DE3229613A1

DE3229613A1 - Funktionsgenerator mit unabhaengig steuerbarer symmetrie und frequenz

Info

Publication number: DE3229613A1
Application number: DE19823229613
Authority: DE
Inventors: Eric Jon 97123 Hillsboro Oreg. Dickes
Original assignee: Tektronix Inc
Current assignee: Tektronix Inc
Priority date: 1981-08-21
Filing date: 1982-08-09
Publication date: 1983-03-10
Also published as: JPS5834618A; FR2511783A1; CA1194936A; FR2511783B1; JPS6412407B2; GB2105937B; GB2105937A; NL8203247A

Description

FUNKTIDNSGENERATGR MIT UNABHÄNGIG

STEUERBARER SYMMETRIE UND FREQUENZ

Die vorliegende Erfindung betrifft irn allgemeinen Funktionsgeneratoren und insbesondere einen Kreis zur Erzeugung einer dreieckförmigen Wellenform mit einer steuerbaren Symmetrie.

Funktionsgeneratoren sind bekannt und werden im zunehmendem Maße zur Erzeugung von dreieckförmigen Wellenformen mit steuerbaren Frequenzen verwendet, die für Prüf- und Meßzwecke in andere Wellenformen, beispielsweise in Rechtnckwellen, Sinuswellen usw. umgewandelt werden. Ein Problem, das mit derartigen bekannten Funktionsgeneratoren verbunden ist, besteht darin, daß sich bei der Veränderung der Symmetrie der Wellenform auch die Ausgangsfrequenz ändert. Derartige Funktionsgeneratoren erfordern daher sehr viel Einstellungstätigkeit, weil zwischen den Frequenz- und Symmetriesteuerungen Zwischenwirkungen bestehen. In den Momenten, in denen es wünschenswert ist, schnell ein Ausgangssip.nnl einer vorgegebenen Frequenz und Symmetrie (oder Taktverhältnis) zu erzeugen, ist es schwierig die gewünschten Signalcharakteristiken zu erhalten.

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Funktionsgenerator, bei dem die Symmetrie und die Frequenz unabhängig voneinander steuerbar sind, ohne daß zwischen ihnen Zwischenwirkungen bestehen. Ein Paar von Stromgeneratoren ist zum Aufladen und Entladen eines Kondensators vorgesehen, um eine Dreieckspannung zu erzeugen. Ein Paar von Digital-Analog-Wandlern mit einer steuerbaren Bezugsspannung ist zur Steuerung der Stromgeneratoren vorgesehen. Eine Steuereinrichtung erzeugt angemessene digitale Daten für die beiden Digital-Analog-Wandler, um eine Änderung der Symmetrie zu ermöglichen, während die FrequenzcharakteristikBr konstant gehalten werden. Das Nettoergebnis besteht darin, daß die Frequenz und die Symmetrie der dreieckförmigen Ausgangswellenform unabhängig gesteuert werden können, ohne car, eine Zwischenwirkung zwischen den beiden Steuerungen bewirkt wird.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, einen verbesserten Funktionsgenerator zu schaffen, bei dem die Frequenz- und Symmetriecharakteristiken unabhängig voneinander steuerbar sind.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen digital gesteuerten Funktionsgenerator anzugeben .

Im Folgenden werden die Erfindung und deren Ausgestaltungen im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert. Es zeigt:

F : £_;. 1 Elin Blockschaltbild einer herkömmlichen Funktionsgenerator,·

Fig. 2 ein Schaltbild, das Einzelheiten eines bekannten Funktionsgenerators zeigt;

Fig. 3 ein Diagramm mit Charakteristiken von dreiecl'-

förmigen Wellenformen, wobei die Amplitude yegenübor der Zeit aufgetragen istj

Fig. 4 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Erfindung sgemä Ben Funktionsgenerators j

Fig. 5A u. 5B Schaltbilder des oberen und unteren Stromerzeugungsteiles eines erfindungsgemäßen Funktions generators j und

Fig. B Einzelheiten eines im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verwendeten Digital-Analog-Wandlers .

