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Verfahren und Schaltung zur Erkennung des tastverhältnisses eines
binären Signals Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung des über-bzw.
Unterschreitens eines eingestellten Tastverhältnisses einer binären Signalfolge
durch einen zeitlichen Mittelwert des Tastverhältnisses eines Eingangssignals. eines
Eingangssignals.
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Im Rahmen dieser Erfindung wird unter Tastverhältnis einer periodischen
Signalfolge das Verhältnis von Impulsdauern zu Impulspausen einer Periode verstanden.
Bei einem nichtperiodischen Signal läßt sich nur ein zeitlicher Mittelwert eines
Tastverhältnisses definieren, unter dem das Verhältnis aus der Summe aller in dem
betrachteten Zeitabschnitt auftretenden Impulse und der Summe der in dieser Zeit
auftretenden Impulspausen zu verstehen ist.
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Bei bekannten Verfahren wird das über- oder Unterschreiten eines bestimmten
Tastverhältnisses durch den zeitlichen Mittelwert des Tastverhältnisses eines binären
Signals dadurch festgestellt, daß der analoge Mittelwert mittels Siebung gebildet
wird und die Auswertung dieses Mittelwertes mittels eines analogen Schwellwertschalters,
z.B. eines Schmitt-Triggers geschieht. Die Zeitkonstanten von-RC-Gliedern bestimmen
dabei, über welche Zeiten gemittelt wird.
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Diese bekannten Verfahren haben den Nachteil, daß wegen des Umweges
Uber den analogen Mittelwert Kondensatoren und andere Bauteile der Analogtechnik
benötigt werden, mit denen sich die
Verfahren nur schwer in integrierter
Technik realisieren lassen.
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Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein neues Verfahren
zur Erkennung des Über- bzw. Unterschreitens eines eingestellten Tastverhältnisses
einer Signalfolge durch einen zeitlichen Mittelwert des Tastverhältnisses eines
binären Signals zu entwickeln, bei dem ein Umweg über einen analogen Mittelwert
entfällt, und eine Schaltung zur Durchführung des Verfahrens zu entwerfen.
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs
1 angeführten Merkmale gelöst.
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Die Erfindung hat den Vorteil, daß die Schaltung zur Durchführung
des Verfahrens monolithisch integrierbar ist.
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Weiterhin ist es durch eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
in vorteilhafter Weise möglich, nicht nur das über-oder Unterschreiten eines eingestellten
Tastverhältnisses durch ein binäres Signal festzustellen, sondern auch eine wesentliche
Erhöhung der Störsicherheit bei kurzzeitigen Fehlimpulsen zu erreichen, indem das
über- bzw. Unterschreiten mit einer einstellbaren Trägheit angezeigt wird.
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Eine vorteilhafte Ausftilirungsform der Erfindung ist dem Patentanspruch
3 zu entnehmen.
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Anhand einer Zeichnung werden das erfindungsgemäße Verfahren und eine
Schaltung zur Durchführung des Verfahrens näher beschrieben.
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Es zeigen: Fig. 1 ein Blockschema, Fig. 2 ein digitales Signal und
dessen Auswertung bei einer einzigen Schaltschwelle, Fig. 3 ein digitales Signal
und dessen Auswertung bei zwei Schaltschwellen (mit Hysterese-Schaltung), Fig. 4
ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung.
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In der Fig. I sind die für das Verfahren wesentlichen Bauteile in
einem Blockschema dargestellt. Über einen Anschluß 10 wird ein binäres Signal, von
dem festgestellt werden soll, ob ein ihm zuzuordnender zeitlicher Mittelwert eines
Tastverhältnisses ein eingestelltes Tastverhältnis über- oder unterschreitet, einem
Vorwärts-Rückwärts-Eingang eines Zählers 11 zugeführt. Gleichzeitig gelangt das
binäre Signal an einen Steuereingang eines Frequenzumschalters 12. Am Frequenzumschalter
12 liegen zwei einstellbare Taktfrequenzen f1 und f2 an. Das binäre Signal steuert
den Frequenzumschalter 12 in der Weise, daß bei Vorhandensein eines Impulses (Zustand
1) die Taktfrequenz f1 als Clock-Frequenz für den Zähler 11 dient. In den Zeiten,
in den das binäre Signal den Zustand 0 besitzt, gelangt die Taktfrequenz f-2 an
den Clock-Eingang des Zählers 11.
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Enthält der Zähler 11 zwei Clock-Eingänge, erübrigt sich der Vorwärts-Rückwärts-Eingang,
und das binäre Signal steuert über eine einfache logische Schaltung, die beiden
Clock-EingEngemit den Taktfrequenzen f, und f2.
