DE69217853T2

DE69217853T2 - Tondetektor mit Nullspannungsübergangsdetektor

Info

Publication number: DE69217853T2
Application number: DE69217853T
Authority: DE
Inventors: Rolf Becker; Jaap Mulder
Original assignee: Philips Electronics NV
Current assignee: NXP BV
Priority date: 1991-07-01
Filing date: 1992-07-01
Publication date: 1997-10-09
Anticipated expiration: 2012-07-02
Also published as: EP0546173A1; JPH06503220A; DE69217853D1; KR930701901A; JP3320414B2; KR100256382B1; SG44877A1; WO1993001687A1; EP0546173B1; US5359652A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Tondetektor mit einem Nulldurchgangsdetektor, der mit einer Verstärkerschaltung mit einem invertierenden und einem nicht-invertierenden Eingang versehen ist. Derartige Detektoren sind bekannt, beispielsweise aus dem Artikel mit dem Titel "A monolithic dual tone multifrequency receiver" in "IEEE Journal of Solid State Circuits", Heft SC-14, Nr. 6, Dezember 1979. Diese Tondetektoren lassen sich in Fernsprechapparaten verwenden zum Detektieren in der Fernsprechtechnik üblicher Tonsignale, wie DTMF-Signale (Tastenwahl-Signale).
Verstärkerschaltungen mit einem invertierenden und einem nicht-invertierenden Eingang haben die Eigenschaft, daß sie eine Offset-Spannung aufweisen können, d.h. daß am Ausgang eine Spannung ungleich Null auftreten kann, wenn der Spannungsunterschied der beiden Eingänge gleich Null ist. Diese Offsetspannung beeinträchtigt die Wirkung des Nulldurchgangsdetektors, denn der Nullpegel des Eingangs der Verstärker-/Vergleichsschaltung liegt nun nicht mehr symmetrisch zwischen den festzulegenden positiven und negativen Eingangsschwellenspannungen. Die Folge kann sein, daß die als Vergleichsschaltung wirksame Verstärkerschaltung bei geringfügigen Störspannungen anspricht, die kleiner sind als der eingestellte Schwellenwert.
Es ist nun u.a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Tondetektor der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei dem die Offsetspannung derart ausgeglichen wird, daß die Beeinträchtigung durch die Öffsetspannung eliminiert wird.
Der Tondetektor weist dazu das Kennzeichen auf, daß der Nulldurchgangsdetektor mit den nachfolgenden Elementen versehen ist:
* einer als Verstärker und als Vergleichsschaltung wirksamen Verstärkerschaltung mit einem invertierenden und einem nicht-invertierenden Eingang, wobei dieser nicht-invertierende Eingang mit einer Bezugsspannungsquelle gekoppelt ist und wobei sich zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang eine Rückkopplungsschleife befindet, wobei in diese Schleife ein erster Auf/Zu-Schalter aufgenommen ist,
* einer ersten Kapazität zwischen den beiden Eingängen,
* einer zweiten Kapazität zwischen dem Signaleingang des Tondetektors und dem invertierenden Eingang des Verstärkers,
* einem zweiten Auf/Zu-Schalter in Reihe mit der zweiten Kapazität, und
* einer Steuerschaltung, welche die beiden Auf/Zu-Schalter gegenphasig auf- und zusteuert.
In einer ersten Steuerphase der beiden Schalter ist der erste Schalter zu (d.h. leitend), und der zweite offen. Dadurch ist die zweite Kapazität nicht mit dem Verstärker verbunden und der Ausgang des Verstärkers ist unmittelbar mit dem invertierenden Eingang verbunden; die Folge ist, daß die erste Kapazität bis zur Offsetspannung aufgeladen wird. In der zweiten Steuerphase der Schalter ist der erste Schalter offen und der zweite Schalter geschlossen. Die ursprüngliche Ladung der ersten Kapazität wird nun über die erste und die zweite Kapazität verteilt. Diese Phasen wiederholen sich, wodurch die zweite Kapazität letzten Endes bis zur Offsetspannung aufgeladen wird. In dieser Situation wird beim Fehlen eines Eingangssignals an dem Nulldurchgangsdetektor an den beiden Eingängen die Offsetspannung vorhanden sein, und zwar an dem nicht-invertierenden Eingang die Ist-Offsetspannung und an dem invertierenden Eingang die Spannung an der zweiten Kapazität mit derselben Größe. Der Effekt ist, daß bei einem Eingangssignal mit der Spannung Null die Ausgangsspannung auch Null ist.