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines herkömmlichen Funktionsgenerator zur Erzeugung einer Dreieckwellenform. Die Erläuterung derartiger bekannter Funktionsgeneratoren dient dem Verständnis der vorliegenden Erfindung. Die Ausgangsströme I.. und I„ von einer Stromquelle 10 und einer Stromsenke 12 werden abwechselnd an den Kondensator 16 über einen Steuerschalter 17 gegeben, wobei der Steuerschalter 14 durch den Steuerkreis 20 geschaltet wird. Die Spannung am Kondensator 16 wird von dem Ausgangsanschluß 22 über einen Pufferverstärker 18 abgeleitet. Das Ausgangssignal des Pufferverstärkers 18 wird auch an den Schalter - Steuerkreis 20 angelegt.

Der Kreis arbeitet in der folgenden Weise. Vorausgesetzt, daß der Steuerschalter 14 am Anfang in seiner oberen Stellung ist, um den Strom I.. an den linearen Ladungskondensator 16 anzulegen, wird eine positive Auslenkung der Dreieckspannung der Wellenform erzeugt. Wenn die Spannung am Kondensator 16 einen oberen Spannungsschwellwert Vj. erreicht, verbindet der Steuerkreis 20 den Steuerschalter 14 mit der unteren Stellung, wodurch bewirkt: wir-i, daß der Strom I_n von dem Kondensator 16 fließt und daß dadurch eine negative Auslenkung des Dreif.cksignals ηγ~ zeugt wird. Die zuvor angegebene Arbeitsweise wiederholt sich, wenn das Dreiecksignal einen unteren Schwellwert V, erreicht.

Fig. 2 zeigt einen ausführlichen Kreis eines herkömmlichen Funktionsgenerators. Die Stromquelle 10' besteht aus einem Transistorpaar 24 und 26, wobei die Basiselektroden beider Transistoren mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 28 verbunden sind. Die Emitterelektroden der Transistoren 24 und 26 sind jeweils über Widerstände 34 und 36 mit den gegenüberliegenden Enden eines Potentiometers 32 verbunden, dessen Schleifer mit einer positiven Spannungsquelle verbunden ist. Der Operationsverstärker 26 arbeitet, um die Emitterspannung des Transistors 26, der mit dem invertierenden EingangsanschluB des Operationsverstärkers verbunden ist, mit der steuerbaren Bezugsspannung zu vergleichen, die von einem Potentiometer 30 abgeleitet und an den nicht invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 28 angelegt wird. Der Kollektorstrom des Transistors 24 repräsentiert den Ladestrom I.. der Fig. 1, während der Kollektorstrom des Transistors 26 verwendet wird, um den Stromspiegelkreis 12' anzutreiben, um den Entladestrom I_n zu erzeugen. Der Stromspiegelkreis 12' besteht aus 3 Transistoren 38, 40 und 42 und 2 Widerständen 44 und Der Kcllektor-Emi tterüberg*ang des Transistors 42 und der Widerstand 46 sind zwischen dem Kollektor des Transistors 26 und einer negativen Spannungsquelle in Reihe miteinander verbunden. Der Kollektorstrom des Transistors 38 repräsentiert den Entladestrom I„. Der Steuerschalter 14 besteht aus einer Diodenbrücke, die die Dioden a - d aufweist.

