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Frequenzdiskriminator, von dessen Eingangssignal eine Impulsfolge
abgeleitet wird Die Erfindung betrifft einen Frequenzdiskriminator zum Erzeugen
einer Ausgangsspannung oder eines Ausgangsstromes abhängig von der Frequenz eines
Eingangssignals, von dem eine Impulsfolge mit von der Periode des Eingangssignals
abhängiger Folgefrequenz abgeleitet wird.
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Durch die USA.-Patentschrift 2 720 584 ist ein derartiger Frequenzdiskriminator
bekannt, bei dem das Eingangssignal in Rechteckimpulse verwandelt wird, die zum
Triggern einer monostabilen Kippschaltung dienen, die für jeden Triggerimpuls einen
Rechteckimpuls von konstanter Dauer abgibt. Die Folgefrequenz dieser Impulse hängt
von der Periode des Eingangssignals ab. Die Impulse werden über ein Tiefpaßfilter
zu einem Stromverstärker geleitet; Für die Zuordnung des Ausgangssignals zur Frequenz
dient der Verlauf der Spannung am Ausgang eines linearen breitbandigen Diskriminators.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, das zeitliche Verhalten
der dem Diskriminator zugeführten Eingangsimpulse zur Frequenzdiskriminierung auszunutzen
und ist insbesondere dort von Bedeutung, wo kleine Abweichungen, beispielsweise
ein Modulationsgrad von 10-5 festzustellen ist.
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Der erfindungsgemäße Frequenzdiskriminator ist dadurch gekennzeichnet,
daß die Impulsdauer der Impulse der Folge entweder sich nur langsam im Vergleich
zur maximalen Periode des Eingangssignals 'ändert oder in an sich bekannter Weise
einen konstanten bestimmten Wert besitzt, daß ein Impulserzeuger Reckeckimpulse
mit einer Halbperiode erzeugt, die gleich der Periode des Eingangssignals ist, und
daß eine UND-Glieder enthaltende Verknüpfungsschaltung vorgesehen ist, die die Rechteckimpulse
mit der Impulsfolge derart kombiniert, daß die abgeleitete Ausgangsspannung bzw.
der Ausgangsstrom zumindest über einen Bereich der Impulsfolgefrequenz praktisch
proportional zu der Differenz zwischen der Periode des Eingangssignals und der Dauer
der Impulse der Impulsfolge ist.
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Gegenüber bekannten Vorrichtungen hat der erfindungsgemäße Frequenzdiskriminator
den Vorteil, daß eine große Anzahl von verschiedenen Verhalten mit Vorrichtungen
erzielt werden kann, die von gleichem allgemeinem Aufbau sind. Durch die Verwendung
von Verknüpfungsgliedern unterAusnutzung des Zeitverhaltens des Eingangssignals
ergibt sich eine besondere Flexibilität und eine hervorstechende Stabilisierung,
die immer dann erforderlich ist, wenn geringe Abweichungen festzustellen sind. Durch
diese Eigenschaft ist der erfindungsgemäße Frequenzdiskriminator den mit Gleichspannung
arbeitenden Vorrichtungen weit überlegen.
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Das Eingangssignal kann auch ein nicht impulsförmiges Signal sein.
Wenn das Eingangssignal nicht annähernd rechteckförmig ist, kann es mittels einer
Rechteckformschaltung in ein solches verwandelt werden.
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Der erfindungsgemäße Diskriminator kann sehr leicht so ausgelegt oder
angepaßt werden, daß er beliebige einer Anzahl verschiedener Eigenschaften besitzt.
Beispielsweise kann das Ausgangssignal eine derartige Charakteristik haben, daß
' es über einen gewünschten Bereich Null ist; oder die Verstärkung des Diskriminators
kann so bemessen werden, daß sie für unterschiedliche Teile des genannten vorbestimmten
Bereiches verschiedene ist. Die Verstärkung kann so ausgelegt werden, daß sie Null
wird und das Ausgangssignal über und/oder unter dem genannten vorbestimmten Bereich
konstant gehalten wird. Weiterhin kann der Diskriminator so dimensioniert werden,
daß er ein Ausgangssignal nur unter Ansprechen auf ein Eingangssignal innerhalb
oder außerhalb eines bestimmten Fiequenzbandes erzeugt. In diesem Fall wirkt die
Vorrichtung als eine Bandpaß- oder Bandsperren-Detektor-Kombination. Das Ausgangssignal
kann über das durchgelassene Band (oder gegebenenfalls außerhalb des gesperrten
Bandes) konstant sein.
Der Diskriminator kann auch so angeordnet
werden, daß er die Bezugsimpulsdauer abhängig: von der maximalen oder minimalen
Eingangssignalperiode steuert. In jedem Fall kann der Diskriminator so ausgelegt
sein, daß er Signale mit Perioden über oder unter einem bestimmten Wert aufnimmt
und Signale mit Perioden unterhalb bzw. oberhalb dieses genannten Wertes zurückweist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun an Hand der Zeichnungen
beschrieben. Es zeigt F i g. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels gemäß
der Erfindung, F i g. 2 Wellenformen, die an verschiedenen Punkten in F i g. 1 auftreten,
insbesondere Wellenformen A bis D in F i g. 2, die an den mit A bis
D bezeichneten Punkten in F i g. 1 erscheinen, F i g. 3 verschiedene Charakteristiken
des Ausgangssignals, die mit der Schaltung gemäß F i g. 1 erzielt werden können,
über der Frequenz aufgetragen, F i g. 4 und 6 Blockschaltbilder zweier weiterer
Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung, F i g. 5 und 7 entsprechende Wellenformen,
die an verschiedenen, durch entsprechende Buchstaben bezeichneten Punkten in den
Schaltungen gemäß F i g. 4 bzw. 6 auftreten, und F i g. 8, 9 und 10 entsprechend
den F i g. 1, 2 bzw. 3 ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel.
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Es sei beispielsweise angenommen, daß die Schaltung gemäß F i g.1
mit einem Eingangssignal mit einer Mittenfrequenz von 400 Hz arbeiten soll.
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Ein in der Frequenz um 400 Hz sich änderndes Eingangssignal wird an
einer Eingangsklemme 10
einem Impulsformer 11 zugeführt, der das Eingangssignal
in eine Rechteckwellenform A umformt, die einer bistabilen Kippschaltung 12 zugeführt
wird, die eine Rechteckimpulsfolge erzeugt, dessen »Impuls« und »Impulspause« jeweils
gleich der Periodendauer des Eingangssignals bzw. der Wellenform A sind. Diese bistabile
Kippschaltung 12 besitzt zwei Ausgänge, an denen Ausgangssignale mit den
Wellenformen B und B abgegeben werden. Die Wellenform B dient zum
Triggern einer ersten monostabilen Kippschaltung 13 mit zwei Ausgängen, an denen
Ausgangssignale mit den Wellenformen C und C abgenommen werden. Eine zweite monostabile
Kippschaltung 14 wird durch die Wellenform C getriggert und erzeugt Ausgangssignale
mit Wellenformen D und IJ an ihren beiden Ausgängen.
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Geeignete Impulse werden, wie noch zu beschreiben ist, von den Ausgangssignalen
der Schaltungen 12, 13 und 14'abgeleitet und an die Eingänge a1, a., a3 und b1,
b2, b;, von ersten und zweiten Gattern 15 und 16 gelegt. Die Ausgangssignale der
Gatter werden einem Integrier- oder Tiefpaßverstärker 17 zugeführt, der die von
den Gattern angelegten Wellenformen kombiniert und integriert, um die gewünschte
Ausgangsspannung bei 18 zu erzeugen, Die Wellenformen A und B: sind in F i g. 2
mit ausgezogenen Linien für die Mittenfrequenz von 400 Hz gezeigt, während die gepunkteten
Linien den Frequenzen 399 bzw. 401 Hz zugeordnet sind. Die erste monostabile Kippschaltung
13 wird durch die Anstiegskanten der Wellenform B getriggert und erzeugt einen Impuls
C mit einer Dauer, die einer Frequenz von 400,5 Hz entspricht. Die zweite monostabile
Kippschaltung 14 wird durch die Abfallkante der Wellenform C getriggert und erzeugt
einen Impuls, dessen Dauer gleich der Differenz zwischen der Dauer von Impulsen
C (entsprechend 400,5 Hz) und Impulsen wie C, jedoch entsprechend 399,5 Hz ist.
