DE2046790A1

DE2046790A1 - Schaltungen zur Anzeige der Nei gungsnchtung eines Teiles einer analo gen elektrischen Schwingung

Info

Publication number: DE2046790A1
Application number: DE19702046790
Authority: DE
Inventors: Charles McDonald Scotia NY Puckette (V St A)
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1969-09-29
Filing date: 1970-09-23
Publication date: 1971-04-01
Also published as: US3659209A

Description

General Electric Company 159 Madison Ave., New York N.T. 10 016 USA

l8.September 1970 PT-BK/Wgr/ki BK 7Ο/94

Schaltungen zur Anzeige der Neigungsrichtung eines

Teiles einer analogen elektrischen Schwingung ä

Die Erfindung betrifft Schaltungen zur Anzeige des Ansteigens bzw. des Abfallens eines Wertes, vorzugsweise der Spannung, in einem Teilbereich einer analogen elektrischen Schwingung. Diese Schaltungen werden nachstehend vereinfachend mit dem Oberbegriff Neigungsanzeiger, die Schaltung zur Anzeige des Ansteigens als Stcigungsanzeiger und die Schaltung zur Anzeige des Abfallens als Abfallanzeiger bezeichnet.

Die Erfindung umfasst in einer Weiterbildung eine Schaltung zur Anzeige der Neigung Null oder des Gleichbleibens eines Wertes in einem Teilbereich einer elektrischen Schwingung unter Verwendung von Schaltungen der eingangs beschriebenen Art. Das Gleichbleiben eines Wertes in einer analogen elektrischen Schwingung ist im allgemeinen gleichbedeutend mit dem Wechsel

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der Ne igung sr leitung des Eurvewrer laufe s« Es kann- daher mit einer solchen Schaltung der Zeitptmkt des Auftretens von Spitzenwerten in der elektrischen Schwingung angezeigt werden. Vereinfachend wird diese Schaltung daher nachstehend als Spitzenanzeiger bezeichnet.

Es gibt eine Reihe von Fällen, In denen es notwendig oder wünschenswert ist, das jeweilige Ansteigen, Abfallen oder Gleichbleiben des Wertes innerhalb eines Teiles einer analogen elektrischen Schwingung festzustellen und anzuzeigen. Ein Neigungsanzeiger kann, beispieleweise als Teil eines Codierers für Deltamodulation verwendet werden.

In Rechteckform auf eine Ubertragangsstrecke gegebene Binärzeichen werden infolge der Eigenschaften der Strecke verformt und erhalten dadurch eine einem analogen Signal ähnliche Form. Durch einen Spitzenanseiger kann im Empfänger einer Anlage zur synchronen Datenübertragung aus dem empfangenen, verformten Kurvenzug ein Regelkennzeichen gewonnen werden, durch das der Kurvenverlauf der Zeitbasis selbsttätig nachgeregelt wird. Diese automatische Phasennachstellung des: Kurvenverlaufes der Zeitbasis kann beispielsweise erfolgen auf Grund der Feststellung des Zeitpunktee des Auftretens von Spitzenwerten dem empfangenen Signeis und der Bildung eines dem seitlichen unterschied zwischen diesem Zeitpunkt und des durch eine Taktimpulsfolge gegebenem Abtastzeitpunkt·* verhültnisg,leichen Fehiersignals.

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Der Spitzenanzeiger kann auch angewandt werden in Verbindung mit der Abtast- und Haltetechnik bei der Bildübertragung, wobei die Schaltung eine durch Amplitudenmodulation eines Trägere übermittelte Information feststellt. Hierbei werden die Spitzenwerte der sinusförmigen Trägerschwingungen ermittelt und bis zum Auftreten des nächsten Spitzenwertes in einem Kondensator gespeichert, dieser Vorgang wiederholt und dabei eine stufenweise Annäherung an die umhüllende Kurve erreicht.

Es sind Schaltungen bekannt, die ein der Ableitung des Eingangs- ä signales verhältnisgleiches Ausgangssignal liefern, jedoch haben diese Schaltungen den Nachteil, dass sie nur in begrenzten Bandbreiten arbeiten und auch die Bewältigung grösserer Dynaraikbereiche Schwierigkeiten macht.

