DE1762917C3 - Frequenzdiskriminator - Google Patents

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einem Frequenzdiskriminator mit einer aus impulsförmigen Signalen hergeleiteten Diskriminatorausgangsspannung, die bei der Minimalfrequenz einen Minimalwert, unterhalb der Minimalfrequenz einen Wert kleiner oder gleich dem Minimalwert, bei und oberhalb der Maximalfrequenz einen Maximalwert und zwischen der Minimalfrequenz und der Maximalfrequenz einen steilen nahezu linearen Anstieg vom Minimalwert auf den Maximalwert aufweist.

Die bekannten Frequenzdiskriminatoren mit hoher Flankensteilheit der Diskriminatorkennlinie relativ zur Mittenfrequenz der Kennlinie arbeiten mit einem oder mehreren Schwingkreisen, also mit sinusförmigen Signalen.

Es sind bereits Frequenzdiskriminatoren bekannt die für impuisförmige Signale geeignet sind und be denen keine Schwingkreise zur Anwendung kommen Dieüe Diskriminatorschaltungen haben jedoch eine sehr geringe Steilheit der Diskriminatorkennlinie unc arbeiten z. B. nach dem Impulszählprinzip. Ihre Aus gangsspannung ist dabei unmittelbar proportional dei Frequenz. Die Kennlinie dieser Diskriminatoren isi eine geneigte Gerade, die durch den Nullpunkt be /= 0 geht. Die Folge davon ist, daß der Wirkungsgrac eines solchen Diskriminators bei Signalen mit einerr kleinen Verhältnis von Af-.f sehr gering ist.

Darüber hinaus ist bereits ein Frequenzdiskriminator bekannt, der den einleitend genannten Kennlinienverlauf der Diskriminatorausgangsspannung hat Dieser Diskriminator arbeitet unter Ausnutzung dei Sperrverzögerungszeit von Halbleiterelementen unc ist im wesentlichen für integrierte Schaltungen untei Vermeidung von Kondensatoren und Spulen gedacht Da dieser Diskriminator im wesentlichen auf der Ausnutzung der Sperrverzögerungszeit von Halbleitern beruht, ist die Linearität der Diskriminatorflanke vor den nur schlecht beeinflußbaren Halbleitereigenschaften abhängig. Darüber hinaus liegt es im Prinzip dieses Diskriminators, daß er auch auf Schwankunger der Impulsdauer empfindlich ist. Aus diesem Grunde muß zur Vermeidung dieser Empfindlichkeit ein zusätzlicher Impulsbreitenbegrenzer vorgeschaltet werden. Außerdem ist dieser Diskriminator nicht füi niedrige Frequenzen geeignet, da die Sperrverzögerungszeit von Halbleitern nicht beliebig verlangen werden kann.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, die Nachteile der bekannten Diskriminatorschaltung zu vermeider und einen Frequenzdiskriminator zu schaffen, der einen weitgehend linearen steilen Anstieg des Verlaufs seiner Diskriminatorkurve zwischen der Minimal- unc der Maximalfrequenz hat, außerdem in weiten Grenzen unabhängig ist von Impulsbreitenschwankungen und sich darüber hinaus auch für sehr niedrige Frequenzen eignet.

Dies wird bei einem Frequenzdiskriminator dei eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die auf eine bestimmte Amplitude begrenzten Impulse differenziert und anschließend in einem ersten Gleichrichter gleichgerichtet werden und die Zeitkonstante des diesem Gleichrichter nachgeschalteten RC-Gliedes und die Vorspannung dieses ersten Gleichrichters derart bemessen ist, daß eir nachgeschalteter Transistor bei Impulsfrequenzen oberhalb der Maximalfrequenz der Diskriminatorflanke immer gesperrt ist, bei Impulsfrequenzen zwischen der Minimalfrequenz und der Maximalfrequem relativ zur Impulsperiodendauer nur kurzzeitig geöffnet wird und Impulse abgibt, deren Amplitude mil Abnahme der Frequenz weitgehend linear ansteigt, und bei Frequenzen unterhalb der Minimalfrequen: Impulse konstanter maximaler Amplitude abgibt, und daß die Diskriminatorausgangsspannung durch Gleichrichtung der vom Transistor abgegebenen Impulse mit einem weiteren Gleichrichter- gewonnen wird. Dabei wird es als vorteilhaft angesehen, daß det zweite Gleichrichter :zur Spitzengleichrichtung ein in Kollektorschaltung arbeitender Transistor ist. Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird für einige spezielle Anwendungen vorgesehen, daß die Diskriminatorausgangsspannung mit einem RC-Tiefpaß gesiebt wird, dessen Zeitkonstante so groß ist, daß auch

