DE2212754A1 - Einrichtung zur uebertragung diskreter augenblickswerte - Google Patents

Description

PHILIPS PATBNlCVERWAIüroir&'GMBH, Hamburg 1, Steindamm 94.

Einrichtung zur Übertragung diskreter Augenblickswerte

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Übertragung diskreter Augenblickswerte einer frequenzbandbegrenzten Nachrichtenfunktion, die einem Frequenzmodulator zugeführt wird, dessen Signal übertragen und am Empfangsort mittels eines Zählers demoduliert wird, dessen Zähltakt aus dem frequenzmodulierten Signal abgeleitet wird und der zu regelmäßigen Zeitpunkten einen Impuls erhält, der den Zähler auf eine Anfangsstellung zurücksetzt, wobei jeweils zwei benachbarte Impulse ein Meßzeitintervall begrenzen und die Zählersteilung am Ende eines Meßzeitintervalls den Augenblickswert angibt.

Die Übertragung von Machrichtenfunktionen mittels Frequenzmodulation und deren Demodulation mit digitalen Zählern ist bekannt. Dieses Verfahren nutzt bei der Signalübertragung die große Störfestigkeit der Frequenzmodulation aus und bei der Demodulation die hohe Meßgenauigkeit digital arbeitender Frequenz- oder Zeitmeßeinrichtungen. Die Tat-

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sache, daß das demodulierte Signal in digitaler Porm vorliegt, ist für eine digitale Weiterverarbeitung sehr günstig. Diese "bekannten Vorteile werden insbesondere bei den frequenzanalogen Meßsystemen ausgenutzt.

Bei diesen Systemen wird der meßtechnisch zu verfolgende physikalische Vorgang entweder durch einen frequenzanalogen Meßgrößenaufnehmer direkt in ein frequenzmoduliertes Signal verwandelt oder durch einen analog arbeitenden Meßgrößenaufnehmer in eine analoge Nachrichtenfunktion umgewandelt, die dann mit Hilfe spezieller Converter in ein frequenzmoduliertes elektrisches Signal umgesetzt wird. In dieser Porm wird die durch Messung gewonnene Nachricht übertragen und am Empfangsort digital demoduliert.

Charakteristisch für die digitale Demodulation mit Zählern ist, daß das demodulierte Signal in Porm von diskreten Werten anfällt, von denen jeder in einem endlichen Meßzeitintervall gewonnen wird. Diese diskreten Werte stellen jedoch keine Augenblickswerte des am Sendeort gemessenen Vorgangs dar, sondern die zu dem jeweiligen Meßzeitintervall gehörenden arithmetischen Mittelwerte. Diese Tatsache ist für manche Anwendungsfälle unerheblich oder gar nützlich, im allgemeinen stellt sie jedoch für die Auswertung der Messung eine schwerwiegende Einschränkung dar.

Eine Möglichkeit zur genaueren Wiedergabe der Nachrichtenfunktion besteht darin, des Meßzeitintervall zu verkürzen.

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Man kann dadurch die Mittelung zwar nicht vermeiden, der Unterschied zwischen dem Mittelwert und dem tatsächlichen Augenblickswert an einem festen Zeitpunkt innerhalb des Meßzeitintervalls wird jedoch kleiner. Nachteilig ist dabei aber, daß einerseits unnötig viele Meßwerte anfallen, diese jedoch andererseits mit vermindertem Störabstand und verminderter Demodulationsgenauigkeit gewonnen werden.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, das Ausgangssignal des Zählers am Ende eines Meßzeitintervalls möglichst genau dem diskreten Augenblickswert der Nachrichtenfunktion, der zu einem bestimmten Zeitpunkt innerhalb des Meßzeitintervalls aufgetreten ist, anzunähern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß vor dem Frequenzmodulator ein Übertragungsglied angeordnet ist, das bis zu der höchsten Spektralfrequenz der Nachrichtenfunktion eine nahezu frequenzunabhängige Phasenlaufzeit hat und einen Amplitudengang besitzt, der Im wesentlichen der Gleichung

₀ ^Ab (^f) ^{= A}o sin nf S₀

entspricht, wobei A die Grunddämpfung bei der Frequenz f = 0 ist, und daß auf der Empfangsseite der zeitliche Abstand der den Zähler zurücksetzenden Impulse kleiner ist als die Periodendauer des höchstfrequenten Spektralanteils der Nachrichtenfunktion.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichr nung erläutert. Es zeigen:

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Pig. 1 das Blockschaltbild eines frequenzanalogen Über-

tragungssystems,
Fig. 2 ein elektrisches Filter als Beispiel eines Übertra-

gungsgliedes,
Pig. 3 und 4 die Übertragungseigenschaften in graphischen Darstellungen bei Verwendung dieses Filters.

