DE2055938A1 - Nichtlineare elektrische Filteranordnung - Google Patents

Description

IBM Deutschland internationale Büro-Maschinen Gesellschaft mbH

Böblingen, 29. Oktober 19 70 gg-fr

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtl. Aktenzeichen: Neuanmeldung

Aktenzeichen der Anmelderin: Docket FR 969 031

Nichtlineare elektrische Filteranordnung

Die Erfindung betrifft eine nichtlineare elektrische Filteranordnung, die aus einem komplexen Wellenzug eine Komponente ausfiltert und deren Nulldurchgänge feststellt.

Bei einer Vielzahl industrieller Anwendungen, insbesondere auf dem Gebiet der Datenübertragung, der Spracherkennung und der Telephonie, ist es erforderlich, die Frequenzen eines komplexen elektrischen Signals zu ermitteln oder wenigstens das Auftreten von Signalen einer bestimmten Frequenz festzustellen. Beispielsweise muß bei der Sprachanalyse die Grundwelle ermittelt werden, die aufgrund der Erregung durch den zu analysierenden Laut von einem Übertrager geliefert wird. Zu diesem Zweck wird das Signal zunächst gefiltert, um lediglich die effektiven Komponenten zu erhalten. Anschließend wird das so erhaltene Signal begrenzt. Diese beiden erforderlichen Funktionen werden bei bekannten Anordnungen von zwei getrennten Schaltungen durchgeführt. Die bekannten Anordnungen sind schaltungs- und kostenmäßig aufwendig, da in jeder der beiden getrennten Schaltungen aktive Elemente, wie beispielsweise Operationsverstärker, eingesetzt werden müssen.

^s ist die der Erfindung zugrunde gelegte Aufgabe, eine Filteran-

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Ordnung anzugeben, die bei gegenüber bekannten Anordnungen wesentlich verringertem Aufwand gleichzeitig beide genannten Funktionen erfüllt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß mindestens in einem Rückkopplungszweig eines Operationsverstärkers eines aktiven Filters ein Element mit nichtlinearer übertragungscharakteristik eingefügt ist.

Ein besonders einfaches Ausführungsbeispiel besteht darin, daß das Element mit nicht lineare übertragungscharakteristik aus zwei antiparallel geschalteten Dioden besteht, deren einer gemeinsamer Anschluß mit dem Ausgang des Filters verbunden ist. Ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel besteht darin, daß die beiden Anschlüsse des nicht linearen Elements mit den beiden Eingängen eines Differentialverstärkers verbunden sind, von dessen Ausgang das auszufilternde Signal abnehmbar ist.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispiels. Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen

Anordnung und

Fig. 2 u. 3 Schaltungsbeispiele für eine derartige Anordnung .

Die erforderliche übertragungsfunktion erhält man dadurch, daß in die Rückkopplungsschleife eines Operationsverstärkers eines aktiven Filters ein Element mit nicht lineare übertragungscharakteristik eingefügt wird. Das Blockschaltbild der Fig. 1 zeigt einen Operationsverstärker, dessen nicht invertierender Eingang an Masse und dessen invertierender Eingang an den einen Anschluß einer Eingangs-Admittanz und den einen Anschluß einer die Rückkopplungsschleife bildenden Admittanz geführt ist.

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Der Eingang Vi, der nicht linearen Filteranordnung liegt an zwei in Serie geschalteten Admittanzen Yl und Y3_f deren gemeinsamer Anschluß über eine Admittanz Y2 an Masse gelegt ist. Der andere Anschluß der Admittanz Y3 wird mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden. Eine erste, den Ausgang V des Operationsverstärkers mit dessen invertierendem Eingang verbindende Rückkopplungsschleife besteht aus einer Impedanz Z in Reihe mit einer Admittanz Y5. Die Spannungs-Stromübertragungscharakteristik der Impedanz ist nicht linear und weist im Bereich einer festgelegten Nullinie eine Unstetigkeit auf. Eine zweite, den Ausgang V des Operationsverstärkers mit dem gemeinsamen Anschluß der Admittanzen Yl und Y3 enthaltende Rückkopplungsschleife besteht wiederum aus der bereits erwähnten Impedanz Z und einer dazu in Reihe geschalteten Admittanz Y4. Eine sechste Admittanz Y6 verbindet den gemeinsamen Anschluß Vs der Impedanz Z und der beiden Admittanzen Y4 und Y5 mit Masse. Um die nachfolgende theoretische Abhandlung leichter verständlich zu machen, wird ein insbesondere hinsichtlich seiner Leerlaufverstärkung und seiner Eingangs- und Ausgangs impendanzen perfekter Operationsverstärker angenommen.

Eine Analyse des beschriebenen Netzwerkes gestattet in konventioneller Weise die Bestimmung der übertragungsfunktionen. Insbesondere die Spannungs-Übertragungsfunktion ergibt sich aus folgender Formel:

Vs __ X1_Y3 N(s)

Vi Y5 (Yl + Y2 + Y3 + Y4) + Y3 Y4 D(s)

Hierbei entspricht "s" der bei der Laplaze-Transformation benützten komplexen veränderlichen.