Beim Betrieb leiten die Transistoren 24 und 26 gleichförmig, wenn der Schleifer des Potentiometers 32 auf seine Mittelstellung eingestellt wird. Durch die Auswahl von identischen Widerständen für die Widerstände 44 und 46, wird der Kollektcrstrom des Transistors 26 genau von dem Strom am Kollektor des Transistors 38 reproduziert. Aus diesem Grunde ist unter diesen Bedingungen I.. = I_n, Wenn die Eingangsspannung am Eingangsanschluß 23 relativ hoch ist, leiten die Dioden a und d und die anderen Dioden b und c sperren. Der Ladestrom I,. wird daher an den Kondensator 16 geliefert, während der Entladestrom I_n zum Eingangsanschluß 23 umgeleitet wird. Wie dies zuvor im Zusammenhang mit der Fig. 1 beschrieben wurde, hält die positive Auslenkung der Dreieck-Wellenform Cs. Zeiten t_ - t„ in Fig. 3) an, bis die Spannung den Wert V., zur Zeit t„ erreicht, zu der der Steuerschalter 14 dadurch umgeschaltet wird, daß die Eingangsspannung auf einen relativ niedrigen Pegel abgesenkt wird. Die Dioden b und c werden dann leiten, während die Dioden a und d sperren, wodurch die negative Auslenkung (t~ - t. in Fig. 3) der Dreieckwellenform erzeugt wird. Wenn man davon ausgeht, daß C die Kapazität des Kondensators 16 darstellt, ergeben sich die Zeiten (t_n - t„) und (t„ - t.) durch die folgenden Gleichungen:

^T1 ^{= t}2 " ^tQ ⁼ T^ ⁽¹⁾

·? ' Δ. 7 ' 1 ^l *- ^J

T = T₁ + T₉ = (γ! + yl) CV (3)

ι δ ¹U D

Es ergibt sich nun, daß die Gesamtperiode T der Ausgangsdreieckwellenform eine Funktion von C, V, I.. und I_n ist. Aus der Gleichung (3) geht hervor, daß die Periode proportion zu Kapazität C ist. Die: Ströme I.. und I. werden auch durch das Potentiometer· 3ü gesteuert. Die Periode T ist umgekehrt proportional zu den Strömen I.. und I_n. Mit anderen Worten wird die Ausgangsfrequenz vergrößert, wenn die Ströme I,, und I_n dadurch vergrößert werden, daß die Bezugsspannung die an dem nicht invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 28 anliegt, von einem hohen Pegel auf einen niedrigf-n Pe^eI verändert wird.

Die Symmetrie der AusgangsdreieckwellenForm kann in einem gewissen beschränkten Bereich durch Steuerung des Potentiometer 32 gesteuert werden. De;r Strom I.. wird vergrößert und der Strom I_ wird verkleinert, wenn der Schleifer des Potentiometer 32 aus seiner mittleren Stellung in die rechte Stellung bewegt wird. In einer ähnlichen Weise werden der Strom T.. verkleinert und der Strom I vergrößert, wenn sich der Srhle'fer in Richtung auf seine linke äußere Position bewegt.

Die vorliegende Erfindung ergibt sich am besten aus der f ο igen, !en Beschreibung und den Fig. 4, 5A und 5B. Fig. 4 /ui.gt pin ve·."ein ^Pachtes Blockschaltbild des erf indungsgemäf3cn

- 1o ~

Funktionsgenerators. Die Stromquelle 10'' und die Stromsenke 12'' enthalten jeweils Digital-Analog-Wandler (DAC) 52 und 54 zur Steuerung der Symmetrie, die digitale Ausgangssignale von dem Mikroprozessor [f*P] 50 empfangen. Die Digita 1-Analog-Wandler 52 und 54 können in irgendeinerherkömmlichen Weise aufgebaut sein. Es sind jedoch Digitai-Analog-Wandler mit einer Auflösung van 10 bits oder größer für eine feinere Steuerung besser. Die Digital-Analog-Wandler 52 und 54 erzeugen Ausgangsspannungen, die den digitalen Eingangssignalen jedes Digital-Analog-Wandlers entsprechen. Beispielsweise werden geeignete digitale Eingangssignale für die Digital-Analog-Wandler 52 und 54 durch den Mikroprozessor 50 in Antwort auf die Daten berechnet, die durch eine Bedienungsperson über die Tastatur 51 für eine gewünschte Symmetrie oder das Verhältnis zwischen der positiven und der negativen Periode des Dreiecksignals eingegeben werden. Es wird festgestellt, daß die digitalen Eingangssignale der Digital-Analog-Wandler 52 und 54 so

1 1
berechnet werden, daß (-s— +· j—) konstant bleibt.

