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Siebschaltung für elektrische Schwingungen unter Verwendung eines
Analogwert-Schieberegisters Die Erfindung bezieht sich auf eine Siebschaltung für
elektrische Schwingungen unter Verwendung eines Analogwert-Schieberegisters, bei
der den Schwingungen periodisch in Zeitabständen T Amplitudenproben entnommen werden,
die im gleichen Takt T durch das Schieberegister verschoben werden.
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Die herkömmlichen Siebschaltungen für das Gebiet der Niederfrequenz
und der Hochfrequenz enthalten als Bauelemente vor allem Kondensatoren und Spulen.
Auch mechanische Schwinger und Resonanzsysteme werden in diesem Zusammenhang verwendet.
Eine wesentliche Schwierigkeit derartiger Filter besteht darin, daß eine gewisse
mechanische Mindestgröße kaum unterschritten werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzuzeigen, wonach
es möglich ist, Siebschaltungen vor allem für Zwecke der elektrischen Nachrichtentechnik
nur unter Verwendung von Schaltelementen der Impulstechnik aufzubauen, die es vor
allem erlauben, die Siebschaltung in sogenannter integrierter Bauweise herzustellen.
Das bedeutet, daß die Siebschaltung die bisher üblichen Induktivitäten nicht mehr
enthalten soll und trotzdem erreichbar ist, die üblichen Filtercharakteristiken
herkömmlicher Siebschaltungen in jedem geforderten Umfang nachzubilden.
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Ein älterer Vorschlag behandelt bereits einen Lösungsweg für diese
Aufgabe. Diese Lösung verwendet ein durch Schiebeimpulse gesteuertes Schieberegister
mit Querkondensatoren und dazwischenliegenden Schaltern. Durch die Ausnutzung der
inneren Reflexionen in dem Schieberegister läßt sich eine Filterwirkung analog zu
der bei Leitungsfiltern erreichen, bei denen Unterschiede im Wellenwiderstand einzelner
Leitungsabschnitte ausgenutzt werden. Bereits das Filter nach diesem älteren Vorschlag
eignet sich gut für die Ausführung in sogenannter integrierter Bauweise.
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Der bei der Erfindung beschrittene Weg unterscheidet sich von dem
älteren Vorschlag dadurch wesentlich, daß gemäß der Erfindung das Schieberegister
aus wenigstens drei über Verknüpfungsschaltungen in Kette angeordneten Teilvierpolen
besteht, deren jeder ein Analogspeicherglied mit vorgeordnetem Ladeschalter und
nachgeordnetem Entladeschalter enthält, und daß innerhalb dieser Kettenschaltung
Uberkopplungen und/oder Gegenkopplungen vorgesehen sind, die wenigstens zum Teil
über mehr als zwei Teilvierpole hinweggreifen und in Verknüpfungssehaltungen enden
und somit Ubertragungsfunktionen höheren als zweiten Grades ergeben. Vorteilhaft
ist es, wenn hierbei die Uberkopplungswege und/oder die Gegenkopplungswege möglichst
phasenfreie Dämpfungsglieder enthalten.
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Vorteilhaft ist es, wenn die einzelne Verknüpfungsschaltung aus mehreren
auf einen gemeinsamen Arbeitswiderstand arbeitenden Transistorstufen besteht, die
im Fall der Vorzeichenumkehr als Emitter-Basis-Schaltung und im Fall der Vorzeichenerhaltung
als Emitterfolgestufen oder Basisschaltung ausgebildet sind.
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Vorteilhaft ist es, wenn bei Ausbildung der Verknüpfungsschaltung
mit gleichphasig oder gegenphasig übertragenden Transistorstufen diese auf einen
gemeinsamen Arbeitswiderstand geschaltet sind und die Gleichphasigkeit und Gegenphasigkeit
durch Komplementärtransistoren erzielt ist.
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Vorteilhaft ist es, wenn die einzelne überkopplung über mehrere Teilvierpole
hinweggeführt ist. Vorteilhaft ist es, wenn ein RC-Filter zugeordnet ist, das aus
der Gesamtzahl der frequenzmäßig periodisch sich wiederholenden Durchlaufbereiche
den für den Betrieb erforderlichen aussiebt.
