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Elektronischer Steuerimpulsgeber nach dem Pulsdauermodulationsverfahren
Auf vielen Gebieten werden in der modernen Technik Impulsdauermodulationsgeber benötigt.
Dies trifft insbesondere auf die vielseitigen drahtlosen Fernsteuerungsprobleme
zu, bei denen der Steuerbefehl nicht nur qualitativ aus einer »Ja-Nein«-Aussage
bzw. einem »Ein-Aus«-Befehl besteht, sondern bei denen der Steuerbefehl gleichzeitig
auch einen quantitativen Wert oder ein Maß dafür angibt, in welchem Umfang die betreffende
Steuermaßnahme wirksam werden soll. Von den verschiedenen Möglichkeiten für die
quantitativen Angaben sei hier nur die eine betrachtet, bei der die Länge eines
Steuerimpulses der Größenangabe des Steuerbefehls, z. B. einer bestimmten Ruderlage
bei der Fernlenkung von Schiffen oder Luftfahrzeugen, entspricht. Es wird dabei
angestrebt, daß die Impulsdauer dem Steuerbefehl möglichst proportional veränderbar
ist.
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In bekannten Fernsteuerungsanlagen mit Proportionalgebern wird der
Sender im bestimmten gleichbleibenden Rhythmus getastet, so daß die Sendeimpulse
in stets gleichem Abstand einander folgen. Das Tastverhältnis dieser Impulsfolge,
also das Verhältnis zwischen Tastzeit und Tastpause, ist veränderlich und entspricht
der quantitativen Angabe des Steuerbefehls. Es lassen sich auf diese Weise kontinuierliche
und proportionale Regelungen bzw. Fernsteuerungen durchführen. Es ist bekannt, derartige
Proportionalgeber als mechanisch umlaufende Abtasteinrichtungen auszubilden, so
z. B. als Taumelscheibe mit darauf befindlichem Kontakt und einem einstellbaren
Gegenkontakt zur Veränderung der Berührungszeiten dieser beiden Kontakte und damit
zur Veränderung des Tastverhältnisses. In anderen Ausbildungsformen werden von einem
Multivibrator gesteuerte Relais vorgesehen. Bei beiden Ausbildungsarten tritt jedoch
der Nachteil der mechanisch bewegten Teile auf, die es unter anderem nicht erlauben,
die Tastfrequenz beliebig hoch zu wählen. Außerdem sind mechanische Kontakte unter
Umständen noch mit dem Nachteil behaftet, daß sie zu Prellungen neigen, wodurch
die Kontaktgabe nicht mehr einwandfrei ist und das Taktverhältnis verfälscht wird.
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Es wurden daher auch schon Proportionalgeber auf rein elektronischer
Basis aufgebaut, die nicht die Nachteile der elektromagnetischen Geräte aufweisen.
So ist eine Anordnung bekannt, bei der ein Multivibrator die benötigte Impulsfolge
liefert und das Tastverhältnis durch gegensinnige Beeinflussung der den beiden Multivibratorröhren
zugeordneten Zeitkonstantenkreise veränderbar ist. Die an der einen Röhre der Multivibratorschaltung
entstehende Rechteckimpulsfolge wird zur Tastung eines durch Niederfrequenz modulierten
Senders herangezogen. Diese Anordnung erfordert aber ausgewählte Schaltelemente
für die gegensinnige Beeinflussung der Zeitkonstantenkreise, da sonst nicht nur
das Tastverhältnis verändert wird, sondern gleichzeitig die Multivibratorfrequenz
selbst in unerwünschter Weise beeinflußt wird. Außerdem ist es mit der bekannten
Anordnung nur möglich, einen einzelnen Niederfrequenzkanal zu steuern, so daß für
jede zu übertragende Signalfrequenz ein besonderer Multivibrator erforderlich wäre.
