DE2003894A1

DE2003894A1 - Schaltung zur Erzeugung einer parabolischen Wellenform

Info

Publication number: DE2003894A1
Application number: DE19702003894
Authority: DE
Inventors: Edson Alvin William
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1969-02-03
Filing date: 1970-01-29
Publication date: 1970-08-06
Also published as: US3578985A

Description

Dr. rer. n.af. Horst Schüler 2 0 03 8 94 6 Frankfurt/Main ι, den 28. Jan. 1970

Postscheck-Konto: 282420 Frankfurt/M. Bank-Konto: 523/3168 Deutsche Bank AG, Frankfurt/M.

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road
¹ Schenectady, N.Y./U.S.A.

Schaltung zur Erzeugung einer parabolischen Wellenform

Die Erfindung betrifft das Gebiet von Wellenform-Generatoren und insbesondere Generatoren zur Erzeugung einer parabolischen Wellenform.

In der Technik wurden bisher die verschiedensten Schaltungsanordnungen zur Erzeugung von parabolischen Wellenformen verwendet . Diese Schaltungen sind jedoch entweder äußerst kompliziert oder sie neigen dazu, Verzerrungenfin die Wellenform zu bringen. Die einfachste verwendete Schaltung ist ein R-C-Integratlonsglied, bei der ein Kondensator über einen Widerstand mit Hilfe einer bipolaren Sägezahnwellenform aufgeladen und entladen wird. Die erzeugte parabolische Wellenform zeigt eine exponentiell Verzerrung und nadeiförmige Spitzen durch

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den Rücklauf der Sägezahnwellenform. In einer anderen Schaltung werden die quadratischen Kennlinien von Dioden und von im Sättigungsbereich arbeitenden Transistoren verwendet, um nach einem eingegebenen Synchronisations-Impuls eine Parabel zu erzeugen. Da diese Betriebsweise in einem instabilen Arbeitsbereich liegt j tritt eine beträchtliche Langzeit-Schwankung (drift) im Gleichspannungswert und in der parabolischen Form auf. In einem weiteren Lösungsversuch kann eine besondere Kathodenstrahlröhre verwendet werden, die in der Lage ist, verschiedene Analogrechner-Funktionen auszuführen, um eine parabolische Wellenform zu erzeugen. Vorrichtungen dieser Art sind relativ komplizierte Gebilde, sie erfordern eine beträchtliche Menge an äußerem Schaltungsaufwand und sind als wirtschaftliche Vorrichtungen zur Erzeugung von parabolischen Wellenformen nicht geeignet.

Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine neuartige Generatorschaltung für parabolische Wellenformen zu liefern, welche einen relativ einfachen und wirtschaftlichen Schaltungsaufbau besitzt und trotzdem eine stabile und von Verzerrungen freie parabolische Wellenform erzeugt.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine neuartige Generatorschaltung für eine parabolische Wellenform zu liefern, welche leicht unter Verwendung von Verfahren zur Herstellung integrierter Schaltungen hergestellt werden kann.

Diese und andere Ziele der Erfindung werden erreicht durch eine Schaltung, die einen ersten und einen zweiten Stromgenerator einschließt, von denen der erste einen konstanten Gleichstrom liefert und der zweite einen sägezahnförmigen Strom in Kombination mit einem Integrationskondensator liefert. Die Stromgeneratoren schließen ein Paar Tranistoren vom Komple mentärtyp mit hoher Stromverstärkung ein, welche in einer abgeglichenen Schaltungsanordnung in Reihe miteinander verbun den sind. Der Kondensator ist am Verbindungspunkt der Transi-Btorvorriohtuniⁿangeschlossen, so daß der Kondensatorstrom

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gleich der Differenz zwischen dem Gleichstrom und dem sägezahnförmigen Strom ist. Dersä ge ζ ahn för mi ge Strom hat den konstanten Strom als Bezugsmittellinie und liefert nacheinander eine lineare Aufladung; und Entladung des Kondensators während jeder Periode der Sägezahnwellenform. Der Kondensator integriert den 'zugeführten Strom, um eine parabolische Ausgangsspannung zu erzeugen..

Sowohl der Aufbau als aueh/-die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Anordnung neben weiteren Zielen und Vorteilen sind am besten verständlich aus der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen im Zusammenhang mit den.beigefügten Abbildungen. .-_-...

Fig. 1 ist eine schematische Schaltzeichnung einer erfindungsgemäßen Generatorschältung für eine parabolische Wellenform. , ..

Fig. 2 enthält eine Reihe von Spannungskurven und Stromkurven, welche in der Schaltung nach Fig. 1 auftreten.

