DE1295651B - Schaltungsanordnung fuer einen elektronischen Frequenzteiler zur Untersetzung von Impulsfolgen - Google Patents

Description

Es sind bereits für elektrische Musikinstrumente io sistor.
bestimmte, insbesondere mit Elektronenröhren arbei- Durch die angegebene Schaltung nach der Erfin-

tende Frequenzteiler mit einem i?C-Kreis bekannt, dung wird erreicht, daß durch das Synchronisierungsder einen zwischen Gitter und Kathode liegenden, element beim Eintreffen von Eingangsimpulsen der beim Eintreffen eines Eingangsimpulses aufladbaren Größe der Bezugsspannung proportionale Spannungs-Kondensator aufweist und durch welchen die Katho- 15 impulse auf den i?C-Kreis gegeben werden, dessen den- und Gitterpotentiale als Funktion der Konden- Widerstand jedoch nicht vom Arbeitsstrom des Dreisatorentladung derart gesteuert werden, daß nur je- polschalters, sondern nur vom Entladungsstrom des der zweite Eingangsimpuls die Röhre in den leitenden Kondensators durchflossen wird, wodurch die ohm-Zustand schalten kann. Dieser Frequenzteiler erfor- sehen Verluste der Schaltung auf ein Minimum verdert zur geeigneten Rückkopplung der Röhrenelek- 20 ringert werden, und daß ferner wegen der Subtraktion troden mehrere Kondensatoren, benötigt einen Ruhe- dieser Spannungsimpulse von der momentanen Ladestrom und hat einen von der Betriebsspannung ab- spannung des Kondensators dessen Entladungskennhängigen Untersetzungsfaktor, was sich insbesondere linie von der Bezugsspannung unabhängig ist.
bei Wahl eines höheren Untersetzungsfaktors als 2 Der Frequenzteiler nach der Erfindung kann mit

ungünstig bemerkbar machen würde. Die gleichen 25 sehr geringen Betriebsspannungen, beispielsweise von Nachteile weist auch ein mit mehreren Kondensatoren weniger als 1 Volt, betrieben werden,
sowie zwei nach Art eines emittergekoppelten Multivibrators geschalteten Transistoren arbeitender Frequenzteiler auf, bei welchem die erforderlichen Vorspannungen über einen auch im Ruhezustand strom- 30
führenden Spannungsteiler erzeugt werden.

Ferner ist eine ohne Zeitglied arbeitende Impulsuntersetzerschaltung bekannt, bei welcher die zu untersetzenden Impulse abwechselnd an zwei verschiedenen Elektroden einer Halbleiteranordnung mit negativer Kennlinie wirksam werden und eine Umsteuerung von einem stabilen Arbeitspunkt in den anderen bewirken, so daß aus dem durch die dritte Elektrode der Halbleiteranordnung fließenden Strom die untersetzten Impulse gewonnen werden können. Dieser Untersetzer ermöglicht nur eine Untersetzung 2:1.

Ein weiterer, mit Transistoren arbeitender Frequenzteiler ist derart geschaltet, daß durch die eintreffenden Impulse eine stufenweise Spannungssum- 45 der Kollektor über einen Widerstand Al an die mierung in einem Speicherkondensator stattfindet und Speisespannung + U angeschlossen ist. Die Eindie Ladespannung dieses Kondensators bei Erreichen gangsimpulse, die im Diagramm nach Fig. 3 mit / eines bestimmten Wertes eine nachgeschaltete bezeichnet sind, gelangen über die Eingangsklemme E Schwellwertstufe auslöst. Zur Erzielung größerer sowie über einen zur Strombegrenzung dienenden Untersetzungsfaktoren benötigt diese Schaltung ver- 50 Widerstand A4 an die Basis des Transistors Tl,

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung an drei Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die Schaltungsanordnung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Frequenzteilers nach der Erfindung,

Fig. 2 die Kennlinie des aus den Transistoren T 2 und T 3 bestehenden Dreipolschalters nach Fig. 1,

F i g. 3 den zeitlichen Verlauf der Spannung am Punkt 2 der Schaltung nach Fig. 1, F i g. 4 eine zweite Ausführungsform und F i g. 5 eine dritte Ausführungsform der Erfindung.

Die in F i g. 1 dargestellte Teilerstufe weist einen npn-Transistor TX auf, der zur Synchronisation dient und als Schalttransistor arbeitet. Der Emitter dieses Transistors ist direkt mit Masse verbunden, während

welche über einen Widerstand R 3, der zwischen den Punkten 4 und 1 der Schaltung nach F i g. 1 liegt, galvanisch mit der Ausgangsquelle S verbunden ist, an welcher die Ausgangsimpulse der Teilerstufe abgenommen werden können.

Der Punkt 1 bildet den Mittelabgriff eines Spannungsteilers, zu dem einerseits der mit seinem anderen Ende an Masse liegende Widerstand R 2 und andererseits ein Widerstand R mit wesentlich höherem

hältnismäßig große Betriebsspannungen, und bei Impulsfolgen mit längeren Impulspausen besteht die Gefahr, daß die im Kondensator gespeicherte Summenspannung durch Leckströme verringert wird, so daß die Konstanz des gewählten Untersetzungsfaktors nicht gewährleistet ist.

Ausgehend von einem elektronischen Frequenzteiler der eingangs beschriebenen Art liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine stromsparende
Schaltungsanordnung zu schaffen, die bei Abwesen- 60 Widerstandswert gehören. Dieser Widerstand R bildet heit von Eingangsimpulsen keinen Strombedarf be- zusammen mit einem Kondensator C, der über nötigt und deren in weiten Grenzen vorgebbarer Punkt 3 der Schaltung mit dem Kollektor des Tran-Untersetzungsfaktor von möglichen Schwankungen sistors Tl verbunden ist, ein Zeitglied. Die Verbinder Betriebsspannung unabhängig ist. dungsstelle 2 zwischen Widerstand R und Konden-

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Schaltungs- 65 sator C ist an den Emitter eines npn-Transistors T 2 anordnung für den elektronischen Frequenzteiler angeschlossen, dessen Basis am Kollektor eines komnach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der plementären pnp-Transistors T 3 liegt. Die Basis Steuerpol und der eine Arbeitspol des Dreipolschal- dieses Transistors Γ 3 ist galvanisch mit dem Kollek-

tor des Transistors T 2 verbunden. Die Basis des Transistors Γ 2 ist außerdem über dem Widerstand Ä2 an Masse gelegt, während sein Kollektor über einem Widerstand R 5 mit der Speisespannung + U verbunden ist. Der Emitter des Transistors T 3 liegt direkt an der Speisespannung + U.

Die beiden Transistoren T 2 und T 3 sind derart geschaltet, daß sie einen Dreipolschalter mit einer Kennlinie bilden, welche einen Bereich negativen Widerstands aufweist. ίο

Diese Kennlinie der aus den Transistoren T 2 und T3 gebildeten Schaltung ist beispielsweise in Fig. 2 dargestellt und hat die Charakteristik eines dreipoligen Schalters. Die Abszisse stellt den Strom / und die Ordinate die Spannung V in willkürlichen Einheiten dar. Die Kennlinie nach F i g. 2 weist drei unterschiedliche Bereiche auf: einen praktisch geradlinig verlaufenden Bereich 20 mit starker negativer Steigung, welche dem Sperrwiderstand des Schalters im Abschaltpunkt O entspricht. Der Strom durch den so Schalter ist zunächst negativ und kleiner als etwa 1 Mikroampere. Der Transistor T 3 befindet sich im Sperrzustand, während der Transistor Γ 2 durch den Kollektor-Reststrom des Transistors Γ 3 eine kleine positive Vorspannung erhält. Wenn die Spannung am Punkt 2 der Schaltung nach F i g. 1 einen Wert — u/2 erreicht, wobei u die Diodenspannung der Transistoren Γ 2 und T 3 ist, dann wird der Transistor Γ 2 leitend, und sein Emitterstrom steigt an. Damit wird auch der Transistor T 3 stromführend, und der Strom durch den aus den beiden Transistoren Ί2 und T 3 gebildeten Schalter wächst, während die Kollektor-Emitter-Spannung des Transistors T 2 abnimmt. Dieser Stromanstieg entspricht dem Bereich 21 der Kennlinie nach F i g. 2 und dauert so lange, bis der Strom durch die beiden Transistoren seinen Maximalwert erreicht. Das entspricht einer Spannungsverringerung am Punkt 2 der Schaltung nach F i g. 1 auf den Wert u. Zu diesem Zeitpunkt sind die beiden Transistoren T 2 und T 3 gesättigt, und der Strom bleibt konstant. Der dritte Bereich 22 der Kennlinie nach F i g. 2 entspricht dem Widerstand des geschlossenen Schalters.

In einer Ausführungsform der Schaltung nach Fig. 1 können die Widerstände folgende Werte haben:

R = 560 kQ,
= 22 kQ,

RS= 33 kü.