die tiefsten Frequenzen des Niederfrequenzanteils der Diskriminatorausgangsspannung, der bei frequenzmodulierten Impulssignalen auftritt, unierdrückt werden, und daß die so gesiebte Spannung als Vorspannung für den ersten Gleichrichter dient.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß sie für beliebig niedrige Frequenzen geeignet ist, einen steilen linearen Kennliiiienverlauf im Arbeitsbereich zwischen der Minimalfrequenz und der Maximalfrequenz hat, wobei die Neigung dieses Verlaufs und dessen Linearität relativ einfach durch schaltungstechnische Mittel beeinflußbar ist und außerhalb des Bereiches dieser Frequenzen bei Spitzengleichrichtung mit einem Gleichrichter mit Glättungskondensatoren einen absolut waagerechten Verlauf hat. Die letztgenannte Eigenschaft ist besonders bei der Anwendvng des Frequenzdiskriminators in Regelschaltungen (z. B. bei der Drehzahlregelung von Motoren) erwünscht, weil in Regelschaltungen eine umgekehrte Neigung der Kennlinie relativ zur Arbeitsflanke erhebliche Probleme mit sich bringen würde. Selbst bei großen Abweichungen vom eigentlichen Arbeitsbereich behält die Diskriminatorausgangsspannung einen Wert bei, der dem entsprechenden Minimal- bzw. Maximalwert entspricht, so daß ein Kriterium für die erforderliche Verstimmungsrichtung vorliegt. Wendet man dagegen die Mittelwertsgleichrichtung an, so sinkt die Diskriminatorausgangsspannung bei unterhalb der Minimalfrequenz liegenden Frequenzen weiter ab; der Verlauf ist in diesem Bereich dann nicht mehr waagerecht. Außerdem fällt der Gleichrichterwirkungsgrad bei der Mittelwertsgleichrichtung stark ab.

An Hand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele sei im folgenden die Erfindung nebst ihren Weiterbildungen und ihren Vorteilen näher erläutert.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Frequenzdiskriminator wird das impulsförmige Eingangssignal über die Eingangsklemme 1 zugeführt, welches bereits auf einen konstanten Amplitudenwert begrenzt angeliefert wird oder in einer an sich bekannten Begrenzerschaltung begrenzt wurde. Mit dem RC-Glied 2, 3 wird das impulsförmige Signal differenziert, wobei dessen Zeitkonstante so bemessen ist, daß die Spannung am Widerstand 3 bei Signalfrequenzen zwischen der Minimalfrequenz und der Maximalfrequenz jeweils zeitlich zwischen zwei Impulsflanken auf nahezu 0 V abgefallen ist. Mit dieser am Widerstand 3 stehenden differenzierten Spannung wird der Gleichrichter 4 angesteuert, hinter dem das RC-Glied 5,6 Hegt, an dessen Widerstand 6 die Gleichrichtervorspannung U_v zugeführt wird. Die auf diese Weise am Kondensator 5 entstehende Sägezahnspannung wird einer Transistorstufe zugeführt, die beim Ausführungsbeispiel aus dem npn-Transistor mit dem Kollektorwiderstand 8 besteht. Dessen Ausgangssignal wird einer in Kollektorschaltung arbeitenden Transistorstufe zugeführt, die als Spitzengleichrichter hohen Eingangswiderstandes arbeitet und im vorliegenden Beispiel aus dem pnp-Transistor 9 mit dem Arbeitswiderstand 10 und dem Abblockkondensator 11 besteht. Vom Emitter des Transistors 9 geht zusätzlich die Diskriminatorausgangsspannung zur Klemme 12 ab. Wenn der Widerstand 10 und die Belastung der Klemme 12 relativ hochohmig sind, kann an Stelle des Transistors 9 durchaus auch eine. Diode verwendet werden.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 1 dienen Fig. 2a bis 2c. In Fig. 2a wird das auf einen konstanten Amplitudenwert begrenzte impulsförmige Eingangssignal gezeigt, welches der Klemme 1 zugeführt wird. Dieses Eingangssignal muß nicht ein Impulsverhältnis 1:1 aufweisen, sondern darf auch andere Impulsverhältnisse haben. T ist die Periodendauer des Impulssignals. Der Kurvenzug D in F i g. 2 b stellt die differenzierte Spannung dar, die am Widerstand 3 steht. Mit der negativen