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Verschiedene Verhaltenseigenschaften, die mit der Schaltung gemäß
F i g. 1 erzielt werden können, sind in F i g. 3 gezeigt und ergeben sich wie folgt:
V stellt eine Ausgangsspannung dar, die sich linear um die Mittenfrequenz über einen
Eingangsfrequenzbereich von 399,5 bis 400,5 Hz (bestimmt durch die Breite des Impulses
D) ändert und konstant auf einem positiven Endwert bleibt bei Frequenzen unterhalb
399,5 Hz und null ist oberhalb 400,5 Hz.
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W ist das Komplement von V, wobei die Ausgangsspannung sich linear
jedoch in entgegengesetzter Richtung von 399,5 bis 400,5 Hz ändert, Null ist unterhalb
399,5 Hz und auf einem positiven Endwert oberhalb .400,5 Hz liegt.
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Es ist zu beachten, daß diese Kennlinien für Ansgangsspannungen oder
-ströme geeignet sind, mit denen ein fehlervermindernder Zweiwicklung motor gespeist
werden kann; am Frequenzschniüpunkt besitzen beide Ausgangssignale ihren nzittlerea
Wert, wie es für die meisten Schaltmotoren erforderlich ist. Der Schaltmotor kann
dann eine Eingangsignalquelle derart einstellen, daß die Konsiaaihaf tung der Frequenz
der Quelle angestrebt wird.
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X besitzt eine große Steigung zwischen 399,5 und
400,5 Hz (dieser
Bereich wird durch D be und eine niedrigere Steigung über und unterhalb dieser Frequenz.
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Y weist die Steigung Null zwischen 399,5 und 400,5 Hz (die durch D
bestimmte Bandbreite) und eine lineare Arbeitsweise über und unter dia Band auf.
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Z ist durchgehend linear und besitzt den Ausgangswert Null bei 400,5
Hz.
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Jede dieser Kennlinien kann mit der Schaltung gemäß F i g.1. durch
geeignete Wahl der Art der Gatter 15 und 16 und durch Zuführen von Eingangssignalen
zu den Gattern erzielt werden, daß sich Ausgangssignale gemäß der folgenden Tabelle
ergeben. In dien ser Tabelle bedeuten das Punkt- und das Pluszeichen Symbole der
Boolschen Algebra. Der Punkt st eine UND-Funktion und das Pluszeichen eine ODER-Funktion
dar. Dies ist im einzelnen in dem Buch »Design of Transistorised Circuits for Digital
Computers« von P r e s -s m a n (John F. Ryder), Kap. 2, erläutert.
| Verhalten r |
| Gatter 1 Gatter 2 |
| V B;D |
| W U-D |
| X B-C 27-(C+D) |
| Y B-0-15 u-C |
| Z B. C H-C |
Es ist zu beachten, daß die zweite monostabge Kippschaltung 14 für das Verhalten
Z nicht benöügt wird.
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Es zeigt sich, daß für die Verhaltea V, W, X und 1' die Mittenfrequenz
durch die Zeit bestimmt wird, für die die erste monostabile Kippschaltung 13 eingeschaltet
wird, und daß der Frequenzbereich, über die Steigung maximal oder Null ist, durch
die Zeh bestimmt wird, für die die zweite monostabile Kippschaltung 14 eingeschaltet
ist.
