DE3220553C2

DE3220553C2 - Sägezahngenerator

Info

Publication number: DE3220553C2
Application number: DE19823220553
Authority: DE
Inventors: Antonio Dipl.-Ing. 8520 Erlangen Brajder
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1981-03-30
Filing date: 1982-06-01
Publication date: 1984-05-17
Also published as: DE3220553A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sägezahngenerator mit einem Integrator (1), dessen Ausgang mit einem ersten Eingang eines Addierglieds (3e, 3f, 4a) verbunden ist. Der Ausgang des Addierglieds ist mit dem Eingang eines Reglers (3) mit Integrator-Verhalten verbunden, dessen Ausgang mit dem Eingang des Integrators (1) verbunden ist. Der Ausgang des Integrators (1) ist außerdem mit einem Eingang eines Komparators (4) verbunden, an dessen Vergleichseingang eine betragsmäßig über einem Soll-Scheitelwert der Sägezahnspannung liegende Referenzspannung (U ↓r ↓e ↓f ↓3) ansteht. Der Ausgang des Komparators (4) ist über eine Diode (4b) ebenfalls mit einem Eingang des Addierglieds (3e, 3f, 4a) verbunden. An einem weiteren Eingang dieses Addierglieds steht außerdem eine Referenzspannung (U ↓r ↓e ↓f ↓1) an. Bei dieser Schaltung wird die Eingangsspannung des Integrators (1) mit kleiner Zeitkonstante verringert, wenn dessen Ausgangsspannungen betragsmäßig die dritte Referenzspannung (U ↓r ↓e ↓f ↓3) übersteigt. Damit wird die Ausgangsspannung des Sägezahngenerators sehr schnell in die Nähe ihres Sollwerts geführt, wo dann der Regler (3) die Feinregelung übernimmt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sägezahngenerator mit einem einen aufladbaren Kondensator enthaltenden Integrator und einem dem Kondensator parallel geschalteten elektronischen Schalter zum Zurücksetzen des Integrators in periodischen Zeitabständen, wobei der Ausgang des Integrators und eine erste Referenzspannungsquelle mit entgegengesetzter Polarität jeweils mit den Eingängen eines Addierglieds verbunden sind, wöbe· der Ausgang des Addierglieds mit dem Eingang eines Reglers mit Integrator-Verhalten verbunden ist, dessen Ausgang mit dem Eingang des Integrators verbunden ist und wobei die Zeitkonstante des Reglers wesentlich größer als die Zeitkonstante des Integrators ist.

Sowohl aus der US-PS 37 69 598, wie auch aus der DE-OS 31 12 502 ist ein Sägezahngenerator der obengenannten Art bekannt, bei dem der Scheiteiwert der Sägezahnspannung unabhängig von ihrer Frequenz und von Kapazitätsschwankungen des Kondensators ist.

Dies wird dadurch erreicht, daß der Regler mit Integrator-Verhalten die Eingangsspannung des Integrators so vorgibt, daß der Mittelwert der Sägezahnspannung mit der ersten Referenzspannung übereinstimmt. Um eine gute Linearität der Sägezahnspannung zu erreichen, darf die während eines Integriervorgangs durch den Regler verursachte Änderung der Eingangsspannung des Integrators nur vernachlässigbar gering sein. Damit muß also die Zeitkonstante des Reglers wesentlich größer sein als die Zeitkonstante des Integrators. Andererseits dauert das Ausregeln von Regelabweichungen um so länger, je größer die Zeitkonstante des Reglers ist. Dies kann sich beim Einschalten des Sägezahngeneraiors sowie bei schnellen Änderungen der Frequenz der Sägezahnspannung störend auswirken.

Das Prinzip, bei einem Sägezahngenerator einen einen Kondensator enthaltenden Integrator vorzusehen, wobei der Kondensator über einen elektrischen Schalter periodisch entladen wird, ist auch aus der DE-OS 22 57 259 bekannt

Aus der DE-PS 25 11 642 ist eine frequenzabhängige Regelung der Amplitude der Sägezahnspannung bekannt

