DE2051443A1 - Elektrische Filterschaltung - Google Patents

Description

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Aktienges3llsobaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)

Elektrische Filterechaltung

Die Erfindung oetrifft eine elektrische Filterschaltung, bestehend aus mindestens zwei eingangsseitig parallel geschalteten, unterscni.edliche Durchlasscharakteristiken aufweisenden Bandpassfiltern und Schaltmitteln zur wahlweisen Verbindung eines Bandpassfilter-Ausgangs mit einer Ausgangs-Sammelschiene.

Hauptanwendungsge^iet für elektrische Pilterschaltungen sind die Hoch- und Niederfrequenz-Technik sowie die allgemeine Messtechnik. In der letztgenannten tritt häufig das Problem auf, aus einem Frequenzgemisch das Nutzsignal auszusieben und es unverzerrt einer Veraroeitungseinrichtung zuzuführen. Zur Lösung dieser Aufgabe sind oereits zahlreiche Einrichtungen vorgeschlagen worden. All diese Einrichtungen versagen jedooh, wenn die Frequenz des Nutzsignals von vornherein nicht bekannt ist oder der Frequenzbereich des Nutzsignals

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sich üoer mehrere Dekaden erstrecken kann. Das Vorstehende legt es nun nahe, den in Frage kommenden Frequenzbereich des Nutzsignals in einzelne Teilbereiche aufzuteilen, beispielsweise durch Bandpassfilter mit sich gegenseitig üoerdeckenden Eckfroquenzen, und jeweils den Bandpassfilter mit der Verarbejtungseinrichtung zu verbinden, in dessen Durchlassbereich das Nutzsignal gelegen ist. Als Kriterium für das Zuschalten eines Filters muss - falls die Frequenz des Nutzsignals nicht bekannt ist - die Grosse der Amplitude an den Bandpassfilter-Ausgängen verwendet werden.

Derartige Einrichtungen - man könnte sie mit Filterbank bezeichnen - sind oereits realisiert worden/ Die Umschaltung der einzelnen Bandpassfilter erfolgte dabei von Hand, nach Massgabe der Ausgangsspannungen an den einzelnen Bandpassfiltern. Die Nachteile einer manuell betätigten Filterbank liegen auf der Hand:

Es sind leicht Bedienungsfehler möglich, insbesondere dann, wenn die Frequenz des Nutzsignals schnellen Aenderungen unterworfen ist,

Keine Möglichkeit der Eingliederung der Filterbank in einen automatischen Messprozess.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die Nachtelle des Bekannten zu vermeiden und eine elektrische Filterschaltung der ein- « gangs genannten Art anzugeben, die selbsttätig arbeitet.

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Die vorgenannte Aufgabe lässt sich erfindungsgemäss dadurch lösen, dass eine Logik-Schaltung zur Steuerung der Uebergabe der Ausgangssp-innung des Bandpassfilters, in dessen Durchlassbereich die Eingangsspannung einen einstellbaren Pegel überschritten hat, zur Sperrung der restlichen Spannungspfade und zur Wiederherstellung der Uebergabebereitschaft, wenn die Ausgangsspannung des durchgeschalteten Bandpassfilters unter den genannten Pegel gefallen ist, vorgesehen ist.

Besondere Ausführungsarten der Erfindung ergeben sich aus dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel einer elektrischen Filterschaltung in Verbindung mit dessen Beschreibung.

Es zeigt die Figur eine beispielsweise Ausführungsform einer aus drei Bandpassfiltern mit zugehöriger Logikschaltung aufgebauten elektrischen Filterschaltung.

Die Eingangsspannung U„ wird den drei parallel geschalteten

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Eingängen der drei Bandpassfilter 1,11,21 zugeführt. Die Eckfrequenzen des Bandpassfilters 1 sind mit f₁ und f₂, die des Bandpassfilters 11 mit T₂ und f,, die des Bandpassfilters 21 mit f, und fj^ bezeichnet. Die einzelnen Durchlassbereiche D,, ^ix» ^21 ^überdeclcen sich an den Eckfrequenzen.'

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Als Bandpassfilter können beispielsweise konventionell aufgebaute, d.h. aus passiven Elementen wie Induktivitäten, Kapazitäten und ohmschen Widerständen bestehende Bandpassfilter verwendet werden. Vorteilhaft ist es, aktive RC-Filter (Elektronik 1970, Heft 5, S. 149 - 152) vorzusehen.

