DE1922453C3 - Schaltungsanordnung zum Modulieren eines sich stetig ändernden Eingangsspannungssignals - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Modulieren eines sich stetig ändernden Eingangsspannungssignals durch periodisches Steuern der Eingangsspannung eines Operationsverstärkers mit einem einzigen Ausgang und mit je einem invertierenden und einem nicht invertierenden Verstärkungsweg, deren beiden Eingängen das Eingangs-Spannungssignal über ein zwei parallel zueinander liegende Eingangszweige bildendes Netzwerk glcichzeitie zugeführt wird, mittels eines zwischen zwei Zuständen wechselnden Trägerspannungssignals in Fernmeldeanlagen.

Bei bekannten Ringmodulatoren, die mit Übertragern und Dioden- bzw. Transistornetzwerken ausgeführt sind, ergeben sich Schwierigkeiten, wenn gleichzeitig hohe Anforderungen an den Klirrfaktor und den Rauschabstand gestellt werden. Auch ist es schwierig, einen reellen, reflexionsfreien Modulator-Abschlußwiderstand über ein breites Frequenzband zu erzielen, so daß sich der Klirrfaktor dadurch erhöht, daß ein Teil der Seitenbänder am Ausgang reflektiert und erneut dem Modulator zugeführt wird. Es ist ferner nicht möglich, Gleichstromsignale mitzuverarbeiten. Schließlich ist es schwierig, eine ausreichend hohe Symmetrie der Modulatorzweige und damit eine entsprechend hohe Dämpfung der unerwünschten Modulationsprodukte zu erreichen.

Durch die DT-AS 12 32 195 ist bereits eine übertragerlose Modulatorschaltung bekannt, bei der zunächst eine rechteckige Trägerschwingung mit einer in unipolare Form umgewandelten Signalschwingung über ein Diodennetzwerk amplitudenmoduliert wird und zur Unterdrückung der modulierenden Signalschwingung dann eine dieser entsprechende unipolare Schwingung gleicher Frequenz aber entgegengesetzter Polarität und halber Amplitude zur Ausgangsspannum> des Modulators phasengleich addiert wird. Diese Anordnung benötigt neben dem Diodennetzwerk somit eine Phasenumkehrschaltung, eine Frequenzteilerschaltung sowie eine Spannungssummierstufe; sie ist also sehr aufwendig.

Ferner ist durch die DT-AS 12 86 144 eine übertragerlose, aktive, mit Transistoren aufgebaute Modulatorschaltung bekannt, die sowohl den Träger als auch das Eingangssignal unterdrückt. Diese Anordnung besteht in ihrer Eingangsschaltung aus zwei Emitterfolgern, die jeweils mit dem gegenphasigen Modulationssignal angesteuert werden, aus zwei in den Emitterzweigen liegenden elektronischen Schaltern, vorzugsweise Transistoren, die jeweils mit dem gegenphasigen, rechteckförmigen Trägersignal angesteuert werden, und einer aus Widerständen, Transistoren oder Dioden bestehenden Auswahlschaltung zur Überlagerung bzw. Auswahl der an den Schaltern liegenden Modulationsspannung. Um eine gute Trägerunterdrückung zu erreichen, ist es erforderlich, mit elektronischen Schaltern zu arbeiten, die sehr schnell und exakt gegenphasig schalten. Diese Bedingung ist nur schwer realisierbar, so daß es Zeiten gibt, zu denen weder der eine noch der andere durch den Träger gesteuerte Schalttransistor gesperrt ist. Zur Vermeidung dieser Schwierigkeit wird bei dem bekannten Modulator die Trägerspannung durch Rechteckimpulse wechselnder Polarität gebildet, wobei die Transistoren durch von der Trägerspannung abgeleitete, phasenverschobene Spannungen mit derartigem Taktverhältnis gesteuert werden, daß zu jedem Zeitpunkt einer der Transistoren sicher gesperrt ist. Diese Maßnahme verlangt jedoch eine spezielle Aufbereitung des Trägersignals und ist mit einem erhöhten Aufwand verbunden.

In einer durch Application AR 140, Arp 114-N254 SGS Fairchild, Februar 1966 bekannten weiteren Modulatorschaltung wird das Modulationssignal den beiden Eingängen eines Operationsverstärkers in Form eines Differenzverstärkers mit einem invertierenden und einem nicht invertierenden Eingang über ein Widerstandsnetzwerk, das zwei von

gegenphasigen, rechteckförmigen Trägerspannungen gesteuerte Schalttransistoren enthält, zugeführt. Auch bei dieser Schaltung lassen sich störende Überlappungszeiten durch die benötigten beiden gegenphasig arbeitenden Schalttransistoren und ein dadurch verbleibender Trägerrest nicht ohne weiteres ausschalten. Außerdem wird bei dieser Modulatorschaltung unerwünschfprweise sowohl das Trägersignal als auch das gegenphasige Trägersignal benötigt.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, die sehr einfach aufgebaut ist, mit nur einem einzigen Trägerspannungssignal angesteuert werden muß und eine hohe Dämpfung unerwünschter Modulationsprodukte ergibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der dem einen Verstärkungsweg vorgeschaltete Eingangszweig einen durch das Trägerspannungssignal periodisch steuerbaren Schalter enthält, in dessen einer Lage der Verstärker das Eingangs-Spannungssignal invertierend und in dessen anderer Lage der Verstärker das Eingangsspannungssignal nicht invertierend verstärkt, daß der andere Verstärkungsweg mit einer Gegenkopplungseinrichtung versehen ist und daß das Netzwerk und die Gegenkopplungseinrichtung so bemessen sind, daß das Eingangsspannungssignal über das Netzwerk und den nicht invertierenden einen Verstärkungsweg eine doppelt so große Verstärkung erfährt wie über das Netzwerk und den invertierenden anderen Verstärkungsweg.

Bei der Erfindung können sich störende Uberlappungszeiten durch zwei gegenphasig arbeitende Schalttransistoren nicht ergeben, da nur ein einziger Schalttransistor vorhanden ist.

Außerdem wird bei der Erfindung weder ein gegenphasiges Trägersignal noch ein gegenphasiges Eingangssignal benötigt, wodurch nicht nur der Aufwand des eigentlichen Modulators sondern auch der Aufwand der äußeren ansteuernden Elemente reduziert wird.

Ferner zeichnet sich die Erfindung auch durch eine hohe Symmetrie und hohe Linearität aus.

Schließlich erlaubt die Erfindung in einfacher Weise eine Herstellung in integrierter Schaltungstechnik.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert. In dieser stellt dar

F i g. 1 das Schaltbild eines erfindungsgemäß aufgebauten Modulators und

F i g. 2 drei Spannungs-Zeit-Diagrammt zur Erklärung der Wirkungsweise der in F i g. 1 dargestellten Anordnung.

In F i g. 1 ist die Eingangsklemme E für das Modulationssignal, d. h. für die Modulationsspannung UE der Frequenz ω, einerseits über einen den ersten Eingangszweig bildenden, am Bezugspotential (Masse) liegenden Spannungsteiler aus zwei Widerständen Rx und Ry an den invertierenden Eingang ( —) des Differenz- bzw. Operationsverstärkers D angeschlossen. Andererseits ist die Eingangsklemme E in dem zweiten Eingangszweig über einen Widerstand R1 mit dem nicht invertierenden Eingang (f) des Differenzverstärkers verbunden, wobei dieser Eingang über die Emitter-Kollcktor-Strecke eines Schalttransistors T mit dem Bezugspotential in Verbindung steht. Die Basis ilieses Transistors wird über einen Vorwiderstand R 2 mit einer rechteckförmigen Träaerspannung der Impulsfolgefrequenz Ω angesteuert.

Über den Gegenkopplungswiderstand Rf ist zum Zwecke der Linearisierung, Gleichstromdriftkompensation und Verstärkungsgradeinstellung eine Spannungsgegenkopplung in bezug auf den invertierenden Eingang (—) des Differenzverstärkers D parallel und in bezug auf den nicht invertierenden Eingang ( + ) dieses Verstärkers in Serie eingeführt.

Die erforderliche Umpolung der verstärkte^ Modulationsspannung UA am Ausgang A des Differer.zverstärkers D im Rhythmus der Zustandsänderung der Trägerspannung wird dadurch erreicht, daß das Modulationssignal in dem Eingangszweig der mit dem nicht invertierenden Eingang ( + ) verbunden ist, eine betragsmäßig doppelt so große Spannungsverstärkung erfährt wie das Modulationssignal in dem anderen, mit dem invertierenden Eingang ( —) verbundenen Eingangszweig und daß der Transistor T so angeordnet ist, daß er das Modulationssignal im nicht invertierenden Eingangszweig jeweils während einer halben Periode bzw. des einen Zustandes der Trägerspannung unterbricht. Durch Veränderung des Widerstandes Ry läßt sich in einfacher Weise ein Symmetrieabgleich der Schaltung durchführen.

Wird das Modulationssignal in dem an den nicht invertierenden Eingang ( + ) angeschlossenen Eingangszweig mit einer Verstärkung +2V verstärkt und in dem anderen Eingangszweig ( —) mit einer Verstärkung — V, so ergibt sich bei der gleichzeitigen Ansteuerung beider Eingangszweige bei gesperrtem Transistor T die Summe beider Verstärkungen, also + 2 V — V = + V. Bei leitend gesteuertem Transistor T dagegen ergibt sich die Verstärkung — V, da das Modulationssignal in dem mit dem nicht invertierenden Eingang ( + ) verbundenen Eingangszweig kurzgeschlossen wird und nur im anderen Eingangszweig wirksam ist. Da somit die Verstärkungen in beiden Schaltzuständen des Transistors den gleichen Betrag haben und gegenphasig sind, wird die geforderte symmetrische Umpolung des Modulationssignals erreicht.

Für den Fall, daß der Transistor T gesperrt ist, ergibt sich bei genügend großer Gegenkopplung des Verstärkers V mit guter Näherung folgende Spannungsübertragungsfunktion

UA =

Rx + Ry

Rx Ry Rx+ Ry

Rx

wobei der erste Summand in der Klammer den Verstärkungsfaktor für die Spannung am nicht invertierenden Eingang ( + ) und der zweite Summand den Verstärkungsfaktor für die Spannung am invertierenden Eingang ( —) darstellen.

Ist der Transistor T leitend gesteuert, so wird der erste Summand in der Klammer der Gleichung (1) zu Null, und die Spannungsübertragungsfunktion lautet:

UA = -

Rx

UE.

(2)

Rf
Der Betrag -„-- stellt den Verstärkungsfaktor des

Operationsverstärkers dar. Wegen der Forderung, daß die Werte von UA nach den Gleichungen (1)

ind (2) gleich und gegenphasig sein sollen, ergibt ich

Rf

Rx ■ Ry Rx + Ry Rx ■ Ry Rx + Ry

__ η

Rx

(3)

Aus der Gleichung (3) ergeben sich Rx und Ry zu Rx = J^L (4)

ader >s

Ry = -

Rf Rx

Rf-Rx

(S)

In der Praxis wird die genaue Größe von Ry durch einen einmaligen Abgleich bestimmt, bei dem am Ausgang des Differenzverstärkers ein Minimum der Modulationsspannung eingestellt wird. Die Wirkungsweise der Schaltung nach F i g. 1 ist anschaulich aus den Diagrammen von F i g. 2 erkennbar. Die Kurve a) zeigt die sinusförmige Modulationsspannung, die Kurve b) die Trägerspannung und die Kurve c) die modulierte Trägerspannung am Ausgang des Verstärkers. Diese Ausgangsspannung entspricht der Ausgangsspannung eines Ringmodulators.

Bei einer praktisch ausgeführten Schaltung nach F i g. 1 wurden folgende Bauelemente verwendet:

Ein Operationsverstärker SN 72 709 N (Differenzverstärker) mit einer offenen Schleifenverstärkung von 42 000 und einer Glcichtaktunterdrückung von 90 dB, ein Transistor 2 N 918, die Widerstände Rl = ISkQ, Rl= 2kQ, Rf = 68kö, Rx= 12kn und eine Modulationsspannung am Eingang E von UE = 1 Volt eff.

Mit Rx= 12kQ ergab sich Ry= 15,4 kß durch Abgleich.

Der Verstärkungsfaktor des Modulators betrug 5,6.

Die erreichte Unterdrückung unerwünschter Modulationsprodukte einschließlich der Modulationsfrequenz υ) — 2 kHz und der Trägerfrequenz Q = 3 kHz war größer als 6 N.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Modulieren eines sich stetig ändernden Eingangsspannungssignals durch periodisches Steuern der Eingangsspannung eines Operationsverstärkers mit einem einzigen Ausgang und mit je einem invertierenden und einem nicht invertierenden Verstärliungsweg, deren beiden Eingängen das Eingangsspannungssignal über ein zwei parallel zueinander liegende Eingangszweige bildendes Netzwerk gleichzeitig zugeführt wird, mittels eines zwischen zwei Zuständen wechselnden Trägerspannungssignals in Fernmeldeanlagen, dadurchgekennzeichnet, daß der dem einen Verstärkungsweg ( + ) vorgeschaltete Eingangszweig (R 1, T, R 2) einen durch das Trägerspannungssignal (0) periodisch steuerbaren Schalter (T) enthält, in dessen einer Lage (T leitend) der Verstärker (D) das Eingangs- ao Spannungssignal (UE) invertierend und in dessen anderer Lage (T gesperrt) der Verstärker (D) das Eingangsspannungssignal (UE) nicht invertierend verstärkt, daß der andere Verstärkungsweg ( —) mit ei .er Gegenkopplungseinrichtung (Rf) versehen ist und daß das Netzwerk (Rx, Ry bzw. R 1, T, R 2) und die Gegenkopplungseinrichtung (Rj) so bemessen sind, daß das Eingangsspannungssignal (UE) über das Netzwerk (R 1) und den nicht invertierenden einen Verstärkungsweg ( + ) eine doppelt so große Verstärkung erfährt wie über das Netzwerk (Rx, Ry) und den invertierenden anderen Verstärkungsweg ( —).

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsspannungssignale (UE) unsymmetrisch zugeführt sind, daß der dem einen Verstärkungsweg vorgeschaltete Eingangszweig des Netzwerkes aus einem mit dem veränderlichen Potential (E) der Eingangsspannungssignale (UE) verbundenen ohmschen Widerstand (R 1) und mit einem mit dem Bezugspotential (Erde) der Eingangsspannungssignale (UE) verbundenen und von dem Trägerspannungssignal (0) gesteuerten Transistorschalter (T) besteht, die mit ihren anderen Enden mit dem Eingang des nicht invertierenden Verstärkungsweges ( + ) verbunden sind, und daß der dem anderen Verstärkungsweg ( —) vorgeschaltete Eingangszweig aus einem parallel dazu angeordneten ohmschen Spannungsteiler (Rx, Ry) besteht, dessen Spannungsteilerabgriff mit dem Eingang des invertierenden Verstärkungsweges ( —) verbunden ist.