Es sei nun angenommen, daß an den Eingang E nach F i g. 1 ein positiver Impuls angelegt wird. Dieser Impuls hat zur Folge, daß der Transistor Tl in den leitenden Zustand schaltet, so daß der Punkt 3 der Schaltung praktisch Massepotential annimmt. Dadurch wird ein negativer Impuls der Größe — U über den Kondensator C auf den Punkt 2 der Schaltung, d. h. also an den Emitter des Transistors T 2 gegeben. Dieser Impuls, der wesentlich größer als die Schwellspannung des aus den Transistoren T 2 und Γ 3 gebildeten Schalters ist, bewirkt die Schließung dieses Schalters, und die Spannung am Punkt 2, die mit V2 bezeichnet werden soll, steigt schlagartig auf den Wert U — u, während das Potential am Punkt 3 der Schaltung nach wie vor praktisch auf Massepotential bleibt, da der Transistor Π über den Widerstand R 3 eine hinreichende Vorspannung erhält, um im leitenden Zustand zu bleiben. Die Spannung an den Klemmen des Kondensators C auf den Wert U — u, und sobald der Kondensator geladen ist, nimmt der Schalter T2-T3 wieder seinen Sperrzustand ein, und die Spannung am Punkt 3, die mit t/3 bezeichnet werden soll, steigt auf den Wert + U, so daß der Transistor Ti ebenfalls in den Sperrzustand schaltet. Dadurch wird ein Impuls + U über den Kondensator C auf den Punkt 2 der Schaltung gegeben, so daß die Spannung U2 den Wert U — u+ U — 2U — u annimmt.

In diesem Augenblick wird die Teilerschaltung in Betrieb gesetzt, und der Kondensator C entlädt sich über die Widerstände R, Rl und R2, wobei die Spannung t/3 exponentiell nach 0 abnimmt. Dieser Spannungsverlauf entspricht der Kurve Uc nach Fig. 3. Während dieser Zeit treffen am EingangE der Teilerstufe weitere positive Impulse mit der zu teilenden Impulsfolgefrequenz ein. Jeder dieser eintreffenden Impulse schaltet den Transistor Π in den leitenden Zustand, so daß sich die Spannung am Punkt 3 der Schaltung nach F i g. 1 im Rhythmus der Impulsfolgefrequenz der Eingangsimpulse auf Massepotential absenkt; die dadurch über den Kondensator C am Punkt 2 der Schaltung erzeugten Spannungsimpulse der Größe — U, die auf F i g. 3 mit Ii, 12 usw. /5 bezeichnet sind, überlagern sich der Spannung Uc nach F i g. 3 bis zu demjenigen Augenblick, wo ein Impuls, der auf Fig. 3 mit /5 bezeichnet ist, den Schwellwert — κ/2 des Schalters T 2, T 3 übersteigt und damit den Transistor Γ 3 in den leitenden Zustand schaltet; das hat einen Ausgangsimpuls + U am Ausgang S zur Folge.

Bei den durch F i g. 3 veranschaulichten Verhältnissen wird also die Impulsfolgefrequenz der Eingangsimpulse im Verhältnis 5:1 untersetzt, da nur jeder fünfte Eingangsimpuls einen Ausgangsimpuls zur Folge hat. Selbstverständlich läßt sich durch geeignete Dimensionierung der Schaltung bei gegebenen Eingangsimpulsfolgefrequenzen das Teilerverhältnis nach Wunsch in weiten Grenzen variieren.

Bei Abwesenheit der Impulse/1, /2 usw. beträgt die Spannung U 3 am Punkt 3 der Schaltung

U3 = Uc = (2 U - u) exp (-t/RC).

Diese Spannung liegt immer über dem Wert — u/2, derart, daß die Teilerschaltung nicht ausgelöst werden kann. Bei Gegenwart von Eingangsimpulsen jedoch hat die Spannung am Punkt 3 den Wert

t/3 = (2 U - u) exp (-t/RC) - U.
Die Gleichung

(2 U-u) exp (-t/RC) -U= -u/2

hat eine reelle Lösung, d. h., für eine bestimmte Zeit unterschreitet die Spannung U 3 den Wert —- u/2, so daß die Teilerschaltung ausgelöst wird und einen Ausgangsimpuls liefert.

Eine Umformung der letztgenannten Gleichung führt auf

exp (- t/RC) = (U-u/2)/(2U-u) = V₂,

d. h., daß das Teilerverhältnis der Schaltung von der Speisespannung U unabhängig ist.

Die Ausgangsimpulse an der Ausgangsklemmen der Schaltung nach F i g. 1 können direkt auf den Eingang einer nachgeschalteten gleichartigen Teilerstufe gegeben werden, wodurch nach Wunsch eine nochmalige Untersetzung möglich ist.

Die beschriebene Schaltungsanordnung läßt sich vielseitig zur Frequenzteilung und -messung verwenden, wobei der Energieverbrauch, die Frequenz, die Spannung oder das Teilerverhältnis nach Wunsch in sehr weiten Grenzen geändert werden können. Die Erfindung erlaubt die Herstellung kleiner kompakter Einheiten, die universell als Frequenzteiler oder Frequenzmesser in der Uhrenindustrie, beispielsweise in Verbindung mit Quarzchronometern, Uhrenmeßgeräten oder auch elektronischen Uhren, sowie bei be- ίο liebigen anderen Geräten anwendbar sind, die insbesondere eine nur sehr geringe Energiequelle besitzen, wie beispielsweise künstliche Satelliten.

