DE1125543B

DE1125543B - Method for the time expansion of high-frequency signals for electrical registration purposes

Info

Publication number: DE1125543B
Application number: DEM44510A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Horst Michaelis
Original assignee: HORST MICHAELIS DIPL ING
Current assignee: HORST MICHAELIS DIPL ING
Priority date: 1960-03-01
Filing date: 1960-03-01
Publication date: 1962-03-15

Description

Verfahren zur Zeitdehnung hochfrequenter Signale für elektrische Registrierzwecke Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Umwandlung hochfrequenter elektrischer Signale mit periodischem Charakter in Zeitfunktionen mit gleichem, aber zeitlich gedehntem Amplitudenverlauf, aber mit beliebig steuerbarer Zeitdehnung, so daß Registrierge räte ausgesteuert werden können, deren obere Grenzfrequenz weit unterhalb der Signalfrequenz liegt.Method for the time expansion of high-frequency signals for electrical registration purposes The invention relates to a method for converting high frequency electrical Signals with a periodic character in time functions with the same, but temporal elongated amplitude curve, but with arbitrarily controllable time expansion, so that registration Devices can be controlled whose upper limit frequency is well below the signal frequency lies.

Für die Herstellung beispielsweise einer sichtbaren Aufzeichung von elektrischen Signalen sind folgende Verfahren bekannt: Mechanische Schreiber mit direkter und indirekter Aufzeichnung, Kathodenstrahloszillographen mit photographischer Aufnahme und magnetische Registriersysteme mit einer entsprechenden Wiedergabeeinrichtung. For example, to make a visible record of The following methods are known for electrical signals: Mechanical recorder with direct and indirect recording, cathode ray oscillograph with photographic Recording and magnetic recording systems with a corresponding playback device.

Bei den mechanischen Schreibern wird die obere Grenzfrequenz durch die unvermeidliche Trägheit der Schwingvorrichtung bestimmt. Dagegen erfolgt bei dem Kathodenstrahloszillographen die Aufzeichnung auf der Bildröhre praktisch trägheitslos, jedoch sind die Fehler in der Darstellung bei einer genaueren Auswertung des Amplitudenbildes unzulässig hoch. With the mechanical recorders, the upper limit frequency is through determines the inevitable inertia of the vibrating device. On the other hand takes place at the cathode ray oscilloscope the recording on the picture tube practically inertia, however, the errors in the representation are in a more precise evaluation of the amplitude image impermissibly high.

Das gleiche gilt für eine photographische Registrierung des Schirmbildes, die die einzige Möglichkeit ist, eine anhaltend sichtbare Aufzeichnung zu erhalten, wobei noch eine zusätzliche Verzögerung durch die Behandlung des Filmmaterials hinzukommt. Bei der magnetischen Aufzeichnung wird die obere Grenzfrequenz durch die Bandgeschwindigkeit und die Luftspaltbreite des Aufnahmekopfes bestimmt.The same applies to a photographic registration of the screen image, which is the only way to get a persistently visible record with an additional delay caused by the handling of the footage. In magnetic recording, the upper limit frequency is determined by the speed of the tape and determines the air gap width of the recording head.

Die Erfindung umgeht diese Nachteile und ermöglicht es, Vorrichtungen mit niedrigen Grenzfrequenzen unter Zwischenschaltung eines Abtastsystems direkt und ohne Zwischenspeicherung durch hochfrequente Signale mit periodischem Charakter zu steuern. The invention avoids these disadvantages and enables devices with low cut-off frequencies with the interposition of a scanning system directly and without intermediate storage through high-frequency signals with a periodic character to control.

