DE19953884A1 - Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Signalformen - Google Patents

Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Signalformen

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    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03B—GENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B28/00—Generation of oscillations by methods not covered by groups H03B5/00 - H03B27/00, including modification of the waveform to produce sinusoidal oscillations

Abstract

Eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung von bestimmten Signalformen umfaßt eine steuerbare Spannungswandlerschaltung (4) zur Erzeugung eines Ausgangssignals (V¶OUT¶) mit einer bestimmten Signalform, welche die Spannung ihres Ausgangssignals abhängig von einem ersten Steuersignal (V¶H¶) erhöht bzw. abhängig von einem zweiten Steuersignal (V¶L¶) absenkt, und ein Steuermittel (1-3), welche das erste und zweite Steuersignal (V¶H¶, V¶L¶) für die Spannungswandlerschaltung (4) in Abhängigkeit von einem Referenzsignal (V¶REF¶) in Form einer reinen Steuerung oder in Form einer Regelung erzeugen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung von bestimmten Signalformen, insbesondere von Signalformen, die zur Tonerzeugung in (Mobil-)Telefonen ver­ wendet werden können.
Zur Tonerzeugung in Telefonen ist die Erzeugung eines Signals mit einer beliebigen Signalform und einer einstellbaren Span­ nungshöhe (Amplitude) erforderlich. Das auf diese Weise er­ zeugte Signal kann dann beispielsweise mit Hilfe von kapazi­ tiven Schallwandlern in Schallwellen umgesetzt werden.
Insbesondere für einen Mehrtonruf, wie er heutzutage in mo­ dernen Telefonen verwendet wird, ist daher eine Schaltungsan­ ordnung erforderlich, die das zuvor beschriebene Signal mit der gewünschten Signalform erzeugen kann. Bekannte Schal­ tungsanordnungen verwenden hierzu eine relativ hohe konstante Versorgungsspannung, um daraus mit Hilfe eines geeigneten Spannungswandlers das gewünschte Signal abzuleiten.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Signalformen bereitzu­ stellen, welche mit relativ einfachen Mitteln und hoher Zu­ verlässigkeit bzw. Genauigkeit ein Signal mit einer gewünsch­ ten Signalform erzeugen kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schaltungsan­ ordnung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Un­ teransprüche definieren vorteilhafte und bevorzugte Ausfüh­ rungsformen der vorliegenden Erfindung.
Erfindungsgemäß wird eine Spannungswandlerschaltung verwen­ det, der ein erstes und ein zweites Steuersignal zugeführt wird. Die Spannungswandlerschaltung ist mit einer Möglichkeit sowohl zur Spannungserhöhung als auch zur Spannungsabsenkung ausgestaltet, wobei die Ausgangsspannung der Spannungswand­ lerschaltung abhängig von dem ersten Steuersignal erhöht und abhängig von dem zweiten Steuersignal reduziert wird.
Die Ansteuerung der Spannungswandlerschaltung erfolgt bevor­ zugt über eine Einstellung der Frequenz und/oder Pulsweite der beiden Steuersignale, wobei die Frequenz und/oder die Pulsweite der Steuersignale in Abhängigkeit von einem Refe­ renzsignal so geregelt oder eingestellt wird, daß am Ausgang der Spannungswandlerschaltung die gewünschte Signalform auf­ tritt.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann sowohl in Form einer "Open Loop Control" ohne Rückkopplung der Ausgangsspan­ nung der Spannungswandlerschaltung als auch in Form eines Re­ gelkreises ("Closed Loop Control") mit Rückkopplung der Aus­ gangsspannung der Spannungswandlerschaltung ausgestaltet sein. Im ersten Fall kann eine Reduzierung des Schaltungsauf­ wands erzielt werden, während im zweiten Fall die Signalform des Ausgangssignal der Spannungswandlerschaltung genauer er­ zeugt werden kann.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand eines bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiels näher erläutert.
Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Schal­ tungsanordnung zur Erzeugung von Signalformen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 zeigt eine mögliche schaltungstechnische Realisierung eines in Fig. 1 dargestellten Spannungswandlers und
Fig. 3A und 3B zeigen Signalverläufe in der in Fig. 1 gezeig­ ten Schaltungsanordnung zur Erläuterung deren Betriebs.
Die in Fig. 1 gezeigte Schaltungsanordnung, welche beispiels­ weise zur Mehrtonruferzeugung in Mobiltelefonen eingesetzt werden kann, umfaßt einen DC/DC-Spannungswandler 4, der in Form eines mit einer Möglichkeit zur Spannungsabsenkung ver­ sehenen DC/DC-Aufwärtsreglers gebildet sein kann. Der Span­ nungswandler 4 ist somit in der Lage, seine Ausgangsspannung VOUT sowohl zu erhöhen als auch abzusenken.
Die Ansteuerung des Spannungswandlers 4 zur Einstellung der Signalform seines Ausgangssignals VOUT erfolgt über zwei Steu­ ersignale VH und VL, wobei die Ausgangsspannung VOUT über das Steuersignal VH erhöht und über das Steuersignal VL abgesenkt wird. Jedes Steuersignal VH bzw. VL wird von einer entspre­ chenden Pulsweitenmodulationseinheit (PWM-Einheit) 2 bzw. 3 generiert, welche die Frequenz und/oder die Pulsweite des je­ weiligen pulsförmigen Steuersignals abhängig von Einstellsi­ gnalen einstellt, die von einer Steuereinheit 1 vorgegeben werden.
Die Steuereinheit 1 empfängt ein Referenzsignal VREF und ver­ gleicht dieses mit dem Istwert des Ausgangssignals VOUT. Ab­ hängig von dem Vergleichsergebnis werden Pulsweiteneinstell­ signale pwm1 bzw. pwm2 zur Einstellung der Pulsweite und/oder Frequenzeinstellsignale f1 bzw. f2 zur Einstellung der Fre­ quenz des Steuersignals VH und VL generiert, die der PWM- Einheit 2 bzw. der PWM-Einheit 3 vorgegeben werden, so daß die PWM-Einheiten 2 und 3 die Steuersignale VH und VL abhän­ gig von den jeweils vorgegeben Einstellwerten erzeugen kön­ nen. Auf diese Weise wird die Pulsweite und/oder die Frequenz der pulsförmigen Steuersignale VH und VL in Abhängigkeit von dem Referenzsignal VREF derart geregelt oder eingestellt, daß am Ausgang des Spannungswandlers die gewünschte Signalform auftritt, wobei die Ausgangsspannung VOUT durch Pulse an dem dem Steuersignal VH zugeordneten Eingang des Spannungswand­ lers 4 erhöht wird, während sie durch Pulse an dem dem Steu­ ersignal VL zugeordneten Eingang erniedrigt wird. Die in Fig. 1 gezeigte Schaltungsanordnung entspricht somit im Prinzip einem deltamodulierten DC/DC-Wandler.
In Fig. 2 ist eine mögliche Realisierung des Spannungswand­ lers 4 dargestellt, wobei der Spannungswandler 4 durch eine mit einer Versorgungsspannung V0 betriebene und aus zwei Bi­ polartransistoren T1, T2, einer Spule L, einer Diode D, einen Kondensator C und Widerständen R1-R3 bestehende Schaltung ge­ bildet ist. Die einzelnen Bauelemente sind wie in Fig. 2 ge­ zeigt verschaltet, wobei das Steuersignal VH über den An­ schlußwiderstand R1 an den Basisanschluß des Bipolartransi­ stors T1 und das Steuersignal VL über den Anschlußwiderstand R2 an den Basisanschluß des Bipolartransistors T2 angelegt ist. Die Ausgangsspannung VOUT kann an dem Kondensator C abge­ griffen werden. Wie bereits erwähnt worden ist, wird die Aus­ gangsspannung VOUT durch VH-Pulse am Bipolartransistor T1 er­ höht, während sie durch VL-Pulse am Bipolartransistor T2 er­ niedrigt wird.
Durch die Steuereinheit 1 kann entweder die Pulsweite oder die Frequenz oder aber auch sowohl die Pulsweite als auch die Frequenz der beiden Steuersignale VH und VL eingestellt wer­ den, wobei in jedem dieser Fälle die Funktionsfähigkeit der in Fig. 1 gezeigten Schaltungsanordnung gewährleistet ist.
Der Einfachheit soll nachfolgend ein Ausführungsbeispiel nä­ her erläutert werden, bei dem die beiden PWM-Einheiten 2 und 3 mit einer konstanten Frequenz betrieben werden, so daß durch die Steuereinheit 1 und die PWM-Einheiten 2 und 3 le­ diglich die Pulsweite der beiden Steuersignale VH und VL ein­ gestellt wird. Dabei kann die Pulsweite auf digitale Weise mit Hilfe von Zählern eingestellt werden, die mit einem höhe­ ren Takt betrieben werden. Die Frequenz der beiden PWM- Einheiten 2 und 3 kann beispielsweise 128 kHz betragen, wäh­ rend der Zählertakt 10,368 MHz beträgt, so daß sich entspre­ chend 81 verschiedene Pulsweiten für die beiden Steuersignale VH und VL ergeben.
