DE2133622C3 - Demodulator für amplitudenmodulierte elektrische Schwingungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Demodulator für amplitudenmodulierte elektrische Schwingungen, die mindestens einem Transistor als gesteuerten Schalter zugeführt werden, der während jeder zweiten Halbwelle der Schwingung auf Durchlaß geschaltet wird und so das Demodulationsprodukt an eine Ausgangsklemme liefert.

Viele bekannte Demodulatorschaltungen benötigen einen Transformator zum Einkoppeln einer Bezugsträgerschwingung. Der Transformator ist jedoch verhältnismäßig teuer und außerdem nicht gut für integrierte Schaltungen geeignet. Aus der deutschen Patentschrift 1 272 392 ist daher eine Demodulatorschaltung bekannt, bei welcher die zu demodulierende Schwingung den Emittern zweier komplementärer Schalttransistoren zugeführt wird, die an ihren Basen mit Schaltsignalen derart angesteuert werden, daß sie während abwechselnder Halbwellen der Signalschwingung leiten und so eine Zweiwegdemodulation bewirken, wobei das Demodulationsprodukt gegenphasig an den Kollektoren der Schalttransistoren zur Verfügung steht. Das Schaltsignal wird mit Hilfe eines Übersteuerungsverstärkers aus dem zu demodulierenden Signal abgeleitet. Ein derartiger Demodulator arbeitet sehr linear, da die beiden Transistoren im Schalterbetrieb zwischen zwei definierten Betriebszuständen hin und her geschaltet werden. Infolge der Kollektorrestspannung in der Sättigung tritt jedoch eine gewisse Signalverfälschung des Demodulationsproduktes hinsichtlich des modulierten HF-Signales auf, die um so stärker ins Gewicht fällt, je kleiner die Signalamplitude ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun in der Erhöhung der Genauigkeit der Demodulation, insbesondere bei geringen Sigmilamplituden, so daß der Linearitätsbcreich der Demodulation noch weiter ausgedehnt wird.

Diese Aufgabe wird bei einem Demodulator der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch L'clöst. daß als Schalter ein Transistor mit zwei Emittern verwendet ist, deren einer mit dem Kollektor verbunden ist. Derartige Transistoren mit zwei Emittern zeichnen sich einerseits durch eine sehr hohe Impedanz im Sperrbereich und andererseits durch eine sehr niedrige Impedanz im Durchlaßbereich aus und haben insbesondere im Durchlaßbetrieb eine außerordentlich niedrige Kollektorrestspannung, svi daß deren Einfluß insbesondere bei kleinen Signalamplituden wesentlich weniger ins Gewicht fällt als

ίο bei normalen Transistoren. Auf diese Weise wird der lineare Demodulationsbereich und damit die Anwendbarkeit des erfindungsgemäßen Demodulators erheblich erweitert.

Ein besonderes Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Demodulators, bei welchem die erhöhte Demodulationsgenauigkeit besonders zur Geltung kommt, sind unter anderem Meßgeräte, wie Wechselspannungsmeßgeräte für niedrige Wechselspannungen, bei denen die Meßgenauigkeit für kleine Signale

xo wesentlich verbessert wird.

In besonderer Ausgestaltung der Erfindung kann der der Basis des Transistors zugeführte Schaltimpuk ein von einem Spitzendetektor aus einem unmodulierten, mit der modulierten Schwingung synchronen

Bezugsschwingung erzeugter Impuls sein, dessen Dauer kürzer als die Dauer einer Halbschwingung ist. Weiterhin kann für eine Doppelwegdemodulation ein zweiter Transistor vorgesehen sein, dem die modulierte Schwingung über eine Umkehrstufe zuge-

führt ist und dessen Basis ein Schaltimpuls entgegengesetzter Polarität zugeführt wird. Dadurch vermeidet man die Notwendigkeit der Ausbildung komplementärer Transistoren wie im Fall der deutschen Patentschrift 1 272 392, die insbesondere im Fall dei Herstellung des Demodulators in integrierter Schaltung den technologischen Aufwand im Vergleich zu der zusätzlichen Umkehrstufe erhöht.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigt

F i g. 1 das allgemeine Schaltschema einer Demodulatorschaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig.2 ein detailliertes Schaltbild der Demodulatorschaltung nach Fig. 1,

