DE2636063A1

DE2636063A1 - Spitzenwertdetektor

Info

Publication number: DE2636063A1
Application number: DE19762636063
Authority: DE
Inventors: Scott A Dehart; Alan Craig Mortensen
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1975-08-25
Filing date: 1976-08-11
Publication date: 1977-03-31
Also published as: CA1050118A; JPS5226812A; GB1546191A; US4112381A; JPS573249B2

Description

Int.Az.: Case 1003 3 .6. August 1976
Hewlett-Packard Company

SPITZENWERTDETEKTOR

Die Erfindung betrifft einen Spitzenwertdetektor zum
Bestimmen des Zeitpunktes, in welchem ein Spitzenwert eines Eingangssignales auftritt.

Die Bestimmung der Spitzenwerte von Spannungssignalen erfolgt häufig, indem durch Integration oder Differentiation phasenverschobene Nulldurchgänge des Stroms erzeugt und gemessen werden (US-PS 38 22 399) . Die
Störunterdrückung wird oft -durch Schwellwert-Detektoren erreicht, jedoch führt dieses zu Schwierigkeiten, ■wenn der Eingangssignalpegel und der Geräuschpegel
sich ändern, wie es beispielsweise bei der Auswertung der Signale von Magnetbändern der Fall ist, bei denen sich die Umlaufgeschwindigkeit ändert. Zu Überwindung dieser Schwierigkeiten wurden komplizierte Schaltungen verwendet, welche den Detektorschwellwert entsprechend nachstellen. Die herkömmlichen Spitzenwertdetektoren wurden in der Regel gestört durch Einschaltspannungsspitzen, wie sie beispielsweise auftreten, wenn Logikelemente räumlich nahe dem Spitzenwertdetektor angeordnet sind. Die Amplitude dieser Spannungsspitzen ist oft der Amplitude der Spitzenwertsignale ähnlich, welche bestimmt werden müssen, wodurch der Detektionsvorgang sehr schwierig wird. Bekanntlich kann der Einfluß dieser Spitzenwerte kurzer Dauer durch Integration vermindert werden. Integratoren haben jedoch den Nachteil, daß sie eine langsam
veränderlicheGle-ichspannungskomponente erzeugen. Die herkömmlichen Spitzenwertdetektoren, welche das Integratorausgangssignal lediglich mit einem festen Refe-

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renzpegel, beispielsweise mit Massepotential, vergleichen, haben den Nachteil, daß durch diese langsam veränderliche Gleidispannungskomponente Fehler hervorgerufen werden. Diese Fehler können sich dadurch ergeben, daß einige Spitzenwerte überhaupt nicht erfaßt werden, wenn die langsam veränderlich Gleichspannungskomponente hinreichend groß ist. Zusätzliche Fehler können sich ergeben, weil diese langsam veränderliche Gleichspannungskomponente bewirkt, daß einige Spitzenwerte früher oder später erfaßt werden, als sie tatsächlich auftreten. Solche Zeitverschiebungen können jedoch dann nicht akzeptiert werden, wenn es auf den genauen Zeitpunkt des Spitzenwertes ankommt.

Um die Störunterdrückung zu verbessern, weisen manche Spitzenwertdetektoren, welche Nulldurchgänge messen, eine Hysteresis in einer zugeordneten Komparatorschaltung auf, so daß beispielsweise ansteigende Nulldurchgangssignale einen Komparator nur dann betätigen, wenn das erfaßte Signal einen bestimmten positiven Spannungspegel erreicht, während ein abfallendes Nulldurchgangssignal einen Komparator nur dann auslöst, wenn das erfaßte Signal einen bestimmten negativen Pegel erreicht. Diese Hysterese vermindert die Wahrscheinlichkeit, daß Spitzenwerte mehrfach angezeigt werden aufgrund von Rauschüberlagerungen am Detektionspunkt. Zusätzlich vermindert die Verwendung eines durch Hysterese erzeugten,von Null verschiedenen Detektionspunktes die Möglichkeit, daß bereits Rauschen alleine die Komparatorschaltung betätigt. Herkömmliche Spitzenwertdetektoren erfordern entweder zwei Komparatoren oder einen einzelnen Komparator in Verbindung mit einem Gleichrichter, um eine Hysterese in der Komparatorschaltung einzuführen, wodurch sich eine aufwendigere Schaltungsanordnung ergibt.

