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Verstärker für Daten- und Telegraphiesignale, die aus Wechselstromimpulsen
bestehen Die Erfindung bezieht sich allgemein auf den Empfang frequenzverschobener
Datensignale und im einzelnen auf einen Regenerier-Detektor für solche Signale.
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Beim Empfang frequenzverschobener Daten- und Telegraphiesignale tritt
häufig das Problem auf, VoroderAmplitudenverzerrungen in der Empfangsstation zu
kompensieren. Die Tonstöße, in denen die Information kodiert ist, werden manchmal
Klingschaltungen als exponentiell gedämpfte Wellen erzeugt oder können beim Durchlaufen
des übertragungsmediums in gedämpfte Wellen entarten. In anderen Fällen können die
Tonstöße frequenzverschoben im Empfänger ankommen und ein klingendes Ansprechen
in einer Resonanz-Detektorschaltung verursachen. Das Anzeigesystem kann einen Schwellwert
aufweisen, unterhalb dessen Rausch- und andere Störsignale nicht aufgenommen werden.
Der Schwellwert ist so eingestellt, däß der Anfangsteil eines ordentlichen Signals
genügend weit darüber liegt, um das Ansprechen des Detektors zu bewirken, daß aber
die nachlaufenden, abgeschwächten Teile den Schwellwert zu schnell unterschreiten,
um einen ordnungsgemäßen Betrieb der von der Detektorschaltung beschriebenen Druckrelais
zu bewirken.
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Ein Hauptziel der Erfindung besteht darin, den Pegelabfall von Tonstößen
in Daten- und Telegraphieempfängern zu kompensieren und eine Detektorausgangsspannung
für die volle Länge des Tonstoßes sicherzustellen.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, auf einfache und wirtschaftliche
Weise gedämpfte Tonstöße einer einzelnen Frequenz zu regenerieren, die an eine Detektorschaltung
gegeben werden, bei der ein Eingangssignal für den Empfang einen gegebenen Schwellwert
übersteigen muß.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, die Empfindlichkeit
einer Detektorschaltung fürTonstöße zu erhöhen, nachdem die anfängliche Stoßwelle
den Schwellwert für die Anzeige überstiegen hat.
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Es ist außerdem Ziel der Erfindung, den Vorspannungsschwellwert einer
Detektorschaltung herabzusetzen, nachdem der anfänglich vergrößerte Übergangsteil
eines Tonstoßes empfangen worden ist.
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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstandsspannungsteiler,
dessen Ausgangsklemmen in Serie mit dem Eingangskreis liegen, zur Verstärkung der
am Eingangskreis herrschenden Spannung mit dem Ausgang der Verstärkerstufe gekoppelt
ist, so daß - bei Auftreten eines Stromimpulses mit von der Resonanzfrequenz etwas
abweichender Frequenz - während eines wesentlichen Teiles der Impulsdauer das hierbei
nach anfänglichem Überschwingen der im Eingangskreis mittels des Impulsstromes erzeugten
Spannung auftretende Absinken auf einem unterhalb des Schwellwertes liegenden Wert
derselben kompensiert wird.
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Entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein zweistufiger
Verstärker in Emitterschaltung, der eine Bezugs-Sperrvorspannung in der abgestimmten
Eingangsstufe aufweist, mit einer gleichstromgekoppelten Rückkopplungsschleife vom
Kollektor der Ausgangsstufe zur Basis der Eingangsstufe versehen, um eine der Bezugsspannung
entgegengerichtete dynamische Vorspannung anzulegen und damit den wirksamen Schwellwert
des Detektors herabzusetzen, nachdem der Anfangsabschnitt einer gedämpften Signalwelle
angezeigt worden ist. Auf diese Weise wird die Dauer der Ausgangswelle relativ zu
der der Eingangswelle über die Dauer der Ausgangswelle erhöht, die ohne eine solche
Rückkopplungsschaltung auf wirtschaftliche und bequeme Weise erreichbar ist. Dem
Druckrelais wird dann ein Betätigungsimpuls zugeführt, dessen Dauer für ein sicheres
Ansprechen ausreicht. Nach dem Ende des Eingangs-Signalstoßes wird der normale Schwellwert
der Detektorschaltung wieder hergestellt.
Eine Weiterbildung der
Erfindung ist darin zu sehen, daß der Rückkopplungskreis aus einem einfachen Spannungsteiler
mit Widerständen gebildet wird.
