DE68920859T2

DE68920859T2 - Programmierbarer dreieckfunktionsgenerator.

Info

Publication number: DE68920859T2
Application number: DE68920859T
Authority: DE
Inventors: Earl Estes
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1988-11-15
Filing date: 1989-10-10
Publication date: 1995-08-31
Anticipated expiration: 2009-10-11
Also published as: NO903141L; DE68920859D1; IL92022A0; CA2000673A1; KR940002809B1; EP0396679B1; JPH03502394A; WO1990006019A1; KR900702651A; EP0396679A1; CA2000673C; ES2017226A6; IL92022A; US5013931A; NO903141D0; JP2790883B2; NO303307B1; EG18846A

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung behandelt allgemein Dreieckwellengeneratoren und im besonderen einen programmierbaren Dreieckwellengenerator, der amplitudenvariable, frequenzunabhängige Dreieckwellen über eine weite Frequenzbandbreite bei Verwendung einer Niederspannungs-Energiequelle liefert.
Dreieckwellengeneratoren werden gewöhnlich in Regelverstärkern mit Schaltbetrieb, oder ähnlichem, als Teil deren Pulsweitenmodulationsteils verwendet. Zum Beispiel werden solche Regelverstärker mit Schaltbetrieb typischerweise in Leistungs-Drehmomentmotoren verwendet, die benutzt werden, die Position kardanischer Rahmen, optischer Teile und anderer solcher Teile, die Stabilitäts- oder Positionssteuerung benötigen, zu steuern.
Der gegenwärtige Stand der Technik bei Regelverstärkern mit Schaltbetrieb schiebt die Arbeitsanforderungen von Dreieckwellengeneratoren zu höheren und höheren Frequenzen. Obwohl sich die Anforderung zum Betrieb bei höheren Frequenzen ergibt, benutzen die Vorrichtungen, die diese Geräte verwenden, verhältnismäßig niedrige Haushalts-Energieversorgungsspannungen. Solche Spannungen befinden sich im Bereich von ±15 Volt, welches die typischen Spannungen sind, die von Operationsverstärkern oder ähnlichem zur Verwendung zur Verfügung gestellt werden. Herkömmliche Dreieckwellengeneratoren sind hauptsächlich aufgrund dieser Energieversorgungsbeschränkung nicht in der Lage gewesen, Dreieckwellen verhältnismäßig hoher Amplitude bei hohen Frequenzen zu liefern.
DE-A-1524285 beschreibt auf einem anderen Gebiet eine Integrierschaltung zum Integrieren von Spannungen oder Strömen über ein merkliches Zeitintervall. Die Schaltung ist mit dem Ziel des Vermeidens der Notwendigkeit eines hochverstärkenden Verstärkers und des Vermeidens von Signaldämpfung entwickelt worden. Die Schaltung beinhaltet einen Verstärker mit Verstärkungsfaktor Eins, einen zwischen einen Eingang des Verstärkers und Masse gekoppelten Kondensator und eine zwischen den Ausgang und den Eingang des Verstärkers mit Verstärkungsfaktor Eins gekoppelte Eingangsquelle.

