DE1224375B - Schaltung zur Demodulation einer amplitudenmodulierten elektrischen Schwingung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

H03d

Deutsche Kl.: 21 a4 - 29/01

Nummer: 1224 375

Aktenzeichen: B 77049IX d/21 a4

Anmeldetag: 27. Mai 1964

Auslegetag: 8. September 1966

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Demodulation einer amplitudenmodulierten elektrischen Schwingung.

Beim Nachweis von Strahlungsenergie, beispielsweise Infrarotenergie werden in Abhängigkeit von der einfallenden Strahlung von einem Detektor schwache Gleichstromsignale empfangen. Die Verstärkung dieser Signale erfordert meist mechanisches oder elektrisches Zerhacken, um diese Signale derart umzuwandeln, daß Wechselstromverstärker verwendet werden können. Die durch das Zerhacken, d.h. Modulation mit einer gegebenen Frequenz, erhaltenen Signale sind Quadratwellensignale. Die Gleichrichtung oder Demodulation der idealen Quadratwelle erzeugt keine Wellung im gleichgerichteten Ausgang. Strahlenmeßsignale, welche nachgewiesen und in der genannten Weise behandelt werden, sind jedoch keine idealen Quadratwellen, sondern haben bestenfalls eine Trapezform, was auf der Detektorgeometrie und den Zeitkonstanten des Detektors beruht, welche die Größenordnung der Zerhackerfrequenz besitzen. Jede Abweichung von der idealen Quadratwellenform erzeugt eine Wellung im gleichgerichteten Ausgang. Die Wellung kann bei Verwen-

Schaltung zur Demodulation einer amplitudenmodulierten elektrischen Schwingung

Anmelder:

Barnes Engineering Company,

Stamford, Conn. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Chem. Dr. I. Maas und Dr. W. Pfeiffer, Patentanwälte, München 23, Ungererstr. 25

Als Erfinder benannt:

Thomas FaIk, Norwalk, Conn. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 31. Mai 1963 (284 642) - -

Frequenz des eingespeisten Eingangssignals deren Harmonischen wellungsfrei ist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß aus der Schwingung zwei gegenphasige Schwingungen

dung von Filtern mit großer Zeitkonstante wesentlich as gebildet werden, die über zwei Widerstände dem vermindert werden. Die Verwendung von Filtern mit Eingang einer Integrationsschaltung zugeführt sind, großer Zeitkonstante engt jedoch die Ausgangsband- an deren Ausgang die Modulation abnehmbar ist, breite des Filters stark ein, und dadurch wird die und daß eine der beiden gegenphasigen Schwingun-Ansprechempfindlichkeit des Systems verlangsamt. gen mit Hilfe einer phasengleich mit der Schwingung Um eine größere Ansprechgeschwindigkeit des Sy- 30 gesteuerten Schaltung einer Spannung solcher Amstems zu erzielen, sind kleinere Zeitkonstanten im plitude überlagert wird, daß die Scheitelwerte in Filter erforderlich, was eine größere Wellung be- positiver oder in negativer Richtung dieser Schwindingt. gung die Spannung Null annehmen.

Entsprechend ist es ein Ziel der· Erfindung, einen Die vorliegende Erfindung ist gleichermaßen auf

neuen Gleichrichter- oder Demodulatorkreis zur Er- 35 niederfrequente und hochfrequente Schwingungen Zeugung eines im wesentlichen wellungsfeien Gleich- anwendbar. Eine Begrenzung der Frequenzen wird Stromausganges aus einem Wechselstromeingang zu lediglich durch die verwendeten Bestandteile der schaffen. Schaltung gegeben. Die Anwendbarkeit der Lehre

Weiter befaßt sich die Erfindung mit einer De- der Erfindung hängt insbesondere von den erfordermodulatorschaltung, welche die normale gegenseitige 40 liehen Arbeitscharakteristiken der Schaltung ab, näm-Abhängigkeit von Bandbreite und Welligkeit bei den lieh von der Trägerfrequenz, der Modulationsdie Bauweise bestimmenden Überlegungen beseitigt. frequenz oder Informationsmenge, welche bei der

Es können zwar kombinierte Schaltungen von Voll- Demodulation wiedergewonnen werden soll, sowie wellenspitzendetektor und Filter gebaut werden, von dem Wellungsgrad, welcher geduldet werden welche eine geringere Wellung im Ausgang erzeugen, 45 kann. Die erfindungsgemäße Schaltung ist vorteilhaft das dynamische Ansprechen derartiger Schaltungen anwendbar, wenn die Modulationsfrequenz hoch auf abnehmende Signale würde jedoch langsamer sein oder die Informationsmenge groß und eine geringe als das Ansprechen auf zunehmende Signale. Wellung erforderlich ist. Bei Verwendung irgend-

