DE2543777A1

DE2543777A1 - Saegezahn-spannungsgenerator

Info

Publication number: DE2543777A1
Application number: DE19752543777
Authority: DE
Inventors: Bruce Edward Hofer
Original assignee: Tektronix Inc
Current assignee: Tektronix Inc
Priority date: 1974-10-07
Filing date: 1975-10-01
Publication date: 1976-04-08
Also published as: NL168670B; NL168670C; CA1038049A; DE2543777B2; DE2543777C3; JPS5164357A; FR2287808B1; JPS5535012B2; GB1516200A; FR2287808A1; NL7510114A

Description

DiPL-ING. KLAUS NEUBECKER

Patentanwa^!t
4 Düsseldorf 1 - S c h a d ο /.- platz 9

Drying. Ernst Straitnann

PF 2297
7557

Düsseldorf, 30. Sept. 1975

Tektronix, Inc.

Beaverton, Oregon, V. St. A. Sägezahn-Spannungs'ge^ieratör

Die Erfindung betrifft einen Sägezahn-Spannungsgenerator.

Bei einem Gerät für die genaue Untersuchung oder Messung von elektrischen Vorgängen, beispielsweise für einen Oszillographen oder ähnliche Ausrüstung, wird der elektrische Vorgang gewöhnlich als sichtbare Darstellung der Augenblicksspannung über der Zeit wiedergegeben. In den meisten Fällen wird die Zeitbeziehung durch das Gerät selbst geliefert. Z. B. erzeugt ein Ablenkgenerator eine Sägezahnspannung, die nach Verarbeitung in einem Horxzontalverstärker den horizontalen Ablenkplatten der Kathodenstrahlröhre zugeführt werden, wodurch sich eine horizontale Ablenkung ergibt. Wenn die für eine lineare Ablenkeinheit des Elektronenstrahls erforderliche Spannung (d. h. der Ablenkfaktor) und die Anstxegsgeschwindigkeit der Sägezahnspannung bekannte Größen sind, kann die horizontale Entfernung einer auf dem Bildschirm des Oszillographen wiedergegebene Wellenform in Zeiteinheiten umgerechnet werden.

Wenn genaue Zeitmessungen gemacht werden müssen, ist es wesentlich, daß gleiche Abschnitte horizontaler Entfernung gleiche Zeitabschnitte repräsentieren. Wenn die Verschiebung des Elektronenstrahls zu allen Zeiten proportional zu der den horizontalen

Θ09815/1004

Telefon

32 08 58

Telegramme Custopat

_ O mm

Ablenkplatten angelegten Spannung ist, ergibt sich, daß die Ablenkspannung linear sich mit der Zeit verändern muß. Zusätzlich muß der Elektronenstrahl zu einer Ruhestellung zurückgebracht werden, weil sich sonst sichtbare Positionsverschiebungen der Ablenkung des Elektronenstrahls ergeben.

Zwei wichtige Anforderungen für einen Präzisions-Sägezahngenerator sind daher die Stabilität der Grundspannung, bevor die Sägezahnwellenform ausgelöst wird, und das Fehlen von Abweichungen, nachdem die Sägezahnspannung ausgelöst wurde.

Grundsätzlich erzeugen alle Sägezahngeneratoren zur Erzeugung von Sägezahnspannungen die Sägezahnspannung dadurch, daß ein Kondensator durch eine# Ladespannung geladen und entladen wird. Bisherige Anordnungen für eine Basisstabilisierung begrenzen den Ladestrom auf einen bestimmten Wert, wodurch längere Zeiträume erforderlich waren, um eine Erholung von negativen Spannungsspitzen (wie. z. B. überschießen der Entladung) sich zu erholen. Auslöseabweichungen, die sich aufgrund des Zeitintervalls ergeben, der erforderlich ist, um den in den Zeitkondensator fließenden Strom einzuschalten, wurden durch andere Vorkehrungen vermindert, wie beispielsweise durch die Übersteuerung eines emittergekoppelten Verstärkers. Jedoch verursachen derartige Maßnahmen auch Abweichungen, die durch Streukapazitäten und Vorrichtungskapazitäten verursacht werden.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Sägezahnspannungsgenerators, der diese Nachteile nicht aufweist und noch kleinere Abweichungen nach der Sägezahnauslösung zeigt und gleichzeitig Zeitbasisstabilität aufrechterhält.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im Hauptanspruch genannten Merkmale gelöst.