F i g. 3 eine Reihe von Signalverläufen zur Erläuterung der Arbeitsweise der Schaltung nach F i g. 2,

Fig.4 das Schaltschema einer Zveiweg-Spitzendemodulatorschaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und

F i g. 5 das Schaltschema einer Zweiweg-Mittelwertdemodulatorschaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Die in F i g. 1 gezeigte Spitzendemodulatorschaltung 2 enthält einen Spitzendetektor 4, einen Funktionsverstärker 6, einen Schalter 8 und eine Ladungsspeicheranordnung, beispielsweise in Form eines Kondensators 10. Dem Eingang 12 des Spitzendetektors 4 ist ein unmodulierter Sinusträger zugeführt. Der Spitzendetektor erzeugt an seinem Ausgang 14 pro Trägerscheitel gegebener Polarität je einen Impuls. Wenn der Spitzendetektor beispielsweise auf die negativen Scheitel des Sinusträgers anspricht, erscheint pro negativem Scheitel des Trägers je ein Impuls am Ausgang 14. Jedesmal, wenn ein solcher Impuls erzeugt wird, wird der Schalter 8 für die Dauer des Impulses geschlossen, wie durch die den Ausgang 14 mit dem Schalters verbindende gestrichelte Linie angedeutet.

Dem Eingang 16 des Funktionsverstärkers 6 ist ein zeugten negativen Impulse gelangen über die Emii-Signalgemisch in Form eines mit einem Informa- ter-Kollektorstrecke des Transistors 60 zum Ausgang tionssignal amplitudenmodulierten Sinustragers, der 14. Wie im Signalverlauf D in F i g. 3 gezeigt, bewirkt die gleiche Frequenz hat wie der dem Spitzendetek- jeder dem Eingang 12 zugeführte negative Scheite! tor zugeführte Sinusträger, zugeführt. Der Ausgang 5 des unmodulierten Sinustragers die Erzeugung eines 20 des Verstärkers 6 ist an dem einen Pol 18 des negativen Impulses am Ausgang 14 des Spitzendetek-Schalters angeschlossen. Jedesmal, wenn der Schal- iors.

ter8 geschlossen ist, gelangt das bei 20 anstehende Der Schalter8 nach Fig. 2 besteht aus einem

Signal über den Schalter zum Kondensator 10, der Transistor mit Doppelemitter, der mit seiner Basis 70 dadurch aufgeladen wird. Der Entladekreis des Kon- io an den Ausgang 14 angeschlossen ist. Der Kollektor densators enthält einen Widerstand 23, der so groß 72 dieses Transistors ist mit dem ersten Emitter 74 bemessen ist, daß die Entladezeitkonstante für den verbunden und an den Ausgang 20 des Funktions-Kondensator 10 sehr viel größer ist als dessen Lade- Verstärkers 6 angeschlossen. Der zweite Emitter 76 zeitkonstante. Es wird daher am Kondensator 10 des Transistors bildet den Pol 22 des Schalters 8. Der eine verhältnismäßig glatte Spannung erzeugt, deren 15 Widerstand 23 ist parallel zum Kondensator 10 zwi-Ampiitude sich entsprechend der Signalmodulation sehen dem Pol 22 und Masse geschaltet,
des Trägers ändert. Eine Eigenschaft des Doppelemitter-Transistors 8,

