DE3210049C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer ausgangsseitigen Dreieckswelle aus einer eingangsseitigen Sinuswelle, mit einem Verstärker, dessen Ausgang auf seinem Eingang durch eine Rückkoppelschaltung rückgekoppelt ist.

Aus der Druckschrift Halbleiter-Schaltungstechnik, U. Tietze, Ch. Schenk, 5. Auflage, Seiten 100 und 101 sowie 3. Auflage, Seiten 56 und 57 sind Schaltungen mit Rückkopplung allgemein abgehandelt. Diese Schaltungen zeichnen sich dadurch aus, daß ein Teil der Ausgangsspannung über ein Rückkopplungsnetzwerk auf den Eingang zurückgeführt wird. Üblicherweise befindet sich im Vorwärtszweig ein Verstärker. Als einfachster Fall wird derjenige angesehen, bei dem das Rückkopplungsnetzwerk lediglich aus einem Spannungsteiler besteht. Dann arbeitet die Schaltung als linearer Verstärker, dessen Verstärkung ausschließlich durch das Teilverhältnis bestimmt wird. Wenn als Rückkoppler ein RC-Netzwerk verwendet wird, entsteht ein aktives Filter. Schließlich ist in dieser Druckschrift noch angegeben, daß man auch nichtlineare Bauelemente, z. B. Dioden oder Transistoren verwenden kann, um auf diese Weise nichtlineare Rechenoperationen durchzuführen.

Aus der DE-AT 11 84 379 ist eine Schaltungsanordnung bekannt, die aus einem eingangsseitigen Sinussignal ein ausgangsseitiges Rechtecksignal erzeugt. In der in Fig. 4 dieser Druckschrift angegebenen Schaltung liegt im Vorwärtszweig ein als Verstärker dienender Transistor, dessen Kollektor mit seiner Basis über die Reihenschaltung eines Kondensators mit zwei gegensinnig geschalteten Zener-Dioden verbunden ist. Zum Ein- und Auskoppeln der Sinus- bzw. Rechteckwelle werden am Ein- und Ausgang vorgesehene Transformatoren verwendet. Außerdem finden sich in dieser Schaltung noch weitere stromspeichernde Bauelemente wie Kondensatoren. Wegen der in der Schaltung befindlichen Induktivitäten und Kapazitäten kann die gewünschte Umwandlung nur in einem relativ schmalen Frequenzband erzeugt werden, da Stromspeichereffekte dabei eine wesentliche Rolle spielen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung anzugeben, die aus einer eingangsseitigen Sinuswelle eine ausgangsseitige Dreieckwelle erzeugt, wobei insbesondere aus jedem Teilstück der eingangsseitigen Sinuswelle auch ein entsprechendes Teilstück der ausgangsseitigen Dreieckswelle erzeugt werden soll.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die ausschließliche Verwendung von Widerständen und nichtlinearen Halbleiterelementen in der Rückkoppelschaltung wird sichergestellt, daß diese Schaltung praktisch frequenzunabhängig arbeitet. Dadurch wird es ermöglicht, daß die Ausgangswelle verzögerungsfrei ein Abbild der Eingangswelle wird, wodurch auch Teilstücke einer eingangsseitigen Sinuswelle abgebildet werden können.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Umwandlers wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines vorhandenen Sinusumwandlers, indem eine Dreieckswelle in eine Sinuswelle geformt wird,

Fig. 2 einen besonderen Sinusumwandler, der bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann und der durch ein Widerstands-Dioden-Netzwerk gebildet wird,

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines typischen invertierenden Verstärkers,

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Einrichtung, die gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, und den Sinusumwandler gemäß Fig. 1 als Teil der Rückkopplung des invertierenden Verstärkers der Fig. 3 verwendet, mit entsprechenden Eingangs- und Ausgangssignalformen, und

Fig. 5 eine Anzahl von weiteren Signalformen, die unter Verwendung des Umwandlers gemäß Fig. 4 erzeugt werden können.

Fig. 1 zeigt einen Dreiecks-In-Sinuswellen-Umwandler 10, der ein Eingangssignal in Form einer Dreieckswelle 12 in ein Ausgangssignal in Form einer Sinuswelle 14 umwandelt. Besitzt die Eingangsdreieckswelle 12 eine Spannung V₁(t), dann hat die Ausgangssinuswelle 14 einen Strom, der definiert wird durch die Beziehung

I₂(t) = g₂(t)V₁(t),

wobei g₂(t) gleich der Umwandlerübertragungsfunktion für die Modifizierung der Dreieckswelle 12 in die Sinuswelle 14 ist. Der Sinuswellenumwandler 10 ist allgemein bekannt und kann entweder aus passiven oder aktiven Schaltungselementen aufgebaut sein. Diese Art von Sinusumwandler wird im allgemeinen als Teil eines Funktionsgenerators verwendet, um Ausgangssinuswellen aus Eingangsdreieckswellen zu erzeugen.

Fig. 2 zeigt ein spezielles Beispiel, wie der Sinusumwandler 10 der Fig. 1 aus dem Netzwerk aus Widerständen und Dioden oder Halbleitern gebildet werden kann. Insbesondere sind Widerstände R1 bis R8 und Dioden CR1 bis CR6 vorgesehen. Das Dreieckseingangssignal wird an den Eingangswiderstand R8 angelegt und der Sinuswellenausgangsstrom I₁(t) über die Dioden CR1 und CR2 erzeugt.

