DE2845598A1

DE2845598A1 - Digitale uebertragungseinrichtung fuer analoge daten

Info

Publication number: DE2845598A1
Application number: DE19782845598
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Dipl Ing Suzuki; Tomohiro Dipl Ing Takikawa
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1977-10-22
Filing date: 1978-10-19
Publication date: 1979-04-26
Also published as: JPS5460509A; DE2845598B2

Description

Digitale Ubertragungseinrichtung für analoge Daten
Es wird die Priorität aus der Japanischen Patentanmeldung Nr. 127 060/1977 vom 22.10.1977 Diese Erfindung bezieht sich auf eine digitale Ubertragungseinrichtug für analoge Daten mit Pulsbreitenmedulation. Pulsamplitudenmodulation, Pulsbreitenmodulation, Pulsphasenmodulation und Pulscodemodulation sind in digitalen Übertragungssystemen für analoge Daten bekannt und werden meist beim sogenannten Multiplexbetrieb zur Bewältigung größerer Datenmengen eingesetzt. Dementsprechend erfordern diese konventionellen Pulsmodulationsverfahren sehr aufwendige Geräte und Synchronisierungsschaltkreise, was zur Folge hat, daß diese Übertragungsmethoden sehr teuer werden, wenn nur geringere Datenmengen zu übertragen sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, auf wirtschaftliche Art schnell und genau analoge Daten kontinuierlich zu übertragen. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art dadurch, daß ein Sender für einen von einem Analogsignal pulsbreiten- und pulsfrequenzmodulierten Impulszug sowie ein Empfänger vorgesehen ist, der mittels eines Integrators den arithmetischen Mittelwert dieses Impulszuges erfaßt.
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für den in der erfindungsgemäßen Übertragungseinrichtung verwendeten Sender.Eine analoge Spannung VIN, welche proportional einem zu übertragenden analogen Eingangssignal ist, liegt an der Eingangsklemme eines Integrators 1, welcher einen Operationgsverstärkei Q1, Eingangswiderstände R11, R12, R13 und einen Gegenkopplungskondensator C1 aufweist.
Weitere Eingangsgrößen des Integrators 1 bestehen in den konstanten Referenzspannungen-VR bzw. +VR, welche über komplementär zueinander betätigbare Schalter S1, S2 geführt sind. Der Ausgang V1 des Integrators 1 ist mit einem aus einem Operationsverstärker Q2 bestehenden Komparator 2 verbunden, dessen Referenzeingang mit der konstanten Spannung +VR oder -VR über wechselweise betätigbare Schalter S3 oder S4 verbunden ist. Das Ausgangssignal V0 des Komparators 2 ist mit einem lichtemittierenden Element D, im dargestellten Beispiel mit einer Leuchtdiode, verbunden, welche aktiviert wird, wenn das Ausgangssignal des Komparators 2 ein niedriges Spannungsniveau aufweist. Das Ausgangs signal V0 des Komparators 2 ist außerdem für die Betätigung der Schalter S1 bis S4 in der Weise verwendet, daß die Schalter S1 und S3 geschlossen werden, wenn das Signal V0 ein hohes Spannungsniveau aufweist, während die Schalter S2 und S4 geschlossen werden, wenn sich das Ausgangssignal des Komparators 2 auf einem niedrigen Spannungsniveau befindet.
Um die für diese Steuerung notwendigen komplementären Signale zu erhalten, ist das Ausgangssignal des Komparators 2 über eine Umkehr- oder Inverterstufe INV1 geführt, dessen Ausgangsspannung als Steuersignal für die Schalter S2 und S4 verwendet ist.
Wenn es auf hohe Schaltgeschwindigkeit und prellfreies Schalten ankommt, dann werden als Schalter Sl bis S4 vorteilhafterweise anstelle von mechanischen Schaltern Halbleiterschalter, beispielsweise in Form von Transistoren oder Feldeffekt-Transistoren verwendet. Die Spannungen +VR und VR werden im hinblick auf die zu erwartenden Werte der analogen Eingangsspannung VIN so gewählt, daß die Beziehung gilt: -VR # VIN # +VR Unter der Voraussetztung, daß R11 = R12 = R13 = R1 ist, ergeben sich die in Figur 2 dargestellten Signalverläufe.
Wahrend einer Zeitdauer A, in welcher die analoge Eingangsspannung VIN = () ist, wird der Integrator 1 entweder mit der Eingangsspannung +VR oder -VR beaufschiagt und erzeugt eine Ausgangsspannung V1, deren zeitliche Änderung durch seine Integrierzeit bestimmt ist, welche durch das Produkt von dem Kapazitätswert des Kondensators Cl und dem Widerstandswert des Widerstandes R1 bestimmt ist.
