DE1910019C - Schaltungsanordnung zur Demodulation von frequenz modulierten Signalen - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Schaltungs- Pulsphasenmodulation in Pulsdauermodulation beanordnung zur Demodulation von frequen^modu- kannt, durch ein gesteuertes Speichern in einem Konlierten Signalen durch Messung der Zeitdauer zwi- densator die Ijnpulsfrequenzänderungen in Impulsschenzwei Nulldurchgängen des frequenzmodulierten daueränderungen umzusetzen (Hölzler-Holz-Signals und Bildung eines von der Zeitdauer zwi- 5 warth, »Theorie und Technik der Pulsmodulation«, sehen den Nulldurchgängen abhängigen Gleichspan- 1957, S. 434 bis 437).
nungssignals. Schließlich ist es auch bei der Pulslängenmodula-

Zur Datenübertragung wird häufig die Frequenz- tion bereits bekannt, mit Hilfe eines Tiefpasses das

modulation verwendet. Dabei wird zwischen zwei Modulationssignal direkt aus den längenmodulierten

oder mehreren Frequenzen umgetastet. Die Über- ii Impulsen zu gewinnen (Meinke-Gundlach,

tragung innerhalb des Fernsprechnetzes mit einem »Taschenbuch der Hochfrequenztechnik«, 1956,

Frequenzbereich von 300 bis 3400 Hz findet vielfach S. 1099, 1102 und 1103).

Anwendung. Die steigenden Übertragungsgeschwin- Bei geringen Frequenzschwankungen der einzelnen

digkeiten stellen an die Empfangseinrichtung, ins- Umtastfrequenzen, Spannungs-, Temperatur- oder

besondere an den Demodulator und die Filteranord- 15 Bauteileschwankungen kann ebenfalls die »Totzeit«

nungen, große Anforderungen. des Nulldurchgangsdiskriminators ausgelöst werden.

Es ist bisher bekannt, Frequenzdiskriminatoren Dei bekannte Nulldurchgangsdiskriminator zeigt eine

für die Demodulation des frequenzmodulierten sogenannte »Totzeit«. Hierbei löst ein während der

Signals zu verwenden. Es sind dies auf die Umtast- Impulszeit der monostabilen Kippschaltung auftreten-

frequenzen abgestimmte Schwingkreise, deren Aus- ao der Nulldurchgang keinen neuen Impuls aus, da die

gangsspannungen gleichgerichtet werden. Nach einem Impulszeit größer ist als der zeitliche Abstand zwi-

Tiefpaßfilter entsteht das binäre Ausgangssignal. Bei sehen zwei Nulldurchgängen. Dies führt dazu, daß für

größeren Übertragungsgeschwindigkeiten schwingen eine Frequenz, die nur wenig höher als die Grenz-

die Filter oder Schwingkreise des Frequenzdiskrimi- frequenz ist, nur jeder zweite Nulldurchgang einen

nators nicht mehr ein, so daß Verzerrungen ent- 35 neuen Impuls auslöst. Daher ergibt sich für diese

stehen. Außerdem ist der Aufwand für den Frequenz- Frequenzen die halbe Ausgangsspannung wie bei

diskriminator seur groß. Eine Änderung der Umtast- Frequenzen, die wenig kleiner als die Grenzfrequenz

Irequenzen erfordert ebenfalls ine Veränderung an sind, so daß eine Mehrdeutigkeit bei der Demodu-

der Abstimmung des Diskrminators. lation auftritt. Gleichzeitig wird dabei die Verzer-

Weiterhin sind für die Breitbai,Jübertragung Null- 30 rung erhöht. Eine Temperatur- und Spannungsstabidurchgangsdiskriminatoren bekannt, die ein sehr lisierung der monostabilen Kippschaltung ist sehr aufgutes Einschwingverhalten zeigen. Ein Nulldurch- wendig und würde die im Prinzip des Nulldurchgangsdiskriminator benutzt eine monostabile Kipp- gangsdiskriminators liegende »Totzeit« nicht zum lchaltung, der das frequenzmodulierte, begrenzte Verschwinden bringen.

