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Verfahren zur Speicherung von Meßwerten auf magnetischen Tonträgern
Bei vielen Problemen in der Physik, der Technik oderer anderer Wissenschaften liegt
häufig die Aufgabe vor, Meßwerte, welche für eine spätere Auswertung zur Verfügung
stehen müssen, zu speichern. Es gibt hierfür sehr viele Verfahren und Anordnungen,
welche meistens darauf beruhen, daß ein Zeiger oder eine ähnliche Vorrichtung mit
Bleistift, Tinte, mit Hilfe von elektrischen Funken usw. einen Kurvenzug, eine Punkt-
oder Zahlenreihe als Ersatz für den Kurvenzug od. ä. auf eine vorbeibewegte Unterlage
zeichnet. Mit solchen Anordnungen können teilweise auch mehrere Vorgänge gleichzeitig
registriert werden, wie beispielsweise bei 6-Farbenschreibern, 12-Farbenschreibern
usw. Diese Geräte benötigen alle ein verhältnismäßig kräftiges Meßwerk, welches
die Kraft für die Bewegung des Registrierteiles entweder direkt aus der Meßgröße
entnimmt oder beim Kompensationsprinzip aus dem Verstärkerteil. Bei Geräten nach
dem Fallbügelprinzip ist diese größere Kraftwirkung nicht erforderlich, dafür aber
auch die Schreibgeschwindigkeit äußerst gering. Diese Geräte haben alle, wie auch
die Zeigergeräte, die Eigenschaft, daß sie schnellen Schwankungen der Meßgröße nicht
folgen können. Die obere Schwankungsfrequenz der Meßgröße, welche in der Regel nicht
überschritten werden kann, liegt je nach Geräteart in der Größenordnung von 0,5
... 20 Hz (in Ausnahmefällen bis 200 Hz).
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Für Vorgänge, welche sich schneller ändern, verwendet man den Schleifenoszillographen
oder den Elektronenstrahloszillographen in Verbindung mit einem Fotozusatz. Die
oberen Grenzfrequenzen liegen hier bei einigen tausend Hertz bzw. einigen zehntausend
Kilohertz, so daß damit alle Aufgaben bewältigt werden können. Ihre Verwendung erfordert
aber wegen des fotografischen Umweges Zeit und Mühe.
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Sämtliche bisher beschriebenen Verfahren und Geräte haben einen großen
Nachteil: Die gespeicherten' Werte können - wenn man einen ganz ungewöhnlichen technischen
Aufwand ausschließt - nur subjektiv über das menschliche Auge wieder entnommen werden.
Eine direkte oder indirekte Reproduzierung der Meßwerte ist technisch außerordentlich
schwierig.
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Wird die Reproduzierbarkeit gefordert, dann muß man eine der bekannten
Codierungsverfahren anwenden, bei welchen der Meßwert in einem Meßwertumformer zunächst
in eine Ziffer umgeformt wird, welche ihrerseits wieder - beispielsweise nach dem
Fernschreiberprinzip - auf einem Lochstreifen gespeichert werden kann und später
für eine Reproduzierung des Meßwertes mit Hilfe eines Meßwertrückumformers zur Verfügung
steht. Solche Anlagen sind aber sehr umfangreich und teuer und kommen für viele
Zwecke nicht in Frage, wie beispielsweise für die Speicherung von Meßwerten in Fahrzeugen
usw. Auch ist die obere Grenzfrequenz der ganzen Anlage kaum so hoch wie die üblicher
Zeigermeßgeräte, so daß die Auswertung schnell schwankender Meßwerte auch in diesen
Fällen ausscheiden muß.
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Eine Zwischenstellung mit wesentlich geringerem Aufwand und wesentlich
höherer oberer Grenzfrequenz nehmen die Verfahren ein, welche die magnetische Aufzeichnung
der Meßwerte ausnutzen. Sie erscheinen auf den ersten Blick für meßtechnische Zwecke
vollkommen ungeeignet, weil die Genauigkeit der Reproduzierung, beispielsweise der
Amplitude, in der Regel Fehler gibt, die die Bezeichnung »Messung« kaum noch gerechtfertigt
erscheinen lassen. Diese Schwierigkeiten sind aber durch geschickte Anwendung nachrichtentechnischer
Gesichtspunkte weitgehend zu beseitigen.
