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Elektronischer Signalverteiler Die Erfindung bezieht sich auf einen
elektronischen Signalverteiler, mit Hilfe dessen eine Signalquelle nach einem Verteilungsschema
während bestimmter Zeitintervalle an jeweils einen oder an mehrere aus einer gegebenen
Anzahl von Empfangskanälen angeschlossen wird.
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Bekannt sind mechanische Signalverteiler, bei denen feste, mit Kontakten
versehene Anschlüsse für die Empfangskanäle nacheinander oder zu mehreren gleichzeitig
von einem beweglichen, mit der Signalquelle verbundenen Kontaktarm berührt werden.
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Ein einfacher bekannter elektronischer Verteiler ist beispielsweise
ein Schieberegister, dem man serienweise einzelne Bits zuführt. Jeder Registerzelle
ist ein Kanal zugeordnet, der, abhängig davon, ob ein Bit vorhanden ist oder nicht,
mit einer Signalquelle verbunden wird oder nicht verbunden wird. Um hier kompliziertere
Signalverteilungssehemata zu erhalten, beispielsweise das Einschalten und Ausschalten
mehrerer Empfangskanäle gleichzeitig, müssen zwischen den Schieberegisterausgängen
und den Anschlüssen für die Empfangskanäle umfangreiche Dekodierschaltungen angeordnet
werden. Das gleiche gilt für elektronische Zähler, deren jeweilige Zustande ebenfalls,
einem bestimmten Signalverteilungsschema entsprechend, bestimmten Empfangskanälen
zugeordnet werden können.
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Die Anwendung mechanischer Signalverteiler ist unter anderem durch
die Eigenschaften der mechanischen Kontaktgabe und eine obere Grenzgeschwindigkeit
für die bewegten Teile begrenzt.
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Elektronische Verteiler der angegebenen Art erfordern infolge der
notwendigen Dekodierlogik großen Schaltmittelaufwand und sind, wenn die Verteilung
der Signale auf die Kanäle erst einmal eingestellt wurde an ein festes während des
Betriebes des Verteilers nicht veränderliches Verteilungsschema gebunden.
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Die Erfindung schlägt demgegenüber zur Kopplung einer Signalquelle
auf verschiedene Empfangskanäle logische Verknüpfungsschaltungen vor, die nach dem
Prinzip von Schwellwertelementen arbeiten. Der elektronische Signalverteiler gemäß
der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Funktionsgenerator an sämtliche
Eingänge von mehreren mit je einem Eingang und einem Ausgang versehene Schwellwerteinrichtungen
angeschlossen ist ' welche nur dann einen Ausgangsimpuls abgeben, wenn ein
ihnen zugeführtes veränderliches Eingangssignal größer als ein unterer Schwellenwert
und kleiner als ein oberer Schwellenwert ist, wobei der Ausgang jeder Schwellwerteinrichtung
über je eine Torschaltung (Und-Gatter) mit einer Signalquelle und jeweils
einem Empfangskanal verbunden ist, so daß eine Signalverteilung auf die Kanäle nach
einem bestimmten Schema erfolgt.
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Die Schwellwerteinrichtungen haben insbesondere, je einen erregenden
Eingang und einen hemmenden Eingang, die zu einem Eingang zusammengeschaltet sind.
Dem erregenden Eingang ist eine Schwelle entgegengesetzt, die von einer Eingangsspannung
überwunden werden muß, ehe sich das Ausgangssignal ändert. Der hemmende Eingang
setzt dem erregenden Eingang eine zweite Schwelle entgegen, wenn er aktiviert wird,
so daß jetzt eine erhöhte Eingangsspannung zur Änderung der Ausgangsspannung der
Schwellwerteinrichtung nötig ist. In der Anordnung gemäß der Erfindung wirkt jede
Schwellwerteinrichtung also wie ein Filter, das aus einer Eingangsspannungsamplitude
einen bestimmten Bereich durchläßt. Die untere Schwelle wird im folgenden als Schwellenwert
S, die obere Schwelle als Gegenschwellenwert G bezeichnet. Beide Schwellen
sind z. B. über Potentiometerwiderstände einstellbar, so daß auf diese Weise das
Signalverteilungsschema des Verteilers gemäß weiterer Erfindung von Hand oder, bei
Anschluß eines Servomotors an alle Potentiometer, automatisch während des Betriebes
der Anlage variiert werden kann.