Die Abtastung erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß aus dem hochfrequenten Signal kurzzeitige Impulse dort abgeleitet werden, wo eine periodische Eigenschaft des Signals in der Form eines gleichen Amplitudenwertes oder eines gleichen Zeitdifferentials im Spannungsverlauf wiederkehrt, daß diese Impulse als Synchronisierimpulse gegebenenfalls nach Frequenzteilung über ein stetig oder stufenförmig gesteuertes bekanntes Verzögerungssystem nacheinander fortschreitend immer mehr verzögert werden und als Abtastimpulse über eine Torschaltung aus dem hochfrequenten Signalverlauf die zu den verzögerten Zeitpunkten gehörigen Momentanwerte ausblenden, die ihrerseits für die übrige Dauer zwischen den Abtastzeitpunkten über einen Haltekreis konstant gehalten werden, und daß die Spannung am Haltekreis einer elektrischen Registriereinrichtung selbst niederer Grenzfrequenz zugeführt wird. The scanning is carried out according to the invention in that from the high-frequency Signal short-term pulses are derived where there is a periodic property of the signal in the form of an equal amplitude value or an equal time differential in the course of the voltage recurs that these pulses may be used as synchronization pulses after frequency division via a continuously or stepwise controlled known delay system successively progressively more and more delayed and as sampling pulses over a gate circuit from the high-frequency waveform at the delayed times hide the relevant instantaneous values, which in turn for the remaining duration between the sampling times are kept constant via a hold circuit, and that the Voltage on the holding circuit of an electrical registration device itself is lower Cutoff frequency is supplied.

Werden die Zeitpunkte der Abtastung gegenüber dem Signalverlauf in kleinen Stufen jeweils fortschreitend verzögert, so folgt die Gleichspannung am Haltekreis amplitudengetreu und stufenförmig dem Verlauf der hochfrequenten Eingangsgröße, und zwar um so langsamer und feinstufiger, je langsamer die Verzögerung fortlaufend anwächst. Die Geschwindigkeitsdifferenz der zeitlich fortschreitenden Abtastung gegenüber dem Signal kann dabei beliebig gewählt werden, so daß die Möglichkeit besteht, daß die vom Signal auszusteuernde Vorrichtung diese Geschwindigkeit direkt steuert. Are the points in time of the sampling compared to the signal curve in gradually delayed in small steps, the DC voltage follows on Holding circle true to amplitude and stepped to the course of the high-frequency input variable, and the slower and more finely graduated, the slower the delay continuously grows. The speed difference of the time progressing scan opposite to the signal can be chosen arbitrarily, so that the possibility consists that the device to be controlled by the signal this speed directly controls.

Der entscheidende Vorteil bei diesem Verfahren liegt darin, daß im Gegensatz zu den bisherigen Methoden kein mechanisches oder elektrisches System dem Amplitudenverlauf der schnellen Signalgröße dank der ständigen Wiederkehr der ausgeblendeten Momentanwerte des Signals direkt zu folgen hat. The key advantage of this method is that in In contrast to the previous methods, no mechanical or electrical system the amplitude curve of the rapid signal magnitude thanks to the constant recurrence of the has to follow hidden instantaneous values of the signal directly.

Die übliche Darstellung sehr hochfrequenter Signale mit Kathodenstrahloszillographen wird bei kleinen Signalgrößen äußerst schwierig, da das Produkt aus der Bandbreite und der Verstärkung bei einer gewissen Größe nicht mehr zu überschreiten ist. Dagegen ist das gekennzeichnete Abtastverfahren an diese Grenze prinzipiell nicht gebunden. Die obere Grenzfrequenz des Signals wird im wesentlichen dadurch bestimmt, wie schnell die kurzzeitigen Schalt- vorgänge bei der Abtastung noch auszuführen sind, während die untere Signalgröße von der Fähigkeit des Abtastgliedes abhängt, noch kleine Spannungen sicher zu schalten. Weiterhin ist es sehr vorteilhaft, daß das hochfrequente Wechselspannungssignal einer Gleichspannungskomponente überlagert sein kann, da die Gleichspannung bei der Abtastung erhalten bleibt. The usual representation of very high-frequency signals with cathode ray oscillographs becomes extremely difficult with small signal sizes, since the product of the bandwidth and the gain can no longer be exceeded at a certain size. Against it the marked scanning method is in principle not bound to this limit. The upper limit frequency of the signal is essentially determined by how fast it is the short-term switching operations to be carried out during scanning are, while the lower signal size depends on the capability of the sensing element, to switch even small voltages safely. Furthermore, it is very advantageous that the high-frequency AC voltage signal is superimposed on a DC voltage component can be, since the DC voltage is retained during scanning.

Bei genügender Signalgröße sind auch keineTrennverstärker erforderlich, so daß das Signal ohne jegliche Verzerrung infolge der beispielsweise unvermeidlichen Kennlinienkrümmungen der Verstärkerröhren direkt über die Torschaltung auf den Haltekreis geschaltet werden kann, so daß eine Verzerrung des Amplitudenbildes ausgeschlossen ist. If the signal size is sufficient, no isolating amplifiers are required. so that the signal without any distortion due to the inevitable, for example Characteristic curve curvatures of the amplifier tubes directly via the gate circuit on the hold circuit can be switched, so that a distortion of the amplitude image is excluded is.

