgangssignal verringert wird. Dies wird dadurch erreicht, daß ein Teil des verstärkten Eingangssignals als Rückkopplungssignal an den Eingang oder die Signalquelle in Gegenphase zum Primärsignal rückgekoppelt wird.

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In manchen Fällen, in denen der Photosensor PS eine ausreichend große Signalverstärkung liefert, kann es nicht notwendig sein, den Eingangsverstärker D1 zu benutzen. Für diesen Fall würde die in Fig. 1 dargestellte Schaltung dadurch abgewandelt, daß man den Verstärker DI wegläßt, die lichtemittierende Diode LED umschaltet, so daß ihre Kathode nunmehr an Erde liegt und ihre Anode am Widerstand R3 angeschlossen und indem man den Emitterausgang des Photosensors PS unmittelbar an den positiven Eingangsseiten der Verstärker D2 und D3 anschließt.

Fig. 2 zeigt die Grundschaltung der Fig. 1 mit einem magnetischen Wandler als Eingangssignalquelle. Der magnetische Wandler besteht aus einem Hallgenerator 11, dessen stromführende Elektroden 12 zwischen Masse und einer Spannungsquelle +V angeschlossen sind. Die die Hallspannung führenden Elektroden 13 sind an den Eingangsklemmen A und B des Verstärkers D1 angeschlossen und eine Kompensations- oder Steuerelektrode 14 ist an der Ausgangsklemme C des Verstärkers D2 angeschlossen. Wegen der niedrigen Ausgangssignale des Hallgenerators kann der Verstärker D1 als zweistufI- . ger Differentialverstärker aufgebaut sein. Die Schaltung arbeitet in der gleichen Weise, wie soeben beschrieben und kompensiert '■. jede Spannungsverschiebung des Hallgenerators.

Fig. 3 zeigt den Signalverlauf den Spannungen i, b, g und K in Ab-I hängigkeit von einem, auf der obersten Zeile dargestellten Ein- J

i gangssignal. Die Spannungen e und K sind zu b bzw. g mit einem entsprechenden vertikalen Maßstabsfaktor äquivalent.. Das hier dargestellte Eingangssignal kann entweder von einem magnetischen oder einem optischen Wandler als Signalquelle kommen und dabei ist das kleinste gültige Signal dargestellt, das einen Schaltvorgang auslöst sowie ein ungültiges Signal, wie z.B. Rauschen, das ebenfalls einen Schaltvorgang auslöst. Der Signalverlauf in der zweiten und dritten Zelle zeigt, wie die Schaltung in richtiger Weise auf die regulären Signale mit einer kurzen Anstiegszeit an-

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spricht, während Wanderungseffekte oder langsam sich ändernde Vorspannungsbedingungen auskompensiert werden. Die Spannungen b und e in der zweiten Zeile versuchen immer in Richtung auf einen von zwei Betriebspegel zu gehen, abhängig vom Zustand der Ausgangsspannung K. Die Zeit, die benötigt wird, um den eingeschwungenen Zustand nach einem Signalübergang zu erreichen, hängt von der Zeitkonstante der Kompensationsschleife ab.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Schaltungsanordnung für einen Wandler, welche zum Abfühlen von einer unbestimmten oder sich ändernden Vorspannung überlagerten Signalübergängen mit einer Signalquelle gleichstromgekoppelt ist, wobei die Vorspannung größer sein kann als die Signalamplitude, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Diffentialverstärker (D1) vorgesehen ist, dessen Eingang unmittelbar an der Signalquelle angeschlossen ist,

daß ein Schaltdifferentialverstärker (D3) vorgesehen ist, dessen erster Eingang (+) am Ausgang des Eingangsverstärkers angeschlossen ist, daß eine Bezeugsspannungsquelle (r) am zweiten Eingang (-) des Schaltverstärkers angeschlossen ist,

daß ein Steuersignal-Diffentialverstärker (D2) mit einem ersten Eingang am Ausgang des Eingangsverstärkers angeschlossen ist und

daß der zweite Eingang des Steuersignalsverstärkers (D2) mit dem Ausgang (K) des Schaltsignalverstärkers gekoppelt ist,

daß der zweite Eingang des Steuersignalverstärkers (D2) an einer BezugsSpannungsquelle (9) angeschlossen ist und daß eine Rückkopplungsverbindung vom Ausgang des Steuersignalverstärkers (D2) nach der Signalquelle vorgesehen ist, während außerdem mit dem Steuersignalverstärker ein Dämpfungsglied (C1) zum Ausfiltern sehr schneller Signalübergänge verbunden ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 zum Abfühlen relativ schneller positiver oder negativ gerichtete Signalübergänge, die einer unbestimmten, langsam sich ändernden Vorspannung überlagert sind, die größer ist als die Signalamplitude ,

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dadurch gekennzeichnet, daß als Dämpfungsglied ein Kondenstor (C1) verwendet wird.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, bei dem die Signalquelle ein optischer Wandler ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Photosensor (PS) ausgangsseitig unmittelbar mit dem Eingang des Eingangsverstärkers (D1) verbunden ist, und daß eine lichtemittierende Diode (LED) als Signalquelle für den Photosensor dient, wobei die Diode unmittelbar am Ausgang des Steuersignalverstärkers (D2) angeschlossen ist.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, bei der die Signalquelle ein magnetischer Wandler ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hallgenerator (11) vorgesehen ist, dessen Spannungselektroden (13) unmittelbar mit dem Eingang des Verstärkers (D1) verbunden sind und daß eine Steuerelektrode (14) des Hallgenerators unmittelbar mit dem Ausgang (C) des Steuersignalverstärkers (D2) verbunden ist.

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