Die Ausgangs-Admittanz K(s) ergibt sich aus der Gleichung:

K(s) = H = Y4 + Y5 + Y6 + ^l ₍₂₎

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woraus sich ergibt, daß die Spannungs-Strom-übertragungsfunktion der Gesamtanordnung ist:

Vi " Vi ^X Vs " ^{K{S) X} D(S)

Die angeführten Gleichungen zeigen einmal, daß durch Wahl der Admittanzen Yi (wobei i die Werte von 1 bis 6 einnimmt) ein erforderlicher Tiefpass, Bandpass oder Hochpass erhalten werden kann, und zum andern, daß diese Filterwirkung wiederum mit Gleichung 3 erreicht wird. Demzufolge erreicht man durch Verwendung einer Impedanz Z in der Rückkopplungsschleife mit einer unstetigen Spannungs-Stromcharakteristik, die möglichst eine Sprungcharakteristik darstellt, daß das Signal zwischen Vs und Vo ein Rechtecksignal ist, dessen Flanken exakt die Nulldurchgänge des ausgefilterten Signals wiedergeben. Außerdem gestattet die Ausgangs-Admittanz die Einstellung der Empfindlichkeit der Anordnung oder die Einstellung der Phase des Signals auf eine bestimmte Frequenz.

Ein einfaches Ausführungsbeispiel ist in Fig. 2 dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel besorgt die Filter- und Begrenzungswirkung. Durch Kurzschließen der aus zwei antiparalle! geschalteten Dioden Dl und D2 bestehenden Impedanz Z erhält man einen konventionellen Bandpass. Die nicht lineare Filterwirkung des Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 erhält man durch folgende Auslegung der Admittanzen Yi der Fig. 1:

Yl = 1/Rl
Y2 = CIs
Y3 = 1/R3
Y4 = 1/R2
Y5 = C2s
Y6 = O

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Ein zweites Ausführungsbeispiel betrifft einen sogenannten Tonsignal-Detektor, der ein bestimmtes Signal gegebener Frequenz aus einem ankommenden Analogsignal aussiebt und jeweils eine Ausgangsinformation liefert, wenn das Tonsignal erscheint.

Die Schaltung besteht hauptsächlich wiederum aus einem nicht linearen Filter, wie es bereits eingangs beschrieben ist. Es sind folgende Elemente gewählt:

Yl = 1/Rl

Y2 = 1/R3

Y3 = C2s

Y4 = CIs

Y5 = 1/R2

Y6 = l/R + CZs, wobei R veränderlich ist und die Einstellung der Phase gestattet.

Die Impedanz Z besteht aus den Dioden Dl und D2.

Die digitale Ausgangsinformation liefert ein Differentialverstärker, der über ein erforderlichenfalls eine Sperrung der Schaltung ermöglichendes Diodengatter auf eine Ausgangsstufe wirkt. Mit anderen Worten, die an der Impedanz Z auftretenden Signale werden den Eingängen eines DifferentialVerstärkers zugeführt, der die beiden Transistoren Tl und T2 enthält. Ein Transistor T3, dessen Basis an einer Spannung -VB und dessen Emitter Über einen Widerstand R8 an einer Spannung mit -V liegt, bildet einen Konstantstromgenerator und liefert den Strom für die gemeinsamen Emitter der Transistoren Tl und T2. Der Kollektor des Transistors T2 ist direkt und der Kollektor des Transistors Tl ist über einen Widerstand R4 mit dem positiven Anschluß der Betriebsspannung +V verbunden. Der Kollektor des Transistors Tl ist außerdem über einen Widerstand R5 mit den zusammengelegten Anoden der gegeneinander geschalteten Dioden D3 und D4 verbunden. Die Kathode der Diode D3 liegt am Eingang

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für das Sperrsignal, während die Kathode der Diode D4 über einen Widerstand R7 an Masse und außerdem direkt an die Basis eines die Ausgangsstufe bildenden Transistors T4 gelegt ist. Auch der Emitter des Transistors T4 liegt an Masse. Im Kollektorkreis des Transistors T4 liegt ein Lastwiderstand R6, an dem das aus dem analogen Signal abgeleitete Tonsignal abgenommen wird. Ein parallel zu Widerstand R5 gelegte Kapazität C4 dient der Verschiebung des den zusammengelegten Anoden der Dioden D3 und D4 zugeführten Schwellwertes.

Liegt das Sperrsignal im Betrieb auf einem unteren Pegel, so ist Diode D3 leitend, Diode D4 und Transistor T4 gesperrt und das Ausgangssignal am Ausgang VO liegt hoch. Nimmt dagegen das Sperrsignal einen oberen Pegel ein, so ist die Diode D3 gesperrt. In diesem Falle arbeitet der Differentialverstärker auf den Ausgang. Sobald die Spannungen der Basis des Transistors T2 die Spannungen der Basis des Transistors Tl übersteigt, was dem Auftreten einer negativen Halbwelle des Tonsignals entspricht, so übernimmt Transistor T2 den gesamten vom Transistor T3 gelieferten Strom. Die Spannung am Kollektor des Transistors Tl fällt ab und bewirkt dadurch, daß Transistor T4 leitend und am Ausgang Vo das Ausgangssignal erscheint.

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Claims (3)

1. ο .ν ^Ubb938

   - 7 PATENTANSPRÜCHE

   Nichtlineare elektrische Filteranordnung, die aus einem komplexen Wellenzug eine Komponente ausfiltert und deren Nulldurchgänge feststellt, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens in einem Rückkopplungszweig eines Operationsverstärkers eines aktiven Filters ein Element mit nichtlinearer übertragungscharakteristik eingefügt ist.
2. 2. Filteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element mit nichtlinearer übertragungscharakteristik aus zwei antiparallel geschalteten Dioden besteht, deren einer gemeinsamer Anschluß mit dem Ausgang des Filters verbunden ist.
3. 3. Filteranordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Anschlüsse des nichtlinearen Elements mit den beiden Eingängen eines Different!alverstärkers verbunden sind, von dessen Ausgang das auszufilternde Signal abnehmbar 1st.

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