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Schaltungsanordnung zur Pulsdauermodulation und Demodulation niederfrequenter
analoger Signale Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Pul.dauoruodulation
und Demodulation niederfrequenter analoger Signale zum Zwecke der Signalaufzeichnung
oder Signalübertragung auf einem Aufzeichnungskanal oder Übertragungskanal.
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Der schaltungstechnische Aufwand bekannter Geräte, die mit Frequenzmodulation,
Pulsdauermodulation oder Pulsphasenmodulation arbeiten, ist beträchtlich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für Meßdaten mit relativ
niedrigem Frequenzumfang, beispielsweise einem Frequenzumfang von 0 bis 100 Hertz
eine Modulationsschaltung mit relativ niedrigem Schaltungsaufwand zu entwickeln,
welche es gestattet, wahlweise ein oder mehrere Signale auf einem Meßkanal zu übertragen
oder insbesondere auf einer Spur eines Magnetbandgerätes aufzuzeichnen und von dort
wieder abzurufen. Das zur Anwendung kommende Modulationsverfahren soll dabei die
Verwendung von Tonbandgeräten der niedrigen Preisklasse gestatten, ohne daß eine
schwerwiegende Einbuße an der Genauigkeit der aufgezeichneten Signale zu erwarten
ist.
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Die gestellte Aufgabe ist mit einer Schaltungsanordnung gelöst, bei
der erfindungsgemäß eine Signalspannung einem Integrator zugeführt ist, der mit
einem Schmitt-Trigger zu einem geschlossenen Stromkreis geschaltet ist und de. die
in ihrer Pulsdauer modulierte Signalspannung einer den Schmitt-Trigger itt de. Integrator
verbindenden Leitung entnommen ist und daß ferner zum Zwecke der Demodulation der
Integrator in einen Tiefpaß umschaltbar ist, der mit dem Schmitt-Trigger in Reihe
geschaltet ist, wobei eins auf den Eingang des Schmitt-Triggers geschaltete und
in ihrer Pulsdauer modulierte Signalspannung als demodulierte Signalspannung am
Ausgang des Tiefpasses abgreifbar ist.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist au. Zwecke der Aufzeichnung
oder Übertragung mehrerer Signale auf einem Speicher oder Kanal vorgesehen, für
jedes Signal eine Sohaltung nach Anspruch 1 anzuordnen, bei der ii Falle der Modulation
der Integratorausgang jeder Schaltung mit des Schmitt-Trigger einer anderen Schaltung
au einer Kettenschaltung verbunden ist und bei der zur Demodulation alle Schmitt-Trigger
zu einer Ringschaltung verbunden sind.
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Bei n-facher Anordnung der Schaltung beträgt der Phasenwinkel zwischen
den in aufeinanderfolgenden Schaltungen erzeugten Rechteckspannungen 360° : n bei
ungeradzahliger, und 360° : 2n bei geradzahliger n-facher Anordnung. In einer speziellen
Anwendungsform der Erfindun ist die Schaltungsanordnung als Adapter für einen Aufnahme-Wiedergabekanal
eines Magnetbandgerätes ausgebildet.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt.
Es neigt: Figur 1 ein Blockschaltbild der Schaltungsanordnung bei der Modulation
eines Meßwert-Signals; Figur 2 eine der Figur 1 entsprechende Darstellung bei der
Demodulation des Signals; Figur 3 eine mehrfache Anordnung der Schaltungsanordnung
nach Figur 1 bei der Modulation von drei Signalen; Figur 4 eine der Figur 3 entsprechende
Schaltung bei der Demodulation der Signals; Figur 5 ein Ausführungsbeispiel entsprechend
den Blockschaltbildern der Figur 1 und der Figur 2; Figur 6 ein Ausführungsbeispiel
für eine Schaltung entsprechend den Blockschaltbildern der Figuren 3 und 4.
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Bei der in der Figur 1 dargestolltea Schaltung ist ein Schmitt-Trigger
1 derart mit einem Integrator 2 verbunden, daß das Ganze wie ein Funktionsgenerator
arbeitet. Der Schmitt-Trigger 1 gibt als bistabiles Element nur eine positive oder
eine negative Spannung ab, welche die Integratorspannung 3 linear ansteigen oder
abfallen läßt.
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Erreicht die Letztere eine der Eingangsschwellen, so wird der Schmitt-Trigger
1 über eine Rückkopplungsleitung 4 umgeschaltet. Ein dem Integrator 2 zugoführtes
Meßwertsignal
5 wird bei dieser Schaltungsanordnung der im Schmitt-Trigger
1 gebildeten Rechteckspannung 6 zuaddiert. Im Abhängigkeit vom momentanen Vorzeichen
des Meßwertsignales 5 und der Rechteckspannung des Schmitt-Triggers wird das Tastverhältnis
derart geändert, daß der zeitliche Mittelwert der Rechteckspannung gleich dem negativen
Wert der Meßwertspannung ist. Letzteres gilt auch dann noch, wenn die Schwellenpotentiale
oder die Ausgangsspannungen des Triggers nicht symmetrisch um Null liegen. Dabei
ergibt sich für die praktische Anwendung der Vorteil, daß die Bauelemente keine
relativ engen Toleranzen aufzuweisen brauchen, wodurch sich die Schaltung mit preisgünstigen
Bauelementen realisieren läßt.
