DE1233018B - Synchrondemodulatorschaltung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H03i

Deutsche Kl.: 21 a2-18/02

Nummer: 1233 018

Aktenzeichen: C 32653 VIII a/21 a2

Anmeldetag: 16. April 1964

Auslegetag: 26. Januar 1967

Die Erfindung bezieht sich auf eine Synchrondemodulatorschaltung für mit einer Hilfsmodulationsschwingung konstanter Periode modulierte Gleichspannungssignale, bei welcher dem zu demodulierenden Signal ein rechteckiges Hilfssignal der gleichen Periode überlagert wird.

Bekanntlich ist es auf vielen Gebieten, insbesondere in der Meßtechnik erforderlich, Gleichspannungssignale zu verstärken. Da der Aufbau von Gleichspannungsverstärkern schwieriger als der Aufbau von Wechselspannungsverstärkern ist, wendet man oft den Kunstgriff an, die Gleichspannungssignale durch Modulation mit einem Hüfsmodulationssignal zu modulieren oder zu zerhacken, das dadurch erhaltene Wechselspannungssignal jzu verstärkern und das verstärkte Signal anschließend wieder zu demodulieren.

Bekanntlich ist das von einer Synchrondemodulatorschaltung mit Doppeltriode oder zwei Transistoren demodulierte Signal außerordentlich empfindlich für Amplitudenschwankungen der rechteckigen Hilfssignale, welche dem zu demodulierenden Signal überlagert werden.

Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Synchrondemodulatorschaltung, die ein Signal abgibt, das für Amplitudenschwankungen der rechteckigen Hilfssignale wenig empfindlich ist.

Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß zwei gleiche Doppeltrioden vorgesehen sind, die parallel an eine gemeinsame Gleichspannungsquelle angeschlossen sind, daß das zu demodulierende Signal 5(0 über .RC-Filter den ersten Gittern der beiden Doppeltrioden zugeführt wird, daß das durch Polaritätsumkehrung des zu demodulierenden Signals erhaltene Signal -S(O über zwei i?C-Filter den zweiten Gittern der beiden Doppeltrioden zugeführt wird, wobei sämtliche .RC-Filter die gleiche Bemessung aufweisen, daß das Hilfssignal M(O und i?C-Filter dem ersten Gitter der ersten Doppeltriode und dem zweiten Gitter der zweiten Doppeltriode zugeführt wird, und daß das durch Polaritätsumkehrung des Hilfssignals erhaltene Signal ~M(t) über .RC-Filter dem zweiten Gitter der ersten Doppeltriode und dem ersten Gitter der zweiten Doppeltriode zugeführt wird, wobei sämtliche .RC-Filter einander gleich bemessen sind. ' .

Der erfindungsgemäße Aufbau des Synchrondemodulators ergibt den wesentlichen Vorteil, daß auch sehr kleine Amplituden Schwankungen des Gleichspannungssignals festgestellt werden können, ohne daß Schwankungen des Hilfssignals von Einfluß auf das erhaltene Ausgangssignal sind.

Synchrondemodulatorschaltung

Anmelder:

Compagnie d'Applications Mecaniques

ä l'Electronique, au Cinema et

ä l'Atomistique »C. A. M. E. C. Α.«, Paris

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. Prinz, Dr. rer. nat. G. Hauser
und Dipl.-Ing. G. Leiser, Patentanwälte,
München-Pasing, Emsbergerstr. 19

Als Erfinder benannt: ', _;..
Mathias Tong Yuan Tong, Paris

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 17. April 1963 (931 788 Seine)

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Darin zeigt

F i g. 1 das Schaltbild einer herkömmlichen Synchrondemodulatorschaltung mit Doppeltriode,

F i g. 2 Diagramme der verschiedenen Schwingungen, welche in einer Synchrondemodulatorschaltung der angegebenen Art kombiniert werden,

F i g. 3 ein vereinfachtes Schaltbild zum besseren Verständnis der Wirkungsweise der Schaltung von F i g. 1 und

F i g. 4 ein Schaltbild einer Synchrondemodulatorschaltung nach der Erfindung.

Bekanntlich besteht das Prinzip der Synchrondemodulation in der Kombination der zu demodulierenden periodischen Schwingung mit einer periodischen Hilfsschwingung gleicher Frequenz und konstanter Amplitude. Bei einem Synchrondemodulator mit Doppeltriode wird insbesondere die zu demodulierende Schwingung 5(ωΟ und ihr Kehrwert — S{a>f)

mit Rechtecksignalen M[t) gleicher Periode T = —

sowie mit deren Kehrwert -M(O kombiniert. Die Signale —5 und — M können beispielsweise einfach dadurch erhalten werden, daß das zu demodulierende Signal und sein Kehrwert von einem Verstärker mit symmetrischen Ausgängen geliefert werden, während

609 759/294

die Signale M und —Μ von einem Generator mit gleichfalls symmetrischen Ausgängen abgegeben werden.