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Der Lösung gemäß dem Patentanspruch 1 liegt somit die Aufgabe zugrunde, daß eine vereinfachte Schaltungsanordnung geschaffen werden soll ^ welche im wesentlichen störungsfrei die Zeitpunkte der Spitzenwerte einer Eingangssignalspannung feststellt. Insbesondere soll die Schaltungsanordnung gegenüber Einschaltspannungspitzen unempfindlich sein, deren Amplitude der Spitzenwertamplitude der Eingangsspannung vergleichbar ist. Der Integrator verzögert das Eingangs signal um 90 und erzeugt einen Nulldurchgang an dessen Ausgang. Der Signalpegel des Integrators bleibt relativ konstant, selbst wenn die Amplitude •des Eingangssignales sich ändert, wie es beispielsweise bei Magnetbändern mit unterschiedlicher Umlaufgeschwindigkeit der Fall ist.

Der Gleichspannungspegel sowie jegliches Rauschen niedriger Frequenz am Integratorausgang wird abgetastet und durch die Gleichspannungs-Rückführeinrichtung dynamisch auf einen neuen Wert gebracht um ein Referenzsignal zu erhalten, das eine genauere Bestimmung des Zeitpunktes gestattet, zu welchem ein Nulldurchgang des Integrators entsprechend einem Spitzenwert des Eingangssignales auftritt.

Der Zeitpunkt zu welchem der Nulldurchgang auftritt, wird durch die NuLldurchgangsschaltung erfaßt, welche das Integratorausgangssignal mit dem durch die Gleichspannungsnachführeinrichtung abgeführten Gleich spannungspegel vergleicht. Die Nulldurchgangsschaltung erzeugt eine Pegelumschaltung am Ausgang und zeigt dadurch das Erscheinen eines Spitzenwertes des Eingangssignales an. Die Rauschfreiheit des Spitzenwertdetektors kann durch Verwendung eines einzelnen !Comparators und eine Mitkopplung innerhalb

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der Nulldurchgangs-Schaltung erreicht werden, um eine Hysterese zu erzeugen.

Ein Bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen erläutert; es stellen dar:

Figur 1 ein Blockdiagramm eines Spitzenwertdetektors mit einem Integrator, einer Gleichstrom-Nachführeinrichtung und einer Nulldurchgangs-Schaltung gemäß der Erfindung;

Figur 2 ein Schaltbild des Integrators in Figur 1 ;

Figur 3 ein Schaltbild der Gleichspannungs-Nachführeinrichtung in Figur 1;

Figur 4 ein Schaltbild der Nulldurchgangs-Schaltung nach Figur 1.

Die Schaltungsanordnung gemäß dem Blockschaltbild nach Figur 1 erzeugt eine ansteigende oder abfallende Impulsflanke am Ausgang, die zeitlich bezogen auf die Spannungspitzenwerte des zugeführten Eingangssignals ist. Die Schaltungsanordnung besteht aus einem Integrator 80, einer Gleichspannungs-Nachführeinrichtung 83 und einer Nulldurchgangs-Schaltung 84. Der Integrator 80 erzeugt eine 90° Phasennacheilung des Ausgangssignales gegenüber dem Eingangssignal und wirkt zusätzlich als Bandpassfilter, um die Anteile hoher und niedriger Frequenz der Rauschsignale vom Signaleingang zu dämpfen. Der Ausgang des Integrators 80 ist direkt mit einem Eingang der Nulldurchgangs-Schaltung 84 verbunden. Der Ausgang des Integrators 80 ist .ebenfalls mit der Gleichspannungs-Rückführeinrichtung 8 2 verbunden. Diese erzeugt einen Ausgangssignalpegel, der auf die Gleichspannungskomponenten und jede Niederfrequenz-Rauschkomponente des Signales am Ausgang des Integrators

