DE4003501A1 - Schaltungsanordnung zur erzeugung eines taktsignals - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines Taktsignals mit einem Kippglied, des­ sen ein Taktsignal liefernder Ausgang über einen Kondensa­ tor und dessen ein invertierendes Taktsignal liefernder Ausgang über einen Widerstand mit einem Eingang des Kipp­ gliedes gekoppelt ist, wobei das Taktsignal eine Zustands­ änderung aufweist, wenn das Eingangssignal des Kippgliedes einen bestimmten Wert überschreitet.

Aus dem Buch "Halbleiter-Schaltungstechnik" von Tietze/Schenk, Springer-Verlag, 1986, 8. Auflage, Sei­ ten 176 und 177, ist eine solche Schaltungsanordnung be­ kannt, die zwei in Reihe geschaltete, ein Kippglied bil­ dende Nicht-Glieder (Inverter) enthält. Der Eingang des ersten Nicht-Gliedes ist mit den Anschlüssen eines Wider­ standes und eines Kondensators verbunden. Der andere An­ schluß des Widerstandes ist mit dem Ausgang des ersten Nicht-Gliedes und dem Eingang des zweiten Nicht-Gliedes zusammengeschaltet. Der Ausgang des zweiten Nicht-Gliedes, der mit dem anderen Anschluß des Kondensators verbunden ist, liefert ein rechteckförmiges Taktsignal. Zur Erläute­ rung der Funktionsweise der bekannten Schaltungsanordnung sei angenommen, daß das Ausgangssignal des ersten Nicht- Gliedes sich in einem hohen Signalzustand befinde. Dadurch ist das Ausgangssignal des zweiten Nicht-Gliedes in einem niedrigen Signalzustand. Der Kondensator lädt sich über den Widerstand soweit auf, bis das Potential am Eingang des ersten Nicht-Gliedes dessen Umschaltwert (Umschalt­ schwelle) überschreitet. Dadurch bedingt geht das Aus­ gangssignal des ersten Nicht-Gliedes in einen niedrigen Signalzustand und das Ausgangssignal des zweiten Nicht- Gliedes in einen hohen Signalzustand über. Das Eingangssi­ gnal des ersten Nicht-Gliedes erhöht sich hierdurch sprungartig. Anschließend entlädt sich der Kondensator über den Widerstand, bis der Umschaltwert des ersten Nicht-Gliedes unterschritten wird. Hierdurch bedingt än­ dern sich die Ausgangssignale der beiden Nicht-Glieder, und das Eingangssignal des ersten Nicht-Gliedes wird sprungartig vermindert. Der Ladevorgang des Kondensators beginnt von neuem.

In Digitalschaltungen wird häufig ein Taktsignal benötigt, dessen Frequenz einem Teil der Frequenz eines vorhandenen Taktsignales entspricht. Mit der bekannten Schaltungsan­ ordnung läßt sich nur mit ausgesuchten Bauelementen ein Taktsignal erzeugen, dessen Frequenz genau einem Teil der Frequenz eines vorhandenen Taktsignals entspricht. Bei ei­ ner Serienfertigung ist dies jedoch nicht möglich, da sich aufgrund von Toleranzen der Bauelemente (Widerstand, Kon­ densator) Abweichungen vom gewünschten Verhältnis zwischen den beiden Taktsignalen ergeben.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines Taktsignals zu schaffen, dessen Frequenz im wesentlichen einem Teil der Frequenz eines vorhandenen Taktsignals entspricht.

Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung der ein­ gangs genannten Art dadurch gelöst, daß eine vor dem Ein­ gang des Kippgliedes angeordnete Freigabeschaltung während des Auftretens einer Flanke eines zugeführten Steuertakt­ signales, dessen Frequenz größer als die des Taktsignales ist, den Eingang des Kippgliedes freigibt.