In der Fig. 1 ist eine schematische Schaltzeichnung einer erfindungsgemäßen Generatorschaltung für eine parabolische Wellenform dargestellt. Die Schaltung umfaßt: Eine erste Stromquelle zur Erzeugung eines konstanten Stroms, welche einen PNP-Translstor 1 in Kollektorschaltung enthält, in Reihe mit der ersten Stromquelle eine zweite Stromquelle zur Erzeugung eines Sägezahnstroms einschließlich eines komplementären NPN-Transistörs 2 in Kollektorschaltung und eine Energie-Speichervorrichtung in Form eines Kondensators 3· Die Transistoren 1 und 2 sind vorzugsweise Vorrichtungen mit hoher Stromverstärkung, so daß man gute Stromquellen erhält. Über dem Kondensator 3 wird eine parabolische Spannung erzeugt, welche eine saubere Wellenform ohne Verzerrungen und ohne unerwünschte Oberwellen darstellt.

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Zusätzlich zu dem Transistor 1 enthält die Konstantstromquelle eine Quelle 4 für ein positives Gleichspannungs-Potential, das über einen einstellbaren Strombegrenzungs-Widerstand 5 und einen Pestwiderstand 6 mit dem Emitter des PNP-Transistors 1 verbunden ist, dessen Kollektor-Elektrode mit dem ungeerdeten Anschluß des Kondensators 3 verbunden ist. Die Gleichspannungsquelle 4 ist weiterhin über ein Paar von Spannungsteiler-Widerständen 7 und 8 mit Masse verbunden und der Verbindungspunkt der Widerstände 7 und 8 ist mit der Basiselektrode des Transistors 1 verbunden.

Der Kollektor des NPN-Transistors 2 der Sägezahn-Stromquelle ist verbunden mit- dem Kollektor des Transistors 1 und mit dem nicht-geerdeten Anschluß des Kondensators 3· Über einen Pestwiderstand 10 zur Strombegrenzung ist an die Emitterelektrode des Transistors 2 eine Quelle 9 für ein negatives Gleichspannungspotential angeschlossen. Sie ist weiterhin über ein Paar von Spannungsteiler-Widerständen 11 und 12 und einem Wechselspannungs-Kop'plungskondensator 13 mit einem Sägezahngenerator 14 verbunden, welcher in an sich bekannter konventioneller Weise ausgeführt sein kann. Der Verbindungspunkt der Widerstände 11 und 12 ist an die Basiselektrode des Transistors 2 angeschlossen. Zwischen den Verbindungspunkt des Kondensators 13 und des Widerstandes 12 und die Gleichspannungsquelle 4 ist ein Widerstand 15 zum Abgleich der Vorspannungs-Gleichströme geschaltet, über den Kondensator 3 ist ein NPN-Transistor 16 geschaltet, dessen Emitter mit Masse verbunden ist. Ein Synchron-Impuls-Generator 17 liefert einen Eingangs-Impuls an die Basiselektrode des Transistors 16. Der Transistor 16 wird als Schalter betrieben, um den Kondensator 3 periodisch an den Scheitelpunkten der zwischen dem Ausgangsanschluß 18 und Masse erzeugten parabolischen Ausgangsspannung an das Erdpotential anzuklammern.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung betrögt die positive Gleichspannung der Quelle 4 +V₁ und die negative Gleichspannung der Quelle 9 ist gleich groß und entgegenge-

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setzt gerichtet und hat den Wert -V.. Die Widerstände 7 und 8" haben gleichen Wert, so daß die Spannung e^ an der Basiselektrode des Transistors 1, wie in der Kurve A der Fig. 2 gezeigt,

gleich _1 ist. Da der Transistor 1 als Emitterfolger geschaltet 2 ■-.■'■.-■

ist, ist der Strom I₁ durch den Transistor 1 proportional der Spannung e*. Dieser Stromverlauf wird in der Kurve B wiedergegeben. Die Kurve C zeigt die von der Quelle 14 erzeugte sägezahnförmige Signalspannung e,.,.., die durch den Kondensator 13

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wechselspannungsmäßig gekoppelt wird. Die Widerstände 11 und 12 haben gleichen Wert und ihre Summe ist gleich dem Wert des Widerstandes 15» so daß die Spannung e^.,„das Massepotential