F i g. 2 zeigt ein detaillierteres Schaltbild der An- von der die Erfindung Gebrauch macht, ist sein hoordnung nach Fig. 1. Der Eingang 12 des Spitzende- her Widerstand (in der Größenordnung von tektors4 ist über einen Kondensator 26 und einen 20 250 Megohm) zwischen den Polen 20 und 22 im Strombegrenzungswiderstand 32 an die Basis 28 nichtleitenden Zustand. Wenn der Transistor leitet, eines Transistors 30 angekoppelt. Der Kondensator hat er einen Widerstand in der Größenordnung von 26 liegt ferner über einen Widerstand 34 an Masse. 50 Ohm und eine niedrige Spannungsverschiebung in Der Emitter 36 des Transistors 30 liegt über eine ' der Größenordnung von 50 Mikrovolt zwischen erDiode 38 an Masse. Der Kollektor 40 des Transi- 25 stern und zweiten Emitter 74 bzw. 76. Wenn wie im stors 30 ist über einen Widerstand 42 mit einer Be- vorliegenden Fall der erste Emitter 74 direkt mit zugsspannungsquelle - V1 sowie über einen Kop- dem Kollektor 72 verbunden ist, arbeitet der Transipelkondensator SO mit der Basis 46 eines Transistors stör 8 als Zweiweg- oder Zweirichtungsleiter. Wenn 48 verbunden. Die Basis 46 ist über einen Wider- am Ausgang 14 ein negativer Impuls eizeugt wird, stand 51 an eine Bezugsspannungsquelle -Vl ange- 30 wird der Transistor8 leitend. Wenn am Pol 20 ein schlossen, deren Spannung negativer ist als die der negatives Signal erscheint, fließt ein Strom von Bezugsspannungsquelle -Vl. Der Emitter 52 des Masse über den Kondensator 10 zum Pol 22, über Transistors 48 ist ebenfalls an -Vl angeschlossen. die Emitter-Emitterstrecke 76-74 zum Pol 20 und Der Kollektor 54 des Transistors 48 ist über einen über den Rückkopplungswiderstpnd 80 zum Eingang Widerstand 56 an - V 1 sowie über einen Wider- 35 des Funktionsverstärkers 6, so daß arn Kondensator stand 62 an den Emitter 58 eines Transistors 60 an- eine negative Schwingung erzeugt wird. Wenn umgegeschlossen. Die Basis 64 des Transistors 60 ist di- kehrt am Pol 20 ein positives Signal erscheint, fließt rekt an -Vl angeschlossen. Der Kollektor 66 des ein Strom vom Pol 20 über die relativ niederohmige Transistors 60 ist an den Ausgang 14 des Spitzende- Strecke vom Emitter 74 zum Emitter 76 und über fektors 4 sowie über einen Widerstand 68 an eine Be- 40 den Kondensator 10 nach Masse, so daß am Konzugsspannungsquelle +Vl angeschlossen. densator eine positive Schwingung erzeugt wird.

F i g. 3 zeigt in der Schaltung nach F i g. 2 auftre- In den oben erläuterten Fällen, wo der Kollektor

tende Signalverläufe. Der Signalverlauf A ist der dem 72 relativ positiv ist, fließt auch ein Strom vom KoI-Eingang 12 des Spitzendetektors 4 zugeführte unmo- lektor 72 durch die Basis 70 zum Ausgang 14 des dulierte Sinusträger. Wenn die negative Halbwelle 45 Spitzendetektors 4. Der Kollektor-Basisstrom ist grödes Signals A eine Schwellenspannung (V₇) erreicht, ßer als der Emitter-Emitterstrom. Er ist jedoch wcdie etwas negativer ist als der Basis-Emitter-Dioden- gen der hohen Rückkopplungsschleifen-Verstärkung Spannungsabfall des Transistors 30 plus dem Span- (größer als 50 db) des Funktionsverstärkers 6 nicht nungsabfall der Diode 38, beginnt der Transistor 30 so groß, daß die am Kondensator 10 erscheinende zu leiten. In F i g. 3 beginnt die Stromleitung zum 50 Schwingung verzerrt wird.

Zeitpunkt /, des Signals A, wodurch C26 aufgeladen Man kann für den Schalter 8 auch einen üblichen

wird. Wenn der Transistor 30 leitend wird, wird Bipolartransistor mit nur einem Emitter verwenden, seine Kollektorspannung weniger negativ, das heißt, Jedoch fließt in diesem Fall Strom in nur einer Richsie nähert sich Masse- oder Nullpotential, wie im Si- tung und ergibt sich eine höhere Verschiebungsspangnalverlauf C angedeutet. Die Stromleitung des Tran- 55 nung zwischen Kollektor und Emitter in der Größensistors 30 endet zum Zeitpunkt L, (Signalverlauf A), Ordnung von 30Millivolt. Eine solche Schaltung wenn die dem Eingang 12 zugeführt Spannung be- kann daher ein Signal nur einer Polarität mit größewirkt, daß die Spannung am Verbindungspunkt des rer Verschiebungsspannung demodulieren, während Kondensators 26 mit den Widerständen 32 und 34 bei Verwendung des Doppelemitter-Transistors eine positiver wird als die Schwellenspannung V₁. Es 60 Schwingung mit sowohl positiver als auch negativer wird daher im Zeitintervall t\-i., am Kollektor 40 ein Polarität mit niedriger Verschiebungsspannung depositiver Impuls 70 erzeugt; ebenso wird für jeden moduliert werden kann.