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Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, einen Proportionalgeber
auf rein elektronischer Basis aufzubauen, der bei einfachem Aufbau die genannten
Nachteile nicht aufweist. Das Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß eine
dreieckförmige Wechselspannung gleichzeitig zwei monostabilen Kippschaltungen zugeleitet
wird und durch Verschieben einer Vorspannung wahlweise die Erregungsdauer einer
der beiden Kippschaltungen beeinflußt, die jeweils über eine Torschaltung die Tastzeiten
eines mit der zugeordneten Signalfrequenz gespeisten Übertragungskanals bestimmt,
wobei das Maß der Vorspannungsverschiebung ein Maß für die Erregungsdauer der Kippschaltungen
ist. Bei den monostabilen Kippschaltungen handelt es sich um an sich bekannte Schaltstufen,
nämlich um die sogenannten Schmitt Trigger. Als dreieckförmige Wechselspannungen
sollen hier solche Wechselspannungen bezeichnet werden, deren Spannungsverlauf wenigstens
angenähert geradlinig ist und an den Umkehrstellen seiner Richtung einen ausgeprägten
Knick bzw. eine Spitze aufweist, also keinen kontinuierlichen Richtungswechsel oder
eine abgeflachte Spitze hat. Dabei ist es gleichgültig, ob die beiden Flanken des
Spannungsverlaufs gleiche oder unterschiedliche
Steilheit aufweisen.
Es können daher auch hier sogenannte Sägezahnspannungen verwendet werden.
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Die Erzeugung der Dreieck- oder auch Sägezahnspannung kann in an sich
beliebiger Weise erfolgen, z. B. kann sie direkt durch eine der hierfür bekannten
Schaltungsanordnungen erzeugt werden. Besonders vorteilhaft ist es aber, wenn man
gemäß weiterer Ausbildung der Erfindung den beiden Ausgängen eines Multivibrators
an sich bekannte Schaltglieder nachordnet zur Umformung der beiden vom Multivibrator
mit 180° Phasenverschiebung gelieferten Rechteckspannungen in dreieckförmige Wechselspannungen.
Jede dieser beiden Dreieckspannungen kann, wie oben schon erwähnt, zur Steuerung
von zwei Signalfrequenzen herangezogen werden, wobei die Signalfrequenzen vorzugsweise
im Niederfrequenzbereich liegen. Auf diese Weise werden von einem einzigen Multivibrator
insgesamt vier verschiedene Signalfrequenzen so gesteuert, daß aus zwei Paaren von
Signalfrequenzen jeweils eine Signalfrequenz im Zeitmultiplexverfahren mit einer
Signalfrequenz des anderen Paares auf den gemeinsamen Übertragungskanal gegeben
werden kann. Dabei ist vorausgesetzt, daß den Signalen eines Frequenzpaares jeweils
einander ausschließende Steuerbefehle zugeordnet sind, so z. B. »Hoch-Tief« oder
»Auf-Zu«. Es ist also ganz ausgeschlossen, daß beide Signalfrequenzen eines Paares
gleichzeitig übertragen werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sei nachstehend an Hand der
Zeichnungen erläutert.
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F i g. 1 zeigt ein Prinzipschaltbild für einen Steuerimpulsgeber für
vier Signalfrequenzen; F i g. 2 zeigt im Prinzip die Erweiterung eines Steuerimpulsgebers
für acht Signalfrequenzen; F i g. 3 stellt schematisch eine Schaltkulisse für den
Steuerhebel eines Steuerimpulsgebers dar.
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In F i g. 1 ist ein Multivibrator M Ausgangspunkt der gesamten Anordnung.
An seinen beiden Ausgängen A 1 und A 2 entstehen die
eingezeichneten Rechteckspannungen R 1 bzw. R 2, wobei die Spannung R 2 gegenüber
R 1 um 180° phasenverschoben ist. Aus dem Spannungsverlauf ist eine Periode herausgegriffen
und mit z bezeichnet. Diese Periode wird im späteren Verlauf der Beschreibung noch
besonderen Betrachtungen unterworfen. Da der Aufbau der gesamten Anordnung, abgesehen
von der Phasenverschiebung, bezogen auf den Multivibrator, symmetrisch ist, wird
zunächst nur der an den Ausgang A 1 angeschlossene Zweig beschrieben. In
diesem Zweig ist ein Integrierglied J 1 angeordnet, das die Rechteckspannung
R 1 in an sich bekannter Weise in eine Dreieckspannung umformt. In entsprechender
Weise erfolgt die Umformung der Rechteckspannung R 2 durch ein Schaltglied J 2,
wobei die dort entstehende Dreieckspannung in entsprechender Weise gegenüber der
erstgenannten wieder eine Phasenverschiebung um 180° aufweist.