ίο Spitze dieser Spannung wird der Gleichrichter 4 in den leitenden Zustand gebracht, so daß der Kondensator S sich nahezu auf diesen negativen Spitzenwert auflädt. Anschließend wird der Kondensator 5 über den Widerstand 6 entladen, wobei der zeitliche Verlauf dieser Entladung durch die Anwendung der Vorspannung Uy beeinflußt wird. Bei entsprechend großer Spannung U_y ist er nahezu linear. Nach Ablauf der Zeit τ erreicht die Spannung am Kondensator Seinen Spannungswert von z. B. 0,7 V, bei dem der Transistör 7 zu leiten beginnt. Dieser Spannungswert ist in Fig. 2bdurch eine strichpunktierte Linie parallel zur Zeitachse dargestellt. In Fig. 2c ist die Kollektorspannung des Transistors 7 wiedergegeben. Diese Spannung hat im ganzen Bereich τ ihren Maximalwert, da der Transistor 7 in diesem Zeitbereich nicht leitet. Im restlichen Zeitbereich T- τ sinkt die Kollektorspannung weitgehend linear ab. Nach Ablauf der Gesamtzeit T erscheint am Widerstand 3 erneut die negative Impulsspitze, durch die der Transistor 7 über den Gleichrichter 4 erneut gesperrt wird. Je nach Größe des Zeitbereiches Τ— τ erreicht die Amplitude der am Kollektor des Transistors 7 erscheinenden Impulse einen mehr oder weniger großen Betrag. Da im vorliegenden Beispiel diese Kollektorimpulse negativ gerichtet sind, wird zweckmäßigerweise ein pnp-Transistor bzw. eine entsprechend gepolte Diode zur Spitzengleichrichtung dieser Impulse verwendet. Am Ausgang des Transistors 9 erscheint somit eine gleichgerichtete Spannung, die nahezu identisch ist mit dem Spitzenwert der Spannungsimpulse am Kollektor des Transistors 7. Aus dieser Darstellung ist erkennbar, daß der Transistor 7 bei wesentlich höheren Frequenzen, bei denen also die Periodendauer T kürzer als die Zeit τ ist, immer gesperrt bleibt und daß somit die an der Klemme 12 erscheinende Ausgangsspannung identisch ist mit der in diesem Falle positiven Speisespannung, weiterhin ist erkennbar, daß die Diskriminatorausgangsspannung bei Frequenzen mit einer Periodendauer T, die nur geringfügig höher ist als die Dauer τ, Werte annimmt, die zwischen der Speisespannung und einer Spannung von nahezu 0 V liegt, und weiterhin ist erkennbar, daß der Transistor 7 bei niedrigeren Frequenzen, bei denen Periodendauer T merklich größer als die Zeit τ ist, voll durchgesteuert wird, so daß seine Ausgangsimpulse eine konstante Amplitude aufweisen und die Diskriminatorausgangsspannung an der Klemme 12 immer nahezu 0 V Meibt.

In Fig. 3a bis 3d ist die Impulsspannung am KoI-lektor des Transistors 7 in stark gedehnter Form für verschiedene Frequenzen innerhalb des Bereiches zwischen Minimal- und Maximalfrequenz wiedergegeben. Wie man daraus erkennt, steigt der Amplitudenwert dieser Impulse in negativer Richtung nahezu linear an, die Spannung t/_mi„inFig. 3 a entspricht dem Wert der Diskriminatorausgangsspannung bei Frequenzen unter der Minimalfrequenz. Die Spannung U_max in Fig. 3d entspricht dem Wert der Diskrimina-