Für diejenigen Teile der Kennlinien, für die eine lineare Beziehung
zwischen Frequenz und Ausgangswert gezeigt ist, ist der Ausgangswert proportional
zu der Zeitdifferenz zwischen der Periode des Eingangssignals A und derjenigen der
Bezugswellenform C, und somit ist für die Frequenzabweichungen, die klein im Verhältnis
zur Mittenfrequenz sind, der Ausgang proportional zu diesen Frequenzabweichungen.
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Die Impulsdauer der monostabilen Bezugskippschaltung 13 kann durch
die Werte nur eines Widerstandes und nur eines Kondensators bestimmt werden. Die
Langzeitstabilität kann somit sehr leicht hoch gehalten werden.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 1 ist die Impulsdauer der
Bezugswellenform konstant. Es ist des öfteren erforderlich, zwei Frequenzen zu unterscheiden,
die sehr nahe beieinander liegen, deren Nominalwerte jedoch variieren. Ein Beispiel
dafür sind zwei Frequenzen, die auf einem Magnetband aufgezeichnet wurden und mit
einer sich eventuell ändernden Geschwindigkeit wiedergegeben werden. Wird vorausgesetzt,
daß eine dieser Frequenzen einen festen Nennwert besitzt und immer über oder unter
der anderen Frequenz liegt, so können die Frequenzen mittels des Ausführungsbeispiels
der Erfindung gemäß F i g. 4 getrennt werden, wobei entsprechende Wellenformen in
F i g. 5 dargestellt sind.
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Es sei angenommen, daß die höhere der beiden Frequenzen einen festen
Nennwert besitzt und daß diese höhere Frequenz herausgegriffen werden soll. Der
Impulsformer 11 und die bistabile Kippschaltung 12 erfüllen die gleichen Funktionen
wie in F i g. 1. Die monostabile Kippschaltung 13' ist gleich der Kippschaltung
13 in F i g. 1; lediglich ihre Impulsdauer ist mittels einer über einen Leiter 19
ihr zugeführten Steuerspannung veränderbar. Die zweite monostabile Kippschaltung
14' dient dazu, ein brauchbares minimales Ausgangssignal vom zweiten Gatter 16'
zu gewährleisten und trägt außerdem zur Erzeugung der Steuerspannung bei, die die
Impulsdauer der Bezugswellenform steuert. Die Änderung der Bezugsimpulsdauer ermöglicht
es, daß sie immer geringfügig von der ihr am nächsten liegenden Periode der Eingangssignalkomponente
verschieden ist, wodurch ein mögliches Zusammenfallen des Ausgangssignals der bistabilen
Kippschaltung 12 und der Abfallkante des Bezugsimpulses reduziert wird.
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Das erste Gatter 15' ist so ausgebildet, daß es ein Ausgangssignal
E = U - C -15 erzeugt, wenn die Periode der genannten Eingangskomponente
schmäler als der Bezugsimpuls ist. In diesem Fall steuert die über den Leiter 19
der monostabilen Bezugskippschaltung 13' zugeführte Spannung vom Integrierverstärker
17' diese monostabile Kippschaltung derart, daß das Ausgangssignal des ersten Gatters
15' verkleinert wird. Die monostabile Bezugskippschaltung 13' folgt langsamen Änderungen
der Eingangsfrequenz, so daß das zweite Gatter 16' nur dann ein Ausgangssignal
F = ig - C erzeugt, wenn das Eingangssignal die obere Frequenz besitzt.
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Eine andere Anordnung, bei der das zweite Gatter 16' auf die untere
Frequenz anspricht, ist in F i g. 6 gezeigt, während die entsprechenden Wellenformen
in F i g. 7 veranschaulicht sind. Die Arbeitsweise dieser Schaltung ergibt sich
aus der Beschreibung der F i g. 4 und 5. Eine Anwendung dieser Schaltung ist die
Messung einer Frequenzmodulation, beispielsweise ein Flattern bei Magnetbandgeräten,
oder einer Frequenzmodulation an den Ausgängen von Synchronisierimpulsgeneratoren
oder Fernsehmagnetbandgeräten. Bei dieser Anwendung wird die monostabile Bezugskippschaltung
13 durch die höchste Frequenz gesteuert, und die Änderung des Ausgangssignals des
zweiten Gatters 16' ist proportional zur Frequenzänderung.