Andere Schaltungen, wie sie z.B. durch die US-PS 3,33^,298 bekannt sind, verwenden zum Feststellen einer Kurvenform Suchfilter (matched filter) und unterscheiden sich damit von der erfindungsgemässen Lösung.

Die Aufgabe dieser bekannten Schaltungen ist zwar ähnlich der vorliegenden und diese Schaltungen werden gelegentlich auch für die genannten Anwendungszwecke verwendbar sein, während jedoch die bekannten Schaltungen dazu dienen, die Kurvenform oder deren·Ableitung festzustellen, ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Ansteigen oder das Abfallen eines

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Teiles einer analogen elektrischen Schwingung festzustellen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist das Feststellen des Gleichbleibens eines Teiles einer analogen elektrischen Schwingung oder das Feststellen des Zeitpunktes des Auftretens eines Spitzenwertes einer analogen elektrischen Schwingung, die durch eine ' Weiterentwicklung der erfindungsgemässen Schaltung gelöst wird.

Die erfindungsgemässe Schaltung zum Feststellen und Anzeigen des Ansteigens bzw. Abfallens eines Wertes, vorzugsweise der Spannung, in einem Teilbereich einer analogen elektrischen Schwingung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie als wesentliche Baugruppe einen an sich bekannten Differenz-Spannungsvergleicher und ein an sich bekanntes Verzögerungsnetzwerk enthält, dass der Eingang der Schaltung mit einem der zwei Eingänge des Differenz-Spannungsvergleichers unmittelbar und mit dem zweiten Eingang über das Verzögerungsnetzwerk verbunden ist, dass die Verzögerungszeit des Verzögerungsnetzwerkes klein ist gegenüber der Dauer einer Periode des Eingangssignales, wobei je nach Wahl der unterschiedlichen Eingänge des Spannungsvergleichers für die unmittelbare Verbindung bzw. die Verbindung über das Verzögerungsnetzwerk mit dem Eingang der Schaltung der Spannungsvergleicher entweder beim Ansteigen oder beim Abfallen des Eingangewertes ein Signal abgibt.

Aufbau und Wirkungsweise der erfindungsgemässen Schaltungen werden nachstehend anhand von Zeichnungen näher beschrieben. In

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den Zeichnungen sind vergleichbare Teile gleich bezeichnet. Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 den Übersichtsstromlauf einer Schaltung zum Feststellen des Ansteigens des Eingangssignales, eines Steigungeanzeigers,

Fig.2 den Übersichtsstromlauf einer Schaltung zur Anzeige der Neigung Null, eines Spitzenanzeigers, und

Fig. 3 eine Reihe von Schwingungeformen an verschiedenen Punkten der Schaltung nach Fig. 2

Der Steigungsanzeiger nach Fig. 1 enthält als für die Erfindung wesentliche Baugruppen einen Differenz-Spannungsvergleicher 10 und ein Verzögerungsnetzwerk 11. Der Spannungsvergleicher 10 hat zwei mit "+" bzw. "-" bezeichnete Eingänge und gibt ein Ausgangssignal nur dann ab, wenn die dem Eingang "+" zugeführte Spannung positiv ist gegenüber der gleichzeitig dem Eingang ™ "-" zugeführten Spannung« Das Verzögerungsnetzwerk 11 hat eine gegenüber der Periodendauer dee Eingangssignales der Schaltung ausreichend kleine Verzögerungszeit Δ, beispielsweise kleiner als 0,05 mal der Dauer einer Periode des zu überwachenden Signales. In der Schaltung ist die Verwendung eines Differenz-Spannungsver gleichere mit Kippeigenechaft und nicht etwa «aines Differenzveretärkers wesentlich, da eich bei Verwendung eines Differenzvsrstärkerβ in Verbindung mit der kleinen Varzögemmgezeit Δ Schwierigkeiten in Bezug auf VarstMrkungegrad, Pegol

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und des Dynamikbereiches der Schaltung ergeben würden.