Das Übertragungssystem, das in Pig. 1 als Blockschaltbild dargestellt ist, enthält einen Meßwertaufnehmer A, der den zeitlichen Verlauf der Meßgröße M in eine elektrische Nachrichtenfunktion umsetzt. Diese durchläuft dann das Übertragungsglied B und wird in dem Modulator Md in ein frequenzmoduliertes Signal umgesetzt. Dieses Signal wird nun zum Empfangsort übertragen, z.B. über ein Kabel K, wo es in einem Zähler D demoduliert wird.

Die Demodulation geschieht mit Hilfe eines Zählers, der z.B. die positiven Nulldurchgänge des empfangenen Signals zählt. Der Zähler erhält in regelmäßigen Zeitabständen einen Impuls, der hier vereinfacht mit I bezeichnet wird und der den Zähler jeweils auf die Anfangsstellung Null zurücksetzt. Die Impulse haben den Zeitabstand T und begrenzen jeweils ein Meßzeitintervall. Die Zählerstellung am Ende eines Meßzeitintervalls, d.h. unmittelbar bevor ein neuer Rücksetzimpuls eintrifft, ist mit M¹ bezeichnet und ist ein Maß für die Nachrichtenfunktion. Wenn das Übertragungsglied B auf der Senderseite in der angegebenen Weise bemessen wird,

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- ο — ■

gibt der Wert M* im Empfänger den Augenblickswert der lia<bhrichtenfunktion zu einem bestimmten Zeitpunkt innerhalb des . zugehörigen Meßzeitintervalls an, wie noch erläutert wird.

Das Übertragungsglied B in Pig, 1 kann z.B. ein elektrischer Vierpol sein, der aus passiven Bauelementen aufgebaut ist. Da ein solcher Vierpol stets eine 'gewisse Grunddämpfung besitzt, kann es zweckmäßig sein, diese durch einen dem Vierpol vor- oder nachgeschalteten Verstärker zu kompensieren. Der Verstärker kann auch mit dem Vierpol zusammengefaßt sein, so daß dieser ein sogenanntes aktives Filter darstellt.

Ein Beispiel für ein Übertragungsglied in Form eines elektrischen Vierpols, der als Filter aus passiven Bauelementen aufgebaut ist, zeigt Fig. 2. Darin ist die eine Eingangsklemme des Vierpols mit einer Ausgangsklemme über einen Widerstand R^ verbunden. Parallel zu den Ausgangsklemmen liegt die Reihenschaltung eines weiteren ohmschen Widerstandes R und eines Parallelschwingkreises aus einer Induktivität 1 und einer Kapazität C. Die untere Ausgangsklemme ist außerdem mit der unteren Eingangsklemme direkt verbunden. Wenn die Vierte für die Induktivität L und die Kapazität C in folgender Weise gewählt werden:

_L ι R _E .CTZ

^F ° !1 - A*

φ 1 + A + A

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R
wobei A„ ss «—--«· ist, dann erfüllt dieser Vierpol die

O Aj + Ά

eingangs angegebene Phasenbedingung, nämlich eine frequenzunebhängige Phasenlaufzeit, bis auf einen Fehler 5. Ordnung und die Bedingung für den Amplitudengang bis auf einen Fehler 4. Ordnung.

In Fig. 3 ist für/verschiedene Werte der Grunddämpfung

A₀ der auf A_Q normierte Betrag A = A^ . A_1n des Amplitudenganges des gesamten Übertragungsweges von der Meßgröße M am Eingang bis zur Ausgabe des Augenblickswertes M¹ dargestellt, und zwar über der auf das Meßzeitintervall E normierte Frequenz fl . Dabei ist A der Amplitudengang ohne ein Übertragungsglied B, der in dieser Figur zusätzlich dargestellt ist. · (

In entsprechender Weise ist in Fig. 4 der Phasenfehler &φ des in Fig. 2 dargestellten Vierpols gezeigt. Aus beiden Figuren ist zu erkennen, daß der Fehler sowohl beim Amplitudengang wie 8uch bei der Phase bei um so höherer relativer Frequenz fT₀ beginnt, je größer die Dämpfung und damit je kleiner der Wert A₀ ist. Aus beiden Figuren ist aber zu erkennen, daß der Fehler bei gegen 1 gehender relativer Frequenz auch bei großen Dämpfungen sehr groß wird. Dies ist an sich klar, denn die Messung von Augenblickswerten frequenzmodulierter Signale mittels Zählern ist grundsätzlich nur dann exakt möglich, wenn der zu messende Vorgang

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bandbegrenzt ist und das Meßzeitintervall T kürzer ist als die Periodendauer des höchstfrequenten Spektralanteils. Aus den Figuren 3 und 4 ergibt sich, jedoch, daß das Meßzeitintervall nur wenig kleiner sein muß, als diese Periodendauer, nämlich nur etwa die Hälfte betrogen mußj, um den Augenblickswert mit nur geringen Fehlern wiederzugeben. Me durch die dabei notwendige Grunddämpfung A entstehende Signalabschwächung kann durch einen Verstärker, wie "bereits erwähnt, leicht wieder ausgeglichen werden.