nachfolgenden negativen Scheitel des Signals A ein Es sei angenommen, daß dem Eingang 16 ein Si-

solcher positiver Impuls erzeugt (Signalverlauf C). gnalgemisch von der im Signalverlauf B (F ig. 3) an-

Die am Kollektor 40 erzeugten positiven Impulse 65 gedeuteten Form augeführt wird. Wie bereits ergelangen über den Kondensator 50 zur Basis des wähnt, kann das Signalgemisch ß ein mit einem InTransistors 48. Diese Impulse steuern den Transistor formationssignal amplitudenmodulierter Sinusträgei 48 in den leitenden Zustand, und die daraufhin er- der gleichen Frequenz wie das Signal Λ sein. Hs sei

angenommen, daß das von einem Modulator (nicht gezeigt) erzeugte Signal Ii in Phase mit dem Signal A ist. Im Zeilintervall i_ri., (Fig. 3) wird am Ausgang 20 des Verstärkers 6 ein negatives Signal 80 (Signalverlauf 0) erzeugt. Gleichzeisig mit dem negativen Signal 80 wird am Ausgang 14 des Spitzendetektors 4 ein negativer Impuls 72« (Signalvcrlauf D) erzeugt, der den Transistors leitend macht. Daraufhin fließt ein Strom von Masse über den Kondensator 10 und die nicdcrohmigc Strecke zwischen Emitter 76 und Emitter 74 zum Pol 20. Der Kondensator 10 lädt sich auf im wesentlichen den negativen Pegel der Schwingung am Pol 20 auf, wie bei 82 im Signalverlauf'F (Fig. 3) angedeutet. Während jedes nachfolgenden Zcilinlervalls, in dem der Transistors leitend ist, lädt sich der Kondensator 10 auf den negativen Pegel des bei 20 erzeugten Signals auf.

Die Emitter-EmiUerimpedanz im leitenden Zustand plus der Ausgangsimpedanz des Funklionsverslärkers beträgt ungefähr 50 Ohm. Die Kapazität des Kondensators 10 beträgt ungefähr 0,01 Mikrofarad. Dies ergibt eine Ladczeitkonslantc in der Größenordnung von 0,5 Mikrosckundc. Der Kondensator 10 lädt sich in ungefähr 6 Zeitkonstanten auf den Pegel des Signals bei 20 auf. Jeder der dem Stcucranschluß des Schalters 8 zugeführlen Impulse 72 (Signalver-Iauf/J) muß daher eine Dauer haben, die etwas länger als 3,0 Mikrosekunden ist. Der Widerstand 23 hat eine Impedanz von ungefähr I Megohm, was eine Entladezciikonslante von ungefähr 10 Millisekunden ergibt. Der Kondensator 10 entlädt sich daher zwischen den einzelnen Impulsen nur sehr wenig, wenn das Signal A eine Periode in der Größenordnung von 200 Mikrosekunden hat. Somit erscheint am Kondensator 10 eine verhältnismäßig glatte Schwingung/·", die der Modulatianshüllkurve entspricht.

Es sei jetzt angenommen, daß das vom Modulator (nicht gezeigt) erzeugte Signal Π gegenüber dem Signal A um 180' phasenverschoben ist. Während beispielsweise des Intervalls λ,-/₄ (Fig. 3) wird am Ausgang 20 des Verstärkers 6 ein positives Signal 84 (Si gnalvcrlauf D) erzeugt. Gleichzeitig mit dem positiven Signal 84 wird um Ausgang 14 des Spilzendelek-Iors4 ein negativer Impuls 72ft (Signalvcrlauf/)) erzeugt, der den Transistor 8 leitend macht. Daraufhin fließt ein Strom vom Ausgang 20 über die Emitter 74 und 76, wodurch der Kondensator 10 auf im wesentlichen den positiven Pegel des Signals bei 20 aufgeladen wird, wie bei 86 im Signalvcrlauf F (Fig. 3) angedeutet. Während jedes nachfolgenden Zeitinlervalls, in dem der Transistors leitend ist, lädt sich der Kondensator 10 auf den positiven Pegel des bei 20 erzeugten Signals auf. Wiederum erscheint am Kondensator 10 die Modulationshüllkurve oder der Modulationsverlauf.