Als praktisches Anwendungsbeispiel, auf das kein Patentbegehren gerichtet ist, kann ein Infrarotspektrometer angegeben werden. In einem solchen Infrarotspektrometer erzeugt das von der Lichtquelle ausgesendete Infrarotlicht am Ausgang des Spektrometers ein Lichtsignal schwankender Intensität, das von einem Empfänger in ein Gleichspannungssignal mit schwankender Amplitude umgewandelt wird. Damit dieses Signal leichter verstärkt werden kann, wird es durch Zerhacken mit konstanter Periode in ein Wechselspannungssignal umgewandelt. Dies geschieht vorzugsweise durch einen mechanischen Lichtstrahlmodulator, dessen rotierende Scheibe den Lichtstrahl mit einer konstanten Frequenz rythmisch unterbricht. Die Frequenz beträgt beispielsweise 12,5 Hz, also ein Viertel der Netzfrequenz von 50 Hz. Dementsprechend erhält man am Ausgang des Empfängers ein Wechselspannungssignal, das nach einer Tiefpaßfilterung beispielsweise die im Diagramm α von F i g. 2 dargestellte Form hat. Dieses Wechselspannungssignal wird in einem Verstärker verstärkt, der einen symmetrischen Ausgang hat, an welchem sowohl das verstärkte Signal +S (Fig. 2a) als auch das durch Polaritätsumkehr dieses Signals erhaltene Signal -S(F i g. 2b) abgegeben wird. Diese beiden Signale werden dem Synchrondemodulator zugeführt.

Das zur Demodulation benötigte Hilfssignal muß die gleiche Frequenz wie die zur Modulation des Lichtstrahls verwendete Hilf smodulationsschwingung haben. Bei dem angegebenen Anwendungsbeispiel wird dieses Hilfssignal.dadurch gewonnen, daß der gleiche Lichtstrahlmodulator außerdem den Lichtstrahl einer Hilfslichtquelle moduliert, so daß der modulierte Lichtstrahl nach Auftreffen auf eine Fotodiode ein Wechsel-Spannungssignal erzeugt, das die gleiche Frequenz wie die Hilfsmodulationsschwingung hat. Nach Verstärkung und Begrenzung in einem Modulationsverstärker mit symmetrischem Ausgang erhält man die erforderlichen Rechtecksignale +M (F i g. 2 c) und — M

ίο (F i g. 2d), die den anderen Eingängen des Synchrondemodulator zugeführt werden.

Zunächst sollen die Probleme erläutert werden, die bei der Synchrondemodulation solcher Signale mit den bisher üblichen Schaltungen auftreten.

F i g. 1 zeigt eine Doppeltriode T₀, deren Anoden und Katoden miteinander verbunden sind, einerseits direkt an den positiven Pol einer Gleichspannungsquelle und andererseits über einen Widerstand i?₄ an den negativen Pol dieser Quelle angeschlossen sind.

Die Gitter g_t und g₂ sind gleichstrommäßig über Widerstände i?₃₁ bzw. R₃₂ an Masse gelegt. Das Gitter^ empfängt das Signal S über den Widerstand R₁₁ und den Kopplungskondensator C₁! und das Signal M über den Widerstand R₂₁ und den Kopplungskondensator C₂₁. In völlig symmetrischer Weise empfängt das Gitter g₂ das Signal — S über den Widerstand R₁₂ und den Kondensator C₁₂ und das Signal —M über den Widerstand i?₂₂ und den Kondensator C₂₂. Die Schaltungselemente R₁₂, i?₂₂, R₃₂, C₁₂ und C₂₂ sind den Schaltungselementen A₁₁, R₂₁. R₃₁, C₁₁ bzw C₂i gleich. Die Schaltungselemente R und C bilden ein Filter, an dessen Ausgang das Ausgangssignal Va abgenommen wird. An den Gittern gj undg₂ bestehen die Potentiale:

g₁ = λ M(t) + μ 5(0 ,

λ =

1 (^H + ^3l) +

R32)

= -λ M(t) - μ S(t)

Vl 2

Ra

+ ^₃₂) +
-^21 ' ^31

Das Potential V4 der gemeinsamen Katode (welches bis auf die Filterung dem Ausgangssignal des Demodulators entspricht) folgt bis auf eine feste Vorspannung dem Potential des positiveren Gitters.

In F i g. 2 zeigen die Kurven a, b, c, d die Signale S, —S, Mbzw. —M, die Kurven e und /die Potentiale V₉₁ und Vg₂ und die Kurve g das Potential Va als Funktion der auf der Abszisse aufgetragenen Zeit.