Der Ausgang des ersten Bandpassfilters 1 ist einerseits mit dem Eingang eines ersten Komparators 2, andererseits mit dem Eingang eines ersten Analog-Tores 7 verbunden. Der Vergleichseingang des ersten Komparators 2 liegt an einer in ihrer Spannung U einstellbaren Spannungsquelle. Der Ausgang des ersten Komparators ist mit dem ersten Eingang E-, eines ersten UND-Glieds 3 verbunden. Der Ausgang des ersten UND-Glieds 3 ist an den Eingang eines ersten Single-Shot-Flipflop 4 angeschlossen. Unter Single-Shot-Flipflop wird hier und im weiteren eine monostabile Kippstufe verstanden, die durch jeden, während ihrer Eigenzeit einlaufenden Impuls neu getriggert wird. Der Q-Ausgang des ersten Single-Shot- Flipflop 4 ist einerseits mit dem S-Eingang eines ersten Set-Reset-Flipflop 5, andererseits mit dem ersten Eingang E, eines ersten ODER-Glieds 16 und dem ersten Eingang E, eines zweiten ODER-Glieds 26 verbunden. Der Q-Ausgang des genannten ersten Set-Reset-Flipflop 5 ist mit dem Steuereingang des ersten Analog-Tores 7, dessen Ausgang an einer Ausgangssammelschiene liegt, verbunden.

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Weiterhin ist der Ausgang des ersten ODER-Glieds 6 mit dem R-Eingang des genannten ersten Set-Reset-Flipflop 5 verbunden. An den Q-Ausgang des genannten ersten Single-Shot-Flipflop 4 sind der zweite Eingang Ep eines zweiten UND-Glieds 13 sowie der dritte Eingang E, eines dritten UND-Glieds 23 angeschlossen.

Die sich an den zweiten und dritten Bandpassfliter anschliessenden Stufen sind in gleicher Weise wie die? soeben beschriebene Stufe aufgebaut:

Der Ausgang des zweiten Bandpassfilters 11 ist einerseits mit dem Eingang eines zweiten !Comparators 12, andererseits mit dem Eingang eines zweiten Analog-Tores 17 verbunden. Der Vergleichseingang des zweiten Komparators 12 liegt an der gleichen Spannung U . Der Ausgang des zweiten Komparators 12 ist mit dem ersten Eingang E, eines zweiten UND-Glieds 13 verbunden. Der Ausgang dieses UND-Glieds 13 ist an den Eingang eines zweiten Single-Shot-Flipflop 14 angeschlossen, dessen Q-Ausgang einerseits mit dem S-Eingang eines zweiten Set-Reset-Flipflop 15, andererseits mit dem ersten Eingang E, eines dritten ODER-Glieds 6 und dem zweiten Eingang des zweiten ODER-Glieds 26 verbunden ist. Der Q-Ausgang des genannten zweiten Single-Shot-Flipflop 14 ist mit dem zweiten Eingang Ep des ersten UND-Glieds 3 und dem zweiten Eingang Ep des dritten UND-Glieds 23 verbunden.

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Der Ausgang des dritten ODER-Glieds 6 ist mit dem R-Eingang des zweiten Set-Reset-Flipflop 15 verbunden, an dessen Ausgang der Steuereingang des zv;eiten Analog-Tores 17 angeschlossen ist. Der Ausgang dieses Analog-Tores 17 liegt an der bereits erwähnten Ausgangssammelschiene A.

Der Ausgang des Bandpassfilters 21 ist einerseits mit dem P Eingang eines dritten Komparators 22, dessen Vergleiehseingang mit den Vergleichseingängen der beiden anderen Komparatoren 2 und 12 verbunden 1st, andererseits mit dem Ein~ gang eines dritten Analog-Tores 27 verbunden. Der Ausgang des Komparators 22 ist mit dem ersten Eingang E, des dritten UND-Glieds 23 verbunden. An den Ausgang dieses UND-Glieds ist der Eingang eines dritten Single-Shot-Flipflop 24 angeschlossen, decsen Q-Ausgang mit dem S-Eingang eines dritten Set-Reset-Flipflop 25 verbunden ist. Der Q-Ausgang des W genannten dritten Single-Shot-Flipflop 24 ist mit dem dritten Eingang E, des ersten UND-Glieds 3 und dem dritten Eingang E, des zweiten UND-Glieds 13 verbunden. Der R-Eingang des dritten Set-Reset-Flipflop 25 ist dem Ausgang des zweiten ODER-Glieds 26 verbunden. An den Q-Auegang des dritten Set-Reset-Flipflop 25 ist der Steuereingang des dritten Analog-Tores angeschlossen, dessen Ausgang mit der Auegangssammelschiene A verbunden 1st.