Die bei bekannten Sägezahn-Spannungsgeneratoren geschilderten Nachteile werden dadurch beseitigt, daß die Verzerrungen des Ausgangs durch Erhöhen oder Erniedrigen eines Zählerstromes

809815/1004

korrigiert werden, der über Rückführungseinrichtungen erzeugt wird, um einen Zeitkondensator in der Richtung zu laden oder zu entladen, die notwendig ist, um die gewünschte Zeitbasis zu erhalten, während die Abweichungen nach dem Auslösen der Sägezahnspannung verkleinert werden, indem eine sehr schnelle Stromumschaltung für das Zeitelement von einer Stromquelle zu einer Stromsenke von größerer Kapazität bewirkt wird.

Die Grundlage der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, daß ein Sägezahn-Spannungsgenerator geschaffen wird, der ein Zeitelement (Kondensator) umfaßt, dem ein "Zeit"-Strom und ein Zählerstrom alternativ zugeführt oder entzogen wird, um das Zeitelement (den Kondensator) zu laden und zu entladen und damit die Sägezahnspannung zu erzeugen. Eine Stromsenke zur Ableitung des "Zeit"-Stroms und des Zählerstroms ist durch ein emittergekoppeltes Paar vorgesehen, das als ein mittels eines Torsteuersignals gesteuertes Tor arbeitet. Ein Paar von bipolaren oder asymmetrischen leitenden Einrichtungen, wie beispielsweise Dioden, ist mit dem torgesteuerten Komponenten verbunden, um den Fehlerstrom zu führen und einen zusätzlichen Stromweg zu schaffen.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der beiliegenden Darstellung eines Ausführungsbeispiels sowie aus der folgenden Beschreibung.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Schaltung gemäß dem Stand der Technik zur Erzeugung einer linearen Sägezahnspannung;

Fig. 2 den Verlauf der mit der bekannten Einrichtung erzeugten Sägezahnspannung;

Fig. 3 eine vorzugsweise Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sägezahn-Spannungsgenerators; und

809815/1004

Fig. 4 den Verlauf der vom erfindungsgemäßen Sägezahn-Spannungsgenerator erzeugten Sägezahnspannung.

In den Zeichnungen zeigt Fig. 1 einen aus der US-Patentschrift 3 723 762 bekannten Sägezahn-Spannungsgenerator, der einige der anfangs aufgezeigten Nachteile vermeidet. Der Sägezahn-Spannungsgenerator umfaßt einen Kondensator 14 und eine Schaltdiode 12, die dazu verwendet wird, den Kondensator 14 zu laden und zu entladen, wobei die über den Kondensatoranschlüssen entstehende Spannung als Sägezahnspannung verwendet wird. Eine Signalquelle 10, die ein Schaltsignal P erzeugt, ist an einem Ende geerdet und am anderen Ende mit der Kathodenelektrode der Schaltdiode 12 verbunden, deren Anodenelektrode mit dem Verbindungspunkt 13 zwischen dem Ausgang einer Quelle für Ladestrom 15 und einem Anschluß des Kondensators 14 verbunden ist. Die Polarität der Quelle 15 wird so gewählt, daß der Strom I.. über die Verbindung 13 in den Kondensator 14 fließt. Der andere Anschluß des Kondensators 14 ist geerdet und der Verbindungspunkt 13 noch mit einem Ausgangsanschluß 16 verbunden. Bekannterweise fließt in Abwesenheit eines von der Quelle 10 gelieferten Schaltesignals P ein Strom I₁ von der Quelle über die Diode 12 in die Signalquelle 10. Falls ein Schaltesignal P vorhanden ist, wird die Schaltdiode 12 umgekehrt vorgespannt, wodurch dem Strom I,. ermöglicht wird, den Kondensator 14 aufzuladen. Es ist auch bekannt, daß ein exponentiell verlaufender umgekehrter Strom I₁ (t) aufgrund der gespeicherten Ladung in den Verbindungspunkt 13 fließt, so daß der Kondensator auch aufgrund dieses Stromes geladen wird. Der Effekt des zusätzlichen exponentiell verlaufenden Stromes führt zu der Sägezahn-Spannungsquellenform 19 der Fig. 2, in der außerdem noch das Schaltsignal P dargestellt ist. Wie aus Fig. 2 zu erkennen ist, ist die Wellenform 19 nicht linear und enthält Anfangs-Wertabweichungen. Um diese Nachteile zu vermeiden, wird ein Serienschaltkreis mit einer Quelle für konstante Spannung 22 und eine zweite Diode 17 parallel zum Kondensator 14 geschaltet. Die Polarität der zweiten Diode 17 und der positive Anschluß der Konstant-Spannungsquelle 11 sind in der