Kurzfassung der Erfindung

Um die Beschränkungen von herkömmlichen Dreieckwellengeneratoren zu überwinden, stellt die vorliegende Erfindung einen Dreieckwellengenerator bereit, mit:
einer Quelle von Rechteckwellen-Eingangssignalen;
einer Quelle von variablen Referenzspannungssignalen;
einer ersten Verstärkereinrichtung, die mit der Rechteckwellen-Eingangsquelle verbunden ist, um die Rechteckwellen-Eingangssignale im Ansprechen auf ihr zugeführte Ausgangs-Fehlersignale zu verstärken;
einer mit der ersten Verstärkereinrichtung verbundenen Übertragereinrichtung zur Übertragung der verstärkten Rechteckwellen-Ausgangssignale aus dieser zu einem Ausgang der Übertragereinrichtung;
einer Widerstands- und Kondensatoreinrichtung, die in Reihe mit der Sekundärseite der Übertragereinrichtung zum Schaffen einer Integrierschaltung verbunden ist, um im Ansprechen auf die übertragenen Rechteckwellen-Ausgangssignale am Ausgang der Übertragereinrichtung ein Dreieckwellensignal zu erzeugen;
einer mit der Integrierschaltung verbundenen zweiten Verstärkereinrichtung zum Puffern und Verstärken des Dreieckwellensignals, wobei die Integrierschaltung zwischen den Eingang und den Ausgang der zweiten Verstärkereinrichtung gekoppelt ist;
wobei die Widerstands- und Kondensatoreinrichtung eine Dämpfungseinrichtung zum Verhindern eines Schwingens des zweiten Verstärkers aufweist; und
einer dritten Verstärkereinrichtung zum Abtasten und Vergleichen der Amplitude der gepufferten und verstärkten Dreieckwellen-Ausgangssignale mit der Amplitude der variablen Referenzspannungsquelle (V.REF), um im Ansprechen darauf die Ausgangs-Fehlersignale zu erzeugen.
Ein vierter Verstärker kann zum Korrigieren der Dreieckwellenasymmetrie um einen Null-Volt-Nennwert verwendet werden. Eine Treiberschaltung kann ebenso verwendet werden, um die Ausgang-Fehlersignale zu puffern und Vorspannungssignale an den ersten Verstärker zu liefern. Diese Treiberschaltung steuert die Amplitude der Rechteckwellen-Stromausgangssignale im Verhältnis zur Amplitude der Referenzspannungssignale. Die Dreieckwellen-Ausgangssignale werden demgemäß so gesteuert, daß ihre Amplitude proportional zur Amplitude der Referenzspannungssignale und unabhängig von der Frequenz der Rechteckwellen-Stromsignale ist.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Liefern einer Dreieckwelle bereit, mit denk Schritten:
Bereitstellen einer Quelle von Rechteckwellen-Eingangssignalen;
Bereitstellen einer Quelle von Referenzspannungssignalen;
Verstärken der Rechteckwellen-Eingangssignale, um verstärkte Reckteckwellen-Ausgangssignale zu liefern;
Übertragen der verstärkten Rechteckwellen-Ausgangssignale durch einen Übertrager;
Leiten der Ausgangssignale aus dem Übertrager durch eine Integrierschaltung, die eine Widerstandseinrichtung und eine Kondensatoreinrichtung aufweist, die in Reihe mit der Sekundärseite des Übertragers verbunden sind, um im Ansprechen auf die verstärkten Rechteckwellen-Ausgangssignale Dreieckwellen-Ausgangssignale zu erzeugen;
Abtasten und Vergleichen der Dreieckwellen-Ausgangssignale mit der Referenzspannung und Erzeugen von Ausgangs- Fehlersignalen im Ansprechen hierauf; und
Erzeugen von Vorspannungs-Steuersignalen im Ansprechen auf die Ausgangs-Fehlersignale, um die Amplitude der verstärkten Rechteckwellen-Ausgangssignale zu steuern;
wodurch die Amplitude der Rechteckwellen-Ausgangssignale proportional zum Produkt der Frequenz des zugeführten Reckteckwellensignals und der Amplitude der Referenzspannungssignale ist, was wiederum die Amplitude der Dreieckwellen-Ausgangssignale steuert.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die verschiedenen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung können mit bezug zu der folgenden detaillierten Beschreibung leicht verstanden werden, insbesondere in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung, worin gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile bezeichnen und in der:
Fig. 1 einen programmierbaren Dreieckwellen-Generator in einem ersten Ausführungsbeispiel darstellt, in der die Grundlagen der vorliegenden Erfindung verkörpert sind;
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines programmierbaren Dreieckwellen-Generators gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt; und
Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines programmierbaren Dreieckwellen-Generators gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.

