DE1289588B

DE1289588B - Method for suppressing self-generated interference signals with a digital filter

Info

Publication number: DE1289588B
Application number: DE1967J0035805
Authority: DE
Original assignee: JANSEN GUENTER
Current assignee: JANSEN GUENTER
Priority date: 1967-02-13
Filing date: 1967-02-13
Publication date: 1969-02-20

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Unterdrückung selbsterzeugter Störsignale bei einem Digitalfilter mit einem Filterkommutator und wenigstens zwei Filtertiefpässen zum Festlegen der Filterbandbreite.The invention relates to a method for suppressing self-generated Interference signals in a digital filter with a filter commutator and at least two Filter low-pass to define the filter bandwidth.

Bekannte Digitalfilter (»Electronics«, Vol. 38, Nr. 23, S. 114 bis 119, 15. November 1965) bestehen aus einem Kommutator, der die Mittelfrequenz (fa) des Filters bestimmt, und aus einer Kombination von mindestens zwei Filterkondensatoren und einem Filterwiderstand - d. h. also zwei Tiefpässen - zum Festlegen der Filterbandbreite.Well-known digital filters ("Electronics", Vol. 38, No. 23, p. 114 bis 119, November 15, 1965) consist of a commutator that determines the mean frequency (fa) of the filter, and a combination of at least two filter capacitors and a filter resistor - d. H. so two low-pass filters - to set the filter bandwidth.

Unter Anwendung von hinreichend bekannten programmierbaren Abtastschaltungen (»Sampling Technique«) bewirkt der von einem Oszillator angetriebene Kommutator, daß für die Dauer beispielsweise einer Viertel-Kommutatorperiode (bei vier Kondensatoren) jeweils ein Filterkondensator an Masse gelegt wird. Trägt dieser Kondensator eine Ladung, so fließt nun ein entsprechender Ladestrom durch den bereits an Masse liegenden Filterwiderstand. Findet der Kommutator beim Abtasten aller Kondensatoren die gleiche Ladung vor, so fließt durch den Filterwiderstand fortwährend der gleiche Strom, und das Wechselspannungssignal über dem Filterwiderstand ist Null. Ähnlich verhält es sich, wenn ein sinusförmiges Signal durch den Filterwiderstand die Kondensatoren auflädt und dieses Signal in seiner Frequenz nicht mit der Kommutatorfrequenz übereinstimmt. Das ist so zu erklären, daß es je nach Bandbreite vieler Kommutatorperioden bedarf, um die Ladung der Kondensatoren zu ändern, da der Filterwiderstand den Lade- bzw. Entladestrom begrenzt, so daß sich bei Frequenzungleichheit zwischen Kommutator und Nutzsignal aus Gründen der Statistik alle Kondensatoren auf den gleichen Spannungswert bzw. eine Wechselspannungsnull einstellen.Using well known programmable sampling circuits (»Sampling Technique«) causes the commutator driven by an oscillator, that for a period of, for example, a quarter commutator period (with four capacitors) a filter capacitor is connected to ground. Does this capacitor carry a Charge, a corresponding charging current now flows through the already connected to ground Filter resistance. When scanning all capacitors, the commutator finds the same Charge, the same current flows continuously through the filter resistor, and the AC voltage signal across the filter resistor is zero. Behaves similarly it is when a sinusoidal signal through the filter resistor's capacitors charges and this signal does not match the frequency of the commutator frequency. This can be explained in such a way that, depending on the bandwidth, many commutator periods are required, to change the charge of the capacitors, as the filter resistance reduces the charge resp. Discharge current limited, so that in the event of a frequency imbalance between the commutator and useful signal, for statistical reasons, all capacitors have the same voltage value or set an alternating voltage zero.