Die erfindungsgemäße Gleichrichterschaltung soll eines geeigneten Filters zur Erzielung der erforderdabei wie ein Filter mit einer einzigen Zeitkonstante 50 liehen geringen Wellung würden die Zeitkonstanten auf Änderungen in der Signalhöhe wirken und einen desselben auch das gewünschte Ausgangssignal Ausgang erzeugen, welcher im wesentlichen für die schwächen. Wenn andererseits die Ausgangsfrequenz

609 659/138

3 4

verhältnismäßig hoch und der zu tolerierende WeI- Emitterelektrode 32 und eine Basiselektrode 28, die lungsgehalt verhältnismäßig groß ist, kann eine RC- mit einem Synchrongenerator 26 verbunden ist, auf-Filterschaltung verwendet werden, welche eine star- weist. Der Synchrongenerator 26 erzeugt eine Wellenkere Wellung ergibt und gleichzeitig das Signal nicht form 27 von Impulsen, welche den Transistor 30 in schwächt. Es treten also sich widersprechende Er- 5 Übereinstimmung mit den positiven Amplitudenfordernisse auf, welche die erfindungsgemäße Schal- spitzen des Wechselstromeingangs einschalten. In tung erfüllt. ' - · Fig. 1 ist dargestellt, daß die Eingangsklemme 10 An Hand der Figuren wird die Erfindung beispiels- mit dem Synchrongenerator 26 gekoppelt ist, um anweise näher erläutert. Es zeigt . zuzeigen, daß der Generator mit dem auf die Ein-Fig. 1 ein Schaltschema der erfindungsgemäßen ic gangsklemme 10 gegebenen Eingangssignal synchroni-Schaltungund siert ist. Es ist jedoch klar, daß beim Einbau der F i g. 2 verschiedene Wellenformen, welche an ver- Schaltung gemäß F i g. 1 in ein größeres System ein schiedenen Stellen der in F i g. 1 gezeigten Schaltung Eingangssignal von einer anderen Stelle in den Synauftreten. chrongenerator eingespeist werden kann, solange die Die erfindungsgemäße Schaltung ist zwar insbeson- 15 Phase und die Frequenz gleichbleiben. Der Synchrondere auf phasenkphärente Wechselstromsignale an- generator 26 erzeugt die gleiche Wellenform unwendb.ar, beispielsweise auf zerhackte Strahlungs- geachtet der Amplitude des Eingangssignals. Der signale, ihr Betrieb wird jedoch in Verbindung mit Transistor 30 arbeitet so als Synchronschalter, weleinem sinusförmigen Signal beschrieben, welches eher nur für einen kleinen Teil einer Periode entnormalerweise das größte Welligkeitsproblem im 20 "sprechend der positiven Spitzenamplitude des Eingleichgerichteten Ausgang desselben bietet. Die Aus- gangssignals eingeschaltet wird. Dadurch wird das drücke Gleichrichter und Demodulator werden in von der Kollektorelektrode 16 zugeführte Signal auf dieser Beschreibung austauschbar verwendet. Wenn ein positives Maximum der Nullamplitude festgelegt, das Signal zerhackt ist, dann wird der Vorgang besser wodurch der Ausgang derselben unterhalb der NuIldurch Demodulation beschrieben. Wenn jedoch das 25 amplitudenachse liegt und so eine Gleichrichtung be-Signal ein'Wechselströmeingang ohne Modulation ist, wirkt wird. Die vom Widerstand 23 und dem Kondendann wird Gleichrichtung für richtiger gehalten. Da sator 24 gebildete .RC-Schaltung verhindert eine Verdie Erfindung bei beiden Arten von Eingängen an- Stärkung des Rauschens, indem sie die Zeitkonstante wendbar ist, wird zwischen Gleichrichtung und De- der Synchronisiereinrichtung begrenzt, so daß beim modulation kein Unterschied gemacht, da die Erfin- 30 Schalten das Rauschen am Eingang entsprechend dung beides bewirkt. seinem augenblicklichen Spitzenwert zu diesem Zeitin F i g. 1 wird ein Wechselstromsignal auf die punkt herausgemittelt, anstatt verstärkt wird. Das Eingangsklemme 10 gegeben, welche mit einer Basis- betreffende Rauschen ist dasjenige, welches das Einelektrode 12 eines Transistors 15 verbunden ist. Der gangssignal begleitet, und nicht die Wellung, welche Transistor 15 kann den Ausgang eines Verstärker- 35 bei der Umwandlung von Wechselstrom in Gleichsystems darstellen, welches mehr Stufen als den strom auftritt.

