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Schaltungsanordnung zur Erzeugung von pulsdauermodulierten
Impuls reihen
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung von pulsdauermodulierten Impulsreihen.
Zur Herstellung von pulsdauermodulierten Signalen kann man allgemein zwei Methoden anwenden.
Nach der ersten Methode werden Sägezahnschwingungen hergestellt, diese zu den Modulierzeichen addiert, und dann (mit einem Amplitudenhochpass) die pulsmodulierten Signale abgetrennt. Diese Methode wird bei jenen Systemen verwendet, bei denen ein gemeinsamer Modulator mehreren Kanälen zugeordnet ist. Diese Methode hat den Nachteil, dass sie zur Ausbildung der den Dispatcherdienst versehenden Einrichtungen, bei welchen die Notwendigkeit des Mischens von Signalen verschiedener Kanäle besteht, nicht geeignet ist.
Nach der zweiten bekannten Methode wird ein monostabiler Multivibrator verwendet, bei welchem die Kathoden der beiden Elektronenröhren durch einen Kondensator von sehr hoher Kapazität verbunden werden. Der, die Anode der ersten Elektronenröhre mit dem Gitter der zweiten Elektronenröhre verbin- dende Kondensator bestimmt zusammen mit dem auf dieses Gitter eine positive Speisespannung leitenden Widerstand das Zurückkippen des Multivibrators, d. h. die Impulsbreite. (Einen solchen Multivibrator beschreibt auch die deutsche Patentschrift Nr. 1036314.) Die Kapazität des die beiden Elektronenröhren verbindenden Kondensators ist so gross, dass sich die am Kondensator befindliche Ladung zwischen zwei Kippungen kaum ändert.
Die Modulierspannung steuert während der Zeitdauer der labilen Periode über das Gitter der leitenden Elektronenröhre den Anodenstrom der Röhre, wodurch die an der Anode erscheinende Wellenamplitude und die Impulsdauer eine Modulation erfährt.
Das Kippen des Modulators wird durch das, auf die Anode der während der Zeitdauer der labilen Periode leitenden Elektronenröhre gegebene negative Signal durchgeführt.
Diese Schaltungsanordnung hat mehrere Nachteile. Die zeitbestimmende Wellenform ist in einem grossen Teil eine exponentiale Kurve, so dass kein linearer Zusammenhang zwischen der Modulierspannung und der Impulsdauer bestehen kann, also der Modulator eine nichtlineare Verzerrung verursacht. Wenn sich die Speisespannung ändert, ändert sich auch die Amplitude der zeitbestimmenden Wellenform, also auch die im unmodulierten Fall befindliche Grundimpulsdauer. Die Zeitdauerwird durch die Zeitkonstante des RC-Kreises bestimmt, so dass demzufolge die Schaltung in bezug auf die Änderung der Werte der RCGlieder auf Temperaturänderungen empfindlich ist.
Da das Anlasszeichen auf die Anode während der Dauer der labilen Periode der Elektronenröhre geschaltet wird, ist es notwendig, dass die Amplitude dieses An- lasszeichenswesentlich grösser ist als die Sperrspannung der Elektronenröhre. Zu diesem Zweck ist zur Koppelung des Anlasszeichens mit genügend hoher Amplitude eine besondere Elektronenröhre vorzusehen, was schaltungstechnisch so verwirklicht wird, dass als Anoden-Arbeitswiderstand für diese beiden Elektronenröhren ein gemeinsamer Widerstand vorgesehen wird. Zu alldem kommt noch die Tatsache, dass die Impulsdauer des Multivibrators nicht kleiner als ein gewisser Grenzwert sein darf und nicht genug steil kippt, so dass demzufolge z.
B. das Mischen der Kanalsignale einer PPM-Einrichtung mit 24 Kanälen nur
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schrittweise erfolgen kann.
Zweck der Erfindung ist die Ausbildung einer solchen Stromkreisanordnung, bei welcher die Grundsignaldauer praktisch von den Änderungen der Speisespannung und der Temperatur nicht abhängt und die Impulsbreite mit dem Moduliersignal in linearem Zusammenhang steht, so dass keine nichtlineare Verzerrung auftritt. Der Multivibrator soll mit einem mit der Sperrspannung der Röhren gleiche Grössenord - nung besitzenden Kippsignal gesteuert werden können und auch die notwendige Modulierspannung soll kleiner sein als die Sperrspannung der Elektronenröhren. Da das entsprechend dem Prinzip der Zeitteilung durchgeführte Mischen der einzelnen Kanalsignale bei Mehtkanaleinrichtungen eine Bedingung ist, soll die Verhältniszahl des vom Modulator erwünschten Impuls-Pause-Wertes kleiner als 1 : 30 sein.
Eine weitere Anforderung ist, dass der das Modulationssignal zuführende Stromkreis an die eine Kathode des Multivibrators angeschlossen werden kann.
Die Erfindung geht nun aus von der Erkenntnis, dass bei einem kapazitiv kathodengekoppeltenMul- tivibrator, bei welchem die Zeitkonstante der Anoden-Gitter-Kopplung im Vergleich zu der oben erwähnten Multivibratorschaltung sehr gross ist, die Impulsbreite durch die die Kathoden koppelnden Stromkreiselemente bestimmt werden kann. Die Erfindung geht ferner aus von einer Schaltungsanordnung zur Herstellung pulsdauermodulierter Impulsreihen, welche aus einem von zwei Elektronenröhren bzw. Transistoren gebildeten monostabilen Multivibrator, einem nicht steuerbaren Stromgenerator sowie einem von der Modulationsspannung steuerbaren Stromgenerator besteht.
Ausgehend hievon kennzeichnet sich die erfindungsgemässe Schaltung dadurch, dass zwischen der Kathode der in der stabilen Periode leitenden Elektronenröhre bzw. dem Emitter des analogen Transistors und dem Fusspunkt der Speisespannung der nicht steuerbare Stromgenerator und zwischen der andern Kathode bzw. dem andern Emitter und dem Fusspunkt der Speisespannung der steuerbare Stromgenerator eingeschaltet ist, und dass die Kathoden der beiden Elektronenröhren bzw. die beiden Emitter mit einer solchen Kapazität gekoppelt sind, dass diese mit dem Strom des nicht steuerbaren Stromgenerators während einer kürzeren Zeit als die Musternahmezeit aufgeladen werden kann, wobei der Strom des steuerbaren Stromgenerators im unmodulierten Zustand höchstens ein Dreissigstel des Stromes des nicht steuerbaren Stromgenerators ist.
Bei der erfindungsgemässen Schaltung sind die Stromgeneratoren von der Spannung unabhängige, kon-
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ändert werden kann. Das modulierende Signal kann hiebei in vorteilhafter Weise den Steuereingangsklemmen des steuerbaren Stromgenerators zugeführt werden.
Der Multivibrator arbeitet in einem höheren als gebräuchlichen Speisespannungsbereich. Die Anode ist im Vergleich zum Gitterpotential wie üblich positiv und die Kathodenstromkreise sind nahezu an gleiche negative Speisespannungen angeschlossen. Jenes Potential, an welches die Kathodenwiderstände bzw. die Kathodenstromkreise angeschlossen sind, kann als Fusspunkt der Speisespannung betrachtet werden.
Die Hauptvorteile der Erfindung sind : die Impulsdauer steht praktisch in linearer Beziehung zu dem Modulationsimpuls die Grundimpulsdauer ist mit guter Annäherung unabhängig von den Änderungen der Temperatur und der Speisespannung ; der Impuls entsteht an einer von der Tätigkeit des Multivibrators unabhängigen Elektrode und besitzt einen genügend steilen Verlauf, um die zeitlich versetzten Impulse von mehreren, z. B. 24 Kanalmodulatoren, an einem einzigen Widerstand mischen zu können ; die Elektronenröhren können mit einem Kippimpuls oder mit der Sperrspannung, die gleiche Grössenordnung besitzt, gesteuert werden, und auch die notwendige Modulierspannung ist kleiner als die Sperrspannung der Elektronenröhren.
Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen : Fig. l das Schaltschema eines für Modulationszwecke geeigneten monostabilen Multivibrators von bekannter Art, Fig. 2 die Wellenformen des in Fig. 1 dargestellten Multivibrators, Fig. 3 das Schaltschema einer beispielsweisen Ausführungsform des erfindungsgemässen Multivibrators und Fig. 4 die Wellenformen des Multivibrators nach Fig. 3.
Fig. l ist das Schaltschema eines bekannten Anoden-Gitter gekoppelten monostabilen Multivibrators.
Im Grundzustand leitet die Elektronenröhre 11. Bei Auftreten eines negativen Kippimpulses an der Anode der Elektronenröhre 5 kippt der Multivibrator. Die Elektronenröhre 5 beginnt zu leiten, an ihrer Anode erscheint die Wellenform 13 und es kommt ein negativer Impuls zustande, dessen Amplitude vom Strom der Elektronenröhre 5 bzw. von der Gitterspannung abhängt. Auf den Kondensator 1 wird der Modulierimpuls z geschaltet. Wenn das System umkippt, erscheint am Gitter der Elektronen röhre 11 ein negativer Spannungssprung, die Wellenform 17, deren Amplitude mit der Amplitude des an der Anode der Elektronenröhre 5 erscheinenden Impulses übereinstimmt. Dieser Impuls hält die
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Elektronenröhre 11 geschlossen.
Hienach beginnt sich der Kondensator 7 über den Widerstand 9 gemäss der Zeitkonstante von Kondensator 7 und Widerstand 9 auf die positive Speisespannung exponential zu laden (s. die Wellenform 17) und wird nach einer gewissen Zeit zum Sperren der Elektronen röhre 11 nicht mehr langen, so dass der Multivibrator zurückkippt. Da der Wert des Koppelungskondensators sehr hoch und die Widerstände 6 und 12 zur Erhöhung der Stabilität grösser als die gebräuchlichen sind, ändert sich die Ladung des Koppelungskondensators nur langsam und es erscheinen an den Kathoden die in Fig. 2 sichtbaren Wellen formen 15,16.
Die Widerstände 2 und 3 stellen die Gittervorspannung der Elektronenröhre 5 ein. 4 und 10 sind AnodenwiderstänÅae. In Fig. 2 ist noch das an der Anode der Elektronenröhre 10 erscheinende Ausgangssignal des Multivibratorsals Wellenform 14 sichtbar.
In Fig. 3 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemässen, als Modulator verwendbaren Multivibrators dargestellt. Die Zeitbestimmung des Multivibrators wird durch eine Kathodenkreis-Zeitkonstante durchgeführt. Die in den Kathodenkreisen enthaltenen Widerstände, der Widerstand 20 bzw. die Summe der Widerstände 24 und 25 sind viel grösser als dies zur Vorspannung der Elektronenröhren notwendig sein würde und so wird die an den Widerständen auftretende Gleichspannung viel grösser als die bei dem Kippen des Multivibrators auftretenden Spannungssprünge, so dass über die Widerstände mit guter Annäherung ein konstanter Strom fliesst. Daher ist die lineare Ladung des die Kathoden koppelnden Kondensators 22 in beiden Perioden gesichert.
Der Wert 22 des, die Kathodenkoppelnden Kondensators, ist im Gegensatz zum Koppelungskondensators des oben erwähnten bekannten monostabilen Multivibrators klein und die mit dem in dem Kathodenkreis der Elektronenröhre 19 befindlichen Widerstand 20 gebildete Zeitkonstante kleiner als die Abtastperiode. Da der Kondensator in der einen Periode über den einen und in der andern Periode über den andern Kathodenwiderstand geladen wird, wird das Signalverhältnis durch das Verhältnis der beiden Kathodenwiderstände bestimmt. Da das notwendige Zeitverhältnis der Signalpause kleiner als 1 : 30 ist, wird der Kathodenwiderstand der in der labilen Periode leitenden Elektronenröhre 23 mindestens das 30fache des andern sein.
Aus dieser extremen Bemessung resultiert, dass der Kathodenwiderstand der in der labilen Periode leitenden Elektronenröhre 23 um mehrere Grössenordnungen grösser ist als es für die Vorspannung notwendig sein würde ; dies verursacht, dass der nach der Anordnung astabile Multivibrator monostabil wird. Wenn man den grösseren Kathodenwiderstand teilt und an den gemeinsamen Punkt einen zurAbtrennung des Gleichstromes dienenden Kondensator 27 anschaltet, wird das darauf geschaltete modulierende Signal ( mus) in der stabilen Periode den Ladestrom des Koppelungskondensators 22 modulieren und auf die in Fig. 4 ersichtliche Weise die Pulsdauermodulation erzeugen.
In der Schaltung ist die Zeitkonstante des aus dem Kondensator 21 und dem Widerstand 26 bestehenden Koppelungskreises viel grösser als die Periodenzeit, so dass das an der Anode der Elektronenröhre erscheinende Rechtecksignal die Wellenform 26 formgetreu auf das Gitter der Elektronenröhre 23 gelangt (s. die Wellenform 27). Der Multivibrator wird durch periodische Musternahmeimpulse (Abtestimpulse) in den labilen Zustand gekippt. Im unmodulierten Fall wird der Zeitpunkt des Zurückkippens des Multivibrators nach dem nachfolgenden von dem Verhältnis der an den zwei Kathodenwiderständen bzw. in den Kathoden fliessenden Strömen abhängen.
Im Fall der Modulation ändert sich der Zeitpunkt des Zurückkippens in Abhängigkeit von dem Modulationssignal derart, dass die Leitungszeit der in der labilen Periode leitenden Elektronenröhre 23 mit guter Annäherung dem Wert des Moduliersignals im Zeitpunkt der Messwertabnahme entspricht.
Im Grundzustand leitet die Elektronenröhre 19 und hält die Elektronenröhre 23 gesperrt durch die an ihrer Kathode befindliche, nahezu linear abnehmende Spannung (s. die Wellenform 31). Das Gitter der Elektronenröhre 19 steuert die periodischen, negativen-mit der Absperrspannung der Röhren gleiche Grössenordnung besitzenden - Steuersignale (s. Wellenform 31). Das Gitter der Elektronenröhre 19 steuert die periodischen, negativen-mit der Sperrspannung der Röhren gleiche Grössenordnung besitzenden-Steuersignale (s.
Wellenform 32), die den Zeitpunkt der Musternahme bestimmen. DieAnlasssignale kippen den Multivibrator um, die Elektronenröhre 23 beginnt zu leiten, die Amplitude des an ihrer Kathode auftretenden Spannungssprunges wird durch die Gitterspannung und den Wert der vor dem Kippen auftretenden Kathodenspannung bestimmt und solange sie leitet, fliesst ein konstanter Strom über sie (s. den Spannungssprung 30). Der an der Kathode der Elektronenröhre 23 erscheinende Spannungssprung 30 tritt an der Kathode der Elektronenröhre 19 mit gleicher Amplitude auf (s. Spannungssprung 28) und sichert das Sperren der Elektronenröhre 19. Dann wird der Kondensator 22 über den Widerstand 20 nahezu linear auf die Speisespannung geladen (s. die Wellenform 29).
Die Elektronenröhre 19 bleibt so lange gesperrt, bis die an ihrer Kathode befindliche Spannung nicht auf einen bestimmten Wert gesunken ist. Sobald die Elektronenröhre wieder zu
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leiten beginnt, hört auch das positive Signal auf dem Gitter der Elektronenröhre 23 auf (s. Wellenform 27), so dass die Elektronenröhre 23 durch die an ihrer Kathode befindliche Spannung gesperrt wird.
Hierauf wird der Kondensator über die Summe der Widerstände 24 und 25 auf die Speisespannung geladen (s. Wellenform 31). Da die Ladung des Kondensators 22 durch eine lange Zeit im Durchschnitts wert keine Änderung zeigt und in der einen Periode sich über den Widerstand 20 und in der andern über die Summe der Widerstände 24 und 25 auflädt, hängt das Signalpausenverhältnis vom Verhältnis der beiden Widerstände bzw. vom Verhältnis der Ladeströme ab. Gelangt hienach, obzwar in ordnungswidriger Weise, auf das Gitter der Elektronenröhre 19 kein weiteres Kippsignal, so wird die die Elektronenröhre 23 sperrende Spannung so lange sinken, bis sie zum Sperren der Elektronenröhre nicht mehr genügt, so dass die Elektronenröhre 23 zu leiten beginnt.
Da die Summe der Widerstände 24 und 25 sehr hoch ist, fliesst nur ein sehr kleiner Strom durch dieselben, so dass der Multivibrator nicht umkippt. DieKathodenspannung der Elektronenröhre 23 verbleibt weiter konstant. Es fliesst also auch weiter über die erste Elektronenröhre 19 der Nennstrom des Multivibrators, aber auch die zweite, die Elektronenröhre 23, leitet bereits, nur dass der Strom derselben nur einen dreissigsten Teil des Nennstromes beträgt, so dass es auch weiter so betrachtet werden kann, als ob kein Strom durch dieselbe fliessen würde.
(Neben den sonstigen Werten bildet dieser Wert eine vemachlässigbare Grösse. ) Obzwar diese Betätigung eine ordnungswidrige ist, da im Betrieb die periodischen Musternahmesignale nicht wegbleiben können, ist hieraus doch ersichtlich, dass die beschriebene extreme Bemessung den Multivibrator monostabil ge- macht hat. Diese Betätigung bezieht sich auf einen unmodulierten Zustand. Mit Änderung des Ladestromes des Kondensators 22 in der stabilen Periode kann man die Amplitude des beim Kippen an der Kathode der Elektronenröhre 23 auftretenden Spannungssprunges ändern.
Da die Amplitude der an der Ka- thode der Elektronenröhre 19 erscheinenden Wellenform (Spannungssprung 28) mit der an der Kathode der Elektronenröhre auftretenden Amplitude (Spannungssprung 30) übereinstimmt, ändert sich auch jene Zeit, während welcher die Elektronenröhre gesperrt verbleibt. Auf diese Weise wird durch das Modulieren des Kondensatorladestromes an der Anode der Elektronenröhre eine impulsdauermodulierte Signalreihe erhalten. Der Wert des Kondensators 22 kann, obwohl derselbe in der Wirkung des Multivibrators eine wichtige Rolle spielt, innerhalb gewisser Grenzen geändert werden. Dies folgt daraus, dass das Verhältnis der Zeichenpause durch das Verhältnis der Ladeströme bestimmt wird.
Der Wert des Kondensators 22 ist so zu wählen, dass die Kathodenspannung der Elektronenröhre 23 selbst im modulierten Fall nicht bis zu dem Punkt sinken kann, an welchem die Elektronenröhre 23 auch schon öffnet, wenn kein Kipp-
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würde aber dem Moduliersignal nicht proportional sein. Legt man die Modulierspannung an den Kondensator 27, so wird der Ladestrom des Kondensators 22 in der stabilen Periode moduliert, so dass nach dem vorgesagten der Anodenstrom der Elektronenröhre pulsdauermoduliert wird.
Aus alldem geht hervor, dass die Schaltungsanordnung die gestellten Bedingungen erfüllt. Da das Verhältnis von zwei Widerständen genau eingehalten werden kann und selbst auf Temperaturänderungen sich nur in viel kleinerem Mass ändert als die Zeitkonstante eines RC-Gliedes, und da das Verhältnis der Signalpause vom Verhältnis des Wertes der zwei Kathodenwiderstände abhängt, wird also, wenn die Musternahmeperiode streng konstant ist, auch die Pulsdauer konstant sein. Dieser Multivibrator kann mit dem gewünschten niedrigen Signalniveau gekippt werden. Der Spitzwert der Modulierspannung wird nach dem obigen kleiner als der Spannungssprung 30, so dass auch dies der geforderte kleine Wert ist, wenn der Widerstand 24 einen viel kleineren Wert als der Widerstand 25 besitzt.
Aus alldem geht jene wesentliche Eigenschaft der Schaltungsanordnung hervor, dass zwischen dem Moduliersignal und dem Ausgangssignal die bestehende Verbindung umso linearer ist, je linearer die am Kondensator auftretende Spannungsänderung ist (s. Wellenform 29 bzw. 31). Demnach ist der Kondensator so zu laden, dass der Ladestrom nicht von der an den Kathoden, also an den Klemmen des Kondensators auftretenden Spannung abhängt. All dies ist in der in Rede stehenden Schaltungsanordnung in solchem Masse erfüllt, als eine höhere negative Speisespannung als jene gewählt wird, als die Amplituden der an den Kathoden erscheinenden Wellenformen (28, 30). Es können also die auf grosse negative Speisespannungen geschalteten Widerstände 20 bzw. 24 und 25 mit guter Annäherung als Stromgeneratoren betrachtet werden.
Von diesen (also von den Stromgeneratoren) kann der eine, nämlich der aus den Widerständen 24 und 25 bestehende-von dem, an den Kondensator 27 geschalteten Modulationsfrequenzgenerator gesteuert werden, d. h. der über die Widerstände fliessende Strom kann so moduliert werden, dass der Strom jetzt nur vom Steuersignal abhängt, jedoch von der, an seinen Klemmen befindlichen Spannung unabhängig ist. Diese, mit 24, 25, 27 bezeichnete Schaltelementengruppe, in Anlehnung an dieAusdrucksweise im Buch von W. Carer "Theorie der linearen Wechselstromschaltungen"1954, Akade-
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mie Verlag, Berlin, Seiten 113-115,"gesteuerter Stromgenerator"genannt ; der Strom desselben besteht aus zwei Komponenten, u. zw. aus einer konstanten und aus einer, von einem Steuersignal abhängigen Komponente.
Es sei bemerkt, dass-wie dies aus dem vorgehenden offenbar ist-die Rolle der Stromgeneratoren in dieser Schaltungsanordnung nicht die schablonenmässige (d. h. die Stabilisierung des Stromes der Elektronenröhren) ist, sondern dass sie in beiden Perioden die lineare Ladung des Kondensators erzeugen. Dies erscheint auch dadurch erwiesen, dass der Strom der Elektronenröhre 23 in der labilen Periode nicht einmal zur Kathode des angeschlossenen Stromgenerators fliesst (da nur ein Strom von der Grösse eines Dreissigstels durch diesen fliessen kann), sondern über den Kondensator 22 zu dem, an die Elektronenröhre 19 angeschlossenen Stromgenerator.