¹U ^XD

Ein Frequenzsteuersignal wird über den Anschluß 27 an den Bezugsspannungsanschluß (V _f) der Digital-Analog-Wandler und 54 angelegt. Dieses Frequenzsteuersignal kann anfänglich die Form eines digitalen Signales aufweisen, das dann in

ein analoges Signal umgewandelt wird, bevor es an den Anschluß 27 angelegt wird. Wie dies am besten aus der folgenden Beschreibung der Fig. 5A und 5B hervorgeht, steuert das Signal V - die inkrcmentale Spannung von den Üigital-Analog-Wandlurn 52 und 54.

Fig. 5A und 5B zeigen schematische Kreisdarstellungen von bevorzugten Ausführungsformen der Stromquelle 10'' und der Stromsenke 12'' der Fig. 4. Fig. 6 zeigt ein schematisches Schaltbild der Digital-Analog-Wandler 52 und 54.

Fig. 5A zeigt eine bevorzugte Ausführung von einer Stromquelle 10'', die neben anderen passiven Komponenten den Digital-Analog-Wandler 52, das Schieberegister 56, die Operationsverstärker 58 und 62 und den PNP-Transiator 64 aufweist. Bei dem Digital-Analog-Wandler 52 kann es sich um einen 10 Bit verstärkenden Digital-Analog-Wandler, beispielsweise um den von Analog Devices vertriebenen Wandler AD 7533,handeln. Wie dies in Fig. 6 symbolisch dargestellt ist, weist ein Digital-Analog-Wandler, der als Digital-Analog-Wandler 52 verwendet wird. Widerstände R ,, R _o, ..., R , die

SI S Δ S Π

zwischen Massenpotential und einem V „-Anschluß in Reihe geschaltet sind, wobei an den V ,,"Anschluß die oben erwähnte steuerbare Bezugsspannung V _f von dem Frequenzsteueranschluß 27 der Fig. 4 angelegt wird, die Shunt-Widerstände R ,, , R -,, R , die mit jedem Knoten der Reihenwiderstände R verbunden

sind , und die elektronischen Schaltern S., S„, ..., S auf, die in Reihe zu den Shunt-Widerständen R geschaltet sind. Bei diesen Schaltern S kann es sich um CMOS-Schalter handeln. Die Schalter S können durch digitale Ausgangsdaten des Schieberegisters 56 gesteuert werden, das eine Halte- bzw. Latch-Fähigkeit besitzt. Die digitalen Daten werden von dem Mikroprozessor 50 über einen Datenbus zu dem Digital-Analog-Wandler auf eine herkömmliche Weise übertragen.

Ein Ausgangsanschluß I . ,. des Digital-Analog-Wandlers 52 ist mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 58 verbunden, während der andere Ausgangsanschluß I . „ geerdet ist. Der Ausgang des Verstärkers 5Θ ist an den Rückkopplungsanschluß Rp_R des Digital-Analog-Wandlers 52 zurückgekoppelt, der mit dem Ausgangsanschluß I , ,. über den Rückkopplungswiderstand R^ verbunden ist. Der nicht invertierende Eingang des Verstärkers 58 auf Erde bezogen. Mit dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 58 ist auch der Eingangswiderstand 60 eines weiteren Operationsverstärkers 62 verbunden, der eine positive Bezugsspannung von dem Widerstandsteiler erhält, der die Widerstände 61, 63 und 65 aufweist. Der Ausgang des Verstärkers 52 wird an den Transistor der Stromquelle geführt, dessen Emitterelektrode über den Rückkopplungswiderstand 66 mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers 62 und über den Widerstand 68 mit einer geregelten positiven Spannungsquelli' verbunden ist. Am Kollektor des Transistors 64 ist der Ausgangsstrarn I., verfügbar.

