DE1773847C3 - Schaltungsanordnung zur Filterung eines im Audio-Frequenzbereich Hegenden Ausgangssignals - Google Patents

Description

Ie der Röhren entsprechend geschaltete Transistoren zu verwenden.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art so auszubilden, daß sich hinsichtlich der Zugehörigkeit des N'utzsignals zu einem bestimmten Zweig möglichst stabile Verhältnisse ergeben, so daß insbesondere ein Hin- und Herschwingen des Nir'.zsignals zwischen zwei benachbarten Zweigen vermieden wird. ,ο

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei der erfindunpsgcmäßen Schaltungsanordnung ergibt sich auf Grund der Überlappung der benachbarten Durchlaßbänder ein gewisser Trägheitseffekt in der Weise, daß, wenn das Ausgangssignal frequenzmäßig in den Überlappungsbereich einläuft, das bisherige Frequenzband noch eingeschaltet bleibt und ein Hin- und Herschwingen zwischen den beiden frequenzmäßig benachbarten Zweigen vermieden wird.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren erörtert. Von den Figuren zeigen:

F i g. 1 ein periodisches Eingangssignal einer Zählvorrichtung, wobei ein Auslöseniveau und ein Rück-Stellniveau angegeben ist, auf welche die Anordnung anspricht,

F i g. 2 ein der F i g. 1 entsprechendes Signal, dem ein hochfrequentes Störsignal überlagert ist,

F i g. 3 ein periodisches Eingangssignal, dem eine niederfrequente Störkomponente überlagert ist,

Fig.4 ein Blockschaltbild einer mit selbsttätiger Verstärkung arbeitenden Verstärker- und Auswahlschaltung für Filter enthaltende Parallelzweige, wobei die Anordnung dem Zweck dient, das periodische Eingangssignal und cas überlagerte Störsignal in verschiedene Frequenzbänder aufzuteilen,

F i g. 5 die Frequenzcharakteristik einer zur Anwendung vorgesehenen Bandpaßfilteranordnung,

F i g. 6 ein Prinzipschaltbild einer drei Parallelzweige umfassenden Schaltungsanordnung,

F i g. 7 eine Wiedergabe der Wirkungsweise der drei zur Anwendung vorgesehenen parallelen Filterzweige, wenn jeweils der eine der Zweige in voller Tätigkeit ist.

In F i g. 1 ist ein rein periodisches Signal 1 darge- 4; stellt, das dem Eingangskreis eines Zählwerkes zugeführt wird. Das Zählwerk enthält einen Eingangskreis, der in einen »eingestellten« Zustand gebracht wird, wenn das Eingangssignal ein bestimmtes Amplitudenniveau überschreitet, das durch die Linie c dargestellt ist. Der Stromkreis bleibt dann in dem »eingestellten« Zustand, bis das Eingangssignal unter das »Rückstell«-Niveau d fällt, wobei dann der Stromkreis seinen »eingestellten« Zustand wieder aufgibt.

Die Punkte a zeigen die Punkte an, bei denen das Eingangssignal das »Einstell«-Niveau überschreitet, und die Punkte b geben die Punkte an, bei denen das Eingangssignal auf das »Rückstellw-Niveau zurückfällt. Wenn ein Signal oder Zählimpuls jedesmal erzeugt wird, wenn der Übergang in den »Einstell«-Zustand erfolgt, kann die Frequenz oder die Periodendauer oder die Gesamtzahl Perioden leicht gemessen werden.

Kommt beispielsweise das Eingangssignal von einem Strömungsmeßgerät, z. B. von einem Wirbelmeßgerät entsprechend der USA.-Patentschrift 32 79 251, so hat fij das Signal häufig eine überlagerte Störkomponente, deren Amplitude geringer als die des Primärsignals ist, und dadurch können sich in dem Zählwerk Fehler ergeben. F i g. 2 und F i g. 3 zeigen, wie solche Fehler durch Störsignale hoher Frequenz und niedriger Frequenz erzeugt werden können.

In Fig.2 ist gezeigt, wie ein höherfrequentes S;örsignal 2, das dem periodsichen Signal 1 überlagert ist, zur Folge hat, daß dessen Amplitude innerhalb gewisser Grenzen schwankt. Wenn die Größe dieser Schwankungen von der Größe des Unterschieds zwischen dem »Einstell«-Niveau c und dem »Rückstell«- Niveau dist, so ergibt es sich, daß das Eingangssignal in schneller Folge diese beiden Niveauwerte abwechselnd durchläuft. Es wird in einem solchen Fall das Zählwerk während jeder Periode des Eingangssignals mehrmals in den »eingesteilten« Zustand versetzt, so daß sich zusätzliche Zählungen ergeben, die ein falsches Bild für die tatsächlichen Amplitudenschwankungen des Eingangssignals liefern.

F i g. 3 zeigt den Einfluß eines niederfrequenten Störsignals 3 auf das periodische Eingangssignals 1. Es kann sich ergeben, daß das Eingangssignal für mehrere Perioden das »Einstel!«-Niveau c nicht erreicht, so daß die an sich erforderliche Weiterschaltung des Zählwerkes unterbleibt und ebenfalls ein falscher Zählweri sich ergibt.

Es ist offensichtlich, daß ein weiterer Abstand der Amplitudenniveaus cund c/in Fi g. 2, und zwar so weit, daß der Abstand größer als die Spitzenamplitude des Störsignals 2 ist, falsche Zählungen verhindern würde. Man erkennt aber, daß in diesem Fall sich ein verstärkter Einfluß der niederfrequenten Störsignale entsprechend F i g. 3 ergibt, weil dann mehr Perioden des Eingangssignals nicht das »Einstell«-Amplitudenniveau erreichen. Umgekehrt ergibt es sich, daß, wenn man das Auslassen von Zählperioden in F i g. 3 vermeiden will und die Amplitudenniveaus c und d näher zusammen und näher der Nullachse des Eingangssignals legt, man dann den Zählfehler, der durch höherfrequente Störsi gnale bedingt ist, erhöht.

Die Erfindung sieht vor, daß das Eingangssignal zu sammen mii seinen Störsignalen durch ein sog. »Kammfilter« (mehrere parallele Bandpaßfilter) geleitet wird und daß das Frequenzband mit der höchsten Ausgangssignalamplitude ausgewählt wird und daß das Signal dieses Frequenzbandes für die Ausgangsmessung verwendet wird. Die Anzahl parallele Bandpaßfilter aufweisender Zweige hängt von dem Signal-Stör-Verhältnis und dem zu messenden Frequenzbereich ab. Eine größere Anzahl derartiger Frequenzbänder ist erforderlich, wenn bei einem bestimmten Signal-Stör-Verhältnis ein relativ weiter Frequenzbereich überdeckt werden soll. Umgekehrt können die einzelnen Frequenzbänder der Parallelzweige breiter gemacht werden, wenn ein geringeres Signal-Stör-Verhältnis zulässig ist. Das Verhältnis zwischen Nutzsignal und Störsignal muß größer als eins sein, damit die Schaltungsanordnung ordnungsgemäß arbeitet.

In F i g. 4 ist ein Verstärker 4 mit automatischer Verstärkungsregelung vorgesehen, zu dem Zweck, das Amplitudenniveau der von dem Strömungsmeßgerät oder sonstigen Meßgerät geliferten Signale vergleichbar zu machen mit den Ampliludenselektionskreisen für die Filieranordnungen. Durch die Anwendung eines solchen Verstärkers 4 entfällt die Einstellung der Amplitudenniveauwerte, wenn die Amplitude des Signals sich ändert.

Das Ausgangssignal eines Strömungsmeßgerätes oder Wirbelmeßgerätes oder eines ähnlichen Meßgerätes wird durch den mit automatischer Verstärkungsre-

gelung arbeitenden Verstärker auf einen relativ konstanten Wert gebracht, auch wenn beträchtliche Änderungen des Eingangssignals vorliegen. Wie bereits erwähnt wurde, wird die Amplitude des Ausgangssignals so gewählt, daß sie geeignet ist für die Amplitudenselektionsmittel der Filterwählkreise. Das Ausgangssignal des Verstärkers wird einer Mehrzahl Bandpaßfilter 5 oder einem nicht dargestellten Kammfilter zugeführt. Die Übertragungsverluste der Filter sollten ungefähr gleich sein.

Es überlappen sich zweckmäßigerweise die Durchlaßbänder der Bandpaßfilter etwas, um eine gewisse Trägheit in das System hineinzubringen und zu verhindern, daß die Anordnung zu Hin- und Herpendelungcn neigt. In F i g. 5 ist die Überlappung der Durchlaßbänder der Bandpaßfilter dargestellt. In F i g. 5 sind drei Bandpaßfilter A, B. C veranschaulicht, es ist jedoch zu beachten, daß auch jede andere Anzahl Bandpaßfilter verwendei werden kann.

Die Kanäle A. B. C sind gleichartig aufgebaut, und daher haben in F i g. 6 die verwendeten, einander entsprechenden Schaltelemente der Parallelzweige entsprechende Bezugszeichen. Beispielsweise ist der sechste Widerstand des Zweiges A mit R6A bezeichnet, und die entsprechenden Widerstände der Zweige Sund C sind mit /?6ßbzw. /?6Cbezeichnet.

Im folgenden wird die Wirkungsweise des in F i g. 6 dargestellten Stromkreises in bezug auf den Parallelzweig B beschrieben, es ist jedoch zu beachten, daß die Wirkungsweise der Parallelzweige A und C entsprechend ist.

Nimmt man an. daß das Wechselstromsignal des B-Frequenzbandes dps Filters 5 größer ist als die Signale der Bänder A und C. und nimmt man weiter an. daß die Größe des B-Frequenzbandsignals derart ist, daß seine Amplitude einen Minimalschwellenwert überschreitet, so tritt die Schaltungsanordnung in Tätigkeit. Das Ausgangssignal des Bandfilters S wird für die Zwecke der Impedanzanpassung und der Leistungsverstärkung einem Emitter-Folgetransistor Q Iß zugeführt. Die beiden Ausgangssignale X und Y werden von dem Emiuerkreis des Transistors QiB abgenommen. Das V-Signal durchsetzt einen Steuerzweig YB. und das X-Signal durchsetzt den Parallelzweig A'ß zu einer Diode CR AB. die mit der Basiselektrode des Ausgangstransistors ζ)5 verbunden ist. der ebenfalls ein Emitter-Folgetransistor ist und sämtlichen Parallelzweigen gemeinsam tst

Das den Steuerzweig YB durchsetzende V'-Signal des B-Zweiges ist ein Wechselstromsignal und wird über die Kapazität ClB einer Diode CÄ1B zugeführt und durch eine Kapazität ClB und einen Widerstand R5B gleichgerichtet, so daß ein positives Gleichspannungssignal, das proportional dem Wechselspannungseingangssignal ist, an der Basiselektrode des Transistors Q2B auftritt. Dieser Transistor ist ebenfalls ein NPN-Transistor und wird im folgenden als Tasttransistor bezeichnet. Wenn die Amplitude des Gleichspannungssignals an der Basiselektrode des Tasttransistors Q2B (das Signal enthält auch das Spannungsgefälle entweder an der Diode CR 2B oder der Diode CR 3B. je nachdem, welche stromführend ist) einen bestimmten minimalen Schwellenwert überschreitet, so wird der Tasttransistor Q 2B stromführend und seine Kollektorspannung fällt entsprechend ab.

Der Kollektor des Tasttransistors Q2B ist mit der Basiselektrode des rückgekoppelten Transistors <?3ß verbunden, der ein PNP-Transistor ist. Der Transistor QlB wird stromführend, wenn die Kollektorspannung des Tasttransistors Q2B abfällt. Dadurch wiederum wird die Spannung an den Dioden CR2B und CR3B stärker positiv, so daß die Gleichspannung an der Basiselektrode des Tastlransistors Q2B zunimmt. Auf diese Weise erfolgt eine positive Rückkopplung.

Die Stromleitung des Transistors Q2B wird weiter zunehmen, bis schließlich ein stabiler Zustand erreicht ist. wenn der die Rückkopplung bewirkende Transistor ίο Q3ß gesättigt ist. Die Sättigung dieses Transistors Q3ß bewirkt die Abschaltung eines Parallehransistors QAB. der ebenfalls ein PNP-Transistor ist und dessen Basiselektrode mit der Kollektorelektrode des Transistors Q35 über den Widerstand R WB verbunden ist. und die Spannung an den Dioden CR 2ß und C/?3ßist nun positiv wegen des Vorwärtsspannungsgefälles an diesen Dioden.

Das Signal X durchsetzt den A'ß-Parallelzweig und wird geteilt durch das Widerstandsnetzwerk R 10ß. R 14ß und R 16. Über die stromleitende Diode CRAE vird das Signal an die Basiselektrode des Ausgangstransistors Q5 geleitet.

Man sieht, daß während der positiven Rückkopplung durch den Transistor (?3ßdes Zweiges ß die positive Spannung infolge des Spannungsgefälles an den Dioden CR2B und CRZB die Emitterspannung des Tasttransistors Q2B so ansteigen läßt, daß der ihn durchfließende Strom entsprechend zunimmt. Der Emitter des Tasttransistors Q2B ist mit den Tasttransistoren ίο Q 2A und (?2Cder Kanäle A und Cmit dem gemeinsamen Emitterwiderstand R 15 verbunden, der eine Spannungsvergleichsstufe bildet.

Der größere Strom des Tasttransistors Q2B des

Zweiges B vergrößert das Spannungsgefälle an dem Widerstand R 15 und bewirkt, daß die Spann ngen dci Emitterelektroden der Tasttransistoren Q 2A und Q2C der Zweige A und C stärker positiv werden, wodurch die Tasttransistoren Q2A und <?2Cbis zu ihrem Sperr punkt in Rückwärtsrichtung vorgespannt werden Wenn die Tasttransistoren Q2A und Q2C gesperr!

sind, so sind die Rückkopplungstransistoren Q3A unc

(?3Cder Zweige A und Cebenfalls gesperrt, und dahet werden die Paralleltransistoren QAA und QAB bis zi ihrer Sättigung stromführend. Das X-Signal in der Zweigen A und C. das über die Parallelzweige Λ4 unc XC verläuft, wird durch die Paralleltransistorcn QA* und C?4Cund die Dioden CR 3A und CR 3C zum Er dungspunkt kurzgeschlossen. Da die Dioden CRAA und CR 4C in Rückwärtsrichtung vorgespannt sind

wird ein Kurzschließen des B-Signalzweiges durch die

A- und C-Signalzweige verhindert.

Das Ausgangssignal der Filterauswahlvorrichtung das im Ausgangskreis des Transistors <?5 auftritt, be steht daher nur aus dem Ausgangssignal des Parallel zweiges B. welcher die höchste Signalamplitude hat.

Wenn das Gleichspannungssignal, das sich an der Dioden CÄ 2 und CR 3 in jedem Parallelzweig ausbil det in ein äquivalentes Wechselspannungssignal in Ausgangskreis der Filterstufe umgerechnet wird, so er <« geben sich die in F i g. 7 dargestellten Verhältnisse. Be Vergleich der Frequenzcharakteristiken der dre Durchlaßbänder in F i g. 7 mit den in F i g. 5 gezeigtet Bändern erkennt man. daß die den beiden nicht da: Signal weiterleitenden Zweigen entsprechenden Signa ^ft5 le gedämpft erscheinen, während das Signal des drittel Zweiges erhöht erscheint. Es ergibt sich daher in de Schaltung ein Trägheitseffekt, der zur Folge hat. dal ein bestimmtes Frequenzband eingeschaltet bleibt, bi

das äquivalente Signal bis auf die Amplitude des äquivalenten Signals eines anderen Parallel/wciges oder darunter abfällt. Zusammen mit der Überlappung der Durchlaßbänder verhindert diese Erscheinung, daß. wenn das Eingangssignal nahe dem Ende des Frequenzbandes liegt, die Schaltungsanordnung von dem einen Frequenzband auf das andere Frequenzband hin- und hertaumelt.

Bei der Anordnung wird das ein breites Frequenzband überdeckende Ausgangssignal eines Strömungsoder Wirbelmeßcerätes oder einer ähnlichen Vorrichtung in Signalkomponenten aufgeteilt, und es wird die

jenige Signalkomponente ausgewählt, die die größte Signalamplitude hat, und diese Komponente wird dann im Ausgangskreis zur Steuerung eines Zählgerätes oder ähnlichen Meßgerätes ausgenutzt.

Wird das vorstehend beschriebene, mit automatischer Verstärkungsregelung arbeitende Gerät an den Detektor eines Slrömungsmeßgcrätes angeschaltet, so liefert es ein Ausgangssignal, welches in einfacher Weise die Strömungsgeschwindigkeit zu bestimmen gestattel. Es können daher übliche Zählwerke 8 und Impulsvorstufen 7 zur Anzeige der Strömungsgeschwindigkeit Anwendung finden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

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Claims (5)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Filterung eines im Audio-Frequenzbereich liegenden Ausgangssignals, insbesondere eines Strömungsmeßgerätes, in der Weise, daß das Ausgangssignal von höher- und niedrigerfrequenten, das Ausgangssignal modulierenden Komponenten getrennt wird, mit mehreren Paralleizweigen, von denen jeder ein Bandpaßfilier aufweist, welches entlang eines bestimmten Frequenzbandes im Audio-Bereich eine im wesentlichen konstante Durchlaßempfindlichkeit aufweist, wobei die Zweige derart miteinander gekoppelt sind, daß jeweils das sich in einem Zweig befindende Wechselstromsignal größter Amplitude zur Ausgangsstufe dieses Zweiges gelangt und die in den anderen Zweigen auftretenden Wechselstromsignale, die eine geringere Amplitude haben, daran gehindert werden, zu den \usgangsstufen dieser anderen Zweige zu gelangen, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlaßbänder der Bandpaßfilter derjenigen Zweige (A, B. C) die jeweils frequenzmäßig benachbart zueinander liegen, einander an den Rändern des genannten konstanten Ansprechbereichs etwas überlappen, um ein Hystereseverhalten bezüglich einer durch Frequenzänderung bedingten Verlagerung des Wechselstromsignals größter Amplitude von einem Zweig in einen benachbarten Zweig zu erzielen.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Zweig (A, B. C) eine positive Rückkopplungsvorrichtung (Rückkopplungstransistor Qi) vorhanden ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Zweig (A, B, C) einen als Emitterfolger geschalteten Tasttransistor (Q2) aufweist, der an seiner Basis das durch das zugehörige Bandpaßfilter gelaufene und anschließend gleichgerichtete Wechselstromsignal empfängt und an einen für die Tasttransistoren (02) aller Zweige gemeinsamen Emitterwiderstand (R 15) angeschlossen ist und von dessen Kollextor ein Rückkopplungstransistor (C? 3) gesteuert wird, dessen Kollektorkreis zur Basis des Tasttransistors (ζ) 2) positiv rückgekoppelt ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die an einer im Kollektorkreis des Rückkopplungstransistors (Q3) liegenden Diode (CR 2) abfallende Spannung das genannte Rückkopplungssignal bildet.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Zweig (A, B, C) hinter dem Bandpaßfilter in einen den Tast- und den Rückkopplungstransistor (Q 2 bzw. Q3) enthaltenen Steuerzweig (Y)und einen Weiterleitungszweig (X) aufgespalten ist und zum Ausgang des Weiterleitungszweiges (X) ein Ausgangstransistor (Q4) parallel liegt, der im leitenden Zustand das Ausgangssignal dieses Zweiges kurzschließt, und daß bei Vorliegen des Wcchselstromsignals größter Amplitude in dem betreffenden Zweig der zugehörige Rückkopplungstransistor (Q3) in die Sättigung getrieben wird und mit seinem Kollektor den Ausgangstransistor (Q4) des betreffenden Zweiges abschaltet.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanord nung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannter Art.

Das bevorzugte Anwendungsgebiet der Erfindung is die Verwendung bei einem Strömungsmeßgerät gemäi der US-PS 32 79 251. Ein derartiges Meßgerät liefer ein Meßsignal, dessen Frequenz sich je nach dem Meß ergebnis ändert und das von einem Störsignal breiter Frequenzbereichs begleitet wird.

ίο Die Durchführung einer Frequenzmessung an einen Ausgangssignal kann in der Weise erfolgen, daß jedes mal dann ein Signal erzeugt wird, wenn das zu messen de Ausgangssignal durch einen vorgegebenen Ampliiu denwert hindurchgeht. Die Anzahl dieser Durchgänge ist ein Maß für die Frequenz des Ausgangssignals. Ir ähnlicher Weise kann die Periodendauer des Ausgangssignals durch Messung derjenigen Zeitspanne ermitteli werden, die zwischen zwei aufeinanderfolgender Durchgängen des Ausgangssignals durch den vorbe· stimmten Amplitudenwert verstreicht.

Eine wesentliche Störungsquelle bei derartigen Messungen ist durch sich dem Ausgangssignal überlagernde Störsignale bedingt. Hochfrequente Störsignale können dabei zur Folge haben, daß das Ausgangssignal den vorgegebenen Amphtudenwert häufiger durchsetzt, wodurch sich dann eine fehlerhafte Zählung der Gesamtanzahl der Durchgänge ergibt. Niederfrequente Siörsignale können zur Folge haben, daß während einer größeren Anzahl Perioden das Ausgangssignal den vorgegebenen Amplitudenwert überhaupt nicht erreicht, und auch daraus können sich fehlerhafte Zählungen ergeben.

Macht man bei Zuführung des Ausgangssignals zu einem Schmitt-Trigger den Abstand /wischen den beiden Amplitudenwerten, bei denen der Schmitt-Trigger gesetzt bzw. wieder gelöscht wird, möglichst groß, so kann zwar der durch die hochfrequenten Störsignale bedingte Fehler klein gemacht werden; es ergibt sich jedoch dann eine erhöhte Störanfälligkeit gegenüber den niederfrequenten Störsignalen. Wenn man dagegen den Abstand zwischen den vorgegebenen Amplitudenwerten möglichst klein macht, ergibt sich ein umgekehrtes Resultat.
Bei einei bekannten Schaltungsanordnung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art (GB-PS 9 14 308) weist jeder Zweig eine den Bandpaßfilter des betreffenden Zweiges nachgeschaltete Verstärkerröhre auf. deren Gitter das durch das Bandpaßfilter hindurchgelassene und dann gleichgerichtete Wechselstromsignal zugeführt wird. Die Verstärkerröhren aller Zweige haben einen gemeinsamen Kathodenwiderstand, so daß da> Wechselstromsignal größter Amplitude in einem Zweig dazu führt, daß die Verstärkerröhren der anderen Zweige sperren bzw. ihre Verstärkung herabgesetzt wird. Im Anodenkreis jeder Röhre liegt ein die Ausgangsstufe des betreffenden Zweiges bildender Schwingkreis, in welchem ein Signal doppelter Amplitude entsteht, falls der betreffende Zweig das Wechselstromsignal größter Amplitude führt. Die Durchlaßbänder benachbarter Bandpaßfilter überlappen sich erst in Bereichen, in denen das Ansprechvermögen schon stark abgesunken ist. Es erfolgt bei Frequenzänderung des zu messenden Nutzsignals ein allmählicher Übergang des Nutzsignals von einem Zweig in den benach-

^h5 barten Zweig, wobei, wenn das Nutzsignal frequenzmäßig in der Mitte zwischen zwei Durchlaßbändern liegt, das Nutzsignal sich gleichmäßig auf beide Zweige verteilt. Es ist bei dieser Anordnung auch bekannt, an Stel-