Ein zusätzlicher Vorteil der genannten Maßnahmen ist, daß auch ein ggf. in dem Eingangssignal vorhandener Gleichspannungsanteil auch gesperrt wird. Ein derartiger Anteil kann dieselbe störende Wirkung haben wie die Offsetspannung.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Tondetektors ist dadurch gekennzeichnet, daß er mit den nachfolgenden Elementen versehen ist:
* einer dritten Kapazität, die mit einer Seite über einen dritten Auf/Zu- Schalter an den nicht-invertierenden Eingang der Verstärkerschaltung angeschlossen ist,
* einer an die andere Seite der dritten Kapazität angeschlossenen Schwellenspannungsquelle zum Liefern eines Schwellenspannungssignals, das aus einer festen Schrittgröße besteht, und
* einem vierten Auf/Zu-Schalter, dessen eine Seite an den Verbindungspunkt der dritten Kapazität und des dritten Auf/Zu-Schalters angeschlossen ist und dessen andere Seite mit der Bezugsspannungsquelle verbunden ist,
* wobei dieser dritte und vierte Schalter durch die Steuerschaltung phasengleich zu dem zweiten und ersten Schalter auf- und zugesteuert werden.
Mit diesen Maßnahmen ist erreicht worden, daß der Nulldurchgangsdetektor eine Schwellenspannung erzeugen kann, wodurch geringfügige Störspannungen, wie Rauschanteile den Detektor nicht ansprechen lassen. Diese Schwellenspannung weist Hysterese auf, d.h. daß nachdem der Detektor auf beispielsweise eine ansteigende Überschreitung einer positiven Schwellenspannung angesprochen hat, die Schwellenspannung danach negativ gemacht wird und umgekehrt. Dies hat den Vorteil, daß ein Signal, das um den Schwellenwert herum schwankt, den Nulldurchgangsdetektor nicht ständig schalten läßt.
Dadurch, daß der Schwellenspannungsgenerator ständig Spannungsschritte erzeugt, wird die Reihenschaltung aus der ersten, der zweiten und der dritten Kapazität aufgeladen. Die erste und die dritte Kapazität werden auch ständig aufgeladen. Die erste und die dritte Kapazität werden auch ständig entladen (die erste dadurch, daß diese jeweils über den ersten Schalter mit dem Ausgang des Verstärkers verbunden wird und die dritte dadurch, daß diese jeweils über den vierten Schalter mit der Bezugsspannung verbunden wird). Die zweite Kapazität wird jedoch nicht ständig entladen und es ist denkbar, daß dadurch die einwandfreie Wirkung des Nulldurchgangsdetektors beeinträchtigt wird. Um diese Situation zu vermeiden ist der Tondetektor nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß darin die Schwellenspannungsquelle mit Mitteln versehen ist um innerhalb einer Einschaltzeit des zweiten Schalters nach dem genannten Schwellenspannungsschritt weiter einen Spannungsschritt gleicher Größe und entgegengesetzter Polarität zu liefern. Der gleich große Spannungsschritt entgegengesetzter Polarität entlädt die dritte Kapazität nun mit derselben Ladung, mit der sie aufgeladen wurde.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine blockschematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Tondetektors,
Fig. 2 einen Nulldurchgangsdetektor zum Gebrauch in einem erfindungsgemäßen Tondetektor.
Der Tondetektor nach Fig. 1 kann in einem Fernsprechapparat verwendet werden. Das eintreffende Signal wird dann einem Anti-Aliasingfilter 2 zugeführt. Dieses Filter dient dazu, Mischfrequenzen, die bei der Abtastung des Signals entstehen, wegzufiltern. An den Ausgang dieses Filters sind zwei Filter 6 und 8 angeschlossen zur Bandspaltung und Ausfilterung unerwünschter Signale. In der DTMF-Mode arbeiten die beiden Filter auf festen Bandpaßfrequenzen; in der Signalierungston-Mode ist eines dieser Filter ausgeschaltet. Das andere Filter ist dann in eine Anzahl Frequenzbänder einstellbar, wobei der Bereich zwischen etwa 80 Hz und 3400 Hz liegt. Das Ausgangssignal der Filter 6 und 8 wird Nulldurchgangsdetektoren 10 und 12 zugeführt. Diese Detektoren werden anhand der Fig. 2 detailliert beschrieben. Das Ausgangssignal jedes der Nulldurchgangsdetektoren wird einem digitalen Prozessor 16 zugeführt, der für eine weitere Bewertung der Signale und für die Steuerung der jeweiligen Schaltungselemente sorgt, unter denen der Nulldurchgangsdetektor. Jeder der dargestellten Blöcke in Fig. 1 wird mit Taktsignalen versehen, die von einem Kristalloszillator 2 mit einer Frequenz von beispielsweise 3,58 MHz abgeleitet wird. Die richtige Frequenz und die richtige Phase der Taktsignale wird in der Teiler- und Steuerschaltung 14 gemacht. Bei jedem der Eingänge der jeweiligen Blöcke in der Figur ist schematisch angegeben, welche Signalform demselben zugeführt wird.
