DE2551785C3 - Schaltungsanordnung zum Erzeugen eines frequenzmodulierten Signals - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei der Magnetaufzeichnung von Fernsehsignalen begrenzt die derzeitige Technologie des Aufzeichnungs-Verfahrens den Frequenzbereich des aufgezeichneten Signals auf 10 Oktaven. Das Videosignalspektrum umfaßt jedoch 17 bis 18 Oktaven. Dementsprechend muß die Videosignal-Bandbreite komprimiert werden, um die gesamte im Signal enthaltene Information aufzeichnen zu können. Frequenzmodulation ist eine der Möglicheiten, die Bandbreite eines Signals zu komprimieren, und insbesondere Pulsfrequenzmodulation wird in der professionellen Video-Aufzeichnungstechnik verbreitet angewandt.

In allen Anwendungsfällen einer Fernsehsignalaufzeichnung wird jedoch hohe Qualität verlangt. Darüber hinaus hat die Rundfunkindustrie feste Richtwerte für die Signalqualität entwickelt. Demgemäß muß ein in einem Video-Bandgerät verwendeter FM-Modulator ein Minimum an Signalstörungen und ein Maximum an Widergabetreue ermöglichen. Derartige Modulatoren sind jedoch kompliziert im Aufbau und teuer in der Konstruktion.

Ein derartiger Modulator wird in dem von der Firma Ampex Corp. hergestellten Video-Bandgerät Typ AVR-I verwendet. Bei diesem Modulator handelt es sich um einen Pulsmodulator, der eine Art Kippgenerator mit einer Tunneldiode verwendet. Die Tunneldiode arbeitet als bistabiles Element, das zur Steuerung der Lade- und Entladezyklen eines Kondensators zwischen seinen beiden stabilen Zuständen umgeschaltet wird. Der Kondensator wird mit Hilfe zweier getrennter Stromquellen geladen und entladen. Zur Steuerung der exakten Punkte, an denen der Oszillator seinen Zustand ändert, wird ein Differenzverstärker verwendet. Der N'"idulator ist aus einzelnen Elementen unter Verwendung speziell ausgesuchter Transistoren und anderer hochqualitativer Schaltungselemente aufgebaut. Die

Tunneldiode ihrerseits ist sehr kostspielig. Die Schaltung ist daher kompliziert und relativ teuer in der Herstellung.

Beim Gerät AVRl handelt es sich um einen Pulsfrequenzmodulator hoher Qualität Selbst in Modulatoren höchster Qualität benötigen der Oszillator und die anderen Schaltkreiselemente zur Änderung ihres Zustands eine endliche Schaltzeit. Diese Schaltzeit stellt eine von der Betriebsfrequenz unabhängige Konstante dar. Bei den in der Video-Bandaufzeichnung verwende ten hohen Frequenzen ist die Schaltzeit ein wesentlicher Bestandteil der Impulsbreite. Demzufolge können nichtlineare Zusammenhänge zwischen den Änderungen des Videosignals und den Änderungen in der modulierten Frequenz auftreten, und solange nicht Kompensationsmaßnahmen ergriffen werden, um einen linearen Funktionszuammenhang sicherzustellen, wird das Signal gestört sein.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Linearität einer Schaltungsanordnung zum Erzeugen eines fre^uenzmodulierten Signals, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 erläuterten Art zu verbessern und dafür zu sorgen, daß die Schaltungsanordnung mit einfachen und leicht erhältlichen Elektronikbauteilen aufgebaut werden kann.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Die Schaltungsanordnung weist in einer Ausführungsform einen sowohl an eine gesteuerte Stromquelle als auch an eine bistabile Schaltung angeschlossenen Kondensator auf. Die bistabile Schaltung schaltet in Abhängigkeit von der momentanen Ladung des Kondensators zwischen zwei stabilen Zuständen um. Solange sich die bistabile Schaltung in dem einen ihrer stabilen Zustände befindet, ist die Stromquelle so geschaltet, daß sie die Ladung des Kondensators in Abhängigkeit von einem ihr zugeführten Modulationssignal in einer ersten Richtung ändert. Die bistabile Schaltung ändert die Ladung des Kondensators in der anderen Richtung, während sie sich in dem anderen ihrer stabilen Zustände befindet. Die Ladung des Kondensators wird damit durch das Zusammenwirken der Stromquelle und der bistabilen Schaltung abwechselnd in beiden Richtungen geändert und bewirkt ein freilaufendes Signal, welches durch das der Stromquelle zugeführte Modulationssignal moduliert ist.

Um einen linearen Frequenz-zu-Modulaiionssignal-Zusammenhang zu erzielen, kann einer der Pinkle, an denen die bistabile Schaltung zwischen ihren stabilen Zuständen umschaltet, geändert werden. Zwischen dem Kondensator und dem Bezugspotentialanschluß der bistabilen Schaltung ist eine Steuerschaltung angeschlossen, die dem Bezugspotentialanschluß ein mit der Frequenz des am Kondensator anliegenden Signals sich änderndes Signal zuführt. Da die bistabile Schaltung eine endliche Schaltzeit aufweist, die einen beträchtlichen Teil der für einen vollständigen Zyklus benötigten Zeit darstellt, könnte kein linearer Zusammenhang zwischen dem der gesteuerten Stromquelle zugeführten Pegel des Modulationssignals und der Schaltfrequenz der bistabilen Schaltung erreicht werden, sofern die Frequenzänderungen durch die Steuerschaltung nicht variiert wurden. Auf diese Weise kann jedoch ein linearer Frequenz-zu-Stcuersignal-Zusammenhang unmittelbar durch den FM-Modulator erzielt werden.

Die Zeichnung zeigt eine schcmatischc Darstellung einer bevorzugten Ausführungform der Erfindung. Ein solcher Frequenzmodulator ist insbesondere für die Verwendung in Fernsehsignalsystemen geeignet Er weist eine gesteuerte Stromquelle 1 auf, die so geschaltet ist, daß sie einen Kondensator 2 in einer ersten Richtung lädt In der dargestellten Ausführungsform ist die Stromquelle 1 so angeschlossen, daß sie den Kondensator 2 entlädt Das auf einen Träger frequenzzumodulierende Videosignal wird so zugeführt, daß seine Amplitude den von der Stromquelle t abgegebenen Strompegel steuert Zur Erzeugung des gewünschten frequenzmodulierten Signals wirkt eine bistabile Schaltung 3 mit der Stromquelle 1 und dem Kondensator 2 zusammen. Die bistabile Schaltung 3 weist vorzugsweise Differential-Komparatoren 4, 5 und ein Flipflop 6 auf. Ein erster Eingang 7 bzw. 9 jedes Differential-Komparators 4 bzw. 5 ist mit dem Kondensator 2 gekoppelt Die Ausgänge der Differential-Komparatoren 4, 5 sind mit den Rücksetz- bzw. Setz-Triggereingängen des Flipflops 6 gekoppelt Der in der Schaltung verwendete Q-Ausgang des Flip-Flops 6 ist mit dem Kondensator 2 verbunden. Wenn sich der Q-Ausgang des Flip-Flops 6 nach Triggerung am Setz-Anschluß im »Eins«-Zustand befindet, wird der Kondensator rasch auf einen hohen Spannungspegel geladen. Zum Laden des Kondensators 2 auf diesen Spannungspegel wird aufgrund der endlichen Schaltzeit des Flip-Flops 6 eine kurze, aber bedeutsame Zeitspanne benötigt. Die Ladezeit des Kondensators beträgt z. B. fünf Nanosekunden und damit einen beträchtlichen Teil in der bei gegenwärtigen Rundfunkaufzeichnungsnormen erforderlichen Zykluszeit von 30 Nanosekunden.

Zweite Eingänge 8, 10 der Differential-Komparatoren 4 und 5 sind jeweils an Bezugsspannungen Ei und E₂ gekoppelt. Ei und E2 bestimmen die Punkte, an denen die Differential-Komparatoren 4 und 5 jeweils Rücksetz- und Setzimpulse an das Flip-Flop 6 abgeben und hierdurch die Triggerpunkte der beiden stabilen Zustände der bistabilen Schaltung 3 bestimmen. In der bevorzugten Ausführungsform bildet der Eingang 10 des Differential-Komparators 5 einen Steuereingang der bistabilen Schaltung 3, wie noch untenstehend näher erläutert wird.

In Serie zwischen den Kondensator 2 und den Steueranschluß 10 ist eine Steuerschaltung 11 geschaltet, die vorzugsweise einen Differential-Komparator 12, einen einstellbaren Widerstand 13 und eine Induktivität 14 aufweist. Der Differential-Komparator 12 ist mit einem Eingang 15 an den Kondensator 2 angeschlossen. Sein Eingang 16 ist mit einer Spannungsquelle E) gekoppelt, deren Wert sich aus einem untenstehend erläuterten Grund auf einem Mittelwert zwischen Ei und E? befindet, wobei Ei in der dargestellten Ausführungsform größer ist als Ej. Zwischen die Quelle E₂ und den Steueranschluß 10 ist ein Widerstand 18 gekoppelt, der die Quelle E2 und die Steuerschaltung ausreichend trennen soll. In der dargestellten Ausführungsform dient die Steuerschaltung als Kompensationseinrichtung zur Kompensaiion nichtlinearer, aufgrund der endlichen Schaltzeit der bistabilen Schaltung 3 sich ergebenden Änderungen der Modulationsfrequen/.

