DE2544049C2

DE2544049C2 - Verfahren und Vorrichtungen zur Phasenverschiebung von periodischen Signalen

Info

Publication number: DE2544049C2
Application number: DE19752544049
Authority: DE
Inventors: Manfred 7300 Esslingen Merkle
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1975-10-02
Filing date: 1975-10-02
Publication date: 1981-12-03
Also published as: DE2544049A1

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Phasenverschiebung von —180° bis +180" bzw. von —360" bis +360° von aus einem Dreiecksignal ableitbaren periodischen Signalen sowie auf Vorrichtungen zur Durchführung der Verfahren.

in der elektronischen Schaltungstechnik wird oft ein kontinuierlich in der Phase verschiebbares, periodisches Signal benötigt, welches auf ein vorgegebenes periodisches Grundsignal beliebiger Frequenz bezogen ist Gebräuchliche Phasenschiebergeneratoren arbeiten mit RC- oder LC-Gliedern, wobei für große Wiedergabetreue ein verhältnismäßig hoher Aufwand erforderlich ist

Aus der DE-OS 14 62 414 ist eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Impulsen zeitlich gleicher Vorderflanken und zeitlich gestaffelter Hinterflanken bekannt, wobei ein Kondensator mit konstantem Strom geladen wird. Die hierdurch entstehende Sägezahnspannung wird über einen Spannungsteiler um definierte Potentiale verschoben, wodurch weitere sägezahnförmige Spannungen entstehen, weiche Schwellwertschaltern zugeführt werden, wodurch verschieden lange Impulse entstehen.

Aus der DE-OS 24 01216 ist ein Verfahren zur Verschiebung einer Phase um 90 Grad bekannt, wobei die Nulldurchgänge der Spannungskurve zur Erzeugung einer Rechteckkurve benutzt werden, welche durch Integration in eine Dreieckspannung umgewandelt wird, deren Nulldurchgänge zur Erzeugung einer zur ersten Rechteckkurve um 90 Grad verschobenen Rechteckkurve dienen. Eine Phasenverschiebung um mehr oder weniger als 90 Grad ist mit diesem Verfahren jedoch nicht möglich.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, ein so Verfahren zu schaffen, mit dessen Hilfe eine Phasenverschiebung periodischer Signale über einen großen Winkelbereich mit einfachen Mitteln möglich ist

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebene Verfahren gelöst, wobei ein Phasenschiebebereich von -180° bis + 180° durch Ändern einer Gleichspannung auf einfache Weise überstreichbar ist Durch einfach zusätzliche Maßnahmen isl der Phasenschiebebereich gemäß dem im Kennzeichen des Anspruchs 2 angegebenen Verfahren von =360° bis +360° erweiterbar.

Ein besonderer Vorteil dieses Verfahrens gegenüber RC- bzw. LC-Generatoren besteht darin, daß die Phasenschiebung frequenzunabhängig und proportional zur angelegten Steucrgleichspannung erfolgt Dies ist wichtig bei automatischer Programmsteuerung oder bei Fernsteuerung.

Anstelle eines aus der Steuergleichspannung gewonnenen Rechtecksignals ist es selbstverständlich auch möglich, die positive und negative Steuergleichspannung direkt mit Eingangssignal und Referenzspannung zu verknüpfen. Auch ist das Verfahren keineswegs auf zur Zeitachse symmetrische Signal- bzw. Spannungsformen beschränkt

Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung und Zeichnung eines Ausführungsbeispiels hervor.

In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 die einzelnen Verfahrensschritte bei einer Phasenvoreilung von + 90°,

Fig.2 die einzelnen Verfahrensschritte bei einer Phasennacheilung von —270° und

Fig.3 das schematische Schaltbild einer möglichen Ausführung der Vorrichtung.

F i g. la zeigt — wie alle anderen F i g. Ib bis 2d — in einem Spannungs-Zeit-Diagramm U = f (t) ein Dreiecksignal ue- Wird zu diesem Dreiecksignal eine Gleichspannung i/g> addiert, so erg;';,t sich im aufsteigenden Ast von ue eine Phasenvoreilung des Summensignals Ue + Uq>, angedeutet durch einen Pfeil mit einem Pluszeichen, im absteigenden Ast eine Phasennacheilung, angedeutet durch einen Pfeil mit einem Minuszeichen. Der Phasenwinkel φ, in beiden Fällen gleich, abgesehen vom Vorzeichen, wird durch die Größe der Gleichspannung bestimmt sie ist also die »Steuergleichspannung«. Dabei entspricht eine Gleichspannung von der Größe der Dachspannung + ϋε des Dreiecksignals Ue einer Phasenverschiebung um ±90". Sie wird mit Uq> = ± t/90 bezeichnet

