DE1690730B1

DE1690730B1 - Schaltungsanordnung zur UEbertragung von Gleichstromimpulsen

Info

Publication number: DE1690730B1
Application number: DE19621690730D
Authority: DE
Inventors: Wells George Howard
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1961-02-13
Filing date: 1962-01-31
Publication date: 1970-10-22
Also published as: NL274669A; GB979591A; US3197719A

Description

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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung Übergang der Impedanz zwischen ihren beiden zur Übertragung von Gleichstromimpulsen, insbeson- Grenzzuständen, X_L =oo und -STl=O, dar.

dere bei Rechenmaschinen, bei der eine Leitung mit Es hat sich gezeigt, daß der Anpassungswiderstand einer Sprungspannung aus einer Signalquelle gespeist zweckmäßigerweise etwas größer gewählt wird als der wird, deren Innenwiderstand klein gegen den Wellen- 5 Wellenwiderstand der Leitung. Hierdurch läßt sich

widerstand der Leitung ist, und mit einer Last abge- berücksichtigen, daß der Betrag der Impedanz der

schlossen ist, die erheblich größer als der Wellen- Parallelschaltung stets kleiner als der Wert ihres

widerstand ist und stark unterschiedliche Werte an- ohmschen Widerstandes ist.

nehmen kann. Besonders günstige Verhältnisse ergeben sich,

Bei Rechenmaschinen werden die einzelnen Stufen io wenn die Impedanz der Parallelschaltung für die

je nach dem durchzuführenden Rechenprogramm zweite Oberwelle entsprechend der Fourier-Analyse

über Gatter und Leitungen unterschiedlich zusam- der Anstiegsflanke der zu übertragenden Sprung-

mengeschaltet. Da die Zahl der am Ausgang einer spannung gleich dem Wellenwiderstand der Leitung

Leitung liegenden logischen Schaltungen wechselt und gewählt wird.

außerdem die Eingangswiderstände der logischen 15 Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Dar-Schaltungen je nach ihrem Betriebszustand unter- Stellungen eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, schiedlich sind, kann der von der Leitung aus ge- Fig. 1 stellt ein schematisches Schaltbild zur Ersehene Abschlußwiderstand stark unterschiedliche läuterung des durch die Erfindung behandelten Pro-Werte annehmen. Eine Anpassung ist daher nicht blems dar;

möglich, so daß sich Reflexionen am Leitungsende 20 F i g. 2 zeigt die Stromkurven an verschiedenen nicht vermeiden lassen. Da an die die Leitung spei- Stellen der Schaltungen nach Fig. 1 und 3;
sende Eingangsquelle in Abhängigkeit vom Rechen- Fig. 3 ist ein Blockschaltbild einer Ausführungsprogramm eine unterschiedliche Anzahl von Leitun- form der Erfindung und

gen angeschlossen werden kann, kann man den Fig. 4 ein schematisches Schaltbild der Steuer-Innenwiderstand dieser Signalquelle ebenfalls nicht 25 stufe und der logischen Stufen in Fig. 3.
an eine Leitung anpassen, da beim Anschluß meh- Fig. 1 zeigt eine Übertragungsleitung 10, auf rerer Leitungen dann doch wieder eine Fehlanpassung welcher ein Gleichstrom mit einer steilen Vordervorläge. Die vom Leitungsende reflektierten Signale front, wie bei 12 angedeutet, übertragen werden soll, werden also am Leitungsanfang wiederum reflektiert Die Steuerstufe, d. h. der Spannungsgenerator, der und treffen ein zweitesmal bei der den Leitungs- 30 den Stromverlauf 12 an die Eingangsklemmen 14 abschluß bildenden logischen Schaltung ein, wo sie liefert, hat einen sehr geringen Innenwiderstand Fehlauslösungen hervorrufen. gegenüber dem Wellenwiderstand R_c der Leitung 10.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, solche Dieser Innenwiderstand ist in Fig. 1 durch den

mehrfachen Reflexionen zu unterbinden, so daß trotz ohmschen Widerstand 16 veranschaulicht. Die Aus-

der stark wechselnden Ausgangslast keine auf Re- 35 gangsgröße der Übertragungsleitung wird einer An-

flexionen zurückzuführenden Fehlauslösungen mehr zahl von zueinander parallelliegenden Stromkreisen

auftreten. zugeführt, wie an Hand der F i g. 3 noch erläutert

Diese Aufgabe wird bei einer Schaltung der ein- werden wird. Die Impedanz jedes dieser Stromkreise

gangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch ge- ist höher als die Leitungsimpedanz und selbst dann,

löst, daß am Leitungseingang in Reihe mit der Lei- 40 wenn alle diese Kreise Strom führen, ist der gesamte

tung eine Parallelschaltung aus einem Widerstand und Innenwiderstand dieser Kreise noch erheblich höher

einer Induktivität liegt, die so bemessen ist, daß ihre als die Leitungsimpedanz. Diese Impedanz dieser Last,

