DE2839654A1

DE2839654A1 - Schaltungsanordnung mit einem nichtlinearen uebertragungsglied mit totzone zur unterdrueckung des stoeranteils in verrauschten messignalen

Info

Publication number: DE2839654A1
Application number: DE19782839654
Authority: DE
Inventors: Edmund Dipl Ing Linzenkirchner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1978-09-12
Filing date: 1978-09-12
Publication date: 1980-03-20
Also published as: FR2436397B1; ATA597079A; DE2839654C2; FR2436397A2; JPS5543494A; AT370247B

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 78 P 3 5 3

Schaltungsanordnung mit einem nichtlinearen Übertragungsglied mit Totzone zur Unterdrückung des Störan-

teils in verrauschten Meßsignalen

Zusatz zu Patent .. ..... (Patentanm. P 27 12 303.1)

Das Hauptpaterit bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Unterdrückung des Störanteils in verrauschten Meßsignalen, bei der der Ausgang eines Differenzgliedes mit dem Meßsignal und dem Ausgangssignal der Schaltungsanordnung als Eingangsgrößen mit dem Eingang eines nichtlinearen Übertragungsgliedes mit einstellbarer Totzone und hoher Verstärkung im Durchlaßbereich verbunden ist und ein Summationsglied, dessen Eingänge an die Ausgänge des Differenzgliedes und des nichtlinearen Übertragungsgliedes angeschlossen sind, ein Integrierglied mit einstellbarer Integrationszeit speist, dessen Ausgang das Ausgangssignal der Schaltungsanordnung führt. Dieses Ausgangssignal entspricht dem Mittelwert des verrauschten Meßsignals am Eingang der Schaltungsanordnung, die auch als nichtlineares Filter bezeichnet werden kann. Bis zu einer bestimmten Frequenz werden die Ände-

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rungen des Meßsignals als NutzSignaländerungen, darüber als Störsignal definiert. Die in dem nichtlinearen Übertragungsglied wirksame Totzone soll so eingestellt werden, daß ihre Breite der Amplitude des Störsignals entspricht.

Da bei dem zu unterdrückenden höherfrequenten Störsignal in der Praxis häufig Änderungen der Amplitude auftreten, wird gefordert, daß sich die Breite der Totzone automatisch an die gerade auftretenden Störsignalamplituden anpaßt.

Im Hauptpatent ist dafür ein Adaptionsglied vorgesehen, das aus einem Hochpaß und einem nachgeschalteten Spitzenwertdetektor besteht, dessen Ausgangssignal die Totzonenbreite im nichtlinearen Übertragungsglied in Abhängigkeit vom Eingangssignal des Filters, also von dem verrauschten Meßsignal, steuert.

Es hat sich herausgestellt, daß Änderungen des Nutzsignals wenigstens vorübergehend die Güte der Adaption nachteilig beeinflussen können. Wird eine möglichst scharfe Grenze zwischen dem zu übertragenden Nutzsignal und dem zu unterdrückenden Störsignal gewünscht, ist der Aufwand für die Adaption in der vorgeschlagenen Weise relativ groß.

Es besteht demgemäß die Aufgabe, eine Adaptionsschaltung zur Einstellung der Totzonenbreite in Abhängigkeit von der Amplitudenänderung des Störsignals anzugeben, die relativ einfach aufgebaut ist und eindeutige Signalverhältnisse schafft.

Eine Lösung der Aufgabe bei einer Schaltungsanordnung gemäß dem Hauptpatent wird darin gesehen, daß die Einstellung der Breite der Totzone im nichtlinearen Übertragungsglied mittels eines Adaptionsglieds in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des nichtlinearen Übertragungs-

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gliedes erfolgt, vorzugsweise in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Folge von Ausgangsimpulsen wechselnder Polarität.

Damit wird sichergestellt, daß die Einstellung der Totzonenbreite nicht von momentan auftretenden Störungsspitzen beeinflußt wird, sondern lediglich von der Amplitudenhöhe des im Vergleich zum Nutzsignal höherfrequenten Störsignals.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Unteransprüchen. Figur 1 zeigt die Schaltungsanordnung im Prinzip, Figur 2 ein Ausführungsbeispiel einer Schaltung des Adaptionsgliedes,

Figur 3 ein anderes Ausführungsbeispiel einer Schaltung des Adaptionsgliedes,

Figur 4 die Spannungsverläufe an verschiedenen Punkten der Schaltung nach Figur 3.

Figur 1: Das der Schaltungsanordnung zugeführte verrauschte Meßsignal U setzt sich aus einem niederfrequenten Nutzsignal und einem überlagerten höherfrequenten Störsignal zusammen. Beispielsweise sei der Anteil bis 1 Hz als Nutzsignal, die darüberliegenden Frequenzen als Störsignal, d. h. als Rauschanteil, definiert, der mit Hilfe der Schaltungsanordnung unterdrückt werden soll, so daß das Ausgangssignal U der Schaltungsanordnung dem Mittelwert des Eingangssignals U_e entspricht und diesem unverzögert folgt.

Dazu wird, wie bereits im Hauptpatent dargestellt, das Meßsignal U einem Differenzglied 1 zugeführt und dort die Differenz zwischen dem verrauschten Meßsignal U und seinem Mittelwert, nämlich dem Ausgangssignal U_& der Schaltungsanordnung, gebildet. Die Differenz wird parallel einem nichtlinearen Übertragungsglied 2 mit einstell-

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barer Totzonenbreite TB und einem Summationsglied 3 zugeführt. Das nichtlineare Übertragungsglied 2 mit einstellbarer Totzone und hoher Verstärkung im Durchlaßbereich kann beispielsweise ein Dreipunktschalter sein, dessen Ausgangssignal als weitere Eingangsgröße dem Summationsglied 3 aufgeschaltet ist. Die gebildete Summe wird in dem folgenden Integrierglied 4 aufintegriert. Die Totzonenbreite TB des nichtlinearen Übertragungsglieds 2 ist so einzustellen, daß sie gleich oder größer ist als die größte Amplitude des Störsignals, dieses also nicht übertragen wird. Ist die Amplitude des Störsignals nicht konstant, sondern zeitlichen Änderungen unterworfen, ist die Totzonenbreite TB automatisch der Störsignalamplitude anzupassen. Dazu dient das Adaptionsglied 12, dessen Eingang mit dem Ausgang des nichtlinearen Übertragungsgliedes 2 verbunden ist und welches ein die Totzonenbreite TB steuerndes Ausgangssignal abgibt. Um eine möglichst verzögerungsfreie Übertragung der Änderungen des Nutzsignals zu erreichen, ist die Totzonenbreite der momentanen Störsignalamplitude anzupassen. Vergrößert sich diese Amplitude, ist also die Totzonenbreite TB zu klein eingestellt, so tritt am Ausgang des nichtlinearen Übertragungsglieds 2 eine Folge von Impulsen wechselnder Polarität auf, deren Impulsfolgefrequenz gleich der Störsignalfrequenz ist. Eine vorgebbare Anzahl von Impulsen dieser Impulsfolge dient zur Steuerung des Ädaptionsgliedes 12.

Die Impulsfolge a, siehe auch Figur 4, wird, wie in Figur 2 dargestellt, einer das Adaptionsglied 12 bildenden Schaltungsanordnung zugeführt und steuert dort ein Zeitglied 5 mit der Laufzeit t^ an. Elektronische Zeitglieder sind, wie bekannt, Schaltkreise, die nach Anregung durch einen Eingangsimpuls für eine vorgebbare Zeitspanne, nämlich die Laufzeit t, ein Ausgangssignal führen.

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Das Ausgangssignal des Zeitgliedes 5 ist dem einen Eingang eines UND-Gliedes 8 aufgeschaltet, dessen anderem Eingang über ein. invertierendes Glied 18 ebenfalls das Ausgangssignal des nichtlinearen Übertragungsgliedes 2 zugeführt ist.

Die Laufzeit t* des Zeitgliedes 5 ist entsprechend der Periodendauer der niedrigsten Störsignalfrequenz eingestellt. Ein positiver Impuls der Impulsfolge a setzt das Zeitglied 5 in Gang, so daß heim Eintreffen des folgenden, negativen Impulses das UND-Glied 8 durchschaltet und ein folgendes Zeitglied 9 mit der Laufzeit t^ in der Größenordnung von Millisekunden anregt. Sein Ausgangssignal ist dem einen Eingang eines Differenzgliedes 11 auf geschaltet, an dessen anderem Eingang eine Konstantspannung U, liegt, die kleiner ist als die Spannung des Ausgangssignals der Zeitstufe 9. Die gebildete- Differenz wird in dem Integrierglied 10 aufintegriert; dessen Ausgangsspannung g, siehe auch Figur 4, veranlaßt die störamplitudenproportionale Änderung der Totzonenbreite TB im nichtlinearen Übertragungsglied 2.

In dem mit wenigen handelsüblichen elektronischen Bausteinen aufgebauten Adaptionsglied in der Ausführungsform nach Figur 2 werden, wie ersichtlich, zwei Impulse der Impulsfolge a, nämlich ein positiver und ein negativer, zur Bildung des Steuersignals der Totzonenbreite TB eingesetzt. Dabei ist es jedoch nicht ausgeschlossen, daß einzeln auftretende, zufällige Störimpulse oder die Flanken von AusgangsSignalen des nichtlinearen Übertra-

JO gungsgliedes 2 bei pl'Stzlichen Änderungen des Nutzsignals eine nicht notwendige Änderung der Totzonenbreite verursachen.

Demzufolge werden in einer bevorzugten Ausführungsform drei aufeinanderfolgende Impulse wechselnder Polarität der Impulsfolge a zur Gewinnung des Steuersignals für

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die Totzonenbreite eingesetzt. Ein entsprechendes Schaltungsbeispiel für das Adaptionsglied 12 ist in Figur 3 dargestellt, das mit dem Schaltungsprinzip des Ausführungsbeispiels nach Figur 2 übereinstimmt und lediglich eine erweiterte Eingangsschaltung aufweist. Gleiche Teile sind deshalb mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Spannungsverläufe an den Punkten a bis g sind, über der Zeit aufgetragen, in Figur 4 dargestellt.

Von dem ersten positiven Impuls der Impulsfolge a wird das für positive Eingangsimpulse empfindliche Zeitglied 5 angeregt, dessen Laufzeit t^ größer oder gleich der Periodendauer der niedrigsten Störfrequenz eingestellt ist. Sein Ausgang führt während dieses Zeitraums ein Ausgangssignal b. Dieses Ausgangssignal ist dem einen Eingang eines ersten UND-Gliedes 13 aufgeschaltet, an dessen anderem Eingang über ein invertierendes Glied β der dem positiven Impuls der Impulsfolge a folgende negative Impuls wirksam wird. Das UND-Glied 13 schaltet durch und regt ein zweites Zeitglied 7 mit der Laufzeit tp an, die gleich oder kürzer als die Laufzeit t^ des ersten Zeitgliedes 5 eingestellt ist. Sein Ausgangssignal c ist wie das Ausgangssignal b zwei Eingängen eines zweiten UND-Gliedes 8 aufgeschaltet, an dessen dritten Eingang über die Leitung 19 der dritte Impuls der Impulsfolge a wirksam wird und es den Ausgangsimpuls d führt, der die folgende dritte Zeitstufe 9 mit der Laufzeit t-z anregt und gleichzeitig zum Rücksetzen der Zeitstufen 5 und 7 dienen kann. In dem Differenzglied 11 wird das Ausgangssignal e des Zeitgliedes 9 gegen die kleine Konstantspannung U^ geschaltet; es entsteht der Spannungsverlauf f, der in dem Integrationsglied 10 aufintegriert wird, so daß an dessen Ausgang eine Steuerspannung g mit dem in Figur 4 dargestellten Verlauf abgenommen werden kann, welche die Totzonenbreite TB des nichtlinearen Übertragungsgliedes 2 steuert.

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Man erkennt, daß je nach Höhe der negativ aufgeschalteten Konstantspannung IL die Totzonenbreite TB auch bei sinkenden Amplituden des Störsignals diesen mehr oder weniger schnell nachgeführt wird.