Empfangssignal zugeführt wird und die bei jedem 35 Aufgabe der Erfindung ist es, einen Diskriminator Nulldurchgang des Signals auslöst. Bei einer Fre- aufzuzeigen, der ähnlich dem Nulldurchgangsdiskri- «juenzänderung des Eingangssignals entsteht eine minator arbeitet, jedoch eine größere Unemprindlichfulsdichleänderung im Ausgangssignal der mono- keit hinsichtlich Temperaturschwankungen, Speise-Itabilcn Kippschaltung. Durch Integration dieser Spannungsschwankungen und Bauteileschwankungen fulsfolgc mit einem idealen Tiefpaß entsteht am Aus- 40 zeigt und die weiter oben beschriebene »Tctzeit« vergang des Tiefpasses eine Spannung, die der momen- meidet.

tanen Frequenz des Empfangssignals direkt propor- Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß eine an sich

ional ist. Fine bekannte Schaltungsanordnung eine bekannte elektronische Schaltstufe bei jedem NuII-

dcrartigen Diskriminators besitzt einen Begrenzcrver- durchgang des frcquenzmodtilierten Signals ein Zeit-

Itärker, ein Differenzierglicd und eine Umkehrstufe, 45 glied freigibt, daß das Zeitglied nach einer Sägezahn

tfic die Impulse mit der gleichen Polarität bildet. Der kurve aufgeladen wird und beim nächsten Nulldurch-

iionostabilen Kippschaltung ist eint Ausgangstreiber- gang des frequenzmodulierten Signals ein erster elek-

■tufe und eine Integrationsstufe nachgeschaltct. Die Ironischer Schalter die Aufladung des Zeitgliedes

Ausgangstrciberstufc steuert einen Sägezahngene- unterbricht und das Zeitglied rasch entlädt und daß

falor dem ein Rückstcllgenerator für die mono- 50 beim Oberschreiten einer bestimmten Spannungs-

■labile Kippschaltung folgt (USA.-Patentschrift schwelle durch die sägezahnförmige Spannung des

3 099 800). Zcitglicdes ein /weiter elektronischer Schalter eine

Fs sind bereits Schiiltungsanordminpcn für die bestimmte Gleichspannung vom Zeitpunkt des Über-

Zcitiiiessung mittels einer Sägezahnspannung und die schreitens der Spiinmingsschwcllc bis 7iir Entladung

Gewinnung einer Gleichspannung aus Impulsen 5S des Zeitgliedes durch den nächsten Nulldurchgang

unterschiedlicher Dauer mit Hilfe eines Tiefpasses des frequenzmodulierten Signals an einem Tiefpaß

prinzipiell bekannt (USA.-Patentschrift 2 500 53ft anlegt.

und »Electronic Engineering«, Mai l%ft, S. 307 bis Der Patentschutz erstreckt sich nur auf das Zu-

3(W). Diese Art der Zeitmessung hat den Niiclileil, sanimenwirken der in der Lösung beanspruchten

diiH die entstehende Gleichspannung nicht direkt pro- 60 Merkmale sowie die vorteilhafte Ausgestaltung ein-

porlional /iir Empfangsfrcqucn/ ist. Daraus ergibt zelner Merkmale entsprechend den Unlcrnnsprüchen.

sich, dall nach dem Tiefpaß ein größerer Trägcrrcsl Ein selbständiger .Schulz der verwendeten Elemente

einsieht und somit dns Verhältnis des Tiiigerresles und der Gegenstände der Unlernnsprüche wird nicht

/iir Glcichspuimuiig ungünstiger wird. Dadurch wird beansprucht.

der Wiikiingsgrad des Demodulator!« verschlechtert, 65 [>i_c neue Schaltungsanordnung ersetzt den Nullwas eine l.ihühiing der Verzerrung und der Fehler- diirchgangsdiskriminntor hinsichtlich Ounliliil und mte zur Folge hat. Aufwand. Die übertragungsgeschwindigkeit kann in

Hs ist wcilciliiu bereits bei der Umwandlung von einem großen Bereich schwanken. Es tritt keine »Toi-