Zeitkonstante etwa gleich oder etwas größer als die welche also die Leitung abschließt, in in Fig. 1 durch

doppelte Laufzeit der Leitung bzw. als die Anstiegs- den veränderlichen Widerstand 18 veranschaulicht,
zeit der Sprungspannung ist, je nachdem welches der. 45 Die in F i g. 1 dargestellte Schaltung soll einen

größere Wert ist. möglichst großen Teil des Steuersignals 12 auf den

Die Anpassung des Leitungseingangs wird hierbei Lastwiderstand 18 übertragen. Es soll also ein mögnicht durch einen die Leitung speisenden Generator liehst kleiner Verlust an Signalenergie zwischen dem mit einem entsprechenden Innenwiderstand erreicht, linken und dem rechten Ende der Leitung 10 aufsondern dadurch, daß jede Leitung an ihrem Ein- 5° treten. Von diesem Gesichtspunkt aus würde es Vorgang mit einem passenden Widerstand für sich ab- teilhaft sein, die Leitung ohne eine Anpassungsgeschlossen wird. Der Generatorinnenwiderstand ist einrichtung zu betreiben. Die Anpassungseinrichtung dabei gegenüber diesem Anpassungswiderstand ver- selbst verbraucht nämlich Leistung, die anderweitig nachlässigbar klein. Vom Leitungsende reflektierte Im- dem Belastungswiderstand zugeführt werden kann, pulse können somit vom Leitungsanfang nicht erneut 55 Ohne eine Anpassungseinrichtung jedoch finden vielauf das Leitungsende zu reflektiert werden. Für den fache Reflexionen der steilen Vorderfront des Gleichauf den steilen Anstieg folgenden Gleichstrom wirkt stromes an beiden Leitungsenden statt. Diese treten die den Widerstand überbrückende Induktivität nach als Schwingungen gemäß Fig. 2, Kurve 2 und einer durch die Zeitkonstante dieser Induktivität mit und Kurve 3 auf, in welcher die Kurve 2 den Kurvendem Widerstand bestimmten Zeit als Kurzschluß des 60 verlauf im Punkt B, also die Spannung am linken Widerstandes, so daß im stationären Zustand nicht Ende der Leitung darstellt und die Kurve 3 den unerwünscht Leistung im Widerstand umgesetzt wird. Kurvenverlauf im Punkt C, also die Spannung am Für die Impulsevorderflanke wirkt die Induktivität rechten Ende der Leitung. (Die Spannung bei B ist verdagegen wie ein parallel zum Anpassungswiderstand hältnismäßig niedrig wegen des geringen Widerliegender sehr hoher induktiver Widerstand, so daß 65 Standes 18, ist jedoch in der Zeichnung vergrößert praktisch nur der Anpassungswiderstand wirksam ist. dargestellt.) Diese Schwingungen können nicht zu-Die angegebene Dimensionierung für die Zeitkon- gelassen werden, da sie das Verhalten der nachfolstante stellt einen günstigen Kompromiß für den genden Schaltungen zu stören vermögen.

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Eine mögliche Lösung des geschilderten Problems tisch gleich dem Wellenwiderstand der Leitung ist. besteht in der Verwendung einer Impedanzanpaß- Während der Anstiegsdauer 26 reflektiert daher die einrichtung Z am Anfang der Leitung, die in F i g. 1 Anpaßeinrichtung nicht mehr. Nach Ablauf der durch das punktiert gezeichnete Rechteck 20 ange- vollen Anstiegsdauer ist der Stromverlauf ein reiner deutet ist. 5 Gleichstrom. Für diesen Gleichstrom 28 der Welle 12 Diese Anpaßeinrichtung kann ein Serienwider- bildet die Spule 24 einen Kurzschluß des Widerstand der gleichen Größe wie der Wellenwiderstand Standes 22. Am rechten Ende der Leitung ist daher der Leitung sein. Mit einer solchen Anpaßeinrichtung die gesamte Eingangsspannung e für die nachfolgenerzielt man gute Erfolge, soweit es sich um die er- den Stufen verfügbar.