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Durch die Verwendung der zweiten monostabilen Kippschaltung 14' erscheint
am zweiten Gatter 16' auch für die kleinste Frequenzänderung ein Ausgangssignal.
Es hat sich in der Praxis gezeigt, daß es mit einer Eingangsfrequenz von
1.0 kHz möglich ist, einen Modulationsgrad 10-@ anzuzeigen.
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Wird die zweite monostabile Kippschaltung 14' nicht verwendet, dann
ist der Ausgang des zweiten Gatters 16' direkt proportional zu der Differenz der
Impulsdauer der monostabilen Bezugskippschaltung 13 (d. h. der minimalen Periode
des Eingangssignals) und der Periode des Eingangssignals, wodurch sich ein gewisser
Fehler für sehr kleine Abweichungen infolge der endlichen Anstiegszeiten des Ausgangssignals
des zweiten Gatters 16' ergeben kann.
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Die tiefste noch erkennbare Frequenz der Modulation ist durch die
Zeitkonstante des ersten Integrierverstärkers 17' gegeben; tiefere oder geringere
Frequenzabweichungen können durch Prüfveränderungen der Steuerspannung aufgezeigt
werden. Die obere Grenze des Frequenzverhaltens wird durch die Eingangsfrequenz
bestimmt. Die Folgefrequenz des Ausgangsignals des zweiten Gatters 16' ist halb
so groß wie die Eingangsfrequenz, und somit ist die maximale bedeutsame Modulationsfrequenz
des Ausgangssignals ein Viertel der Eingangsfrequenz.
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Die F i g. 4 und 6 zeigen Schaltungen, die an die maximale Frequenz
gebunden sind und auf diese Frequenz bzw. die niedrigere Frequenz anspricht. In
ähnlicher Weise kann eine Schaltung so dimensioniert werden, daß sie von der niedrigsten
Frequenz gesteuert wird und auf diese Frequenz oder, falls erforderlich, auf höhere
Frequenzen anspricht.
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Bei der F i g. 8 ist gegenüber der F i g. 1 eine dritte monostabile
Kippschaltung 20 hinzugefügt und nur ein Gatter 15 und ein Integrierverstärker 17
verwendet. Die entsprechenden Wellenformen sind in F i g. 9 gezeigt, und die F i
g. 10 gibt die erzielbaren Verhalten wieder. Das Verhalten P ist ein Bandsperrenverhalten
und Q ein Bandpaßverhalten. Die bei a1 und a., am Gatter 15 angelegten Spannungen
sind derart. daß sie Ausgangswerte gemäß der folgenden Tabelle erzeugen:
| Verhalten Ausgang |
| P T-E |
| Q D-E |
Die Arbeitsweise dieser Schaltung gleicht der der F i g. 1. Die Periode der Mittenfrequenz
wird durch die Impulsdauer der ersten monostabilen Kippschaltung 13 plus der Hälfte
der Impulsdauer der zweiten monostabilen Kippschaltung 14 minus der Hälfte der Impulsdauer
der dritten monostabilen Kippschaltung 20 bestimmt. Die Schaltübergänge werden durch
die dritte monostabile Kippschaltung
20 gesteuert.
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Da diese Vorrichtung im wesentlichen ein Zeitdiskriminator ist, bewirkt
die begrenzte Bandbreite keine Verzögerung in dem Aufbau oder dem Abfall
des
Signals. Sie hat deshalb viele Anwendungen dort, wo die durch übliche Filter bewirkten
Verzögerungen nicht akzeptiert werden können.
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Die Verhalten V und W der F ig. 3 können als Tiefpaß- bzw. Hochpaßfilterverhalten
betrachtet werden, jedoch mit dem Vorteil, daß diese nicht überschwingen.