DE2309767A1 - Schwellwertschaltung fuer signalempfaenger, insbesondere fuer tonfrequenzsignalempfaenger in fernsprechanlagen - Google Patents

Description

Patentanwalt

Dipli- Phys. Leo Thul

Stuttgart 2309767

D.Sellari, Jr.-H.K.Prost 6-1

INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK

Schwellwertschaltung für Signalempfänger, insbesondere für Tonfrequenzsignalempfänger in Fernsprechanlagen.

Die Erfindung betrifft eine Schwellwertschaltung für Signalempfänger, welche einem Bandpaßfilter nachgeschaltet ist und auf sinusförmige Spannungen anspricht, die einen bestimmten Schwellwert überschreiten, insbesondere für Tonfrequenzsignalempfänger in Fernsprechanlagen.

In bekannten Signalempfängern für Fernsprechanlagen werden Bandpaßfilter zur Selektion eines bestimmten sinusförmigen Signals verwendet, welches eines der bei der Mehrfrequenzwahl verwendeten Zeichen ist. Die von solchen Bandpaßfiltern ausgehenden Signale werden dann Schwellwertschaltungen zugeführt, die Ausgangssignale abgeben, wenn die sinusförmigen Eingangssignale bestimmte Schwellwerte überschreiten. Die Ausgangssignale dieser Schwellwertschaltungen gelangen dann zu Speicher- und Decodiereinrichtungen und dienen dort zur Erkennung der gerufenen Wählziffern.

Bei den bekannten Schwellwertschaltungen war die Benutzung extra dafür entwickelter Schaltungen erforderlich, die auch die Signale in die für die Speicherschaltungen geeignete

15.2.1973
Krü/Mr

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Form bringen mußten. Die Speicherschaltungen wiederum mußten Signale für die Decodiereinrichtungen erzeugen, an deren Ausgängen dann die gewünschte Rufnummer festgestellt wurde.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine bessere, mit einem Bandpaßfilter zusammenarbeitende Schwellwertschaltung anzugeben. So sollen Rückwirkungen auf das Bandpaßfilter vermieden werden. Fernen soll die Bandbreite des Signalempfängers und die Ausgangs spannung der Schwellwertschaltung konstant gehalten werden. Auch der Schutz gegen durch Störspannungen bedingte Änderungen der Eingangsspannung soll verbessert werden.

Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß

a) eine erste Vergleichsschaltung,die vom Ausgang des Bandpaßfilters zugeführte Eingangsspannung mit einer Referenzspannung vergleicht und ein Ausgangssignal abgibt, wenn diese Eingangsspannung gleich oder größer als die Referenzspannung ist,

b) eine Speicherschaltung das Ausgangs signal empfängt und speichert,

c) eine an die Speicherschaltung angeschlossene zweite Vergleichsschaltung die gespeicherte Spannung mit der Referenzspannung vergleicht und ein zweites Ausgangssignal abgibt, wenn die gespeicherte Spannung gleich oder größer als die Referenzspannung ist, und

d) der Ausgang der zweiten Vergleichsschaltung auf den Referenzspannungsanschluß der ersten Vergleichsschaltung derart rückgekoppelt ist, daß die Referenzspannung nach kleineren Schwellwerten hin verschiebbar ist.

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Da das genaue Ansprechen der Schwellwertschaltung und damit die Bandbreite des Signalempfängers von der Referenzspannung abhängig sind, schlägt die Erfindung ferner vor, die Referenzspannung an einem Abgriff eines an eine stabilisierte Gleichspannungsquelle angeschlossenen Spannungsteilers aus zwei Metallfilm-Widerständen niedriger Toleranz abzugreifen. Eine einfache Ausführung der Schwellwertschaltung ergibt sich dann, wenn gemäß der Erfindung die beiden Vergleichsschaltungen durch Operationsverstärker hoher Verstärkung gebildet sind, die im übersteuerten Bereich betrieben werden und dabei Ausgangsspannungen mit steil verlaufenden Potentialsprüngen abgeben, und wenn die Eingangsspannung dem nicht invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers, die Referenzspannung dem invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers und dem nicht invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers und das Ausgangssignal des ersten Operationsverstärkers über die Speicherschaltung dem invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers zugeführt ist.

Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung kann die Speicherschaltung zweckmässigerweise durch ein Parallel-RC-Glied gebildet werden, welches zum Ausgang der ersten Vergleichsschaltung hin mittels einer Diode entkoppelt ist. Die Rückwirkungen auf das Bandpaßfilter werden besonders gering, wenn gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung die erste Vergleichsschaltung an dem mit dem Bandpaßfilter verbundenen Eingang einen hohen Eingangsscheinwiderstand aufweist.

Um am Ausgang der Schwellwertschaltung immer definierte Verhältnisse zu haben, wird gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung die Amplitude des Ausgangssignals der zweiten Vergleichsschaltung mittels einer zwischen ihrem Ausgang und dem Ausgang der Schwellwertschaltung angeschlossnen Widerstand und einer zwischen dem Ausgang der Schwellwertschaltung und

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einer Vorspannungsquelle angeschlossenen Diode begrenzt.

Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher* erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine bevorzugte Schaltungsanordnung mit einem Bandpaßfilter und einer Schwellwertschaltung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung des Bandpaßfilters in Fig.l,

Fig. 3 den Frequenzgang des Bandpaßfilters und die Abhängigkeit des Durchlaßbereiches vom Schwellwert eines Operationsverstärkers, der an den Ausgang des Bandpaßfilters angeschlossen ist,

Fig. 4a die Amplitudenverhältnisse der sinusförmigen Eingangsspannung e. und der Referenzspannung El,

Fig. ^B die Ausgangsimpulse des ersten Operationsverstärkers, dem die Eingangssignale gemäß Fig.4A zugeführt werden,

Fig.5A bis 5B weitere Spannungsverläufe an verschiedenen Punkten der Schwellwertschaltung gemäß Fig.l,

Fig.6A bis 6E den Einfluß von Störspannungen auf die Eingangsund Ausgangssignale der Schwellwertschaltung,

Fig.7A und 7B den Fehler, der sich aus dem Versuch zur Korrektur der Ausgangsspannung der Schwellwertschaltung beim Erhöhen der Speicherzeit in der Schwellwertschaltung ergibt, und

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Fig. ΘΑ bis 8C den Effekt, der auftritt, wenn ein Teil der Ausgangsspannung der Schwellwertschaltung zur Abänderung der Referenzspannung zurückgespeist wird.

In Fig. 1 gelangt eine geeignete Eingangsspannung in Form einer Sinuswelle von einem Bandpaßfilter 2 über eine Ader zur Schwellwertschaltung, die rechts von der Ader 4 dargestellt ist. Die über die Ader 4 eingespeiste Sinusspannung gehört einem der Mehrfrequenzcodezeichen an, die anstelle von Wählimpulsreihen in vielen modernen Fernsprechapparaten und Fernsprechanlagen verwendet werden. Die Schwellwertschaltung vergleicht die ankommenden Tonfrequenzzeichen mit einer Referenzspannung El (am Punkt 5) und gibt ein Ausgangssignal ab, wenn die Sinusspannung gleich oder größer als die Referenzspannung El ist.

Aufgrund der Kennlinien eines Operationsverstärkers Al ist die zum Ansprechen dieses Operationsverstärkers erforderliche Spannung gleich der Referenzspannung von einigen Millivolt, Aus diesem Grunde wird die zum Ansprechen des Operationsverstärkers erforderliche Spannung im folgenden als Referenzspannung bezeichnet. Ferner bedeutet der Ausdruck "genügende Eingangsspannung ^e-;_n"> ^aß ^ie Eingangsspannung e· Igleich oder größer als die Referenzspannung ist.

Wenn der Spitzenwert der sinusförmigen Eingangsspannung e^_n gleich oder größer als die Referenzspannung El ist ,die am Abgriff eines aus zwei Widerständen Rl und R2 bestehenden, an eine Spannungsquelle Vcc angeschlossenen Spannungsteilers abgenommen wird, dann gibt der Operationsverstärker Al ein Ausgangssignal an eine Ausgangsader 6 ab. Dieses Ausgangssignal lädt einen Kondensator Cl über eine Diode Dl positiv auf. Danach gelangt jeweils eine Ladung zum Kondensator Cl, wenn die sinusförmige Eingangsspannung einen genügend hohen

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Spitzenwert erreicht.