Das erfindungsgemäße Verfahren — F i g. 1 zeigt die einzelnen Schritte für eine Phasenvoreilung um +90°

— in einem Bereich von φ = —180° bis +180° erfolgt schrittweise derart, daß die Steuergleichspannung, im Beispiel ί/φ = + Ug₀, im Bereich des absteigenden Astes des Dreiecksignals ue invertiert wird, woraus ein Rechtecksignal u<p gewonnen wird, sithe Fig. Ib. Dieses Rechtecksignal und das Dreiecksigna] ue werden addiert zu u_E + ϋφ in Fi g. Ic.

Wo dieses Summensignal Ue + "φ innerhalb der Einhüllenden ± U₉₀ des Dreiecksignals Ue bleibt bildet es das Ausgangssigna! ua- Dies sind die Bereiche B und D, dicke Linien in F i g Id.

Wo das Summensignal ue + uq> die obere Einhüllende + i/90 überschreitet Bereich A, wird es invertiert zu —(ue + up), strichpunktierte Linie in Fig. Id und mit einer positiven Referenzspannung + t/iso addiert; es ergibt sich die in F i g. Id stark gepunktete Linie, welche im Bereich A das Ausgangssignal υ_Λ bildet

Wo das Summensignal ue + uq> die untere Einhüllende - ίΛο unterschreitet. Bereich C, wird es ebenfalls irwer'iert und mit einer negativen Referenzspannung

- [/im addiert in F i g. Id ebenfalls eine stark gepunktete Linie, die im Bereich Cdas Ausgangssignal bildet Das zusammengesetzte Ausgangssignal Ua hat gegenüber dem Dreiecksignal t/feine Phasenvoreilung von 90° wie gewünscht Die stark gepunkteten Linien in den Bereichen A und C entsprechen einer Spiegelung des Summensignals ue + υφ an der jeweils überschrittenen Einhüllenden.

Eine Überschreitung des Frequenzschiebungsbereiches ± 180° ist ohne weitere Schritte nicht möglich, da dies eine zweimalige Spiegelung bedeuten würde. Es muß daher eine die Referenzspannung ± Um überschreitende Steuergleichspannung υφ* auf eine Gleichspannung U(D innerhalb dieses Bereiches unter Ausnut-

zung der Beziehungen zwischen den Winkelfunktionen zurückgeführt werden. Es wird also zu einer positiven Steuergleichspannung υφ * zwischen 0° und +360° die negative Referenzspannung - LA₁₈₀, zu einer negativen Steuergleichspannung L/φ* zwischen 0° und -360° die positive Referenzspannung addiert, auf die Summe Uif^m±U\m—U<p das vorhin beschriebene Verfahren angewandt und das entstehende Ausgangssignal u_A zu dem dem gewünschten Phasenwinkel φ* zugeordneten Ausgangssignal Ua* invertiert. F i g. 2a bis 2d zeigt dafür ein Ausführungsbeispiel für eine Phasenverschiebung um -270°. Einer Phasenverschiebung um -270° entspricht eine Steuergleichspannung υφ* —-Z ■ LW Zu dieser wird + U\m addiert, so daß üfy = - LW entsteht (Fig. 2b). Aus dieser Gleichspannung entsteht durch Invertieren im abfallenden Ast des Dreiecksignals Wf das Reuttecksignal Uq (F i g. 2b). Die Summe Ue + υφ von Dreieck- und Rechteckisgnal (F i g. 2c) bildet, wo sie innerhalb der EiiMiüilenueii iiegi, Uds Signal u.\, Mitike unterbrochene Linien in F i g. 2d, und wird an den überschrittenen Einhüllenden gespiegelt, stark gepunktete Linien in F i g. 2d.

Dies entspricht einer Phasenverschiebung von -90°. Durch Inversion wird daraus die Ausgangsspannung w.(*. die einer Phasenverschiebung um φ* = -270° entspricht, stark ausgezogene Linien in F i g. 2d.