F i g. 4 zeigt eine erfindungsgemäße Zwciwcg-Spilzcndemodulalorschaltung. Die Schaltung ist in vielei !!insicht der Spitzendcniodulalorschaltung nach Fig. I und 2 ähnlich. Außerdem enthält sie eine Umkehrstufe 88, die mit ihrem Eingang an den Ausgang 20 des Verstärkers 6 und mit ihrem Ausgang 90 an den Verbindungspunkt 92 des Kollektors und des

ίο ersten Emitters eines pnp-Doppclemitter-Transistors 94, der als zweiter Schalter vorgesehen ist, angeschlossen ist. Der zweite Emitter 96 des Transistors 94 ist an den Pol 22 angeschlossen. Die Basis 98 des Transistors 94 ist mit dem Ausgang eines Positiv-Spitzendetektors 21 angeschlossen, der eingangsseitig mit dem Eingang 12 vcrfundcn ist.

Bei jedem negativen Scheitel des dem Eingang 12 zugeführlen Sinuslrägers arbeitet die Schaltung nach Fig.4 in der gleichen Weise wie die Schaltungen mich Fig. I und 2. Wenn der Positiv-Spitzendetektor 100 einen positiven Scheitel erfaßt, gelang! zur Basis 98 des Transistors 94 ein negativer Impuls, der diesen Transistor einschaltet und den Schalters ausschaltet (sperrt). Gleichzeitig wird das am Ausgang 20 des Verstärkers 6 erscheinende positive Signal von der Umkehrstufe 88 in der Polarität umgekehrt und wird der Kondensator 10 auf den Pegel des bei 90 erscheinenden Signals aufgeladen. Der Zweiweg-Spitzendeniodulalor arbeitet daher mit einer doppelt so großen Inforinalionsmengc pro Zeit wie der Einweg-Spitzendcmodulalor nach F i g. I und 2, was eine etwas glattere Hüllkurvc am Ausgang/·* ergibt.

Fig. 5 zeig! einen Zweiweg-Mittelwertdemodulator, der ähnlich arbeitet wie der Demodulator nach F i g. 4. Der zweite Schalter ist jedoch in diesem Fall ein npn-Doppelemitler-Transistor 102, dessen Kollektor und erster Emitter gemeinsam an den Ausgang 90 der Umkehrstufe 88 angeschlossen ist. Der zweite Emitter des Transistors 102 ist an den Pol 22 auge schlossen. Die Basis 104 des Transistors 102 ist ebenso wie die Basis 70 des Schalters 8 an den Ausgang eines Rechteckgenerator* 106 angeschlossen.

Der Rechteckgenerator 106 erzeugt eine Rcehteckschwingung der Frequenz/. Der dem Eingang 16 des

Verstärkers 6 zugeführte amplitudcnmodulicrlc Träger hat die gleiche Frequenz/. Bei jeder negativen Halbwelle der Rechteckschwingung arbeitet die Schaltung nach Fig. 5 in der gleichen Weise wie die Schaltungen nach Fig. 1, 2 und 4. Bei jeder positiven Halbwclle der Rechtcckschwingung wird der npn-Transistor 102 eingeschaltet und der Schalters ausgeschaltet (gesperrt) und lädt sich der Kondensator 10 auf den Pegel des Signals bei 90 auf.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Demodulator für amplitudenmodulierte elektrische Schwingungen, die mindestens einem Transistor als gesteuerten Schalter zugeführt werden, der während jeder zweiten Halbwelle der Schwingung auf Durchlaß geschaltet wird und so das Demodulationsprodukt an eine Ausgangsklemme liefert, dadurch gekennzeichnet, daß als Schalter ein Transistor (8) mit zwei Emittern (74, 76) verwendet ist, deren einer mit dem Kollektor (72) verbunden ist.

2. Demodulator nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der der Basis des Transistors (8) zugeführte Schaltimpuls (72 b) ein von einem Spitzendetektor (4) aus einer unmodulierten, mit der modulierten Schwingung synchronen Bezugsschwingung erzeugter Impuls ist, dessen Dauer kürzer als die Dauer einer Halbschwingung ist.

3. Demodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Doppelwegdemodulation ein zweiter Transistor (102) vorgesehen ist, dem die modulierte Schwingung über eine Umkehrstufe (88) zugeführt ist und dessen Basis ein Schaltimpuls entgegengesetzter Polarität zugeführt ist.