DE3327427C2 - Generator für Rechteckspannungen variabler Phase - Google Patents

Abstract

Bei einem Generator für Rechteckspannungen variabler Phase mit einem Multivibrator, der zwei Ausgänge aufweist, von denen der eine ein rechteckförmiges Signal und der andere ein dreieckförmiges, der positiven oder negativen Integration des Rechtecksignals entsprechendes Signal liefert, wird eines der beiden Ausgangssignale des Multivibrators, vorzugsweise das Rechtecksignal, über eine variable Bewertungseinrichtung und das andere der beiden Ausgangssignale des Multivibrators ohne Zwischenschaltung einer variablen Bewertungseinrichtung einem Komparator zugeführt, wobei der Ausgang des Komparators den einen Ausgang des Generators bildet.

Description

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60 dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang des Multivibrators (37,38} und den Komparatoren (5, 8) Spannungs-Strom-Wandler eingefügt sind, die aus zwei Transistoren (40,41) mit einem (45) oder zwei Emitterwiderständen (42,43) in Differenzverstärkerschaltungen bestehen.

10. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet daß die Multiplizierer aus zwei Transistoren (47,48) in Differenzschaltung bestehen, daß der Steuereingang die miteinander verbundenen Emitter sind und daß die Steuergröße der den Emittern gegebenenfalls über einen Widersland (49) zugeführte Strom der Steuerquelle (50) ist.

11. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stronwerteilungsmultiplizierer mit symmetrischem Slcucreingang (57,58), symmetrischem Signaleingang (59) und zwei zueinander im Gegentakt arbeitenden, symmetrischen Ausgängen (60, 61) vorgesehen ist daß der Strom einer Versorgungsstromquelle (52) in einer Differenzverstärkerschaltung aus zwei Transistoren (55, 56\ die durch Emitterwiderstände (53, 54) gegengekoppelt sein können und deren Basen mit dem Sttuereingang (57,58) verbunden sind, entsprechend der Steuerspannung aufgeteilt und in die Emitter von jeweils vier Transistoren (62 bis 65, 66 bis 69) eingeleitet wird, daß die Basis des ersten, vierten, sechsten und siebten Transistors (62,65, 67,68) mit einem Anschluß des Signaleingangs (59) und die Basis des zweiten, dritten, fünften und achten Transistors (63, 64, 66, 69) mit dem anderen Anschluß des Signaleingangs (59) verbunden ist, daß die Ausgangsanschlüsse aus jeweils zwei Kollektoren gebildet werden und daß der erste Anschluß des ersten Ausgangs (60) aus den Kollektoren des ersten und vierten Transistors (62,66), der zweite Anschluß des zweiten Ausgangs (61) aus den Kollektoren des zweiten und sechsten Transistors (63, 67) und der zweite Anschluß des zweiten Ausgangs (61) aus den Kollektoren des vierten und achten Transistors (65, 69) bestehen.

45 Die Erfindung betrifft einen Generator für Rechteckspannungen variabler Phase, die eine Einrichtung aufweist, die ein rechteckförmiges Signal variabler Amplitude und ein dreieckförmiges Signal liefert, und die einen Komparator aufweist.

Generatoren für Rechteckspannungen mit veränderbarer Phase werden für Aufgaben der Meßtechnik, Signalanalyse und Steuerungen benötigt. Bei getakteten Netzteilen und Leuchtröhrenvorschaltgeräten besteht häufig der Wunsch nach Einstellbarkeit der Ausgangsgröße, die besonders wirksam über eine phasenabhängige Steuerung von Wechselrichter-Halbbrücken erreicht werden kann. Dabei kommt es darauf an, daß eine Phasenverschiebung über genau 180°, also einer halben Periodendauer, mit exakter Gleich- und Gegenphasigkeit an den Grenzen, ausgeführt werden kann.

Aus der DE-AS 25 45 562 ist eine Einrichtung bekannt, die aus einer fremd zugeführten Wechselspannung fester Frequenz zwei Rechteckspannungen bildet, die zueinander in der Phase veränderbar sind. Zu diesem Zweck wird die Wechselspannung durch einen NuII-spannungskomparator in eine symmetrische Rechteckspannung umgeformt und aus dieser durch einen nach-

geschalteten Iniegrator eine Dreieckspannung gebildet Mit Hufe eines von der Rechteckspannung gesteuerten Umschalters bzw. Polwenders und einer Steuerspannung wird aus der Rechteckspannung konstanter Amplitude am Ausgang des Nullspannungskomparators eine Rechteckspannung mit frei einstellbarer Amplitude gebildet Dreieckspannung und einstellbare Rechteckspannung werden einem zweiten Komparator zugeführt. Am Ausgang des zweiten !Comparators kann dann eine kechteckspannung entnommen werden, deren Phase gegenüber der Ausgangsspannung des Nullspannungskomparators durch die Steuerspannung eingestellt werden kann.

In Verbindung mit der Integration der Rechteckspannung zeigt die bekannte Anordnung jedoch gewisse Mängel. Der natürliche Offset realer Integratoren führt nach einiger Zeit dazu, daß am Ausgang des Integrators eine Gleichkomponente auftritt Im gleichen Sinne wirkt auch eine Unsymmetrie der Rechteckspannung am Ausgang des Nullspannungskomparators, wie sie durch Offset des Nullspannungskomparators oder durch Nullstellensymmetrie der Eingangswechselspannung entsteht. Es kommt dadurch zu einer Unsymmetrie der Ausgangsrechteckspannung des zweiten !Comparators, die sich bis zum Verschwinden des Ausgangssignales steigern kann. Zwar ist es möglich, der Integration fehlerhafter Gleichkomponenten durch einen Parallelwiderstand zum Integrationskondensator entgegenzuwirken. Damit wird aber die Integration selbst fehlerhaft, die Ausgangsspannung weicht von der Dreiecksform ab und es ergibt sich ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen Steuerspannung und Phasenverschiebung.

Im Falle einer frequenzvariablen Wechselspannung wird bei der bekannten Anordnung dem Integrator ein Regelverstärker vorgeschaltet und die Amplitude der Dreieckspannung konstant gehalten. Die Steuerspannung des Regelverstärkers kann aber offensichtlich nur durch eine Form der Mittelwertbildung aus der Dreieckspannung abgeleitet werden. Das bedeutet, daß das System nur mit der Zeitkonstante der Mittelwertbildung einer plötzlichen Frequenzänderung folgen kann. Außerdem hat die verbleibende Restwelligkeit eine Verzerrung der Dreieckspannung zur Folge.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Generator für Rechteckspannungen mit variabler Phase anzugeben, der einfach in seinem Aufbau ist und als integrierte Schaltung ausgeführt werden kann. Die Phase soll linear von der Steuergröße abhängen und einer Frequenzänderung trägheitslos folgen können. Diese Aufgabe wird bei einem Generator der eingangs erwähnten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die Verwendung eines emittergekoppelten Multivibrators als Wechselspannungsquelle werden die Schwierigkeiten beseitigt, die sich beim Stand der Technik aus der Integration einer Rechteckspannung ergeben. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß beim emittergekoppelten Multivibrator gleichzeitig ein rechteckförmiges und ein dreieckförmiges Signal entnommen werden kann und eine nachträgliche Integration nicht erforderlich ist. Die erzeugte Dreieckspannung ist im wesentlichen driftfrei, wodurch die Ursache der genannten Schwierigkeiten beseitigt wird. Durch die Verwendung eines emittergekoppelten Multivibrators mit Stromquellen an den Emittern, ergibt sich eine Dreieckspannung mit sehr geringen Abweichungen von der Idealform. Durch Einstellung der Größe des Stromes der Stromquellen kann die Frequenz trägheilslos verändert werden. Die beiden Rechteckschwingungen, die von der Anordnung bereitgestellt werden, folgen der Frequenzänderung augenblicklich ohne weitere Einstei; vorgänge.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Merkmalen der Unteransprüche zu entnehmen.

Die Erfindung wird im folgenden an Ausführungsbeispielen erläutert

Die F i g. 1 zeigt die Erzeugung einer phasenverschobenen Rechteckspannung.

Die F i g. 2 zeigt die zeitliche Abhängigkeit der Signale des Generators der F i g. 1.

Die F i g. 3 zeigt die gleichwertige Behandlung beider Kanäle.

Die F i g. 4 zeigt die Verwendung einer Bewertungseinrichtung mit zwei Ausgängen.

Die F i g. 5 zeigt die elektronische Steuerung der Bewertung.

Die F i g. 6 zeigt eine Reduzierung mit Gegentakt-Dreieckspannung des Multivibrators.

Die F i g. 7 zeigt eine Anordnung mit emittergekoppeltem Multivibrator und vom Strom getragenem Signalen. Die F i g. 8 zeigt eine Multiplizierschaltung für eine 360° -Phasenverschiebung.

In der einfachsten Form der erfindungsgemäßen Lösung nach F i g. 1 wird von einem Multivibrator I ausgegangen, der zwei Ausgänge besitzt, wobei der erste Ausgang 2 ein rechteckförmiges Signal führen soll und der zweite Ausgang 3 ein dreieckförmiges, das der positiven oder negativen Integration des Rechtecksignals entspricht. Beide Signale werden dem Differenzeingang eines Komparators 5 zugeführt, wobei eines, vorzugsweise das Rechtecksignal, über eine variable Bewertungseinrichtung 4 geführt wird. Die variable Bewertungseinrichtung ist das phasensteuernde Element der Anordnung und kann im einfachsten Fall ein Widerstandsspannungsteiler sein. Es gibt mindestens zwei Multivibratortypen, die Rechteck- und Dreieckspannung gleichzeitig erzeugen, und zwar den sogenannten Funktionsgenerator, der aus einem Integrator und einem Schwellwertschalter besteht, sowie den weiter unten betrachteten emittergekoppelten Multivibrator.

In F i g. 2 sind die Zeitdiagramme der wesentlichen Signale von F i g. 1 dargestellt. Die Diagramme 10 und 11 zeigen die Ausgangsspannungen des Multivibrators, in Diagramm 11 ist zusätzlich noch das bewertete bzw. reduzierte Rechtecksignal eingetragen, wie es an den Eingängen des Komparators 5 erscheinen kann. Die Schnittpunkte der Dreieckspannung mit der Rechteckspannung sind die Umschaltpunkte des Komparators und damit ergibt sich das im Diagramm 12 dargestellte Ausgangssignal des Komparators. Es hat gegenüber der Rechteckspannung des Multivibrators eine Phasenverschiebung 13. Indem die Bewertung von 1 bis 0 verändert wird, ändert sich die Phase von O bis 90°. Verwendet man eine aktive Bewertungseinrichtung, die über Bewertungsfaktoren bis — 1 verfügt, so kann aus Diagramm 11 leicht gefolgert werden, daß die Phase bis 180° einstellbar ist. Bewertungsfaktoren über 1 hinaus bringen keine Erweiterung dieses Einstellbereiches, da die Umschaltpunkte des Komparators dann ausschließlich -.'on der Rechteckschwingung bestimmt werden. Eine variable Bewertung der Dreieckschwingung ist ebensogut möglich, ergibt aber einen kleineren Einstellbereich und eine inverse Charakteristik.

Das in F i g. 1 über Bewertungseinrichtung und Komparator gebildete Signal erfährt gegenüber dem am

Multivibrator abgegriffenem Rechteck eine gewisse Verzögerung. Bei höheren Frequenzen der Rechteckschwingung wird diese Verzögerung zur Fehlerquelle. Durch gleichwertige Behandlung beider Ausgänge wird dieser Mangel beseitigt, wie in F i g. 3 dargestellt. Hierbei werden beide Ausgangssignale 2,3 des Multivibrators je einem Komparator (5, 8) zugeführt, wobei eines der Ausgangssignale, vorzugsweise das Rechtecksignal 2, über variable Bewertungseinrichtungen (4,7) geleitet wird. Die beschriebene Anordnung ist nicht auf zwei Kanäle beschränkt So kann z. B. auch unter Verwendung von 3 Bewertungseinrichtungen und 3 Komparatoren ein Dreiphasen-Generator realisiert werden. Eine Phasendifferenz der Ausgangsspannungen (6,9) tritt ein, wgnn Hip Bew*^r^"n^c|pseinrichtun^oren ^4 7^ ygj*^r»hio^ioTi eingestellt sind. So kann es z. B. zweckmäßig sein, nur eine Bewertungseinrichtung zu ändern und die andere beim Bewertungsfaktor 1 oder 0 zu belassen. Im ersten Fall bedeutet das, daß die Bewertungseinrichtung durch eine direkte Verbindung ersetzt ist und im zweiten Fall existiert keine Verbindung; wenigstens für den Komparatoreingang ist dann ein Abschluß vorzusehen.

Wenn die beiden Bew ertungseinrichtungen in F i g. 3 gegenläufig eingestellt werden, so daß ihre Bewertungsfaktoren entgegengesetzt gleich sind, so entspricht das einer einzigen Bewertungsschaltung mit zwei Ausgängen, die im Gegentakt bzw. Phasenumkehr arbeiten. Dies ist in F i g. 4 dargestellt.

Bei einer elektronischen Ausführung der Bewertungsschaltung hat diese die Form eines steuerbaren Verstärkers oder eines elektronischen Multiplizierers 20 und muß zu diesem Zweck mit einem Steuereingang 22 versehen sein, wie das in F i g. 5 dargestellt ist Der Steuereingang ist mit einer Steuerquelle 19, die das erforderliche Steuersignal liefert verbunden.

Statt wie in F i g. 5 dargestellt den Multiplizierer mit zwei Ausgängen zu versehen, die im Gegentakt arbeiten, können die erforderlichen Phasenrelationen auch nach F i g. 6 dadurch gewonnen werden, daß der Multivibrator 25 mit einem dritten Ausgang 26 versehen ist. der zu einem der ersten beiden Ausgänge im Gegentakt arbeitet Das wird vorzugsweise dei Ausgang 3 mit Dreiecksignal sein.

Für bipolare, integrierte Schaltungen sind emittergekoppelte Multi vibratoren wegen ihrer ungesättigten, schnellen Arbeitsweise und weil sie nur einen Kondensator benötigen, besonders vorteilhaft Ein emittergekoppelter Multivibrator besteht wie in F i g. 7 gezeigt grundsätzlich aus zwei kreuzgekoppelten Transistoren 31,32, d. L·, daß die Basis des einen Transistors am Kollektor des anderen angeschlossen ist, wozu auch noch Mittel zur Potentialverschiebung und Impedanzwandlung eingesetzt werden können. Die Kollektoren sind über Arbeitswiderstände 33,34 mit einer Versorgungsspannung verbunden. Die Emitter sind über einen Kondensator 39 verbunden und Stromquellen, die an die Verbindungspunkte 37, 38 angeschlossen sind, liefern den nötigen Versorgungsstrom. Von der Arbeitsweise des emittergekoppelten Multivibrators ist bekannt daß an den Arbeitswiderständen 33,34 ein rechteckförmiger und über dem Kondensator 39 ein dreieckförmiger Spannungsverlauf entsteht Bei bipolaren Halbleiterschaltungen ist es meist vorteilhaft die Signale in Form von Strömen darzustellen. Aus diesem Grunde sind den Anschlüssen 37 und 38, zwischen denen die Dreieckspannung wirksam ist Spannungs-Strom-Wandler in Form einer Differenzverstärkerstufe zugeschaltet Sie bestehen aus den beiden Transistoren 40 und 41 mit Emitterwiderständen und werden von einer Stromquelle am Verbindungspunkt der Emitterwiderstände versorgt. Es ist auch möglich, einen Widerstand 45 zwischen den Emittern und zwei Stromquellen 46 zu vcrwenden. Der Kollektorstrom der Transistoren 40 und 41 hat dann ebenfalls dreieckförmigen Verlauf; er wird den Eingängen der beiden Komparatoren 5 und 8 zugeführt Das an den Kollektoren der Transistoren (31, 32) des Multivibrators existierende Rechtecksignal wird cbenfalls in die Komparatoren geleitet, und zwar erfindungsgemäß über eine durch eine Steuerstromquelle 50 einstellbare, multiplizierende Schaltungseinheit, die aus zwei Differenzverstärkern besteht Die Eingänge der Differenzverstärker sind in F i g. 7 nicht direkt an den

X ^ am ^ ρ I IΛ * f^ Λ \ P I \si Ji IT \ P t f \ T \J L· Al Ul 1 /H I^ jl I I F I \ \ I 1 B^ \-i I I ■ ^₁ p^ ρ , ^ P\P f \J \j~ I i—\ I * beitswiderstände (33,34) angeschlossen. Dabei kann ein Kompromiß zwischen der Belastung des Multivibrators, ausreichender Signalamplitude und störender Schaltstöße gefunden werden. Als Steuereingang des Differenz-Verstärkers, der aus zwei Transistoren (47,48) bestehen kann, werden die miteinander verbundenen Emitter dieser Transistoren benutzt. Über Widerstände 49 wird der Strom einer Steuerstromquelle 50 in die Emitter eingeleitet Entsprechend der an den Basen angelegten Spannung wird der Steuerstrom zu den Kollektoren und damit zu den Ausgängen der Differenzstufe geleitet. Die Ausgänge sind gemäß dem in F i g. 5 dargestellten Prinzip so mit den Komparatoreingängen verbunden, daß sie gegensinnig auf den Komparator wirken. In dieser Konfiguration darf der Komparator nicht als spannungsgesteuertes Element mit hohem Innenwiderstand aufgefaßt werden, sondern er ist entsprechend den signaltragenden Strömen als stromvergleichendes Element mit niedrigen Eingangswiderständen anzusehen.

Eine Weiterentwicklung dieser Lösung ist mit dem in F i g. 8 dargestellten Multiplizierer möglich, womit eine Phasenvariation über 360° entsprechend einer vollen Periodenlänge erreicht werden kann. Während die einfachen, aus einer Differenzstufe bestehenden Multiplizierer in F i g. 7 nur für Steuerströme einer Bezugsrichtung geeignet sind, sind in F i g. 8 jeweils zwei derartige Multiplizierer so ineinandergeschachtelt daß je nach der Verteilung des Versorgungsstromes der eine oder der andere wirksamer wird und eine Vorzeichenumkehr des Ausgangsstromes erfolgen kann. So wird der erste Ausgang 60, wenn das Potential am Steuereingang 53 höher als das am Steuereingai.g 58 ist und der von der Versorgungsstromquelle 52 gelieferte Strom dominierend über den Widerstand 53 zum Kollektor 55 fließt, hauptsächlich von den Transistoren 62 und 64 bedient Die Transistoren 66 und 68, die ebenfalls auf dieser. Ausgang wirken, und zwar im Gegensinn, vermindern die Ausgangsgröße nur nach Maßgabe des über den Kollektor 56 einfließenden, kleineren Stromes. Es ist weiter leicht zu sehen, daß bei Gleichheit der Potentiale an den Steuereingängen die Ausgangssignale verschwinden, daß bei höherem Potential am Steuereingang 58 die Ausgangssignale gegenläufig wirken und daß außerdem die beiden Ausgänge 60 und 61 stets gegensinnig zueinander arbeiten. Da bei einseitiger Steuergröße eine Phasenverschiebung um eine halbe Periode möglich ist kann mit diesem Multiplizierer eine volle Periode erreicht werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

1. Patentansprüche:

   L Generator für Rechteckspannungen variabler Phase, die eine Einrichtung aufweist, die ein rechteckformiges Signal variabler Amplitude und ein dreieckförmiges Signal liefert, und die einen Komparator aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung ein emittergekoppelter Multivibrator (1) ist, welcher zwei Konstantstromquellen (37,38) aufweist, die einen zwischen die Emitter geschalteten Kondensator (39) periodisch umladen.
2. 2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine variable Bewertungseinrichtung (4) vorgesehen ist, die zwischen einen Ausgang (2) des Multivibrators (1) und den Komparator (5) geschaltet ist
3. 3. Generator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (6) des Komparators (5) den einen Ausgang des Generators und der mit der Bewertungseinrichtung (4) verbundene Ausgang (2) des Multivibrators (I) den anderen Ausgang des Generators bildet
4. 4. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine (16) oder zwei variable Bewertungseinrichtungen (4, 7) und zwei Komparatoren (5, 8) vorgesehen sind, daß das eine Ausgangssignal (2) des Multivibrators (1) über eine variable Bewertungseinrichtung (16) oder über je eine variable Bewertungseinrichtung (4, 7) und das andere Ausgangssignal (3) des Multivibrators (I) den beiden Komparatoren (5, 8) zugeführt werden und daß die Ausgänge der Komparatoren (6,9) die Ausgänge des Generators bilden.
5. 5. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die variable Bewertungseinrichtung (16) zwei Ausgänge (17, 18) aufweist, die zueinander gegenphasige Signale führen, und daß je ein Ausgang mit je einem Eingang eines Komparators (5,8) verbunden ist.
6. 6. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß die Bewertungseinrichtung als elektronisch steuerbarer Verstärker oder Multiplizierer (20) ausgeführt ist und außer dem Steuersignal (21) einen Steuereingang (22) aufweist, der mit einer Steuersignalquelle (19) verbunden ist.
7. 7. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Multivibrator (25) mit einem dritten Ausgang (26) versehen ist, der ein gegenphasiges Signal zum ersten oder zweiten Ausgang, vorzugsweise zum Ausgang (3) für das dreieckförmige Signal, bereitstellt, und daß die zueinander gegenphasigen Ausgänge mit je einem Eingang eines Komparators verbunden sind.
8. 8. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der emittergekoppelte Multivibrator zwei krouzgekoppelte Transistoren (31, 32) mit an deren Kollektoren angeschlossenen Arbeitswiderständen (33, 34) aufweist, daß die Arbeitswiderstände Anzapfungen (35, 36) aufweisen können, daß der Ausgang des Multivibrators für das RechKcksignal die Kollektoren der kreuzgekoppelten Transistoren oder die Anzapfungen ihrer Arbeitswiderstände sind und daß der Ausgang des MuI-tivibrators für das Dreiecksignal die Emitteranschlüsse (37,38) sind.
9. 9. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 8,

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