In F i g. 4 ist eine zweite Ausführungsform einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung dargestellt, die nur drei WiderständeR6, R7 und RS, dafür jedoch die eine oder die andere der Dioden D1 oder Dl oder D 3 aufweist. Diese Dioden haben den Zweck, Schwankungen der Speispannung U zu kompensieren. Im übrigen funktioniert die Schaltungsanordnung nach Fig.4 genauso wie die in Fig. 1 angegebene und beschriebene Schaltung.

In der dritten Ausführungsform der Erfindung nach F i g. 5 werden die positiven Eingangsimpulse an der Klemme E auf die Basis des Transistors Tl gegeben, welche mittels einer Diode D 4 von der Ausgangsklemme S getrennt ist. Diese Maßnahme erlaubt es, entweder positive Ausgangsimpulse an der Klemme S oder negative Ausgangsimpulse an der anderen Ausgangsklemme S' zu erhalten. Der Transistor Tl bleibt nach dem ersten Eingangsimpuls gesperrt und wird nur gemeinsam mit dem aus den Transistoren Tl und Γ 3 bestehenden Schalter in den leitenden Zustand geschaltet. Diese Umschaltung in leitenden Zustand erfolgt nur dann, wenn die an die Basis des Transistors Tl angelegte Spannung größer ist als die Spannung am Punkt 2 der Schaltung nach F i g. 5, welche exponentiell abklingt.

Die beiden Transistoren Tl und Γ 3 können auch durch einen einzigen äquivalenten pnpn-Transistor ersetzt werden.

Die beschriebenen Schaltungsanordnungen nach der Erfindung können mit einer Speisespannung von unter 1 Volt arbeiten, so daß also beispielsweise kleine Batterien von 1,5 oder 1,35 Volt zur Speisung geeignet sind.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung für einen elektronisehen Frequenzteiler zur Untersetzung von Impulsfolgen mit einer eine negative Kennlinie aufweisenden, als Dreipolschalter arbeitenden Halbleiteranordnung und mit einem i?C-Kreis als für den Untersetzungsfaktor zeitbestimmenden Glied, durch welches der Schalter nur bei jedem n-ten Eingangsimpuls unter Abgabe eines Ausgangssignals in den leitenden Zustand geschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerpol (1) und der eine Arbeitspol (5) des Dreipolschalters (Tl, T3) an einer Bezugsspannungsquelle (Masse; + U) liegen, der dritte Pol (2) zwischen dem Widerstand (R) und dem Kondensator (C) des i?C-Gliedes angeschlossen ist und im Aufladungskreis des i?C-Gliedes ein durch die Eingangsimpulse steuerbares Synchronisierungselement (7Ί) angeordnet ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erwähnte Schalter (T 1, T 3) durch einen eintreffenden Impuls nur dann in den leitenden Zustand schaltbar ist, wenn die am i?C-Glied abfallende Spannung einen bestimmten Wert (— m/2) unterschritten hat, unter Aufladung des i?C-Gliedes dann einen Ausgangsimpuls abgibt und bei Überschreiten einer bestimmten Spannung am i?C-Glied wieder sperrbar ist, und daß die folgenden eintreffenden Impulse über das Synchronisierungselement (Γ1) negative Spannungsimpulse (II, Il usw.) gleicher Größe erzeugen, welche der am jRC-Glied abfallenden Spannung (17c) überlagert werden, bis die resultierende Differenzspannung erneut den erwähnten, den Schalter auslösenden Wert (— u/2) unterschreitet.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dreipolschalter in an sich bekannter Weise aus zwei komplementären Transistoren (Tl, Γ 3) gebildet ist, deren Kollektoren jeweils an die Basis des anderen Transistors angeschlossen sind, und der Widerstand (R) des i?C-Gliedes zwischen Emitter und Basis des npn-Transistors geschaltet ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dreipolschalter durch einen pnpn-Transistor gebildet ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Synchronisierungselement ein Schalttransistor (Γ1) ist, auf dessen Basis die Eingangsimpulse gegeben werden.

6. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Entladungskreis des Kondensators (C) des .RC-Gliedes oder im Arbeitskreis des Synchronisierungselements (Tl) eine Diode (Dl, Dl, D3) zur Kompensierung von Schwankungen der Speisespannung vorgesehen ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsimpulse auf die Basis des npn-Transistors des Dreipolschalters gegeben werden.

8. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisespannung unter 1 Volt liegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen