DE2809144A1

DE2809144A1 - Einrichtung zur bildung eines selektiv variablen teiles eines elektrischen signals

Info

Publication number: DE2809144A1
Application number: DE19782809144
Authority: DE
Inventors: Richard Morcom
Original assignee: Hughes Microelectronics Ltd
Current assignee: Hughes Microelectronics Ltd
Priority date: 1977-03-15
Filing date: 1978-03-03
Publication date: 1978-09-21
Also published as: FR2384384A1; GB1600126A; US4213065A; JPS53114645A; NL7802429A

Description

Einrichtung zur Bildung eines selektiv variablen Teiles eines elektrischen Signals

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bildung eines selektiv variablen Teiles eines elektrischen Signals. Sie bezieht sich insbesondere auf eine Einrichtung, die anstelle eines herkömmlichen Potentiometers mit Widerstandsbahn verwendbar ist.

Potentiometer mit Widerstandsbahnen sind allgemein bekannt und werden in einer großen Zahl von unterschiedlichen Anwendungsfällen verwendet. Ein Nachteil solcher Potentiometer besteht jedoch darin, daß sie eine mechanische Bewegung eines Schleifers entlang einer Bahn erfordern und daher einer mechanischen Abnutzung unterliegen. Außerdem können sie nicht einfach automatisch oder durch Fernsteuerung betätigt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile bekannter Potentiometer zu vermeiden.

Die erfindungsgemäße Lösung sieht eine Einrichtung zur Bildung eines selektiv variablen Teils eines elektrischen Signals vor, die gekennzeichnet ist durch erste und zweite Schaltmittel, die jeweils zwischen Zuständen relativ hoher

SL/N

B09838/06U

und relativ niedriger Leitfähigkeit schaltbar sind, die an einem Ausgang der Einrichtung miteinander verbunden sind und zwischen Eingängen zur Aufnahme des elektrischen Signals in Reihe liegen_;und durch eine Steuereinrichtung mit Mitteln zur zyklischen Betätigung der Schaltmittel zwischen dem Zustand hoher Leitfähigkeit und dem niedriger Leitfähigkeit derart, daß dann, wenn sich eines der Schaltmittel in seinem Zustand hoher Leitfähigkeit befindet, das andere der Schaltmittel sich in seinem Zustand niederer Leitfähigkeit befindet, sowie durch Mittel zur selektiven Steuerung der relativen Zeitspannen, in denen die Einrichtungen in den Zuständen hoher und niederer Leitfähigkeit bleiben.

Bei Verwendung einer Einrichtung gemäß der Erfindung ist ein Tiefpaßfilter an den Ausgang angeschlossen, um ein gefiltertes Ausgangssignal zu bilden, das die gleiche allgemeine Wellenform wie das Eingangssignal hat, jedoch eine Amplitude, die durch die relativen Längen der Leitfähigkeitszustände bestimmt ist.

Es ist zweckmäßig, daß die Schaltmittel CMOS-Übertragungsgatter aufweisen, die durch ein Steuersignal der Rechteckwellenform gesteuert sind, die durch die Steuereinrichtung

ein / erzeugt werden, wobei das Steuersignal/selektiv variables Verhältnis der Impulslänge zum Zwischenraum aufweist, das die relativen Längen der Zustände der Gatter unterschiedlicher Leitfähigkeit bestimmt. Diese bevorzugte Ausführungsform läßt sich als gedrucktes, integriertes Leiterplättchen herstellen, das z.B. durch Schalter mit Tastplatte steuerbar

809838/0644

ist, die eine Änderung des Verhältnisses von Impulslänge zu Zwischenraumlänge des Steuersignals ermöglichen. Das Leiterplättchen kann anstelle eines herkömmlichen Potentiometers mit Widerstandsbahn verwendet werden. Die vorliegende Erfindung lehrt somit eine Einrichtung, die die Funktionen eines herkömmlichen Potentiometers ausführt, jedoch ohne bewegliche Teile.

Die Einrichtung läßt sich so ausbilden, daß sie eine lineare oder nichtlineare, z.B. logarithmische Charakteristik hat.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

Fig. 1 ist ein schematisches Schaltbild einer Einrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 zeigt eine grafische Darstellung eines Zyklusses einer Steuerwellenform A zur Steuerung der Einrichtung gemäß Fig. 1, Fig. 3 und 4

sind grafische Darstellungen von verschiedenen Wellenformen, die bei verwendung der Einrichtung gemäß Fig. 1 gebildet werden, Fig. 5 verdeutlicht eine Abwandlung der Einrichtung

gemäß Fig. 1 und

Fig. 6 zeigt ein praktisches Ausführungsbeispxel einer Einrichtung gemäß der Erfindung zur Verwendung bei einem Stereo-FM-Abstimmteil.

809838/0644

Es sei zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen. Die Einrichtung weist zwei Halbleiterschalteinrichtungen in Form von CMOS-Übertragungsgattern 1 und 2 auf, die in Reihe geschaltet und über einen Inverter 3 angeschlossen sind, um ein Steuersignal von einem Signalgenerator (nicht dargestellt) aufzunehmen, der die Gatter in solcher Weise steuert, daß dann, wenn eines der Übertragungsgatter eingeschaltet ist, das andere ausgeschaltet ist.

Das übertragungsgatter 1 weist einen N-Kanal-MOS-Transistor TR1 sowie einen P-Kanal-Transistor TR3 auf, während das Übertragungsgatter einen N-Kanal-Transistor TR3 sowie einen P-Kanal-Transistor TR4 aufweist. Die Gatter der Transistoren TR1 und TR4 sind direkt mit einer Eingangsklemme 4 verbunden, an der das Steuersignal liegt. Die Gatter der Transistoren TR 2 und TR 3 erhalten das invertierte Steuersignal über einen Inverter 3. Eingangsspannungen V., und V~ sind jeweils an die Klemmen 5 und 6 angelegt, und eine Ausgangsspannung V entsteht an Klemme 7, die an dem Verbindungspunkt der Reihenschaltung der Übertragungsgatter 1 und 2 liegt.

Das Steuersignal hat eine Rechteckwellenform, und ein Zyklus davon ist in Fig. 2 dargestellt. Das Steuersignal dient zur Steuerung der relativen Zeitspannen, während derer die Gatter 1 und 2 eingeschaltet sind. Das übertragungsgatter 2 ist somit während der Periode t- eingeschaltet und ausgeschaltet während der restlichen Periode (T-t..) des Zyklus.

8098 38/06U

In umgekehrter Weise ist das Übertragungsgatter 2 abgeschaltet für die Periode t.. und eingeschaltet für die Periode (T-t^). Das Steuersignal hat eine konstante Frequenz, jedoch ist sein Puls-/Pausenverhältnis selektiv variabel, um so die Dauer von t^ zwischen 0 und T zu variieren.

Die Ausgangsspannung V ist somit für einen Zyklus

bestimmt durch
T

v_o = 1(7"V-Jt₁ + V₂ (T-t.,)J dt

Die Integration des Ausgangssignal V erfolgt durch ein Tiefpaßfilter (nicht dargestellt), das an die Klemme angeschlossen ist, und somit ist die Ausgangsspannung V_o_ des Filters

^VOF = ^V1^fc1 ^{+ V}2

= V₉ + (V₁ - V₀) t

Diese Spannung hat die gleiche Form wie die Ausgangsspannung am Schleifer eines herkömmlichen Potentiometers mit Widerstandsbahn, an deren gegenüberliegenden Enden die Span-

^fc1 nungen V- und V₂ angelegt sind, wobei das Verhältnis ψ- der Stellung des Schleifers auf der Bahn entspricht. Durch Änderung des Steuersignals kann somit die Größe der Spannung V selektiv gesteuert werden, und wenn t.. von O bis T geändert wird, so ändert sich die Größe von V_QF zwischen V₂ und V₁.

809838/0644

Arbeitswellenfonnen der Einrichtung sind in den Fig. 3 und 4 für eine wechselnde Eingangswellen form V- = (V₁ - V-} und eine Steuerwellenform A dargestellt» wobei die Einrichtung eine Ausgangswellen form V und eine gefilterte Ausgangswellenform V_OF liefert.

In Fig. 3 hat das Steuersignal A die gleiche Dauer von Puls und Pause oder Zwischenraum, und das Ausgangssignal V„_

UJT

beträgt die Hälfte der Amplitude von V. . In Fig. 4 besteht jedoch das Steuersignal im wesentlichen nur aus Impulsen, und somit ist im Ergebnis die Amplitude von V™ wesentlich geringer als die von V. .

Die in Verbindung mit Fig. 1 beschriebene Einrichtung entspracht einem linearen Potentiometer, und die Ausgangsspannung V_„ ist eine lineare Funktion des Puls-/Pausen-

UJ?

Verhältnisses des Steuersignals A. Eine solche lineare Einrichtung ist besonders für Tonsignalverstärker zur Steuerung der Tiefton- und Hochtonfilter geeignet. Die Einrichtung kann auch in Mehrkanalverstärkern zur Steuerung der Balance der Kanäle verwendet werden. Zur Lautstärkenregelung in einem Verstärker ist es jedoch wünschenswert, eine Einrichtung mit logarithmischem Verlauf zu verwenden, und eine Einrichtung mit einem solchen logarithmischen Verlauf soll nachfolgend anhand der Fig. 5 beschrieben werden.

Die Einrichtung gemäß Fig. 5 weist die Übertragungsgatter 1 und 2 auf, die schematisch dargestellt und so ausgebildet sind, daß sie in der zuvor beschriebenen Weise in Abhängigkeit von dem Steuersignal A ein- und ausgeschaltet werden. Die Eingangs-

809838/0844

- 12 -

2809U4

Spannung V. gelangt über einen Widerstand R₁ an das Übertragungsgatter 1, und die Ausgangsspannung V ist über einen Widerstand R„ und einen Kondensator C. geleitet. Ein Tiefpaßfilter aus einem Widerstand R₃ und einem Kondensator C-liefert das gefilterte Ausgangssignal V_o_.

Ist im Betrieb das Übertragungsgatter 1 eingeschaltet, so wird der Kondensator C₁ in Abhängigkeit von dem Eingangssignal V. über die Widerstände R₁ und R- geladen, ist jedoch das übertragungsgatter 2 eingeschaltet, so wird der Kondensator nur über den Widerstand R- entladen. Diese unterschiedliche Ladung und Entladung des Kondensators C₁ beaufschlagt die Spannung V mit einer exponentiellen Größe, was zu der nichtlinearen Steuercharakteristik der Einrichtung führt, die, wenn auch nicht so genau logarithmisch wie ein qualitativ hochwertiges Potentiometer mit herkömmlicher logarithmischer Widerstandsbahn, doch ausreichend genau für Lautstärkesteuerungszwecke in Tonverstärkern ist.

Um das Steuersignal daran zu hindern, eine Störung in das Ausgangssignal V„, einzuführen, wird die Frequenz des Steuersignals so gewählt, daß sie sehr viel größer ist als die maximale Frequenz, die möglicherweise in der Eingangsfrequenz V. auftreten kann; natürlich ist es für jeden Fachmann völlig klar, daß die Frequenz des Steuersignals A wenigstens doppelt so hoch wie die maximale Frequenz von V. sein muß, um irgendeinen Verlust an Information in dem Ausgangs signal ν_ητ> zu vermeiden. Werden Einrichtungen gemäß der Erfindung in dem Verstärker eines Stereo-FM-Empfängers verwendet, so kann ein Vielfaches der Stereo-Multiplexfrequenz (gewöhnlich 38 kHz)

809838/06U - 13 -

als Frequenz des Steuersignals verwendet werden, um so Überlagerungen zwischen der Multiplexfrequenζ und dem Steuersignal zu vermeiden.

Nachfolgend soll ein praktisches Ausführungsbeispiel der Einrichtung gemäß der Erfindung anhand der Fig. 6 zur Verwendung bei der Lautstärkeregelung im Verstärker eines FM-Stereo-Empfängers beschrieben werden. Die Einrichtung
weist erste und zweite Paare von in Reihe geschalteten
Übertragungsgattern 1R, 2R, 1L, 2L auf, die jeweils zur
Steuerung der Lautstärke der linken und rechten Kanäle im Verstärker in der zuvor beschriebenen Weise verwendet werden. Die Gatter für den linken Kanal sind schematisch dargestellt, entsprechen jedoch den Gattern für den rechten
Kanal, die im Detail dargestellt sind, und die Paare von
Gattern sind so geschaltet, daß sie durch ein gemeinsames Steuersignal A gesteuert werden, das von einem bistabilen Schaltkreis 8 erzeugt wird.

Der bistabile Schaltkreis 8 wird zwischen seinen beiden Zuständen mittels einer Zähleranordnung geschaltet, die durch Taktimpulse eines spannungsgesteuerten 2,4 MHz-Oszillators betätigt wird. Die Zähleranordnung weist einen ersten 5-BIT-Zähler 10 auf, der zyklisch Impulse von dem Oszillator zählt, um die Periode T des Steuersignals A zu bestimmen, und aus diesem Grunde ist ein UND-Gatter 11 vorgesehen, dessen Eingänge an die 5_rBIT-Stufen des 5-BIT-Zählers 10 angeschlossen sind und der ein Ausgangssignal auf einer Leitung liefert, um den bistabilen Schaltkreis 8 jedesmal dann zurückzustellen, wenn der 5-BIT-Zähler 10 vollständig mit Taktim-

809838/06AA

pulsen gefüllt ist. Ein zweiter 5-BIT-Zähler 13 dient zur Speicherung eines selektiv variablen Zählwertes, der das Puls-/Pausenverhältnis des Steuersignals bestimmt. Der in dem 5-BIT-Zähler 13 gespeicherte Zählwert wird durch einen Komparator 14 mit dem sich fortwährend ändernden Zählwert in dem ersten 5-BIT-Zähler 10 verglichen. Ist der Zählwert in dem 5-BIT-Zähler 10 gleich dem in dem 5-BIT-Zähler 13, so liefert der Komparator 14 ein Ausgangssignal auf einer Leitung 15, das den bistabilen Schaltkreis 8 setzt, und somit hat das Steuersignal A ein Puls-/Pausenverhältnis, das durch den in dem 5-BIT-Zähler 13 gespeicherten Zählwert bestimmt ist.

Der Zähiwert in dem 5-BIT-Zähler 13 kann durch Betätigung eines Schalters 16 variiert werden, der Taktimpulse von einem 5-Hz-Taktgeber 17 weiterschaltet. Der 5-BIT-Zähler 13 kann mit Hilfe einer Auf-/Absteuerung 18 gefüllt oder entleert werden. Der 5-BIT-Zähler 13 ermöglicht somit die Vergrößerung oder Verringerung der Lautstärke in 31 inkrementalen Schritten.

Die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 9 wird mit Hilfe einer Phasenverriegelungsschleife konstant gehalten, die einen phasenempfindlichen Detektor 19 und ein zugehöriges Glättungsfilter 20 aufweist, der die Phase eines von dem BIT größter Signifikanz des 5-BIT-Zählers 10 auf Leitung 21 abgeleiteten Steuersignals mit der Phase eines 76 kHz Stereo-Multip lex-Oszillatorsignals vergleicht, das über eine Leitung 22 von dem Stereodekoder des Empfängers zugeführt wird, so daß die zuvor genannten Überlagerungen vermieden werden.

809838/06U - 15 -

2809U4

Jedes Paar der Übertragungsgatter 1 und 2 ist jeweils mit einem Tiefpaßfilter und einem kapazitiven Netzwerk der in Fig. 5 beschriebenen Art ausgestattet, um so ein Ausgangssignal V_n„ mit logarithmischem Verlauf für jeden Kanal zu liefern. Die Einrichtung kann natürlich auch für Baß-> Hochton- und Balanceeinstellungen verwendet werden, wenn nichtlogarithmische Filter verwendet werden. Die Anordnung gemäß Fig. 5 ist in idealer Weise zur Fertigung als integrierter Schaltkreis auf einem einzigen Plättchen geeignet, wobei der Schalter 16 und die Auf-/Absteuerung 18 mittels Schaltern mit Beruhrungsρlatte oder durch Fernsteuereinrichtungen betätigt werden können, die Infrarot- oder Ultraschallsender verwenden, wie das jetzt bei Heimfernsehempfängern angewendet wird. Die in Verbindung mit Fig. 5 beschriebene Einrichtung kann somit die Funktion eines herkömmlichen Potentiometers mit Widerstandsbahn übernehmen und hat den Vorteil, daß sie keine sich bewegenden Teile enthält.

8Q9838/06U

-46-er s e i te

Claims

2809U4 LEI N E & KÖNIG Hughes Microelectronics Ltd. ΙΆ: s-i-"--.!''-■ ■ 480/7 1. März 1978 Patentansprüche

1. Einrichtung zur Bildung eines selektiv variablen Teiles eines elektrischen Signals, gekennzeichnet durch erste und zweite Schaltmittel, die jeweils zwischen Zuständen relativ hoher und relativ niedriger Leitfähigkeit schaltbar sind, die an einem Ausgang der Einrichtung miteinander verbunden sind und zwischen Eingängen zur Aufnahme des elektrischen Signals in Reihe liegen.und durch eine Steuereinrichtung mit Mitteln zur zyklischen Betätigung der Schaltmittel zwischen dem Zustand hoher Leitfähigkeit und dem niedriger Leitfähigkeit derart, daß dann, wenn sich eines der Schaltmittel in seinem Zustand hoher Leitfähigkeit befindet, das andere der Schaltmittel sich in seinem Zustand niederer Leitfähigkeit befindet, sowie durch Mittel zur selektiven Steuerung der relativen Zeitspannen, in denen die Einrichtungen in den Zuständen hoher und niederer Leitfähigkeit bleiben.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung Mittel zur Erzeugung eines elektrischen

^SL/^N 809838/064 4 - 2 -

ORIGINAL INSPECTED

_ 2 —

Signals mit Rechteckwelienform aufweist sowie Mittel zur selektiven Änderung des Verhältnisses der Impulslänge zum Zwischenraum der Wellenform, wobei eines der Schaltmittel so ausgebildet ist, daß es sich in seinem Zustand hoher und niederer Leitfähigkeit in Abhängigkeit von den Impulsen und Zwischenräumen der Wellenform befindet, während die anderen Schaltmittel so ausgebildet sind, daß sie sich jeweils in ihren Zuständen relativ hoher und niederer Leitfähigkeit in Abhängigkeit von den Zwischenräumen und den Impulsen des Signals befinden.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel CMOS-übertragungsgatter aufweisen, wobei der p-Kanal-Transistor eines der Gatter und der n-Kanal-Transistor des anderen der Gatter jeweils mit ihrer Gatterelektrode an die Rechteckwellenform angeschlossen sind, während der andere p-Kanal-Transistor und der andere n-Kanal-Transistor jeweils mit der Gatterelektrode an einen Inverter angeschlossen ist, der die Rechteckwellenform invertiert.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn ze i chne t, daß an die Ausgangsklemme ein Filter zur Glättung des an diesem Ausgang gebildeten Signals hinsichtlich der Übergänge der Frequenz der Steuerwellenform angeschlossen ist.

809838/0644

ORIGINAL !NSPECTED

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter so ausgebildet ist, daß die Amplitude des von dem Filter gebildeten, geglätteten Signals im wesentlichen eine lineare Funktion des Verhältnisses von Impulslänge zu Zwischenraum der genannten Rechteckwelleηform ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter so ausgebildet ist, daß die Amplitude des von dem Filter erzeugten, geglätteten Signals eine logarithmische Funktion des Verhältnisses der Impulslänge zum Zwischenraum der Rechteckwellenform ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung aufweist einen Taktimpulsgenerator, einen ersten Zähler zur Zählung der von dem Taktimpulsgenerator erzeugten Impulse, einen bistabilen Kreis zur Erzeugung der RechteckweIlenform, Mittel, die den stabilen Kreis in einen ersten von zwei stabilen Zuständen in Abhängigkeit von einem vorbestimmten Zählwert bringen, der in dem ersten Zähler gesammelt wird, einen zweiten Zähler, Mittel zur Bildung eines selektiv variablen Zählwertes in dem zweiten Zähler, und einen Komparator, der den bistabilen Kreis in den zweiten seiner stabilen Zustände bringt, wenn der Zählwert in dem ersten Zähler eine vorbestimmte Beziehung zu dem in dem zweiten Zähler gebildeten Zählwert annimmt.

809838/06U

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Bildung eines Zählwertes in dem zweiten Zähler einen Taktimpulsgenerator aufweisen, der mit dem zweiten Zähler über einen Schalter verbunden ist, und Mittel, die die Zähler veranlassen, in Abhängigkeit von den Impulsen von dem angeschlossenen Generator aufwärts oder abwärts zu zählen.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter ein Schalter mit einer Berührungsplatte ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter von einer Fernsteuereinrichtung gesteuert ist.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Bildung des selektiv variablen Teils eines weiteren elektrischen Signals dient und aufweist dritte und vierte Schaltmittel, die zwischen Zuständen relativ hoher und niederer Leitfähigkeit schaltbar und an einem weiteren Ausgang miteinander verbunden sind und in Reihe zwischen weiteren Eingängen zur Aufnahme des weiteren Signals in Reihe liegen, wobei eines der dritten oder vierten Schaltmittel so ausgebildet ist, daß es sich in seinen Zuständen relativ hoher und niederer Leitfähigkeit in Abhängigkeit von den Impulsen und den Zwischenräumen der Steuerwellenform befindet, während das andere der dritten oder vierten Schaltmittel so ausgebildet ist, daß es sich in seinen Zuständen relativ hoher und niederer Leitfähigkeit jeweils in Abhängigkeit von den Zwischenräumen und den Impulsen befindet.

809838/06U _ ₅ _

12. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie als integrierter Schaltkreis ausgebildet ist.

809838/06AA