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bezogen ist. Der Ausgang der Gleichspannungs-Nachführeinrichtung 82 ist mit einem anderen Eingang der Nulldurchgangs-Schaltung 84 verbunden, um einen Referenzpegel zu erzeugen, der es einem Komparator in der Nulldurchgangs-Schaltung 84 gestattet, den Nulldurchgangs-Zeitpunkt des Signales am Integratorausgang zu bestimmen. Wegen der Phasennacheilung um 90° infolge des Integrators 80 entspricht der von der Nulldurchgangs-Schaltung 84 erfaßte Nulldurchgang zeitlich dem Auftreten eines Spitzenwertes des Eingangssignales. Am Ausgang der Nulldurchgangs-Schaltung 86 erfolgt ein Übergang von 0 Volt auf 4,5 Volt, da das Signal am Ausgang des Integrators negativer als der Gleichspannungspegel wird, der durch die Gleichspannungs-Nachführeinrichtung 82 erzeugt worden ist. Wenn das Integrator-Ausgangssignal positiver als der Gleichspannungspegel wird, der am Ausgang der Gleichspannungs-Nachführeinrichtung 8 2 auftritt, wird ein Übergang von 4,5 V auf 0 V erzeugt. Ein komplementäres Logiksignal zu dem Ausgangslogiksignal ist in der Nulldurchgangs-Schaltung 84 verfügbar.

Einzelheiten des Integrators 80 ergeben sich aus Figur 2. Das Eingangssignal wird einem Kondensator zugeführt, der in Reihe mit einem Widerstand 14 geschaltet ist. Der Widerstand 14 ist wiederum mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 16 verbunden. Ein Kondensator 22 und ein Widerstand sind parallel zwischen dem invertierenden Eingang und dem Ausgang des Operationsverstärkers 16 verbunden. Der nicht-invertierende Eingang des Operationsverstärkers 16 ist über einen Widerstand 18 mit Massepotential 20 verbunden.

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Der Kondensator 12 schwächt zusammen mit dem Widerstand 14 Rauschsignale niedriger Frequenz ab. Der Kondensator 12 verhindert auch, daß irgendeine Gleichspannungskomponente des Eingangssignales 1O am Eingang des Operationsverstärkers 16 auftaucht.

Der Widerstand 14, der Kondensator 22 und der Opera- · tionsverstärker 16 bewirken die Integration des Eingangssignales. Der- Widerstand 24 bewirkt, daß der Kondensator 22 sich allmählich entlädt, so daß die Offset-Spannungen im Verstärker 16 keine große Gleichspannungskomponente am Integratorausgang ergeben. Die durch den Widerstand 24 und den Kondensator bestimmte Zeitkonstante sollte relativ groß im Verhältnis zu der maximalen Periode des Eingangssignales sein, um die Integration des Eingangssignales sicherzustellen.

Das Signal am Ausgang des Verstärkers 16 ist proportional dem Integral des Eingangssignales. Der Integrator vermindert die Wirkung der an seinem Eingang auftretenden Einschaltspannungsspitzen. Eine derartige Spannungsspitze kann eine gegenüber der Amplitude des Eingangssignales vergleichbare Amplitude aufweisen, jedoch ist die Dauer des Einschaitsignales im allgemeinen wesentlich kürzer als die Periode des Eingangssignales. Deshalb ist der Beitrag des Einschaltsignales bei der Integration relativ gering.

Der Integrator gibt auch einen relativ konstanten Signalpegel ab, wenn das Eingangssignal beispielsweise durch ein Magnetbandaufzeichnungsgerät erzeugt wird, bei dem die magnetischen Flußänderungen in elektrische Signale umgesetzt werden. Die Signal-

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spannung ist in diesem Fall proportional der Änderungsgeschwindigkeit des Magnetflußes, so daß sich der Signalpegel mit der Umlaufgeschwindigkeit des
Bandes bzw. der Geschwindigkeit der Flußänderungen ändert. Falls die Geschwindigkeit des Magnetbandes erhöht oder erniedrigt wird, ergibt sich eine Erhöhung oder Erniedrigung des Signalpegels und
wiederum eine Erniedrigung oder Erhöhung der Dauer des erfaßten Eingangssignals. Daher bleibt die integrierte Ausgangsspannung, welche eine Funktion der Zeit .und des Eingangssignalpegels ist, relativ konstant, unabhängig von der Änderung der Magnetbandgesclrwindigkeit.

Der Integrator hat weiterhin die Funktion, daß er
eine Phasenverschiebung um 90 gegenüber dem Eingangssignal hervorruft und ein Spitzenwert des
Eingangssignales einoiNulldurchgang am Integratorausgang für die Nulldurchgangs-Schaltung
84 hervorruft.

In Figur 3 ist das Schaltbild einer Spannungsnachführeinrichtung 8 2 dargestellt. Der Ausgang des Integrators 80-ist mit der Anode einer Germanium-Diode 30 sowie mit der Kathode einer Germanium-Diode 32 verbunden. Die Kathode der Diode 30 ist
mit der Kathode einer Germanium-Diode 34 und einem Kondensator 38 verbunden. Die Anode der Diode 34 und der andere Anschluß des Kondensators 38 sind mit
Massepotential 20 verbunden. Die Kathode der Diode 30 ist außerdem über einen Widerstand 42 mit dem
nicht-invertierenden Eingang eines Operationsverstär kers 46 verbunden.

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-Vd-

Die Anode der Diode 32 ist mit der Anode einer Germanium-Diode 36 und einem Anschluß eines Kondensators 40 verbunden. Die Kathode der Diode 36 und der andere Anschluß des Kondensators 40 sind mit Massepotential 20 verbunden. Die Anode der Diode 32 ist außerdem über einen Widerstand 44 mit dem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 46 verbunden. Die Kapazität des Kondensators 38 ist gleich derjenigen des Kondensators 40, und der Widerstandswert des Widerstands 42 ist gleich demjenigen des Widerstands 44. Der invertierende Eingang und der Ausgang des Verstärkers 46 sind direkt miteinander verbunden, so daß der Verstärker die Spannungsverstärkung 1 sowie eine hohe Eingangsimpedanz und eine niedrige Ausgangsimpedanz aufweist.

Positive Abschnitte· des Signales am Ausgang des Integrators 80 werden durch die Diode 30 zusammen mit dem Kondensator 38 und dem Widerstand 42 abgetastet. Negative Abschnitte des Ausgangssignals des Integrators werden durch die Diode 3 2 zusammen mit dem Kondensator 40 und dem Widerstand 44 abgetastet. Ein positives Ausgangssignal vom Integrator 80 macht die Diode 30 leitend, so daß ein Strom verursacht wird, der den Kondensator 38 positiv auflädt. Negative Abschnitte des Ausgangssignals des Integrators bewirken, daß die Diode 32 leitend wird und der Kondensator 40 negativ aufladen kann. Die Widerstände 42 und 44 dienen zur Addition der Spannungen an den Kondensatoren 38 und 40 und erzeugen einen sich fortwährend ändernden Pegel, der der Gleichspannungskomponente und jeder Rauschkomponente mit niedriger Frequenz im Ausgangssignal des Integrators folgt. Wenn die Diode 30 oder die Diode 32 nicht leitend sind, entlädt sich der zugeordnete Kondensator, entweder der Kondensator 38 oder der Kondensator 40 über die Widerstände 42 und 44, und die Dioden 34 und 36 und wirken der-

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art auf den Eingang des Verstärkers 46 ein, daß die Spannung auf O Volt zurückgeht. Diese Entladung erfolgt hinreichend langsam, so daß der Kondensator 38 und der Kondensator 40 Änderungen der Amplitude aufeinanderfolgender positiver oder negativer Abschnitte des Aüsgangssignales des Integrators abtasten können. Die Verwendung von Germanium für die Dioden 30 und 3 2 tragen dazu bei, daß die positiven und negativen Abschnitte des Integratorsignales genau abgetastet werden können, da die niedrige Sclwellwertspannung von 0,1 bis 0,3 V, bei welcher die Dioden leiten, die Abtastung der Gruppenform selbst dann gestattet, wenn die Amplitude des Signales klein ist. Die Dioden 34 und 36 sind in der Nähe von 0 Volt leitfähig und verhindern, daß der Kondensator 38 sich negativ auflädt, wenn das Eingangssignal vorherrschend negativ ist und daß der Kondensator 40 sich positiv auflädt, wenn das Eingangssignal überwiegend positiv ist. Zwischen dem Eingang und dem Ausgang der Gleichspannungs-Nachführeinrichtung 42 tritt eine minimale Phasenverschiebung auf.

In Figur 4 ist die Nulldurchgangs-Schaltung 84 dargestellt. Der Ausgang des Integrators 80 ist über einen Widerstand 50 mit dem nicht-invertierenden Eingang eines Komparators 54 verbunden. Der Ausgang der Gleichspannungs-Nachfuhreinrichtung'82 ist über einen Widerstand 52 mit dem invertierenden Eingang des Komparators 54 verbunden. Der Ausgang des Komparators ist mit dem Eingang einer Um-' kehrstufe 62 verbunden. Der Ausgang der Umkehrstufe 62 ist über einen Widerstand 58 mit dem invertierenden Eingang des Komparators 54 und über einen Widerstand 64 auch mit einer 5 V-Spannungsquelle 68 verbunden. Der Ausgang der Umkehrstufe 62 ist·mit dem Eingang einer zweiten Umkehrstufe 60 verbunden. Der Ausgang der Umkehrstufe 60 istüber einen Widerstand 66 mit der 5 V-Spannungsquelle 68

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und über einen Widerstand '56 außerdem mit dem nicht-invertierenden Eingang des !Comparators 54 verbunden.

Die Werte der Widerstände 66, 56 und 50 sind derart gewählt, daß die Unterteilung der Spannung von 5 V durch diese Widerstände eine Rückkopplungsspannung von etwa +0,45 Volt am nicht-invertierenden Eingang des !Comparators 54 ergibt, wenn am Ausgang der Umkehrstufe 60 der-Signalpegel H auftritt. Wenn am Ausgang der Umkehrstufe 60 der Signalpegel L auftritt, beträgt die am nichtinvertierenden Eingang des !Comparators 54 auftretende Rückkopplungs spannung 0 V". In ähnlicher Weise tritt wegen der Wahl der Widerstände 64, 58 und 52 am invertierenden Eingang des !Comparators 54 die Spannung von +0,45 V auf, wenn am Ausgang der Umkehrstufe 6 2 der Signalpegel H erscheint. Wenn am Ausgang der Umkehrstufe 62 der Signalpegel L erscheint, beträgt die Rückkopplungsspannung am invertierenden Eingang des !Comparators 54 0 V.

Der Ausgang der Umkehrstufe 62 bildet den Signalausgang der Nulldurchgangs-Schaltung 84. An diesem Ausgang liegt · eine Spannung von 0 V an, wenn die Spannung am nichtinvertierenden Eingang des Komparators 54 positiver als die Spannung am invertierenden Eingang des Komparators 54 ist. Der Pegel des Signales am Ausgang der Nulldurchgangs-Schaltung ist etwa +4,5 V aufgrund der Spannungsteilung durch die Widerstände 64, 58 und 52, wenn die am nicht-invertierenden Eingang des Komparators 54 auftretende Spannung negativer als die Spannung am invertierenden Eingang des Komparators 54 ist. Am Ausgang der Umkehrstufe 60 wird ein gegenüber dem Logikpegel am Ausgang der Umkehrstufe 62 komplementärer Logikpegel abgegeben.