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Der Funktionsgenerator liefert vorzugsweise eine periodische Sägezahnspannung,
deren linearer Anstieg als gemeinsame Eingangsspannung an alle Schwellwerteinrichtungen
gegeben
wird. Mit Hilfe einer periodischen Steuerspannung wird der zyklische Betrieb des
Signalverteilers erreicht.
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An Hand der Fig. 1 bis 4 wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 eine schematisierte Darstellung des elektronischen
Verteilers gemäß der Erfindung, Fig. 2 eine mögliche Ausführung der Schwellwerteinrichtungen
mit einer Transistor-Dioden-Schaltung und Fig. 3 ein Spannungs-Zeit-Diagramm
der steuernden Eingangsspannung für die Schwellwerteinrichtungen mit einem Beispiel
eines speziellen Signalverteilungsschemas; in Fig. 4 ist ein Funktionsgenerator
angegeben, der eine sägezahnähnliche Steuerspannung und deren Komplement aus zwei
in ihrer Phase um 180' verschobenen Sinusgeneratoren erzeugt.
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In Fig. 1 ist ein Funktionsgenerator 1 an sämtliche
Eingänge E von n Schwellwerteinrichtungen 3 mit der Transistor-Dioden-Schaltung
Fi (i = 1 ... n) und den Potentlometern Gi, Si angeschlossen.
Der Ausgang A
jeder Schwellwerteinrichtung 3, jeweils zusammen mit
dem Ausgang der Signalquelle S(2), bildet den konjunktiven Eingang je einer
Koinzidenzschaltung 4, deren Ausgang 5 jeweils einen Empfangskanal K, bis
Kn zugeordnet ist. Der Ausgang A der Schwellwerteinrichtung mit dem höchsten
Gegenschwellenwert G" ist beispielsweise auch über die Leitung 6
an den Funktionsgenerator
1 geführt. In einem anderen später zu diskutierenden Fall gilt die gestrichelt
gezeichnete Verbindung des Funktionsgenerators mit dem Ausgang A der Schwellwerteinrichtung
mit dem niedrigsten Schwellenwert.
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Die Tore 4 lassen nur dann ein Signal durch, wenn gleichzeitig an
beiden Eingängen Signale auftreten. Die zu verteilenden Signale aus der Quelle 2
liegen immer an den Eingängen der Koinzidenzschaltungen. An den Ausgängen
A der Schwellwerteinrichtungen tritt nur dann ein Signal auf, wenn die veränderliche
Eingangsspannung am Eingang E bestimmte, durch die Schwellenwerte Si und
Gegenschwellenweite Gi definierte Spannungsbereiche überschreitet.