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Nachstehend wird die Erfindung näher erläutert. In dem erwähnten früheren
Vorschlag wurde bereits gezeigt, wie digitale Filter durch Analogwertschieberegister
mit inneren Reflexionen gebildet werden können. Nachstehend wird gezeigt, wie dies
durch äußere Rückführungen möglich ist. Da in diesem Fall die Ubertragung durch
die Schieberegister einseitig gerichtet ist, braucht man keinen verlustfreien Energieaustausch
in beiden Richtungen und kann daher einfache Verstärker anwenden. Die Realisierbarkeit
ist daher bei Filterfunktionen hohen Grades einfacher.
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Zur Erklärung der Funktion des Filters ist die sogenannte z-Transformation
vorteilhaft, wie sie z. B.
im »Taschenbuch der Nachrichtenverarbeitung«
von K. S t e i n b u c h, S. 974 ff, beschrieben ist.
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Wird eine in Analog-form vorliegende Signalfunktion in äquidistanten
Zeitabständen abgetastet und werden die Abtastwerte eine definierte Zeit T verzögert,
so kann man die sogenannte z-Transformation z = epT anwenden. Für
reelle Frequenzen ist p = j (,), T ist die Speicherzeit des Abtastwertes,
die Modulation der Pulsfolge der Abtastwerte. Betrachtet sei nun das in F i
g. 1 schematisch gezeigte Der Wirkungsfaktor System' z des Vierpols bedeutet
hierbei Man hat also eine Verzögerung
C
(Speicherung) des Abtastwertes eine Zeit T lang. Für
ergibt sich analog der bekannten Formel
Die Funktion hat einen Pol bei
In der z-Ebene hat man folgendes Bild, das in der F i g. 2 gezeigt ist.
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Die Frequenzachse (,) wird durch die z-Transformation auf den Kreis
abgebildet. Der Betrag des Quotienten
bei einer Frequenz co ist gleich dem Reziprokwert des Abstandes des (o-Punktes auf
dem Kreis vom Pol.
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Es soll nun gezeigt werden, wie gebrochen rationale Funktionen in
z erzeugt werden: Die einfache Funktion
ist bereits in F i g. 1 gezeigt. Folgende in F i g. 3 und F i
g. 4 gezeigten Beispiele lassen das Bildungsgesetz erkennen: Für die Schaltung
nach F i g. 3 ergibt sich:
Für die Schaltung nach F i g. 4 ergibt sich:
Die vorwärts übertragenen Signale bestimmen den Zähler des Bruches. Die rückwärts
in Schleife geführten Signale den Nenner-. Die Potenz von z wird durch die Zahl
der durchlaufenen Verzögerungsglieder bestimmt (z' bedeutet eine Verzögerung um
3 T).
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Die Beurteilun- des Ubertragungsverhaltens aus der Nullstellenpolverteilung
in der z-Ebene. Betrachtet sei folgende Verteilung in der z-Ebene, die in der F
i g. 5 gezeigt ist. Durchläuft man die Frequenz in positiver Richtung, so
bewegt man sich i T
auf dem Einheitskreis gemäß z = e- , wobei
T gleich dem Abstand der Abtastpulse ist. Der Winkel von z ist gleich a) T im gibgenmaß."f
(z) ist periodisch; nach (o T = 2,-v bzw.
wiederholt sich die Funktion. Man erkennt zwei Dämpfungspole, wenn man die Nullstellen
durchläuft.. Dazwischen liegen Gebiete kleiner Dämpfung- Durch entsprechende Nullstellenpolverteilung
lassen sich beliebige Filterkurven annähern, indem man die Nullstellen und Pole,
die sich beim üblichen Filterentwurf ergeben, aus der o)-Ebene in die z-Ebene transfärmiert
und dann das Filter realisiert. Der- linken Halbebene in der e)-Ebene entspricht
das Innere des Einheitskreises in der z-Ebene; daher müssen die Pole im Inneren
liegen.
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Ein wesentlicher Vorteil des Erfindungsgegenstandes ist vor allem
darin zu sehen, daß es mit dem erfindungsgemäßen Siebschaltungsaufbau möglich ist,
aus dem durch die geforderte Filtercharakteristik vorgegebenen Polynom in z ohne
weitere Rechenarbeit die Filterschaltung zu realisieren. Wollte man ein gleichartiges
von in sich Gegenkopplungen Ergebnis z. B. durch und Uberkopplungen Kettenschaltun
g aufweisenden Grundvierpolen niedrigeren (l. und 2.) Grades erreichen, so
würde dies eine Aufspaltung des Polynoms in mehrere Einzelfaktoren erfordern und
die rechnerische Behandlung nennenswert erschweren; abgesehen davon, daß dann eine
andere und in der Regel aufwendigere Gesamtschaltung des Filters zustande käme.