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Meßgrößen irgendwelcher Art sind mit Hilfe von Meßgrößenwandlern (Transmittern)
in elektrische Spannungen umzuwandeln., wobei diese Spannungen bei der Übertragung
eines konstanten Meßwertes als Gleichspannungen auftreten und bei der Übertragung
veränderlicher Meßwerte eine veränderliche Spannung ergeben. Je schneller die Änderungsgeschwindigkeit
des Meßwertes, desto höhere Frequenzen treten im Signal auf, welches den Meßwert
kennzeichnet. Für schneller veränderliche Größen ist ein höheres »Auflösungsvermögen«
erforderlich, welches im Nachrichtenkanal eine höhere Bandbreite oder, wenn man
wie wier bei der Frequenz Null beginnt, eine höhere obere Grenzfrequenz erfordert.
In vielen Fällen ist es nicht notwendig, zwischen positiven und negativen Meßgrößen
zu unterscheiden. Dann genügt die Übertragung von Meßwerten, welche sich zwischen
Null
und einem Maximalwert von 1000!o ändern. Es gibt aber auch Fälle, wo das Vorzeichen
mit übertragen werden muß, und wo der Meßwert dann z. B. zwischen -50% und +500io
schwanken kann.
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So könnte z. B. bei der Übertragung eines Meßwertes, bei dem das Vorzeichen
sich nicht ändert, der Meßwert in eine konstante Amplitude umgewandelt werden, deren
Frequenz bei 1% des Meßwertes 100 Hz wäre und in linearer Abhängigkeit bei 100010
des Meßwertes den Wert von etwa 10 000 Hz hätte. Das Schema einer solchen Übertragung
ist in F i g. 1 skizziert. Abgesehen von den technischen Schwierigkeiten, welche
bei der Herstellung des hierfür erforderlichen Meßwertumformers entstehen würden,
wäre eine solche Meßwertspeicherung für viele Aufgaben gut brauchbar. Fehler auf
dem ganzen übertragungsweg würden nur entstehen, wenn die Bandgeschwindigkeit bei
der Rückgewinnung anders wäre als beim Speichern und wenn sie schwanken würde. Da
diese Abweichungen der Geschwindigkeit vom Sollwert aber ohne großen technischen
Aufwand leicht in der Größenordnung von 1% gehalten werden können, ist das nicht
kritisch. Da aber nur selten die Aufgabe vorliegt, einen einzigen Meßwert zu speichern,
wird dieses Verfahren kaum angewendet, denn meistens soll gerade eine größere Zahl
von Meßwerten gleichzeitig gespeichert werden, weil die zeitliche Zuordnung für
die spätere Auswertung oft sehr wesentlich ist, z. B. für Korealations- und Verhältnisbildungen
usw. In diesem Fall steht für je eine Meßgröße nur ein bestimmter Frequenzbereich
zur Verfügung, und man spricht dann vom Trägerfrequenzverfahren. Es ist naheliegend,
daß man für die Speicherung von Meßwerten Modulationsverfahren anwendet, ähnlich
wie sie bei der Nachrichtenübertragung in der Hochfrequenztechnik seit langem bekannt
sind, mit dem Unterschied, daß man als Träger der Nachricht nicht Hochfrequenz,
sondern eine Tonfrequenz verwendet, weil nur diese mit üblichen Tonbandgeräten übertragen
werden kann. Modulationsverfahren ermöglichen im allgemeinen nicht die Übertragung
eines Gleichspannungswertes. Andererseits ist aber die Übertragung eines Gleichspannungswertes
oder eines sehr langsam veränderlichen Wertes mit verschiedenem Vorzeichen ein in
der Meß- und Speichertechnik häufig vorkommender Fall.
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Als einfachstes Modulationsverfahren kommt die Amplitudenmodulation
eines tonfrequenten Trägers in Frage. Diese Lösung ist technisch die einfachste,
aber es ist bekannt, daß die dabei erreichbare Wiedergabegenauigkeit nicht groß
ist. Die Größenordnung des Fehlers liegt bei 1 db oder 12% in der Amplitude. Das
ist nur bei sehr groben Meßwertübertragungen tragbar. Außerdem ist die Übertragung
eines Gleichspannungswertes nicht möglich, so daß dieses Verfahren praktisch ausscheidet.
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Eine bessere Lösung ist die bekannte Umwandlung eines Meßwertes in
eine Frequenz. Will man mehrere Signale speichern, dann muß man in bekannter Weise
eine Zuordnung verabreden zwischen Frequenz und Meßwert, welche z. B. so aussehen
kann, daß der Meßwert Null einer Frequenz von 1000 Hz entspricht, der Meßwert +50%
einer Frequenz von 1100 Hz und der Meßwert -50% einer Frequenz von 90011z. Der grundsätzliche
Aufbau ist in der Fig. 2 in Form eines Blockschaltbildes gezeichnet. Dieses Verfahren
hat gegenüber der Amplitudenmodulation sehr große Vorteile, da Schwankungen der
Amplitude bei einem Demodulationsverfahren, welches nur die Frequenz auswertet,
vollkommen zu eliminieren sind. Ein verbleibender Nachteil ist nur der, daß Schwankungen
in der Bandgeschwindigkeit bei der Aufnahme und bei der Wiedergabe zu Fehlern führen,
die wesentlich stärker als proportional mit der Änderung der Bandgeschwindigkeit
ansteigen, nämlich im Verhältnis der Trägerfrequenz zum Frequenzhub, wie weiter
unten an einem Zahlenbeispiel noch näher erläutert wird. Um diesen Fehler, der bei
hohen Trägerfrequenzen sehr störend ins Gewicht fallen kann, zu beseitigen, wird
bei bekannten Anordnungen ein erheblicher technischer Aufwand getrieben, wie z.
B. Regelung der Wiedergabegeschwindigkeit mit Hilfe eines aufgesprochenen Pilottons,
Verwendung von Maschinen, deren Drehzahlkonstanz besonders hochgezüchtet ist, usw.
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Diese Nachteile vermeidet ein Verfahren zur Speicherung von Meßwerten
auf magnetischem Tonträger dadurch, daß erfindungsgemäß zur magnetischen Aufzeichnung
der Meßwert in einem ersten Modulationsvorgang einen ersten Träger, beispielsweise
in der Frequenz moduliert und der so gewonnene Meßwert in einem zweiten Modulationsvorgang
einen zweiten Träger nach einem von dem ersten Modulationsverfahren verschiedenen
Verfahren, beispielsweise in der Amplitude moduliert und bei der Wiedergabe der
Meßwert durch entsprechende Demodulationsverfahren wiedergewonnen wird.
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Die Wirkungsweise des neuen Verfahrens besteht darin, daß zunächst
in bekannter Weise die Meßgröße in eine Frequenz umgewandelt wird und die so gewonnene
Frequenz die Amplitude eines tonfrequenten Trägers moduliert. Die Umwandlung der
Meßgröße in eine Frequenz gestattet vorteilhafterweise die notwendige, sehr genaue
Reproduzierbarkeit des Meßwertes; die Modulation der Amplitude des Trägers gestattet,
trotz möglicher relativ hoher Schwankungen der Wiedergabeamplitude eine Rückumformung
in eine Frequenz, wobei der hierbei auftretende geringe Restfehler nur den Schwankungen
der Bandgeschwindigkeit direkt proportional ist, da eine Verlagerung der Mittenfrequenz
beim Diskriminator, der für die Rückumformung verwendet wird, ohne fehlerhaften
Einfluß bleibt. Das ist ein erheblicher, nicht ohne weiteres vorauszusehender Vorteil,
wie im folgenden an Hand von Beispielen zahlenmäßig näher erläutert werden soll.
Bei den Erläuterungen wird jeweils die Übertragung eines Gleichspannungswertes untersucht,
der bekanntlich beim magnetischen Verfahren ebenso wie die Übertragung sehr niedriger
Frequenzen erhebliche Schwierigkeiten bereitet.
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Bei dem Verfahren nach der Erfindung wird die 'Meßgröße a, die wir
als Gleichspannungswert annehmen, in einem Modulator Ml (s. F i g. 1) in eine Spannung
mit etwa konstanter Amplitude und veränderlicher Frequenz umgeformt. Dieser Modulator
M, kann beispielsweise so beschaffen sein, daß eine Meßgröße a = 0 einer Frequenz
f 0 = 50 Hz entspricht und eine Meßgröße a = 100% einer Frequenz f 1 =
150 Hz. Hinter dem Modulator Ml erscheint mit im wesentlichen konstanter
Amplitude und veränderlicher Frequenz die Größe a1 als Maß für die Größe a, bei
der Übertragung eines Gleichspannungswertes von 50% beispielsweise mit einer Frequenz
von 100 Hz. Im Modulator M", wird im Takte der Frequenz f 1 ein Träger mit der Trägerfrequenz
f
-r mit der im wesentlichen konstanten Amplitude der Größe a, moduliert. Das Ergebnis
a, ist also als amplitudenmodulierter Träger die Summe der Trägerfrequenz f T und
der beiden Seitenbänder, welche für das gewählte Zahlenbeispiel einen Abstand von
-100 Hz bzw. + 100 Hz vom Träger haben. Die Anforderungen an die Konstanz
der Trägerfrequenz sind äußerst gering. Das Signal a2 wird auf dem als Speicher
Sp wirkenden Tonträger gespeichert, wobei die durch die bekannten Eigenschaften
des Tonträgers bedingten Amplitudenschwankungen fast immer wirkungslos bleiben.