Beim Betrieb spricht der Ausgangsstrom I , . von dem Digital-Analog-Wandler 52 auf die digitalen Daten von dem Schieberegister 56 an. Dies bedeutet, daB alle Schalter S. - S in der linken Stellung sind, um die entsprechenden binär bewerteten Ströme an den AusgangsanschIuB I , . zu senden, wenn alle digitalen Daten von dem Register 56 den Wert einer logischen 1 aufweisen. Irgendein Strom, der digitalen Null-Daten entspricht, wird an den Ausgangsanschluß I , _ gesendet. Es wird festgestellt, daß der Strom von dem Anschluß I , . repräsentativ für die digitalen Daten für den Digital-Analog-Wandler 52 und auch auf die Bezugsspannung V ~ anspricht. Ein solcher Ausgangsstrom I . , fließt über den Rückkopplungswiderstand Rp, um eine entsprechende negative Ausgangsspannung von dem Operationsverstärker 56 durch dessen Wirkung zu verursachen. Eine derartige Ausgangsspannung wird dann durch den Operationsverstärker 62 verstärkt, um die Emitter-Spannung des Transistors 64 und abwechselnd den Ausgangsstrom I.. zu erzeugen.

Die Stromsenke 12'' der Fig. 5B ähnelt der Stromquelle 10''. Wo dies angemessen ist sind jedoch die Polaritäten umgekehrt. Die Hauptunterschiede betreffen die Verwendung des NPN-Transistors 73 an der Stelle des PNP-Transistors 64 und die nicht invertierende Beschaffenheit des Operationsverstärkers 76. Dib Stromsenke 12'' arbeitet im wesentlichen auf dieselbe Weise

wie die Stromquelle 10''. Um einen ähnlichen Betrieb sicherzustellen, besitzen in der Stromsenke 12'' alle passiven Komponenten die identisch elektrischen Werte. Die passiven Komponenten sind durch die identischen Bezugszeichen mit Strichindex dargestellt.

Die Stromquelle 10' und die Stromsenke 12* ' arbeiten daher entsprechend, um die Ströme I.. und I., der gleichen Größe an den Anschlüssen 70 und 80 zu erzeugen, wenn identische digitale Daten an die Digital-Analog-Wandler 52 und 54 angelegt w e rcJ β η .

Die Schieberegister 5B und 72 können aus drei in Kaskade ---erbundenen, achtstufigen Schiebe-Speicherregistern bestehen, wenn ein ö Bit Mikroprozessor 50 verwendet wird. Derartige Register werden unter der Bezeichnung MC 14094B vorder Firma Motorola vertrieben. Bei einem derartigen Beispiel empfängt ein erstes Register die digitalen Daten seriell an seinen Dateneingang. Diese Daten werden aufeinanderfolgend an das zweite und dritte Schieberegister übertragen. Mit anderen Worten werden alle erforderlichen Daten eingegeben, wenn Ö Bit Datenworte an die Dateneingänge des ersten Schieberegisters angelegt werden. Alle digitalen Bits der Daten iei dritten Schieberegisters und die zwei letzten Bits des zweiten Schieberegisters werden als digitale 10 Bit Hingangsdaten für den Digital-Analog-Wandler 54 verwendet. Die

6 digitalen Bits des zweiten Schieberegisters und die letzten 4 digitalen Bits des ersten Schieberegistsrs werden als digitale 1C Bit Eingangsdaten für den Digitol-Analog-Wandler 52 verwendet. Die restlichen 4 F3its der digitalen Daten des Schieberfgisters künnun vorwendeL· werden, urn dit; Auswahlschalter von Zeitkondünsatoren 1(3 unterschiedlicher Kapazitäten zu steuern.

Aus der Fig. 3 und der obigen Gleichung (3) ist ersichtlich, daß zwischen den Strömen I.. und I_n unabhängig von der ausgewählten Symmetrie die folgende Beziehung gelten muß;

¹DI ^IU2 ^ID2 ¹Un ¹Dn

Wenn die gewünschte Frequenz und Symmetrie über die Tastatur 51 in den Mikroprozessor 50 eingegeben sind, wird die entsprechende Bezugsspannung V „ berechnet und an den Anschluß 27 angelegt, wodurch die Periode T der Dreieckwellenform bestimmt wird. Der Mikroprozessor 50 berechnet auch dis Größen der geforderten Ströme I.. und I_n auf der Grundlage der Gleichung (4). Die DreieckwBllsnform der bestimmten Frequenz und Symmetrie wird erzeugt, wenn diese Daten an die Digital-Analog-Wandler 52 und 54 geliefert werden.