Jedes Mal, wenn die Ausgangsspannung V1 des Integrators 1 den Wert +VR bzw. VR erreicht, schlägt das Ausgangssignal des Komparators 2 um, so daß die Leuchtdiode D abwechselnd ein- und ausgeschaltet wird und ein Betätigungswechsel der entsprechenden Schalter 52 und S4 bzw. S1 und S3 stattfindet. Dabei beginnt der Integrator die Integration von einem Zustand, bei dem seine Ausgangsspannung+VR bzw. -VR beträgt, jeweils zu einem anderen Zustand, wo sie den Wert VR bzw. eVR aufweist. Wenn die Ausgangsspannung -VR oder +VR erreicht, wird der Komparator wieder eine Umschaltung der Schalter Sl - S4 vornehmen. Auf diese Weise wird die Ausgangsspannung V1 des Integrators 1 dreieckförmig und die Ausgangs spannung V0 des Komparators 2 erhält die Form eines Impulszuges, dessen Amplituden abwechselnd +VCC und 0 sind, je nachdem, ob die dreieckförmige Ausgangsspannung V1 des Integrators 1 eine positive oder eine negative Spannung aufweist.
Im nächsten Zeitabschnitt B soll eine zu übertragende Gleichspannung VIN ~ O am Eingang des Integrators 1 wirksam werden. Fiir das Zeitintervall T1 von t0 bis t1, wird darm die Ausgangsspannung des Integrators 1 wobei deren Steigung gegeben ist durch (VR - i)/C1 . R1 und flacher ist als sie sich während des Zeitabschnitts A während der Dauer T1 eines Impulses der Spannung V0 ergeben hat. Die Spannung V1 steigt wiederum zu einem Spannungsniveau an, welches der Referenzspannung +VR des Komparators 2 entspricht. Die obige Gleichung (1) liefert die Bestimmungsgleichung für die Zeitdauer T1: In dem daran anschließenden Zeitintervall T2 zwischen t1 und t2 veranlaBt ein Betätigungswechsel der Schalter S1 bis S4, daß der integrator nunmehr von den Spannungen VIN und +VR beaufschlagt wird und demzufolge nun für seine Ausgangsspannung V1 gilt: Die Spannung V1 bewegt sich also zeitlinear gegen das Spannungsniveau VR mit einer durch den Ausdruck -(VR + VIN)/C1.R1 bestimmten Steigung.
Die Zeitdauer T2 = t2 - t1, in welcher die Spannung V1 das Spannungsniveau VR erreicht, entspricht einer Pulspause des zu übertragenden Impulses. Mit Gleichung (3) ergibt sich für die Zeitdauer T2 folgende Gleichung: Pulsdauer T1 und Pulspause T2 des zu übertragenden Impulszuges ergeben sich also zu und seine Pulsfrequenz f zu Während des Zeitintervalles A in Figur 2 ergeben sich Pulsdauer, Pulspause und Pulsfrequenz durch Einsetzen des Wertes VIN = O in die Gleichungen (5) - (7). Für den Fall, daß die analoge Eingangs spannung VIN von negativer Polarität ist, kann in den Gleichungen (5) - (7) der entsprechende negative Wert für VIN eingesetzt werden, um die Größen T1, T2 und f zu erhalten.
Auf diese Weise wird in Abhängigkeit von Größe und Polarität einer analogen Eingangs spannung VIN ein pulsbreiten-und frequenzmodulierter Impulszug erhalten.
Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für den am anderen Ende der Übertragungsstrecke angeordneten Empfänger. Die senderseitig von dem lichtemittierenden Element D ausgesandten Lichtimpulse erreichen ein lichtempfindliches Element, das in der Figur 3 als Fototransistor T dargestellt ist. Das Ausgangssignal V2 des Fototransistors T und dessen mittels einer Umkehrstufe IIJV2 invertiertes Ausgangssignal dienen dazu, abwechselnd die Spannungen und und 4 VR aul den Eingang eines Integrators 3 zu schalten. So wird ein Schalter Aj geschlossen während der Pulsdauer T1 des übertragenen Impulszuges, und der andere Schalter S6 ist jeweils wähnend der Pulspause T2 des übertragenen Impulszuges geschlossen. Der Integrator 3 besteht aus einem Operationsverstärker Qß, einem Eingangswiderstand R51, einem Integrierkondensator C21 und einem Begrenzungswiderstand R61.
Die Ausgangsspannung V4 des Integrators 3 wird somit dreieckförmig, mit Spitzen jeweils zu den Zeitpunkten allsteigender und fallender Flanken der Spannungen V2 und V3. Der Mittelwert V4 der Ausgangsspannung V4 des Integrators 3 ist gegeben durch und damit gemäß Gleichungen (5) und (6) gleich bzw. proportional VIN. Auf diese Weise stellt der Mittelwert E der Ausgangs spannung V4 des Integrators 3 einen demodulierten Wert dar, welcher die analoge Eingangsspannung VIN auf der Senderseite repräsentiert.