Die schematische Schaltung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zeigt Fig. 3. Der mit durchbrochenen Linien umrahmte Teil I dient dabei der in F i g. 1 beschriebenen Phasenverschiebung von

— 180" bis + 180°, die außerhalb liegenden Teile dienen der Erweiterung des Phasenschiebungsbereiches von -360" bis +360°. Der Eingang 2 von Teil 1, an den die Steuergleichspannung ί/φ angelegt wird, ist mit dem einen Umschaltkontakt eines digitalgesteuerten Analog-Umschalters 3 direkt, mit dem anderen Umschaltkontakt über ein erstes Umkehrglied 4 verbunden. Der Analog-Umschalter 3 führt auf einen Eingang eines ersten Summiergliedes 5. dessen anderer Eingang mit Eingang 6 von Teil 1 verbunden ist. an dem das Dreiecksignal üfliegt.

ripr ÄiicoQno H<*c prdpn ζι immi<»rolii»H<»c ζ !et mit

einem ersten digital-gesteuerten Analogschalter 7. dem Eingang eine? zweiten Umkehrgliedes 8, mit dem Plus-Eingang eines ersten Komparators 9 und mit dem Minus-Eingang eines zweiten Komparators 10 verbunden. Der Minus-Eingang des ersten Komparators ist mit dem Eingang 11. an dem die Spannung +LW liegt. verbunden, und die Spannung — U<m gelangt über den Eingang 12 an den Plus-Eingang des zweiten Komparators 10. Der erste digital-gesteuerte Analogschalter 7 ist mit einem Eingang eines zweiten Summiergliedes 13 verbunden, der Ausgang des zweiten Umkehrgliedes 8 ist über einen zweiten digital-gesteuerten Analogschalter 14 mit dem zweiten Eingang des zweiten Surnmiergliedes 13 verbunden. Über die Eingänge 15 und 16 gelangen die positive Referenzspannung + Um über einen dritten digital-gesteuerten Analogschalter 17 an den dritten und die negative Referenzspannung

— Uw, über einen vierten digital-gesteuerten Analogschalter 18 an den vierten Eingang des zweiten Summiergiiedes 13. Die Ausgänge der Komparatoren 9 und 10 führen auf die Eingänge eines NOR-Gliedes 19. dessen Ausgang mit dem Eingang eines dritten Umkebrgliedes 20 verbunden ist. Alle Analogschalter werden von digitalen Signalen in bekannter Weise gesteuert, was durch unterbrochene Linien angedeutet ist. Der Analogumschalter 3 wird von einem Rechtecksteuersignal ur geschaltet, das am Hingang 21 anliegt.
Die Funktionsweise der Schaltung ist folgende:
Das am Eingang 6 angelegte Dreiecksignal Ue (Fig. la) soll mittels der am Eingang 2 angelegten, einem bestimmten Winkel φ proportionalen Steuergleichspannung L/φ phasenverschoben werden. An den Eingängen 11 und 12 liegen Spannungen ± LW die den Einhüllenden des Dreiecksignals Ue und gleichzeitig einer Steuergleichspannung L/φ für eine Phasenverschiebung um φ — ±90° entsprechen. An den Eingängen 15 und 16 liegen die Referenzspannungen ± L/i8o = ±2 · LW Soll die Phasenverschiebung beispielsweise + 90° betragen (Fig. I), so liegt auch am Eingang 2 die Spannung + LW Ein von der Dreieckspannung Uf abgeleitetes Rechtecksteuersignal ur liegt am Eingang 21 und schaltet den Analogumschalter 3 so, daß beim aufsteigenden Ast von up. die Steuergleichspannung υφ direkt, beim absteigenden Ast die durch uä.S oiViKciirgiicu t ifiVcriicric opäünürig — υφ Sn vjcfi einen Eingang des ersten Summiergliedes 5 gelangt. Dies ergibt das Rechtecksignal ϋφ (Fig. Ib). Am Ausgang des ersten Summiergliedes 5 erscheint das Summensigna! Ue + υφ (Fig. ld). Dieses wird vom zweiten Umkehrglied invertiert (Fig. Id). Durch die vier Analogschalter 7, 14, 17 und 18 werden also die Signale Uf. + υφ, —(ue + ug^unddie Referenzspannungen ± Um an das zweite Summierglied 13 geschaltot und dor; addiert. Im ersten Komparator 9 wird geprüft, ob das Summensignal up + υφ die Einhüllende + Um überschreitet. Ist dies der Fall, erscheint am Komparatorausgang ein Signal, welches den Analogschalter 17 schließt, über das NOR-Glied 19 den Analogschalter 7 öffnet und weiter über das dritte Umkehrglied 20 den Analogschalter 14 ebenfalls schließt. Im zweiten Komparator 10 wird geprüft, ob das Summensignal Ur + υφ die zweite Einhüllende - LW unterschreitet. Ist dies der Fall, wird vom Ausgangssignal der Analogschalter 18 geschlossen und ebenfalls wieder Schalter 7 geöffnet und Schalter 14 geschlossen. Ist das Summensignal innerhalb der Einhüllenden, also