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Eine andere Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Rückkopplungsanordnung
die Anzeige des Spitzenwertes einer übergangsschwingung in einem Resonanznetzwerk
gestattet, an Stelle einer verzögerten Anzeige der konstanten Spannung des Resonanznetzwerks,
wodurch der schnelle Betrieb des Detektors begünstigt wird.
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Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der folgenden ins einzelne gehenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung;
es zeigt F i g. 1 das Schaltschema eines Ausführungsbeispiels des verbesserten Detektors
nach der Erfindung und F i g. 2 und 3 Diagramme der Kurvenformen zur Erläuterung
der Betriebsweise der Schaltung nach Fig.l.
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Bei einem Datenübertragungssystem, auf das die vorliegende Erfindung
anwendbar ist, wird eine Vielzahl von Tönen, beispielsweise innerhalb des Sprachfrequenzbandes,
über eine Fernsprechleitung zur Kodierung einer Vielzahl von Datenzeichen übertragen.
Die Daten können aus einem Karten- oder Streifenleser stammen und aus der gleichzeitigen
Schließung von zwei oder mehr Schalterkontakten bestehen. Aus einer Vielzahl von
Frequenzgruppen, von denen jede vier oder mehr Frequenzen enthält, wird von jeder
Gruppe eine Frequenz ausgewählt, die gleichzeitig entsprechend der Zahl der geschlossenen
Schalter oder der erregten Abfühlbürsten übertragen werden. Beispielsweise sind
in einem Dreiaus-zwölf-Vielfrequenzsystem zwölf Frequenzen in drei Gruppen von je
vier Frequenzen aufgeteilt. Für jedes gegebene Nachrichtenzeichen wird gleichzeitig
aus jeder Gruppe eine einzelne Frequenz übertragen. Diese Anordnung erlaubt die
übertragung von bis zu vierundsechzig verschiedenen Nachrichtenzeichen.
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Zwischen den Nachrichtenzeichen werden getrennte hohe Töne aus jeder
Gruppe übertragen. Diese Ruhetöne beinhalten keine Informationen, sondern dienen
zur Aufrechterhaltung des Betriebs von Echosperren, die sich in einigen Fernsehübertragungsleitungen
finden. Für jedes Nachrichtenzeichen findet eine Frequenzverschiebung vom Ruheton
zum Signalton und zurück zum Ruheton statt.
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Am entfernten Ende der Leitung werden die verschiedenen Einzeltöne
zunächst begrenzt und dann angezeigt, um einen Relaiskontakt entsprechend dem Vorhandensein
jedes einzelnen Tones zu schließen. Für jeden Markierton ist ein besonderer Detektorkanal
vorgesehen, in dessen Eingang ein Resonanzkreis vorhanden ist, der auf eine bestimmte
der möglicherweise übertragenen Frequenzen abgestimmt ist. Der Detektor besitzt
eine Schwellwert Vorspannung, die die Spannung am Resonanzkreis beim Empfang des
richtigen Tones übersteigen muß, um den Detektor in Tätigkeit zu setzen. Da die
Relais der Druckausrüstung, die durch die Ausgangsrelais des Detektors gesteuert
werden, eine endliche Ansprechzeit haben, muß die Ausgangsspannung des Detektors
eine bestimmte minimale Zeitdauer besitzen, damit die Druckrelais ordnungsgemäß
arbeiten können. Zusätzlich ist für den Druck eines gültigen Datenzeichens die nahezu
gleichzeitige Betätigung von zwei oder mehr Relais erforderlich. Wegen der Schwierigkeit,
verschiedene mechanische Kontakte genau gleichzeitig zu schließen, können die verschiedenen
Frequenzen bei der übertragung schief zueinander stehen. Die verschiedenen Töne
kommen nicht immer gleichzeitig im Empfänger an. Infolgedessen ist es wünschenswert,
daß die Druckrelais so lange betätigt gehalten werden, daß diese Schiefstellung
kompensiert wird.