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zeit« auf. Der Demodulator ist unabhängig von Tem- (F i g. 2c), so ergibt sich die Gleichspannung U hinter

peratur- und Speisespannungsschwankungen, unemp- dem Tiefpaß TP für die Frequenz / zu

Bildlicher gegen Frequenz- und Bauteileschwankun- U = Uo(I-I ■ 21) t · 21 1

gen. Der Demodulator besitzt eine lineare Kennlinie, ^l

so daß keine Laufzeitverzerrungen auftreten. Das 5 Aus dieser Beziehung geht hervor, daß die Aus-Empfangssignal weist somit eine wesentlich geringere gangsspannung des Tiefpasses linear von der Fre-Verzerrung auf, verglichen mit dem Nulldurchgangs- quenz abhängt. Für Frequenzen, die größer als die diskriminator. Bei Änderung der Ubertragungsge- Grenzfrequenz /g sind, erreicht die Ausgangsspanschwindigkeit arbeitet der Demodulator einwandfrei. nung den Wert Null. Dabei ist die Grenzfrequenz
Die statische Kennlinie des Demodulators kann durch io .
eine einfache Zusatzeinrichtung verändert werden. Es /g = _-.
ist eine exakte Zuordnung der entstehenden Gleich- 2t
spannung zu einer bestimmten Frequenz möglich, da

die Gleichspannung direkt proportional -:ur Emp- In Fig. 2c ist noch eine zusätzliche Schwellspanfangsfrequenz ist. Das Zeitglied kann jederzeit in den 15 nung Uz eingezeichnet, die eine Veränderung der sta-Ausgangszustand zurückgestellt und erneut sofort tischen Kennlinie des Demor!"lators ermöglicht. Diese gestartet werden. Die Einstellung und Abstimmung zweite Spannungsschwelle vz bewirkt, daß die Imdes Demodulators ist besonders einfach, da lediglich pulse, die hinter der Schwellwertschaltung (SW in der Schwellwert eingestellt wird. Der bekannte Null- Fig. 1) an den Tiefpaß(TP) abgegeben werden durchgangsdiskriirnr.ator kann auf einfache Weise auf ao (Fig. 2d), eine bestimmte Zeitdauer nicht unterden erfindungsgemäßen Demodulator umgestellt «"hreiten. Es entsteht eine Begrenzung in der Impulswerden, dauer. Beim Aufladevorgang durch das Zeitglied (ZG

Einzelheiten der Erfindung werden an Hand von in Fig. 1) wird beim Überschreiten der ersten Spanvorteilhaften Ausführungsbeispielen, die in den nungsschwelle Us, wie oben ausgeführt ist, die Span-Figuren dargestellt sind, erläutert. 35 nung Uo (Fig. 2d) an den Tiefpaß durchgeschaltet.

Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild der erfindungs- Beim Überschreiten der zweiten Spannungsschwelle

gemäßen Schaltungsanordnung; Uz wird die Spannung Uo vom Eingang des Tief-

Fig. 2a bis 2e zeigen das zu Fig. 1 gehörende passes(TP) abgeschaltet. Das Zeitglied beginnt beim

Zeitdiagramm; nächsten Nulldurchgang des frequenzmodulierten

Fig. 3 zeigt ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel 30 Signals (Fig. 2a) mit dem neuen Aufladevorgang,

des Demodulators mit den wesentlichen Stufen; und am Tiefpaß erscheint die Spannung Uo, wenn die

F i g. 4 zeigt ein vollständiges Ausführungsbeispiel Schwellspannung Us überschritten wird.
des erfindungsgemäßen Demodulators. Eine weitere Möglichkeit für die Änderung der stain Fig. 1 gelangt das frequenzmodulierte Emp- tischen Kennlinie des Demodulators besteht darin, fangssi₆nal nach dem Empfangsfilter auf den Ein- 35 die Dauer der Impulse abhängig von der Zeit zu än-[ung E des Begrenzerverstärkers B. Das am Ausgang dem, für die die zweite Spannungsschwellc Uz überdes Begrenzerverstärkers S auftretende Signal besitzt schritten wird. Dies wird mit Hilfe eines oder mehsteile Flanken und ist in Fig. 2a dargestellt. Die rerer einfacher Zeitglieder, beispielsweise monostanachfolgcnde Impulsformerstufe IF bildet von den biler Kippschaltungen, gelöst.