Das Übertragungsglied B, das in Fig. 2 dargestellt ist, hat eine bestimmte Laufzeit, die sich aus den Werten der Induktivität L und der Kapazität C und daher von dem Meßzeitintervall I und von der Grunddämpfung A_Q abhängt. Me durch das Übertragungsglied und die Demodulation durch den Zähler insgesamt verursachte Laufzeit S ist

Der am Ende eines jeden Meßzeitintervalls der Dauer Q? gelieferte Augenblickswert M¹ des Zählers D bezieht sich demnach auf den um die Zeit T zurückliegenden Zeitpunkt_o Bei einer geringen Grunddämpfung, d.h. für einen Wert A₀<ss# 1 nähert sich dieser Zeitpunkt der Mitte des Meßzeitintervalls, ■ während er sich für sehr kleine Werte für A dem Anfang des Meßzeitintervalls bis auf einen festen Betrag nähert» Der von dem Zähler D gelieferte Augenblickswert bezieht sich

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jedoch immer auf einen innerhalb der ersten Hälfte des Meßzeitintervalls liegenden Augenblickswert der Nachrichtenfunktion.

Mit einem komplizierter aufgebauten Übertragungsglied, das mehr Freiheitsgrade enthält als das Filter nach Fig. 2, ist es möglich, die Phasen- und Amplitudengangsbedingungen bis auf Fehler entsprechend höherer Ordnung zu erfüllen. Bei gleichem vorgegebenem Fehler kann auch des Meßzeitintervall entsprechend verlängert werden.

Das Übertragungsglied muß keineswegs ein elektrischer Vierpol sein. Bei der Messung nichtelektrischer Größen kann das Übertragungsglied auch auf der nichtelektrischen Seite liegen, also vor dem Generator A der elektrischen BTachrichtenfunktion, oder mit diesem Generator zusammengefaßt werden. Bei Weg-, Kraft-, Druck- oder Beschleunigungsaufnehmern kann beispielsweise die mechanische Eigenresonanz, die dabei auftretende Schwinggüte·'und das Meßzeitintervall so gewählt werden, daß die beschriebenen Übertragungseigenschaften erreicht werden.

Patentansprüche: - 9 -

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Claims (6)

Patentansprüche: PVE 02/108 Po/S.

1.) Einrichtung zur Übertragung diskreter Augenblickswerte einer frequenzbandbegrenzten Nachrichtenfunktion, die einem Frequenzmodulator zugeführt wird, dessen Signal tibertragen und am Empfangsort mittels eines Zählers demoduliert wird, dessen Zähltakt aus dem frequenzmodulierten Signal abgeleitet wird und der zu regelmäßigen Zeitpunkten einen Impuls erhält, der den Zähler auf eine Anfangsstellung zurücksetzt, wobei jeweils zwei benachbarte Impulse ein Meßzeitintervall begrenzen und die Zählerstellung am Ende eines Meßzeitintervalls den Augenblickswert angibt.dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Frequenzmodulator (Md) ein ÜbertragungsJ.ied (B) angeordnet ist, das bis zu der höchsten Spektralfrequenz der Nachrichtenfunktion eine nahezu frequenzunabhängige Phasenlaufzeit hat und einen Amplitudengang (Α·_) besitzt, der im wesentlichen der Gleichung

TTf T_

~ ^Ao sin ₀

entspricht, wobei A_Q die Grunddämpfung bei der Frequenz f = 0 ist, und daß auf der Empfangsseite der zeitliche Abstand (T₀) der den Zähler (D) zurücksetzenden Impulse kleiner ist als die Periodendauer des höchstfrequenten Spektralanteils der Fachrichtenfunktion.

2.) Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungsglied (B) ein elektrischer Vierpol ist.

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3.) Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem elektrischen Tierpol ein Verstärker vor- oder nachgeschaltet ist.

4.) Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Vierpol ein aktives Filter ist.

5.) Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3> dadurch gekennzeichnet, daß bei dem elektrischen Vierpol eine Eingangsklemme mit einer Ausgangsklemme über einen ohmschen Widerstand (Rj) verbunden ist und die Ausgangsklemmen über die Reihenschaltung eines weiteren ohmschen Widerstandes (R) und eines Parallelschwingkreises (L, 0) verbunden ist, wobei die Induktivität (L) des Schwingkreises der Gleichung

¹ - τ ^E ό|

und die Kapazität (O) der Gleichung _n 1 ¹O ^{1 + A}o + ^Ao

gentigt und A_Q = -^—'

6.) Einrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungsglied (B) mit dem Generator (A) der Nachrichtenfunktion zusammengefaßt ist.

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