Anders ist es bei Frequenzgleichheit. Diese bewirkt, daß der gleiche Teil einer Sinusperiode immer mit der gleichen Stellung des Kommutators zusammenfällt, was wiederum zur Folge hat, daß nach einer ausreichenden Anzahl von Perioden die Ströme durch den Filterwiderstand die Kondensatoren auf ihre unterschiedlichen Endwerte aufgeladen haben. Es baut sich also eine Wechselspannung in stufenförmiger Angleichung an die ursprüngliche Sinusform auf. Die Anzahl der Stufen pro Sinusperiode ist dann gleich der Anzahl der Kondensatoren. Die Bandbreite des Filters errechnet sich nach der Formel wobei N = Anzahl der Kondensatoren, R = Filterwiderstand in Ohm und C = Kapazität des einzelnen Filterkondensators in Farad ist.It is different with equal frequencies. This has the effect that the same part of a sine period always coincides with the same position of the commutator, which in turn means that after a sufficient number of periods the currents through the filter resistor have charged the capacitors to their different final values. So an alternating voltage builds up in a stepped adjustment to the original sinusoidal shape. The number of steps per sine period is then equal to the number of capacitors. The bandwidth of the filter is calculated using the formula where N = number of capacitors, R = filter resistance in ohms and C = capacitance of the individual filter capacitor in farads.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei Digitalfiltern mit einem Filterkommutator und wenigstens zwei Filtertiefpässen zum Festlegen der Filterbandbreite die durch den Filterkommutator hervorgerufenen Störsignale, die sich in unterschiedlichen Kondensatorspannungen zeigen und daher nicht unmittelbar vom erwünschten Signal zu trennen sind, zu unterdrücken.The object of the invention is in digital filters with a filter commutator and at least two filter low-pass filters to determine the filter bandwidth through the filter commutator caused interference signals, which are in different Capacitor voltages show and therefore not immediately from the desired signal are to be separated, to be suppressed.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß an den Ausgang des Filters und an jeden Filtertiefpaß ein Regelkreis angeschlossen ist, der einen Verstärker, einen synchron mit dem Filterkommutator angetriebenen Hilfskommutator und jedem Filtertiefpass zugeordnet einen die Zeitkonstante des Regelkreises bestimmenden, vom Hilfskommutator periodisch eingeschalteten weiteren Tiefpaß enthält, wobei zur verzögerten Zufuhr von Regelsignalen zu den Filtertiefpässen der im Regelkreis vorgesehene Tiefpaß eine größere Zeitkonstante als der Filtertiefpaß hat.According to the invention, this object is achieved by a method which characterized in that at the output of the filter and at each filter low-pass filter a control loop is connected, which has an amplifier, one synchronous with the filter commutator driven auxiliary commutator and each filter low pass assigned a time constant of the control loop, which are periodically switched on by the auxiliary commutator Contains low-pass filter, for the delayed supply of control signals to the filter low-pass filters the low-pass filter provided in the control loop has a greater time constant than the filter low-pass filter Has.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bestehen die Filtertiefpässe aus jeweils einem an den Filterkommutator-angeschlossenen Filterkondensator und einem gemeinsamen Filterwiderstand, und es ist jedem Filterkondensator im Regelkreis als Tiefpaß eine vom Hilfskommutator periodisch eingeschaltete Kombination aus zwei Widerständen und einem geerdeten Kondensator zugeordnet, wobei die Kondensatoren des Regelkreises jeweils eine größere Kapazität als die entsprechenden Filterkondensatoren besitzen.According to a preferred embodiment of the invention, there are Filter low-pass filters from one filter capacitor each connected to the filter commutator and a common filter resistor, and it is in each filter capacitor in the control loop a combination of two that is periodically switched on by the auxiliary commutator as a low-pass filter Associated with resistors and a grounded capacitor, the capacitors of the control circuit each have a larger capacitance than the corresponding filter capacitors own.

Außerdem kann die Phasenlage des Nutzsignals fortwährend gegenüber der Phasenlage des Filterkommutators geändert werden. Dabei kann die Phasenänderung des Nutzsignals durch Frequenz- und Phasenmodulieren des Nutzsignals oder des Kommutators erzielt werden. ' Dadurch erreicht man, daß alle Filterkondensatoren auf die gleiche Spannung aufgeladen werden. Dies geschieht durch den Regelkreis so langsam, daß ein im Verhältnis dazu kurzzeitig auftretendes Signal nicht ausgeregelt werden kann. Die durch den Kommutator hervorgerufenen Störsignale sind, wenn überhaupt, nur sehr langsamen Änderungen unterworfen und werden ausgeregelt, wobei die Filterkondensatoren durch Laden bzw. Entladen auf den gleichen Spannungswert gebracht, keine unterschiedlichen Ströme durch den Filterwiderstand und daher kein Wechselspannungssignal über dem Filterwiderstand erzeugen können.In addition, the phase position of the useful signal can be continuously compared the phase position of the filter commutator can be changed. The phase change of the useful signal by frequency and phase modulation of the useful signal or the commutator be achieved. 'This ensures that all filter capacitors are on the same Voltage to be charged. The control loop does this so slowly that a signal that occurs briefly in relation to this cannot be regulated. The interfering signals caused by the commutator are only very high, if at all are subjected to slow changes and are regulated, with the filter capacitors brought to the same voltage value by charging or discharging, not different Currents through the filter resistor and therefore no AC voltage signal across the Can generate filter resistance.