einzelnen Nulldurchgängen des begrenzten Signals *o Die Fig. 3 zeigt ein vorteilhaftes Ausführungsimpuise (Fig. 2b), die das nachgeschaltete Zeit- beispiel für das Kernstück des Demodulators, nämgiicd ZG steuern. Das Zeitglied ZG lädt sich linear lieh das Zeitglied ZG und die Schwellwertschalauf und wird durch jeden am Ausgang der Impuls- Hing SW. Am Eingang El des Transistors Γ1 liegen formerstufe auftretenden Impuls in die Nullage zu- die von der Impulsformerstufe abgegebenen Impulse riickgestellt. so daß das Zeitglied eine sägezahnför- 45 (Fig. 2b) an. Die Steuerimpulse schalten den Tranmige Spannung (Fig. 2c) liefert. Die sägezahnför- sistor Π kurzzeitig in den leitenden Zustand, so daß mige Spannung liegt am Eingang einer Schwellwert- der Kondensator Cl rasch über die leitende Kollekschaltung .W. Überschreitet die lineare Auflade- :or-Emitter-Strecke des Transistors entladen wird, spannung einen Schwellwert Us (Fi g. 2c), so schaltet Nach dem Aufhören des Impulses ist der Trandie Schwellwertstufe eine bestimmte Spannung Uo 50 sistor Π wieder gesperrt, so daß sich der Kondcnan den fiefpaß (TP). Die SpannungUobleibt solange satorCl über den Transistor 72 und den Stromvorhanden, bis die Entladung des Zeitgliedes durch begrenzungswiderstand Al₁ von der Speiscspandcn nachfolgenden Impuls beendet ist. Die Span- nung UB her, aufladen kann. Der Transistor Tl nung Ut> erscheint am Eingang des Tiefpasses erst bildet eine Konstantstromqucllc, um eine lineare <\ufdatin wieder, wenn ein neuerliches Überschreiten der 55 ladung des Kondensators C1 zu ermöglichen. Der Spannungsschwelle durch die Aufladespannung er- Transistor T3 mit seinem Emitu-rwiderstand R 2 folgt ist. Das von der Schwellwertschaltung abgcgc- dient lediglich zur Temperaturkompensation. Bei benc Signal zeigt Fig. 2d, Der Tiefpatt integriert einer Temperaturänderung ändern sich die Busisvciriiber die Au3pangsspannung der Schwellwertschaltung spannungen der Transistoren Tl und T 3 gegenläufig, und bildet ein Ausgangssignal (Fig. 2e), das am Aus- 60 Sofern keine hohen Ansprüche an die Temperatiirgang Λ abgenommen wird. Unabhängigkeit gestellt werden, sind die beiden

Bei einem binären Datensignal wird eine Trigger- Punkte ti I und Bl miteinander zu verbinden. lis einschaltung nachgcschaltet, die das Ausgangssignal ab- fälit dann der Transistor T3 und der Widerstand K 2. lastet und steile Planken des binären Datensignal Der Spannungsteiler mit den Widerstanden R 3 erzeugt. 65 und R 4 !eitei von der Speisespannung Uli das Uiisis-

Bczeichnet mau die Zeit, die vergeht, bis die Aus- potential für den Transistor Γ3 ab, damit sich dieser

gangsspnnnung des Zeitgliedes nach dein Rückstellen im leitenden Zustand befindet. Die Schwellwcrtschal-

die Spannungsschwellc Us wieder erreicht hat, mit / tung ist als rückgekoppelter Differenzverstärker mit