Das dem Eingang E des Steigungsanzeigers nach Figt 1 zugeführte Signal gelangt erstens unmittelbar an den Eingang "+'· und zweitens über das Verzögerungsnetzwerk 11 um die Zeit Δ verzögert an den Eingang "-" des Spannungsvergleichers 10. Damit liegen an den Eingängen des Spannungsvergleichers 10 zu jedem Zeitpunkt zwei zu um die Zeitdaier Δ 10 unterschiedlichen Zeitpunkten dem analogen Eingangssignal entnommene Werte, und zwar am Eingang "-" ein früher, am Eingang "+" ein später entnommener Wert. Ist der spätere Wert positiv gegenüber dem vorhergehenden, so steigt die Kurve des Eingangssignales in dem durch die Verzögerungszeit Δ des Verzögerungsnetzwerkes 11 gegebenen Teil der Kurve und der Steigungsanzeiger gibt an seinem Ausgang A ein Signal ab.

Die Wirkungsweise des Steigungeanzeigers kann mathematisch wie folgt beschrieben werden, wobei ein sinusförmiges Eingangssignal der Form

X(t) =A sin wt (1)

angenommen wird.

Die Spannungsdifferenz Ue an den Eingängen des Spannungsvergleichers kann dann ausgedrückt werden als:

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Ue = A sin ot - A sin {ω £t-AJ ) (2)

Die Gleichung (2) ergibt umgeformt:

Ue = A sin oat (1-cos ωΔ) + A cos tot sin ωΔ (3)

Vorausgesetzt, dass Δ genügend klein ist, um die Forderung ω Δ ^Kl au erfüllen, kann die Gleichung (3) angenähert durch

Ue ?Ά in Δ cos rot (4)

wiedergegeben werden, wobei «5 die Frequenz des analogen Eingangssignales ist. Es entspricht daher die Spannungsdiffereiu an den Eingangsklemmen des Sp ^,^iingavergleichers der Ableitung des analogen Eingangssignales der Si:'- .;-^an? »·χ\ ti;^lisi©rt ϊε:·.ϊ einem Verstärkungsfaktor (Δ). Aus ami Qitic^»*,«, -j*. ? ^Λ 5 end V'.; ist ersichtlich, dass während der Zeit, in der r*.: .■ «>£■ pi*s.i1,-ist - und der Vergleicher ein Signal abgibt -, die analoge Eingangs spannung sin wt ansteigt iind daher *iie Schaltung nach f Fig. 1 als Steigungsanzeiger wirkt« Die Forderung, da^iS ωΔ viel kleiner als 1 sein soll, wird durch das Begrenzen der- Yerssögerungszeit Δ auf weniger als 0,05 mal der Dauer einer Peri-cde des Eingangssignales erfüllt.

Die Schaltung eines Abfallanzeigers entspricht der Schaltung aiaes Steigungsanzeigers nach Fig. 1 mit dem Unterschied, dass

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die unmittelbare Verbindung vom Eingang E der Schaltung zum Spannungsvergleicher 10 an dessen Eingang"-'¹ führt, während das Verzögerungsnetzwerk 11 in die Verbindung zwischen dem Eingang E der Schaltung und dem Eingang "+" des Spannungsvergleichers eingefügt ist. Es liegen dann an den Eingängen des Spannungsvergleichers zu jedem Zeitpunkt ebenfalls zwei zu um die Zeitdauer Δ unterschiedlichen Zeitpunkten dem analogen Eingangssignal entnommene Werte, jedoch am Eingang '·+" ein früher und am Eingang "-" ein später entnommener Wert· Ist der spätere Wert negativ gegenüber dem vorhergehenden, so fällt die Kurve des Eingangssignals in dem durch die Verzögerungszeit Δ des Verzögerungsnetzwerkes 11 gegebenen Teil der Kurve und der Abfallanzeiger gibt an seinem Ausgang ein Signal ab.

Das einwandfreie Arbeiten des Spmnnungsvergleichers in den Neigungeanzeigern setzt voraus, dass die ihm zugeführten Spannungen zumindest verhältnispielen zu den Werten des analogen Eingangssignales sind. Die unvermeidbare Dämpfung des Verzögerungsnetzwerkes vor einem Eingang des Spannungsvergleichers bedingt daher einen Ausgleich des Dämpfungeunterschiedes zwischen dem Eingang des Neigungeanzeigers und den Eingängen des Vergleichers durch ein dem zweiten Eingang des Vergleichere vorgeschaltetes Widerstandsnetzwerk.