Detaillierte Beschreibung

Bezugnehmend auf Fig. 1 wird ein erstes Ausführungsbeispiel eines programmierbaren Dreieckwellen-Generators gemäß den Grundlagen der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der Generator 10 beinhaltet eine Rechteckwellen-Stromsignalquelle 12 und eine Referenzspannungssignalquelle 14 mit variabler Amplitude. Ein erster Verstärker 16 ist mit der Rechteckwellen-Eingangssignalquelle 12 verbunden und ist in der Lage, die Rechteckwellensignale zu verstärken. Ein aus einem Widerstandsnetzwerk 36, welches Widerstände 36a, 36b und einen Kondensator 40 beinhaltet, zusammengesetzter Integrierer ist über den Ausgang eines Übertragers 34 gekoppelt und erzeugt ein Dreieckwellensignal im Ansprechen auf die verstärkte Rechteckwelle von der Sekundärseite des Übertragers 34. Ein zweiter Verstärker 18 ist über die Sekundärseite des Übertragers 34 gekoppelt und stellt einen Puffer für das Dreieckwellen-Ausgangssignal bereit und liefert in Verbindung mit dem Widerstandsnetzwerk 36 eine Teilbootstrap-Spannung für das verstärkte Rechteckwellensignal.
Ein dritter Verstärker 20 ist vorgesehen, welcher die Dreieckwellen-Ausgangssignale abtastet und mit den von der Referenzspannungsquelle 14 bereitgestellten Referenzspannungssignalen vergleicht und im Ansprechen darauf Ausgangs- Fehlersignale erzeugt. Obwohl nicht unbedingt in allen Anwendungen erforderlich, ist eine Treiberschaltung 22 bereitgestellt, welche auf die Ausgangs-Fehlersignale anspricht und Vorspannungssignale für den ersten Verstärker 16 liefert. Diese Vorspannungssignale steuern die Amplitude des verstärkten Rechteckwellen-Ausgangssignals im Verhältnis zu der Amplitude der Referenzspannungssignale. Die Dreieckwellen-Ausgangssignale werden auf eine Weise gesteuert, die ihre Amplituden proportional zur Amplitude der Referenzspannungssignale und unabhängig von der Frequenz der Rechteckwellen-Eingangssignale werden läßt.
Die Einzelheiten des Dreieckwellen-Generators 10 sind wie folgt. Der erste Verstärker 16 ist aus einem nichtinvertierenden Verstärker 30 und einem invertierenden Verstärker 32 zusammengesetzt, deren jeweilige Eingänge mit der Rechteckwellen-Eingangsquelle 12 verbunden sind und deren jeweilige nichtinvertierenden und invertierenden Ausgänge mit einer Primärwicklung des Übertragers 34 verbunden sind. Der zweite Verstärker 18 umfaßt einen Operationsverstärker 38, der einen Verstärkungsfaktor mit dem Wert Eins aufweist, und der die zwei Widerstände 36a, 36b zwischen seinen Ausgang und der Sekundärseite des Übertragers 34 gekoppelt hat, um eine Teilbootstrap-Spannung zu liefern. Das gegenüberliegende Ende der Sekundärseite des Übertragers 34 ist mit einem Kondensator 40 und einem positiven Eingang des Operationsverstärkers 38 verbunden. Die Spannung über der Sekundärseite des Übertragers 34 ist über das Widerstandsnetzwerk 36 eingeprägt und bildet eine Stromquelle, um den Kondensator 40 synchron zu der Rechteckwellen-Spannung über den Übertrager 34 aufzuladen. Diese Maßnahme ist vorgesehen, um das Dreieckwellen-Ausgangssignal im Ansprechen auf das verstärkte Rechteckwellensignal zu bilden. Der erste Operationsverstärker 38 wird als Puffer für die Dreieckswelle verwendet, die über dem Kondensator 40 auftritt.
Der dritte Verstärker 20 ist aus einem zweiten Operationsverstärker 42 zusammengesetzt, dessen invertierender Eingang mit der Referenzspannungsquelle 14 mit variabler Amplitude verbunden ist und dessen invertierender Eingang außerdem mit dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers 38 unter Verwendung eines Widerstands 48 und einer ersten Diode 50 gekoppelt ist. Der Referenzspannungseingang zum zweiten Operationsverstärker 42 ist außerdem über einen Kondensator 46 mit seinem Ausgang gekoppelt, um einen Integrierer zu bilden, der auf die Differenz im Strommittelwert anspricht, der in den Widerständen 44 und 48 fließt. Der Ausgang ist außerdem mit der Treiberschaltung 22 verbunden. Eine zweite Diode 62 ist zwischen die Eingänge des zweiten Operationsverstärkers 42 gekoppelt, um dessen mögliche Zerstörung zu verhindern. Die Treiberschaltung 22 umfaßt einen Transistor 64, dessen Emitter mit einer 15-Volt-Vorspannungsversorgung verbunden ist und dessen Kollektor mit dem Kondensator 60 und dem ersten Verstärker 16 verbunden ist.
Die verschiedenen anderen Verbindungseinzelheiten des Dreieckwellengenerators 10 werden hier aufgrund ihrer deutlichen Darstellung in Fig. 1 nicht beschrieben.