Das Potential Va ist gleich der Summe aus einer Gleichstromkomponente λ M₀ [wobei M₀ die Amplitude des RechtecksignalsM(0 ist] und einem Signal V(J), das aus dem Signal 5(ω f) schematisch durch die Anordnung von F i g. 3 erhalten werden kann. Diese enthält im wesentlichen einen zweipoligen Umschalter I mit vier Klemmen 1, 2 und Γ, 2', der mit der Grundfrequenz von S(<of) arbeitet, d. h. während der ersten Halbperiode in der Stellung 1, 1' und in der zweiten Halbperiode in der Stellung 2, 2' bleibt. Es läßt sich also sagen, daß das Signal V(f) dadurch erhalten wird,

daß μ S(ω t) mit der Übertragungsfunktion τ des Umschalters multipliziert wird. Diese Funktion ist ein Rechtecksignal der Periode T, das sich zwischen +1 und —1 ändert Somit gilt:

4 Γ 1

T = — cos ω t H—— cos 3 ω t π 3

V(t) = μ τ S(p t),

cos (2h +

2n

Va = M₀ + μ τ 5(α> /).

5 6

Nun hat S(cot) die Form:

S(co t) = S₁ sin (ω₀1 + φ,) + S₂ sin (2ω₀ 1 + cp₂) + S₃ sin (3 ω₀1 + <p₃) + · · ·, somit gilt:

Vd — λ M₀ + μ [S₁ sin(ω₀ 1 + ^₁) + S₂sin(2ci>₀i + cp₂) + S₃ sin (3 ω₀ ί + <p₃) + ]

4 / l 1

— cos ω t -\—;r- cos 3 ω t + —■ cos 5 ω ί + π \ i 5

Die Gleichstromkomponente des Signals am Ausgang des an die Katode angeschlossenen -RC-Filters hat den Wert:

2π

Va = M₀ + -^- /τ S (ω ί) rf (ω ί). ο

Die Rechnung zeigt:

— 2μ ί S₃ S₅

Va = M₀ H —- O₁ cos Qj₁ + -—- cos w₃ + —=- cos ι

π \ 3 5

Es ist zu erkennen, daß einerseits die Oberwellen der der Trioden T₀ und T₀ sind direkt mit dem positiven

Ordnungszahl In beseitigt sind und daß andererseits Pol der Speisespannung verbunden, während die

die Amplituden der Oberwellen der Ordnung (2 η -f- 1) gemeinsamen Punkte der Katoden über Widerstände R_t

durch (2n -f 1) dividiert sind. und i?₄' mit dem negativen Pol verbunden sind.

Wenn nun beispielsweise angenommen wird, daß in 25 Nach den zuvor angegebenen Beziehungen beträgt

den das Signal S (cot) liefernden Verstärker ein Tiefpaß- die Ausgangsspannung Y_d, welche in gleicher Weise

filter eingefügt ist, das die Oberwellen von der dritten aus der Spannung Vd erhalten wird: Ordnung an beseitigt, und daß das ,RC-Filter so aus- . ,

geführt ist, daß RC > -±-ist, erhält man am Ausgang _q Va = λ M₀ + -^- S₁ cos _Ψι - [λ' M₀ - -£-cos _Ψι dieses Filters eine Gleichspannung mit

A' =

χ=

- S₁ cos _Ψι. R^₁ (Ai₁ + i?3i)

i ₀ +

35 R¹ . R¹

f J\<2 ·"» XV3 2

Da M₀ im allgemeinen ziemlich groß gegen 5(ω t) μ = — -ψ- ·

ist, damit die Linearität des Demodulators in einem ¹² ^ ^{22 32}^ ^{22 32}

beträchtlichen Bereich gewährleistet ist, ist das so „, ■,.,■·, ~ ·, , ^ j 1

erhaltene Signal T_d sehr empfindlich für Änderungen , ^Wfⁿ f^ie .,^be'^den ,^Tei1? ^des Demodulators streng

, gleich sind, gut Λ = λ und μ = μ, woraus sich ergibt:

von M₀. Für M₀ = 20 Volt und ^- S₁ cos ^₁ = 2 Volt ⁴

⁷¹ 4 u ergibt beispielsweise eine Änderung des Wertes von M₀ Vd = S₁ cos ^₁.

um 5 °/₀, also um 1 Volt, eine Änderung der Amplitude ^π

des demodulierten Signals um 1 Volt, d. h. eine Änderung, die derjeniger gleichwertig ist, die eine Zunahme 45 ^Dies bedeutet, daß das Ausgangssignal unabhängig des zu demodulierenden Signals um 50% hervorge- ^{von M}o ist. Wenn eine geringfügige Unsymmetrie rufen hätte. Dies bedeutet, daß eine Schwankung von besteht, kann man schreiben: M₀ eine sehr beträchtliche Auswirkung haben kann. .