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Nachstehend werden noch einige Grundbausteine für eine erfindungsgemäße
Siebschaltung näher behandelt.
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Für Teilvierpol im vorstehenden Sinne ist in der F i g. 6 gezeigt.
Er beginnt mit einem Ladeschalter L im Längszweig und endet mit einem Entladeschalter
E
im Längszweig, während der Querzweig als Analog speicherglied
S einen Kondensator enthält. Uber den Ladeschalter L wird aus einem Analogsignal
durch kurzzeitiges Schließen des Ladeschalters L eine Amplitudenprobe entnommen
und in dem Kondensator gespeichert. Nach 10ffnen des Ladeschalters L kann über den
im Ruhezustand ebenfalls geöffneten Entladeschalter E in Form eines Impulses
die im Kondensator gespeicherte Energie abgenommen werden. Diese Endrgie ist auf
Grund des gesamten Vorgangs ein Maß für den Amplitudenwert des Analogsignals im
Zeitpunkt der Entnahme der Amplitudenprobe. An Stelle des Kondensators können auch
andere Speicherelemente, insbesondere ferromagnetische, eingesetzt werden.
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Eine Verknüpfungssehaltung im Sinne der vorstehenden Ausführungen
hat ein Schaltsymbol wie es die F i g. 7 zeigt. Es sind mehrere Eingänge
E 1,
E2 bis En vorgesehen, die zu einem gemeinsamen Ausgang,4
führen. Im einfachsten Fall von mehreren untereinander hinsichtlich der Ubertragungseigenschaft
der Verknüpfungsschaltung gleichphasigen Eingängen läßt sich dies in der in der
F i g. 8 gezeigten Weise realisieren. Eine der Anzahl der Eingänge entsprechende
Zahl von Transistoren in Emitterschaltung arbeitet auf einen gemeinsamen Ausgangswiderstand
R. Soll ein einzelner Eingang bezogen auf die anderen Eingänge eine Umpolung zugeordnet
erhalten, so läßt sich dies dadurch erreichen, daß an Stelle von Transistoren untereinander
gleichen Leitungstyps (npn- oder pnp-Transistoren) solche unterschiedlichen Leitungstyps
verwendet werden, mit anderen Worten, daß Komplementärtransistoren vorgesehen werden.
Es ist dabei lediglich darauf zu achten, daß so, wie in F i g. 9 angedeutet,
die Transistoren beispielsweise vom npri-Typ# im Ruhezustand nichtleitend sind und
der diesen Transistoren zugeordnete Komplementärtransistor (pnp) im Ruhezustand
einen gewissen Mindeststrom führt-Die Uberkopplungen und Gegenkopplungen dürfen
im Regelfall nicht den Wert 1 haben, sondern müssen mit geringere: Amplitude,
verglichen mit der Ausgangsamplitude des jeweiligen Analogsignalspeichers, erfolgen.
Dies läßt sich durch die Einschaltung
möglichst phasenarmer Dämpfungsglieder
(F i g. 10)
aus Widerständen erreichen.
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Durch Wahl der Dämpfungsfaktoren in den einzelnen Uberkopplungen und
Gegenkopplungen und der entsprechenden Anzahl von Uberkopplungen und Gegenkopplungen
einschließlich ihrer besonderen Führungsart läßt sich jede an sich bekannte Filtercharakteristik
nachbilden. Als zweckmäßig hat es sich erwiesen, so wie beim Ausführungsbeispiel
der F i g. 11 angedeutet, einen RC-Tiefpaß und einen RC-Hochpaß vor- und
' /oder nachzuschalten, um aus der großen Anzahl der in der Frequenzcharakterittik
sich periodisch wiederholenden Durchlaßbereiche bei Bandfilterausbildung nur den
Durchlaßbereich zur Ubertragung zugänglich zu machen, der den Betriebsforderungen
entspricht. Durch Wahl der Abtastperiode T hat man es bei dem erfindungsgemäßen
Filter in der Hand, die Durchlaßfrequenz des am frequenztiefsten gelegenen Durchlaßbereiches
zu bestimmen. In der Praxis kann man dies auch dazu benutzen, um das RC-Hodhpaßfilter
einzusapren, indem der frequenztiefste Durchlaßbereich in der Filterkurve der Siebschaltung
durch entsprechende Wahl der Abtastperiode T gleich dem geforderten Betriebsfall
gewählt wird.