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Bei der Rückgewinnung des Meßwertes erscheint das vom Speicher Sp
abgenommene Signal bz als getreues Abbild des aufgesprochenen Signals a,. Amplitudenschwankungen
wirken sich nicht aus. Das amplitudenmodulierte Signal b2 wird in einem Demodulator
Dz demoduliert. An dessen Ausgang erscheint das Signal b1, welches eine im wesentlichen
konstante Spannung mit einer veränderlichen Frequenz ist. Für das hier gewählte
Zahlenbeispiel ist die Frequenz wieder 100 Hz. In einem zweiten Demodulator Dl wird
nun diese Frequenz wieder in einen Gleichspannungswert zurückverwandelt, welcher
die Meßgröße darstellt.
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Um den Unterschied des neuen Verfahrens gegenüber den bekannten Verfahren
deutlich herauszustellen, ist in der F i g. 2 das Blockschaltbild eines bekannten
Verfahrens dargestellt. Die Meßgröße c verschiebt im Modulator M3 die Frequenz f
T 1 des Trägers. Nehmen wir als Zahlenbeispiel eine Trägerfrequenz fT
1 = 5000 Hz und einen Frequenzhub für 100% des Meßwertes von 100 Hz, dann
entspricht beispielsweise ein Meßwert von 5011/o einem Frequenzhub von 50 Hz und
erscheint bei der Übertragung eines Gleichspannungswertes am Ausgang des Modulators
M3 als Spannung Cl mit im wesentlichen konstanter Amplitude mit der Frequenz 5050
Hz. Für die Rückgewinnung des Meßwertes wird ein Diskriminator D4 benötigt mit einer
Mittenfrequenz von 5000 Hz und einer geraden Flanke von mindestens ± 100 Hz. Eine
Abweichung der Geschwindigkeit des Speichers Sp um 1% führt zu einem Unterschied
der Größen cl und dl und ändert den am Ausgang des Diskriminators D3 entstehenden
Gleichspannungswert d entsprechend der Frequenzänderung von 5050 auf 5100 Hz um
100 bzw. um 50'°/o vom Maximalwert des gewählten Bereiches. Dieser Fehler
ist meistens untragbar und zwingt dazu, einerseits die Bandgeschwindigkeit zu stabilisieren
und andererseits die Bandbreite des Nachrichtenkanals wesentlich zu vergrößern.
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Bei dem System nach der Erfindung ist das nicht notwendig. Die Meßgröße
a2, welche bei der Wiedergabe mit der richtigen Bandgeschwindigkeit als b2, bestehend
aus dem Träger 500 Hz und den beiden Seitenbändern 5000 + 100 Hz und 5000-100 Hz
erscheint, wird bei der Wiedergabe mit einer um 111/o zu hohen Geschwindigkeit als
Träger von 5050 Hz mit den beiden Seitenbändern 5050 + 101 Hz und 5050-101 Hz empfangen.
Bei der Demodulation im Demodulator D., entsteht die Größe b1, welche anstatt des
richtigen Wertes 100 Hz nun den Wert 101 Hz hat. Für den oben als Beispiel
gewählten Fall, daß der Nullpunkt der Skala bei 50 Hz gewählt wird, entsteht nun
ein relativer Fehler von nur 2 oder von 10/0, bezogen auf den vollen Meßbereich.
Dieses Beispiel zeigt ganz deutlich die großen Vorteile des Speicherverfahrens mit
Mehrfach-Modulation. Es ist verhältnismäßig unempfindlich gegenüber Schwankungen
in der Geschwindigkeit des Tonträgers und ermöglicht daher ohne großen Aufwand für
die Tonbandgeräte die Anwendung verhältnismäßig schmaler Kanäle für die Speicherung,
so daß eine große Zahl verschiedener Meßwerte gleichzeitig gespeichert werden kann.