Die Fig. 1 zeigt das allgemeine Blockschaltbild und Fig. 2 das zugehörige Zeitdiagramm zu einem Ausführungsbeispiel. Um die Darstellung zu vereinfachen, ist als hochfrequentes Signal nur eine Sinusspannung gewählt worden. FIG. 1 shows the general block diagram and FIG. 2 shows the associated one Timing diagram for an embodiment. To simplify the illustration, is only a sinusoidal voltage was selected as the high-frequency signal.

Das hochfrequente elektrische SignalS0 wird zunächst über einen Koppelkondensator von einer etwa vorhandenen Gleichspannungskomponente befreit und auf die Bereichumschalterstufe 1 geführt, wo es je nach der Signalgröße über einen Spannungsteiler oder einen Verstärker auf einen günstigen Bereich eingestellt wird. Um wenig Signalgrößen darzustellen, sollen in Fig. 2 die Signale S0 und S, identisch sein. In der darauffolgenden Stufe 2 wird dieses Signal S1 mit einer Kippschaltung und einem Differenzierglied mit anschließender Gleichrichtung in eine Impulsfolge der Formt umgewandelt, deren Impulse zu den Zeitpunkten auftreten, bei denen die Polarität des Signals S1 und die der Kippspannung z. B. ins positive wechselt. The high-frequency electrical signal S0 is initially transmitted via a coupling capacitor freed from any existing DC voltage component and on the range switch stage 1, where it is via a voltage divider or an amplifier, depending on the signal size is set to a favorable range. In order to display few signal quantities, in Fig. 2, the signals S0 and S should be identical. In the next stage 2 is this signal S1 with a flip-flop and a differentiator subsequent rectification converted into a pulse train of the form, the pulses occur at the times at which the polarity of the signal S1 and that of the Breakdown voltage z. B. changes to positive.

Damit die spätere Darstellung des gedehnten Signalverlaufs über einen längeren Abschnitt erfolgen kann als über den Ausschnitt des hochfrequenten Signals zwischen zwei Impulsen der Folger2, folgt auf diese Impulsbildnerstufe 2 noch ein Impulsuntersetzer 3, der z. B. nur jeden zweiten Impuls passieren läßt. So that the later display of the expanded signal curve via a longer section can take place than over the section of the high-frequency signal between two impulses of follower 2, this impulse generator stage 2 is followed by another Pulse scaler 3, the z. B. only allows every second pulse to pass.

In der nächsten Einheit 4 werden diese untersetzten Impulse der Folge S3 fortschreitend verzögert und gelangen zusammen mit dem Signal S0 auf die Torschaltung 5. In the next unit 4, these reduced pulses are the sequence S3 progressively delayed and arrive together with the signal S0 on the gate circuit 5.

Für die Gestaltung der steuerbaren Impulsverzögerungsstufe 4 gibt es verschiedene Möglichkeiten (s. J. Millman und H. Taub: »Pulse and Digital Circuits«, McGraw-Hill Book Comp., 1956, S. 508; und Mejerowitsch und Selitschenko: »Impulstechnik«, Verlag Berliner Union, 1960, S. 593). Hier wird nur kurz eine Koinzidenzschaltung in Verbindung mit einem Sägezahngenerator als Beispiel erwähnt, dessen Spannungsverlauf über der Zeit in der Fig. 2 in der Darstellung 8 angedeutet ist. Die Impulse der Folge 83 veranlassen dabei als Synchronisierimpulse wechselseitig das Ansteigen und Zurückkippen einer Sägezahnspannung, die ihrerseits beim Hochlaufen mit einer linear ansteigenden Steuerspannung U,1 zum Schnitt gebracht wird, wobei mit Hilfe einer Koinzidenzschaltung die Impulsserie S4 entsteht, deren Impulse gegenüber denen der Serie, mit der Zeit ansteigend verzögert erscheinen. Dabei kann die Steuerspannung natürlich auch stufenförmig ansteigen. For the design of the controllable pulse delay stage 4 there there are various possibilities (see J. Millman and H. Taub: "Pulse and Digital Circuits", McGraw-Hill Book Comp., 1956, p. 508; and Mejerowitsch and Selitschenko: »Impulse technology«, Verlag Berliner Union, 1960, p. 593). Here is only briefly a coincidence circuit in connection with a sawtooth generator mentioned as an example, its voltage curve is indicated over time in FIG. 2 in illustration 8. The impulses of Sequence 83 cause alternating increases as synchronization pulses and tilting back a sawtooth voltage, which in turn when ramping up with a linearly increasing control voltage U, 1 is brought to the cut, with the help of a coincidence circuit produces the pulse series S4, the pulses of which are opposite to those of the series appear increasingly delayed over time. The control voltage of course also increase in stages.

Bei der Darstellung hochfrequenter Signale auf üblichen Kathodenstrahloszillographen mit niedrigerer oberer Grenzfrequenz unter Zwischenschaltung der gekennzeichneten Abtastvorrichtung kann als Steuerspannung Ust für die beschriebene Koinzidenzschaltung zweckmäßigerweise die sägezahnförmige Zeitablenkspannung des Oszillographen selbst herangezogen werden. Die Steuerspannung Ust kann sowohl intern erzeugt als auch von außen her zugeführt werden. When displaying high-frequency signals on common cathode ray oscilloscopes with lower upper limit frequency with the interposition of the marked Scanning device can be used as a Control voltage Ust for the coincidence circuit described expediently the sawtooth-shaped time deflection voltage of the oscilloscope itself can be used. The control voltage Ust can be generated internally as well are fed from the outside.

Die aus den Synchronisierimpulsen der Folge 83 auf diese Weise z. B. abgeleiteten, fortschreitend verzögerten Abtastimpulse der Folge 84 steuern das Abtastglied bzw. die Torschaltung 5, so daß als das SignalS5 die zu den Abtastzeitpunkten gerade vorliegenden Momentanwerte im Amplitudenverlauf des Eingangssignals 8o als amplitudengesteuerte Impulse auf den Haltekreis 6 gegeben werden. The from the synchronizing pulses of the sequence 83 in this way, for. B. derived, progressively delayed sampling pulses of the sequence 84 control this Sampling element or the gate circuit 5, so that the signal S5 at the sampling times instantaneous values currently present in the amplitude curve of the input signal 8o as amplitude-controlled pulses are given to the holding circuit 6.

Für die Torschaltung 5 eignet sich zweckmäßig eine einfache Undschaltung mit Dioden, die der oben erstgenannten Literaturstelle entnehmbar ist (s. S. 397). A simple AND circuit is expediently suitable for the gate circuit 5 with diodes, which can be found in the first cited reference above (see p. 397).

Die Aufgabe des Haltekreises 6 besteht darin, die Impulse der Folge, momentan aufzunehmen und für die übrige Dauer zwischen den Abtastpunkten in der Form einer Treppenspannung SG konstant zu halten. The task of the holding circuit 6 is to record the impulses of the sequence, record momentarily and for the remaining period between the sampling points in the To keep the form of a staircase voltage SG constant.

Als Haltekreis sind z. B. Röhrenstufen zu verwenden, bei denen die modulierten Impulse über das Steuergitter einen in der Kathodenleitung der Röhre liegenden, möglichst verlustfreien Kondensator momentan aufladen. Es sind auch Demodulationsschaltungen für diesen Zweck bekannt, bei denen ein Kondensator über eine gesteuerte Diodenbrücke mit den Abtastwerten des Signals momentan auf- bzw. entladen wird, wobei der Kondensator sich aber während der Zwischenzeit über die Dioden nicht wieder entladen kann (vgl. die oben zweitgenannte Literaturstelle, S. 631). As a holding circle are z. B. to use tube stages in which the modulated pulses via the control grid one in the cathode lead of the tube Charge the capacitor that is lying down and as loss-free as possible. There are also demodulation circuits known for this purpose in which a capacitor is connected via a controlled diode bridge is instantaneously charged or discharged with the sampled values of the signal, the capacitor but cannot discharge again via the diodes in the meantime (cf. the second cited reference above, p. 631).

Zur Transformation des Ausgangswiderstandes kann die Treppenspannung 86 noch durch eine Kathodenfolgerstufe verstärkt und eventuell noch durch entsprechende Siebglieder geglättet werden, um dann als zeitgedehntes Signal eine Vorrichtung 7, wie z. B. ein Schreibgerät, auszusteuern. The staircase voltage can be used to transform the output resistance 86 reinforced by a cathode follower stage and possibly by a corresponding one Filter members are smoothed to then a device as a time-stretched signal 7, such as B. a writing instrument to control.

