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Koinzidenz-Filter In Anlagenteilen der Fernmelde-, insbesondere Pernsprechtechnik,
werden vielfach Filteranordnungen, z.B. für die Überwachung und Verarbeitung von
Wahikriterien bzw. von für eine Gesprächsverbindung notwendigen Signalisierungszeichen,
benötigt. Für derartige Anwendungsfälle ist man nun insbesondere im Hinblick auf
die in zunehmendem Maße eingesetzten miniaturisierten, z.B. integrierten, Schaltkreise
bestrebt, die klassischen Filter, die also Spulen enthalten, zu vermeiden. Dies
führte zur Anwendung der ohne Spulen aufgebauten und damit einer Miniaturisierung
zugänglichen Koinzidenz-Filter.
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Mit einem solchen Koinzidenz-Filter ist eine Aussage über die Größe
der Frequenz eines Eingangssignals aufgrund folgender Wirkungsweise möglich: Zur
Frequenzdiskriminierung wird das Eingangssignal in einer Pulsformerstufe in eine
Pulsfolge mit Impulsen einer-vorgegebenen Breite umgewandelt, die an eine definierte
Phasenlage des Eingangssignals gebunden ist. Von dieser ersten,Pulsfolge, die also
synchron mit der Eingangsfrequenz abläuft, wird eine zweite abgeleitet, die gegenüber
der ersten um eine vorgegebene konstante Zeit verzögert ist. Da sich der zeitliche
Abstand der unverzögerten Impulse mit der Eingangsfrequenz ändert, fallen nur für
ganz bestimmte Prequenzen die verzögerten Impulse, die nach dem Verzögerungsglied
noch ein weitere Pulsformerstufe durchlaufen, und die unverzögerten Impulse zeitlich
zusammen. Führt man nun die beiden Pulsfolgen an die Eingänge einer Koinzidenzstufe,
so kann dies zur Frequenzdiskriminierung herangezogen werden. Am Ausgang dieser
Koinzidenzstufe treten nur dann Pulse auf, wenn sich die Prequenz des
Eingangssignals
innerhalb eines bestimmten Frequenz intervalls befindet. Die Zerlegung erfolgt also
nach den zeitlichen Durchgängen des Eingangssignals durch ein bestimmtes Spannung
niveau, das z.B. durch das Triggerniveau der ersten Pulsformerstufe vorgegeben ist.
Die übrige Kurvenform des Signals ist ohne Bedeutung für die auf diese Weise vorzunehmende
Frequenz-Diskriminierung.
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Um nun dieser Anordnung den Charakter eines Pilters zu geben, wird
noch das Eingangssignal im Falle der Koinzidenz über eine Dorsehaltung an den Ausgang
durchgeschaltet, wobei für die Dauer der Koinzidenz beispielsweise durch ein Verlängerungsglied
die Steuerspannung für dIeses Gatter abgeleitet wird.
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Mit diesem bekannten Prinzip eines Koinzidenz-Filters lassen sich
nun Bandpässe, Hochpässe sowie durch Kombination des Gatters mit einer "Nicht"-Schaltung
auch Bandsperren und Tiefpässe realisieren.
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Bei diesen bekannten Koinzidenzfiltern erfolgt die Ableitung der gegenüber
der ersten Pulsfolge um einen vorgegebenen Betrag verzögerten Pulsfolge durch eine
normal aufgebaute Xipstufe, z.B. eine monostabile Stufe.
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Bin derartiges Koinzidenzfilter hat nun neben der großen Anfälligkeit
gegenüber Störspannungen den Nachteil, daß es auch für ganzzahlige Vielfache der
zu erkennenden Frequenz durchlassig ist. Eine bekannte Möglichkeit, die höheren
darmonischen von der Koinzidenz auszuschließen, besteht darin, ein klassisches Filter
vorzuschalten. Diese Vorselektion erfordert einen zusätzlichen Aufwand und gleichzeitig
kann dadurch die Einschwingzeit nachteilig vergrößert werden. Durch die Verzögerung
der vom Eingangs signal abgeleiteten, dazu synchronen Pulsfolge vermittels einer
monostabilen Kippstufe können sich Abweichungen in der Verzögerungszeit ergeben,
so daß dadurch Unsicherheitsbereiche entstehen, in denen die Filterfunktion nicht
einwandfrei erfüllt wird.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, die Zuverlässigkeit und Genauigkeit
eines derartigen Koinzidenzfilters zu verbessern.