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Eine weitere Schwierigkeit bei diesem System besteht darin, in der
Praxis die genaue Frequenzübereinstimmung zwischen der übertragenen Frequenz und
der Resonanzfrequenz der bestimmten Kreise des Empfängers aufrechtzuhalten. Ein
typischer, am Resonanzkreis des Empfängers ankommender Tonstoß kann in seiner Frequenz
bis zu etwa 30 Hz abweichen und verursacht dann ein anfängliches überschwingen,
das die Schwellwertvorspannung leicht übersteigt. Der Rest des Tonstoßes kann aber
in eine gedämpfte Welle entarten, deren Spitzenamplituden unter den Schwellwert
abfallen. Der Detektor kann das Druckrelais dann frühzeitig freigeben, und es geht
ein Nachrichtenzeichen verloren. Es ist der Zweck der vorliegenden Erfindung, den
Detektor so zu verbessern, daß diese Störungen wirksam kompensiert werden, ohne
die Geschwindigkeit und die Störunanfälligkeit des gesamten Datenübertragungssystems
zu beeinträchtigen.
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F i g. 1 zeigt das Schaltschema eines einzelnen Kanals einer Detektorschaltung
mit den oben beschriebenen Eigenschaften. Die Signalquelle 10 stellt einen
Vielfrequenz-Signalsender und eine übertragungsleitung dar. Ein aus zwei oder mehr
Signaltönen von einer Vielzahl von Frequenzen bestehender Stoß stellt jeweils immer
ein bestimmtes Nachrichtenzeichen dar. Es soll jedoch angenommen werden, daß die
Quelle 10 außerdem Trennfilter für die verschiedenen Frequenzgruppen und
einen Begrenzer für jede Gruppe enthält, um die Amplituden genau einzustellen, so
daß immer nur eine Frequenz an irgendeine Frequenzgruppe angelegt wird. Der Rest
der F i g. 1 stellt einen einzelnen Detektorkanal für eine Frequenz einer Gruppe
dar. Die Kanäle zur Auswahl der anderen Frequenzen einer gegebenen Frequenzgruppe
sind ähnlich ausgebildet und, wie angegeben, parallel an den Ausgang der Quelle
10
angeschaltet. Nur die abgestimmten Kreise sind unterschiedlich.
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Die aktiven Elemente der Kanäle bestehen aus einem Paar von Komplementär-Transistoren
16 und 26 in Kaskadenschaltung. Der Transistor 16 ist eine pnp-Ausführung mit einer
Basiszone aus n-halbleitendem Material zwischen Kollektor- und Emitterzonen aus-
p-Halbleitermaterial. Der Transistor 26 ist zur Erleichterung der direkten Kopplung
mit dem Transistor 16 eine entgegengesetzte npn-Ausführung. Beide Transistoren sind
in der Emitter-Grundschaltung verwendet, d. h., der Emitter jedes Transistors liegt
gemeinsam am Eingangs- und Ausgangskreis. Die Emitterelektrode des Transistors 16
ist an eine Bezugsvorspannungsquelle 18 von etwa -2 Volt gelegt. Die Kollektorelektrode
ist über die Widerstände 20, 23 und 24 an eine Speisespannung von -18 Volt angeschlossen.
Der Kondensator 11 koppelt die Signalquelle 10 an die Basiselektrode des Transistors
16 an und sperrt alle Gleichspannungen der Signalquelle. Der Widerstand 33 bewirkt
eine Trennung zwischen -den verschiedenen parallelgeschalteten
Frequenzdetektoren.
Es ist klar zu erkennen, daß der Transistor 16 im Ruhezustand nicht leitet.
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Der Basiskreis weist einen Parallelkreis 12 mit einer Spule und einem
Kondensator auf, dessen Resonanzfrequenz bei einer der Signalfrequenzen liegt, und
in Reihe damit am Verbindungspunkt 13
eine Parallelschaltung aus dem Widerstand
14 und dem Kondensator 15. Die anderen Seiten des Widerstandes 14
und des Kondensators 15 sind mit einem Erd-Bezugspunkt 32 verbunden. Der Kondensator
15 besitzt eine vernachlässigbare Impedanz bei der Resonanzfrequenz des abgestimmten
Kreises und kann weggelassen werden, wenn der Wert des Widerstandes 14 im Vergleich
zur Impedanz des abgestimmten Kreises 12 bei Resonanz klein ist.
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Die Emitterelektrode des Transistors 26 ist über den Widerstand
27 und den Varistor 28 an die Stromquelle 22 mit -18 Volt angeschlossen.
Der Widerstand 27 und der Varistor 28 können gleichzeitig für andere Detektorkanäle
einer gegebenen Frequenzgruppe eingesetzt werden, so daß jeweils immer nur ein Kanal
ansprechen kann. Der Spannungsabfall am Widerstand 27 und am- Varistor
28
erhöht die Sperrvorspannung der zweiten Stufe dieser anderen Detektoren
und ergibt eine zusätzliche Sicherheit gegen eine fehlerhafte Betätigung durch Rausch-
oder Übergangssignale. Der Varisor wirkt im stromdurchflossenen Zustand wie eine
Batterie mit 1 Volt, um den Emitter etwas negativer zu halten als die Basiselektrode.