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Die Schaltung einer Schwellwerteinrichtung 3 ist in Fig. 2
angegeben. Der pnp-Transistor Tl liegt mit dem Emitter an der Spannung
U2 und mit dem Kollektor über den Widerstand R6 an der Spannung Ul. Der Kollektor
ist außerdem über die Entkopplungsdiode D 3 an den Ausgang
A geführt. Die Basis des Transistors Tl liegt über einen Widerstand Rl, der
vorzugsweise regelbar ist, an der Spannung Ul. Die Spannungen und Widerstände sind
so gewählt, daß der Transistor Tl im Sättigungsgebiet leitet, am Ausgang
A herrscht dementsprechend relativ positives Potential gegenüber U". Zunächst
sei angenommen, daß der Basisanschluß p
des Transistors Tl allein über die
disjunktive Diode D 1
und das RC-Glied RC3, welches der rascheren Signalübertragung
dient, an die erregende Eingangsleitung e angeschlossen ist. Die erregende Eingangsleitung
e wird vom Eigang E angesteuert und führt normalerweise niedriges Potential
als der Punkt p, so daß die Diode Dl gesperrt ist. Liegt eine positiv
anwachsende Signalspannung am Eingang E, so wird die Diode D
1
leitend, sobald E positiveres Potential als der Basisanschluß
p hat, worauf das Potential an p ansteigt, und der Transistor Tl wird gesperrt,
sobald die Spannung an p > U, ist. Die entsprechende Kollektorspannungsänderung
wird an den Ausgang A übertragen. Der Schwellenwert S, bei dem dieses
geschieht, kann am Widerstand Rl eingestellt werden. Schaltet man jetzt einen zweiten
pnp-Transistor T2 mit dem Kollektor an den Basisanschluß p des Transistors
Tl, mit dem Emitter über den Widerstand R5 an die Spannung U, und mit der
Basis über den Widerstand R2, der vorzugsweise regelbar ist und das Basispotential
des Transistors T2 bestimmt, ebenfalls an die Spannung U, so daß Transistor
T2 leitet, und wählt man weiterhin die Spannungen U, bis U, derart,
daß U, > U2 > U,
so bekommt der Punkt p positiveres Potential
als in der Anordnung ohne den Transistor T2. Über eine hemmende Eingangsleitung
h, das zur Schaltbeschleunigung dienende RC-Glied RC4 und die normalerweise gesperrte
Diode D2 kann die Basis des Transistors T2 im gleichen Sinne angesteuert
werden, wie für Tl beschrieben. Dabei ist dem Transistor T2 der Gegenschwellenwert
G durch den Widerstand R2 zugeordnet. Wenn der Transistor T2 sperrt, erniedrigt
sich aber das Potential des Punktes p, so daß jetzt eine positivere Eingangsspannung
über Leitung e aufzuwenden ist, um die Schwelle zur Schaltung des Transistors Tl
zu erreichen. Vereinigt man beide Leitungen e und h zu einem Eingang E und
legt eine nach positiven Werten wachsende Eingangsspannung an E, so wird,
wenn der durch Rl bestimmte Schwellenwert S kleiner als der durch R2 bestimmte
Gegenschwellenwert ist, zunächst Tl gesperrt, und T2 bleibt leitend. Dann wird die
durch R2 bestimmte Gegenschwelle durch die Eingangsspannung erreicht, und T2 wird
gesperrt. Da jetzt eine höhere Eingangsspannung an E nötig ist, um Tl zu
sperren, wird der Transistor Tl zunächst wieder leitend. Am AusgangA entsteht also
ein rechteckiger Spannungssprung.
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Im Zusammenhang mit Fig. 3 sei eine spezielle Signalverteilung
auf die Kanäle Ki näher erläutert. Dabei werden angenommen, daß insgesamt vier Schwellwerteinrichtungen
F,. bis F, mit den Schwellenwerten S, bis S, und den Gegenschwellenwerten
G,
bis G, und entsprechend vier Kanäle, auf welche die Signale verteilt
werden, vorhanden sind. Der Index i läuft also im folgenden immer von
1 bis 4. Fig. 3
zeigt die Ausgangsspannung des Funktionsgeneratorsl,
die hier als periodische Sägezahnfunktion angesetzt ist, in Abhängigkeit von der
Zeit. Dieser Spannungsverlauf wird an den Eingang E der vier Schwellwerteinrichtungen
F, bis F, gegeben. Dabei soll der maximale Spannungswert des Sägezahns oberhalb
des höchsten Gegenschwellenwertes G4 liegen, d. h., es werden sämtliche Schwellenwerte
S, bis S, und Gegenschwellenwerte G, bis G4 innerhalb einer Periode
von der Sägezahnfunktion angenommen. Diese Werte sind als Spannungsniveaus in Fig.
3 gestrichelt eingezeichnet und definieren die Bereiche, in denen die als
Amplitudenbereichsfilter wirkenden Schwellwerteinrichtungen ansprechen.