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Dies'wird bei einer in der eingangs geschilderten Weise aufgebauten
Filteranordnung dadurch erreicht, daß die Verzögerung der abgeleiteten Pulsfolge
vermittels eines durch die Impulse dieser Pulsfolge synchronisierbaren Relaxations-Oszillators
erfolgt.
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Das Verzögerungsglied ist also erfindungsgemäß als astabile Stufe
mit einem Schaltglied aufgebaut, dessen Kennliniencharakteristik es gestattet, Relaxionsschwingungen,
d.h. impulsförmige bzw. sägezahnförmige Ausgangsspannungen zu erzeugen. Ein derartiger
Relaxations-Oszillator enthält eine zwischen den Polen einer Speisespannungsquelle
liegende Widerstand-Kondensator-Serienschaltung, die mit einem Schaltglied verknüpft
ist, dessen Kennlinie zwischen zwei Kennlinienpunkten einen fallenden Verlauf aufweist,
d.h. bei dem eine negative Widerstandscharakteristik vorliegt. Dies ist beispielsweise
bei einem Uni junctiontransistor gegeben. Es kann auch in besonders vorteilhafter
Weise eine Zusammenschaltung eines nqrmalen pnp-und eines npn-Transistors verwendet
werden, in der jeweils der Kollektor des einen mit der Basis des anderen Transistors
direkt verbunden ist und in der die Basis des pnp-Transistors und der Kollektor
des npn-Transistors mit dem Verbindungspunkt der beiden Widerstände einer Widerstandsreihenschaltung
verbunden sind, deren äussere Klemmendann den beiden Basisklemmen des Unijunctiontransistors
entsprechen. Eine derartige Schaltung mit zwei Transistoren ergibt eine dem Unijunctiontransistor
äquivalente Kennlinie. Im Vergleich zu einem mit einem Unijunctiontransistor aufgebauten
Relaxations-Oszillator kann jedoch olme besonderen Aufwand in der Auswahl der zu
verwendenden Bauelemente eine höhere Frequenzgenauigkeit und Konstanz erzielt werden.
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Verwendet man nun erfindungsgemäß einen derartigen leicht synchronisierbaren
Relaxations-Oszillator bei einem Koinzidenz-
filter zur Verzögerung
der vom Eingangs signal abgeleiteten Pulsfolge, die ja für die Wirkungsweise erforderlich
ist, so werde-n gegenüber der Anwendung einer normalen Kippstufe die Schwankungen
in der Verzögerungszeit und die damit verbundenen nachteiligen Auswirkungen wesentlich
vermindert. Auch können sich Störimpulseallenfalls nur noch geringfügig auswirken.
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Die Verwendung eines Relaxations-Oszillators bei einem Koinzidenzfilter
bringt den wesentlichen Vorteil mit sich, daß die höheren Harmonischen der zu erkennenden
Frequenz von der Koinzidenz unmittelbar ausgeschlossen werden. Es ist also nicht
mehr erforderlich, zu diesem Zweck zusätzliche Baueinheiten, z.B. in Form eines
vorgeschalteten klassischen Spulenfilters zu verwenden. Der erfindungsgemäß angewendete
Relaxations-Oszillator läßt sich in äusserst einfacher Weise derart abgleichen,
daß ausschließlich bei derjenigen Pulsfolge,die der zu erkennenden Frequenz entspricht,
ein Ausgangsimpuls des Oszillators entsteht. Die zur Auslösung des Ausgangsimpulses
erforderliche Spannungsschwellev bei der das in ihm enthaltene aktive Schaltglied,
z.B. in Form der beiden Transistoren, in den leitenden Zustand gesteuert wird, kann
nur bei einem im vorgegebenen Frequenzintervall liegenden Eingangssignal erreicht
werden.
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Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung im folgenden noch näher
erläutert.