wähnten Reflexionen handelt. Die steile Vorderfront io Man kann zeigen, daß etwa bei der Frequenz der 12 wird über die Leitung übertragen, trifft auf das zweiten Harmonischen (6MHz) des Grundfrequenzoffene Ende dieser Leitung und wird zum Leitungs- anteils des die steile Vorderfront aufweisenden anfang reflektiert. Die reflektierte Welle trifft jedoch Wellenzuges 12 der Wechselstromwiderstand der Andort auf den erwähnten Serienwiderstand von der paßeinrichtung gleich dem Wellenwiderstand der Größe des Wellenwiderstandes der Leitung und wird 15 Leitung ist, d. h., daß eine vollkommene Anpassung daher nicht nochmals reflektiert. vorliegt (die Frequenzkomponenten können durch Unglücklicherweise ist diese Lösung jedoch nicht Fourier-Analyse bestimmt werden). Bei höheren empfehlenswert. Der erwähnte Serienwiderstand stellt Frequenzen nimmt der Scheinwiderstand der Spule nämlich zwar eine Anpassung für die Wechselstrom- 24 zu, so daß der gesamte Scheinwiderstand der Ankomponenten der steilen Vorderfront 12 dar, ver- 20 paßeinrichtung ebenfalls etwas ansteigt. Da jedoch nichtet aber auch einen Teil des Gleichstroms, der der Widerstand und die Spule parallel geschaltet sind, an sich zum Leitungsende übertragen werden soll. Es ist die Änderung des Scheinwiderstandes nicht sehr wurde gemessen, daß mehr als ein Drittel der an den hoch. Für die höchsten Frequenzkomponenten kann Eingangsklemmen 14 verfügbaren Spannung an der der Wechselstromwiderstand der Anpaßeinrichtung Anpaßeinrichtung 20 auftritt, statt an dem Be- 25 etwas niedriger als der ohmsche Widerstand 22 sein, lastungswiderstand 18 am Leitungsende. Für Frequenzen unterhalb und etwas oberhalb der Ist die Leitung am Leitungsende nicht allzu stark Grundfrequenz stellt der Wechselstromwiderstand der fehlangepaßt, dann könnte die Anpaßeinrichtung 20 Anpaßeinrichtung eine sehr gute Anpassung an die fortgelassen werden, ohne daß zu starke Eigenschwin- Leitung dar. Bei der Grundfrequenz (etwa 3 MHz) gungen hervorgerufen würden. Wenn man jedoch die 30 hat der Scheinwiderstand der Anpaßeinrichtung einen Einrichtung 20 fortläßt, so wurden unter anderen Ab- vom Wellenwiderstand wenig verschiedenen Wert, so Schlußbedingungen starke Schwingungen auftreten, daß die Leitung ziemlich gut angepaßt ist.
und zwar beispielsweise dann, wenn der Abschluß- Zusammenfassend läßt sich also sagen, daß bei widerstand 18 sehr viel höher gewählt werden würde. der zweiten Harmonischen und bei höheren Frequen-Es ist auch zu beachten, daß bei einem sehr hohen 35 zen die Anpaßeinrichtung hinsichtlich ihres Schein-Abschlußwiderstand ein ohmscher Widerstand in der Widerstandes nur etwa 10 % von dem Wellenwiderstand Anpaßeinrichtung sich als geeignet erweist. Jedoch der Leitung abweicht. Bei der Grundfrequenz ist der ist, wie oben bereits ausgeführt, bei Benutzung ledig- Scheinwiderstand der Anpaßeinrichtung immer noch Hch eines ohmschen Widerstandes ein zu großer Ver- nur etwa 20% von dem Wellenwiderstand der Leilust in der Anpaßeinrichtung zu erwarten, wenn der 40 tung verschieden. Dies stellt immer noch eine ziem-Abschlußwiderstand der Leitung niedriger ist. lieh gute Anpassung dar. Außerdem ist bei dieser Der Konstrukteur befindet sich somit -insofern in tieferen Frequenz die Anstiegszeit lang und diese einer schwierigen Lage, als eine Lösung des Über- Frequenz spielt daher bei den Reflexionen keine so tragungsproblems, die sich unter bestimmten Ver- große Rolle wie die höheren Frequenzkomponenten, hältnissen als befriedigend erweist, unter anderen 45 Der an verschiedenen Stellen der Schaltung nach Verhältnissen völlig unmöglich ist. Die Veränderung F i g. 3 auftretende Spannungsverlauf ist in F i g. 2 der Belastung, die innerhalb weniger Mikrosekunden dargestellt. Der Spannungsverlauf nach Kurve 1 ist auftreten kann, stellt die Schwierigkeit dar. die Eingangsspannung. Der Spannungsverlauf gemäß Die Schaltung in F i g. 3 löst das geschilderte Pro- F i g. 2, Kurve 4 ist im Punkt B in F i g. 1 und 3 vorblem unabhängig von dem Abschlußwiderstand. Die 50 handen. Es ist zu beachten; daß kurz nach dem Zeit-Anpaßeinrichtung besteht aus einem Widerstand 22, punkt t_Q die Spannung die Höhe e/2 besitzt und nach dem eine Spule 24 parallel geschaltet ist. Der Wider- dem Doppelten· der Verzögerungszeit der Leitung die stand wird etwas höher gewählt als der Wellenwider- Spannung auf die Höhe e kommt. Die Spannung am stand der Leitung. Die Induktivität- der Spule wird so Leitungsende ist in der Kurve 5 der F i g. 2 dargewählt, daß die Zeitkonstante LIR der Kombination 55 gestellt Die steile Vorderfront kommt am Leitungs-22, 24 etwa gleich oder etwas größer ist als das Dop- ende nach der Verzögerungszeit T_L der Leitung an. pelte der Laufzeit der Leitung (also etwas größer als Am Leitungsende bildet sich auch eine kleine Span-2 T₁) oder deich oder etwas größer als die Anstiegs- nungsüberhöhung 30 infolge der Induktivität, jedoch dauer des Gleichstromes, je nachdem welcher Wert kann diese Spannungsüberhöhung mit Rücksicht auf der größere ist. 60 die an das Leitungsende angeschlossenen Stufen leicht