609815/1004

Weise angeordnet, daß die Diode 17 bei Abwesenheit eines Schaltsignals P von der Signalquelle 10 leitend ist. Wenn beide Dioden ähnliche Kennlinien haben, wird ein zusätzlicher Exponentialstrom i~ (t) erzeugt, der in der dargestellten Richtung fließt, wenn der Schaltimpuls P zugeführt wird. Im Ergebnis werden die Exponentialströme wirksam beseitigt und die Sägezahn-Spannungswellenform 18 erzeugt. Jedoch verbleiben Anfangs-Abweichungen und üngenauigkeiten aufgrund von TemperaturSchwankungen, Diodenfehlanpassungen usw. erhalten.

In dem US-Patent Nr. 3 621 282 ist ein Sägezahngenerator beschrieben, der einen bistabilen Komparator aufweist, um die Sägezahnspannung mit einer Bezugsspannung zur Entladung eines Kondensators zu vergleichen, über den die Sägezahnspannung erzeugt wird, um eine stabilisierte Sägezahnspannung zu liefern. Jedoch kehrt der Ausgang eines solchen Schaltkreises nicht zu einer genauen Bezugsspannung zurück, da der Ausgang des Komparators aufgrund der Parameter des Komparators sich wesentlich verschieben kann.

Gemäß einer vorzugsweisen Ausführungsform der Erfindung, die in Fig. 3 in Einzelheiten dargestellt ist, wird ein SägezahnSpannungsgenerator geschaffen, der gegenüber den bekannten Sägezahn-Spannungsgeneratoren weiter verbessert ist und gleichzeitig die Zeitbasis auf einem Bezugspegel hält. Der erfindungsgemäße Sägezahn-Spannungsgenerator umfaßt einen Kondensator 50, der geladen und entladen wird, um die Sägezahn-Spannungswellenform zu liefern. Eine Zeitsteuerungs-Stromquelle 52 ist zwischen der Quelle für ein geeignetes Potential und einem Anschluß des Kondensators 50 angeschlossen, so daß ein Strom I__T in den Kondensator 50 hineinfließt. Der andere Anschluß des Kondensators ist geerdet. Der in den Kondensator 50 hineinfließende oder aus diesem herausfließende Strom erzeugt über dem Kondensator eine Anschlußspannung V__T, die einem Ausgangsanschluß 54 mit Hilfe eines Verstärkers 56 zugeführt wird, dessen nicht-invertierender Eingang ebenfalls mit dem nicht-geerdeten Anschluß des Kondensators 50 verbunden

609815/1004

254377?

ist, während der invertierende Eingang mit seinem einzigen Ausgangsanschluß und dem Ausgangsanschluß 54 verbunden ist. Ein derartig angeschlossener Verstärker stellt einen Spannungsfolger-Verstärker dar. Dadurch wird die Ausgangs-Sägezahnspannung am Ausgangsanschluß 54 herkömmlicherweise definiert durch —-sr = £—, wobei —-rr die erste Ableitung oder lineare Steigung des Zeitsteuerstromes I_ darstellt, der den Kondensator 50 auflädt (C_ in der obigen Formel entspricht dem Kondensator 50) . Mit dem Ausgangsanschluß 54 ist ein nächster Verstärker 58 verbunden, der die Ausgangs-Sägezahnspannung VO, die seinem invertierenden Eingang zugeführt wird, mit einer Bezugsspannung, V₀₇^₇, vergleicht, die seinem nicht-invertierenden Eingang während der Ruhezeit zugeführt wird. Es sollte bemerkt werden, daß die Spannung V_REF gewöhnlich von gleicher Höhe ist wie der Pegel, der für die Zeitbasis der erzeugten Sägezahnspannung gewünscht wird, normalerweise also Null Volt. Der einzige Ausgang des Verstärkers 50 ist daher ein Zählerstrom, der von der Differenz zwischen der Ausgangs-Sägezahnspannung VO und der Bezugsspannung V_n^_x, gesteuert wird. Zwischen

Kuli?

dem nicht mit Masse verbundenen Anschluß des Kondensators 50 und dem Ausgang des Verstärkers 58 ist eine asymmetrisch leitende Vorrichtung oder eine unipolare Vorrichtung vorgesehen wie beispielsweise eine Diode 60, die so gepolt ist, daß sie einen Stromfluß I_D6O in der dargestellten Richtung ermöglicht, wenn sie in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist.

Ein Paar von Transistoren 62, 64 sind mit ihren Emittern gemeinsam an eine Quelle für ein geeignetes Potential so angeschlossen, wie es in der Zeichnung wiedergegeben ist, und zwar über eine seriengeschaltete Stromsenke 66, um den in der dargestellten Richtung fließenden Strom I„ aufzunehmen. Die Kollektoren der Transistoren 62, 64 sind zu der Anode bzw. Kathode der Diode 60 geführt, während die Basisanschlüsse der Transistoren mit einer Torquelle V_GATE und einer Spannungsquelle V verbunden sind. Der Generator wird vervollständigt

durch eine Diode 68, deren Kathode mit dem Kollektor des Transistors 62 verbunden ist, während die Anode geerdet ist.

609815/1004

In Fig. 4 sind Einzelheiten der mit der erfindungsgemäßen Sägezahnspannungsgenerator-Schaltung verbundenen Wellenformen dargestellt. Die Wellenform 80 stellt die Torquellenspannung dar. Wenn ν.-.-™,-, zumindest mehrere Zehntel Volt negativer

ist als das Potential der Spannungsquelle V (82 in der Zeichnung), leitet der Transistor 64 den gesamten Strom Is. (pie Transistoren 62, 64 sind in der bekannten emittergekoppelten Weise miteinander verbunden und ihre Betriebsweise wird hier nicht näher erläutert). Da der Transistor 64 den gesamten Strom Is leitet, verläuft die Spannung V_CT über dem Kondensator 50 und damit VO am Ausgangsanschluß 54 unter dem Einfluß von I™ gemäß dem Kirchoff' sehen Gesetz nach der Beziehung:

¹CT ^{= 1}T ^{+ 1}DOO " ^Is'

wobei I_, I_D6Q und Is bereits definiert wurden. Indem Is größer gewählt wird als I_ (d. h. Is > I™), wird I_D6O ^von der Differenz zwischen VO und V.,™ bestimmt, bis I„_m = 0 ist. Wenn I_om = 0 ist. wird V0«V_n™ und es ist kein überschußstrom zum Laden oder Entladen des Kondensators 50 erhältlich und VO somit als ein Potential festgelegt, das nahe dem Wert ν_™ liegt. Es wird nunmehr deutlich, daß unter den oben beschriebenen Bedingungen der Fehlerstrom IjmgQn ^{= 1}DoO ^{= 1}DOe ~ ¹T -*-^st* Verzerrungen in der Spannung VO werden durch einen Anstieg oder ein Abfallen des Fehlerstroms korrigiert, wobei I™ veranlaßt wird, ein von Null abweichenden Wert anzunehmen, der den Kondensator in der zur Wiederherstellung der richtigen Zeitbasis notwendigen Richtung auflädt oder entlädt. Dieses Verfahren stellt eine deutliche Verbesserung des Standes der Technik dar, weil der Kondensator 50 (C_) durch einen Strom geladen oder entladen werden kann, der um viele Male größer ist als der Strom I_T, statt daß dieser Lade- oder Entladestrom auf den Strom I_T selbst begrenzt ist. Letzteres würde eine längere Zeit erfordern, um nach negativen Spannungsspitzen (z. B. Entladungsüberschießen) usw. eine Erholung zu ermöglichen.

609815/1004

Zu einer Zeit to wird, um die Sägezahnspannung 86 einzuschalten, die Torspannungsquelle V_ von einem Potential, das mehrere Zehntel Volt negativer ist als die Spannungsquelle Vs, auf ein Potential umgeschaltet, das mehrere Zehntel Volt positiver ist als die Spannungsquelle Vs. Während dieser Übergangsperiode gilt

^Is " ^IC62 ^{+ I}C64'