Die Funktionsweise des Dreieckwellengenerators 10 aus Fig. 1 ist wie folgt. Das Rechteckwellen-Eingangssignal wird durch den nichtinvertierenden Verstärker 30 des ersten Verstärkers 16 verstärkt und durch dessen zweiten Verstärker 32 invertiert und verstärkt. Ein Dreieckwellen-Ausgangssignal wird über dem Kondensator 40 gebildet. Diese Dreieckwelle wird durch den ersten Operationsverstärker 38 gepuffert, um eine Teilbootstrap-Schaltung zu bilden. Die beiden Widerstände 36a, 36b liefern eine Dämpfung in der Rückkopplung des ersten Operationsverstärkers 38 und liefern auch den gewünschten Widerstandsbetrag in Serie mit der Sekundärwicklung des Übertragers 34, um sicherzustellen, daß ein Rechteckwellen-Stromsignal zum Kondensator 40 gekoppelt wird.
Das gepufferte Dreieckwellensignal am Ausgang des ersten Operationsverstärkers 38 wird abgetastet und mit dem Referenzsignal am Eingang des Verstärkers 20 verglichen, welcher ein dazu im Verhältnis stehendes Fehlersignal erzeugt. Dieses Fehlersignal steuert die Treiberschaltung 22 an. Die Treiberschaltung 22 steuert die am ersten Verstärker 16 anliegende Vorspannung und Steuert somit die Amplitude von dessen Rechteckwellen-Ausgangssignal. Desweiteren steuert dies die Amplitude des Dreieckwellen-Ausgangssignals. Ein Steuern des Dreieckwellen-Ausgangssignals auf diese Weise läßt die Amplitude der Dreieckwelle proportional zu der Referenzspannung und unabhängig von der Frequenz der Rechteckwelle werden.
Der erste Verstärker 16 kann aus einem TSC428-Zweifach- MOSFET-Treiber zusammengesetzt sein, während die zweiten und dritten Verstärker aus getrennten Hälften eines TL072- Zweifach-Operationsverstärker zusammengesetzt sein können. Der in der Treiberschaltung 22 verwendete Transistor 64 kann ein 2N2907A-Transistorbauteil sein. Der Abgleich der im Dreieckwellengenerator 10 verwendeten Bauteile ist wie folgt. Referenzzeichen sind in dieser Liste bereitgestellt und die Teile sind in der Fig. 1 genauso bezeichnet, obgleich sie nicht im Detail erläutert werden. Im einzelnen hat Kondensator 40 einen Wert von 560 pF, hat Widerstand 44 einen Wert von 255 KOhm, hat Kondensator 46 einen Wert von 0.01 uF, hat Widerstand 36a einen Wert von 2.15 KOhm, hat Widerstand 36b einen Wert von 15.0 KOhm, hat Kondensator 70 einen Wert von 0.1 uF, haben die Kondensatoren 60 und 65 einen Wert von 0.1 uF, hat Widerstand 48 einen Wert von 6.04 KOhm, hat Widerstand 54 einen Wert von 10.0 kOhm, hat Widerstand 56 einen Wert von 309 Ohm und hat Widerstand 58 einen Wert von 10.0 kOhm.
Testergebnisse des Dreieckwellengenerators 10 weisen nach, daß sich für einen Eingangsspannungsbereich von +30 Volt bis +75 Volt für die Referenzspannungsquelle 14 und bei einer Rechteckwellenfrequenz von 180KHz bis 400KHz das Verhältnis von Eingangsspannung zu Dreieckwellenamplitude von 10.7 bis 9.09 ändert. Dies enspricht einem Bereich der Leerlaufverstärkung von ±8 Prozent in einem Regelverstärker, der zum Empfangen des Dreieckwellen-Ausgangssignals gekoppelt ist. Ein herkömmlicher Dreieckwellengenerator würde einen Bereich von ±81 Prozent in der Leerlaufverstärkung hervorrufen. Desweiteren erzeugt der Dreieckwellengenerator 10 bei 40ºKHz eine Dreieckwelle mit einer Spitze- zu-Spitze-Amplitude von 14 Volt, und zwar bei Verwendung einer herkömmlichen Energieversorgungsquelle von ±15 Volt.
Desweiteren erzeugt der Dreieckwellengenerator 10 bei 300KHz eine Dreieckwelle mit einer Spitze-zu-Spitze-Amplitude von 20 Volt, bei Verwendung einer herkömmlichen Energieversorgungsquelle von ±15 Volt. Es ist anzunehmen, daß kein anderer gegenwärtig verfügbarer Dreieckwellengenerator diese Wirksamkeit über diese Kombination von Amlituden- und Frequenzbereichen bei Verwendung einer Niederspannungs-Energieversorgung übertreffen kann.
Die Programmierbarkeit des Dreieckwellengenerators 10 wird aufgrund der Möglichkeit die Eingangsreferenzspannung zu verändern, erzielt und es wird eine entsprechende Amplitudenänderung in der Ausgangsdreieckwelle erzielt. Die Verwendung des zweiten Verstärkers mit Verstärkungsfaktor Eins stellt die Stabilität des geschlossenen Kreises sicher. Der Dreieckwellenausgang ist für solche Schaltungen, welche Frequenzsynchronisation zur Verringerung der elektromagnetischen Beeinflussung benötigen, zur Synchronisation eines Hauptregelverstärkers mit Schaltbetrieb vorgesehen, der mit der Rechteckwellen-Signalquelle verbunden ist, die ein externes Taktsignal vorsieht. Die Amplitude des Dreieckwellen-Ausgangssignals ist unabhängig von der Frequenz des Rechteckwellen-Eingangssignals, was die Synchronisation an einer Signalquelle mit variabler Frequenz erleichtert.
Bezugnehmend auf Fig. 2 wird ein zweites Ausführungsbeispiel eines programmierbaren Dreieckwellengenerators 11 gemäß den Grundlagen der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Ausführungsdetails des zweiten Ausführungsbeispiels sind im wesentlichen die gleichen wie jene, die mit Bezug zu Fig. 1 offenbart wurden, mit den folgenden Zusätzen und Abänderungen. Ein vierter Verstärker 119 ist bereitgestellt, welcher den Spannungsmittelwert am Ausgang des zweiten Verstärkers 118 abtastet und für jede Asymmetrie um Null Volt korrigiert. Die kapazitive Kopplung des zweiten Verstärkers 118 ist leicht verändert, wie in Fig. 2 gezeigt. Kleinere Änderungen und Zusätze am dritten Verstärker sind außerdem enthalten, wie in Fig. 2 gezeigt. Die Treiberschaltung 122 umfaßt eine Sperrschicht-Feldeffekt- Transistor-Schaltung. Andere kleinere Änderungen gegenüber der Schaltung von Fig. 1 sind vorgesehen und werden im weiteren Verlauf beschrieben.