Im Betrieb wandert die Wellenfront 12 vom Lei- zugelassen werden.

tungsanf ang zum Leitungsende. Dort ist die Leitung Der bisher noch nicht beschriebene Teil der F i g. 3

fehlangepaßt, d.h. durch einen Widerstand abge- ist als Blockschaltbild veranschaulicht. Er enthält eine

schlossen, der erheblich größer ist als der Wellen- logische Steuerstufe 32, welche beispielsweise eine

widerstand der Leitung. Die Welle wird also zu der 65 transistorierte »Und-Stufe« oder eine »NOR-Stufe«

Anpaßeinrichtung 22, 24 reflektiert. Diese Anpaß- oder eine andere logische Stufe ist. Das rechte Ende

einrichtung stellt für die höheren Frequenzen der der Leitung ist durch eine Anzahl von logischen

stellen Vorderfront einen Widerstand dar, der prak- Empfängerstufen 34-1, 34-2 .. . 34-n abgeschlossen.

Diese können ebenfalls »Und-Stufen« oder »NOR-Stufen« oder andere logische Stufen sein. Jede dieser Stufen erhält außerdem Steuerströme von anderen Steuerstufen. Jede der dargestellten logischen Stufen besitzt insgesamt vier Eingangsleitungen.

Wenn alle dargestellten Stufen »NOR-Stufen« sind, und wenn alle Eingangsspannungen einer Stufe niedrige Gleichspannungen sind, welche die binäre Zahl »Null« darstellen, so leitet die betreffende Stufe und der von ihr der Übertragungsleitung dargebotene Scheinwiderstand hat einen bestimmten Wert. Wenn eine oder mehr der Eingangsspannungen einer Stufe hohe Gleichspannungen sind, welche die binäre Zahl »Eins« darstellen, so leitet die Stufe nicht und bildet daher für die Übertragungsleitung einen höheren Scheinwiderstand.