Die Steuereinheit 1 arbeitet digital und bestimmt die von den beiden PWM-Einheiten 2 und 3 einzustellende Pulsweite aus dem Differenzsignal e(k) des Referenzsignals x(k) und des Aus­ gangssignals y(k), d. h. e(k) = x(k)-y(k), wobei k jeweils den Abtastzeitpunkt bezeichnet. Die Steuereinheit 1 bestimmt den Wert der Pulsweite PW abhängig von dem Differenzsignal e(k) wie folgt:
Für e(k) < 0: PW = √2.C.L.(2.e(k).y(k) + e(k).e(k))/(T.V0)
Für e(k) < 0: PW = -R.C.ln(y(k)/(y(k) + e(k))/T
Dabei bezeichnet C den Wert des in Fig. 2 gezeigten Kondensa­ tors, L den Wert der in Fig. 2 gezeigten Spule, R den Wert des in Fig. 2 gezeigten Widerstands R3, 1/T die Frequenz der PWM-Einheiten 2 und 3 bzw. der beiden Steuersignale VH und VL und V0 den Wert der in Fig. 2 gezeigten Versorgungsspannung. Zur Reduzierung des Realisierungsaufwands empfiehlt es sich, die obigen Werte für die Pulsweite PW approximativ, bei­ spielsweise mit Hilfe einer Polynomapproximation, zu ermit­ teln.
In Fig. 3A und 3B sind verschiedene Signalverläufe der in Fig. 1 gezeigten Schaltungsanordnung für verschiedene diskre­ te Abtastzeitpunkte k mit C = 30 nF, L = 47 µH, R = 330 Ω, V0 = 2,65 V und T = 1/128 kHz dargestellt. Dabei entspricht in Fig. 3A der Signalverlauf (a) dem Referenzsignal VREF und der Signalverlauf (b) dem Signal pwm1 bzw. pwm2, während in Fig. 3B der Signalverlauf (c) dem Ausgangssignal VOUT und der Si­ gnalverlauf (d) den Steuerspannungen VH/VL mit VH = "1" und VL = "0" entspricht.
Eine Reduzierung des Schaltungaufwands kann erreicht werden, wenn die beiden Steuersignale VH und VL ohne Rückkopplung, d. h. ohne Auswertung der Ausgangsspannung VOUT des Spannungs­ wandlers 4 erzeugt werden. In diesem Fall erfolgt somit keine Regelung ("Closed Loop"), sondern lediglich eine Steuerung ("Open Loop"), wobei die Steuereinheit 1 bei konstanter Fre­ quenz der PWM-Einheiten 2 und 3 den Wert der Pulsweite PW ab­ hängig von dem Referenzsignal x(k) wie folgt bestimmt:
REC bezeichnet in den obigen Formeln den Emitter-Kollektor- Widerstand des Bipolartransistors T1.