Der Ausgang des Differential-Komparators 4 ist darüber hinaus zu Triggerzwecken an ein Flip-Flop 19 angeschlossen, das das Endausgangssignal der Schaltung liefert. In einer ersten Bauform der dargestellten Ausführungsform sind die Differential-Komparatoren 4, 5 und 12 sämtlich Teil eines einzigen Chips in integrierter Schaltkreistechnik, während die Flip-Flops

6 und 19 Teil eines anderen Chips der von der Firma Motorola Semiconductor Products Inc. hergestellten MECL 10 000-Serie sind. An die Anschlüsse der Chips sind, wie dargestellt, Ziehwiderstände 20 bis 24, sogenannte pull down resistors angeschlossen, die sicherstellen sollen, daß die Schaltkreise in Vorwärtsrichtung vorgespannt bzw. betrieben werden. An das Flip-Flop 6 ist kein solcher Ziehwiderstand angeschlossen, da dieses seinen Zustand vollständig ändern muß, um zu verhindern, daß dem Kondensator 2 während des Entladeteils des Zyklus Ladung zugeführt wird, die eine nichtlineare Entladung des Kondensators 2 bewirken würde.

Im Betrieb lädt die Schaltung der bevorzugten Ausführungsform zuerst den Kondensator 2 bei im »Eins«-Zustand befindlichen (^-Ausgang des Flip-Flops 6 so lange auf, bis der Wert von Ei erreicht ist. Zu diesem Zeitpunkt gibt der Differential-Komparator 4 ein Rücksetz-Signal an das Flip-Flop 6 ab und kippt den (^-Ausgang nach »Null«. Der Kondensator 2 entlädt sich daraufhin so lange mit einer durch den Stromfluß der Stromquelle 1 bestimmten Geschwindigkeit, bis der Spannungswert am Steueranschluß 10 erreicht ist. Der Stromfluß der Stromquelle 1 wird hierbei durch die Amplitude des Video-Eingangssignals festgelegt. 1st der Spannungswert am Steueranschluß 10 erreicht, so gibt der Differential-Komparator 5 ein Setzsignal an das Flip-Flop 6 ab, welches dessen (^-Ausgang auf »Eins« kippt, womit sich der Zyklus von selbst wiederholt. Der Eingang 8 des Differential-Komparators 4 ist, ebenso wie der Eingang 9 des Differential-Komparators 5, als invertierender Eingang ausgebildet. Demzufolge gibt der Differential-Komparator 4 ein »Eins«-Ausgangssignal ab, wenn die Spannung an seinem Eingang 7 höher ist als die Spannung an seinem Eingang 8, und der Differential-Komparator 5 gibt ein »Eins«-Ausgangssignal ab, wenn die Spannung an seinem Eingang 9 niedriger ist als am Anschluß 10.

Die zum Aufladen des Kondensators 2 benötigte Zeit hängt von der Schaltzeit der bistabilen Schaltung 3 ab und liegt fest. Die Entladezeit des Kondensators 2 hängt von dem von der Stromquelle 1 erzeugten Strom ab, der seinerseits durch die Amplitude des Video-Eingangssignals festgelegt ist. Damit ändert sich bei Änderungen des Videosignals die Entladezeit des Kondensators 2, womit sich die Frequenz des Modulators ändert und ein FM-Signal erzeugt wird.

Da jedoch lediglich der Entladeteil des Zyklus variiert wird, wäre das Frequenzansprechverhalten des Modulators auf Video-Eingangssignale nichtlinear. Die Steuerschaltung 11 ermöglicht jedoch ein lineares Ansprechverhalten, indem sie den Zustand an einem durch die Quelle £3 bestimmten Punkt mittlerer Spannung zwischen den Spannungspegeln, an denen die Differential-Komparatoren 4 und 5 ihren Zustand wechseln, verändert. Das Rechteckausgangssignal des Differential-Komparators 12 wird durch das RL-Filter 13, 14 gefiltert, dem Steueranschluß 10 zugeführt und zur Spannung £2 hinzuaddiert. Wenn die Frequenz des Oszillators zunimmt, nimmt die Gesamtspannung am Steueranschluß 10 zu, worauf der Differential-Komparator 5 während des Entladeteils des Zyklus in einer kürzeren Zeit schaltet. Zur Kompensation der feststehenden endlichen Ladezeit des Kondensators wird die Entladezeit verkürzt, was zu einem kompensierten, von der Eingangsspannung linear frequenzabhängigen Ausgangssignal führt. Der exakte Schaltpunkt kann durch Verändern des Widerstands 13 auf optimale Kompensation eingestellt werden.