Bei dieser Schaltungsanordung wird der Freigabeschaltung ein Steuertaktsignal und ein Signal zugeführt, welches sich durch Rückkopplung der Ausgangssignale (invertiertes Taktsignal und Taktsignal) über Widerstand und Kondensator ergibt. Da dieses Signal nur kurzzeitig während einer Flanke des Steuertaktsignals an den Eingang des Kippglie­ des gelangen kann, ergibt sich auch nur dann eine Zu­ standsänderung des Taktsignals, wenn eine Flanke des Steu­ ertaktsignals auftritt- Die Freigabeschaltung kann dabei so ausgebildet werden, daß nur während des Auftretens ei­ ner ansteigenden Flanke des Steuertaktsignales der Eingang des Kippgliedes freigegeben wird. Die Zustandsänderung des Taktsignals erfolgt nur, wenn der Kondensator sich so auf­ geladen hat, daß das ruckgekoppelte Signal einen bestimm­ ten Wert (Umschaltschwelle) überschreitet. Mittels dieser Freigabeschaltung wird also die Frequenz des Steuertaktsi­ gnales mit der Frequenz des Taktsignales so verkoppelt, daß die Frequenz des Steuertaktsignales ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz des Taktsignales ist. Voraus­ setzung dafür ist, daß die Schwingungsdauer des Steuer­ taktsignales kleiner ist als die Schwingungsdauer des Taktsignales. Es müssen also die für die Schwingungsdauer des Taktsignales bestimmenden Kondensator- und Wider­ standswerte entsprechend dimensioniert werden. Durch diese einfache Schaltungsanordnung ergibt sich auch bei Bauele­ mententoleranzen weitgehend keine Abweichung des ganzzah­ ligen Verhältnisses zwischen der Frequenz des Steuertakt­ signales und der Frequenz des Taktsignales.

Das Kippglied läßt sich beispielsweise mit zwei in Reihe geschalteten Nicht-Gliedern (Invertern) realisieren. Eine andere Möglichkeit besteht, indem das Kippglied und die Freigabeschaltung als D-Kippglied ausgebildet sind. Solche D-Kippglieder sind in Form von integrierten Schaltungen erhältlich.

Vielfach wird ein Taktsignal, dessen Frequenz mit der Fre­ quenz des Steuertaktsignals verknüpft ist, nur während be­ stimmter Zeiten in einer Digitalschaltung benötigt. Daher ist vorgesehen, daß das D-Kippglied eine Setzschaltung enthält, die bei Lieferung wenigstens eines Setzsignals die Erzeugung des Taktsignales startet bzw. beendet. Mit dem Setzsignal kann beispielsweise die Erzeugung des Takt­ signals durch eine Änderung von einem niedrigen auf ein hohes Potential gestartet werden. Die Erzeugung des Takt­ signales wird beendet, wenn das Setzsignal von einem hohen auf einen niedrigen Zustand zurückgeht. Im vom Kippglied erzeugten Taktsignal findet beim Start und beim Ende je­ weils eine Zustandsänderung statt. Solche Setzschaltungen sind auch in den D-Kippgliedern, die als integrierte Schaltungen zu erhalten sind, vorhanden.

Das Tastverhältnis, d. h. das Verhältnis zwischen der Dauer eines ersten Zustandes (z. B. hoher Signalzustand) und der Dauer dieses ersten Zustandes und eines zweiten Zustandes (z. B. niedriger Signalzustand) kann eingestellt werden, indem in Reihe zum Widerstand ein weiterer Widerstand und parallel zu einem Widerstand eine Diode geschaltet wird. Die Diode hat die Funktion während der Dauer eines Zustan­ des einen Widerstand kurzzuschließen, so daß die Schwingungsdauer nur von dem Kondensatorwert und den Wert des einen nicht kurzgeschlossenen Widerstandes abhängt. Während der Dauer des anderen Zustandes hängt die Dauer vom Kondensatorwert und der Summe der Werte der beiden Wi­ derstände ab.

In einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist vorgese­ hen, daß die nicht mit den Ausgängen des Kippgliedes ver­ bundenen Anschlüsse von Widerstand und Kondensator an den Eingang eines Komparators angeschlossen sind, dessen ande­ rem Eingang ein Referenzsignal zugeführt wird und dessen Ausgang mit dem Eingang des Kippgliedes gekoppelt ist. Durch die Hinzufügung des Komparators läßt sich die Um­ schaltschwelle durch das Referenzsignal festlegen. Hier­ durch wird auch das Tastverhältnis des Taktsignales be­ stimmt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend an­ hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines Takt­ signals,

Fig. 2 schematisch dargestellte Signale, die in der Schal­ tungsanordnung nach Fig. 1 auftreten,

Fig. 3 eine zweite Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines Taktsignals,

Fig. 4 schematisch dargestellte Signale, die in der Schal­ tungsanordnung nach Fig. 3 auftreten,

Fig. 5 eine dritte Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines Taktsignals mit Tastverhältniseinstellung,

Fig. 6 schematisch dargestellte Signale, die in der Schal­ tungsanordnung nach Fig. 5 auftreten,

Fig. 7 eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines Takt­ signals mit einer anderen Möglichkeit der Tastverhältnis­ einstellung und

Fig. 8 schematisch dargestellte Signale, die in der Schal­ tungsanordnung nach Fig. 7 auftreten.

Die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung zur Erzeu­ gung eines Taktsignals enthält eine Freigabeschaltung 1, deren erstem Eingang 2 ein rechteckförmiges Steuertaktsi­ gnal W und deren zweitem Eingang 3 ein Signal X zugeführt wird. Die Freigabeschaltung 1 detektiert das Auftreten ei­ ner ansteigenden Flanke des rechteckförmigen Steuertaktsi­ gnales W und stellt nur während des Auftretens einer sol­ chen Flanke eine Verbindung des Einganges 3 mit ihrem Aus­ gang 4 her, so daß das Signal X zum Eingang 5 eines Nicht-Gliedes 6 gelangen kann. Am Ausgang 7 des Nicht- Gliedes 6 liegt ein invertiertes Taktsignal P vor. Der Ausgang 7 ist noch mit einem Anschluß eines Widerstandes 8 und mit einem Eingang eines zweiten Nicht-Gliedes 9 ver­ bunden. Am Ausgang 10 des Nicht-Gliedes 9 liegt ein Takt­ signal Q vor. Der Ausgang 10 des Nicht-Gliedes 9 ist an einen Anschluß eines Kondensators 11 angeschlossen, dessen anderer Anschluß mit dem zweiten Anschluß des Widerstan­ des 8 und dem Eingang 3 der Freigabeschaltung 1 verbunden ist.

Die Funktionsweise der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 wird im folgenden mit Hilfe der in Fig. 2 dargestellten schematischen Signale erläutert. Da die in der Schaltungs­ anordnung auftretenden rechteckförmigen Taktsignale einen höheren und einen niedrigeren Zustand aufweisen, wird im folgenden von einem H-Zustand für den höheren Zustand ei­ nes Signales und von einem L-Zustand für den niedrigeren Zustand gesprochen. Es sei angenommen, daß sich das inver­ tierte Taktsignal P in einem H-Zustand befinde. Dadurch liegt das Taktsignal Q in einem L-Zustand vor. Der Konden­ sator 11 lädt sich über den Widerstand 8 auf. Während des Auftretens einer ansteigenden Flanke des Steuertaktsigna­ les W wird das Signal X zum Eingang 5 des Nicht-Gliedes 6 geleitet. Überschreitet das Signal X einen bestimmten Wert (Umschaltschwelle des Nicht-Gliedes 6), so geht das inver­ tierte Taktsignal P von einem H-Zustand in einen L-Zustand über. Diese Umschaltung ist mit der ansteigenden Flanke des Steuertaktsignales W gekoppelt, da nur während einer solchen Flanke das Signal X an den Eingang 4 des Nicht- Gliedes 6 geliefert wird. Aufgrund des Wechsels des inver­ tierten Taktsignals P in den L-Zustand wechselt das Takt­ signal Q in den H-Zustand. Hierdurch bedingt erhöht sich das Signal X sprunghaft. Im folgenden entlädt sich der Kondensator 11 über den Widerstand 8 bis das Signal X die Umschaltschwelle des Nicht-Gliedes 6 erreicht hat. Die Um­ schaltung kann jedoch nur erfolgen, wenn eine ansteigende Flanke des Steuertaktsignales W auftritt. Die Frequenz des Steuertaktsignales W entspricht einem ganzzahligen Vielfa­ chen der Frequenz des Taktsignales Q. Es sei noch erwähnt, daß die durch den Widerstandswert und den Kapazitatswert bestimmte Schwingungsdauer des Taktsignales Q größer sein muß als die Schwingungsdauer des Steuertaktsignales W.