In Fig. 2 ist detailiert ein Nulldurchgangsdetektor dargestellt, wie beispielsweise der Detektor 10 aus Fig. 1. Dieser Nulldurchgangsdetektor ist mit einer als Verstärker und zugleich als Vergleichsschaltung wirksamen Verstärkerschaltung 20 mit einem invertierenden Eingang 22 und mit einem nicht-invertierenden Eingang 24 versehen. Der nicht-invertierende Eingang 24 ist über einen Schalter 58 an eine (in der Figur nicht dargestellten) Bezugsquelle 26 verbunden. Die Verstärkerschaltung ist weiterhin mit einer Rückkopplungsschleife 28 versehen, in die ein Schalter 32 aufgenommen ist; diese Rückkopplungsschleife befindet sich zwischen dem Ausgang 30 des Verstärkers und dem invertierenden Eingang 22. Zwischen dem Signaleingang 38 des Nulldurchgangsdetektors und dem invertierenden Eingang 22 befindet sich eine Reihenschaltung aus einer Kapazität 36 und einem Schalter 40.
Der nicht-invertierende Eingang 24 ist auch über einen Schalter 44 und eine Kapazität 42 mit einer Schwellenspannungsquelle 46 verbunden. Zwischen der Bezugsspannung 26 und dem Verbindungspunkt der Kapazität 42 und des Schalters 44 ist noch ein Schalter 48 vorgesehen. Die Schwellenspannungsquelle 46 besteht aus der Parallelschaltung einerseits einer Stromquelle 50 und anderseits einer Reihenschaltung aus Stromquelle 52 und einem Schalter 54. Diese beiden Stromquellen liefern ihren Strom zu einer in der Durchlaßrichtung eingestellten Diode 56.
Die Schalter in diesem Nulldurchgangsdetektor sind vorzugsweise als an sich bekannte komplementäre CMOS-Gatter ausgebildet. Der Vorteil von CMOS- Transistoren ist, daß sie in dem Auf-Zustand (d.h. nicht-leitend) einen sehr hohen Widerstand zwischen der Drain-Elektrode und der Source-Elektrode aufweisen, während die Steuerelektode durch ihre kapazitive Kopplung mit der Drain-Source-Strecke den Elementen, die ihn ansteuern, kaum Ladung entnimmt.
Zur Erläuterung der Wirkungsweise des Nulldurchgangsdetektors wird vorausgesetzt, daß der nicht-invertierende Eingang an einer festen Spannung liegt, und zwar über den Schalter 58 an der Bezugsspannung 26. Die Schalter des Nulldurchgangsdetektors werden mit einer Frequenz angesteuert, die gegenüber der der zu empfangenen Signale hoch genug ist, beispielsweise einige Hundert kHz. In einer ersten Phase der Wirkungsperiode des Nulldurchgangsdetektors ist einen Anzahl Schalter geschlossen (d.h. leitend); diese Schalter werden in der Figur symbolisch durch ein "e" (gerade) angegeben, während die anderen Schalter durch ein "o" (ungerade) angegeben werden. Gerade Schalter sind zu den ungeraden gegenphasig, d.h., daß die eine Sorte offen ist, wenn die andere geschlossen ist und umgekehrt. Nur der Schalter 54 ist nicht von der oben beschriebenen Steuerart, wie unten noch näher erläutert wird.
Die Wirkungsweise des Nulldurchgangsdetektors als Ausgleichschaltung der Offsetspannung ist wie folgt:
In einer ersten Phase der Wirkung des Detektors ist der Schalter 58 geschlossen und der nicht-invertierende Eingang 24 liegt über den Schalter 58 an der Bezugsspannung 26. Der Offset an dem Eingang ist auf symbolische Wiese durch eine Spannungsquelle 60 angegeben. In dieser Phase ist zugleich der Schalter 32 geschlossen, so daß der invertierende Eingang 22 mit dem Ausgang 30 verbunden ist. Dadurch, daß ein rückgekoppelter Differenzverstärker immer versucht, die beiden Eingänge zu derselben Spannung zu steuern, wird an der Kapazität 34 nun die Offsetspannung liegen. In der nachfolgenden Phase ist der Schalter 32 offen und die Schalter 44 und 40 geschlossen. Die Ladung der Kapazität 34 wird nun teilweise zu der Kapazität 36 fließen, die dadurch aufgeladen wird. In der nachfolgenden Phase wird die Kapazität 34 