Die R3-Cl-Zeitkonstante ist derart gewählt, daß der Kondensator Cl nicht unter einem kritischen Spannungswert während der negativen Halbwelle der Eingangsspannung e- entladen wird. Jede genügende positive Halbwelle der Eingangsspannung ^ein 1^k ^^en Kondensator Cl derart auf, daß ein Operationsverstärker A2 ein Ausgangssignal abgibt. Ein Teil der Ausgangsspannung am Punkt 8 des Operationsverstärkers A2 wird über eine Ader 10 und einen Widerstand R5 zum Operationsverstärker Al rückgekoppelt. Dieses rückgekoppelte Signal E2 vermindert die am Punkt 5 verfügbare Spannung El, so daß eine Referenzspannung E1-E2 entsteht. Daher wird der Schwellwert für die sinusföridge Eingangsspannung erniedrigt, so daß der Operationsverstärker Al schon auf kleinere Eingangsspannungen anspricht. Diese Rückkopplung dient zur Verhinderung fälschlicher Ausgangssignale (e_o, ) am Punkt 8 der Schwell-

el U. o

wertschaltung, wenn am Punkt ^ Geräuschspannungen und sinusförmige Eingangsspannungen gemischt auftreten.

Der Operationsverstärker A2 gibt an seinem Ausgang am Punkt einen negativen Spannungssprung ab. Eine Diode D2 begrenzt die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers A2 auf einen gewünschten negativen Wert -Vcc2.

Der Operationsverstärker Al weist einen hohen Eingangsscheinwiderstand (etwaiMtTl* ) auf. Dieser hohe Eingangsscheinwiderstand ist deshalb erwünscht um das Aufladen der vorangehenden Schaltung, des Bandpaßfilters 2, zu verhindern, welches die Eingangsspannung e. abgibt. Dieser hohe Eingangsscheinwiderstand ist besonders dann erwünscht, wenn die Eingangsspannung e· von einem aktiven Filter abgegeben wird.

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Erwünscht ist auch, daß die für das Ansprechen des Operationsverstärkers Al erforderliche Spannung sehr genau ist und sich nicht rerändert. Diese Spannung bestimmt nämlich die effektive Bandbreite des Bandpaßfilters 2. In Pig.2 ist als Beispiel eine Schaltungsanordnung eines Bandpaßfilters dargestellt. Die Kennlinien und die effektiven Bandbreitenänderungen in Abhängigkeit von verschiedenen Referenzspannungen sind in Fig.3 gezeigt.

Das in Fig.2 dargestellte Bandpaßfilter ist ein Bandpaßfilter zweiter Art und wird mit einer Rechteckspannung angesteuert. Es läßt die Grundwelle der Rechteckspannung durch und gibt somit eine sinusförmige Ausgangsspannung ab. Diese Ausgangsspannung wird dann als sinusförmige Eingangsspannung e^_n der Schwellwertschaltung in Fig.l zugeführt. Die Verstärkung des Verstärkers in Fig.2 wird durch eine Rückkopplung über einen Widerstand R22 und einen Widerstand R2O in Verbindung mit der Beziehung R22=(k-1)R2O beeinflußt. Bei der Filteranalyse sind dafür genaue Gleichungen entwickelt worden.

In Fig.3 ist gezeigt, daß eine Änderung der Referenzspannung eine Änderung der effektiven Bandbreite des Filters bewirkt. Wenn die effektive Bandbreite zu klein wird, dann spricht der Operationsverstärker Al auf gewiese Frequenzen nicht an, die für einen richtigen Betrieb solcher Systeme, wie Tonfrequenzfernmeßempfänger und Tonfrequenzempfänger, erforderlich sind. Wenn dagegen die Bandbreite zu groß wird, spricht der Operationsverstärker Al auf Frequenzen an, die ungünstig auf solche Eigenschaften wie Musik- und Sprachschutz einwirken. Der Wunsch nach der richtigen Bandbreite in den vorher erwähnten Systemen ist in technischen Aufsätzen geäußert worden, die sich auf Tastwahl-Fernsprechsysteme beziehen.

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Die Genauigkeit und Stabilität der Referenzspannung wird dadurch erreicht, daß eine stabilisierte Spannung Vcc, Metallfilm-Widerstände niedriger Toleranz im Spannungsteiler Rl, R2 und ein Operationsverstärker mit hoher Verstärkung verwendet werden.

Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers Al ändert sich vom Wert -Vccl zum Wert +Vcc bei jeder Halbwelle einer genügenden Eingangsspannung e. , wie es in den Fig,4A und 4b angedeutet ist. Jede Vorderflanke eines Ausgangsimpulses des Operationsverstärkers Al ist als Schrittfunktion gezeigt, doch wird dieser Ausgangsimpuls zur Ladung des Kondensators Cl benutzt, und daher ist die Vorderflanke eigentlich, wenn auch nur sehr gering_fabge£Lacht.