F i g. 4 zeigt eine Synchrondemodulatorschaltung f~_d = A (^ _|_ _μ') _cos φ₁ + Μ₀(λ — λ')

nach der Erfindung. Diese Schaltung enthält zwei 5° ^π

Doppeltrioden T₀ und T₀, die der Triode T₀ von mit
F i g. 1 gleich sind und die Gitter g_lt g₂ bzw. g_lf g₂' λ — λ'

haben. ^{ε ==} ~χ ;

Die Gitter g_x und g₂ empfangen wie im Fall von ..
F i g. 1 die Signale S und M bzw. — S und — M über 55 ^
die gleichen Widerstände und Kapazitäten. _{Vd =} A („ _{+ μ}') S₁ cos _Ψι + ελΜ₀.

Die Gitter g₁ und g₂ empfangen über gleichartige π

Schaltungselemente einerseits die Signale +S und — M
und andererseits die Signale — S und +M. Die Empfindlichkeit von V_d für M₀, also -^f ist

In dieser Darstellung sind die gleichen Schaltungs- 06 ^d °

elemente wie in der Darstellung von F i g. 1 mit den durch — dividiert, das sehr groß ist. Wenn beispielsgleichen Bezugszeichen versehen, und entsprechende .,._.,, , , _π · Bezugszeichen mit dem Indexstrich bedeuten gleich- ^weiif ^die Zflenwerte des zuvor angegebenen Beiartige Elemente in der Schaltung der Triode T₀'. ^sP^iels 8^{ewahlt werden:}

Zur deutlicheren Darstellung ist in dieser Figur das 65 λ M₀ = 20 Volt,

Ausgangsfilter nicht gezeigt. Es ist demjenigen von „

F i g. 1 gleich und in gleicher Weise so angeschlossen, —IL. S₁ cos φ₁ = 2 Volt,

daß ihm die Spannung Vd zugeführt wird. Die Anoden ^π

und unter der Annahme ε = 0,05, was einer üblichen Größenordnung entspricht, gilt:

Y_d = 5 Volt.

Wenn angenommen wird, daß λ M₀ von 20 Volt auf 21 Volt schwankt (also um 5%)> folgt daraus für ψ~_α eine Schwankung um 0,05 Volt, also mit einem relativen Wert von nur 1 %■

Die Erfindung ist natürlich nicht auf das dargestellte und beschriebene bevorzugte Ausführungsbei- xo spiel beschränkt. Insbesondere kann die Demodulatorschaltung in gleichartiger Weise mit zwei Gruppen von zwei Transistoren oder mit anderen Röhrentypen aufgebaut sein.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Synchrondemodulatorschaltung für mit einer Hilfsmodulationsschwingung konstanter Periode modulierte Gleichspannungssignale, bei welcher dem zu demodulierenden Signal ein rechteckiges Hilfssignal der gleichen Periode überlagert wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwei gleiche Doppeltrioden vorgesehen sind, die parallel an eine gemeinsame Gleichspannungsquelle angeschlossen sind, daß das zu demodulierende Signal S(t) über .RC-Filter den ersten Gittern der beiden Doppeltrioden zugeführt wird, daß das durch Polaritätsumkehrung des zu demodulierenden Signals erhaltene Signal — S(t) über zwei .RC-Filter den zweiten Gittern der beiden Doppeltrioden zugeführt wird, wobei sämtliche .RC-Filter die gleiche Bemessung aufweisen, daß das Hilfssignal M{t) über .RC-Filter dem ersten Gitter der ersten Doppeltriode und dem zweiten Gitter der zweiten Doppeltriode zugeführt wird, und daß das durch Polaritätsumkehrung des Hilfssignals erhaltene Signal —M(t) über .RC-Filter dem zweiten Gitter der ersten Doppeltriode und dem ersten Gitter der zweiten Doppeltriode zugeführt wird, wobei sämtliche .RC-Filter einander gleich bemessen sind.

2. Synchrondemodulatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Doppeltrioden durch Festkörperbauelemente oder Transistoren ersetzt sind und daß die Signale S, M und —S, — M in gleichartiger Weise den Basen der vier Transistoren zugeführt werden, welche paarweise die Funktion jeweils einer der Doppeltrioden übernehmen.

3. Synchrondemodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Doppeltrioden durch Mehrelektroden-Doppelröhren mit Steuergittern ersetzt sind, denen die Signale S, M und —S,—M in gleicher Weise wie den Gittern der Doppeltrioden zugeführt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

609 759/294 1.67

' Bundesdruckerei Berlin