Im allgemeinen beinhaltet der Generator 110 eine Rechteckwellen-Signalquelle 12 und eine Referenzspannungs-Signalquelle 14. Ein erster Verstärker 116 ist mit der Rechteckwellen-Eingangssignalquelle 12 verbunden und ist in der Lage, die Rechteckwellensignale zu verstärken. Ein aus einem Widerstand 136 und zwei Kondensatoren 140a, 140b zusammengesetzter und über den Ausgang eines Übertragers 34 gekoppelter Intergrator erzeugt im Ansprechen auf die verstärkte Rechteckwelle der Sekundärseite des Übertrager 34 ein Dreieckwellensignal. Ein zweiter Verstärker 118 ist bereitgestellt, welcher einen gedämpften Teil des Dreieckwellen-Ausgangssignals puffert und eine Bootstrap-Spannung für das verstärkte Rechteckwellensignal liefert. Ein dritter Verstärker 120 ist bereitgestellt, welcher die Dreieckwellen-Ausgangssignale abtastet und mit von der Referenzspannungsquelle 14 gelieferten Referenzspannungssignalen vergleicht und im Ansprechen darauf ein Ausgangs-Fehlersignal erzeugt.
Ein vierter Verstärker ist bereitgestellt, welcher den Spannungsmittelwert am Ausgang des zweiten Verstärkers abtastet und für jede Asymmetrie um Null Volt korrigiert. Eine Treiberschaltung 122 spricht auf die Ausgangs-Fehlersignale an und liefert Vorspannungssignale an den ersten Verstärker 116. Diese Vorspannungssignale steuern die Amplitude der verstärkten Rechteckwellen-Ausgangssignale im Verhältnis zur Amplitude der Referenzspannungssignale. Die Dreieckwellen-Ausgangssignale werden auf eine Weise gesteuert, die ihre Amplitude proportional zur Amplitude der Referenzspannungssignale und unabhängig von der Frequenz des Rechteckwellen-Eingangssignals werden läßt.
Die Details des Dreieckwellengenerators 110 sind wie folgt. Der erste Verstärker 116 ist aus einem nichtinvertierenden Verstärker 30 und einem invertierenden Verstärker 32 zusammengesetzt, deren jeweilige Eingänge mit der Rechteckwellen-Eingangsquelle 12 verbunden sind und deren jeweilige nichtinvertierenden und invertierenden Ausgänge widerstandsbehaftet und kapazitiv mit einer Primärwicklung des Übertragers 34 verbunden sind. Der zweite Verstärker 118 weist einen ersten Operationsverstärker 138, der einen Verstärkungsfaktor mit dem Wert Eins aufweist, und einen zwischen dessen Ausgang und der Sekundärseite des Übertragers 34 gekoppelten Widerstand 136 auf. Das gegenüberliegende Ende der Sekundärseite des Übertragers 34 ist mit einem aus den Kondensatoren 140a, 140b zusammengesetzten kapazitiven Spannungsteiler verbunden.
Die Spannung über der Sekundärseite des Übertragers 34 wird über den Widerstand 136 eingeprägt und bildet eine Stromquelle, um die Kondensatoren 140a, 140b synchron zu der Rechteckwellenspannung über dem Übertrager 34 aufzuladen. Dies ist vorgesehen, um das Dreieckwellen-Ausgangssignal im Ansprechen auf das verstärkte Rechteckwellensignal zu bilden. Der erste Operationsverstärker 138 wird als ein Puffer für den Teil der Dreieckwelle verwendet, der über dem Kondensator 140b auftritt.
Ein Schwingen des ersten Operationsverstärkers 138 wird dadurch verhindert, daß die Kondensatoren 140a, 140b ein Dämpfungsglied bilden; somit werden vom Ausgang zum nichtinvertierenden Eingang weniger als 100% Rückkopplung geliefert, während ungefähr 88% als Bootstrap-Spannung für die Stromquelle geliefert werden, um die Dreieckwelle in Amplitude und Linearität zu verbessern.
Der vierte Verstärker 119 ist aus einem mit einem Kondensator 176 und einem Widerstand 168 verbundenen zweiten Operationsverstärker 175 zusammengesetzt, welcher sein Eingangssignal vom Ausgang des ersten Operationsverstärkers 138 empfängt. Diese Anordnung bildet einen Integrierer, welcher auf den Spannungsmittelwert am Ausgang des zweiten Verstärkers 118 anspricht. Ein dadurch erzeugtes Fehlersignal wird durch einen Widerstand 167 zum Eingang des ersten Operationsverstärkers 138 gekoppelt, um jeden Null-Offset im Spannungsmittelwert am Ausgang des ersten Operationsverstärkers 138 zu Null werden zu lassen.
