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Treppengenerator
Staircase Generator

copyright 2006: Claude Jacobs
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Generator mit Binärzähler:
Führt man mehrere aufeinanderfolgende Ausgänge eines digitalen Zählers über geeignete Widerstände einem gemeinsamen Knotenpunkt zu, dann erhöht sich hier -gemäß den Kirchhoffschen Regeln- die Spannung bei jedem Zählvorgang treppenförmig. Nachdem alle Bits gesetzt sind, bewirkt der nächstfolgende Zählimpuls ihren gemeinsamen Wechsel in den LOW-Zustand, und der Vorgang wiederholt sich. Voraussetzung für derart einfache Schaltungen ist, daß die Ausgänge Gegentaktstufen aufweisen. Je präziser die Widerstandswerte (mit zusätzlichen Trimmern einstellbar), desto gleichförmiger ist auch die Treppenbildung.

Einen recht einfachen Treppengenerator mit Standardbauteilen läßt sich mit dem 4060-CMOS (14-Stage Ripple-Carry Binary Counter/Divider and Oscillator) aufbauen. Er enthält bereits Oszillator und vierzehn Teilerstufen in einem gemeinsamen Gehäuse. Leider sind nicht alle Teiler von Außen zugänglich. Erst die vierte Stufe (Q4) ist herausgeführt, so daß an diesem Pin die Oszillatorfrequenz bereits durch sechzehn geteilt ist. Da die maximale Frequenz -je nach Typ und Betriebsspannung- etwa zwischen 3MHz und 24Mhz liegt, bleiben an Q4 dementsprechend nur 200kHz bzw. 1,5Mhz übrig. Je mehr digitale Ausgänge nun an der Treppenbildung beteiligt sind, desto niedriger ist die aus den Abschnitten gebildete Sägezahnfrequenz. Bei vier verwendeten Ausgängen (= 16 Treppenstufen), ausgehend von Q4, beträgt die Sägezahnfrequenz nur mehr 1/128 der Grundfrequenz.


Beim 4060 gilt: die Ausgänge Q4 bis Q10 sind aufeinanderfolgende Teiler, die elfte Stufe ist nicht herausgeführt, und Q12 bis Q14 sind wieder von Außen zugänglich. Der RESET-Anschluß 12 ist nach Masse gelegt, damit der Zähler arbeitet. Um bei jedem Takt eine gleichmäßige Steigerung der Spannung herbeizuführen, muß der Widerstandswert einer Teilerstufe jeweils die Hälfte des vorherigen betragen. Da immer alle Widerstände gemeinsam am Ausgangspegel beteiligt sind, bleibt auch die Ausgangsimpedanz konstant. Mit jedem weiteren Glied werden jedoch auch alle anderen Ausgänge zusätzlich belastet. Deswegen sollten die Widerstände insgesamt nicht zu klein gewählt und das Signal in einer nachgeschalteten Verstärkerstufe (hier grau eingezeichnet) aufgewertet werden.

Der interne Oszillator des 4060 läßt sich auf verschiedene Arten betreiben. Abb. 2 zeigt eine typische RC-Schaltung, deren Frequenz weitgehend unabhängig von der Betriebsspannung konstant bleibt. In Abb.3 ist eine vereinfachte Variante dargestellt. Bei beiden Schaltungen kann die Frequenz mittels R und C in einem weiten Bereich verändert werden. Die Grundfrequenz des Oszillators läßt sich bei Bedarf an Pin9 abgreifen. In Abb.4 gibt ein Schwingquarz die Frequenz vor. (siehe hierzu: Digitale RC-Oszillatoren und Digitale Quarz-Oszillatoren ). Ohne die zusätzlichen Bauteile besteht auch die Möglichkeit, das Signal eines externen Generators an Pin11 einzuspeisen.


Sägezahnförmig ansteigende Impulse
Leitet man nach Abb.5 den ersten Ausgang zur Basis eines Transistors, dann erzeugt jedes H-Signal der ersten Teilerstufe jeweils einen LOW-Pegel, der zwischen den verbleibenden Impulsen eingefügt ist. Das Ergebnis ist ein Impulsgenerator, dessen Amplitude für jeden Impuls höher ausfällt. Mit einem nach Plus gelegten Widerstand (oder Potentiometer P) kann den Ausgangsimpulsen eine zusätzliche Vorspannung beigefügt werden (siehe Grafiken).

Staircase Generator, copyright 2006: Claude Jacobs, G.-D. of Luxembourg

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