Das Ausgangssignal des Differential-Komparators 4 wird mittels des Flip-Flops 19 halbiert und liefert das endgültige frequenzmodulierte Impulssignal.

Der Frequenzmodulator gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform liefert ohne Verwendung kostspieliger Bauteile, z. B. ohne Tunneldioden, ein lineares Ausgangssignal hoher Qualität. Dabei können ohne Qualitätsverluste gegenüber herkömmlichen Schaltungen leichterhältliche, handelsübliche Bauteile verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Erzeugen eines frequenzmodulierten Signals in Abhängigkeit von einem Modulationssignal mittels eines Kondensators und einer von diesem gesteuerten bistabilen Schaltung, deren Schaltzustände bei Erreichen vorgegebener Ladezustände des Kondensators umgeschaltet werden, dessen Ladung in dem einen Schaltzustand der bistabilen Schaltung mit einer durch das Modulationssignal bestimmten Geschwindigkeit in der einen Richtung und in dem anderen Schaltzustand der bistabilen Schaltung mit konstanter Geschwindigkeit in der hierzu entgegengesetzten anderen Richtung verändert wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine auf die Ladung des Kondensators (2) ansprechende Steuerschaltung (11) das Bezugspotential (an 10), bei aem die bistabile Schaltung (3) in den anderen Schaltzustand umgeschaltet wird, in Abhängigkeit von der durch das Modulationssignal (aus 1) bestimmten Geschwindigkeit der Ladungsänderung so verändert, daß die Dauer des anderen Schaltzustands mit zunehmender Geschwindigkeit der Ladungsänderung abnimmt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß die bistabile Schaltung (3) zwei Differential-Komparatoren (4, 5) und ein Flip-Flop (6) aufweist, daß der Rücksetz-Eingang (R) des Flip-Flops (6) mit dem Aasgang des ersten Differential-Komparators (4) und der Setzeingang (S) des Flip-Flops (6) mit dem Ausgang des zweiten Differential-Komparators (5) verbunden ist, das jeweils ein Eingang (7 bzw. 9) jedes der beiden Differential-Komparatoren (4 bzw. 5) sowie der eine Ausgang (Q) des Flip-Flops (6) an den Kondensator (2) angeschlossen ist und daß der jeweils andere Eingang (8 bzw. 10) der beiden Differential-Komparatoren (4 bzw. 5) mit je einem Bezugspotential (E 1 bzw. £2) und gleichzeitig der andere Eingang (10) des zweiten Differential-Komparators (5) mit dem Bezugspotential der Steuerschaltung (H) derart verbunden sind, daß der erste Differential-Komparator (4) das Flipflop (6) in den einen stabilen Zustand der bistabilen Schaltung (3) zurücksetzt, wenn die Ladung des Kondensators (2) einem ersten Spannungspegel entspricht, und der zweite Differential-Komparator (5) das Flipflop (6) in den anderen stabilen Zustand der bistabilen Schaltung (3) setzt, wenn die Ladung des Kondensators (2) einem zweiten Spannungspegel entspricht.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (11) einen dritten Differential-Komparator (12) aufweist, dessen einer Eingang (15) mit dem Kondensator (2), dessen anderer Eingang (16) mit einem Bezugspotential (E3) und dessen Ausgang mit dem anderen Eingang (10) des zweiten Differential-Komparalors (5) verbunden ist, und daß der dritte Differential-Komparator (12) auf einen zwischen dem ersten und dem zweiten Spannungspegel gelegenen dritten Spannungspegel der Ladung anspricht und das dem anderen Eingang(10) des zweiten Differential-Komparators (5) zugeführte Bezugspotential einstellt.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3,dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (11) ein zwischen den Ausgang des dritten Differential-Komparators (12) und den Bezugspotentialeingang f 10) des zweiten Differentialkomparators (5) ge-

schaltetes Filter(13,14) aufweist

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (13,14) so ausgebildet ist, daß es die Amplitude des dritten Spannungspegels in Abhängigkeit von der Frequenz ändert und hierdurch die Dauer der Ladungsänderung des Kondensators (2) in der ersten Richtung in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit der Ladungsänderung steuert

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (13,14) eine Widerstand-lnduktivität-Serienschaltung mit einem einstellbaren Widerstand aufweist

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (11) einen mit dem einen Eingang (15) an den Kondensator (2) angeschlossenen Differential-Komparator (12) sowie ein zwischen den Ausgang des Differential-Komparators (12) und den einen Bezugspotentialeingang (10) der bistabilen Schaltung (3) gekoppeltes einstellbares Filter (13, 14) aufweist und daß der Differential-Komparator (12) zum Einstellen eines dem Bezugspotentialeingang (10) zugeführten Steuersignals auf die einem vorgegebenen Spannungspegel entsprechende Ladung des Kondensators (2) anspricht.