Die Erfindung ermöglicht es, daß ein Signal konstanter Amplitude und Phase und mit gleicher Frequenz wie die Kommutatorfrequenz vom Filter unterdrückt wird. Andererseits wird aber ein Signal mit von der Kot mutatorfrequenz abweichender Frequenz innerhalb der Filterbandbreite vom Filter durchgelassen.The invention enables a signal of constant amplitude and Phase and suppressed by the filter at the same frequency as the commutator frequency will. On the other hand, however, a signal with a mutator frequency that deviates from the faeces Frequency within the filter bandwidth passed by the filter.

Die Anwendung der Erfindung setzt also zwei Bedingungen voraus: 1. Das Störsignal muß konstant bleiben bzw. sich so langsam ändern (z. B mit Temperaturschwankungen), daß der Regelkreis folgen kann.The application of the invention therefore presupposes two conditions: 1. The interference signal must remain constant or change slowly (e.g. with temperature fluctuations), that the control loop can follow.

Diese Bedingung darf für die meisten Anwendungsfälle als erfüllbar betrachtet werden. 2. Das Nutzsignal darf entweder a) nur kurzzeitig auftreten oder b) nur kurzzeitig seine Phasenlage im Vergleich zur Kommutatorphasenlage beibehalten. Wenn 2 a) nicht in Frage kommt, bedarf es, um 2 b) zu erfüllen, einer Phasen- oder Frequenzmodulation des Nutzsignals oder des Kommutators.This condition may be considered feasible for most use cases to be viewed as. 2. The useful signal may either a) only appear briefly or b) only briefly maintain its phase position compared to the commutator phase position. If 2 a) is out of the question, in order to fulfill 2 b), a phase or Frequency modulation of the useful signal or the commutator.

Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel des Schaltplanes eines Digitalfilters zur Ausübung des Verfahrens nach der Erfindung.The drawing shows an embodiment of the circuit diagram of a Digital filter for carrying out the method according to the invention.

Das Digitalfilter enthält einen Filterkommutator 1, der die elektronische Version eines rotierenden Umschalters mit vier Stellungen ist und normalerweise aus einem die Filtermittelfrequenz bestimmenden Oszillator, bistabilen Kippschaltungen, einer Decodiermatrix und Schaltern besteht.The digital filter contains a filter commutator 1, which is the electronic version of a rotary switch with four positions and normally consists of an oscillator determining the filter center frequency, bistable flip-flops, a decoding matrix and switches.

An die vier Ausgänge des Filterkommutators ist je ein Filterkondensator 2, 2', 2" bzw. 2"' angeschlossen, die mit einem gemeinsamen Filterwiderstand vier Tiefpässe bilden. A filter capacitor 2, 2 ', 2 " or 2"' is connected to each of the four outputs of the filter commutator, and these capacitors form four low-pass filters with a common filter resistor.

Die Filterkondensatoren 2, 2', 2" und 2"' bestimmen zusammen mit dem Filterwiderstand 3 die Bandbreite des Filters.The filter capacitors 2, 2 ', 2 " and 2"' together with the filter resistor 3 determine the bandwidth of the filter.

Ein Nutzsignal wird am Filtereingang 5 durch einen Kondensator 4 in das Filter eingespeist. Das gefilterte Nutzsignal erscheint hinter einem Kondensator 6 am Filterausgang 7. Ein Verstärker 8 verstärkt das am Filterausgang 7 auftretende Signal und gibt es auf einen Hilfskommutator 9, der in gleicher Weise wie der Filterkommutator aufgebaut sein kann. Beide Kommutatoren müssen synchron betrieben werden. Der Hilfskommutator 9 schaltet das verstärkte Filterausgangssignal periodisch jeweils an ein einen Tiefpaß enthaltendes Widerstandskondensatonetzwerk, das z. B. aus den Widerständen 10 und 12 und einem geerdetem Kondensator 11 besteht, dessen Ausgang 13 einen der vier Regelkreise über einen der Filterkondensatoren und den Kondensator 6 schließt.A useful signal is fed into the filter at the filter input 5 through a capacitor 4. The filtered useful signal appears behind a capacitor 6 at the filter output 7. An amplifier 8 amplifies the signal appearing at the filter output 7 and sends it to an auxiliary commutator 9, which can be constructed in the same way as the filter commutator. Both commutators must be operated synchronously. The auxiliary commutator 9 switches the amplified filter output signal periodically to a resistor capacitor network containing a low-pass filter, which z. B. consists of the resistors 10 and 12 and a grounded capacitor 11 , the output 13 of which closes one of the four control loops via one of the filter capacitors and the capacitor 6.

In Abwesenheit eines Wechselspannungssignals am Ausgang des Verstärkers 8 wird die dort vorhandene Gleichspannung durch den Regelkommutator 9 und die Widerstände 10 und 12 auch die Spannung des Filterkondensators 2 bestimmen. Jede Abweichung von diesem Gleichspannungswert am Filterkondensator 2 wird durch den beschriebenen Regelkreis korrigiert. Dies gilt für alle vier Kanäle.In the absence of an AC voltage signal at the output of the amplifier 8 , the DC voltage present there will also determine the voltage of the filter capacitor 2 through the control commutator 9 and the resistors 10 and 12 . Any deviation from this DC voltage value at the filter capacitor 2 is corrected by the control loop described. This applies to all four channels.

Die Zeitkonstante des Regelkreises wird von dem Widerstand 10, dem Kondensator 11, dem Widerstand 12, dem Filterkondensator 2 und dem Verstärkungsfaktor des Verstärkers 8 bestimmt. Diese Zeitkonstante wird so groß gewählt, daß sie gerade noch den Schwankungen folgen kann, denen die dem Filter eigenen Störsignale unterworfen sind. Um nun nicht auch ein Nutzsignal zu unterdrücken, wird die Phasenlage dieses Nutzsignals in bezug auf die Phasenlage der beiden Kommutatoren fortwährend verändert. Die mit der Nutzsignalspannung beaufschlagten Filterkondensatoren 2, 2', 2" und 2"' ändern damit auch dauernd ihre Ladungszustände. Diese Ladungsänderungen müssen so schnell geschehen, daß die zugehörigen Regelkreise wegen ihrer großen Zeitkonstanten nicht folgen, d. h. nicht korrigieren können. Auf der anderen Seite darf die eigentliche Filterbandbreite nicht überschritten werden, was bedeutet, daß den Filterkondensatoren genügend Zeit gelassen werden muß, sich auf den der Signalamplitude entsprechenden Spannungswert mit ausreichender Genauigkeit aufzuladen.The time constant of the control loop is determined by the resistor 10, the capacitor 11, the resistor 12, the filter capacitor 2 and the gain of the amplifier 8 . This time constant is chosen to be so large that it can just follow the fluctuations to which the interfering signals inherent in the filter are subjected. In order not to suppress a useful signal as well, the phase position of this useful signal is continuously changed in relation to the phase position of the two commutators. The filter capacitors 2, 2 ', 2 " and 2"' to which the useful signal voltage is applied thus also constantly change their charge states. These changes in charge must happen so quickly that the associated control loops do not follow, ie cannot correct, because of their large time constants. On the other hand, the actual filter bandwidth must not be exceeded, which means that the filter capacitors must be given sufficient time to charge to the voltage value corresponding to the signal amplitude with sufficient accuracy.

Unter Umständen ist es einfacher, den Hilfskommutator mit einer Frequenz- bzw. Phasenmodulation zu beaufschlagen, da das Modulieren des Nutzsignals oft nicht zu verwirklichen ist. Vom Erfindungsgegenstand her gesehen besteht jedoch kein Unterschied zwischen diesen beiden Möglichkeiten.It may be easier to operate the auxiliary commutator with a frequency or phase modulation, since the modulation of the useful signal is often not done is to be realized. From the point of view of the subject matter of the invention, however, there is no difference between these two possibilities.

Claims

Claims: 1. A method for suppressing self-generated interference signals in a digital filter with a filter commutator and at least two filter low-pass filters for setting the filter bandwidth, characterized in that a control circuit is connected to the output (7) of the filter and to each filter low-pass filter, which is an amplifier (8), an auxiliary commutator (9 ) driven synchronously with the filter commutator (1) and assigned to each filter low-pass filter, a further low-pass filter which determines the time constant of the control circuit and is periodically switched on by the auxiliary commutator, with the low-pass filter provided in the control circuit for the delayed supply of control signals to the filter low-pass filters (10, 11, 12) has a larger time constant than the low-pass filter (2, 3). -2. Method according to Claim 1, characterized in that the filter low-pass filters each consist of a filter capacitor (2, 2 ', 2 ", 2"') connected to the filter commutator (1 ) and a common filter resistor (3) and each filter capacitor in the control loop as a low-pass filter a combination of two resistors (10, 12) and a grounded capacitor (11), which is periodically switched on by the auxiliary commutator (9), is assigned, the capacitors (11) of the control circuit each having a larger capacitance than the corresponding filter capacitors (2) . 3. The method according to claim. 1 or 2, characterized in that the phase position of the useful signal is continuously changed with respect to the phase position of the filter commutator. 4. The method according to claim 3, characterized in that the phase change of the useful signal is achieved by frequency or phase modulation of the useful signal. 5. The method according to claim 3, characterized in that the phase position of the useful signal is achieved by frequency or phase modulation of the commutator.