Zu Beginn wird der Kondensator Cl über einen Widerstand R3 entladen. Wenn die Spannung am Punkt 6 sich vom Wert -Vccl auf den Wert +Vcc ändert, wird der Kondensator Cl über die Diode Dl auf den Wert +Vcc aufgeladen. Wenn die Spannung am Kondensator Cl gleich oder größer als die Referenzspannung ist, gibt der Operationsverstärker A2 am Punkt 8 ein Ausgangssignal ab.

Da die über die Punkte 6 und 7 dem Operationsverstärker A2 zugeführte Eingangsspannung sonst als Reihe von nach positiverenWerten hingehenden Impulsen (Halbwellen der Eingangsspannung E- ) auftreten würde, ist die Zeitkonstante des R3-Cl-Gliedes derart gewählt, daß die Entladung des Kondensators Cl auf eine Spannung, die geringer als die Referenzspannung ist, während der Pausenzeiten zwischen den Impulsen verhindert wird. In den Fig.5A bis 5C sind Schaubilder gezeigt, die diese Verhältnisse wiedergeben.

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Wenn Geräuschspannungen (Fig.6A) zusammen mit der Eingangsspannung (Fig.6B) am Eingang des Operationsverstärkers Al auftreten und wenn die Summenspannung (Fig.6C) wenigstens gleich der Referenzspannung ist, kann die Geräuschspannung bewirken, daß einige Halbwellen der Eingangsspannung unterhalb der Referenzspannung (Fig.öC) bleiben. In diesem Fall fehlen Impulse am Ausgang des Operationsverstärkers Al (Fig.oD). Wenn ein Impuls vom Operationsverstärker Al fehlt, entlädt sich der Kondensator Cl über den Widerstand R3 auf einen Spannungswert, der unterhalb der Referenzspannung liegt, und daher tritt am Ausgang des Operationsverstärkers A2 der ursprüngliche Zustand, nämlich die Spannung +Vcc_fauf. Am Ausgang des Operationsverstärkers A2 tritt deshalb ein Impulsfehler auf (Fig.6E).

Diese Art des Ausgangssignals des Operationsverstärkers A2 wird "Doppelimpuls" genannt, da nun zwei Impulse auftreten, wo eigentlich nur ein Impuls auftreten darf. Ein derartiger Doppelimpuls ist für die logischen Schaltungen und die Zeitschaltungen unzulässig, die durch die Schwellwertschaltung in solchen Einrichtungen wie Tonfrequenzernpfänger betrieben werden. Zwar könnte die Zeitkonstante des R3-Cl-Gliedes vergrößert werden, um den Effekt des Doppelimpulses zu korrigieren, aber eine derartige Maßnahme würde eine Vergrößerung der effektiven Dauer des dem Operationsverstärker Al zugeführten Dauersignales ergeben. Dies ist in den Fig.7A und 7B gezeigt, in denen die vergrößerte Dauer des Signals am Ausgang des Operationsverstärkers A2 mit Tl bezeichnet ist.

Ein derartiges verlängates Ausgangssignal am Operationsverstärker A2 ist in solchen Einrichtungen wie Tonfrequenzempfängern unerwünscht,- weil solche Einrichtungen erfordern, daß die Eingangsspannung e^_n für eine gewisse Zeitspanne vorhanden

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ist. Diese Forderung nach einer bestimmter. Länge des Eingangsimpulses verhilft den Tonfrequenzempfängern zu einem guten Musik- und Sprachschutz . Die Verlängerung des Ausgangsimpulses am Operationsverstärker A2 über die Zeitkonstante des R3~Cl-Gliedes hinaus würde den Musik- und Sprachschutz bei Tonfrequenzempfängern verringern.

Um den Doppelimpuls zu vermeiden, ohne die Zeitkonstante des R3-Cl-Gliedes zu vergrößern, wird eine Rückkopplung benutzt. Ein Teil des Ausgangssignals (E2) des Operationsverstärkers A2 wird über den Widerstand R5 rückgekoppelt, wodurch die Referenzspannung El geringfügig vermindert wird. Daher genügt bereits eine kleinere Eingangsspannung E- für das Ansprechen des Operationsverstärkers Al. Diese Spannungsverhältnisse gehen aus den Fig.SA, 8B, dC hervor. Es sei darauf hingewiesen, daß keine Impulse fehlen (Fig.83) und daß es keinen Doppelimpuls am Ausgang des Operationsverstärkers A2 gibt (Fig.8C). Ferner ist zu bemerken, daß die ursprüngliche Summeneingangs spannung e. ebenso groß wie die Referenzspannung sein muß, bevor ein Ausgangssignal am Operationsverstärker A2 auftritt.