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In der Fig. 1 ist das Blockschaltbild eines Koinzidenz-Pilters gezeigt
und in der Fig. 2 sind die an den einzelnen mit den gleichen Bezugszeichen versehenen
Punkten des Blockschaltbildes auftretenden Spannungen als Funktion der Zeit t dargestellt.
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Anhand der Diagramme nach der Fig.2 in Verbindung mit dem Blockschaltbild
nach der Fig.1 ist die Wirkungsweise des Koinzidenz-Pilters folgende: Es sei entsprechend
der Zeile a der Fig.2 am Punkt a ein sinusförmiges Eingangssignal vorgegeben. In
der Impulsformerstufe PP1 erfolgt die Umwandlung dieses Eingangssignals in eine
synchron mit der Eingangsfrequenz ablaufende Pulsfolge. Diese ist also an eine definierte
Phasenlage des Eingangssignals gebunden und kann entsprechend der Zeile b in einer
Rechteckpulsfolge einer vorgegebenen Breite je Impuls bestehen. Diese Pulsfolge
gelangt einmal unmittelbar, zum anderen um eine konstante Zeit To verzögert über
eine weitere Pulsformerstufe PF2 zu der Koinzidenzstufe K.
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Erfindungsgemäß wird nun. zur Verzögerung ein Relaxations-Oszillator
verwendet. Die Grundechaltung eines derartigen Relaxations-Oszillator ist in dem
Block Os der Fig.1 dargestellt. Das erforderliche Schaltglied, das eine negative
Widerstandßcharakteristik aufweist, besteht in der Zusammenschaltung eines pnp-Transistors
T1 mit einem npn-Transistor T2. Die Basis des Transistors T2 ist unmittelbar mit
dem Kollektor des Transistors T1 und dessen Basis mit dem Kollektor des Transistors
T2 verbunden. Der Emitter des Transistors T2 ist unmittelbar an die eine Klemme
(Erde) der Versorgungsspannungsquelle angeschlossen, während der Emitter des Transistors
Ti über eine Diode mit dem Verbindungspunkt des Widerstandes R und des Kondensators
C der zwischen den beiden Klemmen (+U Erde) der VersorgungsspannungsqueIle liegenden
RC Berienschaltung verbursden ist. Zwischen den beiden Klemmen der Versorgungsspannungsquelle
liegt weiterhin die Serienschaltung zweier Widerstände R1 und R2, an deren Verbindungspunkt
der Kollektor des Transistors T2 und die Basis des Transistors T1 angeschaltet sind.
Die Zusammenschaltung des pnp- und npn-Trglsistors ergibt eine Kennlinie, die zwischen
zwei ausgezeichneten Punkten, nämlich einem Höcker und einem Talpunkt einen Bereich
negativen
Widerstandes aufweist. Aufgrund dieser Charakteristik
ist nun die Arbeitsweise des Oszillators folgende: Über den Widerstand R wird der
Kondensator C aufgeladen, wobei die beiden Transistoren T1 und T2 zunächst gesperrt
sind, da das Potential am Verbindungspunkt des Widerstandes R und des Kondensators
C wesentlich niedriger ist als das Potential am Verbindungspunkt der beiden Widerstände
R1 und R2. Da der Aufladungsvorgang des Kondensators C durch einen bei gesperrten
Transistoren T1 und T2 noch fließenden Transistorreststrom zusätzlich beeinflußt
wird, ist es zweckmäßig, den Emitter des Transistors T1 über die Diode D mit dem
Verbindungspunkt von Widerstand R und Kondensator C zu verbinden, da dadurch der
Sperretrom begrenzt und somit dessen Einfluß auf die Oszillatorfrequenz herabgesetzt
wird. Überschreitet die Spairnungam Kondensator C die dem Höckerpunktentsprechende
Schwellenspannung der Transistorschaltung, so wird der pnp-Transistor T1 leitend
und liefert seinerseits einen Basisstrom für den npn-Transistor T2, so daß dieser
ebenfalls leitend wird uiiddas Potential am Verbindungspunkt de ?weiden Widerstände
R1 und R2 absenkt. In einem spruxlghaft vor sich gehenden Mitkoppbingsvorgang gelangen
beide Transistoren in den Sättigungszustand.