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den beiden Transistoren 74 und 75 ausgeführt. Der Widerstand R S stellt den Emitterwiderstand für beide Transistoren dar. Die WiderständeR6 und RI bilden die Kollektorwiderstände und sind mit der Speisespannung UB verbunden. An der Basiselektrode des Transistors 74 liegt die sägezahnförmige Aufladespannung des Kondensators Cl, während an der Basiselektrode des Transistors 75 ein bestimmter Spannungswert (Us in F i g. 2c) eingestellt ist, der aus der Speisespannung mit Hilfe des Spannungsteilers/??, RS und Ä9 gebildet wird. Dieser Spannungsschwellwert hält den Transistor 75 im leitenden Zustand. Sobald die Ladespannung des Kondensators Cl (Fig. 2c) den Schwellwert überschreitet, wird der bisher gesperrte Transistor 74 leitend und der Transistor 75 gesperrt. Dieser Zustand dauert bis zum Zeitpunkt des Unterschreitens des Spannungsschwellwertes an und erfolgt bei der Entladung des Kondensators Cl. Am Ausgang Ai entsteht die Spannung U, die in Fig. 2d dargestellt ist. Die Spannungsunabhängigkeit dieser Schaltung wird dadurch erreicht, daß sowohl die Spannung am Kondensator als auch die Schwellwertspannung des rückgekoppelten Differenzverstärkers nach einer bestimmten Ladezeit des Kondensators direkt proportional zur Betriebsspannung ist.

F i g. 4 zeigt ein vollständiges Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Demodulators. An die Eingangsklemmen £1 und £2 gelangt das gegenphasige, frequenzmodulierte Empfangssignal, das am Ausgang eines Gegentaktverstärkers abgenommen wird. Über die Glieder Al, Cl und Rl, Cl gelangen die Flanken des begrenzten Signals an die beiden Transistoren 71 und 72, die als Impulsformerstufen arbeiten. Die Dioden Dl und Dl bilden eine zusätzliche Begrenzung, damit auftretende Impulsspitzen, die von Störungen herrühren, die Transistoren nicht gefährden. An den Kollek'orwiderständen R 3 und R A entstehen abwechselnd die positiven Impulse. Nachfolgend werden über den Kondensator C3 bzw. C4 die positiven Impulse über die Dioden D 3 und D 4 dem Zeitglied zugeführt. Die beiden Dioden D3 und DA werden über die Spannungsteilerwiderstände R 5 und R 6 bzw. R 7 und R 8 mit einer bestimmten positiven Spannung gesperrt. Sobald der über den Kondensator C 3 bzw. C 4 gelieferte Spannungsimpuls den Sperrwert überschreitet, wird der Impuls an die Basis des Transistors 73 gegeben, der durch den Impuls in den gesperrten Zustand geschaltet wird. Dadurch sinkt der Spannungsabfall am Widerstand R10, und der Spannungsabfall am Spannungsteiler mit den Widerständen RIO, RH und J? 12 ändert sich. Das führt dazu, daß der Transistor 74 an der Basis in den leitenden Zustand gesteuert wird. Über den Transistor 74 entlädt sich der Kondensator C5 für die Dauer des Ansteuerimpulses am Transistor 73. Nach dem Aufhören des Impulses kehrt der Transistor 73 in den leitenden Zustand zurück, und der Transistor 74 wird wieder gesperrt, so daß sich der Kondensator C 5 über den Widerstand R14 von der Speisespannung +UB her aufladen kann. Die Schwellwertstufe besteht aus den Transistoren 75. 76 und stellt einen rückgekoppelten Differenzverstärker mit dem gemeinsamen Emitterwiderstand/? 16 dar. Die Spannungsteilerwiderstände R15, /?17 und Λ 18 bilden den Spannungsschwellwert an der Basiselektrode des Transistors 76. Beim Überschreiten des Spannungssclwellwertes durch die I.adespannung des Kondensators C 5 wechseln die Steuerzustände der Transistoren 75 und 76, so daß die Spannung am Widerstand Äl9 den Transistor 77 leitend steuert oder sperrt. Die Diode DS sorgt für eine siche're Sperrung des Transistors 77. Der Transistor 77 schaltet den positiven Pol der Betriebsspannung + UB an den Widerstand R 20, wodurch im durchgeschalteten Zustand der Spannungswert + UB und im gesperrten Zustand der Spannungswert — UB ent-

steht. Durch die Diode Db wird der Widerstand Ä21 kurzgeschlossen, wenn die Spannung -UB am Widerstand R 20 auftritt. An der Kollektorelektrode entsteht die Ausgangsspannung (Fig. 2d), die am nachgeschalteten Tiefpaß anliegt. Der Tiefpaß besteht

is aus den Induktivitäten Ll und Ll, den Kondensatoren C 6, C7, CB, C9 und ClO und dem Abschlußwiderstand R 22. Am Ausgang A entsteht das demodulierte Datensignal (Fig. 2e), das, nach einer Abtastung durch eine Schmitt-Trigger-Stufe regene-

ao riert und mit steilen Flanken versehen, für die Auswertung, beispielsweise Ausgabe durch einen Drukker, zur Ve-fügung steht.