torausgangsspannung bei Frequenzen bei und ober- RC-TicfpalJ 13, 14 gewonnen wird, ab. Durch diesen halb der Maximalfrequenz. Die Spannungen U₁ und Abfall der Spannung LZ₁, wird die Zeit τ verlängert, LZ₂ in Fig. 3b und 3c entsprechen zwei Frequenzen so daß die negativen Impulsspitzen am Kollektor des zwischen der Minimal- und Maximalfrequenz. Transistors 7 und damit wiederum die Diskriminator-In Fig. 4 schließlich ist die Diskriminatorkenn- 5 ausgangsspannung ansteigen. Wie man daraus erlinie, also die Funktion des Diskriminatorausgangs- kennt, wirkt diese Rückführung extrem stark gegcnsignals U über der Frequenz / aufgetragen. In dieser koppelnd. Der Niederfrequenzanteil der Diskrimina-Zeichnung sind wieder die gleichen Bezugssymbole torausgangsspannung, der bei frequenzmodulierten wie in den Fig. 2a bis 3d verwendet. Eingangssignalen auftritt, wird jedoch nicht zurückin Fig. 5 sind für gleiche Teile die gleichen Bezugs- 10 geführt, weil die Zeitkonstantc der Glieder 13, 14 so zeichen wie in Fig. 1 angewendet. Von der Anord- bemessen ist, daß selbst die als niedrigste vorkomnung nach Fig. 1 unterscheidet sich die Anordnung mende Niederfrequenzspannung die Zeit τ nicht oder nach Fig. 5 nur dadurch, daß die Vorspannung LZ₁/ doch nur vernachlässigbar geringfügig modulieren für den ersten Gleichrichter 4 hier nicht fest ist, son- kann. Durch diese durch die Rückführung entstedern abhängig (bzw. identisch) ist vom zeitlichen Mit- 15 hende starke Gegenkopplung wird es möglich, daß der telwert der Diskriminatorausgangsspannung. Durch Diskriminator sich selbsttätig mit seiner Arbeitsflanke diese Maßnahme wird erreicht, daß die dynamische auf die Frequenz des Eignangssignals abstimmt. Die Kennlinie bei frequenzmodulierten Signalen nach wie Eingangsfrequenz kann dabei in weiten Grenzen, z. B. vor sehr steil ist, während die statische Kennlinie au- 1:20, variieren. Wenn die Flanke der Diskriminatorßerordentlich flach verläuft, so daß eleroentenbe- 20 kurve einen umgekehrten Verlauf haben soll, muß an dingte Toleranzen völlig aufgefangen werden können Stelle des npn-Transistors 7 ein pnp-Transistor und und ein Abgleich der Schaltung überflüssig ist. Sinkt an Stelle des pnp-Transistors 9 ein npn-Transistoi z. B. der statische Wert der Diskriminatorausgangs- verwendet werden. Außerdem muß der Gleichrichspannung infolge irgendeiner Bauelementealterung ter 4 in umgekehrter Polung eingefügt werden, und ab, so sinkt auch die Spannung U_v, die aus der Diskri- 25 es müssen die Batteriespannung und die Vorspannung minatorausgangsspannung durch Siebung mit dem LZ₁, eine umgekehrte Polarität erhalten.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Frequenzdiskriminator mit einer aus impulsförmigen Signalen hergeleiteten Diskriminatorausgangsspannung, die bei der Minimalfrequenz einen minimalen Wert, unterhalb der Minimalfrequenz einen Wert kleiner oder gleich dem Minimalwert und oberhalb bei der Maximalfrequenz einen maximalen Wert und zwischen der Minimalfrequenz und der Maximalfrequenz einen steilen nahezu linearen Anstieg vom Minimalwert auf den Maximalwert aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die auf eine bestimmte Amplitude begrenzten Impulse differenziert und anschließend in einem ersten Gleichrichter (4) gleichgerichtet werden und die Zeitkonstante des diesem Gleichrichter nachgeschalteten RC-GJiedes (5, 6) und die Vorspannung (UV) dieses ersten Gleichrichters (4) derart bemessen ist, daß ein nachgeschalteter Transistor (7) bei Impulsfrequenzen oberhalb der Maximalfrequenz Jf_17111x) der Diskriminatorflanke immer gesperrt ist, bei Impulsfrequenzen zwischen der Minimalfrequenz (f_min) und der Maximalfrequenz (f ) relativ zur Impulsperiodendauer nur kurzzeitig geöffnet wird und Impulse abgibt, deren Amplitude mit Abnahme der Frequenz weitgehend linear ansteigt, und bei Frequenzen unterhalb der Minimalfrequenz (f_min) Impulse konstanter maximaler Amplitude abgibt, und daß die Diskriminatorausgangsspannung durch Gleichrichtung der vom Transistor (7) abgegebenen Impulse mit einem weiteren Gleichrichter (9) gewonnen wird.

2. Frequenzdiskriminator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Gleichrichter zur Spitzengleichrichtung ein in Kollektorschaltung arbeitender Transistor (9) ist.

3. Frequenzdiskriminator nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Diskriminatorausgangsspannung mit einem RC-Tiefpaß (13, 14) gesiebt wird, dessen Zeitkonstante so groß ist, daß auch die tiefsten Frequenzen des Niederfrequenzanteils der Diskriminatorausgangsspannung, der bei frequenzmodulierten Impulssignalen auftritt, unterdrückt werden, und daß die so gesiebte Spannung als Vorspannung für den ersten Gleichrichter (4) dient.