Verfahren und Schaltung zur Verstärkung von binäre Information enthaltenden elektrischen Signalen zwecks nachfolgender Extraktion dieser Information Im elektrischen Rechenmaschinenwesen und auf andern Gebieten der Technik wird binäre Information oft von Signalen kleinen Pegels getragen, die in. gleichen Zeitintervallen einen von zwei verschiedenen, stets wiederkehrenden Wellenzügen aufweisen. Die Information be steht ausschliesslich in der Aussage, ob in einem betrachteten Zeitintervall die eine oder die andere dieser beiden charakteristischen Wellenformen erscheint. Den binären Infor mationswerten seien die Zahlen Null und Eins zrrg-eordnet.
Es gibt, zwei grundsätzliche Wege, aus dem verstärkten Signal die binäre Informa tion. zu gewinnen: Amplitudenselektion und Zeitselektion.
1. Bei der Amplitudenselektion muss das Signal einen vorgegebenen Schwellwert über steigen. Nur der über dem Schwellwert lie gende Teil der Wellenform gelangt an den Ausgang. Ihre Anwendung ist natürlich nur möglieh, wenn ein relativ grosser Teil der Wellenform, welche den Informationswert 1 darstellt, diesen Schwellwert überschreitet, und wenn anderseits die Wellenform, die den Informationswert 0 bezeichnet, den Schwell wert gar nie überschreitet.
\'. Bei der Zeitselektion wird das Signal in ,jedem einer Information zugeordneten Zeit intervall während eines Bruchteils dieses In tervalles inspiziert, z. B. durch kurzzeitiges öffnen eines elektrischen Ventils ; das Vor handensein resp. Nichtvorhandensein der Signalspannung während dieses Inspektions- zeitintervalles ist dabei für den Informations wert massgebend.
Das Inspektionsintervall wird zu diesem Zweck so innerhalb des Infor- mationsintervalles gelegt, dass die Diskrimina- tion zwischen den beiden möglichen Informa- tionswerten möglichst gut wird. Diese Me thode ist weniger störanfällig und kann auch bei komplizierten Wellenformen, welche die Amplitudenselektion verbieten, angewendet werden.
Beiden Verfahren ist gemeinsam, dass von der ursprünglichen Signalwellenform nur ein kleiner Ausschnitt benützt wird, und dass der das Ventil passierende Teil des Signals, das heisst die Wellenform am Ausgang der Extraktionsschaltung, gar keine- Ähnlichkeit mit der ursprünglichen mehr hat.
Zur Weiterleitung von Signalen, welche binäre Information enthalten, sowie zur Ex traktion der binären Information aus den Signalen bedürfen letztere im allgemeinen einer erheblichen Verstärkung.
Die bisherige Praxis bestand darin, einen Breitbandverstärker mit flachem Frequenz gang einzusetzen zwecks Erhaltung der ur sprünglichen Form des Signals. Dies erscheint unter den dargelegten Verhältnissen als un nötig, und zwar bei nachfolgender Zeitselek- tion ebenso wie bei nachfolgender Amplitu- denselektion.
Gegenstand des Patentes sind ein Verfah ren und eine Schaltung, die immer dann An wendung finden können, wenn binäre Infor mation enthaltende elektrische Signale mit dem Zwecke verstärkt werden sollen., diese Information anschliessend zu extrahieren.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist da durch gekennzeichnet, dass man die Signale unter Preisgabe der Wiedergabetreue ver stärkt und zur Extraktion der Information einen solchen Zeitabschnitt ausnützt, in wel chem die verzerrte Wellenform den im Ein gangssignal enthaltenen Informationswert ein deutig kennzeichnet.
Die Schaltung zur Durchführung des Ver fahrens ist gekennzeichnet durch einen ver zerrenden Verstärker und durch Mittel, utn aus dem Verstärkerausgang in einem bestimm ten Zeitintervall auftretende binäre Informa tion zu extrahieren.
Aus dem Gesagten ergibt sich, dass dieses Verfahren im Gegensatz zur bisherigen Pra xis erhebliche lineare und nichtlineare Ver zerrungen zulässt.
Die einzige Bedingung, die an die Über gangsfunktion des Verstärkers und damit an seinen Frequenzgang gestellt werden muss, verlangt, dass derjenige Teil der verstärkten Wellenform, der in dem für die Informations extraktion ausgewählten Amplituden- oder Zeitbereich auftritt, die Information eindeu tig charakterisieren soll. Diese Erkenntnis gibt die Möglichkeit, den Verstärkungsgrad eines ganz primitiv gebauten Verstärkers auf Kosten der Wiedergabetreue hochzutreiben.
Anwendungen der Erfindung ergeben sich bei der Impulsspeicherung auf Magnettrom, mein und auf Magnetband, bei magnetostrik- tiv en Verzögerungsleitungen, bei statischen magnetischen Matrixspeichern sowie bei der Impuls-Code-Modulation, um nur einige Bei spiele zu nennen.
Das Verfahren und die Schaltung seien im folgenden an Hand zweier Beispiele näher erläutert.
Es sei angenommen, dass la in Fig. 1 die formgetreu verstärkte Signalspannung, wel che binäre Information führt, darstellt. Die Information besteht in der Aussage, ob im Zeitintervall z; die Wellenform 1 oder die Wellenform 0 auftritt. Die Wellenform I sei ein Doppelimpuls (Fig. 1a), während die Wellenform 0 im ganzen Intervall identisch Null bleibt.
Die Extraktion der binären Infor mation kann in diesem Fall nicht durch Am plitudenselektion erfolgen (Doppelimpuls), wohl aber durch Zeitselektion. Hiezu wird ein Ventil in den Zeitpunkten t kurzzeitig geöffnet, wodurch im Falle einer 1 ein zeit licher Abschnitt der Signal-Wellenform in Form eines elektrischen Impulses durchgelas sen wird (Fig. 1.b). Oder aber das Ventil wird in den Zeitpunkten T geöffnet, so dass das extrahierte Signal wie Fig. 1c aussieht..
Beide Verfahren sind gebräuchlich, je doch liegt. auf der Hand, dass die formgetreue Verstärkung der Wellenform a relativ hohe Ansprüche an den Frequenzgang des Ver stärkers stellt, was einen entsprechenden Auf wand bedingt.
Die dem Verfahren gemäss der Erfindung zugrunde liegende Idee fusst auf der überle- gung, da.ss die binäre Information auch in einer verzerrten Wellenform vorhanden und somit auf geeignete Weise extrahierbar sein muss.
Ein. differenzierender Verstärker - ein Spezialfall eines linear verzerrenden Verstär kers also - macht aus der urspriinglichen Wellenform Fig. la die Wellenform Fig. 1d, Diese Wellenform kann in den Zeitpunkten t, welche zwischen den oben benutzten Zeitpunk ten t und<I>T</I> in jedem Intervall -r; liegen, inspi ziert werden und liefert dann ebenfalls die extrahierte Information in Gestalt des Im pulssignals Fim. 1e.
Analog erhält man mit dem andern Spe zialfall eines linear verzerrenden, nämlich mit einem integrierenden Verstärker eine Wellenform Fig. 1f, aus der in den gleichen Zeitpunkten wie beim differenzierenden Ver stärker die Information ebensogut extrahiert werden kann (Fig. 1g).
Aus der Wellenfornr 1 f kann die Informa tion nun aber auch durch das technisch ein- taeliere Mittel der Amplitudenselektion extra hiert werden (Fig. 1h.) im Gegensatz zur Originalwellenform (Fig. la).
Das Vorgesagte behält seine Gültigkeit, wenn die den Informationswert Null darstel lende Wellenform nicht wie im obigen Bei spiel im ganzen Intervall identisch Null, son dern von anderer, von der Wellenform I> verschiedener Art ist. Dies ist in Fig. 2 vor ausgesetzt, in der alle Fälle des vorerwähnten Beispiels wiederkehren.
Ebenso kann das Obengesagte bei einem System Anwendung finden, bei welchem die Extraktion der Information so erfolgt, da.ss ein aus der Wellenform l extrahierter Sti- m.ulus über einen besonderen Kanal den nach resehalteten Organen zufliesst, während ein von der Wellenform 0 herrührender über einen zweiten Kanal weitergeleitet wird. Dies ist beispielsweise beim bereits genannten Ab leseverstärker für Magnettrommelspeicher dann der Fall, wenn mit den extrahierten Stimuli direkt ein Flipflop gesteuert werden soll.
Schliesslich sei erwähnt, dass sich die zu lässigen Verzerrungen nicht auf die bespro- -henen Spezialfälle besehränken, sondern < lui-eliaus von der Natur der gegebenen, infor- niationstragenden Wellenformen, vom Ex traktionsverfahren und von den physikali- sehen Möglichkeiten der gewählten Verstär- keranordnung abhängig gemacht werden kön nen.
Nachstehend ist eine Schaltung beschrie ben, die sieh u. a. als Ableseverstärker für Magnettrommelspeicher eignet.
Der Verstärker enthält eine einzige Dop peltriode 10 sowie je einen Eingangstrans forintor 1.1., Zwischentransformator 1.2 und Ausgangstransformator 13. Das zu verstär kende elektrische Signal wird dem Eingang 1-1; 1-1' zugeführt.. Der Zwischentransformator 12 wird phasenumkehrend gesehaltet. Da- dureli wird es möglich, für die Doppeltriode 10 eine Ausführung mit gemeinsamer Katho- denzuleitung zu verwenden, da dann die ge meinsame Kathodenimpedanz 16 gegenkop pelnd wirkt.
Der zur Gittervorspannungserzeugtmg ohnehin benötigte Kathodenwiderstand 16' wird nicht an Masse, sondern an ein beträcht lich negatives Potential geführt. Dies gestat tet, für 16' einen grösseren Widerstandswert zu wählen, der eine starke gleichstrommässige Gegenkopplung bewirkt, wodurch die Summe beider Anodenströme annähernd konstant ge halten wird. Damit erzielt man eine Stabili sierung der Verstärkung.
Die Erfahrung zeigt nämlich, dass die Änderung der Differenz der Emissionen zweier Triodensysteme im selben Röhrenkolben im Laufe der Alterung und bei verschiedenen Heizspannungen klein bleibt gegenüber der Änderung der Emissionen selbst. Somit hält die gemeinsame Gegenkopp lung jeden der beiden Anodenströme einzeln ebenfalls nahezu konstant. Nach dem Richard- sonschen Gesetz werden dadurch auch die beiden Steilheiten annähernd konstant gehal ten.
Da bei der Triode der Verstärkungsfak tor im Verlaufe der Lebensdauer fast kon stant bleibt, ändert sich bei gleichbleibender Steilheit auch der Innenwiderstand kaum.
Demzufolge bewirkt die Gleichstromgegen- kopplung ohne Einbusse an Signalverstärkung eine wesentliche Reduktion der Verstärkungs abnahme infolge Alterung usw.
An Stelle der Doppeltriode 10 können selbstverständlich Einzeltrioden verwendet werden. Sehr gut eignen sich auch Transisto ren.
Die Transformatoren 11, 12, 13 bewirken eine Anpassung der relativ niederohmigen Anodenkreise an die hochohmigen Gitter kreise. Infolge der geringen Streuinduktivität addieren sich die primärseitigen und sekiui- därseitigen Streukapazitäten und bilden mit den Hauptinduktivitäten der Transformato ren Sehwingkreise. Diese drei Kreise sind über die Gitter-Anodenkapazitäten der Tri oden miteinander zu einem dreikreisigen Bandfilter verkoppelt.
Durch Wahl der Trans formatorparameter und der Dämpfungswider- stände 15 und 15' können die Bandfiltereigen- schaften weitgehend beeinflusst werden, wo durch die lineare Signalverzerrung in er wünschtem Sinne beeinflusst werden kann. Bei der- von einer Magnettrommel gelieferten Wellenform beispielsweise kann eine Quasi integration angestrebt werden, wodurch der Inspektionsmoment in die Mitte des Informa- tionsintervalles versetzt wird. Dadurch fällt er mit dem Zeitpunkt zusammen, in welchem die Impulse aufgeschrieben werden. Hier durch wird eine Vereinfachung der Impuls zentrale erwirkt.
Ferner wird der für die In spektion nutzbare Teil des Signals zeitlich an, nähernd verdoppelt gegenüber der Original wellenform, was eine Vergrösserung der Zeit toleranzen erlaubt.
Im folgenden wird an Hand eines Beispiels ausgeführt, wie die Extraktion binärer Infor mation aus einem Signal erfolgen kann, in welchem der binäre Wert l durch eine be liebige, vorgegebene Wellenform und der Wert 0 durch dieselbe Wellenform, aber mit negativem Vorzeichen, dargestellt wird. Die extrahierte Information wird in Form eines negativen Impulses auf der einen Ausgangs klemme für eine Eins erhalten und in Form eines negativen Impulses auf der andern Aus gangsklemme für eine Null.
Der Ausgang des beschriebenen Verstär kers arbeitet über den Transformator 13 im Gegentakt auf zwei identisch ausgeführte Selektionskanäle. Jeder Künal enthält einen Anpassungswiderstand 4 (4'), welcher auf den Ausgang 7 (7') führt, sowie zwei Dioden 2, 3 (2', 3'), während der Widerstand 5 bei den Kanälen gemeinsam ist. Durch die Diode 2 wird der Ausgang 7 für positive Signale gegen Masse kurzgeschlossen. In Serie mit 5 ist die Diode 3 gegensinnig zur Diode 2 par allel geschaltet.
Da der Widerstandswert von 5 klein ist gegenüber dem von 4, werden da durch auch die negativen Signale am Aus gang 7 praktisch kurzgeschlossen, so dass nur ein vernachlässigbarer Teil des vom Verstär ker gelieferten Signals am Ausgang erscheint. Genau dasselbe gilt für den zweiten Kanal mit Ausgang 7'.
Wenn jedoch über den Eingang 6 dem Widerstand 5 eine negative Spannung aufge drückt wird, dann sperren die Dioden 3 und 3', wodurch an beiden Ausgängen der Kurz- schluss für negative Signale aufgehoben wird, falls die Amplitude dieser negativen Signale kleiner bleibt als die über 5 erzeugte Span nung. Während der Dauer des negativen Potentiale an 6 kann also ein negatives Signal an den Ausgang gelangen.
Infolge des Gegentaktausganges des Ver stärkers und der Voraussetzung über die Ge stalt der Wellenformen 1 und 0 wird durch einen innerhalb des Informationsinter- valles geeignet gelegten negativen Inspek tionsimpuls an 6 die Information dadurch extrahiert, dass von einer Wellenform l ein Teil in Form eines negativen Impulses an den Ausgang 7 durchgelassen wird, während von einer Wellenform 0 ein negativer Im puls an den Ausgang 7' gelangt.
Ausserhalb der durch das Auftreten eines Inspektionsimpulses gekennzeichneten Zeiten ist die Selektionsschaltung gesperrt.
Die einzelnen Phasen der geschilderten Extraktion sind in Fig. 4 dargestellt.
Fig. 4a zeigt die dem Eingang 14, 14' zugeführte Wellenform.
Die Fig. 4b und 4c zeigen die an den Punkten 31 bzw. 32 im Ausgang des Trans formators 13 erscheinenden verzerrten Wel lenformen.
In den Fig. 4d und 4e sind die die extra hierten Informationswerte 1 und 0 re präsentierenden Impulse dargestellt, welche in den Ausgängen 7 bzw. 7' auftreten, wenn dem Eingang 6 die in Fig. 4f dargestellten Inspektionsimpulse zugeführt werden. Die Fig. 4g gibt die Informationswerte an, die den extrahierten Impulsen zugeordnet sind.
An Stelle der beschriebenen Selektions- schaltung können selbstverständlich auch andere Selektionsschaltungen durch den be schriebenen Verstärker betrieben werden. Sol che Schaltungen leisten die logische Funktion Sowohl-als-auch und sind auch als Kon- junktionsschaltungen bekannt.