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Das hier beschriebene Verfahren ist nicht das einzige, welches die
Fehler vermeidet, die durch Schwankungen der Bandgeschwindigkeit im Zusammenhang
mit der Verschiebung des Arbeitspunktes auf einem Diskriminator entstehen. Es wird
im folgenden ein weiteres Verfahren beschrieben, welches ebenfalls diesen Fehler
vermeidet. Es soll an Hand der F i g. 3 erklärt werden. Die Meßgröße e, die hier
wieder als Gleichspannungswert angenommen werden soll, wird in einem Modulator M4
in eine Trägerfrequenz fT 2
umgewandelt, deren Amplitude proportional der
Meßgröße e ist. Die so entstandene Größe ei kann beliebige, beispielsweise sinusförmige,
Kurvenformen heben. In der F i g. 3 ist die Größe ei als Rechteckkurve gezeichnet.
Im allgemeinen Fall ist die Größe ei
am Ausgang des Modulators M4 der Träger
f T 2 mit Seitenbändern, deren Abstand durch die Schwankungen der Meßgröße gegeben
ist. Die Trägerfrequenz f T ., muß höher liegen als die höchste Schwankungsfrequenz
der Meßgröße. Die Amplitude von cl wird nun benutzt, um im Modulator M5 die Frequenz
des Trägers f T 3 zu modulieren. Die Wahl des Frequenzhubs ist dabei vollkommen
frei und kann dem jeweiligen Zweck angepaßt werden.
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Bei der Wiedergabe der Meßgröße erscheint hinter dem Frequenzdemodulator
DS (beispielsweise einem Diskriminator) die Meßgröße f, als Wechselspannung mit
der Frequenz f T 2, deren Amplitude ein Maß für die Meßgröße ist. Ein einfacher
Spitzengleichrichter kann als Amplitudendemodulator D4 aus der Wechselspannung die
Gleichspannung f bilden, welche den zurückgewonnenen Meßwert e darstellt. Abweichungen
in der Geschwindigkeit des Tonträgers verschieben den mittleren Arbeitspunkt auf
der Kennlinie des Diskriminators, haben aber keinen Einfluß, wenn dessen Kennlinie
gerade ist. Der Fehler durch die Schwankung wird also ebenso wie bei dem ersten
Beispiel nicht vergrößert, sondern geht nur proportional ein. Um wieder ein Zahlenbeispiel
für einen Gleichspannungswert zu geben, der 50% vom Endwert betragen soll, können
die folgenden Werte genommen werden: f T 2 = 300 Hz, f T 3 = 5000 Hz, Frequenzhub
für volle Amplitude = 1000 Hz. Da der angenommene Gleichspannungswert e nur 50%
vom Endausschlag betragen soll, wird die Trägerfrequenz 5000 Hz im Takte des Trägers
f T 2 von 300 Hz mit einer Amplitude entsprechend dem halben Endausschlag moduliert,
was einem Frequenzhub von rt- 500 Hz des Trägers fT3 entspricht. Hinter dem Demodulator
D5 erscheinen wieder die 300 Hz mit einer Amplitude 0,5 U.ar. Ist die Bandgeschwindigkeit
um 1% zu hoch, dann erscheint hier statt dessen die Amplitude 0,505 U,"ax bei einer
Frequenz von 303 Hz. Hiermit ist auch zahlenmäßig gezeigt, daß der durch das Verfahren
bedingte Fehler nicht größer wird als die relative Schwankung der Geschwindigkeit
des Tonträgers.
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Ein weiteres Verfahren besteht beispielsweise darin, daß die Meßgröße
zunächst in einem Modulator in eine Frequenz umgeformt wird. Diese umgeformte
Frequenz
wird mit konstanter Amplitude einem zweiten Modulator zugeführt, der wiederum ein
Frequenzmodulator ist und entsprechend der konstanten Amplitude des zugeführten
Signals praktisch mit konstantem Hub arbeitet. Dieses zweimal modulierte Signal
wird gespeichert und hinter dem Speicher wieder über zwei Demodulatoren in den Ausgangswert
zurückübersetzt. Auch dieses Verfahren ist sehr empfindlich gegen Schwankungen in
der Geschwindigkeit des Tonträgers.