Bezugszeichenliste
1
Steuereinheit
2
,
3
PWM(Pulsweitenmodulations)-Einheit
4
Spannungswandler
VREF
Referenzspannung
VOUT
Ausgangsspannung
VH
Signal zur Spannungserhöhung
VL
Signal zur Spannungsabsenkung
f1 Frequenzeinstellsignal
f2 Frequenzeinstellsignal
pwm1 Pulsweiteneinstellsignal
pwm2 Pulsweiteneinstellsignal
k Abtastzeitpunkt
R1-R3 Widerstand
T1, T2 Transistor
D Diode
C Kondensator
L Spule
V0
Versorgungsspannung

Claims (13)

1. Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Signalformen, mit einer Spannungswandlerschaltung (4) zur Erzeugung eines Ausgangssignal (VOUT) mit einer bestimmten Signalform, dadurch gekennzeichnet,
daß Steuermittel (1-3) zur Ansteuerung der Spannungswandler­ schaltung (4) vorgesehen sind, wobei die Steuermittel (1-3) ein erstes Steuersignal (VH) und ein zweites Steuersignal (VL) zur Ansteuerung der Spannungswandlerschaltung (4) erzeu­ gen, und
daß die Spannungswandlerschaltung (4) derart ausgestaltet ist, daß sie die Spannung ihres Ausgangssignals abhängig von dem ersten Steuersignal (VH) erhöht und abhängig von dem zweiten Steuersignal (VL) absenkt.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel (1-3) derart ausgestaltet sind, daß sie das erste und zweite Steuersignal (VH, VL) für die Spannungs­ wandlerschaltung (4) mit einer variablen Pulsweite erzeugen.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuermittel (1-3) eine Steuereinheit (1) und eine erste und eine zweite Pulsweitenmodulationseinheit (2, 3) um­ fassen,
wobei die Steuereinheit (1) derart ausgestaltet ist, daß sie ein Einstellsignal (pwm1) für die erste Pulsweitenmodulati­ onseinheit (2) und ein Einstellsignal (pwm2) für die zweite Pulsweitenmodulationseinheit (3) erzeugt,
wobei die erste bzw. zweite Pulsweitenmodulationseinheit (2, 3) derart ausgestaltet ist, daß sie abhängig von dem entspre­ chenden Einstellsignal (pwm1, pwm2) die Pulsweite des der Spannungswandlerschaltung (4) zugeführten ersten bzw. zweiten Steuersignals (VH, VL) einstellt, und
wobei die Spannungswandlerschaltung (4) derart ausgestaltet ist, daß sie die Spannung ihres Ausgangssignals (VOUT) in Ab­ hängigkeit von der Pulsweite des von der ersten Pulsweitenmo­ dulationseinheit (2) zugeführten ersten Steuersignals (VH) erhöht bzw. in Abhängigkeit von der Pulsweite des von der zweiten Pulsweitenmodulationseinheit (3) zugeführten zweiten Steuersignals (VL) absenkt.
4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel (1-3) derart ausgestaltet sind, daß sie das erste und zweite Steuersignal (VH, VL) für die Spannungs­ wandlerschaltung (4) mit einer variablen Frequenz erzeugen.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuermittel (1-3) eine Steuereinheit (1) und eine erste und eine zweite Pulsweitenmodulationseinheit (2, 3) um­ fassen,
daß die Steuereinheit (1) derart ausgestaltet ist, daß sie ein Einstellsignal (f1) für die erste Pulsweitenmodulations­ einheit (2) und ein Einstellsignal (f2) für die zweite Puls­ weitenmodulationseinheit (3) erzeugt,
wobei die erste bzw. zweite Pulsweitenmodulationseinheit (2, 3) derart ausgestaltet ist, daß sie abhängig von dem entspre­ chenden Einstellsignal (f1, f2) die Frequenz der des Span­ nungswandlerschaltung (4) zugeführten ersten bzw. zweiten Steuersignals (VH, VL) einstellt, und
wobei die Spannungswandlerschaltung (4) derart ausgestaltet ist, daß sie die Spannung ihres Ausgangssignals (VOUT) in Ab­ hängigkeit von der Frequenz des von der ersten Pulsweitenmo­ dulationseinheit (2) zugeführten ersten Steuersignals (VH) erhöht bzw. in Abhängigkeit von der Frequenz des von der zweiten Pulsweitenmodulationseinheit (3) zugeführten zweiten Steuersignals (VL) absenkt.
6. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet,
daß die Spannungswandlerschaltung (4) eine mit einer Versor­ gungsspannung (V0) betriebene Serienschaltung aus einer In­ duktivität (L) und einem ersten steuerbaren Halbleiterschal­ ter (T1) umfaßt,
wobei parallel zu dem ersten steuerbaren Halbleiterschalter (T1) eine Serienschaltung aus einem Gleichrichtelement (D) und einer Kapazität (C) geschaltet ist und an der Kapazität die Spannung des Ausgangssignals (VOUT) der Spannungswandler­ schaltung (4) abgreifbar ist,
wobei parallel zu der Kapazität (C) ein zweiter steuerbarer Halbleiterschalter (T2) geschaltet ist, und
wobei der erste steuerbare Halbleiterschalter (T1) von dem ersten Steuersignal (VH) und der zweite steuerbare Halblei­ terschalter (T2) von dem zweiten Steuersignal (VL) angesteu­ ert wird.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß der erste und zweite steuerbare Halbleiterschalter je­ weils durch einen Bipolartransistor (T1, T2) gebildet ist,
wobei der Emitter des den ersten Halbleiterschalter bildenden ersten Bipolartransistors (T1) mit dem Emitter des den zwei­ ten Halbleiterschalter bildenden zweiten Bipolartransistors (T2) verbunden ist,
wobei der Kollektor des ersten Bipolartransistors (T1) mit dem einen Anschluß des Gleichrichtelements (D) und der Kol­ lektor des zweiten Bipolartransistors (T2) über einen Wider­ stand (R3) mit dem anderen Anschluß des Gleichrichtelements (D) verbunden ist, und
wobei an die Basis des ersten Bipolartransistors (T1) das er­ ste Steuersignal (VH) und an die Basis des zweiten Bipolar­ transistors (T2) das zweite Steuersignal (VL) angelegt ist.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7 und Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuermittel (1-3) derart ausgestaltet sind, daß sie das erste und zweite Steuersignal (VH, VL) für die Spannungs­ wandlerschaltung (4) ohne Auswertung des Ausgangssignals (VOUT) der Spannungswandlerschaltung (4), jedoch in Abhängig­ keit von einem Referenzsignal (VREF) erzeugen,
daß die erste bzw. zweite Pulsweitenmodulationseinheit (2, 3) das erste bzw. zweite Steuersignal (VH, VL) mit einer kon­ stanten Frequenz erzeugen,
daß die Steuereinheit (1) derart ausgestaltet ist, daß sie die Pulsweite der ersten bzw. zweiten Pulsweitenmodulations­ einheit (2, 3) zumindest näherungsweise entsprechend dem Aus­ druck
bestimmt, falls x(k) < x(k-1) ist, während sie die Pulsweite der ersten bzw. zweiten Pulsweitenmodulationseinheit (2, 3) zumindest nähe­ rungsweise entsprechend dem Ausdruck
bestimmt, falls x (k) < x (k-1) ist,
wobei C den Wert der Kapazität, L den Wert der Induktivität, R den Wert des Widerstands, REC den Wert des Emitter- Kollektor-Widerstands des ersten Bipolartransistors (T1), V0 den Wert der Versorgungsspannung, 1/T den Wert der Frequenz der ersten und zweiten Pulsweitenmodulationseinheit (2, 3) und x(k) den Wert des Referenzsignals zum Zeitpunkt k und be­ zeichnet.
9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel (1-3) derart ausgestaltet sind, daß sie das Ausgangssignal (VOUT) der Spannungswandlerschaltung (4) mit einem Referenzsignal (VREF) vergleichen und abhängig von dem Vergleichsergebnis das erste und zweite Steuersignal (VH, VL) für die Spannungswandlerschaltung (4) erzeugen.
10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9 und Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (1) derart ausgestaltet ist, daß sie das Ausgangssignal (VOUT) der Spannungswandlerschaltung (4) mit dem Referenzsignal (VREF) vergleicht und abhängig von dem Vergleichsergebnis das Einstellsignal (pwm1, f1) für die er­ ste Pulsweitenmodulationseinheit (2) und das Einstellsignal (pwm2, f2) für die zweite Pulsweitenmodulationseinheit (3) erzeugt.
11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7 und Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die erste bzw. zweite Pulsweitenmodulationseinheit (2, 3) das erste bzw. zweite Steuersignal (VH, VL) mit einer kon­ stanten Frequenz erzeugen,
daß die Steuereinheit (1) derart ausgestaltet ist, daß sie die Pulsweite der ersten bzw. zweiten Pulsweitenmodulations­ einheit (2, 3) zumindest näherungsweise entsprechend dem Aus­ druck √2.C.L.(2.e(k).y(k) + e(k).e(k))/(T.V0) bestimmt, falls e(k) < 0 ist, während sie die Pulsweite der ersten bzw. zwei­ ten Pulsweitenmodulationseinheit (2, 3) zumindest näherungs­ weise entsprechend dem Ausdruck -R.C.ln(y(k)/(y(k) + e(k))/T be­ stimmt, falls e(k) < 0 ist,
wobei C den Wert der Kapazität, L den Wert der Induktivität, R den Wert des Widerstands, V0 den Wert der Versorgungsspan­ nung, 1/T den Wert der Frequenz der ersten und zweiten Puls­ weitenmodulationseinheit (2, 3), e(k) den Wert des Differenz­ signals zum Zeitpunkt k und y(k) den Wert des Ausgangssignals der Signalwandlerschaltung (4) zum Zeitpunkt k bezeichnet.
12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der ersten und zweiten Pulsweitenmodulati­ onseinheiten (2, 3) 128 kHz beträgt.
13. Verwendung einer Schaltungsanordnung nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche zur Tonerzeugung in einem Telefon.
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