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als Bezugsmittellinie hat und der Verlauf eines Sägezahns durch die Beziehung

e -i_t .1 ■ ..'■-■

^esaw 'T- 2 "...*■

wobei E die Spannung Spitze-Spitze und T die Periodendauer eines Sägezahns ist. Die Spannung e₂ wird an die Basiselektrode des Transistors 2 gelegt und ist in der Kurve D wiedergegeben. Eine einzelne Perlode kann durch die Formel

e -_S_t "«.ii
^e2 " 2T ^τ ¥ 2

ausgedrückt werden. Der in der Kurve E wiedergegebene Strom I₂ durch den Transistor 2 in -Emitterfolger^Schältung ist proportional der Basisspannung e₂· Der Widerstand 10 ist etwa gleich der Summe der Widerstände 5 und 6; der Widerstand 5 wird dabei so eingestellt, daß bei Abwesenheit der Spannung e__eM die Ströme I^ und I₂ gleich sind. Daher ist der Strom I₂ auf den konstanten Strom I^ als Mittellinie bezogen, d. h. der-zeitliche Mittelwert von I₂ ist gleich 1^. Der Strom i durch den Kondensator 3 ist gleich I₁ - i₂ und wird in der Kurve F wiedergegeben. Die parabolische AusgangBspannurig e_o, die über dem Kondensator erzeugt wird, ist eine Punktion des Integrale von I₀ und wird In der Kurve 0 wiedergegeben. Die Kapazität des

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Kondensators 3 bestimmt den Spitzenspannungswert der erzeugten parabolischen Wellenform. Die Kapazität muß jedoch genügend groß sein, um eine Beschneidung der Parabel zu vermeiden.

Die folgenden Schaltungsbauteile und Betriebsparameter wurden in einer arbeitsfähigen Ausführungsform der Erfindung verwendet :

Transistor 1 Type 2N 1132

Transistor 2 Type 2N 336

Transistor 16 Type 2N 2219A

Kondensator 3 0,01,uF

Spannung +V₁ +20 Volt

Spannung -V₁ -20 Volt

Sägezahnspannung

E Spitze-Spitze 10 Volt Sägezahn-Frequenz 15 kHz Widerstand 5 0-500 0hm

Widerstand 6 750 Ohm

Widerstand 7,8,Hu. 12 10 kOhm Widerstand 10 1 kOhm

Es folgt eine Erörterung der Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 1. Während der ersten Halbperiode der Sägezahnspannung e« ist Ip^i₁ und i ist ein linearer Ladestrom. Während der zweiten Halbperiode der Sägezahnspannung e₂ ist i₂>i₁ und i ist ein linearer Entladestrom. Daher ist in dem Zeitpunkt t in Fig. 2, an dem die Spannung e₂ ihren negativsten Wert besitzt, der Strom ip ein Minimum und i ist der maximale positive Ladestrom. Während die Spannung e₂ weniger negativ wird, erhöht sich der Strom I₀ und der Ladestrom i verringert sich entsprechend. Zum Zeitpunkt t₁ wird der Betrag der Spannung e₂ gleich der konstanten Spannung e., I^ wird zu diesem Zeitpunkt gleich ±2 und der Strom i wird 0. Während die Säger'ahnspannung e» weiter weniger negativ wird, ist i_n>l₁ und i wird negativ und ist der Entladestrom. Der Strom I₂ und ebenso del¹ Entlade-

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strom, i steigen so lange an,-bis die Spannung e_?.ihren am wenigsten negativen Wert zum.. Zeitpunkt t~ erreicht. Für diese Erörterung wird angenommen, daß. der Rücklauf des Sägezahnsignals augenblicklich erfolgt; e₂ nimmt dann wieder den größten negativen Wert an. Der Strom i₂ geht abrupt auf seinen .Minimumwert und 1 wird ein Ladestrom, und der Vorgang wiederholt sich. . . , · _._■-.' -..··■ ·■ · . ;. ■ ,-

Da der Kondensatorstrom i eine um den Strom 0 als Mittellage verteilte. Sägezahnwellenfprm ist und daher sowohl einen Ladestrom als einen Entladestrom enthält, ist die in Kurve G der Fig. 2 dargestellte Ausgangsspannung e , welche dem Integral des Stroms i proportional ist, eine volle parabolische.Wellenform mit dem Erdpotential, als Bezugslinie. Die Schaltung muß, wie beschrieben, abgeglichen werden, um eine Langzeitänderung der Gleichspannung zu verhindern. Da Komplementär-Transistoren verwendet werden, neigen durch Temperatureinflüsse verursachte Schwankungen dazu, sich im.wesentlichen aufzuheben.. Um die Schaltung noch weiterhin.zu stabilisieren-, wi.rd-.der Anklammerungstransistor 16 synchron durch, schmale Synchronisierimpulse vom Generator 17 betrieben^. ura die Sehei-telpunkte der parabolischen Wellenform an das Erdpotential anzuklammern. Die Synchronisier-Impülse sind" in der Kurve H der Fig. 2 wiedergegeben,, r Weiterhin werden- die. Transistorer¹ % ^und- ? so ausgewählt ,daß. sie. älphä-Grenzfrequenzen. besit_zen, die etwa zehnmal so groß sind, wie,, die, Folgefrequenz des Sägezahnsignals. Dies gestattet eine ^usieicheniae.. Empfindlichkeit für pber^· wellen, um eine glätte parabolische Wellenform zu,erhalten und beschränkt tr.otzaem die Empfindlichkeit, für die Oberwellen höherer. Ordnung, die, während des Rücklaufs des,.Sägezahnsignals auftreten und sonst zu einer Verzerrung der parabolischen Ausgangswelle führen würden.

