DE1623757C3 - Schaltungsanordnung zur magnetischen Aufzeichnung frequenzmodulierter Signale - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die magnetische Aufzeichnung von Meßwerten mit einem Signalspektrum zwischen Null Hertz, also Gleichspannung, und einer gegebenen Grenzfrequenz erfordert eine Umformung der Signale in eine frequenzmodulierte Trägerschwingung. Die Gründe hierfür sind:

Erstens magnetische Wiedergabeköpfe geben nur dann eine Induktionsspannung ah, wenn sich die magnetische Feldstärke des vorbeigleitenden Magnetbandes ändert. Die Kopfsparnung Ua ist direkt proportional der Feldstärkeänderung mit der Zeil

Ua =

dt '

Auf Magnetband aufgezeichnete Gleichspannungswertc können demnach nicht direkt wiedergegeben werden.

Ein bekanntes Verfahren, diese Schwierigkeiten zu umgehen, ist die FM-Aufzeichnung. Ein Trägerfrequenzgenerator, dessen Mittenfrequenz der Signalspannung Null Volt entspricht, wird dem Meßsignal proportional in der Frequenz moduliert Üblich ist: Ein positives Signal hat eine Frequenzerhöhung, ein negatives eine Frequenzverringerung zur Folge. Der maximale Frequenzhub beträgt dabei ±40%.

Die Reproduzierbarkeit der Meßwerte hängt nun direkt von der Qualität der Spannungs-Frequenz-Umsetzung ab. Hierbei sind zwei Aufgaben zu lösen:

a) der Frequenzhub muß unabhängig von der *" Frequenz stets eine lineare Funktion der Signalspannung sein,

b) der Generator muß langfristig frequenzstabil bleiben.

Der FM-Generator besteht bekanntlich grundsätzlich aus einer durch das Signal in ihrer Stärke variierten Stromquelle, einem Kondensator und einem Schwellendetektor. Die Stromquelle lädt den Kondensator auf. Nach Erreichung einer vorgegebenen Schwellspannung bewirkt der Schwellendetektor eine sehr schnelle Entladung des Kondensators. Mit dem Ende der Entladung beginnt ein neuer Ladezyklus (Sägezahnkurve).

Die Frequenz der Sägezahnfolge ändert sich proportional dem von der Stromquelle zum Kondensator fließenden Ladestrom, & h. proportional der Signalspannung. Bedingt durch die endliche Entladungszeit des Kondensators, die sich als Konstante naturgemäß bei höheren Frequenzen stärker bemerkbar macht, nimmt der Linearitätsfehler mit steigender Frequenz zu.

Die langfristige Frequenzstabilität des Generators hängt fast ausschließlich von der Umgebungstemperatur ab. Man hat daher die Möglichkeit, den Generator mit Kompensationselementen temperaturstabil zu machen und so die zweitgenannte Aufgabe zu lösen.

Die beiden genannten Aufgaben werden bei der Schaltungsanordnung der Erfindung gleichzeitig dadurch gelöst, daß dem Frequenzgenerator ein Demodulator nachgeschaltet ist der die Trägerfrequenz in Pulsdauermodulation wandelt die an den Verstärkereingang zurückgekoppelt, dort durch Vergleich des Meßwerts mit dem Ausgangswert des Demodulators die Generatorfrequenz korrigiert und den Linearitätsfehler reduziert. Der Verstärker stellt hierbei zugleich die Integrationseinheit dar.

Die Zeichnung zeigt beispielsweise schematisch in

F i g. 1 die Prinzipschaltung, in

F i g. 2 die Verstärkerschaltung im einzelnen und in

F i g. 3 die Impulslage beim Generator- und Demodulatorsignal.

Die aufzuzeichnende Meßgröße (Signalspannung) steuert nach dieser Schaltungsanordnung über den Verstärker Ki die Frequenz des Sägezahngenerators G. Ein dem Generator nachgeschalteter, extrem linearer und temperaturstabil arbeitender Demodulator setzt die Trägerfrequenz in eine Pulsdauermodulation (PDM) um. Das Integral der PDM ist dann der Generatorfrequenz proportional. Diese Demodulatorausgangsspannung steuert nun direkt den Gegenkopplungseingang von Vi. Es findet also in Vi ein Vergleich statt zwischen dem Meßwert und dem Demodulatorsignal. Die Differenzspannung, die sich zwangsläufig durch das nichtlineare Verhalten des Generators ergibt, korrigiert nun über den Verstärker die Generatorfrequenz. Dies hat eine Reduzierung des Linearitätsfehlers um den Faktor der Leerlaufverstärkung von Vi zur Folge. In gleichem Maße werden durch die Schaltungsanordnung die Temperaturfehler des Generators verringert.

F i g. 2 zeigt die Schaltungsanordnung des Verstärkers. Seine Wirkungsweise wird wie folgt erläutert:

Aus der Regeltechnik ist der Einsatz eines Verstärkers als Steuerelement zum Angleich der Istgröße an die Sollgröße, bekannt. Als Beispiel darf ein elektronisch stabilisiertes Netzgerät angeführt werden. Dabei wird die Ausgangsspannung im Verstärker mit der stabilen Referenzspannung verglichen. Jede Abweichung bewirkt eine der Abweichung entgegenwirkende Ansteuerung des Stellgliedes. Bei beiden Spannungen, der SoIl- und der Istspannung, handelt es sich hier um Gleichspannungen, die direkt verglichen werden können.

Im vorliegenden Fall ist jedoch die Anwendung eint-r Regelschleife für die Umsetzung von Meßwerten in proportionale Frequenzen durch die Ungleichheit der zu vergleichenden Signale erschwert.

Während die Meßgröße eine deich- oder Wechselspannung beliebigen Verlaufes sein kann, ist das Gegenkopplungssignal immer eine Rechteckspannung, mit konstanter Amplitude und vom Steuersignal abhängigem Tastverhältnis.

Der direkte Vergleich in einem Verstärker wird dadurch unmöglich. Ein zwischen Demodulator und Vergleichsverstärker geschaltetes Tiefpaß-Filter ergäbe zwar die Möglichkeit, die Trägerfrequenz auszufiltern und nur mit dem Integral der Rechteckspanmng gegenzukoppeln. Durch die unvermeidliche Filterlaufzeit trifft dinn jedoch das Gegenkopplungssignal zeitlich verschoben ein, was ein wildes Schwingen der Anordnung zur Folge hätte.

In der in Fig.2 dargestellten Schaltungsanordnung liegt das Meßsignai an der Basis des N PN-Transistors TX. Der in der Zeichnung für den Demodulator angegebene Spannungshub von ±6 V ergibt sich aus der mit Rücksicht auf die handelsüblichen Halbleiterelemente gewählte Versorgungsspannung von 12 V. Eine in positiver Richtung ansteigende Eingangsspannung hat einen Kollektorstromanstieg und somit eine Vergrößerung des Spannungsabfalls an R 1 zur Folge. In Γ 4, einem PNP-Transistor, steigt nun ebenfalls der Kollektorstrom, wodurch sich die Aufladegeschwindigkeitvon C2 erhöht.

C2, Γ 4 mit dem S: tnnungsteiler R 6, Rl sowie Γ5 und TS mit dem Spannungsteiler RS und R 9 ergeben zusammen einen Generator, dessen Frequen der Aufladegeschwindigkeit von C2 proportional ist. Der nachgeschaltete Demodulator ist im wesentlichen eine monostabile Kippstufe, die mit jedem Triggerimpu's vom Generator umschaltet, um nach einer definierten Zeit in die ursprüngliche Lage zurückzukippen.

In der Arbeitsphase ist die Demoduiatorausgangsspannung +6 V, in der Ruhelage —6 V. In Fig.3 sind die zeitlichen Zusammenhänge zwischen Generator und Demodulaiorsignal dargestellt. Übei den Spannungsteiler R 10, R 4 gelangt ein Teil des Demodulatorsignals an den Gegenkopplungseingang des Vergleichsverstärkers. T2, T3 und CX ergeben zusammen eine Integrationseinheit, die verhindert, daß die Trägerfrequenz über den Emitter von T2, TX steuert Der gleiche Integrationseffekt tritt jedoch nicht für das gegenzukoppelnde Meßsignal auf, da über den Verbindungsweg Emitter TX und T2 für CX bereits die richtige Ladung vorgegeben wird, die im Wechselspiel zwischen Signal und Gegenkopplungssignal nur noch geringfügig korrigiert werden muß. Durch die Vorgabe der jeweils richtigen Ladung entfallen lange Einschwingzeiten, und das Integral der Demodulatorspannung wirkt unmittelbar als Gegenkopplungsgröße.

Durch diese Kombination von Verstärker, Generator, Demodulator und Gegenkopplungsweg gemäß der Erfindung wird eine Reduzierung von Klirrprodukten und Frequenzdriften bei der Umsetzung von Signalspannungen in proportionale Frequenzen erreicht.

Durch die Anordnung des Differenzverstärkers, dessen nichtinvertierender Eingang £1 vom Meßsignal angesteuert wird, während der invertierende Eingang E2 mit einer Integrationseinheit, gebildet aus Γ3, C1 und R10, verbunden ist, wird erreicht, daß die integrierende Wirkung der Einheit durch ein gleichphasiges Steuersignal an E1 aufgehoben wird.

Hierzu 2 BIaU Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Aufrechterhaltung eines frequenzunabhängigen linearen Zusammenhanges zwischen Meß-Signalspannung und Frequenzhub sowie zur Konstanthaltung der Frequenz des Generators bei magnetischer Aufzeichnung von Meßwerten mit Hilfe frequenzmodulierter Signale, dadurch gekennzeichnet, daß dem Frequenz-Generator (G) ein Operationsverstärker vorgeschaltet ist und ein nachgeschalteter Demodulator {DJdie Trägerfrequenz in eine Pulsdauermodulation wandelt, die als Referenzspannung an den invertierenden Verstärker-Eingang (El) zurückgekoppel!, dort durch Vergleich mit dem Meßwert die Generatorfrequenz korrigiert und den Linearitätsfehler reduziert

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der invertierende Eingang (E2) des Operationsverstärkers mit einer Integrationseinheit (T3, Cl, RIO) verbunden ist, dessen integrierende Wirkung durch ein gleichphasiges Steuersignal am nicht invertierenden Eingang (El) aufgehoben wird.