wieder bis zur Offsetspannung aufgeladen, wonach in einer nachfolgenden Phase wieder ein Teil davon zu der Kapazität 36 fließt. Dieser Prozeß setzt sich fort, bis an der Kapazität 36 die ganze Offsetspannung vorhanden ist. Unter der Voraussetzung, daß es an dem Eingang 38 kein Eingangssignal gibt, steht auf der mit dem invertierenden Eingang verbundenen Seite der Kapazität 36 die Offsetspannung, also auf dem invertierenden Eingang auch. Dadurch, daß dies auch bei dem nicht-invertierenden Eingang der Fall ist, gibt es keinen Spannungsunterschied mehr zwischen den beiden Eingängen und gibt es auch keinen Offset-Effekt mehr.
Um einzusehen, daß der Nulldurchgangsdetektor auch einen ggf. in dem Eingangssignal vorhandenen Gleichstromanteil VDC sperrt, wird wieder vorausgesetzt, daß der Eingang 24 an der Bezugsspannung liegt. Bei einem offenen Schalter 32 und einem geschlossenen Schalter 40 lädt VDC die Kapazitäten 36 und 34 auf. In der nachfolgenden Phase werden die beiden Schalter umgesetzt, wodurch die Ladung der Kapazität 34 wieder Null wird; die Ladung der Kapazität 36 wird nach wie vor beibehalten. In der nachfolgenden Phase lädt VDC die beiden Kapazitäten wieder auf, wonach die Kapazität 34 wieder entladen wird. Dies geht so weiter, bis die völlige VDC an der Kapazität 36 vorhanden ist, was bedeutet, daß der Gleichspannungsanteil in dem Eingangssignal gesperrt ist.
Der Nulldurchgangsdetektor nach der Erfindung ist zum Erzeugen einer Schwellenspannung eingerichtet, die außerdem nach dem Überschreiten durch das Eingangssignal auf einen Wert mit entgegengesetztem Vorzeichen umkippt. Durch diesen Hysterese-Effekt wird vermieden, daß der Detektor ständig schwankt durch ein Signal, das kurze Zeit in der Nähe der Schwellenspannung bleibt. Die Schwellenspannung wird wie folgt erzeugt:
Während der geraden Phase (also wenn die Schalter 44 und 40 geschlossen sind) wird der Schalter 54 entweder von dem offenen in den geschlossen Zustand gebracht, oder umgekehrt. In beiden Fällen wird der Strom durch die Diode 56 in Schrittgröße schwanken, wodurch die Spannung an der Diode ebenfalls einen (kleinen) Schritt aufweisen wird. Dieser Spannungsschritt wird durch die Kapazität 42 zu der Kapazität 34 weitergeleitet. Die Kapazität 34 ist wesentlich kleiner als jede der beiden Kapazitäten 42 und 36. Dies bedeutet, daß nahezu der ganze Spannungsschritt an der Kapazität 34 vorhanden sein wird. Damit nun der als Vergleichsschaltung wirksame Verstärker 20 umkippt, muß die Eingangsspannung die Spannung an der Kapazität 34 übersteigen.
Ist die Vergleichsschaltung umgekippt, so wird dies von dem an den Nulldurchgangsdetektor angeschlossenen digitalen Prozessor detektiert (siehe Fig. 1). Dieser Prozessor steuert u.a. die Wirkung des Schalters 54. Es wird nun vorausgesesst, daß im Grunde als Ausgangsspannung eine positive Schwellenspannung eingestellt war. Wenn die Schwelle von dem Eingangssignal überschritten wird, kippt der Detektor um. Dies wird durch den Prozessor detektiert, der in Antwort darauf den Schalter 54 derart steuert, daß dieser am Anfang der "geraden" Periode sich schließt. Unmittelbar nach Anfang dieser Periode öffnet sich der Schalter 54, wodurch die Schwellenspannungsquelle 46 einen negativen Stromschritt, also auch einen Spannungsschritt, erzeugt. Dieser negative Spannungsschritt wird auf die oben beschriebene Art und Weise an der Kapazität 34 vorhanden sein, wodurch das Eingangssignal um diesen Betrag mehr negativ sein muß, damit die Vergleichsschaltung umkippt. Auf diese Wiese ist also die negative Schwellenspannung erzeugt.
Es ist vorteilhaft, unmittelbar vor dem Ende der geraden Periode den Stromschritt der Schwellenspannungsquelle 46 wieder in der umgekehrten Reihenfolge durchführen zu lassen. Die Folge ist, daß alle Kapazitäten, durch die der Stromschritt fließt, nun durch einen entgegengesetzten Stromschritt entladen werden. Dadurch wird vermieden, daß insbesondere die Kapazität 36, die während des ganzen Arbeitszyklus des Nulldurchgangsdetektors nicht entladen wird, auf einen unzulässig hohen Spannungswert aufgeladen wird.