Dem Eingang des Spannungevergleicherβ ohne vorgeschaltetem Ver-

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zögerungsnetzwerk kann ein Siebglied vorgeschaltet sein, das Rückwirkungen von diesem Eingang über das Verzögerungsnetzwerk auf den anderen Eingang beim Umschalten dem Vergleichers verhindert»

Der Spitzenanzeiger nach Fig. 2 besteht aus je einem Steigungsanzeiger nach Fig. 1 und einem Abfallanzeiger mit Verzögerung*- netzwerken mit gleichen Verzögerungszeiten, die mit ihren Eingängen E und Ea parallel auf den Eingang Xs geschaltet sind und deren Ausgängen A und Aa eine logische Schaltung 12 nachgeschaltet ist_f die ein Ausgangssignal As nur dann abgibt, wenn keiner der Neigungsanzeiger ein Signal abgibt.

Zwischen dem Eingang Es des Spitzenanzeigers einerseits und den Eingang E des Steigungsanzeigers und den Eingang Xa des Abfallanzeigers andererseits kann vorteilhaft eine an sich bekannte, in Fig. 2 nicht dargestellte Entkopplerschaltung eingefügt sein, die Rückwirkungen von den Eingängen des einen auf die Eingänge des anderen Spannungsvergleicherβ bei deren Um- " schalten verhindert.

Die Wirkungsweise des Spitzenanzeigers beruht darauf, dass die Spannungsvergleicher 10 und 10a eine nicht zu vermeidende Ansprechschwelle haben und erst bei Spannungsunterschieden einer bestimmten Mindestgrösse an ihren Eingängen umschalten» Bei sehr geringen Neigungen der zu überwachenden Kurve, sie ».te beiderseits einer Spannungsspitze vorliegen, gibt daher kainer der

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Neigungsanzeiger ein Signal ab. Die ihnen nachgeschaltete logische Schaltung 12 ist beispielsweise «ine ODER-NICHT-Schaltung, die •in Ausgangeeignal nur dann abgibt, wenn an keinen ihrer lingttnge ein Signal anliegt. Daher ist das Ausfangssignal As der logischen Schaltung 12 ein Impuls, der asu den Zeitpunkt auftritt, in dem keiner der Neigungsanzeiger ein Signal abgibt, weil sie weder eine Steigung noch einen Abfall des Eingangs- ^ signals Ss ausreichender Grosse feststellen, das heisst, die Ausgangsimpulse der logischen Schaltung 12 liegen in der Mitte des Bereiches, in dem der Wert des Analogsignals am Eingang Es nahezu gleichbleibt.

Die Fig. 3 zeigt beispielhafte Schwingungsformen an verschiedenen Punkten eines Spitzenanzeigers nach Pig. 2, die zum Teil, da der Spitzenanzeiger einen Steigungsanzeiger und einen Abfallanzeiger enthält, auch für die Neigungsanzeiger gelten.

P Die Kurve 3*1 zeigt eine analoge Sinusschwingung am Eingang E

eines Neigungsanzeigers oder am Eingang Ss eines Spitzenanzeigers. Singetragen hierzu sind ferner angenommene Schwellenspannungen d der Spannungsvergleicher in diesen Schaltungen.

Die Kurve 3*2 zeigt das Signal am Ausgang A eines Steigungsanzeigers nach Fig. 1, gleich dem Punkt A in Fig. 2, die Kurve das Signal am Ausgang eines Abfallanzeigers, gleich dem Punkt Aa

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in Fig. 2 und die Kurve 3·^ das Signal am Ausgang As eines Spitzenanzeigers nach Fig. 2, jeweils abhängig vom Eingangssignal nach Kurve 3·1·