Der dritte Verstärker 120 ist aus einem dritten Operationsverstärker 142, dessen invertierender Eingang mit der Referenzspannungsquelle 14 variabler Amplitude verbunden ist und dessen invertierender Eingang außerdem mit dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers 118 unter Verwendung eines Widerstands 148 und einer ersten Diode 150 gekoppelt ist, zusammengesetzt. Der Referenzspannungseingang von Verstärker 142 ist durch den Kondensator 146 außerdem mit seinem Ausgang gekoppelt, um einen Integrierer zu bilden, welcher auf die Differenz im Strommittelwert anspricht, der durch die Widerstände 144 und 148 fließt. Der Ausgang ist außerdem mit der Treiberschaltung 122 gekoppelt. Eine zweite Diode 162 ist zwischen die Eingänge des dritten Operationsverstärkers 142 gekoppelt, um dessen mögliche Zerstörung zu verhindern. Eine dritte Diode 169 und ein Widerstand 172 sind an den nichtinvertierenden Eingang des dritten Operationsverstärkers 142 angeschlossen. Der Widerstand 172 ist außerdem an eine Spannungsquelle angeschlossen, die einen Stromfluß durch die Diode 169 hervorzuruft, um eine Vorspannung, welche den Vorwärtsspannungsabfall über die erste Diode 150 kompensiert, zu liefern. Die Treiberschaltung 122 umfaßt einen Sperrschicht-Feldeffekt-Transistor 164, dessen Source an eine 15-Volt-Vorspannungsversorgung angeschlossen ist und dessen Drain an einen Kondensator 160 und den ersten Verstärker 116 angeschlossen ist.
Die verschiedenen anderen Verbindungseinzelheiten des Dreieckwellengenerators 110 werden hier aufgrund ihrer deutlichen Darstellung in Fig. 2 nicht beschrieben.
Die Funktionsweise des Dreieckwellengenerators 110 von Fig. 2 ist wie folgt. Das Rechteckwellen-Eingangssignal wird durch den nichtinvertierenden Verstärker 30 des ersten Verstärkers 116 verstärkt und durch dessen zweiten Verstärker invertiert und verstärkt. Ein Dreieckwellen-Ausgangssignal wird über den Kondensatoren 140a, 140b gebildet und durch deren Spannungsteilerverhältnis gedämpft. Diese gedämpfte Dreieckswelle wird durch den ersten Operationsverstärker 138 gepuffert, um eine Teilbootstrap-Schaltung zu bilden. Der Widerstand 136 erfüllt zwei Funktionen. Er isoliert den Ausgang des ersten Operationsverstärkers 138 von der wicklungsinternen Kapazität des Übertragers 34 und liefert auch den gewünschten Widerstandsbetrag des Widerstands in Serie mit der sekundären Wicklung des Übertragers 34, um sicherzustellen, daß ein Rechteckwellen-Stromsignal zu den Kondensatoren 140a, 140b gekoppelt wird.
Das gepufferte Dreieckwellensignal am Ausgang des ersten Operationsverstärkers 138 wird abgetastet und mit dem Referenzsignal am Eingang des Verstärkers 120 verglichen, welcher ein Fehlersignal im Verhältnis dazu erzeugt. Dieses Fehlersignal steuert die Treiberschaltung 122. Die Treiberschaltung 122 steuert die an den ersten Verstärker 116 angelegte Vorspannung und steuert so die Amplitude dessen Rechteckwellen-Ausgangssignals. Desweiteren steuert dies die Amplitude des Dreieckwellen-Ausgangssignals. Ein Steuern des Dreieckwellen-Ausgangssignals auf diese Weise läßt die Amplitude der Dreieckwelle proportional zur Referenzspannung und unabhängig von der Frequenz der Rechteckwelle werden.
Der erste Verstärker kann aus einem TSC428-Zweifach- MOSFET-Treiber zusammengesetzt sein, während der zweite Verstärker aus einem HA-5002-Strompuffer zusammmengesetzt sein kann. Die dritten und vierten Verstärker können aus getrennten Hälften eines TL072-Zweifach-Operationsverstärkers zusammengesetzt sein. Der in der Treiberschaltung 122 verwendete Feldeffekt-Transistor kann ein 2N4391-Transistorbauteil sein. Der Abgleich der im Dreieckwellengenerator 110 verwendeten Bauteile ist mit dem der Schaltung in Fig. 1 identisch, aber zusätzlich ist das folgende beinhaltet. Der Widerstand 167 hat 150 KOhm, Widerstand 168 hat 100 KOhm, die Diode ist eine 1N4150 und Kondensator 176 hat 0.01 uF.
Testergebnisse des Dreieckwellengenerators 110 weisen nach, daß sich das Verhältnis der Eingangsspannung zur Dreieckwellenamplitude für einen Eingangsspannungsbereich von -40 Volt bis -65 Volt der Referenzspannungsquelle 14, die gleichzeitig mit einer Rechteckwellenfrequenz von 200KHz bis 300KHz verwendet wird, von 10.2 bis 9.9 ändert. Dies entspricht einem Bereich einer Leerlaufverstärkung von ±2 Prozent in einem Regelverstärker, der zum Empfangen des Dreieckwellen-Ausgangssignals gekoppelt ist. Ein herkömmlicher Dreieckwellengenerator würde eine Änderung von ±72 Prozent in der Leerlaufverstärkung hervorrufen.
Desweiteren erzeugt der Dreieckwellengenerator 110 eine 20-Volt-Spitze-zu-Spitze-Amplitude der Dreieckwelle bei 300 KHz, bei Verwendung einer herkömmlichen Energieversorgungsquelle mit ±15 Volt. Es ist weiterhin anzunehmen, daß kein anderer gegenwärtig verfügbarer Dreieckwellengenerator diese Wirksamkeit über diese Kombination von Amplituden- und Frequenzbereich bei Verwendung einer Niederspannungs- Energieversorgung übertreffen kann.