Wenn Punkt 8 (Ausgang des Operationsverstärkers A2) den ursprünglichen Zustand (+Vcc) aufweist, liegt der Punkt 9 etwa auf dem Potential +Vcc. Wenn am Punkt 8 sich die Spannung auf den Wert -Vccl ändert, wird die Spannung am Punkt 9 auf den Wert -Vcc2 begrenzt, weil der Wert -Vccl negativer als der Wert -Vcc2 ist. Die Begrenzung wird mittels einer in Vorwärtsrichtung vorgespannten Diode D2 vorgenommen. In diesem Fall entspricht die Spannung am Punkt 9 dem Wert -Vcc2 in Pig.8C.

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Claims (3)

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   Patentansprüche

   ( !.Schwellwertschaltung für Signalempfänger, welche einem Bandpaßfilter nachgeschaltet ist und auf sinusförmige Spannungen anspricht, die einen bestimmten Schwellwert überschreiten, insbesondere für Tonfrequenzsignalempfänger in Fernsprechanlagen, dadurch gekennzeichnet, daß

   a) eine erste Vergleichsschaltung (Al) die vom Ausgang des Bandpaßfilters (2) zugeführte Eingangsspannung (e. ) mit einer Referenzspannung (El) vergleicht und ein Ausgangssignal (Fig.4B, Fig,8B) abgibt, wenn diese Eingangsspannung gleich oder größer als die Referenzspannung ist,

   b) eine Speicherschaltung (Cl, R3) das Ausgangssignal empfängt und speichert ,

   c) eine an die Speicherschaltung angeschlossene zweite Vergleichsschaltung (A2) die gespeicherte Spannung (Fig.5B) mit der Referenzspannung (El) vergleicht und ein zweites Ausgangssignal (Fig.8C) abgibt, wenn die gespeicherte Spannung gleich oder größer als die Referenzspannung ist, und

   d) der Ausgang der zweiten Vergleichsschaltung (A2) auf den Referenzspannungsanschluß der ersten Vergleichsschaltung (Al) derart rückgekoppelt ist, daß die Referenzspannung nach kleineren Schwellwerten hin verschiebbar ist.
2. 2.Schwellwertschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspannung (El) an einem Abgriff (5) eines an eine stabilisierte Gleichspannungsquelle (Vcc) angeschlossenen

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   Spannungsteilers aus zwei Metallfilm-Widerständen (Rl,R2) niedriger Toleranz abgegriffen ist,
3. 3. Schwellwertschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Vergleichsschaltungen durch Operationsverstärker (Al, A2) hoher Verstärkung gebildet sind, die im übersteuerten Bereich betrieben werden und dabei Ausgangsspannungen mit steil verlaufenden Potentialsprüngen (Fig.4B, Fig.8C) abgeben, und daß die Eingangsspannung (e ·_n) dem nicht invertierenden Eingang (+) des ersten Operationsverstärkers (Al)^die Referenzspannung (El) dem invertierenden Eingang (-) des ersten Operationsverstärkers (Al) und dem nicht invertierenden Eingang (+) des zweiten Operationsverstärkers (A2) und das Ausgangssignal des ersten Operationsverstärkers (Al) über die Speicherschaltung dem invertierenden Eingang (-) des zweiten Operationsverstärkers (A2) zugeführt ist.

   4. Schwellwertschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Vergleichsschaltung (Al) an dem mit dem Bandpaßfilter verbundenen Eingang (+) einen hohen Eingangsscheinwiderstand aufweist.

   5. Schwellwertschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherschaltung durch ein Parallel-RC-Glied (R3, Cl) gebildet ist, welches zum Ausgang der ersten Vergleichsschaltung (Al) hin mittels einer Diode (Dl) entkoppelt ist.

   6. Schwellwertschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude des Ausgangssignals (Fig.8C) der zweiten Vergleichsschaltung (A2) mittels einer zwischen ihrem Ausgang und dem Ausgang (Co) der Schwellwertschaltung angeschlossenen Widerstand (R4) und

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   einer zwischen dem Ausgang (Co) der Schwellwertschaltung und einer Vorspannungsquelle (Vcc_?) angeschlossenen Diode (02) begrenzt wird.

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