Auch aus der Zeitschrift »Electronics«, March 3,1969, Seite 97 ist ein Sägezahngenerator bekannt, dessen Ausgangsspannung drxch Beeinflussen des Ladestroms des Integrators auf eine vorbestimmte Amplitude geregelt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Sägezahngenerator der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß bei gleichbleibend guter Linearität der Sägezahnspannung im ausgeregelten Zustand ein schnelles Ausregeln von Regelabweichungen erfolgt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß der Ausgang des Integrators mit einem Eingang eines Komparators verbunden ist, an dessen Vergleichseingang eine dritte, betragsmäßig über einem Soll-Scheitelwert der Sägezahnspannung Siegende Referenzspannung ansteht, und daß der Ausgang des Komparators über eine Diode mit einem weiteren Eingang des Addierglieds verbunden ist, so daß die Eingangsspannung des Integrators verringert wird, wenn dessen Ausgangsspannung betragsmäßig die dritte Referenzspannung übersteigt.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird also dem Integrator zusätzlich zu der mit dem Addierglied ermittelten Regelabweichung die Ausgangsspannung des Komparators abgeschaltet, wenn die Ausgangsspannung des Integrators betragsmäßig die Referenzspannung übersteigt. Damit wird die Eingangsspannung des Integrators mit dem Regler schneller verändert, bis dessen Ausgangsspannung wieder unter der dritten Referenzspannung liegt. Damit wird die Sägezahnspannung sehr schnell dem gewünschten Wert angenähert wobei die Feinregelung der Sägezahnspannung ohne Eingriff des Komparators erfolgt.

Bei einem Sägezahngenerator, bei dem Addierglied und Regler mit einem Operationsverstärker realisiert sind, wobei zwischen Ausgang und invertierendem Eingang des Operationsverstärkers ein Kondensator angeordnet ist und wobei der invertierende Eingang des Operationsverstärkers über einen ersten Widerstand mit dem Wert R mit der den Soll-Scheitelwert der Sägezahnspannung liefernden ersten Referenzspannungsquelle und über einen zweiten Widerstand mit dem Wert V₂ R mit dem Ausgang des Integrators verbunden ist. kann vorteilhafterweise der Ausgang des Komparators über eine Reihenschaltung der Diode und eines

weiteren Widerstands mit einem Wert, der wesentlich kleiner als ^xh R ist, mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden sein. Ein derartiger Sägezahngenerator kann also mit wenigen Bauelementen realisiert werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in F i g. 1 dargestellt. Dabei ist als Integrator 1 ein Operationsverstärker la vorgesehen, dessen Ausgang über einen Kondensator Xb nift seinem invertierenden Eingang verbunden ist. Dem invertierenden Eingang des Operations-Verstärkers Xa wird über den Widerstand Ic eine Referenzspannung ürcii zugeführt, die er aufintegriert. Dem Kondensator 1 b ist ein Schalter 2 parallelgeschaltet, der in periodischen Zeitabständen von einem Taktgeber 2a geschlossen wird. Der Integrator 1 integriert also die am Widerstand Ic anstehende Spannung auf, bis der Schalter 2 geschlossen wird. Die Ausgangsspannung an der Ausgangsklemme A geht damit auf Null zurück und steigt nach dem Öffnen des Schalters 2 wieder weitgehend linear an. Dabei ist die Anstiegsgeschwindigkeit und damit auch der Scheitelwert der entstehendeT Sägezahnspannung durch die Höhe der am Widerstand Ic anstehenden Spannung und durch die Kapazität des Kondensators Xb bestimmt. Insoweit entspricht die Schaltung nach Fig. 1 der herkömmlichen Technik zur Realisierung eines Sägezahngenerators. Dabei ist die Genauigkeit des Scheitelwens jedoch durch den Kondensator begrenzt, dessen Kapazität größeren Toleranzen unterliegt und auch von der Umgebungs-Temperatur und von der Alterung abhängig ist. Der Scheitelwert der Sägezahnspannung ist ohne Zusatzmaßnahmen au ßerdem proportional zu der Integrationszeit des Integrators 1 und damit abhängig von der Ansteuerfrequenz des elektronischen Schalters 2.

Um die Abhängigkeit des Scheitelwens der Sägezahnspannung von der Kapazität des Kondensators Xb und der Ansteuerfrequenz des elektronischen Schalters 2 zu eliminieren, wurde in der obengenannten DE-OS 31 12502 eine ebenfalls in Fig. 1 dargestellte Regelschaltung S vorgeschlagen. Dabei ist der Ausgang des Operationsverstärkers Xa über einen Widerstand 3e mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 3a verbunden. Außerdem ist der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 3a über einen Widerstand 3/mit einer Referenzspannnngsquelie U_n-i\ verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers 3a ist über einen Kondensator 3b ebenfalls mit seinem invertierenden Eingang verbunden. Der Operationsverstärker 3a wirkt daher als integrierender Regler, der die Summe der mit dem Widerstand 3e bewerteten Ausgangsspannung des Integrators 1 und der mit dem Widerstand 3f bewerteten Spannung der Referenispannungsquelle U_rcf\ aufintegriert. Die Zeitkonstante des mit dem Operationsverstärker 3a und dem Kondensator 3b gebildeten Reglers 3 ist wesentlich größer als die Zeitkonstante des Integrators 1. Wenn als erste Referenzspannung Urert der Soll-Scheitelwert der Sägezahnspannung ansteht, so weist der Widerstand 3e den halben Wert des Widerstands 3/" auf. Wenn daher beispielsweise der Mittelwert der negativen Sägezahnspannung, bei einer idealen Sägezahnspannung also der halbe Scheitelwert, betragsmäßig kleiner ist als die halbe Referenzspannung LWi. so steht am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 3a eine im Mittel positive Spannung r.n, die im Regler 3 aufintegriert wird, Da der Operationsverstärker 3;/ die Polarität der Regelabweichung umkehrt- im seinem Ausgang ein Inverter 3c nachgeschaltet, der die Polaritätsumkehr wieder aufhebt. Die Ausgangsspannung des Reglers 3, die dein Integrator 1 zugeführt wird, steigt daher an, bis ihr Betrag schließlich mit der Referenzspannung U_rcf\ übereinstimmt. Am Eingang des Reglers 3 steht dann nur noch eine Wechselspannung an, die wegen der verhältnismäßig großen Zeitkonstante des Reglers 3 bei der bisher erläuterten Schaltung zu keiner Veränderung der Ausgangsspannung führt. Der Verlauf der Sägezahnspannung Us, der sich bei einem Regelvorgang nach der