Wie in der Schaltung in Fig. 1 wird die Programmierbarkeit des Dreieckwellengenerators 110 durch die Möglichkeit, die Eingangsreferenzspannung zu verändern, erzielt und es wird eine entsprechende Amplitudenänderung in der Ausgangsdreieckwelle erzielt. Die Verwendung eines zweiten Verstärkers 118 mit Verstärkungsfaktor Eins stellt die Stabilität des geschlossenen Regelkreises sicher. Ebenso ist der Dreieckwellenausgang für solche Schaltungen, welche Frequenzsynchronisation zur Verringerung der elektromagnetischen Beeinflussung benötigen, zur Synchronisation eines Hauptregelverstärkers mit Schaltbetrieb vorgesehen, der mit der Rechteckwellen-Signalquelle verbunden ist, die ein externes Taktsignal vorsieht. Die Amplitude des Dreieckwellen-Ausgangssignals ist unabhängig von der Frequenz des Rechteckwellensignals, was die Synchronisation zu einer variablen Frequenzsignalquell erleichtert.
Fig. 3 stellt ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar. Die Schaltung von Fig. 3 ist im wesentlichen die gleiche, wie die Schaltungen der Figuren 1 und 2, mit der gleichen Verstärker- und Treiberanordnung, aber der wie gezeigt veränderten widerstandsbehafteten und kapazitiven Kopplung. Die Schaltung von Fig. 3 wird hier aufgrund ihrer deutlichen Darstellung in der Zeichnung nicht in jedem Detail beschrieben werden.
Soweit es die Darstellungseinzelheiten der in Fig. 3 gezeigten Schaltung betrifft, sind die Verstärker und Transistoren im wesentlichen die gleichen, wie zuvor mit Bezug zu den Figuren 1 und 2 beschrieben. Die restlichen der Bauteile in dieser Schaltung sind wie folgt. Kondensator 240 hat einen Wert von 680 pF, die Widerstände 244 und 256 haben Werte von 100 KOhm, Widerstand 267 hat einen Wert von 7.51 KOhm, Widerstand 236 hat einen Wert von 4.99 KOhm, die Kondensatoren 239, 260, 261, 263, und 265 haben Werte von 0.1 uF, Widerstand 248 hat einen Wert von 3.83 KOhm, die Widerstände 254 und 266 haben einen Wert von 51.1 Ohm, Widerstand 268 hat einen Wert von 51.1 KOhm, Widerstand 272 hat einen Wert von 15 KOhm, Diode 270 ist eine 1N4104, die Dioden 250, 262, 269 und 273 sind 1N4150, und Kondensator 246 hat einen Wert von 0.01 uF.
Die vorliegende Erfindung schafft auch ein Verfahren, welches die Schritte des Bereitstellens einer Quelle von Rechteckwellen-Stromsignalen und einer Quelle von Referenzspannungssignalen beinhaltet. Das Verfahren sieht dann vor, die Rechteckwellen-Stromsignale zu verstärken und im Ansprechen auf die verstärkten Rechteckwellen-Stromausgangssignale Dreieckwellen-Ausgangssignale zu erzeugen. Als nächstes umfaßt das Verfahren das Abtasten und Vergleichen der Amplitude der Dreieckwellen-Ausgangssignale mit den Referenzspannungssignalen und im Ansprechen darauf das Erzeugen von Ausgangs-Fehlersignalen. Schließlich umfaßt das Verfahren das Erzeugen von Vorspannungs-Steuersignalen im Ansprechen auf die Ausgangs-Fehlersignale, um die Amplitude der verstärkten Rechteckwellen-Stromausgangssignale zu steuern. Die Amplitude dieser Signale ist ungefähr proportional zur mit der Frequenz der Eingangs-Rechtecksignale multiplizierten Amplitude der Referenzspannungssignale. Dies steuert weiterhin die Amplitude des Dreieckwellen-Ausgangssignals. Andere spezifischere Verfahren sollten beim Lesen der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele ohne weiteres offensichtlich sein.
Die drei offenbarten Schaltungausführungsbeispiele der Erfindung liefern unterschiedliche Höhen der Kosten und Wirksamkeit. Fig. 2 stellt zum Beispiel das Ausführungsbeispiel maximaler Wirksamkeit dar, welches durch zweckmäßige Auswahl der Bauteilwerte so gestaltet werden kann, daß es bei Frequenzen bis mehrere hundert Kilohertz eine 20-Volt- Spitze-zu-Spitze-Dreieckwelle erzeugt. Dies wird durch die sehr weite Verstärkungsbandbreite und Fähigkeit einer hohen Anstiegsgeschwindigkeit des HA-5002-Strompuffers ermöglicht. Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel liefert ausgezeichnete Wirksamkeit bei Frequenzen bis ungefähr 200 Kilohertz.
Obwohl die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit Regelverstärkern mit Schaltbetrieb beschrieben wurde, weist die vorliegende Erfindung allgemein Verwendungen in den meisten Anwendungen auf, die einen Dreieckwellengenerator benötigen.
Es ist ein neuer und verbesserter programmierbarer Dreieckwellengenerator und ein Verfahren beschrieben worden, welches bei Verwendung einer Niederspannungs-Energiequelle amplitudenvariable, frequenzunabhängige Dreieckwellen über eine weite Frequenzbandbreite liefert. Eine nichtprogrammierbare Ausführung der Schaltung ist ebenso offenbart. Es versteht sich, daß die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele lediglich für einige der vielen spezifischen Ausführungsbeispiele erläuternd sind, welche Anwendungen der Grundlagen der vorliegenden Erfindung darstellen. Offensichtlich können zahlreiche und verschiedene Ausführungen von Fachleuten schnell erstellt werden, ohne den in den Ansprüchen festgelegten Umfang der Erfindung zu verlassen. Ein Beispiel einer solchen Ausführung wird durch das Ersetzen eines Eintakt-MOSFET-Treibers, der jedoch leistungsfähiger ist, wie den TSC429, anstelle des TSC428 mit Gegentakt, realisiert.