Die Kollektorelektrode ist über die Erregerwicklung des Ausgangsrelais 29, die vorzugsweise
einen hohen Widerstand besitzt, um einen genügenden Spannungsabfall bei einem Stromfluß
zur Sättigung des Kollektros zu bewirken, mit dem Erdgezugspunkt 32 verbunden. Das
Relais weist eine Gruppe von Arbeitskontakten 30 auf, die bei der Betätigung
einen Stromkreis zum Drucker31 schließen. Die Basiselektrode ist ebenfalls über
den Widerstand 24 an die Stromversorgungsquelle 22 mit einer Spannung
von -18 Volt geführt. Als Folge davon befindet sich der Transistor 26 normalerweise
ebenfalls im nichtleitenden Zustand. Die Basiselektrode des Transistors 26 ist weiterhin
über die in Reihe geschalteten Widerstände 20 und 23 direkt an die
Kollektorelektrode des Transistors 16 angeschaltet. Die Impedanz des Kondensators
21 ist jedoch bei der Anzeigefrequenz so klein, daß sie die übertragung von Signalfrequenzen
zum Transistor 26 verhindert.
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Es soll betont werden, daß bei einer geeigneten Änderung der Polaritäten
die Anordnung der komplementären Transistoren vertauscht werden kann.
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Die so weit beschriebene Detektorschaltung arbeitet bei einem idealen
Signalimpuls mit der Frequenz, auf die der Resonanzkreis 12 abgestimmt ist, auf
folgende Weise: Auf Grund des angelegten Tonstoßes steigt die Spannung am abgestimmten
Kreis schnell bis auf einen Wert an, der die Bezugsvorspannung übersteigt, und die
negative Halbwelle läßt den Transistor 16 leitend werden. Der durch den Widerstand
20 fließende Kollektorstrom lädt den Kondensator 21 in positiver Richtung
auf, bis die positive Emittervorspannung des Transistors 26 überschritten wird.
Die Spannung am Kondensator 21 wird über einen aus den Widerständen 23 und 24 bestehenden
Spannungsteiler an die Basis des Transistors 26 gegeben, da nur eine Sperrspannung
von etwa 1 Volt zu überwinden ist. Der Transistor 26 wird leitend, und es fließt
ein Kollektorstrom durch die Wicklung des Relais 29. Die Kollektorspannung des Transistors
26 fällt auf -17 Volt ab. Wenn auch das Relais 29 nur wenige Millisekunden braucht,
um richtig anzusprechen, arbeiten doch die Relais der Druckausrüstung langsamer.
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Wenn eine genaue Übereinstimmung zwischen der Resonanzfrequenz des
abgestimmten Kreises und der Frequenz des Signaltonstoßes besteht, treten keine
Anzeigeschwierigkeiten auf. Wenn jedoch auf Grund einer fehlerhaften Abstimmung
der Sender- oder Empfänger-Resonanzkreise Frequenzverschiebungen der Übertragungsleitung
bei Unvollkommenheiten des Trägerfrequenzsystems oder einer Alterung der Kreise
die ankommende Frequenz außerhalb der Resonanz liegt, ergibt sich ein anfängliches
überschwingen, das die Bezugsvorspannung am abgestimmten Kreis übersteigt, gefolgt
von einer abfallenden Schwingung mit einer Frequenz, die der Differenz zwischen
der tatsächlichen Signalfrequenz und der Resonanzfrequenz entspricht. Die Spannung
am abgestimmten Kreis fällt notwendigerweise für Frequenzen außerhalb der Resonanz
sehr schnell ab und neigt dazu, nach der anfänglichen Stoßwelle auf Grund der bekannten
Eigenschaften von Resonanzkreisen unter den Pegel der Bezugsspannung zu fallen und
dort zu verbleiben. Daher ist das Ausgangsrelais nur für einen Bruchteil der Dauer
des Eingangssignals betätigt. Diese Zeit kann leicht zu kurz sein, um das Druckrelais
tatsächlich zu betätigen, insbesondere im Hinblick auf die - mögliche Verschiebung
beim Auftreten der Eingangssignale eines Vielfrequenz-Nachrichtenzeichens.