^{= 1}ERROR " ^IC62 ^und ¹CT ¹T ^{+ 1}DoO ~ ^ΣΟ64 ¹T ^{+ 1}ERROR

Da, wie erinnerlich, vor dem übergang I_ERROr = Is - IT war, muß nun folgen, daß I™ = O ist. Auf diese Weise wird der Kondensator 50 nicht durch einen verbleibenden Strom geladen oder entladen. Wenn eine Verminderung des Stromes ^IC64 k^^{s zu} einem Punkt erfolgt, an dem Ip₆₄ = I™ ist, wird ¹DoO ⁼ °· ^D:*-^e Stromleitung durch Diode 60 hört auf und Veränderungen des Fehlerstromes I_13n,..- beeinflussen nicht mehr I-, . Die Diode 68 leitet nunmehr, wodurch der Transistor 62 daran gehindert wird, sich zu sättigen. Infolgedessen wird I™ = I» - Ip₆4 und Vu„, und damit VO beginnen anzusteigen. Während der Strom 1^₆₄ auf Null abfällt, steigt die Sägezahnspannung während eines Zeitintervalls, in dem I_, ~> I_Cg4^0 ist, langsamer an als ideal wäre. Indem Is viel größer gewählt wird als I_m (d, h. lsi» I_m) , beträgt ein derartiges Zeitintervall nur einen Bruchteil der gesamten Anstiegszeit von ^V _GATE/ wodurch eine sehr schnelle und "saubere" Stromumschaltung für den Kondensator 50 (C_m) bewirkt wird. Somit stellt die vorliegende Erfindung eine Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik dar, da das Zeitintervall, das notwendig ist, um den in den Zeitkondensator fließenden Strom wirksam umzuschalten, im wesentlichen begrenzt ist durch die Anstiegszeit der Torsteuerwellenform bzw. durch die Schleifenbandbreite der Operationsintegrator-Sägezahngenerator-Schaltung, wie beispielsweise "Miller-Integratoren".

609815/1004

Es sei hervorgehoben, daß die vorliegende Ausführungsform nur ein Beispiel darstellt und Änderungen von Fachleuten vorgenommen werden können, ohne daß vom Gedanken der Erfindung abgewichen wird.

Patentansprüche;

609815/1004

Claims

P a" f e η f a η s ρ r ü c h e ;

J Sägezahn-Spannungsgenerator, gekennzeichnet durch ein

Zeitelement (50), über dem die Sägezahnspannung (V_CT, VO) erzeugt wird; durch eine Zeitstromquelle (52) zur Lieferung eines Zeitstroms (I) für das Zeitelement (50); durch Einrichtungen (58) zur Lieferung von zusätzlichem Strom (!„_,„__) für das Zeitelement (50) ; durch eine Stromsenke (66) zum Aufnehmen des Zeitstromes (I„) und des zusätzlichen Stroms (!„„„_„) und durch Einrich-

ÜKKUK

tungen (60_r 62, 64, 68) zur Steuerung des Zeitstromes und des zusätzlichen Stromes in die Stromsenke (66), um auf diese Weise das Zeitelement (50) alternierend zu laden und zu entladen und so eine Sägezahnspannung zu erzeugen.
2. Sägezahn-Spannungsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromsenke (66) im wesentlichen mehr Strom (I) aufnimmt als von der Zeitstromquelle

(52) geliefert wird.
3. Sägezahn-Spannungsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Lieferung des"zusätzlichen Stromes eine erste Verstärkereinrichtung (56) umfassen, die der Sägezahnspannung (ν_,_φ) folgt, sowie eine zweite Verstärkereinrichtung (58), die auf die Differenz der gefolgten Sägezahnspannung (V) und einer externen Bezugsspannung (V_^ ) reagiert, die der zweiten Verstärkereinrichtung (58) zugeführt wird, um den zusätzlichen Strom (!„„„__.) zu liefern.

EKKUK
4. Sägezahn-Spannungsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtungen ein Paar von emittergekoppelten Transistoren (62, 64) umfassen, die in Beziehung stehen zu einem Paar von Spannungsquellen ' ^wei^terhin eine Schaltdiode (60), die zwischen

609815/1004

den Kollektoren der zwei emittergekoppelten Transistoren (62, 64) angeschlossen sind, sowie eine asymmetrisch leitende Einrichtung (68), die zwischen den Kollektor eines der beiden emittergekoppelten Transistoren (62) und einer Spannungsquelle (Masse) angeschlossen ist.
5. Sägezahn-Spannungsgenerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Veränderung zumindest einer der beiden Spannungsquellen für die emittergekoppelten Transistoren veränderlich ist.

ES/hs 3

609815/1004

At

L e e r s e i t e