Die Schaltungsanordnung läßt sich generell überall dort anwenden, wo eine frequenzmodulierte Span-

«5 nung in eine Gleichspannung umgewandelt werden soll. So erfolgt beispielsweise die Drehzahlmessung durch eine von der Drehzahl abhängige Frequenzmodulation und anschließende Umwandlung in eine Gleichspannung. Bei dieser Messung besitzt die be-

schriebene Schaltungsanordnung für die Auswertung sehr vorteilhafte Bedingungen, da die Gleichspannung direkt proportional zur Frequenz ist. Dies bedingt einen einfachen Aufbau des anzeigenden Meßgerätes

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Demodulation von frequenzmodulierten Signalen durch Messung der Zeitdauer zwischen zwei Nulldurchgängen des frequenzmodulierten Signals und Bildung eines von der Zeitdauer zwischen den Nulldurchgängen abhängigen Gleichspannungssignals, dadurch gekennzeichnet, daß eine an sich bekai^te elektronische Schaltstufe bei jedem Nulldurchgang des frequenzmodulierten Signals ein Zeitglied freigibt, daß das Zeitglied nach einer Sägezahnkurve aufgeladen wird und beim nächsten Nulldurchgang des frequenzmodulierten Signals ein erster elektronischer Schalter die Aufladung des Zeitgliedes unterbricht und das Zeitglied rasch entlädt und daß beim Überschreiten einer bestimmten Spannungsschwelle durch die sägezahnförmige Spannung des Zeitgliedes ein zweiter elektronischer Schalter eine bestimmte Gleichspannung vom Zeitpunkt des Überschreitens der Spannungsschwelle bis zur Entladung des Zeitgliedes durch den nächsten Nulldurchgang des frequenzmodulierten Signals an einen Tiefpaß anlegt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine an sich bekannte Begrenzerstufe (B) das frequenzmodulierte Signal begrenzt, daß eine an sich bekannte Impulsformerstufe (IF) aus den Flanken des begrenzten Signals Impulse einer Polarität (positiv oder negativ) bildet, daß diese Impulse kurzzeitig einen Transistor(71 in Fig. 3), der parallel zum Kon-

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densator des Zeitgliedes geschaltet ist, leitend steuern, daß der Kondensator an einem Eingang eines Differenzverstärkers liegt, während am andren Eingang des Differenzverstärkers der Abgriff eines Spannungsteilers (Ä7, /?8, Λ 9) ange- S schaltet ist, der aus der Betriebsspannung einen Spannungsschwellwert (Us) bildet, und daß am Kollektorwiderstand des einen Transistors des Differenzverstärkers ein Tiefpaß (TP) angeschaltet ist. ι»

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator des Zeitgliedes in Serie mit einer Konstantstromquelle (71, Al, UB) liegt, daß als Konstantstromquelle ein Transistor (Tl) angeschaltet ist und daß die Steuerspannung für den Transistor (T2) durch

einen komplementären Transistor (T3) entsteht (Fig. 3).

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das. Ausgangssignal des Tiefpasses an eine Schmitt-Trigger-Stufe angeschaltet ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Überschreiten einer zusätzlichen Spannungsschwelle durch die sägezahnförmige Spannung des Zeitgliedes ein dritter elektronischer Schalter die bestimmte Gleichspannung vom Eingang des Tiefpasses abschaltet und daß beim nächsten Nulldurchgang des frequenzmodulierten Signals der dritte elektronische Schalter das Zeitglied zur Aufladung freigibt.

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Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 109 685/276