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Bringt man nun eine mit einem Meßwertsignal 5 in ihrer Pulsdauer modulierte
Rechteckspannung 6 auf einer Magnetspur zur Aufzeichnung, so wird die Wiedergabe
im allgemeinen eine vornehmlich symmetrisch verzerrte Spannung 8 (Figur 2) erbringen.
Da nun aber für die Wiedergabe der nämliche Schmitt-Trigger-Kreis 1 verwendet wird,
erhält man am Ausgang 9 des Triggers 1 anstelle der verzerrten Spannung 8 eine weitgehend
regenerierte Rechteckspannung, deren Mittelwert dem aufmodulierten Meßwert entspricht.
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Der Letztere erscheint am Ausgang 10 des in seinem Verhalten zu einem
Tiefpaß umgeschalteten Integrators.
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Ein mehrfache Anordnung der Schaltung naoh den Figuren 1 und 2 führt
zu Schaltungen nach den Figuren 3 und 4. Im Falle der Modulation ist dabei in einer
ringförmig gschlossenen Kettenschaltung der Integratorausgang 16, 17 und 18 mit
dem Schmitt-Trigger 10 bzw. 11 oder 12 einer folgenden Schaltung verbunden. Dies
hat zur Folge, daß die einzelnen Generatoren nicht mehr unabhängig voneinander schwingen,
sondern drei Rechteckspannungen abgeben,
deren Phasen um 360° :
3 = 120° gegeneinander verschoben sind. Bei n-facher Anordnung der Schaltglieder
beträgt somit der Phasenwinkel 3600 g n für ungeradzahlige Anordnungen von Schaltstufen
und 360° : 2n für geradzahlige Anordnungen von Schaltstufen, weil hier das Vorzeichen
bei einer der Kopplungen in der Kette umgekehrt werden muß. Wie bei der einfachen
Anordnung der Schaltung ergibt die Summe der Integratoreingangsströme in Jedem Glied
den Mittelwert Null, d. h. daß das Tastverhältnis der Rechteckschwingungen R1, R2,
R3 nur von den zugeordneten Signalspannungen S1, S2, S3 abhängt. Durch die Rückkopplungen
20 bis 23 der Kreise ist erreicht, daß die Schmitt-Trigger 10, 11, und 12 aufeinanderfolgend
mit wechselndem Vorzeichen geschaltet werden.
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Zur Demodulation sind entsprechend der Figur 4 die Schmitt-Trigger
10, 11 und 12 in einer Ringschaltung vereinigt. Das beispielsweise von einer Spur
eines Tonbandgerätes abgegriffene Modulationssignal MS wird allen Schmitt-Triggern
10, 11 und 12 in gleicher Weise zugeführt. An den Ausgängen 23, 24 und 25 der Schmitt-Trigger
10, 11 und 12 sind wiederum entsprechend den Figuren 1 und 2 die au Tiefpässen 13-,
14- und 15- umgewandelten Integratoren 13 bis 16 angeschlossen, welche wiederum
die demodulierten Signalspannungen S1 bis S3 liefern. Bei der Demodulation ist die
Verstärkung des Signals MS so eingeregelt, daß die Spitzenamplituden nur etwa die
halbe Eingang-Schwellenhöhe der Trigger erreichen. Die letzteren reagieren nur dann,
wenn noch eine Vorspannung mit richtigem Vorzeichen hinzukommt.
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Diese Vorspannung ist Jeweils vom Ausgang des vorhergehenden Triggers
abgenommen. So springt beispielsweise der zweite Schmitt-Trigger bei einem negativen
Impuls nur dann von (+) nach (-), wenn gleichzeitig der erste
Schmitt-Trigger
auf (+) steht. Die einzelnen Soheitt-Trigger 10 bis 12 schalten somit in derselben
Reihenfolge wie bei dor Modulation, wobei das Summensignal NS wieder in seine ursprünglichen
Einzelkomponenten aufgegliedert wird.
