DE2326758B2

DE2326758B2 - Vorrichtung zur digitalen Subtraktion von Frequenzen

Info

Publication number: DE2326758B2
Application number: DE2326758A
Authority: DE
Inventors: Bernardus Henricus Jozef Eindhoven Cornelissen (Niederlande)
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1972-06-03
Filing date: 1973-05-25
Publication date: 1979-09-20
Also published as: FR2188359B1; FR2188359A1; DE2326758C3; NL7207569A; US3866129A; DE2326758A1; GB1368585A

Description

Schaltung zur digitalen Substraktion von an zwei Eingängen (A, B) empfangenen Signalfrequenzen, mit einer Ausgangsschaltung, die auf ein Befehlssignal der höheren Frequenz eine Signalwelle erzeugt, wobei die Erzeugung von einem Befehlssignal der niedrigeren Frequenz während einer bestimmten Zeit gesperrt wird.

Es sind verschiedene solcher Schaltungen bekannt. Es ist möglich, daß die Frequenzen in Form zweier Impulsfolgen eintreffen. Wenn ein Impuls der niedrige sind, ren Frequenz eintrifft, wird dies detektiert, wonach der nächste Impuls der Folge mit der höheren Wiederholungsfrequenz gesperrt wird. Die nichtgesperrten Impulse werden von der Ausgangsschaltung '■ durchgelassen. Die Ausgangsschaltung kann auch selbst einen Impulsformer enthalten, wie dies z.B. in der diutschen Offenlegungsschrift 19 59 224 der Fall ist Die Vorderflanken der Impulsfolgen bewirken dabei, daß ein Zähler vorwärts bzw. rückwärts zählt. Wenn der

ίο Zähler einen bestimmten Stand erreicht hat, wird ein Ausgangsimpuls erzeugt Eine derartige Schaltung arbeitet zufriedenstellend, insbesondere wenn die beiden Eingangsfrequenzen sich verhältnismäßig wenig voneinander unterscheiden, so daß stets einer oder

ι ^r-> mehrere Impulse gesperrt werden, bevor wiederum ein Ausgangsimpuls erzeugt wird. Wenn der relative Unterschied zwischen den beiden Eingangsfrequenzen groß ist, treten mehrere Ausgangsimpulse mit der Wiederholungszeit der höheren Frequenz auf, wonach

_'o ein Impuls unterdrückt wird. Dies läßt sich als ein Phasensprung von 360° betrachten, und solche großen Phasensprünge sind ungünstig, vor allem wenn das Ausgangssignal benutzt wird, um eine nahezu harmonische Wellenform zu erhalten.

-'"> Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltung der eingangs genannten Art anzugeben, bei der das Ausgangssignal geringere Phasensprünge aufweist. Diese Aufgabe löst die Erfindung dadurch, daß zur Durchführung des pro Periode des Signals der

in niedrigeren Frequenz stattfindenden Phasensprungs mindestens zwei durch mindestens eine Periode des Ausgangssignals voneinander getrennten Sprüngen eine Verschiebungsanordnung vorgesehen ist, die auf ein erstes Befehlssignal der niedrigeren Frequenz

r> während einer bestimmten Zeit die Ausgangsschaltung mit einer Zeitverschiebung, welche kleiner ist als die Periode des Signals mit der höheren Frequenz, wirksam macht, und daß ein zweites Befehlssignal der niedrigeren Frequenz die Verschiebungsanordnung unwirksam

·"' macht und eine Signalwelle maskiert. Auf diese Weise wird der Phasensprung in zwei Teile geteilt, deren Summe 360° beträgt. Die Erfindung kann auch mit Zeilumkehrung betrachtet werden; in dem Falle wird somit eine Signalwelle maskiert, wonach mehrere

·'"> Signalwellen verfrüht werden. Theoretisch und praktisch läuft dies auf das gleiche hinaus.

Gemäß einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung betragen die beiden erwähnten Sprünge je etwa 180°. Auf diese Weise ist der Höchstwert der Phasensprünge

^r»> halbiert. Auf die gleiche Weise können die Phasensprünge weiter dadurch verkleinert werden, daß zunächst die Frequenzen verdoppelt werden, dann eine Schaltung gemäß der Erfindung verwendet wird, und schließlich die Frequenz des Ausgangssignals durch zwei dividiert

^v'' wird: sodann ergeben sich im allgemeinen stets Vierergruppen von 90° - Phasensprüngen.

Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung enthält die Verschiebungsanordnung ein bistabiles Element, das durch das erste Befehlssignal der

^wl niedrigeren Frequenz und den invertierten Wert des Signals der höheren Frequenz gesetzt wird und im gesetzten Zustand je Periode des Signals der höheren Frequenz die Ausgangsvorrichtung wirksam macht, wodurch eine in bezug auf das Signal mit der höheren

^hl Frequenz verzögerte Periode des Ausgangssignals erzeugt wird. Insbesondere wenn die beiden Eingangssignale symmetrisch wird, läßt sich so auf einfache Weise die Zeitverzögerung erreichen. Der erwähnte

invertierte Wert kann auch als um 180° verzögert (oder verfrüht) betrachtet werden.

Gemäß einer anderen Ausbildung der Erfindung enthält die Verschiebungsanordnung einen Zähler, der unter der Steuerung von Impulsflanken des Signals mit der höheren Frequenz vorwärts zähl:, unter der Steuerung von Impulsflanken des Signals mit der niedrigeren Frequenz rückwärts zählt und beim Erreichen eines bestimmten Zählerstandes, z. B. des Standes 2, die Ausgangsvorrichtung zur Erzeugung eines Ausgangsimpulses ansteuert, wobei der Zählerstand rückgesetzt wird. Im Gegensatz dazu sind gemäß der angeführten deutschen Offenlegungsschrift 19 59 224 nur die Vorderflanken der Eingangssignale wirksam; wie nachstehend erläutert, hat dies Nachteile, die gemäß der Erfindung beseitigt werden.

Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird die erfindungsgemäße Schaltung in einem elektronischen Musikinstrument, z. B. einer elektronischen Orgel, verwendet, das bzw. die mit einer mindestens zwei Schwingungsfrequenzen erzeugenden Oszillatoranordnung versehen ist. Im allgemeinen werden Tonfrequenzen gebildet, die durch eine Reihe aufeinanderfolgender Zweiteiler jeweils um eine Oktave in Tonhöhe herabgesetzt werden. Die Ausgangssignale müssen ausreichend harmonisch sein; wenn sie aus Impulsfolgen bestehen, müssen die Pausen zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen ausreichend gleich sein. Es ist bekannt, daß durch aufeinanderfolgende Teilerstufen diese Gleichheit relativ verbessert wird. Sämtliche Töne können von einem Oszillator hergeleitet werden. Angenommen, dieser habe eine Frequenz f, so ergibt sich eine Frequenz (³A f) dadurch, daß von der ursprünglichen Frequenz eine Frequenz ¹A /'subtrahiert wird. Danach wird die Form der Signale durch Teilerstufen verbessert. Die Erfindung ermöglicht es, die Zahl der Teilerstufen zu verringern, weil die Form der ursprünglichen Tonfrequenz den gestellten Anforderungen bereits besser genügt (kleinerer maximaler Phasensprung). Dadurch wird Material eingespart. Außerdem kann die Oszillatorvorrichtung bei einer niedrigeren Frequenz arbeiten; es ist häufig leichter, bei einer niedrigeren Frequenz eine hinreichende Leistung zu erzeugen. Andererseits ist es auch möglich, mit der gleichen Oszillatorvorrichtung und der gleichen Teilerstufenzahl die Signalqualität zu verbessern.

Die Differenzfrequenz läßt sich auch benutzen, um eine genaue Beziehung zu einer anderen Schwingung zu gewährleisten. Dies kann z. B. dadurch erfolgen, daß ein Hilfsoszillator mit einem Hilfsteiler und ein phasenei.ipfindlicher Detektor vorgesehen sind, und daß eine Ausgangsfrequenz der Schaltung zur digitalen Subtraktion im phasenempfindlichen Detektor mit der Ausgangsfrequenz des Hilfsteilers verglichen wird, wobei die letztere Frequenz durch Teilung aus der Hilfsoszillatorfrequenz erhalten ist und der Hilfsoszillator mittels des Ausgangssignals des phasenempfindlichen Detektors regelbar ist, so daß es eine genaue Phasenbeziehung zwischen diesem Oszillator und dem Signal an einem Eingang der Vorrichtung zur digitalen Subtraktion von Frequenzen und damit auch ein genauer Zusammenhang zwischen den unterschiedlichen Frequenzen gibt. Auch in diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn im Eingangssignal des phasenempfindlichen Detektors keine sehr großen Phasensprünge auftreten.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i K- 1 eine bekannte Schallung,

Fig.2 ein Diagramm der bei dieser Schaltung auftretenden Signalformen,

F i g. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel einer entsprechenden Schaltung gemäß der Erfindung,
Fig.4 Diagramme der bei dieser auftretenden Signalformen,

Fig.5 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Schaltung gemäß der Erfindung,
Fig.6 Diagramme der bei diese auftretenden

ίο Signalformen,

Fig. 7 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Schaltung gemäß der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine bekannte Schaltung mit zwei Signaleingängen A und B, zwei bistabilen Elementen

r> (Daten-Flipflops) Di und D2, einem logischen UND-Gatter AND, einem logischen ODER-Gatter OR und einer Ausgangsklemme K. Die auftretenden Signale sind in Fig. 2 schematisch dargestellt. An der Klemme A trifft die verhältnismäßig hohe Frequenz der F i g. 2a ein, die als ein symmetrisches Signal dargestellt ist. Es kann jedoch auch ein unsymmetrisches Signal sein. An der Klemme B trifft die verhältnismäßig niedrige Frequenz der Fig.2B ein. Wenn das Signal an der Klemme A von hoch nach niedrig geht, nimmt das

>■> bistabile Element D 1 den logischen Zustand des Signals an der Klemme B an. Wenn die Klemme B zu diesem Zeitpunkt hoch ist, wird der »!«-Ausgang von D 1 auch hoch und sein »OVAusgang niedrig. Wenn der »!«-Ausgang des bistabilen Elementes D2 zu diesem

in Zeitpurkt auch niedrig ist, sind jetzt beide Eingänge des logischtn ODER-Gatters OR niedrig, so daß sein Ausgangssignal (Fig. 2H) auch niedrig wird und das logische UND-Gatter AND gesperrt wird. Infolgedessen erreicht der nächste Eingangsimpuls an der Klemme

i'i A die Ausgangsklemme K nicht. Wenn am Ende dieses Impulses das Signal an der Klemme A wieder niedrig wird, übernimmt das bistabile Element D 2 den logischen Zustand des Signals an seinem Eingang (F i g. 2C), so daß sein »!«-Ausgang hoch wird und über

in das logische ODER-Gatter OR das logische UND-Gatter AND für die nächsten Eingangsimpulse an der Klemme A durchlässig wird. Wenn das Signal an der Klemme B niedrig wird, wird der »O«-Ausgang des bistabilen Elementes D 1 bei der nächsten abfallenden

■r> Flanke des Signals an der Klemme A niedrig. Sodann empfängt das logische ODER-Gatter OR zwei hohe Eingangssignale. Bei der nachfolgenden abfallenden Flanke des Signals an der Klemme A wird das bistabile Element D2 umgekippt, so daß sein »!«-Ausgang

κι niedrig wird. Auf diese Weise ist die Ausgangslage wieder erreicht. Bei der abfallenden Flanke des Signals an der Klemme S wird das logische UND-Gatter AND somit nicht gesperrt. Das Fehlen eines der Impulse der Fig. 2A in der Impulsfolge nach Fig. 2K bewirkt, daß

Vy das letztere Signal tatsächlich die richtige Differenzfrequenz hat. Andererseits bedeutet das Fehlen eines Impulses einen Phasensprung von 360°. Dies ist für viele Anwendungen unerwünscht, z. B. wenn das Ausgangssignal einer harmoischen Schwingung möglichst ähnlich

tiii sein muß, wie dies für Frequenzregelungen und weitere nichtdigitale Anwendungen wünschenswert ist.

F i g. 3 zeigt eine Schaltung gemäß der Erfindung, die als neu" Elemente ein bistabiles Element (Datenflipflop) D3, eine Umkehrstufe /, zwei logische UND-Gatter

•ν, AND2 und AND3, ein logischer ODER-Gatter OR 2 und eine Ausgangsklemme N enthält. Die auftretenden Signale sind in F i g. 4 schematisch dargestellt. Wenn das Signal an der Klemme B hoch wird, nimmt bei der

nächsten abfallenden Flanke des Signals an der Klemme A das bistabile Element D1 den entsprechenden logischen Zustand an, wobei der »!«-Ausgang hoch und der »O«-Ausgang niedrig wird, so daß das logische UND-Gatter AND2 gesperrt wird. Wenn dabei auch der »!«-Ausgang des bistabilen Elementes D3 niedrig ist, ist auch das logische UND-Gatter AND3 gesperrt. Weil der Schalteingang des bistabilen Elementes D 3 über die Umkehrstufe /an die Klemme A angeschlossen ist, wechselt D3 bei der nächsten ansteigenden Flanke des Signals an der Klemme A seinen Zustand; infolgedessen wird der »!«-Ausgang von D3 hoch (Fig.4E), so daß das logische UND-Gatter AND3 für das an der Klemme A eingetroffene invertierte Signal (Fig.4M) durchlässig wird. Bei der nächsten abfallenden Flanke des Signals an der Klemme A ändert das bistabile Element D 2 seinen Zustand, so daß sein »1 «-Ausgang hoch und sein »0«-Ausgang niedrig wird. Dabei wird somit durch zwei niedrige Eingangssignale das logische UND-Gatter AND 2 doppelt gesperrt.

Wenn dann das Signal an der Klemme B wieder niedrig wird, wird bei der nächsten abfallenden Flanke des Signals an der Klemme A das bistabile Element D1 rückgesetzt, so daß sein »!«-Ausgang niedrig und sein »O«-Ausgang hoch wird. In bezug auf das logische UND-Gatter AND2 hat dies jedoch keine weiteren Folgen, weil der »O«-Ausgang des bistabilen Elementes D 2 noch niedrig ist. Bei der nächsten ansteigenden Flanke des Signals an der Klemme A wird über die Umkehrstufe /das bistabile Element D 3 rückgesetzt, so daß sein »!«-Ausgang niedrig wird, und das logische UND-Gatter AND3 für das weitere von der Umkehrstufe / invertierte Signal an der Klemme A gesperrt wird. Bei der nächsten abfallenden Flanke des Signals an der Klemme A wird auch das bistabile Element D2 rückgesetzt, so daß sein »1«-Ausgang niedrig und sein »O«-Ausgang hoch wird. Infolgedessen ist die Sperrung des logischen UND-Gatters AND2 beseitigt. Der nächste Impuls an der Klemme A wird nunmehr durchgelassen und erreicht durch das ODER-Gatter OR 2 die Ausgangsklemme N. Es ist klar, daß in F i g. 4 pro Periode des Signals an der Klemme B zwei Phasensprünge von je 180° auftreten. Die Signalformen der F i g. 2 und 4 treten in den in den F i g. 1 bzw. 3 mit entsprechenden Buchstaben bezeichneten Leitungen und Klemmen auf.

Fig. 5 zeigt eine andere Schaltung gemäß der Erfindung. Die Schaltung hat zwei Eingangsklemmen A und B. wie in den F i g. 1 und 3, einen Zähler COU, zwei Differenzierglieder DA und DB, einen Impulsformer PS und eine Ausgangsklemme P. Das Differenzierglied DA differenziert das Signal an der Klemme A (F i g. 6.1) und führt das Ergebnis dem Vorwärtszahleingang des Zählers COU zu. Die Stände des Zählers sind 0 und 1 (F i g. 63), während beim Erreichen des Standes 2 der Zähler auf Null rückgesetzt und dem Impulsformer PS ein Signal zugeführt wird.

Das Rücksetzen ist durch waagerechte gestrichelte Linien in F i g. 63 dargestellt Das Differenzierglied DB differenziert das Signal an der Klemme B(F i g. 6.2) und führt das Ergebnis dem Rückwärtszähleingang des Zählers COU zu. Die unter der Steuerung des Rücksetzens beim Erreichen des Standes 2 vom Zähler COUerzeugten Impulse am Ausgang Psind in Fig.6.4 dargestellt die F i g. 4M entspricht Es ist auch möglich.

das Signal des Zählers als Ausgangssignal zu verwenden. Dies hat den Vorteil, daß die Phasensprünge in gleichen Abständen liegen, aber den Nachteil, daß jetzt auch längere und kürzere Impulse anstelle von nur längeren und kürzeren Pausen zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen auftreten.

F i g. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die zwei Eingangsklemmen A und B, ein Differenzierglied DC, zwei bistabile Elemente FFi und FF2, ein Verzögerungseiemeni DL, eine Umkehrstufe /2, vier logische UND-Gatter AND4, 5, 6, 7, ein logisches ODER-Gatter OR 3 und einen Ausgang Q enthält. Angenommen, die bistabilen Elemente FFl und FF2 seien rückgesetzt, so daß ihre »!«-Ausgänge hoch sind. Dabei ist das logische UND-Gatter AND fs durchlässig für die Signale am Eingang A, die ebenso wie in F i g. 3 über das logische ODER-Gatter OR 3 den Ausgang Q erreichen. Beim Auftreten einer Flanke des Signals an der Klemme B wird das bistabile Element FFl (T-Flipflop) gesetzt, so daß sein »1«-Ausgang niedrig und sein »O«-Ausgang hoch wird. Wenn das Signal an der Eingangsklemme A niedrig wird empfängt das logische UND-Gatter AND7 vom bistabilen Element FF1 und von der Klemme A über die Umkehrstufe /2 je ein hohes Signal, so daß es dem bistabilen Element FF2 ein hohes Signal zuführt Infolgedessen wird das bistabile Element FF2 rückgesetzt, so daß sein »1 «-Ausgang niedrig wird, wodurch das logische UND-Gatter AND6 gesperrt wird. Der »O«-Ausgang von FF2 wird hoch, so daß das logische UND-Gatter AND5 geöffnet wird. Das nächste hohe Signal am Eingang A wird über das logische UND-Gatter AND5, die Verschiebungsanordnung DL und das iogische ODER-Gatter OR 3 dem Ausgang C verzögert zugeführt. Diese Verzögerung hat z. B. einen Wert, der etwas länger als das Intervall zwischen zwei hohen Signalen am Eingang A ist Bei der nächsten Flanke des Signals am Eingang B wird das bistabile Element FFl wieder rückgesetzt. Bei der nächsten ansteigenden Flanke des Signals am Eingang A werden sodann dem logischen UND-Gatter AND4 zwei hohe Signale zugeführt, so daß es am Ausgang ein hohes Signal erzeugt. Dadurch wird das bistabile Element FF7 rückgesetzt. Infolgedessen wird das Iogische UND-Gatter AND6 geöffnet und das Iogische UND-Gattei AND5 geschlossen. Wenn die Verzögerungszeit dei Verschiebungsanordnung DL größer als das Intervall zwischen zwei hohen Signalen an der Klemme A ist wird der Ausgang der Verschiebungsanordnung ersi dann niedrig, wenn der Ausgang des logischer UND-Gatters AND6 bereits hoch ist. Dadurch werder zwei hohe Signale am Ausgang zu einem längeren Impuls zusammengefügt. Man kann auch sagen, daß eir Impuls durch einen teilweise mit ihm zusammenfallenden anderen Impuls unkenntlich gemacht und somii maskiert wird.

Der sämtlichen Ausführungsformen gemeinsame Gedanke ist mithin die Verzögerung eines Teiles dei Impulse, entweder durch eine eigens dazu vorgesehene Verschiebungsanordnung oder durch Umkehrung odei durch Anwendung eines Zweirichtungszählers. Arr Ende wird ein Impuls entweder unterdrückt oder mil einem anderen Impuls zusammengefügt und somii maskiert.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltung zur digitalen Subtraktion von an zwei Eingängen (A. B) empfangenen Signalfrequenzen, mit einer Ausgangsschaltung, die auf ein Befehlssignal der höheren Frequenz eine Signalwelle erzeugt, wobei die Erzeugung von einem Befehlssignal der niedrigeren Frequenz während einer bestimmten Zeit gesperrt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Durchführung des pro Periode des Signals der niedrigeren Frequenz stattfindenden Phasensprungs in mindestens zwei durch mindestens eine Periode des Ausgangssignals voneinander getrennten Sprüngen eine Verschiebungsanordnung (I. D3; COU; DL) vorgesehen ist, die auf ein erstes Befehlssignal der niedrigeren Frtquenz während einer bestimmten Zeit die Ausgangsschaltung (OR 2; PS; OR 3) mit einer Zeitverschiebung, welche kleiner ist lL· die Periode des Signals mit der höheren Frequenz, wirksam macht, und daß ein zweites Befehlssi^nal der niedrigeren Frequenz die Verschiebungsanoidnung unwirksam macht und eine Signalwelle maskiert.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Sprünge je etwa 180° betragen.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebungsanordnung (I, DI) ein bistabiles Element (D3) enthält, das durch das erste Befehlssignal der niedrigeren Frequenz und den invertierten Wert des Signals der höheren Frequenz gesetzt wird und im gesetzten Zustand je Periode des Signals der höheren Frequenz die Ausgangsschaltung (OR 2) wirksam macht, wodurch eine in bezug auf das Signal mit der höheren Frequenz verzögerte Periode des Ausgangssignals erzeugt wird.

4. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebungsanordnung (I, AND3, D3) einen Zähler (COU) enthält, der unter der Steuerung von Impulsflanken des Signals mit der höheren Frequenz vorwärts zählt, unter der Steuerung von Impulsflanken des Signals mit der niedrigeren Frequenz rückwärts zählt und beim Erreichen eines bestimmten Zählstandes, z. B. des Standes 2, die Ausgangsschaltung (PS) zur Erzeugung eines Ausgangsimpulses ansteuert, wobei der Zählerstand rückgesetzt wird.

5. Schaltung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einem elektronischen Musikinstrument, z. B. einer elektronischen Orgel, verwendet wird, das bzw. die mit einer mindestens zwei Schwingungsfrequenzen erzeugenden Oszillatoranordnung versehen ist.