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Vom Zähler 11 ist weiterhin zu fordern, daß er eine Uberlaufsperre
in beiden Zählrichtungen besitzt. Von zwei Ausgängen13, 14 des Zählers 11 können
Informationen über den Zustand des 3its
mit dem höchsten Stellenwert
und desjenigen mit dem zweithöchsten Wert des Zählers 11 abgenommen werden. Will
man das Über- bzw.
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Unterschreiten des eingestellten Tastverhältnisses durch ein binäres
Signal ohne wesentliche Trägheit feststellen, benötigt man, wie unten dargelegt
wird, lediglich eine Aussage über den Zustand des Bits mit dem höchsten Stellenwert,
die am Ausgang 13 abgenommen wird. Will man jedoch das Über- bzw. Unterschreiten
des eingestellten Tastverhältnisses mit Trägheit erkennen, benötigt man zusätzlich
eine Information über den Zustand des Bits mit dem zweithöchsten Stellenwert, die
am Ausgang 14 abgefragt wird, und eine dem Zähler 11 nachgeschaltete Hysterese-Schaltung
15.
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Nachfolgend soll anhand der Fig. 2 und 3 das Prinzip des Verfahrens
näher erläutert werden. Um die Zusammenhänge überschaubar zu gestalten, wurden,
entgegen den Erfordernissen der Praxis, in den Fig. 2 und 3 ein Zähler geringer
Kapazität (4-Bit-Zähler) und sehr kleine Taktfrequenzen f1 und 2 gewählt.
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In der Fig. 2 ist oben die Impulsfolge eines binären Signals eingezeichnet,
bei dem die ansteigenden Flanken periodisch erscheinen. Auf einer senkrechten Achse
sind die Zustände mit zugehörigen Dezimalzahlen aufgetragen, die ein 4-Bit-Zähler
einnehmen kann. Es ist nun in der Fig. 2 angenommen, daß der Zähler 11 in der Stellung
Null zu zählen beginnt und daß er bei Vorhandensein eines Impulses, also des Zustandes
1 des binären Signals, aufw'äfts zählt, und zwar mit der Taktfrequenz f1, während
er in Zeiten, in denen das binäre Signal den Zustand O besitzt, mit der Taktfrequenz
f2 abwärts zählt.
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Im Beispiel der Ffg. 2 ist die Taktfrequen fi doppelt so hoch wie
die Taktfrequenz r, gewählt, Der erste Impuls hat eine
Dauer von
fünf Perioden der Taktfrequenz f1, so daß der Zähler 11 in dieser Zeit von null
aufwärts bis fünf zählt. In der folgenden Zeit-bis:zum Ende der ersten Periode hat
das binäre Signal den Zustand 0. In diese Zeit fallen genau fünf Perioden der Taktfrequenz
f2 so daß der Zähler 11 abwärts bis null zählt.
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Man sieht, daß bei einer Periode eines binären Signals, bei der während
der Dauer eines Impulses ebenso-viele Perioden der Taktfrequenz f1 vorhanden sind
wie Perioden der Taktfrequenz f2 in der restlichen Zeit der ersten Periode des binären
Signals, für den Zähler 11 keine bevorzugte Zählrichtung existiert. Ein derartiges
Tastverhältnis eines binären Signals nennt man ein kritisches Tastverhältnis. Der
Wert eines kritischen Tastverhältnisses ist gleich dem reziproken Verhältnis der
Taktfrequenzen f1 und 2* Wird das Tastverhältnis eines periodischen binären Signals
und somit die Impulsdauer innerhalb einer Periode verkleinert, zählt der Zähler
11 weniger Zählschritte in Vorwärtsrichtung als in Rückwärtsrichtung, wie es z.B.
in der 6. Periode des binären Signals in Fig. 2 dargestellt ist.
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Diese Aussagen gelten für nichtperiodische binäre Signale dann, wenn
man über einen bestimmten Zeitabschnitt mittelt und für diesen Zeitabschnitt ein
mittleres Tastverhältnis angibt, das mit dem Verhältnis aus der Summe aller Impulsdauern
und der Summe aller Impulspausen dieses Zeitabschnittes erhalten wird.
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Gelangt der Zähler 11 bei einem Zählvorgang in einen der beiden Endzustände,
so behälter diesen Zustand aufgrund einer in beiden Zählrichtungen vorhandenen Überlaufsperre
so lange bei, bis das am Eingang 10 liegende binäre Signal ihn auf die jeweils
andere
Clockfrequenz schaltet und er in Gegenrichtung zu zählen beginnt, wie es z.B. in
der zweiten und dritten Periode des binären Signals der Fig. 2 geschieht.
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Ein für eine Erkennung gewünschtes kritisches Tastverhältnis wird
durch Einstellung der Taktfrequenz f1 und f erhalten. Ist das Tastverhältnis eines
binären Signals im Mittel kleiner als das kritische Tastverhältnis, wird sich der
Zähler 11 in der unteren Hälfte seines Wertbereiches befinden, da er im Mittel mehr
Rückwärts- als Vorwärtszählschritte durchgeführt hat. Dagegen wird sich der Zähler
11 bei einem Überschreiten des kritischen Tastverhältnisses in der oberen Hälfte
seines Wertbereiches befinden. Es ist also der Übergang vom Unter- zum ÜberscEreiten
des kritischen Tastverhältnisses dadurch gekennzeichnet, daß der Zähler 11 von Zuständen
überwiegend aus der unteren Hälfte seines Wertbereiches zu Zuständen überwiegend
aus der oberen Hälfte seines Wertbereiches übergeht und umgekehrt. Dieser Übergang
ist dann leicht erkennbar und auswertbar, wenn man die Eigenschaft eines Zählers
11 ausnutzt, beim Übergang von der einen Hälfte seines Wertbereiches zur anderen
den Zustand des höchstwertigen Bits zu ändern.
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So geht z.B. beim 4-Bit-Zähler der Fig. 2, der von 0 bis 15 zählen
kann, beim überging von der unteren zur oberen Hälfte, d.h.
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von der Dezimalzahl sieben, die zum Zählerstand (O, 1, 1, 1) gehört,
zur Dezimalzahl acht, die dem Zählerstand (1, 0, 0,0) zuzuordnen ist, das höchstwertige
Bit vom Zustand O in den Zustand 1 über. Die Information über den Zustand des höchstwertigen
Bits des Zählers 11 wird am Ausgang 13 abgenommen.
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Zu der Kapazität des Zählers 11 und der Größe der Taktfrequenzen f1,
f2 ist anzumerken, daß der Zähler 11 einen so großen Wertbereich besitzen sollte,
daß er nur in mehreren Perioden des
binären Signals vollaufen kann,
urn einzelne Behlimpulse nicht am~Ausgang 13 zu registrieren. Die Taktfrequenz fl
sollte so hoch gewählt werden, daß auch bei kleinen kritischen Tastverhältnissen,
bei denen die mittlere Dauer der Impulse des binären Signals klein wird, die Anzahl
der Clock-Impu3sesmit der Taktfrequenz £1 annähernd proportional der Dauer des Impulses
des binären Signals ist. Die Taktfrequenz f2 ist durch diese Dimensionierungsvorschrift
und durch das eingestellte kritische Tastverhältnis bestimmt.
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Es ist darauf hinzuweisen, daß der überwiegend theoretische Fall,
daß ein binäres Signal über längere Zeit ein mittleres Tastverhältnis gleich dem
eingestellten kritischen Tastverhältnis besitzt, mit dem beschriebenen Verfahren
nicht erfa13bar ist, weil in diesem Fall je nach Kapazität und Zählerstand des gåhlers
11 und Je nach Größe der Frequenz f1 am Ausgang 3 des Zählers 11 entweder keine
Anderung oder ein alternierendes ober-bzw. Unterschreiten registriert wird.
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Bei manchen technischen Problemen kann es unerwünscht sein, daß beim
Zähler 11, wenn er durch eine Impulsfolge in die Nähe des, Umschaltpunktes gebracht
wird, das höchstwertige Bit mit-der doppelten Frequenz dieser Impulsfolge, also
sehr häufig seinen Zustand ändert.
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Um ein derartiges Hin- und Herschalten zu vermeiden, wird ein Trägheitsverhalten
bei der Erkennung des Über- bzw. Unterschreitens eines kritischen Tastverhältnisses
eingeführt.
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Dazu wird am Ausgang 14 des Zählers 11 eine Ikfformati'on ueber den
Zustand des zweithöchsten Bit abgenommen, und es werden mit der dem Zähler 11 nachgeschalteten
Hysterese-Schaltung 15 die Zestände
an den Ausgängen 13 und 14
ausgewertet, wie in dem Folgenden mit Hilfe von Fig. 2 und 3 ausgeführt werden soll.
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Anhand von Fig. 2 ist bereits die prinzipielle Wirkungsweise des Verfahrens
bei einem einzigen Umschaltpunkt beschrieben worden. Will man nun häufiges Hin-
und Herschalten in der Nähe des Umschaltpunktes vermeiden, ist dafür zu sorgen,
daß bei erfolgtem Überschreiten des kritischen Tastverhältnisses ein geringfügiges
und kurzzeitiges Unterschreiten nicht registriert wird.