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Zu der in den Figuren 1 und 2 im Blockschaltbild dargestallten Schaltung
zeigt die Figur 5 ein in der Praxis erprobtes Ausführungsbeispiel für einkanalige
Meßwertaufzeichnung und Wiedergabe mit Hilfe eines Tonbandgerätes. $Die Schaltung
ist mit Hilfe handelsüblicher integrierter Opertionsverstärker 20 und 21 aufgebaut,
wobei im Widerstandsneetzwerk die Werte der verwendeten Widerstände in Ohm bzw.
durch k gekennzeichnet in Kilo-Obr angegeben sind. Die Grundfrequenz der von der
Anordnung gelieferten Rechteckwelle ist durch geeignete Wahl der Kondensatoren Co
und C1 festgelegt. Zur Usschaltung der Einrichtung auf Modulation und Demodulation,
d. h. im vorliegenden Anwendungsfall auf Aufnahme und Wiedergabe dient ein Schalter
23 mit zweimal iwei Kontakten. In der Stellung "Aufnahme" (A) des Schalters 23 arbeitet
der Operationsverstärker 21 als Integrator und ist mit seinem Ausgang 24 auf den
Eingang 25 des anderen Operationsverstärkers 20, der als Schmitt-Trigger arbeitet,
rückgekoppelt. Ein aufzuzeichnendes Meßwertsignal, das einer Klemme S der Einrichtung
zugeführt ist. gelangt über einen Widerstand 20 an den Eingang 26 des bei der Aufnahme
als Integrator wirkenden Operationsverstärkers 21, wobei am selben Eingang auch
die mit Hilfe des Operationsverstärkers 20 und der Kondensatoren C1 und Co (Schmitt-Trigger)
erzeugte Impulsfolge anliegt. Ein entsprechend der Beschreibung zu den Figuren 1
und 2 gebildetes und in seiner Pulsdauer moduliertes Signal kann der Schaltung über
die Klemme Tonbandeingang entnommen werden, die beispielsweise mit dem Radio-/Phono-
Eingang
eines Tonbandgerätes verbunden lot.
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Zur Wiedergabe ist der Schalter 23 in die Stellung "Wiedergabe" (W)
umzuschalten. Der Operationsverstärker 21 wirkt nun als Tiefpaß. Ein von der Phonobuchse
des Tonbandgerätes oder auch vom Lautsprecheranschluß des Tonbandgerätes abgegriffenes
Signal gelangt über eins Wiedergabebuchse WB der Schaltungsanordnung über ein RC-Glied
an den Eingang 25 des Operationsverstärkers 20 und wird dann entsprechend der zur
Figur 2 gegebenen Beschreibung demoduliert, worauf es an der Buchse S abgegriffen
und einem Anzeigegerüt oder einer Registrier-bzw. Auswertungseinrichtung zugeführt
werden kann. Die Figur 6 zeigt eine erprobte Schaltungsanordnung für die Aufzeichnung
und Wiedergabe mehrerer Signale auf einer Tonspur. Die Schaltung entspricht den
in don Figuren 3 und 4 dargestellten Blockschaltbildern und hat de dort beschriebene
Wirkungsweise. Sie ist ferner aua Einzelschaltungen aufgebaut, die weitgehend mit
der Schaltung nach Figur 5 übereinstimmen. Zur Zusammenschaltung der Baugruppen
nach Figur 5 sind lediglich weitere Buchsen A1 bis A3, A1' bis A3', B1 bis B3 und
B1' bis B3' vorgesehen.
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Anstelle des Umschalters 23 der Figur 5 sind ferner Umschalter mit
fünfmal zwei Kontakten erforderlich. Zur Anschaltung der Einrichtung an ein Tonbandgerät
sind, wie im vorher beschriebenen Beispiel, die Klemmen Tonband-Eingang bzw. Tonband-Ausgang
erforderlichenfalls unter der Zwischenschaltung eines Adapters zu verbinden, wobei
aufzuzeichnende oder vom Tonband abzurufende Meßwertsignale an den Klemmen S1 bis
S3 liegen. Mit der beschriebenen Anordnung lassen sich beispielsweise drei unterschiedliche
Meßwerte, wie Atomfrequenz, Körpertemperatur und EKG auf einer einzigen Magnetspur
aufzeichnen und ohne nennenswerte Verzerrungen wiedergaben, wobei für den angegebenen
Verwendungszweck bereits Tonbandgeräte der unteren Preisklasse genügen. Die Bandgeschwindigkeit
braucht
nicht so streng konstant zu sein, wie das bei anderen Modulationsverfahren erforderlich
ist. Der Gesamtaufwand der Modulations- und Demodulationsschaltung ist relativ niedrig,
da die überwiegende Mehrzahl der verwendeten Baukomponenten sowohl bei der Aufnahme
al auch bei der Wiedergabe eine Funktion erfüllen und deshalb in der Sohaltung nur
einfach vorhanden sein müssen. Durch Austausch der Kondensatoren C1 und Co und Umschaltung
der Magnetbandgeschwindigkeit kann die Einrichtung auch zur Zeitdehnung oder Zeitraffung
benützt werden.
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- Patentansprüche -