Eine typische »NOR-Stufe« für die Stufen 32 und 34 ist in F i g. 4 dargestellt. Diese F i g. 4 zeigt vier verschiedene Eingangsklemmen 36-1, 36-2, 36-3 und 36-4 und in Reihenschaltung zu dieser Eingangs- ao klemme je eine Diode. Wenn im Betrieb an einer oder mehreren dieser Eingangsklemmen die binäre Zahl »Eins«, d.h. eine Spannung von +e liegt, erscheint an der Ausgangsklemme der Schaltung die binäre Zahl»Null«, d. h. eine Spannung von geringem negativem Betrag, und wenn alle Eingangsklemmen die binäre Zahl »Null« liefern, so erscheint an der Ausgangsseite die binäre Zahl »Eins«.

Es sei angenommen, daß die binäre Zahl »Eins« an einer der Eingangsklemmen auftreten möge. Dadurch wird die in Reihe mit dieser Eingangsklemme liegende Diode stromführend und zu dem stromführenden Stromweg liegt ein Widerstand 42, der zu einer negativen Vorspannung von 19,5 V führt, parallel. Am Widerstand 44 tritt ein positiver Spannungsabfall auf und ein Transistor 38 wird gesperrt. Eine Diode 52 zwischen dem Kollektor und Erde klammert oder bindet die Kollektorelektrode an ein etwas negativ gegen Erde liegendes Potential, d. h. bringt sie auf dasjenige Potential, welches die Binärzahl »Null« bedeutet.

Wenn alle Eingangsspannungen an den Klemmen 36-1 bis 36-4 auf das die Binärzahl »Null« bedeutende Potential kommen, geht der Spannungsabfall am Spannungsteiler, der aus den Widerständen 42, 44 und 46 besteht, auf einen solchen Wert, daß die Basis des Transistors negativ wird, d. h. der Transistor im Durchlaßsinne vorgespannt wird. Der Transistor führt also Strom und seine Kollektorspannung wird um ungefähr +6 V positiver. Dies bedeutet die Binärzahl »Eins«.

Der Ausgangswiderstand 48 der Schaltung nach F i g. 4 ist ziemlich niedrig und kann in der Praxis etwa einige Ohm (beispielsweise 5 bis 10 Ohm) betragen. Der Wechselstromeingangswiderstand der Schaltung nach F i g. 4 hängt von der Frequenz und von den Größen der Widerstände, der Kapazitäten und der Induktivitäten ab, welche dem Wellenleiter an seinem Anfang dargeboten werden. Es ist durch Versuche festgestellt worden, daß der effektive Wert dieses Scheinwiderstandes für die angegebenen Schaltelemente etwa 1000 Ohm für die höheren Frequenzen der Eingangsspannung beträgt. Dies läßt sich auch durch eine Überschlagsrechnung mathematisch nachweisen, jedoch sind der Einfluß des Kondensators 50 und der Einfluß der verteilten Kapazitäten und Induktivitäten schwierig zu berechnen.

Die Erfindung ist nicht auf eine Koaxialleitung beschränkt. Die Übertragungsleitung oder der Wellenleiter kann vielmehr auch eine offene verdrillte Leitung sein oder eine abgeschirmte Leitung usw.

Außerdem ist die Erfindung nicht auf »NOR-Stufen« nach Fig. 4 beschränkt, sondern kann auf jede beliebige Art von Steuerstufe am Leitungsanfang und logische Stufe am Leitungsende angewendet werden, die im Arbeitsfalle eine Fehlanpassung an einen Wellenleiter bildet.

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Übertragung von Gleichstromimpulsen, insbesondere bei Rechenmaschinen, bei der eine Leitung mit einer Sprungspannung aus einer Signalquelle gespeist wird, deren Innenwiderstand klein gegen den Wellenwiderstand der Leitung ist, und mit einer Last abgeschlossen ist, die erheblich größer als der Wellenwiderstand ist und stark unterschiedliche Werte annehmen kann, dadurch gekennzeichnet, daß am Leitungseingang in Reihe mit der Leitung eine Parallelschaltung aus einem Widerstand (22) und einer Induktivität (24) liegt, die so bemessen ist, daß ihre Zeitkonstante etwa gleich oder etwas größer als die doppelte Laufzeit der Leitung (10) bzw. als die Anstiegszeit der Sprungspannung ist, je nachdem welches der größere Wert ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ohmsche Widerstand (22) der Parallelschaltung größer als der Wellenwiderstand der Leitung (10) ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz der Parallelschaltung (22, 24) für die zweite Oberwelle entsprechend der Fourier-Analyse der Anstiegsflanke der zu übertragenden Sprungspannung gleich dem Wellenwiderstand der Leitung (10) gewählt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen