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FM-Demodulator
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung zur
Demodulation frequenzmodulierter Wechselspannungen mit mindestens einem frequenzabhängigem
Netzwerk, das aus als Kapazitäten und als Induktivitäten wirkenden Bauelementen
aufgebaut ist und an deren Ausgang eine mit der Modulationsfrequenz pulsierende
Spannung ansteht.
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Zur Demodulation frequenzmodulierter Wechselspannungen sind neben
Flankendemodulatoren, Phasendiskriminatoren und Ratiodetektoren auch Koinzidenzdemodulatoren
bekannt. Demodulatoren der genannten Art sind mit frequenzabhängigen Netzwerken
versehen und geben als Ausgangsspannung eine mit der Modulationsfrequenz pulsierende
Spannung ab, aus der sich eine mit der Modulationsfrequenz pulsierende Gleielispannung
gewinnen läßt.
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Aus der DT-OS 2 158 984 ist ein Koinzidenzdemodulator für frequenzmodulierte
Schwingungen bekannt, der aus einem Phasendemodulator besteht, dem die Schwingungen
zinn einen direkt und zum anderen über ein phasenschiebendes Neizwerk mit frequenzabhängigem
Phasengang zugeführt werden und bei dem zumindest: ein Teil der Ausgangsspannung
des Phasendemodulators so auf das Phasenschiebernetzwerk rückgekoppelt wird, daß
dessen Phasenwinkel einer Änderung der Ausgangssparniung entgegenwirkt.
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Der DT-OS 2 158 984 lag die Mifgabe zugrunde, bei frequenzmodulierten
Schwingungell mit großem Frequenzhub, der aus dem Linearitätsbereich des Phasenschiebernetzwerks
herausführt, durch die Nichtlinearität bedingte Störungen, beispielweise Kreuzmodulationsstörungen,
zu vermeiden.
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Demodulat oren der eiiigangs genannten Art besitzen einige Nachteile,
deren Ursachen insbesondere in den frequenzabhängigen Netzwerken zu suchen sind.
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Die frequenzabhängigen Netzwerke sind aus kapazitiven und induktiven
Bauelementen aufgebaut, die einerseits eine große Temperaturabhängigkeit aufweisen
und andererseits bereits herstellungsbedingte große Toleranzen zeigen. Die frequenzabhängigen
Netzwerke müssen nun so eingestellt sein, daß sie bei der btittenfrequenz der anliegenden
frequenzmodulierten Spannung eine genau vorbestimmte Lage ihres Stellbereichs besitzen.
Dies erfordert bei den großen Fertigungstoleranzen der Bauteile einen hohen Abgleichaufwand.
Ferner sind durch die Temperaturabhängigkeit der Bauelemente erhebliche Maßnahmen
zur Kompensation der Temperaturkoeffizienten erforderlich.
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Es stellt sich daher die Aufgabe, eine elektronische Schaltung zur
Demodulation frequenzmodulierter Wechselspannungen mit mindestens einem frequenzabhängigem
Netzwerk, das aus als Kapazitäten und Induktivitäten wirkenden Bauelementen aufgebaut
ist und an deren Ausgang eine mit der Modulationsfrequenz pulsierende Spannung ansteht,
zu entwickeln, bei der fertigungsbedingte Toleranzen sowie temperaturabhängige und
alterungsbedingte Änderungen der elektrischen Eigenschaften der Bauelemente des
frequenzabhängigen Netzwerks ohne zusätzliche oder nachträgliche Abgleicharbeiten
weitestgehend automatisch ausgeregelt werden. Dabei sollen diese Demodulatoren einfach
und insbesondere in automatischen Fertigungsprozessen herstellbar seinr Diese Aufgabe
wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß die Lage des Stellbereichs
des frequenzabhängigen Netzwerks mit einer aus der mit der Modulationsfrequenz pulsierenden
Spannung gewonnenen Regelspannung regelbar ist.
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Als Regelspannung ist vorteilhafterweise der zeitliche Mittelwert
einer mit der Modulationsfrequenz pulsierenden Gleichspannung, die aus der mit der
Modulationsfrequenz pulsierenden Spannung zu gewinnen ist, geeignet
Dabei
ist die Lage des Stellbereichs des frequenzabhängigen Netzwerks so einzuregeln,
daß sich ein fester der Mittenfrequenz der frequenzmodulierten Wechsel spannung
zugeordneter Mittelwert der pulsierenden Gleichspannung einstellt. Diese Regelung
kann durch die Veränderung der Kapazitäten oder Induktivitäten der kapazitiven und
induktiven Bauelemente des frequenzabhängigen Netzwerks erfolgen. Dabei koullen
durch die gessonnene Regelspannung die Sperrschichtkapazität einer Kapazitätsvariationsdiode
oder die Diffusionskapazitäten einer in Durchlaßriditiing betriebenen Diode oder
eines Transistors beeinflußt werden. Ferner ist es m(;glich, mit der Regelspannung
die Gyratorinduktivität eines Gyrators im frequenzabhängigen Netzwerk zu verändern.