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Es werden einige Beispiele von Signalverteilungen angegeben. Damit
n = 4 Schwellwerteinrichtungen, des weiteren als Filter bezeichnet,
monoton nacheinander in gleichen Zeitabständen zyklisch angesprochen werden, müssen
folgende Bedingungen erfüllt sein-1. 1. Der Differenzbetrag 1 Si
- Gi 1 zwischen Schwellenwert Si und Gegenschwellenwert Gi
ist in allen Filtern Fi der gleiche, 2. Der Differenzbetrag 1 Si
- Si + zwischen den Schwellenwerten zweier hintereinandergeschalteter
Filter Fi und Fi + , ist der gleiche.
3. Die
Differenz D = Si + , - Gi zwischen dem Schwellenwert des
i + 1-ten Filters und dem Gegenschwellenwert des nächsttieferen Filters
Fi muß der Gleichung
gehorchen, wobei B die Amplitude der steuernden Sägezahnspannung und n die Anzahl
der Filter bedeutet. Im angegebenen Beispiel ist B = 6,
n = 4, ISt - Gil = 1 und D #
+0,5,
also größer als Null.
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4. Die Dauer t, der Abfallflanke der Sägezahnfunktion muß kleiner
sein als die minimale Ansprechzeit ta eines Filters, multipliziert mit der Filteranzahl
n. Dabei definiert die Ansprechzeit t" die kürzeste Zeitspanne, während der eine
Spannung am Filtereingang wirken muß, damit das Filter seinen Ausgangszustand ändert.
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t,9 < n ta.
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5. Die Zeit t (Di +,) und t (Gi)
zwischen dem Erreichen des Schwellenwertes St +, des Filters Fi
+, und dem Erreichen des entsprechenden Gegenschwellenwertes Gi des Filters
Fi muß gleich sein der Zeit t (G4) - t (S,) zwischen dem Erreichen
des höchsten möglichen Gegenschwellenwertes G4 und dem Erreichen des untersten möglichen
Schwellenwertes S, im folgenden Zyklus. Die allgemeine Bedingung, damit nur
je ein Filter zu jedem Zeitpunkt angesprochen wird, ist hinreichend durch
D >, 0
erfüllt. Bei D < 0 werden mehr als ein Filter
angesprochen. Die Anzahl m derjeweils gleichzeitig angesprochenen Filter ist gegeben
durch
(lies: in = kleinste ganze Zahl, die den Quotienten enthält).
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Das durch diese fünf Bedingungen gegebene Signalverteilungssehema
ist in Fig. 3 angedeutet. In den schraffierten Bereichen ist kein Filter
eingeschaltet. Wegen Bedingung 4 wird kein Filter von der Rückflanke des Sägezahnes
angesprochen, II. Alle Schwellen Si der Filter Fi haben den gleichen Wert, und die
Differenz der Gegenschwellenwerte G
benachbarter Filter, Gi+, -
Gi, für jedes 1 ist konstant und größer als Null. Es würden in diesem Falle
alle Filter zunächst angesprochen, d. h., an alle Kanäle werden Signale abgegeben,
aber bei zunehmender Amplitude der steuernden Eingangsspannung verringert sich die
Anzahl der aktivierten Filter monoton mit der Zeit, bis alle ausgeschaltet sind.
Danach beginnt ein neuer Zyklus. In diesem Beispiel wird demnach die Zahl m der
gleichzeitig eingeschalteten Filter von n = 4 bis n = 0 variiert.
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III. Der umgekehlte Fall, daß zunächst kein Filter und am Zyklusende
alle Filter eingeschaltet sind, tritt ein, wenn die Gegenschwellenwerte Gi sämtlicher
Filter gleich groß sind und die Differenz der Schwellenwerte Si benachbarter Filter
konstant und größer als Null für alle 1 ist. Wenn die Potentiometer (Si,
Gi) nicht von Hand, sondern mittels eines Servomotors gleichzeitig bewegt werden,
ergibt sich bei Gültigkeit der Bedingungen 1
im Falle, daß alle Schwellenwerte
Si gleichmäßig herab- bzw. heraufgesetzt werden, ein Signalverteilungsschema, bei
dem die Zunahme bzw. die Abnahme der Anzahl in der gleichzeitig angesprochenen Filter
monoton mit der Zeit wächst bzw. fällt, vorausgesetzt, daß am Ende eines Zyklus
die Potentiometer zu ihrer Anfangsstellung zurückgeführt werden.