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Ebenso sollte bei erfolgtem Unterschreiten ein geringfügiges und kurzzeitiges
Überschreiten nicht registriert werden. Um zwei Schaltschwellen zu beiden Seiten
des bisherigen Umschaltpunktes zu erhalten, wird die Eigenschaft eines Zählers 11
ausgenutzt, daß oberhalb und unterhalb der Mitte des Wertbereiches in gleichen Abständen
zum erstenmal ein Wert auftritt, bei dem das höchste und das zweithöchste Bit des
Zählers 11 den gleichen Zustand besitzen. Beim Beispiel des 4-Bit-Zählers sind diese
die Werte drei (O, 0, 1, 1) und zwölf (1, 1, 0, 0).
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Die Hysterese-Schaltung 15 enthält eine Logikschaltung, die am Ausgang
16 nur dann eine Zustandsänderung registriert, wenn beide Zählerausgähge 13, 14
nach einem Zustand (O, 0) einen Zustand (1, 1) erreichen oder umgekehrt.
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Beim Beispiel der Fig. 3 besitzt die gezeichnete Impulsfolge eines
binären Signals während der ersten zwei Perioden ein mittleres Tastverhältnis, das
kleiner ist als das kritische Tastverhältnis, welches den Wert 0,5 hat. In der ).
Periode ist das Tastverhältnis zwar größer als das kritische Tastverhältnis, doch
wird dies noch nicht als Überschreiten bewertet, da bei einem 4-Bit-Zähler 11 erst
bei der Dezimalzahl zwölf die beiden höchsten,
Bits den gleichen
Zustand (1,1) einnehmen. Während der vierten Periode wird die Schaltschwelle bei
der Dezimalzahl zwölf überschritten, und es wird am Ausgang 16 ein Überschreiten
des kritischen Tastverhältnisses registriert. Dieses Überschreiten wird bis zur
8. Periode angezeigt, während der bei der Schaltschwelle der Dezimalzahl drei wieder
ein gleicher Zustand der beiden höchsten Bits, nämlich (0, 0) erreicht wird, wodurch
am Ausgang 16 ein Unterschreiten des kritischen Tastverhältnisses angezeigt wird.
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Durch ein derartiges Verfahren mit einem Hysterese-Verhalten wird
zum einen erreicht, daß in der Nähe des kritischen Tastverhältnisses häufige Umschaltungen
vermieden werden, zum anderen wird die Störsicherheit gegen kurzzeitige Fehlinformationen
in der Impulsfolge eines binären Signals erhöht.
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Im folgenden wird anhand der Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel einer
Schaltungsanordnung beschrieben, mit der das oben dargestellte Verfahren durchgeführt
werden kann.
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Das am Eingang 10 liegende binäre Signal gelangt einerseits an den
Vorwärts-Rückwärts-Eingang des Zählers 11, andererseits an ein erstes Nand-Glied
17 und einen Inverter 18 des Frequenzumschalters 12. An einem zweiten Eingang des
ersten Nand-Gliedes 17 liegt die Taktfrequenz f14 Den Eingängen eines zweiten Nand-Gliedes
19 werden das Ausgangssignal des Inverters 18 und die Taktfrequenz f2 zugeführt.
Die Ausgänge der Nand-Glieder 17 und 18 sind mit den Eingängen eines dritten Nand-Gliedes
20 verbunden, dessen Ausgang an den Clock-Eingang des Zählers 11 rührt. Mit diesem
Frequenzumschalter 12 wird erreicht, daß während eines Zustandes 1 des binären Signals
die Taktfrequenz f1 und während
eines Zustandes 0 die Taktfrequenz
f2 am Clock-Eingang des Zählers 11 liegt.
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Ein Übertrag-Ausgang 21 des Zählers il ist mit einem Freigabe-Eingang
22 verbunden. Dadurch wird bewirkt, daß der Zähler 11 beim Erreichen eines Endzustandes
so lange blockiert wird, bis er aufgrund einer Zustandsänderung des binären Signals
in der Gegenrichtung zu zählen beginnt. Somit besitzt der Zähler 11 in beiden Zählrichtungen
eine Überlaufsperre.
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Soll ein Über- oder Unterschreiten eines eingestellten Tastverhältnisses
durch ein binäres Signal mit nur einer Umschaltschwelle e-rkannt werden, so genügt
es, den Zustand des höchstwertigen Bit des Zählers 11 am Ausgang 13 auszuwerten.
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Soll dagegen bei der Erkennung des Uber- oder Unterschreitens ein
Hystereseverhalten auftreten, werden die Informationen an den Ausgängen 13 und 14
des Zählers 11 den Eingängen eines Oder-Gliedes 23 und eines Nand-Gliedes 24 der
Hysterese--Schaltung 1-5 zugeführt. Die an den Ausgängen des Oder-Gliedes 23 und
des Nand-Gliedes 24 liegenden Signale steuern ein bistabilos Flip-Flop 25, an dessen
Ausgang 16 eine Information über das mittlere Tastverhältnis des am Eingang 10 liegenden
binären Signals mit dem gewünschten Hysterese-Verhalten abgenommen wird.