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Die Lage des Stellbereichs des frequenzabhängigen Netzwerks wird dabei
derart geregelt, daß die Resonanzfrequenz des frequenzabhängigen Netzwerks zu der
Mittenfrequenz der frequenzmodulierten Wechselspnnnung in einem vorbestimmten Verhältnis
steht.
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Insbesondere wird ein als Phasenschieber wirkendes frequenzbha-ugiges
1 Netzwerk so geregelt, daß die Eigenfrequenz des Phasenschiebers mit der Mittenfrequenz
der frequenzmodulierten Wechselspalmutlg übereinstimmt.
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Eine erfindungsgemäße elektrische Schaltung läßt sich beispielsweise
bei einem Koinzidenzdemodulator anwenden.
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Nachfolgend wird die Erfindung an den Figuren 1 bis 4 näher erläutert,
wobei in Figur 1 ein erfindungsgemäß ausgebildeter Koinzidenzdemodulator und in
den Figuren 2 bis 4 regelbare Phasenschieber dargestellt sind.
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In Figur 1 ist ein erfindungsgemäß regelbarer Koinzidenzdemodulator
dargestellt. Über die Zuführung 1 und ein Bandfilter 2 wird die frequenzmodulierte
Wechselspannung an die Eingänge eines Verstärkers 3, der als Begrenzungsverstärker
ausgelegt ist, gegeben. Das Ausgangssignal des Verstärkers
3, im
Falle eines Begrenzungsverstärkers eine frequenzmodulierte Rechteckspannung konstanter
Amplitude, wird einerseits direkt und andererseits über einen frequenzabhängigen
Phasenschieber 4 an die beiden E.ingänge eines UND-Gatters 5 gegeben. Das UND-Gatter
5 gibt Rechteckimpulse konstanter Amplitude ab, deren Breite von der Zeitdauer abhängt,
mit der an den beiden Eingangen des UND-Gatters 5 Spannungen gleicher Polarität
anliegen. Diese Zeitdauer und damit die genannte Impulsbreite hängen von der durch
den Phasenschieber 4 bewirkten frequenzabhängigen Phasenschiebung ab. Über den aus
dem Widerstand 9 und den Kondensator 10 gebildeten Tiefpaß, dessen Grenzfrequenz
über der oberen Schranke der Modulationsfrequenz liegt, tritt am Ausgang 11 des
Koinzidenzdemodulators eine mit der Nodulationsfrequenz pulsierende Gleichspannung,
das demodulierte Signal, auf.
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Der Widerstand 6 und der Kondensator 7 großer Kapazität Wilden einen
Tiefpaß mit einer Grenzfrequenz, die geringer ist als die untere Schranke der Modulationsfrequenz.
Am Kondensator 7 tritt als Spannung der zeitlichte Mittelwert einer mit der Modulationsfrequenz
pulsierenden Gleicllspannung auf.
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Die Größe dieses zeitlichen Mittelwertes hängt eindenfig von der Mittenfrequenz
der frequenzmodulierten Wechselspannung, die im Koinzidenzdemodulator demoduliert
wird, ab. Diese Spannung ist dabe 1. als Regel-Spannung für den Phasenschieber geeignet
und wird dieser er die Verbindung 8 zugeführt.
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Phasenschieber 4, wie sie in Koinzidenzdemodulatoren und anderen FM-Demodulatoren
eingesetzt werden, sind meist als Parallelschwingkreise aus indukt iven und kapazi
tiven Bauelementen aufgebaut und so abgestimmt daß ihre Eigenfrequenz mit der Mittenfrequenz
der frequenzmodulierten Wechselspannung übereinstimmt. In solcher Weise abgestimmte
Phasenschieber führen bei der Mittenfrequenz zu einer Phasenschiebung um 90°.
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Ein positiver Frequenzhub führt zu einer Phasenschiebung von mehr
als 900, während eine unter der Mittenfrequenz liegende Frequenz eine Phasenschiebung
von weniger als 900 bewirkt.