Wenn der Integrator 3 eine genügend große Integrationszeitkonstante hat, kann bereits seine Ausgangsspannung als genügend genaue Abbildung der senderseitig eingegebenen analogen Eingangs spannung VIN dienen. Allerdings bedingt eine solche große Zeitkonstante eine entsprechend große Ansprechverzögerung, so daß der richtige Wert der senderseitig eingegebenen analogen Gleichspannung erst nach einer gewissen Zeit auf der Empfängerseite erscheint. Um bei kleiner Zeitkonstante des Integrators 3 ein schnelles Ansprechen und trotzdem empfangsseitig eine glatte Ausgangsspannung zu erhalten, kann zusätzlich ein Glättungsglied eingesetzt werden, welches weitere Integratoren 4 und 5, ein Summierglied 6 und Schalter S7 und S8 enthält. Jeder der Integratoren 4 und 5 enthält einen Operationsverstärker Q4 bzw. Q5, Eingangswiderstände R52, R62 bzw. R 53, R63 und Integrierkondensatoren C23 bzw. C22 und wird eingangsseitig Jeweils von der Eingangs spannung V3 und der Ausgangsspannung V4 des Integrators 3 beaufschlagt. Den Kondensatoren C22 und C23 sind jeweils Schalter S7 bzw. 58 parallelgeschaltet, welche bei Betätigung ein Rückstellen der Integratoren 4 bzw. 5 bewirken. Die Schalter S7 und S8 werden abwechselnd in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal der Differenzierglieder 7 und 8 geschlossen. Die Differenzierglieder 7 und 8 sind vom Ausgangs signal V2 des Fototransistors T bzw. vom Ausgangssignal INV2 beaufschlagt. Die Summe der Ausgangsspannungen ergibt die in Figur 4 mit V5 bezeichnete Spannung, welche nurmehr noch aus den Oberwellen der Ausgangs spannung V4 des Integrators 3 besteht Der Gleichspannungsmittelwert,welcher die analoge Eingangsspannung VIN repräsentiert, kann damit mittels der in einem Summierglied 6, bzw. in einem Operationsverstärker Q6 gebildeten Differenz Vx zwischen den Spannungen V4 und V5 erhalten werden. Dadurch können verzögerungsfrei sämtliche Oberwellenkomponenten aus der Ausgangsspannung V4 des Integrators 3 eliminiert werden, sodaß deren reiner Gleichspannungsmittelwert V4 übrigbleibt. Ein derartiges Filter- oder Glättungsglied ist an sich bekannt und in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 74 55311976 beschrieben.
4 Patentansprüche 4 Figuren L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche Digitale Übertragungseinrichtung fiir analoge Daten mit Pulsbreitenmodulation, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß ein Sender für e einen von einem Analogsignal pul sbre i ten- und puls frequenzmodul ier ten Impulszug sowie ein Empfänger vorgesehen ist, der mittels eines Integrators den arithme tischen Mittelwert dieses Impulszuges erfaßt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Sender einen Integrator (1) aufweist, dem die zu iibertragende analoge Spannung (VIN) und über zwei erste, komplementär zueinander beträtigte Schaltglieder (S1, S2) entweder eine Referenzspannung (+VR) positiver oder eine Referenzspannung (-VR) negativer Polarität zugeführt ist, wobei die Schaltglieder vom Ausgangssignal eines Komparators (2) betätigt werden, dem eingangsseitig die Ausgangsspannung (V1) des Integrators und über von zwei zweiten, synciron mit den ersten Schaltgliedern betätigten Schaltgliedern (S3, S4) eine der beiden Referenzspannungen zugeführt ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Empfarlger einen ersten Integrator (3) aufweist, er eingangsseitig fijr die Dauer einer Impulspause des ijbertragenen Impulszuges (V2) mit einer negativen, konstanten Spannung und für die Dauer eines Impulses des übertragenen Impulszuges mit einer positiven konstanten Spannung beaufschlagt ist, daß der Empfänger weiterhin einen zweiten (4) und einen dritten (5) Integrator aufweist, denen eingangsseitig das Eingangs- und das Ausgangssignal des ersten integrators zllgeführt ist deren Ausgangsspannungen in einem Summierglied (6) addiert und vom Ausgangssignal des ersten Integrators subtrahiert werden, wobei der zweite Integrator jeweils zu Beginn eines Impulses des übertragenen Impulszuges und der dritte Integrator jeweils zu Beginn einer Impulspause des übertragenen Impulszugs rückgestellt wird.

$. Einrichtung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h ri e t , daß der Empfänger zwei Differenzerstufen (7, 8) zum Erfassen des Beginns eines Impulses bzw. einer Impulspause aufweist.