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Die an J 1 gebildete Dreieckspannung wird über die Potentiometeranordnung
P 1 den beiden monostabilen Kippschaltungen (Schmitt-Trigger) K 11 und K12
gleichzeitig zugeleitet. Die Potentiometeranordnung P 1 ermöglicht es, eine
Vorspannung für die Dreieckspannung so einzuregeln, daß sie an der einen monostabilen
Kippschaltung im Gegensinne zur anderen Kippschaltung wirksam wird. Zur Einstellung
der Vorspannung kann z. B. der Steuerhebel S 1 dienen. Die Vorspannung ist
so eingestellt, daß die Kippschaltung K 11 und K 12 in der Ruhestellung
des Steuerhebels S1 nicht erregt wird. Ein Verstellen des Steuerhebels S1 verschiebt
die Vorspannung etwa in der Weise, wie sie in der Zeichnung durch den Spannungsverlauf
der Dreieckspannungen D 11
an der Kippschaltung K 11 und D 12 an der Kippschaltung
K 12 angedeutet ist. Für die Zeit, in der die Spitzen der Dreieckspannung
D11 den Nullwert überschreiten, wird die Kippschaltung K11 erregt. Je nach
dem Ausmaß der Vorspannungsverschiebung werden die Spitzen, die in der Figur senkrecht
schraffiert sind, in mehr oder weniger großer Breite über den Nullwert hinausgehen
und ergeben somit mehr oder weniger lange Erregungszeiten der Kippschaltung K11
und damit auch entsprechende öffnungs-und Schließzeiten der nachgeschalteten Torschaltung
T11.
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Durch den praktisch geradlinigen Spannungsverlauf ist die Länge des
erzeugten Impulses dem Maß für die Vorspannungsverschiebung und damit auch dem Steuerbefehl
proportional. Es ist aus der F i g.1 ersichtlich, daß die Verschiebung der Vorspannung
bei den Dreieckspannungen D 11 und D 12 in entgegengesetztem Sinne
wirksam ist. In der Periode z wird die Kippschaltung K Il für eine kurze Zeit erregt
und sendet einen Impuls P 11 zur Torschaltung T11, wogegen die Kippschaltung K12
völlig unbeeinflußt bleibt.
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Durch die Torschaltung T 11, die in an sich bekannter und nicht näher
beschriebener Weise ausgebildet ist, wird die zugeordnete Signalfrequenz F11 Rhythmus
der Erregungszeiten der Kippschaltung K 11 getastet. Es entsteht also hinter
der Torschaltung T 11 wieder ein Impuls P 11. Hier soll durch senkrechte Schraffur
angedeutet werden, daß der Impuls P 11 keine Rechteckspannung mehr ist, sondern
daß hier ein niederfrequentes Signal der Frequenz F11 ausgesandt wird. Wie bereits
erwähnt, wird die Kippschaltung K12 mit der Torschaltung T12 in diesem erwähnten
Beispiel nicht beeinflußt, und es kann daher auch kein Impuls mit der Frequenz F12
gleichzeitig ausgesandt werden. Die durch Tastung der Signalfrequenz F11 erzeugten
niederfrequenten Impulse P 11 kommen nun zum Summenverstärker V und werden von dort
dem übertragungskanal, z. B. dem Sender S zugeleitet.
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In analoger Weise wird die Rechteckspannung R2 über das Schaltglied
J2 wirksam und beeinflußt über die Potentiometeranordnung P 2 eine der beiden monostabilen
Kippschaltungen K21 oder K22. Im dargestellten Beispiel ist angenommen, daß durch
den Steuerhebel S2 in der Potentiometeranordnung P 2 die Vorspannung so verschoben
ist, daß durch die Dreieckspannung D22 die Kippschaltung K22 erregt wird. Es ist
hier eine größere Vorspannungsverschiebung angenommen als im obenerwähnten Beispiel
der Dreieckspannung D 11 bzw. D 12. Die Vorspannungsverschiebung wirkt
hier in dem Sinne, daß die Dreieckspannung D 22 weiter über den Nullwert kommt als
die Dreieckspannung D 11 und daß demzufolge die Erregungszeit der Kippschaltung
K 22
länger wird und hierdurch auch längere Impulse P 22
zur nachfolgenden
Torschaltung T22 gegeben werden. Die Kippschaltung K21 wird in diesem Falle nicht
beeinflußt. Durch die Torschaltung T22 wird die zugeordnete niederfrequente Signalfrequenz
F22 getastet, und es entstehen hier wieder niederfrequente Impulse P22, wie durch
die Senkrechtschraffur angedeutet ist. Betrachtet man in diesem Zweig der Anordnung
wiederum
die Periode r, so erkennt man, daß zu Beginn und Ende der Periode jeweils ein halber
Impuls P22 erzeugt wird. Die so getasteten Signalimpulse P 22 werden wieder auf
den Summenverstärker L' und dann auf den Sender S gegeben. Im Übertragungskanal
werden dann die Impulse P 11 und P22 gemeinsam im Zeitmultiplexverfahren übertragen,
d. h. also, daß im Übertragungskanal abwechselnd Impulse P11 mit der Signalfrequenz
F11 und P22 mit der Signalfrequenz F22 einander folgen. Dabei ist, wie schon erwähnt,
die Länge der jeweiligen Impulse der Vorspannungsverschiebung und somit dem Steuerbefehl
proportional.