Claims

1. Tondetektor mit einem Nulldurchgangsdetektor (10), der mit den nachfolgenden Elementen versehen ist:

* einer als Verstärker und als Vergleichsschaltung wirksamen Verstärkerschaltung (20) mit einem invertierenden Eingang (22) und einem nicht- invertierenden Eingang (24), wobei dieser nicht-invertierende Eingang mit einer Bezugsspannungsquelle (26) gekoppelt ist und wobei sich zwischen dem Ausgang (30) und dem invertierenden Eingang (22) eine Rückkopplungsschleife (28) befindet, wobei in diese Schleife ein erster Auf/Zu- Schalter (32) aufgenommen ist,

* einer ersten Kapazität (34) zwischen den beiden Eingängen (22, 24),

* einer zweiten Kapazität (36) zwischen dem Signaleingang (38) des Tondetektors und dem invertierenden Eingang (22) des Verstärken (20),

* einem zweiten Auf/Zu-Schalter (40) in Reihe mit der zweiten Kapazität (36), und

* einer Steuerschaltung (14, 16), welche die beiden Auf/Zu-Schalter (32, 40) gegenphasig auf- und zusteuert.

2. Tongenerator nach Anspruch 1, der mit den nachfolgenden Elementen versehen ist:

* einer dritten Kapazität (42), die mit einer Seite über einen dritten Auf/Zu- Schalter (44) an den nicht-invertierenden Elngang (24) der Verstärkerschaltung (20) angeschlossen ist,

* einer an die andere Seite der dritten Kapazität (42) angeschlossenen Schwellenspannungsquelle (46) zum Liefern eines Schwellenspannungssignals, das aus einer festen Schrittgröße besteht, und

* einem vierten Auf/Zu-Schalter (48), dessen eine Seite an den Verbindungspunkt der dritten Kapazität (42) und des dritten Auf/Zu-Schalters (44) angeschlossen ist und dessen andere Seite mit der Bezugsspannungsquelle (26) verbunden ist,

* wobei dieser dritte und vierte Schalter (44, 48) durch die Steuerschaltung (14, 16) phasengleich zu dem zweiten Schalter (40) und dem ersten Schalter (32) auf- und zugesteuert werden.

3. Tondetektor nach Anspruch 2, wobei der Tondetektor Mittel (14, 16) aufweist zum innerhalb eines Einschaltintervalls des zweiten Schalters (40) nach dem genanten Spannungsschritt Erzeugen eines weiteres Spannungsschrittes gleicher Größe und entgegengesetzten Vorzeichens.

4. Tondetektor nach Anspruch 1, wobei die erste Kapazität (34) duerch die Streukapazität der Eingangsstufe der verstärkerschaltung (20) gebildet wird.