Claims

1. Dreieckwellengenerator (10;110;210) mit:

einer Quelle (12) von Rechteckwellen-Eingangssignalen;

einer Quelle (14) von variablen Referenzspannungssignalen;

einer ersten Verstärkereinrichtung (16; 116; 216), die mit der Rechteckwellen-Eingangsquelle verbunden ist, um die Rechteckwellen-Eingangssignale im Ansprechen auf ihr zugeführte Ausgangs-Fehlersignale zu verstärken;

einer mit der ersten Verstärkereinrichtung verbundenen Übertragereinrichtung (34) zur Übertragung der verstärkten Rechteckwellen-Ausgangssignale aus dieser zu einem Ausgang der Übertragereinrichtung;

einer Widerstands- (36a, 36b; 136; 236, 267, 268) und Kondensatoreinrichtung (40; 140a, 140b; 240, 239), die in Reihe mit der Sekundärseite der Übertragereinrichtung zum Schaffen einer Integrierschaltung verbunden ist, um im Ansprechen auf die übertragenen Rechteckwellen-Ausgangssignale am Ausgang der Übertragereinrichtung ein Dreieckwellensignal zu erzeugen;

einer mit der Integrierschaltung verbundenen zweiten Verstärkereinrichtung (18, 38; 118,138; 218, 238) zum Puffern und Verstärken des Dreieckwellensignals, wobei die Integrierschaltung zwischen den Eingang und den Ausgang der zweiten Verstärkereinrichtung gekoppelt ist;

wobei die Widerstands- und Kondensatoreinrichtung eine Dämpfungseinrichtung (36a, 36b; 140a, 140b; 267, 268) zum Verhindern eines Schwingens des zweiten Verstärkers aufweist; und

einer dritten Verstärkereinrichtung (20; 120; 220) zum Abtasten und Vergleichen der Amplitude der gepufferten und verstärkten Dreieckwellen-Ausgangssignale mit der Amplitude der variablen Referenzspannungssignale (V.REF), um im Ansprechen darauf die Ausgangs-Fehlersignale zu erzeugen.

2. Dreieckwellengenerator (110) nach Anspruch 1, der weiterhin aufweist:

eine mit der zweiten Verstärkereinrichtung (118) verbundene vierte Verstärkereinrichtung (119) zum Korrigieren von durch den zweiten Verstärker hervorgerufenen Spannungs- Offsetfehlern.

3. Dreieckwellengenerator nach Anspruch 1 oder 2, der weiterhin aufweist:

eine mit der dritten Verstärkereinrichtung (20; 120; 220) verbundene Treiberschaltungseinrichtung (22; 122; 222) zum Puffern und Aufbereiten der Ausgangs-Fehlersignale und zur Zufuhr von Vorspannungssignalen zur ersten Verstärkereinrichtung (16; 116; 216), die die Amplitude der verstärkten Rechteckwellen-Ausgangssignale im Verhältnis zur Amplitude der Referenzspannungssignale (V.REF) steuern, wodurch die Amplitude der Dreieckwellen-Ausgangssignale gesteuert wird.

4. Dreieckwellengenerator nach Anspruch 1 oder 2, der weiterhin aufweist:

eine Treiberschaltungseinrichtung (22; 122; 222) zum Ansprechen auf die Ausgangs-Fehlersignale und zur Zufuhr von Vorspannungssignalen zur ersten Verstärkereinrichtung, um die Amplitude der verstärkten Rechteckwellen-Ausgangssignale im Verhältnis zum Produkt der Amplitude der eine variable Amplitude aufweisenden Referenzspannungssignale und der Frequenz der eine variable Frequenz aufweisenden Rechteckwellensignalquelle zu steuern, wodurch die Amplitude des Rechteckwellen-Ausgangssignals gesteuert wird, was bewirkt, daß die Amplitude proportional zur Amplitude der eine variable Amplitude aufweisenden Referenzspannungssignale und unabhängig von der Frequenz der Rechteckwellen-Eingangssignale ist.

5. Verfahren zum Liefern einer Dreieckwelle, mit den Schritten:

Bereitstellen einer Quelle von Rechteckwellen-Eingangssignalen;

Bereitstellen einer Quelle (V.REF) von Referenzspannungssignalen;

Verstärken der Rechteckwellen-Eingangssignale, um verstärkte Rechteckwellen-Ausgangssignale zu liefern;

Übertragen der verstärkten Rechteckwellen-Ausgangssignale durch einen Übertrager (34);

Leiten der Ausgangssignale aus dem Übertrager durch eine Integrierschaltung, die eine Widerstandseinrichtung (36a, 36b; 136; 236, 267, 268) und eine Kondensatoreinrichtung (40; 140a, 140b; 240, 239) aufweist, die in Reihe mit der Sekundärseite des Übertragers verbunden sind, um im Ansprechen auf die verstärkten Rechteckwellen-Ausgangssignale Dreieckwellen-Ausgangssignale zu erzeugen;

Abtasten und Vergleichen der Dreieckwellen-Ausgangssignale mit der Referenzspannung und Erzeugen von Ausgangs- Fehlersignalen im Ansprechen hierauf; und

Erzeugen von Vorspannungs-Steuersignalen im Ansprechen auf die Ausgangs-Fehlersignale, um die Amplitude der verstärkten Rechteckwellen-Ausgangssignale zu steuern;

wodurch die Amplitude der Rechteckwellen-Ausgangssignale proportional zum Produkt der Frequenz des zugeführten Rechteckwellensignals und der Amplitude der Referenzspannungssignale ist, was wiederum die Amplitude der Dreieckwellen-Ausgangssignale steuert.