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Die Schaltungsanordnung ist so ausgelegt, daß für die Signalfrequenzen
F 11 und F22 ein Tastverhältnis 1 : 1 dem Vollausschlag des Steuerknüppels entspricht.
Dies genügt z. B. bei Fernlenkanlagen zur Einstellung der üblichen Rudermaschinen
auf Vollausschlag auch im Falle von höheren Ruderbelastungen. Dieser Umstand hat
sich bei durchgeführten praktischen Versuchen als sehr wertvoll erwiesen, denn es
ist keinerlei Überlagerung nötig, und auf der Empfangsseite sind nur einfache Schaltglieder
erforderlich. Selbstverständlich ist es aber auch möglich, das Tastverhältnis 1
: 1 in Sonderfällen ohne Gefahr für die Wirkungsweise der Gesamtanordnung zu überschreiten.
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Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel erhält man, wie erwähnt,
den Vorteil, daß keinerlei Frequenzen während der Übertragung gemischt werden. Es
ist jedoch möglich, die Zahl der Kanäle für Steuerbefehle, die auf den gemeinsamen
übertragungskanal gegeben werden, dadurch zu verdoppeln, daß man jeweils zwei Frequenzen
einander überlagert. Auch hierfür ist gemäß weiterer Ausbildung der Erfindung nur
ein einziger Multivibrator mit den nachgeschalteten Integriergliedern erforderlich.
Lediglich die Anzahl der monostabilen Kippschaltungen muß der Zahl der hinzukommenden
Signalfrequenzen entsprechend verdoppelt werden.
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In der F i g. 2 ist stark vereinfacht ein Beispiel dargestellt, bei
dem ein Multivibrator zur Tastung von acht Signalfrequenzen herangezogen werden
kann. Dabei ist wieder vorausgesetzt, daß diese acht Signalfrequenzen paarweise
aufgeteilt sind und daß die den Paaren zugeordneten Steuerbefehle sich gegenseitig
ausschließen. Die F i g. 2 zeigt dementsprechend in der gleichen Weise wie die F
i g. 1 die beiden Paare von Kippschaltungen K 11 und K12 bzw. K21 und K22.
Hinzu kommen nun die beiden Paare von Kippschaltungen K13 und K14 bzw. K23 und K24.
Jedem Paar von Kippschaltungen ist eine Anordnung zur Vorspannungsverschiebung innerhalb
des Paares zugeordnet. Für jede dieser acht Kippschaltungen ist der Verlauf der
Dreieckspannungen eingezeichnet, und gleichzeitig sind eingezeichnet die durch die
Vorspannungsverschiebung an den Kippschaltungen entstehenden Impulse. Hier ist angenommen,
daß im ersten Paar von Kippschaltungen an der Kippschaltung K12 die ausgezogen eingezeichneten
Impulse P12 und am nächsten Paar von Kippschaltungen an der Kippschaltung K13 die
gestrichelt eingezeichneten Impulse P13 entstehen. Betrachtet man wiederum die Periode
r, so ergibt sich, daß sich nunmehr die Impulse P12 und P13 innerhalb der Periode
r überlagern. Auf die andeutungsweise Darstellung der Niederfrequenz für die Impulse
ist hier verzichtet. Bei den um 180° phasenverschobenen Dreieckspannungen wird in
den anderen Paaren von Kippschaltungen durch die Kippschaltung K22 der ausgezogen
dargestellte Impuls P22 und im anderen Paar durch die Kippschaltung K24 der Impuls
P24 erzeugt. Beide Impulse überlagern sich wieder und werden gemeinsam auf den Übertragungskanal
in der oben beschriebenen Weise gegeben. Über den übertragungskanal werden also
jetzt im Zeitmultiplexverfahren zwei Gruppen von Signalen, nämlich die Impulse P
12 und P 22 und diesen überlagert die Gruppe mit den Impulsen P 13 und P 24 übertragen.
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Der große Vorteil dieser Anordnung liegt in ihrem einfachen Aufbau.