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Claims

7δ Ρ 3 5 3 h BRD Patentansprüche

¹.1.J Schaltungsanordnung zur Unterdrückung des Störanteils in verrauschten Meßsignalen, bei der der Ausgang eines Differenzgliedes mit dem Meßsignal und dem Ausgangssignal der Schaltungsanordnung als Eingangsgrößen mit dem Eingang eines nichtlinearen Übertragungsgliedes mit einstellbarer Totzone und hoher Verstärkung im Durchlaßbereich verbunden ist und ein Summationsglied, dessen Eingänge an die Ausgänge des Differenzgliedes und des nichtlinearen Übertragungsgliedes angeschlossen sind, ein Integrierglied mit einstellbarer Integrationszeit speist, dessen Ausgang das Ausgangssignal der Schaltungsanordnung führt, gemäß Patent (Pa-

tentanm. P 27 12 303.1), dadurch gekennzeichnet , daß die Einstellung der Totzonenbreite (TB) im nichtlinearen Übertragungsglied (2) automatisch mittels eines Adaptionsgliedes (12) in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des nichtlinearen Übertragungsgliedes (2) erfolgt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Einstellung in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Anzahl von Impulsen wechselnder Polarität einer Impulsfolge (a) am Ausgang des nichtlinearen Übertragungsgliedes (2) erfolgt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Einstellung und Abhängigkeit von einer Folge von zwei Ausgangsimpulsen wechselnder Polarität erfolgt.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Einstellung in Abhängigkeit von einer Folge von drei Ausgangsimpulsen wechselnder Polarität erfolgt.

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ORIGINAL INSPECTED

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5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch

a) ein vom Ausgangssignal des nichtlinearen Übertragungsgliedes (2) angesteuertes Zeitglied (5) mit der Laufzeit (t^),

b) ein UND-Glied (8), dessen einer Eingang mit dem Ausgang des Zeitgliedes (5) und dessen anderer Eingang über ein invertierendes Glied (18) mit dem Ausgang des nichtlinearen Übertragungsgliedes (2) verbunden ist,

c) ein weiteres Zeitglied (9) mit der Laufzeit (t,), dessen Eingang mit dem Ausgang des UND-Gliedes (8) verbunden ist,

d) ein Differenzglied (11), dessen einer Eingang mit dem Ausgang des UND-Gliedes (8) und dessen anderer Eingang mit einer Konstantspannung (U^) beschaltet ist,
e) ein Integrationsglied (10), dessen Eingang mit dem Ausgang des Differenzgliedes (11) verbunden ist und dessen Ausgang mit dem Steuereingang zur Einstellung der Totzonenbreite (TB) des nichtlinearen Übertragungsgliedes (2) verbunden ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch

a) ein für positive Steuersignale empfindliches erstes Zeitglied (5) mit der Laufzeit (t^), an dessen Eingang das Ausgangssignal des nichtlinearen Übertragungsgliedes (2) liegt,

b) ein UND-Glied (13), auf dessen einen Eingang der Ausgang des ersten Zeitgliedes (5) und auf dessen anderen Eingang über ein invertierendes Glied

(6) der Ausgang des nichtlinearen Übertragungsgliedes (2) geschaltet ist,

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c) ein zweites Zeitglied (7) mit der Laufzeit (t₂), dessen Eingang mit dem Ausgang des UND-Gliedes (13) verbunden ist,

d) ein zweites UND-Glied (8), an dessen erstem Eingang der Ausgang des ersten Zeitgliedes (5), an dessen zweitem Eingang der Ausgang des zweiten Zeitgliedes (7) und an dessen drittem Eingang der Ausgang des nichtlinearen Übertragungsgliedes (2) liegen,

e) ein drittes Zeitglied (9) mit der Laufzeit (t,), dessen Eingang mit dem Ausgang des zweiten UND-Gliedes (8) verbunden ist,

f) ein Differenzglied (10), in welchem die Differenz zwischen dem Ausgangssignal des dritten Zeitgliedes (9) und einer konstanten Spannung (U_k) gebildet wird,

g) ein Integrationsglied (10), dessen Eingang mit dem Ausgang des Differenzgliedes (11) verbunden ist und dessen Ausgangssignal die Totzonenbreite (TB) des nichtlinearen Übertragungsgliedes (2) steuert.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lauf- zeiten (t₁ bzw. t₂) der Zeitglieder (5, 7) größer oder gleich der Periodendauer der niedrigsten Störfrequenz eingestellt sind.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3_t dadurch gekennzeichnet, daß die Laufzeit des zweiten Zeitgliedes (7)- kleiner gleich der Laufzeit des ersten Zeitgliedes (5) eingestellt ist.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 oder 6, d a durch gekennzeichnet,, daß der Aus-

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gang des UND-Gliedes (8) mit den Rücksetz-Eingängen der vorgeschalteten Zeitglieder (5» 7) verbunden ist.

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