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Entsprechendes gilt bei Betätigung des Gegenschwellenwertes Gi.
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Eine weitere Möglichkeit zur Änderung der Signalverteilung auf die
verschiedenen Kanäle besteht darin, verschiedene Spannungsfunktionen zur Steuerung
der Schwellwerteinrichtungen zu nehmen. Eine Umkehrung der Schaltfolge auf die einzelnen
Kanäle wird bereits dadurch erreicht, daß man den Funktionsgenerator mit der Komplementärfunktion
benutzt. Ein Ausführungsbeispiel für den Funktionsgenerator, der eine annähernd
sägezahnförmige Spannung aus zwei in ihrer Phase um 180' verschobenen Sinusgeneratoren
und gleichzeitig den dazu komplementären Spannungsverlauf erzeugt, zeigt die Fig.
4. Zwei Sinusgeneratoren 20 und 21 sind jeweils an ein Und-Gatter 22 bzw.
23 angeschlossen. Der zweite Eingang der Und-Gatter ist an die Ausgänge einer
bistabilen Kippschaltung 25 geführt, die über eine Ausgangsleitung
26 wechselseitig umgesteuert wird. Die Und-Gatter sind disjunktiv über das
Oder-Gatter 24 mit dem Ausgang 27 verbunden. Die Leitung 27 fährt
an sämtliche Eingänge E der Schwellwerteinrichtungen 3
(Fig.
1), der Eingang 26 wird beispielsweise an die Ausgangsleitung
6 in Fig. 1 angeschlossen. Jeweils bei Erreichung der Maxima der Sinusfunktionen
wird die Kippschaltung 25 vom Ausgang A der Schwellwerteinrichtung
mit dem höchsten Gegenschwellwert G"
nber die Leitung 6 und
26 umgekippt, so daß jeweils nur die positiven Flanken der Sinuswellen auf
die Leitung 28 gelangen.
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Den komplementären Spannungsverlauf zur Ansteuerung der Schwellwerteinrichtung
3 erhält man, wenn man Eingang 26 der Kippschaltung mit dem Ausgang
A der Schwellwerteinrichtung mit dem tiefsten Schwellenwert S, verbindet
(Fig. 1, gestrichelt gezeichnet).
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Besonders erwähnt sei der Fall, daß die Empfangskanäle während längerer
Zeitintervalle mit der Signalquelle S verbunden werden sollen. Ein die Verteilung
steuerndes an die Eingänge der Schwellwerteinrichtungen gegebenes periodisches Signal
ist dann so auszubilden, daß die einzelnen Schwellen- und Gegenschwellenwerte trotz
langer Periodendauer rasch überstrichen werden, um eindeutige Ansprechverhältnisse
für die Schwellwerteinrichtungen zu schaffen. Dieses bedingt eine dem entsprechenden
Fall angepaßte Ausgangsspannung des Funktionsgenerators. Im angegebenen Beispiel
I würde eine innerhalb einer langen Periode deren konstante treppenförmig Spannungsniveaus
ansteigende Ausgangsspannung innerhalb der '
Ansprechbereiche der Schwellwerteinrichtungen
liegen, den gestellten Forderungen genügen.
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Die Erfindung ist nicht an die dargestellte Ausführungsform gebunden.
Beispielsweise können die Schwellwerteinrichtungen, die, wie eben beschrieben, im
Sinne von Amplitudenbereichsfiltern wirken, als Frequenzfilter ausgebildet sein
und von einem entsprechenden Funktionbgenerator angesteuert sein.
Weiterhin
kann der erfindungsgemäße elektrische Signalverteiler als selbstanzeigender Amplitudendiskriminator
verwendet werden, wenn man die Schwellwerteinrichtungen mit einer Amplitudengemische
enthaltenden Spannungsfunktion, z. B. einer Sprechspannung, ansteuert. Als Signalquelle
ist dann etwa eine Gleichspannung zu verwenden, und die einzelnen Amplitudenbereiche
werden auf die Kanäle sortiert, ciie ihrerseits mit einer Anzeigevorrichtung gekoppelt
sind.