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Falls am Ausgang des Komparatörs 54 ursprünglich der Logikpegel L auftritt, erscheint am Ausgang der Umkehrstufe 62 der Logikpegel H und am Ausgang der Umkehrstufe 60 der Logikpegel L, die Rückkopplungsspannung am invertierenden Eingang des Komparatörs 54 ist +0,45 V₁ und die Rückkopplung^spannung am nich't-invertierenden Eingang des Komparatörs 54 ist 0 V. Wenn die Signale direkt vom Integrator 80 und von der Gleichspannungsrückführeinrichtuiig 8 2 aufgenommen werden, ändert der Komparator 54 den Zustand nicht, bis das Signal am Ausgang des Integrators 80 dasjenige am Ausgang der Gleichspannungs-Rückführeinrichtung 82 um +0,45 V übersteigt. Das Signal am Ausgang des Komparatörs 54 schaltet dann auf den hohen Signalpegel um, und am Ausgang der Umkehrstufe 6 2 erscheint die Spannung 0 V, die Ausgangsspannung der Umkehrstufe 60 steigt auf etwa +4,5 V_x und die Rückkopplungsspannung am nicht-invertierenden Eingang des Komparatörs 54 beträgt +0,45 V, und die Rückkopplungsspannung am invertierenden Eingang des Komparatörs 54 beträgt 0 V. Das Signal am Ausgang des Komparators 54 geht erst wieder auf 0 V zurück, wenn das Ausgangssignal des Integrators 80 um 0,45 V negativer als das Ausgangssignal der Gleichspannungs-Rückführeinrichtung 82 ist. Somit ergibt sich eine Spannungsdifferenz von 0,9 V zwischen dem Punkt, an dem ein ansteigender Nulldurchgang des Ausgangssignales des Integrators erfaßt wird und dem Punkt, bei dem ein abfallender Nulldurchgang des Ausgangssignales des Integrators angezeigt wird. Die Hysterese von 0,9 V verbessert die Störunterdrückung des Spitzenwertdetektors, indem kleine Änderungen um 0 V zwischen dem Integrator und den Ausgängen der Gleichspannungs-Rückführeinrichtung ignoriert werden. Dadurch wird ein doppeltes Schalten aufgrund von Rauschen oder anderen kleinen Änderungen der Signale im Integrator oder der

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Spannungs-Rückführeinrichtung verhindert, wenn das Verhältnis zwischen den beiden Signalen derart ist, daß ein Nulldurchgang erfaßt wird. Die Hysterese-Spannung kann durch Veränderung der Verhältnisse der Widerstände 50, 56 und 66 sowie der Verhältnisse der Widerstände 52, 58 und 64 geändert werden.

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Claims

Hewlett-Packard Company 6. August 1976 Case 1003 PATENTANSPRÜCHE

1.]Spitzenwertdetektor zum Bestimmen des Zeitpunktes, in welchem ein Spitzenwert eines Eingangssignales auftritt, gekennz eichnet durch einen Integrator (80) für das Eingangssignal, eine mit dem Integrator verbundene Gleichspannungs-Nachführeinrichtung (8 2) zur Abgabe einer auf eine veränderliche Gleichspannungskomponente der integrierten Spannung bezogenen Nachführgleichspannung und einer mit dem Integrator und der Nachführeinrichtung (8 2) verbundenen Nulldurchgangs-Detektoreinheit (82) zur Abgabe eines Logiksignales zu dem Zeitpunkt, in welchem die Nachführgleichspannung und die integrierte Ausgangsspannung ein vorbestimmtes Spannungsverhältnis erreicht.

2. Spitzenwertdetektor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Spannurigskomparator (54) zur Aufnahme erster und zweiter Eingangsspannungspegel und zur Abgabe eines Ausgangslogikpegels, der anzeigt, welcher der Eingangsspannungspegel positiver ist, eine erste Rückkopplungseinrichtung (50, 56, 66) zur Abgabe einer auf den Ausgangslogikpegel der Spannungskomponente bezogenen Gleichspannung und zur Summierung der Gleichspannung und der Ausgangsspannung vom Integrator zum Erzeugen des ersten Eingangsspannungspegels und eine zweite Rückkopplungseinrichtung (52, 58, 64) zur Abgabe einer auf den Ausgangslogikpegel des Spannungskomparators bezogenen Gleichspannung und zur Summierung der Gleichspannung und der Nachführgleichspannung von der Nachführeinrichtung zum Erzeugen des zweiten Eingangssignalpegels.

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3. Spitzenwertdetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Gleichspannungsnachführeinrichtung eine erste Abtasteinrichtung (32, 40) zum Abtasten negativer Abschnitte der Ausgangsspannung vom Integrator und zur Abgabe eines negativen Abtastwertes, eine zweite Abtasteinrichtung (30, 38) zum Abtasten positiver Abschnitte der Ausgangsspannung vom Integrator und zur Abgabe eines positiven Abtastwertes und eine Summiereinrichtung (42, 44) zum Summieren der negativen und positiven Abtastwerte und zur Abgabe einer Nachführgleichspannung entsprechend dieser Summierung aufweist.

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