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Die Regelschaltung wirkt in diesem Fall genau so, daß der Phasenschieber
mit seiner Resonanzfrequenz ständig auf die Mittenfrequenz der frequenzmodulierten
Wechselspannung abgestimmt ist. Dies wird dadurch gewährleistet, daß bei Abweichungen
des Istwerts der über die Zuleitung 8 geführten Regelspannung vom der Mittenfrequenz
zugeordneten Sollwert der Phasenschieberkreis so nachgestimmt wird, daß der Istwert
der Regelspannung mit dem genannten Sollwert übereinstimmt.
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Der regelbare Phasenschieber 4 wird nachfolgend an den Figuren 2 bis
4 an verschiedenen erfindungsgemäßen Ausführungsformen erläutert.
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Mit der Zu- und Ableitung 20 und 21 ist der Phasenschieber zwischen
den Verstärker 3 und das TND-Gatter 5 gemäß Figur 1 gelegt. Die Induktivität 12
und die Kapazität 13 bilden den abzustimmenden Parallelresonanzkreis des Phasenschiebers.
Mit den Kapazitäten 14 und 15 wird die veränderbare Kapazität von dem übrigen Teil
des Phasenschiebers galvanisch getrennt. Die Kapazitäten 14 und 15 sind dabei so
bemessen, daß im wesentlichen die Kapazität 13 und die veränderbare Kapazität die
Eigenschaften des Phasenschiebers bestimmen.
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In Figur 2 ist eine im Sperrbereich betriebene Kapazitätsvariationsdiode
IG dargestellt. Diese Diode erhält über die Zuleitung 8 und den Widerstand 22 die
Regelspannung sowie über den Anschluß 18 und den Widerstand 23 eine konstante Bezugsspannung,
die aus einer im Koinzidenzdemodulator intern gewonnenen oder extern erzeugten Konstantspannung
gebildet werden kann.
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Ferner ist es, wie in Figur 3 dargestellt, möglich, die von der Durchlaß-.
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spannung abhängige Diffusionskapazität einer üblichen Diode als regelbare
Kapazität zu nutzen. Diese Diode wird dabei, wie auch bei Fig. 2 beschrieben, über
18 mit einer konstanten Bezugsspannung derart versorgt, daß durch die über 8 zugeführte
Regelspannung die im Durchlaßbereich wirksame Diffusionskapazität verändert wird.
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Darüber hinaus kann auch die Diffusionskapazität eines Transistors
als regelbare Kapazität eingesetzt werden. Dazu wird gemäß Figur 4 beispiel weise
bei einem npn-Transistor die Basis über die Zuführung 18 und den Widerstand 23,
wie auch bei Fig. 2 beschrieben, gegenüber dem Kollektor und dem Emitter mit einer
konstanten Spannung positiv vorgespannt. Die Regelspannung wird über die Zuleitung
8 und den Widerstand 22 an den mit dem Kollektor galvanisch verbundenen Emitter
geführt. Auch auf diese Weise läßt sich der Phasenschieber regeln.
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Schließlich ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich, die
in den Figuren 2 bis 4 dargestellte Induktivität 12 ganz oder teilweise durch eine
nicht näher dargestellte regelbare Gyratorinduktivität zu ersetzen Auf veränderbare
Kapazitäten könnte in diesem Fall verzichtet werden. Da sich Gyratoren wie auch
die übrigen Baugruppeneines Koinzidenzdemodulators als integrierte Schaltungen realisieren
lassen, kann auf diese Weise ein durch Regelung selbstabgleichender Koinzidenzdemodulator
in integrierter Technologie hergestellt werden. Mit der regelbaren Gyratorinduktivität
wird somit gewährleistet, daß der Phasenschieber in allen Betriebslagen auf die
Hittenfrequenz der frequenzmodulierten Wechselspannung abgeglichen ist Bei selbstabgleichenden
elektronischen Schaltungen zur Demodulation frequenzmodulierter Wechselspannungen
gemäß der vorliegenden erfindung werden fertigungsbedingte Toleranzen sowie temperaturabhängige
und alterungstedingte Änderungen in den elektrischen Eigenschaften der Bauelemente
des Pbasenschiebers automatisch ausgeregelt. Erfindungsgemäße Demodulatoren sind
ohne zusätzliche Abgleicbarbeiten einf ach, beispielsweise als integrierte Schaltung,
herzustellen und zeichnen sich durch eine hohe Betriebssicterbeit aus.
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L e e r s e i t e