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Der Kondensator C entlädt sich nun über die beiden Transistoren, wodurch
nach Unterschreiten der entsprechenden Schwellenspannung der Transistorschaltung
die Transistoren wieder in den Sperrzustand gelangen. Mit dem Sperren der Transistoren
würde der beschriebene Vorgang von neuem beginnen.
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Bei der Anwendung eines derartigen Relaxations-Oszillator bei einem
Koinzidenz-Filter synchronisieren nun die am Punkt b 1 C entsprechend der Zeile
b der Fig.2auftretenden und vom Singangssignal abgeleiteten Impulse der Pulsfolge,
deren Abstand Te sich mit der Eingangsfrequenz ändert, den Oszillator.
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Mit dem Auftreten eines Impulses der Impulsfolge beginnt also der
Aufladungsvorgang des Kondensators C. Die am Kondensator C der Oszillatorschaltung
auftretende Spannung ist in der Zeile c der Fig.2 als Funktion der Zeit dargestellt.
Die Schwellenspannung,
bei der die beiden Transistoren des Oszillators
in den leitenden Zustand gesteuert werden, ist mit Uh bezeichnet. Wird diese erreicht,
so setzt die Entladung des Eondensators infolge leitendwerdens der betreffenden
Transistoren ein. Entsprechend der Zeile d der Fig.2 gibt also der Oszillator um
die konstante Zeit To versetzt jeweils einen Ausgangsimpuls ab. Dieser wird mit
Hilfe der Pulsformerstufe PF2 entsprechend der Zeile e auf eine vorgegebene Dauer
verlängert, die der Dauer der unverzögerten Impulse gemäß Zeile b entsprechen kann.
Mit-Hilfe des Relaxations-Oszillators entsteht also eine gegenüber der ursprünglichen
an Punkt b auftretenden Pulsfolge um eine konstante Zeit To verzögerte zweite Impulsfolge,
die jeweils der Koinzidenzstufe K zugeführt werden. Am Ausgang dieser Koinzidenzstufe
treten nur dann Impulse auf, wenn sich die Frequenz des Eingangssignals innerhalb
eines bestimmten Frequenzintervalls, das durch die Verzögerungszeit To und die Breite
b2 der verzögerten Pulsfolge bestimmt wird, befindet. Auf diese Weise ist also eine
Aussage über die Größe der Eingangsfrequenz möglich. Das am Ausgang der Koinzidenzstufe
entsprechend der Zeile f auftretende Signal stellt nun gegebenenfalls nach Verlängerung
der Impulse durch das Verlängerungsglied V für die Dauer der Koinzidenz die Steuerspannung
für das nachfolgende Gatter G her. Durch dieses Gatter kann nun die Eingangsspannung
zum Ausgang durchgeæchaltet werden oder es kann die erkannte Frequenz gesperrt werden.
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Durch die Ärnvendimg des Relaxations-Oszillators zur Ableitung der
verzögerten Pulsfolge ist im Gegensatz zum bekannten Aufbau das Koinzidenz-Filter
nicht mehr für die ganzzahligen Vielfachen der Grundfrequenz durchlässig. Im Falle
des Auftretens einer höheren Harmonischen reicht nämlich die am Kondensator C des
Relaxations-Oszillators auftretende Spannung nicht aus, um die Transistoren des
Oszillators in den leitenden Zustand Zll steuern. Es kann deshalb in einem solchen
Fall auch kein Ausgangsimpuls des Oszillators entstehen. Der Kondensator
wird
nämlich so frühzeitig entladen, daß die für die Durch schaltung der Transistoren
erforderliche Schwellspannung Uh nicht erreicht werden kann, so daß ganzzahlige
Vielfache der Grund frequenz die Koinzidenzbedingungnicht erfüllen können.
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Dies ist für eine Harmonische durch strichpunktiert gezeichnete Kurven
in den Zeilen a bis c der Fig.2 angedeutet. Durch die Verwendung des Relaxations-Oszillators
werden auch die durch Schwankungen der Verzögerungszeit bedingten Unsicherheitsbereiche,
in denen die Anordnung nicht eindeutig arbeitet, stark eingeschränkt, da der Relaxations-Oszillator
über einen weiten Temperaturbereich sehr frequenzkonstant aufgebaut werden kann.
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2 Figuren 1 Patentanspruch