In Fig. 3 ist eine Schaltungsanordnung mit einem handels­ üblichen flankengesteuerten D-Kippglied dargestellt, das die gleiche Funktion wie die Freigabeschaltung 1 und die beiden Nicht-Glieder 6 und 9 der Fig. 1 erfüllt. Zusätz­ lich kann die Erzeugung des Taktsignales durch Signale ge­ startet bzw. beendet werden, die auf einen Setzeingang bzw. einen Rücksetzeingang gegeben werden. Das D-Kipp­ glied 15 weist einen Ausgang 16 auf, an dem das Taktsi­ gnal Q und einen Ausgang 17, an dem das invertierte Takt­ signal P abnehmbar ist. Der Ausgang 16 ist mit einem An­ schluß eines Kondensators 18 und der Ausgang 17 mit einem Anschluß eines Widerstandes 19 verbunden. Die anderen An­ schlüsse der Bauelemente 18 und 19 sind an einen D-Ein­ gang 20 des Kippgliedes 15 angeschlossen. Das Steuertakt­ signal W wird dem C-Eingang 21 zugeführt. Das Signal X am D-Eingang 20 kann nur während einer ansteigenden Flanke des Steuertaktsignales W wirksam werden. Ein Setzsignal A wird dem Setzeingang 22 und ein Rücksetzsignal B wird dem Rücksetzeingang 23 zugeführt. Die beiden Signale A und B müssen im L-Zustand sein, damit ein Taktsignal erzeugt werden kann.

Wie in Fig. 4 dargestellt, beginnt die Erzeugung des Takt­ signales Q erst, nachdem das Setzsignal A von einem H-Zu­ stand in einen L-Zustand wechselt. Das Rücksetzsignal B ist zu diesem Zeitpunkt in einem L-Zustand. Auch bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 kann ein Wechsel des Takt­ signales Q nur dann stattfinden, wenn eine ansteigende Flanke im Steuertaktsignal W aufgetreten ist. Nachdem ein solcher Wechsel vorgekommen ist, erhöht sich das Signal X am D-Eingang 20 sprungartig, so daß sich der Kondensa­ tor 18 über den Widerstand 19 entlädt. Ist der Kondensa­ tor 18 genügend entladen, so daß das Signal X wenigstens gleich oder kleiner als die Umschaltschwelle ist und eine ansteigende Flanke im Steuertaktsignal W vorkommt, wird das Taktsignal Q wieder umgeschaltet. Die Erzeugung des Taktsignales Q ist beendet, wenn das Rücksetzsignal B von einem L-Zustand in einen H-Zustand wechselt.

Die Schaltungsanordnung nach Fig. 5 ermöglicht die Ein­ stellung der Zeiten, in denen das Taktsignal jeweils im L-Zustand bzw. H-Zustand ist. Eine solche Einstellung des Tastverhältnisses, d. h. das Verhältnis zwischen der Dauer eines ersten Zustandes (z. B. H-Zustand) und der Dauer des ersten und des zweiten Zustandes (z. B. L-Zustand) wird in der Schaltungsanordnung nach Fig. 5 dadurch realisiert, indem zwei Widerstände 25 und 26 in Reihe geschaltet wer­ den und parallel zum Widerstand 25 eine Diode 27 angeord­ net wird. Ein Anschluß des Widerstandes 25 und die Anode der Diode 27 sind mit dem Eingang 17 verbunden. Der andere Anschluß des Widerstandes 25, die Kathode der Diode 27 und ein Anschluß des Widerstandes 26 bilden einen gemeinsamen Knoten. Der andere Anschluß des Widerstandes 26 ist an den Eingang 20 des Kippgliedes 15 angeschlossen. In Abhängig­ keit vom Zustand des invertierten Taktsignales P ist die Diode 27 gesperrt oder leitend.