Es besteht ferner die Möglichkeit, den treppenförmigen Spannungsverlauf am Haltekreis mit Hilfe eines Analog-Digital-Wandlers in eine Folge von sprunghaft sich ändernden Digitalwerten umzuformen, so daß der zeitlich gedehnte Signalverlauf numerisch ausgewertet werden kann. There is also the possibility of the step-shaped voltage curve on the hold circuit with the help of an analog-to-digital converter in a sequence of leaps and bounds to transform changing digital values, so that the time-stretched signal curve can be evaluated numerically.

Das gekennzeichnete Abtastverfahren läßt sich auch mit Erfolg anwenden, wenn das Signal als eine Folge von Digitalgrößen erscheint. Außerdem kann jeder analoge Signalverlauf durch gleichmäßige Abtastung in eine amplitudenmodulierte Impulsfolge konstanter Frequenz umgesetzt und durch einen Haltekreis in eine Treppenkurve umgewandelt werden, wobei mit einem Analog-Digital-Wandler die Stufenhöhen in diskrete Digitalgrößen umgeformt werden können, so daß aus dem Signal eine digitale Wertefolge entsteht. The marked scanning method can also be used with success, when the signal appears as a sequence of digital quantities. Besides, everyone can analog signal curve through uniform sampling into an amplitude-modulated Pulse train of constant frequency converted and by a hold circuit in a stepped curve can be converted, using an analog-digital converter, the step heights in discrete Digital quantities can be converted so that a digital sequence of values can be derived from the signal arises.

Zur Zeitdehnung einer hochfrequenten periodischen Wertefolge können wieder durch Vergleich irgendeines momentanen Signalwertes mit den darauffolgenden Abtastwerten Impulse abgeleitet und gegebenenfalls nach Frequenzteilung als Synchronisierimpulse bestimmt werden. For the time expansion of a high-frequency periodic sequence of values, again by comparing any instantaneous signal value with subsequent ones Sampling pulses derived and possibly after frequency division as synchronization pulses to be determined.

Die mit anwachsender Verzögerung gegenüber diesen Synchronisierimpulsen auszublendenden Signalwerte werden am einfachsten ermittelt, wenn die Synchronisierimpulse selbst fortlaufend gezählt werden und entsprechend der erreichten Anzahl n gerade der n-te Signalabtastwert, gezählt vom vorangegangenen Synchronisierzeitpunkt, ausgeblendet wird. The one with increasing delay compared to these synchronization pulses The easiest way to determine the signal values to be masked is when the synchronization pulses are counted continuously and even according to the number n achieved the nth signal sample, counted from the previous synchronization time, faded out will.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Method for converting high-frequency electrical Signals with a periodic character in time functions with the same amplitude curve, but with arbitrarily controllable time expansion for electrical registration purposes, thereby characterized in that short-term pulses are derived there from the high-frequency signal be where a periodic property of the signal in the form of an equal amplitude value or an equal time differential in the voltage curve recurs that this Pulses as synchronization pulses, if necessary after frequency division via a continuous or step-controlled known delay system progressing one after the other are more and more delayed and as sampling pulses via a gate circuit from the high-frequency signal curve, the instantaneous values associated with the delayed times hide, which in turn for the remaining duration between the sampling times over a hold circuit are kept constant, and that the voltage at the hold circuit a electrical registration device itself is supplied to a lower limit frequency.

2. The method according to claim 1 for non-periodic signals whose Overall course, however, recurs periodically, characterized in that the scanning device is synchronized from the point in time at which the signal course starts again.

3. The method according to claim 1 for displaying very high frequencies Signals on oscilloscopes with a lower cut-off frequency, characterized in that that the pulse delay system from the sawtooth voltage to the time deflection of the Oscillograph itself is controlled.

4. The method according to claim 1, characterized in that a conversion of the step-shaped voltage curve at the holding circuit in digital quantities to the numerical Evaluation of the time-stretched signal takes place.

5. The method according to claim 1, characterized in that the signal appears in the form of a digital sequence of values and is progressively scanned.

Documents considered: German Patent No. 889 804; "Archives for technical measurement", ATM sheet 1 036-1, 1931.