ίο bisher erläuterten Schaltung ergeben würde, ist in dem Spannungsdiagramm nach F i g. 2 mit ausgezogenen Linien dargestellt.

Bei der Schaltung nach F i g. 1 stellt sich also — unabhängig von Kapazitätsschwankungen des Kondensators Xb sowie von der Ansteuerfrequenz des elektronischen Schalters 2 — die Sägezahnspannung so ein, daß ihr Mittelwert mit der Referenzspannung U_Kt\ übereinstimmt, und damit ihr Scheitelwert nur noch von der Referenzspannung U_rci\ abhängt, die mit hoher Genauigkeit vorgebbar ist. Um bereits t -m Einschalten eine Sägezahnspannung zu erhalten, die d ;r Sollspannung möglichst weitgehend entspricht, wird dem Widerstand Ic eine zweite Referenzspannung U^r2 zugeführt. Die zweite Referenzspannung Urcfi und der Kondensator Xb de·. Integrators 1 sind dabei so gewählt, daß sich bereits eine möglichst gute Annäherung an den Sollwert des Scheitelwens ergibt. Das Ausgangssignal des Reglers 3 wird zur zweiten Referenzspannung U_rcn addiert und gleicht noch vorhandene Abweichungen des Scheitelwens der Sägezahnspannung vom Sollwert aus. Bei hohen Anforderungen an die Linearität der Sägezahnspannung muß die Zeitkonstante des Reglers 3 aus den bereits erläuterten Gründen sehr groß gewählt werden. Dabei ist es unvermeidlich, daß das Ausregeln von Regelabweichungen beim Einschalten der Anordnung sowie bei verhältnismäßig schnellen Änderungen der Ansteuerfrequenz des elektronischen Schalters 2 verhältnismäßig langsam vonstatten geht.

Um in Anwendungsfällen, bei denen solche Regelabweichungen stören, eine schnellere Ausregelung zu bewirken, kann die bisher beschriebene, in der DE-OS 31 12 502 vorgeschlagene Schaltung erfindungsgemäß durch den nachfolgenden, ebenfalls in F i g. ! dargestellten Zusatz ergänzt werden.

Dabei ist der Ausgang des Integrators 1 mit dem nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 4c verbunden, an dessen invertierendem Eingang eine dritte, negative Referenzspannung Urcn ansteht. Der Ausgang des Operationsverstärkers 4c ist über eine Diode 46 und einen Widerstand 4a mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 3a verbunden. Die Kathode der Diode 4h ist dabei dem Ausgang des Operationsverstärkers 4czugewandt. Der Wert der negativen Referenzspannung U_n-n ist gleich dem negativen Wert der positiven Referenzspannung U_n-n-

Die Funktion dieser Schaltung wird im folgenden anhand der Spannungsdiagramme nach F i g. 2 näher erläutert. Dabei ist die Ausgangsspannung des Reglers 3 mit Uij bezeichnet. Beim Einschalten oder nach einem

bo Frequenzsprung ist im Beispiel nach Fig.2 der Betrag des Scheitelwerts der Sägezahnspannung z'jnichst wesentlich größer als sein mit der Referenzspannung U_rcn vorgegebener Sollwert. Solange die Ausgangsspannung des Integrators ! frößer ist als die negative Referenz-

hO spannung U_rci\. ist die Ausgangsspannung des Komparators 4c positiv und liefert daher wegen der in Sperrrichtung gepolten Diode 4i> keinen Beitrag zum Eingangssignal des Reglers 3. Dieser integriert daher ledig-