Kritische Schaltelemente werden bei ihr nicht benötigt. Außerdem sind sämtliche
mechanisch bewegten Teile vermieden. Ferner bereitet es keine großen Schwierigkeiten,
nur zwei gemischte Signalfrequenzen empfangsseitig wieder voneinander zu trennen.
Die Gefahr der Übersteuerung ist bei 50011o Modulation ausgeschlossen. Dank des
Umstandes, daß nur zwei Frequenzen gemischt werden, sind in der Praxis ohne weiteres
auch noch höhere Modulationsgrade durchführbar.
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Oben wurde der Fall vorausgesetzt, daß durch Bewegung des Steuerknüppels
die eine Signalfrequenz bzw. der eine Niederfrequenzkanal vom Nullausschlag bis
Vollausschlag im Tastverhältnis 1 : 1 getastet wird, während die andere Signalfrequenz
des Paares vollkommen unbeeinflußt bleibt. Es ist jedoch auch möglich, durch entsprechende
Begrenzungen der Steuerknüppelbewegungen über das Tastverhältnis 1 : 1. hinauszugehen
und jeweils für ein Paar von Kanälen, z. B. »Links-Rechts« oder »Hoch-Tief« die
Signalfrequenz bis zum Dauerton auszutasten. Dabei muß verhindert werden, daß zu
gleicher Zeit im anderen Kanalpaar irgendein Steuerbefehl gegeben wird. Diese Forderung
wird z. B. durch eine Schaltkulisse erreicht, wie sie stark vereinfacht in F i g.
3 dargestellt ist. Ein Teil der Abdeckplatte des Steuerimpulsgebers ist aus dem
Gerät herausgeschnitten dargestellt. Aus dieser Abdeckplatte ist eine Kulisse mit
der Begrenzung B ausgeschnitten. Die Kulisse ist hier in F i g. 3 als Ouadrat dargestellt.
Der Steuerhebel ragt aus dem Innern des Gerätes durch diese Kulisse hindurch. Dabei
ist angenommen, daß die beiden Steuerhebel S1 und S2 aus der Fig. 1 hier zu einem
einzigen allseitig verschwenkbaren Steuerhebel S11S2 zusammengefaßt sind, wie er
etwa bei Femlenkanordnungen für Fluggeräte verwendet wird. Durch kleine Pfeile in
der Kulisse sind die entsprechenden Steuerbefehle angedeutet, die sich jeweils paarweise
gegenseitig ausschließen, wie z. B. »Hoch-Tief« und »Rechts-Links«. Die Bewegung
des Steuerhebels S11S2 wird durch die Kulissen B begrenzt. Liegt der Steuerhebel
S11S2 in einer der Ecken, z. B. in der Stellung »Hoch«, so wird allein diese zugehörige
Signalfrequenz ausgesandt, und zwar ist es möglich, sie als Dauerton auszusenden.
Der Befehl »Tief« ist, wie oben erwähnt, naturgemäß ausgeschlossen. Außerdem wird
ein zusätzlicher Befehl »Rechts« oder »Links« in diesem Fall von der Kulissenabgrenzung
B verhindert. Soll nun im angenommenen Fall zu dem Befehl »Hoch« ein zusätzlicher
Befehl »Rechts« hinzukommen, so wird bei der Bewegung des Steuerknüppels durch die
Begrenzung B erreicht, daß der Steuerhebel nur eine solche Einstellung einnehmen
kann, bei der das Tastverhältnis für den Befehl »Hoch« und gleichzeitig auch das
Tastverhältnis
für den Befehl »Links« einander ergänzen. Die beiden Signale ergänzen sich also,
und es entsteht bei der Übertragung keine Pause zwischen ihnen. An den Stellen
X der Begrenzung B weisen dann beide Steuerbefehle das Tastverhältnis
1:1 auf. Es sind sämtliche Zwischenstellungen möglich, wobei jedesmal die beiden
den Steuerbefehlen zugeordneten Impulse sich zum Dauerton ergänzen.
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Es ist auch leicht möglich, in an sich bekannter Weise die Tastfrequenz
des Multivibrators ebenfalls stetig zu verändern, d. h. die Länge der Periode z
einzustellen. Mit der einmal vorgenommenen Einstellung hat der Multivibrator selbst
ein bestimmtes Tastverhältnis, das bei der übertragung von Steuerbefehlen keinerlei
Veränderung erfährt, aber jederzeit bei Bedarf an andere Erfordernisse anpaßbar
ist.