Ein anderer Versuch eine steuerbare Symmetrie ohne Änderung der Frequenz zu erzeugen besteht darin, eine sogenannte PLL-Technik mit einer phasenstarren Schleife anzuwenden. Dies bedeutet, daß der Spannungspegel zur Zeit t. in Fig. durch eine Abtasteinrichtung zu jeder Periode T abgetastet wird und daß der abgetastete Pegel mit dem unteren Schwellwertpegel V. verglichen wird. I.. oder I„ oder I.. und I„ wird bzw. werden vergrößert, wenn die Abtastspannung größer als V. ist. Im Gegensatz dazu werden I.. oder I„ oder L. und I„ verkleinert, wenn die Dreieckspannung den Wert V. früher als zur Zeit t. erreicht. Ein Gleichgewichtszustand wird erreicht, wenn die Abtastspannung gleich -V^ ist.

Aus der voranstehenden Beschreibung geht hervor, daß ein Paar von Digital-Analog-Wandlern mit einer steuerbaren Bezugsspannung bei der vorliegenden E'rfindung verwendet wird, um die Ströme I.. und I_n zum Laden und Entladen eines Kondensators zu steuern. Die Bezugsspannung wird verwendet, um die Ausgangsfrequenz, wenn dies für einen weiteren Frequenzbereich erforderlich ist, im Zusammenhang mit der Auswahl unterschiedlicher Kondensataren zu bnstimmen. Eine Cteuereinrichtung erzeugt geeignete digitale Daten für die beiden Digital-Analog-Wandler zur Erzeugung der gewünschten Symmetrie:,

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wobei (-γ— + ■=—) konstant bleibt. Das Nettoergebnis besteht

¹U ¹D
darin, daß die Frequenz und die Symmetrie der dreieckförmigen

Ausgangswellenform unabhängig voneinander gesteuert werden kennen, ohne daß eine Zwischenwirkung zwischen den beiden Steuerungen besteht.

Claims

Pitoflf&miffe DipJ. Ing. H. YMdsmm, DIpI. Ph_n. D,. *, _F|_ntko Dipl. Ing. F. A. V/eidcnwnn. DIpI. Chem. B. Huber

fo.-lng. H. Liska Möhbtralje 22, 8000 MOndien 86

Tektronix, Inc. ,

S.W. Griffith Drive, P.O. Box 500, Beaverton, Oregon 97077 U.S.A.

Funktionsgenerator mit unabhängig steuerbarer Symmetrie und Frequenz

Patentansprüche

(IL Funktionsgenerator mit einer Stromquelle und einer Gtromsenke und mit einem Kondensator, der zur Erzeugung einer Spannung mit einnr dreieckförmigen Wellenform mit der Stromquelle und der Stromsenke verbindbar ist, um aufeinanderfolgend guliiden und entladen zu werden, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Stromquelle (10'') und der Stromsenke (12'') Steuereinrichtungen (52, 54) verbunden sind, um die durch die Stromquelle (10'') und die Stromsenke (12'') erzeugten Ströme I,., I_n zu verändern und dabei die Summe der reziproken Werte die'ser Ströme konstant zu halten, um unabhängig von der Frequenz eine steuerbare Symmetrie der Wellenform zu bewirken.
2) Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die Steuereinrichtungen eine Einrichtung (50) zur Erzeugung von digitalen Steuerdaten für die Stromaenke (12¹N und oie Stromquelle (10¹¹) aufweist, und daß die digitalen Daten durch Digital-Analog-Wandler (52, 54) in analoge Signals umwandelbar sind, um eine genaue Steuerung der Stromquelle (10'') und der Stromsenke (12'') zu ermöglichen.
3) Generator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung der digitalen Steuerdaten einen Mikroprozessor (50) aufweist.