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Um die Funktionsbeschreibung der oben beschriebenen Schaltungsanordnung zu vereinfachen, sind die Ausgangsspannungen (Ausgars£3irr,pulse) der Bausteine wie folgt bezeichnet: Spannung (Impuls) am Ausgang des Bausteins i : U., Negation der Spannung (des Impulses) U. : U.. Die Wirkungsweise, ebenso der Aufbau der einzelnen Bausteine wird nicht näher erläutert, da sämtliche Bausteine zum Stande der Technik zu zählen sind.

Im Ruhezustand seien die Spannungen U₁,...,IL, U,,,...,U, _c

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und Up, ,... ,U-.J- gleich Null. Damit ist auch die Spannung U. an der Ausgangssammelschiene A gleich Null. Die Eingangsspannung U₁-, an der Eingangssammelschiene E bestehe aus einem

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Frequenzgemisch, in dem das Nutzsignal die absolut grösste Amplitude (grosser als U ) aufweist. Beim Anlegen dieser Eingangsspannung U₁, ändert beispielsweise der erste Kompa- rator 2 seinen Ausgangszustand von "0" auf "l". Dies bedeu tet, dass die Frequenz des Nutzsignals im Durchlassbereich D, des ertsen Bandpassfilters 1 liegt und dass die Nutzsig nal-Amplitude am Ausgang dieses Bandpassfilters grosser ist, als die am Vergleichseingang des !Comparators 2 anliegende Spannung U . Der Komparator 2 fällt dann wieder in seinen Ausgangszustand ("0" am Ausgang) zurück, wenn U₁ kleiner als U ist. Da U, im allgemeinen eine Wechselspannung ist, ent-

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stehen am Ausgang des Komparators 2 Up-Impulse mit einer Pulsbreite kleiner als die halbe Periodendauer von U,. Die

e passieren das UND-Glied 3 und setzen den Single-Shot-Flipflop 4 hoch (U₄ = "l", U₁^ = "0"). Damit wird auch der Set-Reset-Flipflop 5 hoch gesetzt (U_c = "l") und U₁- bewirkt nun das Schliessen der Verbindung zwischen Bandpassfilter 1 und Ausgangssammelschiene A mittels des Analog-Tores 7. Dieses Analog-Tor, ebenso wie die Analog-Tore 17 und 27 kann man sich im einfachsten Fall als Relais mit einem Arbeitskontakt vorstellen, wobei die Spannung U^ die Relaisspule erregt.

Während des Zeitraumes, in dem das Bandpassfilter 1 mit der Ausgangssammelschiene A verbunden ist, muss nun Sorge getragen werden, dass die restlichen Spannungspfade, d.h. die Verbindungen von Bandpassfilter 11 und Bandpassfilter 21 zur Ausgangssammelschiene A gesperrt sind. Dies erfolgt durch die UND-Glieder 13 und 23. Ist der Single-Shot-Flipflop 4 gesetzt» so ist seine Spannung U^ am Q-Ausgang gleich Null. Damit sind der zweite Eingang E₂ des UND-Glieds 13 und der 4rUte Eingang S, des dritten UND-Olieda 23 ebenfalls "0". Ein U,„-bzw. U₂₂-Impuls könnte also die beiden UND-Glieder nicht passieren, während der Q-Ausgang des Single-Shot-Flipflop 4 sich im "O"-Zustand befindet. Am UND-Glied 3 ist hingegen die UND-Bedingung beim Eintreffen eines Ug-Impulses erfüllt, da die am zweiten und dritten Eingang anliegenden

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Spannungen U,^ und Up₄ gleich "l" sind. Die Zeit, wänrend der die UND-Glieder Γ5 und 23 "gesperrt" werden, ist von der Eigenzeit des Single-Shot-Flipfiop k abhängig. Diese Eigenzeit muss grosser sein als eine volle Periode der Eckfrequenz f, des Bandpassfilters 1, um überhaupt eine volle Periode der Spannung U, auf die Ausgangssammelsehiene A zu übergeben. Um Schaltunsicherheiten zu vermeiden wählt man diese Eigenzeit jedoch um den Paktor 2 bis 3 grosser.