ZU DDJ

lieh die über die Widerstünde ic und 3/ vorgegebene Spannungsdifferenz der Sägezahnspannung (A, und der Referenzspannung U_n-/\. Da die durch die Widerstände 3c und 3/"sowic den Kondensator 3d vorgegebene Integrations-Zeitkonstante aus den dargelegten Gründen > sehr lang sein muß, wird dabei die Ausgangsspannung des Reglers 3 kaum verändert, d. h. die Eingangsspannung des Integrators I nur wenig korrigiert. Sobald jedoch die Sägezahnspannung Us unter der negativen Referenzsp?nnung — U_rei\ liegt, wird der Ausgang des in Komparators 4c negativ und die Diode Ab leitet. Der Komparator 4 liefert also ein negatives Signal an den Eingang des Reglers 3. Da der Widerstand 4;; wesentlich kleiner als der Widerstand 3c ist, wird bei diesem Eingriff die Zeitkonstante des Integrators 3 stark verrin- ι·-> gert. Wie F i g. 2 zeigt, integriert dieser sehr schnell hoch und sorgt für eine schnelle Korrektur der Eingangsspan-ππππ rli»c Inlinrrilnri I ^rvKiM Aie* ^Qn*i7!ihnen'inniinii

Us mit dem Schalter 2 wieder auf Null zurückgestellt wird, folgt wieder eine Phase, in der der Integrator 3 mit :< > großer Zeitkonstante integriert.

Wie Fig. 2 zeigt, wird die Amplitude der Sägezahnspannung Us sehr schnell, nämlich innerhalb von einigen Perioden an ihren Sollwert herangeführt. Während des Eingriffs des Komparators 4 wird zwar die Steigung des Spannungsverlaufs verändert. Das stört jedoch im allgemeinen weniger als eine über längere Zeit andauernde Regelabweichung, insbesondere wenn der Eingriff des Komparators 4 nur in der Einschaltphase erfolgt, wo die Gerätefunktion i. a. ohnehin gesperrt ist. Im Normalbe- jo trieb spricht der Komparator 4 nicht mehr an und beeinflußt somit die Steigung der Sägezahnkurve nicht. Die Feinregelung der Amplitude wird von dem Regler 3 übernommen.

Mit dem beschriebenen Komparator 4 kann die Ein- » gangsspannung des Integrators 1 nur in einer Richtung beeinflußt werden, im Ausführungsbeispiel z. B. verringert werden. Die Schaltung soll daher so ausgelegt sein, daß ohne Reglereingriff die Amplitude der Sägezahnspannung nicht unter ihrem Sollwert liegt. Die Ausgangsspannung des Reglers liegt daher bei jeweils maximaler Abweichung zwischen Null und + 10 Volt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Sägezahngenerator mit einem einen aufladbaren Kondensator enthaltenden Integrator und einem dem Kondensator parallel geschalteten elektronischen Schalter zum Zurücksetzen des Integrators in periodischen Zeitabständen, wobei der Ausgang des Integrators und eine erste Referenzspannungsquelle mit entgegengesetzter Polarität jeweils mit den Eingängen eines Addierglieds verbunden sind, wobei der Ausgang des Addierglieds mit dem Eingang eines Reglers mit Integrator-Verhalten verbunden ist, dessen Ausgang mit dem Eingang des Integrators verbunden ist und wobei die Zeitkonstante des Reglers wesentlich größer als die Zeitkonstante des Integrators ist dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Integrators (1) mit einem Eingang eines !Comparators (4) verbunden ist, an dessen Yergleichs-Eiflgang eine dritte, betragsmäßig über einem Soll-Scheitelwert der Sägezahnspannung liegende Referenzspannung (U_nn) ansteht und daß der Ausgang des Komparator (4) über eine Diode (4b) mit einem weiteren Eingang des Addierglieds verbunden ist, so daß die Eingangsspannung des Integrators (1) verringert wird, wenn dessen Ausgangsspannung betragsmäßig die dritte Referenzspannung (Urcfi) übersteigt.

2. Sägezahngenerator nach Anspruch 1, wobei Addierglied und Regler mit einem Operationsverstärker realisiert sind, wobei zwischen Ausgang und invertierendem Eingang des Operationsverstärkers ein Kondensator angeordnet ist und wobei der invertierende Eingang des Operationsverstärkers über einen ersten Widerstand mit dem Wert R mit der den Soll-Scheitelwert der Sägezahnspannung liefernden ersten Referenzspannungsquelle und über einen zweiten Widerstand mit dem Wert V₂ R mit dem Ausgang des Integrators verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Komparators über eine Reihenschaltung der Diode (4b) und eines weiteren Widerstands (4a^mit einem Wert, der wesentlich kleiner als V₂ R ist, mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (3a) verbunden ist.