Die Dauer des Taktsignales im L-Zustand wird durch den Wi­ derstand 26 und den Kondensator 28 bestimmt, während die Dauer des Taktsignales im H-Zustand durch die beiden Wi­ derstände 25 und 26 und den Kondensator 18 bestimmt wird. Die Dauer T1 (L-Zustand) ist also im wesentlichen abhängig vom Produkt aus dem Kapazitätswert und dem Wert des Wider­ standes 26 und die Dauer T2 (H-Zustand) ist im wesentli­ chen abhängig vom Produkt aus dem Kapazitätswert und der Summe der Werte der beiden Widerstände 25 und 26. In Fig. 6 sind die unterschiedlichen Zeitdauern während des L-Zustandes und des H-Zustandes des Taktsignales Q darge­ stellt.

Eine andere Möglichkeit zur Tastverhältniseinstellung ist in Fig. 7 dargestellt. In dieser Schaltungsanordnung ist der Kondensator 18 zwischen den Ausgang 16 der Kippschal­ tung 15 und dem nichtinvertierenden Eingang eines Kompara­ tors 30 gelegt. Der Widerstand 19 ist einerseits ebenfalls mit dem nichtinvertierenden Eingang des Komparators 30 und andererseits mit dem Ausgang 17 des Kippgliedes 15 verbun­ den. Dem invertierenden Eingang des Komparators 30 wird eine Referenzspannung Uref zugeleitet. Der Ausgang des Komparators 30 ist einerseits mit dem D-Eingang 20 des Kippgliedes 15 und andererseits über einen Widerstand 31 mit einer Versorgungsspannung Ub verknüpft. Bei dieser Schaltungsanordnung nach Fig. 7 ist die Umschaltschwelle in Fig. 8 in der Zeile, in der das Signal X dargestellt ist, als gestrichelte Linie eingezeichnet. Diese Umschalt­ schwelle ist nun abhängig vom Wert der Referenzspan­ nung Uref. Somit läßt sich durch diese Referenzspannung ebenfalls eine Tastverhältniseinstellung realisieren.

Claims (6)

1. Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines Taktsignals mit einem Kippglied (6, 9; 15), dessen ein Taktsignal liefern­ der Ausgang (10; 16) über einen Kondensator (11; 18) und dessen ein invertierendes Taktsignal liefernder Aus­ gang (7; 17) über einen Widerstand (8; 19; 25) mit einem Eingang (5; 20) des Kippgliedes gekoppelt ist, wobei das Taktsignal eine Zustandsänderung aufweist, wenn das Ein­ gangssignal des Kippgliedes einen bestimmten Wert über­ schreitet, dadurch gekennzeichnet, daß eine vor dem Eingang des Kippgliedes angeordnete Frei­ gabeschaltung (1; 15) während des Auftretens einer Flanke eines zugeführten Steuertaktsignals, dessen Frequenz größer als die des Taktsignals ist, den Eingang des Kipp­ gliedes freigibt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Freigabeschaltung (1; 15) während des Auftretens einer ansteigenden Flanke des Steuertaktsignals den Ein­ gang des Kippgliedes (6, 9; 15) freigibt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kippglied und die Freigabeschaltung als D-Kipp­ glied (15) ausgebildet sind.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das D-Kippglied (15) eine Setzschaltung enthält, die bei Lieferung wenigstens eines Setzsignals die Erzeugung des Taktsignales startet bzw. beendet.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zum Widerstand (25) ein weiterer Wider­ stand (26) und parallel zu einem Widerstand eine Dio­ de (27) geschaltet ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht mit den Ausgängen (16, 17) des Kippglie­ des (15) verbundenen Anschlüsse von Widerstand (19) und Kondensator (18) an den Eingang eines Komparators (30) an­ geschlossen sind, dessen anderem Eingang ein Referenzsi­ gnal zugeführt wird und dessen Ausgang mit dem Eingang des Kippgliedes gekoppelt ist.