Der Sinusumwandler der Fig. 2 arbeitet wie eine Amplitudendämpfungsvorrichtung mit der Ausnahme, daß die durch die Schaltung der Fig. 2 erzeugte Dämpfungsfunktion nicht linear ist, da Dioden für einige der Dämpfungselemente verwendet werden und diese Dioden nichtlineare Vorrichtungen darstellen. Die Werte für die verschiedenen Schaltungselemente in Fig. 2 werden speziell so gewählt, daß sie ein Sinuswellenausgangssignal erzeugen, wenn an die Schaltung ein Dreieckswelleneingangssignal angelegt wird.

Fig. 3 veranschaulicht einen vorhandenen invertierenden Verstärker 16, der durch einen Operationsverstärker gebildet wird und einen Eingangswiderstand 18 mit einem Wert R1 und einem Rückkopplungswiderstand 20 mit einem Wert R2 aufweist. Wird eine Spannung f₁(t) an den Eingang des Verstärkers 16 angelegt, dann ist der Ausgang f₂(t) des Verstärkers.

f₂(t) = -(R2/R1)f₁(t) (1)

Die vorliegende Erfindung setzt den vorhandenen Dreieckswellen- In-Sinuswellen-Umwandler 10 gemäß Fig. 1 als Teil des invertierenden Verstärkers der Fig. 3 ein, und zwar durch Ersatz des Rückkopplungswiderstandes 20 durch den Sinusumwandler 10. Als ein Beispiel kann der spezielle Sinusumwandler der Fig. 2 verwendet werden. Insbesondere ist der Eingang des Sinusumwandlers 10 mit dem Ausgang des Verstärkers 16 und der Ausgang des Sinusumwandlers 10 mit dem Eingangssummierpunkt des Verstärkers 16 verbunden. Die Eingangsspannung f₁(t) ist die Sinuswelle 20 und die Ausgangsspannung f₂(t) ist die Dreieckswelle 22. Das System nach Fig. 4 wandelt somit eine Eingangssinuswelle in eine Ausgangsdreieckswelle durch Einfügen eines Sinusumwandlers in die Rückkopplungsschleife eines invertierenden Verstärkers um. Dies kann allgemein durch folgendes gezeigt werden: Für den Sinusumwandler gemäß Fig. 1 kann g₂(t) definiert werden als

I₂(t) = g₂(t) V₁(t), (2)

wobei I₂(t) ein Stromsignal mit einer periodischen Sinuswelle, V₁(t) ein Spannungssignal mit einer periodischen Dreieckswelle und g₂(t) die Übertragungsfunktion des Umwandlers 10 ist.

In Fig. 4 ist

I₂(t) = g₂(t)f₂(t) (3)
I₁(t) = (1/R1)f₁(t) (4)
I₁(t) + I₂(t) = 0 (5)

somit

I₁(t) = (1/R1)f₁(t) = -g₂(t)f₂(t) (6)

Ein Vergleich der Gleichung (6) mit der Gleichung (2) zeigt, daß f₂(t) eine periodische Dreieckswelle ist, wenn I₁(t) eine periodische Sinuswelle darstellt. Da der Eingangswiderstand 18 (R1) eine lineare Vorrichtung ist, so muß auch f₁(t) eine periodische Sinuswelle sein. Mit anderen Worten ist das Rückkopplungsstromsignal I₂(t) eine Sinuswelle, die, wenn mit dem Strom I₁(t) kombiniert eine Kompensation hervorruft, so daß eine Dreieckswelle für das Eingangsspannungssignal V₂(t) und das Ausgangsspannungssignal f₂(t) gebildet wird. Das System der Fig. 4 erzielt somit die notwendige Rückkopplung zur automatischen Umwandlung der Eingangssinuswelle f₁(t) in die Ausgangsdreieckswelle f₂(t).

Es zeigt sich somit, daß abhängig von der speziellen Signalform der Eingangssinuswelle unterschiedliche Ausgangsdreieckswellen gebildet werden können. Dies ergibt sich aus Fig. 5, wo einige Eingangs- und Ausgangssignalformen (a) bis (e) gezeigt sind. Wie ersichtlich, zeigt die Signalform (a) die Sinuswellen-In-Dreieckswellen- Umwandlung, die Signalform (b) die Umwandlung von einer Halbsinuswelle in ein Sägezahnausgangssignal und die Signalformen (c) und (d) veranschaulichen, daß jede bestimmte Anzahl von Sinuswellen in eine entsprechende Anzahl von Dreieckswellen umgewandelt werden kann. Signalform (e) veranschaulicht die Verwendung einer bezüglich der Grundlinie versetzten Sinuswelle, um eine ähnliche Dreieckswelle zu erzeugen.

Die vorliegende Erfindung bringt somit ein einfaches und zuverlässiges Verfahren zum Erzeugen einer Dreieckswelle aus einer vorhandenen Sinuswelle unter Verwendung eines Sinusumwandlers, der in die Rückkopplungsschleife eines Verstärkers eingefügt ist.

Claims (3)

1. Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer ausgangsseitigen Dreieckswelle aus einer eingangsseitigen Sinuswelle, mit einem Verstärker (16), dessen Ausgang auf seinen Eingang durch eine Rückkoppelschaltung (10) rückgekoppelt ist, wobei diese Rückkoppelschaltung derart ausgebildet ist, daß sie aus einer ihr eingangsseitig zugeführten Dreieckswelle eine ausgangsseitige Sinuswelle erzeugt und ausschließlich aus Widerständen und nichtlinearen Halbleiterelementen aufgebaut ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (16) ein invertierender Verstärker ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (16) ein Operationsverstärker ist.