Hat nun die Spannung U₁ den Pegel U unterschritten, so bleibt zwar der Spannungspfad Ausgang des Bandpassfilters 1 zur Ausgangssammelschiene A geschlossen, die gesamte Schalrungsanordnung wird jedoch mittels ODER-Glied 6 vorbereitet, um einen anderen Bandpassfilter mit der Ausgangssammelschiene A zu verbinden. Nach Ablauf der Eigenzeit des Singleshot-Flipflop 4 ist U₄ = "0", U₄ = "1". Entsteht nun z.B. ein U-,2~I^mP^ul^s* d.h. liegt die Frequenz des Nutzsignals im Durchlassbereich des Bandpassfilters 11 und ist die Ausgangsspannung υ,-ν dieses Filters grosser als U , so ist die ÜND-Bedingung am UND-Glied 13 erfüllt, der U₁₂-Impuls kann das UND-Glied 13 passieren und setzt als U,,-Impuls den Single-Shot-Flipflop 14 hoch (U₁₄ = "1", Ü"_l4 = "O". U₁₄ bewirkt die Sperrung der UND-Glieder 3 und 23, U₁₄ setzt über die ODER-Glieder 6 und 26 die Set-Reset-Flipflops 5 und 25 auf Null

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zurück - dar. letztere natürlich nur dann, wenn es vorher gesetzt war. U,^ bewirkt weiterhin das Setzen des 3et-Reset-PHpflop 15 (U₁- = "1") und schliesst die Verbindung zwischen Bandpassfilter 11 und der Ausgangssair.melschiene A.

Das hier beschriebene Ausführungsbeispiel ist mit drei Bandpassfiltern bestückt. Werden η Bandp^ssfilter, beispiels-

^ weise zur Erhöhung der Selektivität, eingesetzt, so sind

eine entsprechende Anzahl Komparatoren, UND-Glieder, Single-Shot-Flipflops, ODER-Glieder, Set-Reset-Plipflops und Analog-Tore vorzusehen. Die UND-Glieder müssen dann η Eingänge, die ODER-Glieder (n-1) Eingänge aufweisen. Die UND-Glieder sind dann auf folgende Weise zu schalten:.

Das r-te UND-Glied ist mit seinem ersten Eingang mit dem Ausgang des r-ten Komparators, sein Ausgang mit dem Eingang des r-ten Single-Shot-Flipflop, seine übrigen Eingänge je- ™ wells mit den Q-Ausgängen der restlichen (n-1) Single-Shot- Flipflops zu verbinden.

Die ODER-Glieder sind wie folgt zu beschälten:

Das r-te ODER-Glied ist mit seinem Ausgang mit dem R-Eingang des r-ten Set-Reset-Flipflop, seine (n-1) Eingänge sind mit den Q-Ausgängen der anderen Single-Shot-Fliflops (mit Ausnahme des r-ten) zu verbinden.

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Claims (1)

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   Patentansprüche

   V 1.J Elektrische Filterschaltung, bestehend aus mindestens sv.-ei eingangs seit; ig parallel geschalteten, unterschiedliche Durchlasscharakteristiken aufweisenden Eandpassfiltern und Schaltmitteln zur wahlweisen Verbindung eines Eandpassfilter— Ausgnags wit einer Ausgangssanmelschiene, gekennzeichnet durch eine Logik-Schaltung zur Steuerung der Uobergabe der Auogangsspannung (U-,, U-., ü„J des liandpassfiiters (1,11,21), in dessen Durcluassbereich die besagte Bandpass-filter-Ausgar.gaspanr.ung einen einstellbaren rogel (ü ) überschritten hat, zur Sperrung der restlichen Spannur.gspfade und zur Wiederherstellung der Uebergabebereitschaft, wenn die Ausgangsspannung des durchgeschalteten Bandpass filters unter den genannten Pegel gefallen ist.

   2. Elektrische Filterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeden Bandpassfilter (1,11,21) je ein Komparator (2,12,22,), ein UND-Glied (3,13,23), ein Single Shot-Flipflop (4,14,24), ein Set-Reset-Flipflop (5*15,25) ein ODER-Glied (6_t16,26) und je ein Analog-Tor (7_tl?»27) «ugeordnefc

   3, Elektrische Filterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dä3S die obere Grenzfrequenz (ί^₊₁) de» i-ten Band passfilters mit der unteren Grenzfrequenz (Γΐ₊ι) ^des (i+D-ten Bandpassfilters zuöftwnenfÄllt.

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   4.'Elektrische Filterschaltung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle von η Bandpass filtern die UND-Glieder (3,13,23,...) η Eingänge aufweisen, die ODER-Glieder (6,16,26),...) (n-1) Eingänge aufweisen.

   5· Elektrische Filterschaltung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenzeit des dem i-ten Bandpassfilters zugeordneten Single-Shot-Flipflop grosser ist, als die Periodendauer der unteren Grenzfrequenz (f.) des i-ten Bandpassfilters.

   Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie.

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