Transistor 15 enthält, zum Zweck der Erläuterung - Der Integrationsschaltung 35 sind Widerstände 36 ist jedoch nur ein einziger Transistor dargestellt. Der und 38 vorgeschaltet, welche an einer Addierverbin-Transistor 15 enthält eine Emitterelektrode 16, dung 39 verknüpft sind. Der Ausgang wird auf einen welche über einen Widerstand 20 geerdet ist, sowie 40 Gleichstromverstärker 40 gegeben, welcher durch eine Kollektorelektrode 14, welche über einen Wider- einen Kondensator 42 überbrückt ist. Der Ausgang stand 18 mit einer negativen Spannungsquelle ver- der Integrationsschaltung ist an der Ausgangsklemme bunden ist. Der Ausgang der Kollektorelektrode 14 44 abzunehmen. Eine dem Kondensator 42 und dem wird über einen Kopplungskondensator 22 und einen Gleichstromverstärker 40 äquivalente Schaltung kann Widerstand 36 in eine Integrationsschaltung 35 ge- 45 lediglich aus einem geerdeten Kondensator gebildet geben. Der Ausgang der Emitterelektrode 16 wird werden, dessen Ausgang abgenommen wird. Dies über einen Widerstand 23 und einen Kopplungs- würde der Fall sein, wenn nach der Gleichrichtung kondensator 24 und einen Widerstand 38 in die Inte- und der Filterung keine Verstärkung erforderlich ist. grationsschaltung 35 gegeben. Der Widerstand 23 ist Die in F i g. 2 dargestellten Wellenformen werden klein im Vergleich zum Widerstand 38 und bildet mit 50 zur Erläuterung der Wirkungsweise der in Fig. 1 dem Kondensator 24 eine ÜC-Schaltung, so daß die dargestellten Schaltung verwendet. Eine Eingangs-Synchronisiereinrichtung 25 gut arbeitet, wenn ein wellenform 45 wird auf die Basis des Transistors 15 Rauschen im Eingang auftritt, was normalerweise der gegeben. Die an der Kollektorelektrode 14 auf-FaIl ist, wenn zerhackte Strahlungssignale verarbeitet tretende Wellenform 48 ist gegenüber der Wellenform werden. Bei Abwesenheit eines Rauschens im Ein- 55 45, welche an der Emitterelektrode 16 auftritt, um gang würde der Widerstand 23 nicht nötig sein. Die 180° phasenverschoben. Die in der Synchronisieran der Kollektorelektrode 14 und der Emitter- einrichtung 25 stattfindende Gleichrichtung erzeugt elektrode 16 auftretenden Ausgänge sind um 180° eine Wellenform 46, welche in den Widerstand 38 phasenverschoben. Der Transistor 15 ist als ein Aus- gegeben wird. Die Wellenform 48, welche in den führungsbeispiel zum Erzielen dieser Phasenbeziehung 60 Widerstand 36 gegeben wird, wird nicht demoduliert, zwischen den Ausgängen dargestellt, wobei das sondern wird direkt durch den Addierwiderstand 36 wesentliche Merkmal darin besteht, daß die zwei eingespeist, ist jedoch gegenüber der Wechselstrom-Ausgänge um 180° phasenverschoben sind. komponente der Wellenform 46, welche in den Der Ausgang der Emitterelektrode 16 wird durch Addierwiderstand 38 gegeben wird, um 180° phaseneine Synchronisiereinrichtung 25 synchron gleich- 65 verschoben. Die addierende Integrationsschaltung 35 gerichtet, welche einen Transistor 30 mit einer wirkt so, daß die Wechselstromkomponenten der Kollektorelektrode 34, die mit dem Ausgang des Wellen 46 und 48 um 180° phasenverschoben Kondensators 24 verbünden ist, eine geerdete sind und sich in der Integrationsschaltung 35 aus-

löschen. Für Gleichstrom findet keine Addierwirkung statt, und der Ausgang an der Ausgangsklemme 44 ist ein Gleichstrom ohne Wellung. Die Verstärkung des Gleichstromverstärkers 40 wird durch die Bedingungen am Ausgang bestimmt. Die Auslöschung der Wechselstromkomponenten an der Addierverbindung 39 ist ausgezeichnet, wenn das Widerstandsverhältnis der Widerstände 18 und 20 gleich dem Widerstandsverhältnis der Widerstände 36 und 38 plus dem Widerstand 23 ist, falls der Widerstand 23 erforderlich ist. Wenn die Eingangsimpedanz des Gleichstromverstärkers 40 im Vergleich zum Widerstand 38. groß ist, so wird die Gleichstromkomponente des Halbwellen-Synchrongleichrichters 25 nur durch die Gleichstromverstärkung des Verstärkers 40 beeinflußt. Wenn höhere Werte der Widerstände 36 und 38 verwendet werden, tritt eine wirkungsvollere Synchrongleichrichtung auf. Die Integrationsschaltung 35 arbeitet wie ein Tiefpaßfilter, wobei die Zeitkonstante eine Funktion des Wiederstandes 38, des Kondensators 42 und der Spannungsverstärkung des Glieichstromverstärkers 40 ist. Diese Kombination wirkt auf die Veränderung der Signalhöhe als ein Tiefpaßfilter. Entsprechend ist es nicht nötig, sich auf ein langsam ansprechendes System oder ein schnelles System mit hohem Wellungsgehalt einzuschränken, wenn es erforderlich ist, der sich ändernden Art der Amplitude des in die Schaltung gegebenen Eingangssignals zu folgen.