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Zur Korrektur dieses Fehlers ist erfindungsgemäß der Rückkopplungsweg
25 zwischen die Kollektorelektrode des Ausgangstransistors und den Basiskreis des
Eingangstransistors am Verbindungspunkt13 eingefügt. Der Widerstand 19 im Rückkopplungsweg
25 und der Basiswiderstand 14 bilden einen Spannungsteiler, so daß ein Teil des
Spannungsabfalls von 17 Volt am Kollektor des Transistors 26 am Widerstand
14 erscheint. Die Werte dieser Widerstände sind bei der Schaltung des Ausführungsbeispiels
so gewählt, daß sich eine Spannung von etwa 1 Volt am Widerstand 14 ergibt. Der
Kondensator 15 lädt sich schnell auf diese Spannung auf und hält sie für die Dauer
des Ausgangssignals aufrecht. Die tatsächlich vorhandene Vorspannung am Basis-Emitter-Übergang
des Transistors 16 wird auf 1 Volt herabgesetzt, und der Transistor 16 wird für
die gesamte Dauer des Eingangssignals leitend gehalten.
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Die F i g. 2 bzw. 3 zeigen verschiedene Kurvenformen der Detektorschaltung
mit und ohne Rückkopplung. Die Teile a dieser Figuren sind identisch und zeigen
die Umhüllende des Eingangssignals nach Durchgang durch eine Begrenzerschaltung
(angenommen als Teil der Signalquelle 10). Die Teile b der Figuren zeigen die Umhüllende
der Spannung am abgestimmten Kreis 12 bei einer etwas von der Resonanz abweichenden
Frequenz. Es ergibt sich, daß nur das vorübergehende Überschwingen in F i g. 2 die
Bezugsvorspannung übersteigt. Im entsprechenden Teil der F i g. 3 wird die Umhüllende
auf Grund der Rückkopplung von 1 Volt nach dem anfänglichen Überschwingen in negativer
Richtung verschoben, und die negative Seite der Umhüllenden bleibt für die Dauer
des Eingangssignals deutlich unterhalb der
Bezugsvorspannung. Der
Teil c der Figuren zeigt die Ladung des Integrierkondensators 21. In F i g. 2 ist
der Kondensator nur während des überschwingens geladen, während in F i g. 3 die
Ladung für die Dauer des Eingangssignals aufrechterhalten wird. Der Teil d der Figuren
zeigt die Spannung am Relais 29 unter den beiden Betriebsbedingungen. Der Teil e
der Figuren stellt die Dauer der Kontaktschließung des Relais 29 dar.
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Der Unterschied in der Betriebsweise mit und ohne Rückkopplung ist
aus den F i g. 2 und 3 leicht ersichtlich. Mit einer Rückkopplung ist die Dauer
der Relaisschließung nicht durch die Dauer des vorübergehenden überschwingens begrenzt,
sondern sie wird für die Dauer des Eingangssignals aufrechterhalten, da der Maximalwert
des Signals nicht um einen Betrag fallen kann, der größer ist als die Rückkopplungsspannung.
Auch für Eingangssignale mit der genauen Resonanzfrequenz, bei denen kein überschwingen
auftritt, bewirkt die Rückkopplung eine zusätzliche Sicherheit gegen Signaländerungen
auf Grund von Rauschen, Welligkeit der Stromversorgung und anderen Störungen dieser
Art. Eine Verzögerung des Ansprechens der Druckrelais tritt nicht auf, die bei Detektorsystemen
unter Verwendung von Torschaltungen oder auf Grund der Eigenschaften von Resonanzkreisen
im eingeschwungenen Zustand vorhanden wäre. Auf diese Weise werden die Eigenschaften
des vorhandenen Systems mit Bezug auf seine Schnelligkeit beibehalten.
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Wenn die Erfindung auch mit Bezug auf ein bestimmtes Ausführungsbeispiel
beschrieben worden ist, soll der Schutzumfang der Erfindung doch durch diese Einzelheiten
nicht beschränkt sein. Weitere Abänderungen können vom Fachmann getroffen werden.
Der Detektor kann mehr oder weniger als zwei Stufen aufweisen, und der Rückkopplungsweg
kann leicht auch anders angeordnet werden, um eine positive Rückkopplung zu erhalten.
Eine Anwendung der Prinzipien der Erfindung auf Schaltungen mit Elektronenröhren
ist ebenfalls leicht möglich.