- LW^ ue+ υφ < + LW

sind die Schalter 14, 17 und 18 geöffnet und Schalter 7 geschlossen. Am Ausgang des zweiten Summiergliedes 13 erscheinen also je nach Größe des Summensignals die Signale ue + u<jr(Fall Bund Din Fig. Id),

-(ue+υφ)+ £/iso(FaII A in Fig. Id).oder
^)L/(FllCiFig. Id)

als Ausgangss.gnal Ua, welches gegenüber dem Dreiecksignal ue die gewünschte Phasenverschiebung aufweist. Für eine Erweiterung des Phasenschiebungsbereiches von -360° bis +360° ist ein dritter Komparator vorgesehen, dessen Minuseingang auf Null Volt liegt an dessen Pluseingang die Steuergleichspannung Όφ* — von — i/jto bis + U**, — gelegt wird und von der ein Signal abgibt, wenn L*jp* > 0 ist Von diesem Signal wird ein weiterer digital-gesteuerter Analogumschalter 23 betätigt der im Falle Lkp* >0 die positive Referenzspannung + {/κ» und im Falle Lkp>0 die negative Referenzspannung — i/jgo einem Eingang eines dritten Summiergliedes 24 zuführt an dessen anderen Eingang die Steuergleichspannung υφ* gelegt wird. Am Ausgang des dritten Summiergiiedes 24 erscheint dann die modifizierte Steuergleichspannung

Hp= LV+LW
die dem Eingang 2 zugeführt wird.

Im Teil 1 wird anschließend das Verfahren, wie bereits früher beschrieben, nach Fig. 2 durchgeführt und das am Ausgang des zweiten Summiergliedes 13 erscheinende Signal im durch ein viertes Umkehrglied 25 zum Ausgangssignal u_A* invertiert.

Auf dieselbe Weise können andere, verschobene oder erweiterte Phasenschiebungsbereiche gewonnen werden und es sind auch andere Ausführungsformen zur

Durchführung des Verfahrens denkbar. Die Ausgangssignale u.\ bzw. im * können anschließend, ebenfalls wie das Dreiecksignal Uf, in an sich bekannter, nicht dargestellter Weise nach analog oder digital arbeitenden Verfahren alle möglichen Kurvenformen erhalten, /. B. Sinusform, welche die Phasenverschiebung des Dreiecksignals synchron mitmachen.

1 lic zu 3 Matt

Claims

Patentansprüche:

I, Verfahren zur Phasenverschiebung von —190° bis +180° von aus einem Dreiecksignal ableitbaren Signalen, dadurch gekennzeichnet, daB das Dreiecksignal (ue), ein Rechtecksignal (υφ) und eine Referenzspannung (±L/jeo) stückweise zu einem Ausgangssignal (u*) nach folgender Vorschrift summiert werden:

a) im Bereich ■+■ U_w> u_E + u₉ >— U₉₀: u_A = u_E + u,

b) im Bereich «£ +«_f >+ U₉₀: u_A = - (u_E + u₉) + | U_m

c) im Bereich u_E + U₉ <- U₉₀: u_a = - {u_E + u₉) - \ U_m

wobei das Rechtecksignal (υφ) aus einer Steuergleichspannung (ϋφ) gebildet ist, welche im Bereich des absteigenden Astes des Dreiecksignals (ue) ihr Vorzeichen ändert, und wobei die Spitzenwerte des Dreiecksignals der Steuergleichspannung £/<ρ=±ί/» gleich sind, die einer Phasenverschiebung von ±90° entspricht, und wobei die Referenz- spannung (Um) dem Betrag einer Steuergleichspannung Uq> mit einer Phasenverschiebung von ±180° entspricht
2. Verfahren zur Phasenverschiebung von —360" bis +360° von aus einem Dreiecksignal ableitbaren Signalen, dadurch gekennzeichnet, daß das Dreiecksignal (ue), ein Rechtecksignal (υφ) und eine Referenzspannung (±t/₁₈o) stückweise zu einem Ausgangssignal (u_A*) nach folgender Vorschrift summiert werden:

a) im Bereich + U₉₀^. u_E + u₉ >— U₉₀: - u_A* = u_E + u₉

b) im Bereich u_E + u₉> -!- U₉₀: — u_A* = — {u_E + u_t) + | i/_l80 [

c) im Bereich u_E + u_f <- U₉₀: - u_A* = - {u_E + u_r) - \ U_m \

wobei das Rt~htecksignal (u_f) nach der Vorschrift

d) im Bereich 0 < U₉* <-* U₃₆₀:

e) im Bereich - U₃₆₀ < U₉* < O:

u_r = U₉* - \ U

u_t = U₉* + I U

aus einer Steuergleichspannung (Lkp*) gebildet ist, welche im Bereich des absteigenden Astes des Dreiecksignals (ue) ihr Vorzeichen ändert und wobei die Spitzenwerte des Dreiecksignals der Steuergleichspannung Up*= ±£/90 gleich sind, die einer Phasenverschiebung von ±90° entspricht, und wobei die Referenzspannung (U\so) dem Betrag einer Steuergleichspannung Όφ * mit einer Phasenverschiebung von ±180° entspricht
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daB ein von einem Rechtecksignal (ur) digital-gesteuerter Analogumschalter (3) vorgesehen ist, daß ein erstes 'Summierglied (5) vorgesehen ist, dessen einem Eingang der Analogumschalter in der einen Stellung die Steuergleichspannung (Uo?) direkt, in der anderen Stellung die über ein erstes Umkehrglied (4) invertierte Steuergleichspannung (- υφ) zuführt, dessen anderem Eingang das Dreiecksignal (u_E) zugeführt wird, daB der Ausgang des ersten Summiergliedes (5) mit einem ersten digitalgesteuerten Analogschalter (7), mit dem Eingang eines zweiten Umkehrgliedes (8), mit dem Plus-Eingang eines ersten !Comparators (9) und mit dem Minus-Eingang eines zweiten !Comparators (10) verbunden ist, daß der Minus-Eingang des ersten Komparator« an einer positiven Gleichspannung (+ l4>) und der Plus-Eingang des zweiten !Comparators an einer negativen Gleichspannung (- U₉₀) liegt, daß ein zweites SumiiiiergfusJ (13) vorgesehen ist, dessen Eingänge über den ersten digital-gesteuerten Analogschalter (7) mit dem Ausgang des ersten Summiergliedes (5), über einen zweiten digital-gesteuerten Analogschalter (14) mit dem Ausgang des zweiten Umkehrgliedes (8), über einen dritten digital-gesteuerten Analogschalter (17) mit dem Eingang (15) der positiven Referenzspannung (+U\to) und über einen vierten digital-gesteuerten Analogschalter ',18) mit dem Eingang (16) der negativen Referenzspannung (-t/no) verbunden sind, daß der dritte Analogschalter (17) vom Ausgangssignal des ersten (Comparators (9) und der vierte Analogschalter (18) vom Ausgang des zweiten !Comparators (10) geschaltet wird, daß ein NOR-Glied (19) vorgesehen ist, dessen Eingänge mit den Ausgängen der Komparatoren (9, 10) verbunden sind und dessen Ausgangssignal den ersten Analogschalter (7) schaltet, daß ein drittes Umkehrglied (20) vorgesehen ist, dessen Eingang mit dem Ausgang des NOR-Gliedes (19) verbunden ist und dessen Ausgang den zweiten Analogschalter (14) schaltet und daß schließlich am Ausgang des zweiten Summiergliedes (13) das Ausgangssignal (u_A) erscheint.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (1) nach Anspruch 3 und zusätzlich ein dritter Komparator (22) vorgesehen ist, dessen

Minus-Eingang auf Nullpotential liegt, und dessen Plus-Eingang die Steuergleichspannung (Uq>*) zuführbar ist, daß ein drittes Summierglied (24) vorgesehen ist, dem die Steuergleichspannung (Ucp *) und über einen weiteren, vom Ausgangssignal des dritten !Comparators digital-gesteuerten Analogumschalter (23) die positive oder negative Referenzspannung (±i/iao) zuführbar sind und daß der Ausgang des dritten Summiergliedes (24) mit dem Eingang (2) für die Steuergleichspannung (Uq>) verbunden ist sowie daß dem zweiten Summierglied (13) ein viertes Umkehrglied (25) nachgeschaltet ist