Die erfindungsgemäße Schaltung erfordert im Vergleich mit bekannten Gleichrichter-Filterschaltungen sehr wenig zusätzliche Komponenten. Ein Widerstand 18 ist im Verstärker 15 erforderlich, um den phasenverschobenen Eingang in die Integrationsschaltung 35 zu bewirken. Das aktive Filter in der Integrationsschaltung 35 kann bei bekannten Schaltungen erforderlich sein, wenn große und genaue Ausgangszeitkonstanten benötigt werden. Bei diesen Schaltungen können elektrolytische Kondensatoren mit unvermeidlicher Temperaturinstabilität erforderlich sein, wogegen die erfindungsgemäße Schaltung stabilere Papier- oder Mylarkondensatoren verwenden kann.

Die erfindungsgemäße Gleichrichterschaltung kann zum Einstellen von Vorrichtungen verwendet werden, welche Gleichstrom-Rückkopplungskreise verwenden, in welchen eine geringe oder keine Welligkeit geduldet werden kann. In derartigen Anlagen, bei welchen das Signal zum Antrieb von Gleichstrommotoren entsprechend der Anwesenheit oder Abwesenheit eines Signals verwendet werden kann, kann sich eine falsche Betätigung ergeben, wenn die Welligkeit groß genug ist.

In der Infrarottechnik, in welcher geringe ankommende Strahlungsenergien gemessen werden sollen, erzeugt die zerhackte Strahlung Quadratwellensignale aus dem Detektor, welche nicht idealisiert sind, wodurch eine Wellung im gleichgerichteten Ausgang und Fehler im verarbeiteten Signal bewirkt werden. Die Ausschaltung der Wellung würde Schaltungen mit großer Zeitkonstante erfordem, was die Ansprechgeschwindigkeit des Systems erniedrigen würde. Weiter kann die Amplitude des ankommenden Signals entsprechend der einfallenden Strahlung über einen weiteren Bereich variieren. Die erfindungsgemäße Gleichrichterschaltung beseitigt

ίο die gegenseitige Abhängigkeit der die Bauweise in bezug auf die Bandbreite des Filters und auf die Welligkeit bestimmenden Überlegungen. Die erfindungsgemäße Schaltung wirkt als Widerstand-Kondensator-Filter mit einer einzigen Zeitkonstante

auf Änderungen in der Signalhöhe und enthält doch im wesentlichen keine Wellung mit der Zerhackerfrequenz oder deren Harmonischen. Daraus ergibt sich praktisch, daß die Wellung im Vergleich mit bekannten Vollwellengleichrichter-Filterkombi-

ao nationen um mindestens zwei Größenordnungen vermindert werden kann.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Schaltung zur Demodulation einer amplitudenmodulierten elektrischen Schwingung, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Schwingung (45) zwei gegenphasige Schwingungen (46 und 48) gebildet werden, die über zwei

Widerstände (36,38) dem Eingang (39) einer Integrationsschaltung (40, 42) zugeführt sind, an deren Ausgang (44) die Modulation abnehmbar ist, und daß eine der beiden gegenphasigen Schwingungen mit Hilfe einer phasengleich mit der Schwingung gesteuerten Schaltung (25) einer Spannung (50) solcher Amplitude überlagert wird, daß die Scheitelwerte in positiver oder in negativer Richtung dieser Schwingung die Spannung Null annehmen.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenphasigen Schwingungen am Emitter (16) und Kollektor (14) eines Transistors abgenommen sind, dessen Basis (12) die Eingangsschwingung zugeführt ist.

3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Integrationsschaltung durch einen Verstärker (40) gebildet ist, dessen Ausgang (44) durch einen Kondensator (42) mit dem Eingang (39) verbunden ist.

4. Verwendung der Schaltung nach einsin der Ansprüche 1 bis 3 zur Demodulation eines zerhackten Strahlungssignals.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1100 806;
»Elektronische Rundschau«, 1962, H. 9,
S. 408 bis 412.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

609 659/138 8.66 © Bundesdruckerei Berlin