Während im gezeigten Eingangssignal der Kurve 3·1 die Halbwellen jeweils gleich lang sind, werden wegen der Ansprechschwelle der Spannungsvergleicher die Ausgangssignale der Neigungsanzeiger in den Kurven 3.2 und'3«3 gegenüber den Pausen verkürzt. Die dadurch entstehenden Lücken in der Summe der Kurven 3*2 und 3·3 erlauben, wie bereits beschrieben, die Anzeige der Spitzen durch die in Kurve 3·^ gezeigten Impulse»

Die logische Schaltung 12 des Spitzenanzeigers nach Fig. 2 gibt dann einen Impuls ab, .wenn in keinem der zwei Neigungsanzeiger die Schwellenspannung an den !Umgängen der Spannungsvergleicher 10 bzw. 10a überschritten wird. Vox-aii^xesetet _s dass die Schwellenspannungen d beider Spannungsvergleieher nn«.' h. ^rzogerT't'^zeit Δ beider Verzögerungsnetzwerke 11 bzw. 11a gleich ijross IäuI, errechnet sich die Dauer t der Impulse als

t =

A ω ²Δ

Die Impulsdauer t ist, wie zu erwarten, umgekehrt proportional sowohl der Amplitude A des Eingangesignales und der Verzögerungszeit Δ der Ferzögerungsnetzwerkei sie ist ferner umgekehrt proportional dem Quadrat der Frequenz w des Eingangssignales und proportional der Schwellenspannung d.

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Die Anwendung der Neigung«- und Spitzenanzeiger ist selbstverständlich nicht auf Sinusschwingungen beschränkt.

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Claims

Patentansprüche

lV Schaltuns zum Festetellen und Anzeigen des Ansteigens bzw. Abfallens eines Wertes, vorzugsweise der Spannung, in einem Teilbereich einer analogen elektrischen Schwingung, dadurch gekennzeichnet, dass sie als wesentliche Baugruppen einen an sich bekannten Differenz-Spannungsvergleicher (10) und ein an sich bekanntes Verzögerungsnetzwerk (11) enthält, dass der Eingang (E) der Schaltung mit einem der zwei Eingänge des * Differenz-Spannungsvergleichers (10) unmittelbar und mit dem zweiten Eingang über das Verzögerungsnetzwerk (ll) verbunden ist, dass die Verzögerungszeit des Verzögerungsnetzwerkes (11) klein ist gegenüber der Dauer einer Periode des Eingangssignales, wobei je nach Wahl der unterschiedlichen Eingänge ( + , -) des Spannungsvergleichers (10) für die unmittelbare Verbindung bzw. die Verbindung über das Verzögerungsnetzwerk (11) mit dem Eingang (E) der Schaltung der Spannungsvergleicher entweder beim Ansteigen oder beim Abfallen des Eingangswertes ein Signal abgibt. ™

2) Schaltuns zum Anzeigen der Neigung Null oder des Gleichbleibens eines Wertes in einem Teilbereich einer analogen elektrischen Schwingung, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung besteht aus je einer Schaltung zum Feststellen des Ansteigens und einer Schaltung zum Feststellen des Abfallens eines Wertes in einem Teilbereich einer analogen elektrischen Schwingung nach

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Anspruch 1, dass die Schaltungen zum Feststellen des Ansteigens bzw. des Abfallens eines Wertes eingangsseitig parallel geschaltet und ihre Ausgänge mit je einem Eingang einer logischen Schaltung (12) verbunden sind, die ein Ausgangssignal nur dann* abgibt, wenn keine der Schaltungen zum Feststellen des Ansteigens bzw. des Abfallens eines Wertes ein Signal abgibt.

3·)Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Eingang des Spannungsvergleichers ohne vorgeschaltetes Verzögerungsnetzwerk ein Widerstandsnetzwerk mit einer der Dämpfung des Verzögerungsnetzwerkes gleichen Dämpfung vorgeschaltet ist.

k) Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Eingang des Spannungevergleichers ohne vorgeschaltetes Verzögerungsnetzwerk ein Siebglied vorgeschaltet ist.

5) Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingänge der Schaltung zum Feststellen des Ansteigens und der Schaltung zum Feststellen des Abfallens eines Wertes gegenseitig durch an sich bekannte Mittel entkoppelt mit dem Eingang der gesamten Anordnung verbunden sind.

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