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Claims

Patentansprüche

; 1.' Schaltung zur Erzeugung einer parabolischen Spannung,

dadurch gekennzeichnet, daß sie

die folgenden Elemente umfaßt:

eine erste Stromquelle (4,1) zur Erzeugung eines konstanten Stroms,

eine zweite Stromquelle (2, 9, 14) zur Erzeugung eines sägezahnförmigen Stroms mit einem zeitlichen Mittelwert, der gleich dem Wert des konstanten Stroms ist,

eine Vorrichtung zur Verbindung der ersten und zweiten Stromquelle in einer Reihenanordnung, und

einen Integrationskondensator (3)» der an den Verbindungspunkt der ersten und zweiten Stromquelle angekoppelt ist, und dem ein Strom zugeführt wird, welcher gleich der Differenz zwischen dem konstanten Strom und dem sägezahnförmigen Strom ist, und der während jeder Periode der Sägezahnwelle ladbar und aufladbar ist, wodurch über dem Kondensator (3) eine parabolische Spannung erzeugt wird.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß sie einen abgeglichenen Aufbau besitzt und die mittlere Spannung des Verbindungspunktes gleich einem vorgegebenen Bezugswert ist und der Kondensator (3) zwischen dem Verbindungspunkt und einen auf diesen Bezugswert festgelegten Punkt geschaltet ist.

3· Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß sie eine synchronbetätigte, über den Kondensator (3) geschaltete Schaltervorrichtung (16) enthält, die normalerweise unterbrochen ist und sich augenblicklich am Ende jeder parabolischen Wellenform schließt,

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wodurch der-Kondensator (3) auf die Bezugsspannung an den Zeitpunkten kurzgeschlossen ist, an denen der Kondensatorstrom 0 ist. .

k. Schaltung nach Anspruch 3, d a du r c h gekennzeichnet , daß: - ■-■"'"

die erste Stromquelle einen ersten Transistor (1) enthält, der eine hohe Stromverstärkung besitzt und als Emitterfolger geschaltet ist,

an die Basis des ersten Transistors (1) eine Konstantspannungsquelle (H) zur Versorgung mit einem zur Spannung proportionalen konstanten Strom angekoppelt ist,

die zweite Stromquelle einen zweiten Transistor (2)von einem Typ komplementär zu dem des ersten Transistors (1) enthält, der eine hohe Stromverstärkung besitzt und als Emitterfolger geschaltet ist und

eine auf die Basis des zweiten Transistors (2) zur Erzielung des dazu proportionalen Sägezahnstroms eine Sägezahnspannung eingekoppelt ist.

5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß der erste (1) und der zweite Transistor (2) ein komplementäres PNP-NPN-Paar sind, eine erste Vorspannungs-Gleichspannungsquelle (4) über einen ersten Emitter-Widerstand (5, 6) an den Emitter des ersten Transistors Cl) angeschlossen ist und über eine erste Ohm'sche Spannungsteiler-Schaltung (7, 8) an den Bezugsspannungswert angeschlossen ist, wobei ein Abgriff an dem Spannungstelle? mit der Basis des ersten Transistors (1) verbunden ist, und daß eine zweite Vorspannungs-Gleich-Bpannungequelle (9) entgegengesetzter Polarität über einen zweiten Emitter-Widerstand (10) an den Emitter des zweiten

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Transistors (2) und über eine zweite Ohm'sche Spannungsteilerschaltung (11, 12) an eine Quelle (14) für Sägezahnspannung angeschlossen ist, wobei ein Abgriff des Spannungsteilers (11, 12) mit der Basis des zweiten Transistors (2) verbunden ist und die Kollektoren des ersten und zweiten Transistors mit dem Verknüpfungspunkt verbunden sind.

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