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"Schaltungsanordnung zur Unterdrückung des Netz-
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brumms in Nutzsignalen" Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung
zur Unterdrückung des Netzbrumms in Nutzsignalen.
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Durch die Stromversorgung eines Meßgerätes, einer Regelanlage, einer
Video- oder Audioanlage mit der Netzspannung kommt es häufig zu einer Uberlagerung
der Nutzsignale mit einem Störsignal, das aus der Netzfrequenz entsteht. Die entsprechenden,
als "Netzbrumm" bezeichneten Störsignale, haben in Europa eine Frequenz von 16,66
Hz, 50 Hz und Oberwellen hiervon.
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In üblicher Technik wird versucht, das Nutzsignal, das im allgemeinen
ein höher-frequentes Signal ist, durch Hochpaßfilter von dem niederfrequenten Netzbrumm
zu befreien. Die Filteranordnungen verursachen jedoch im Frequenzband Einbrüche
und Phasenverschiebungen und sind auch theoretisch ungeeignet, solche
Oberwellen
der Netzfrequenz zu unterdrücken, die im Bereich der Nutzfrequenz des Nutzsignals
liegen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
zur Unterdrückung des Netzbrumms in Nutzsignalen anzugeben, die eine frequenzunabhängige
Kompensation des Netzbrumms ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Synchronisationsschaltung
zur Synchronisation eines Taktgenerators mit der tiefsten Frequenz des Netzbrumms,
durch einen digitalen Datenspeicher zur durch den Taktgenerator gesteuerten Abspeicherung
einer Periode des Netzbrumms in digitaler Form und durch eine Subtraktionsschaltung,
deren einem Eingang das gestörte Nutzsignal und deren anderem Eingang die gespeicherte
Periode des Netzbrumms nach der Rückwandlung in ein Analogsignal durch den Taktgenerator
mit dem gestörten Nutzsignal synchronisiert zugeführt wird.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung nutzt die Tatsache, daß das
Netzbrumm ein mit der tiefsten Frequenz (in Europa beispielsweise 16,66 Hz oder
50 Hz) periodisches Signal ist, dessen Signalverlauf von Periode zu Periode wiederkehrt.
Erfindungsgemäß wird eine Periode (bezogen auf die niedrigste Frequenz des Netzbrumms)
des Netzbrumms in einem digitalen Speicher abgespeichert, nachdem das Netzbrumm
analog-digital gewandelt worden ist.
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Das Einlesen des Netzbrumms in den digitalen Datenspeicher erfolgt
bei Abwesenheit eines Nutzsignals. Im Betrieb der Schaltungsanordnung gelangt das
durch den Netzbrumm gestörte Nutzsignal auf einen addierenden Eingang eines Subtrahierers,
dessen subtrahierenden Eingang das in dem
Datenspeicher abgespeicherte
Signal nach einer Digital-Analog-Wandlung zugeführt wird. Von dem gestörten Nutzsignal
wird der Netzbrumm subtrahiert, so daß das von dem Netzbrumm befreite Nutzsignal
am Ausgang der Subtraktionsschaltung steht. Eine Voraussetzung für die Funktion
dieser genau Schaltung besteht darin, daß das Abspeichern/einer Periode des Netzbrumms
erfolgt und daß das Auslesen des gespeicherXten Signals aus dem digitalen Datenspeicher
in - erfolcrt.
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Synchronisation mit der dem Nutzsignal überlagerten Bruittörung/ Hierzu
ist eine Synchronisationsschaltung vorgesehen, die eine permanente Synchronisation
der Steuerung des Datenspeichers mit der tiefsten Frequenz im Netzbrumm des Nutzsignals
vornimmt. Hierbei kann die Synchronisation unmittelbar auf die ausgefilterte tiefste
Frequenz des Netzbrumms im Nutzsignal erfolgen. Es kann alternativ aber auch vorteilhaft
sein, eine Synchronisation auf ein externes Signal vorzunehmen, das mit dem Netzbrumm
synchron läuft, also beispielsweise auf die Netzfrequenz direkt zu synchronisieren.
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Die Synchronisationsschaltung ist vorzugsweise mit einer phasenverriegelten
Schleife (phase-locked loop PLL) aufgebaut, die von der Netzbrummfrequenz beispielsweise
über einen Schmitt-Träger gespeist wird und über einen spannungsgesteuerten Oszillator
(VCO) einen auf den Eingang der PLL rückgekoppelten Zähler steuert. Das Ausgangssignal
des Zählers bildet zugleich die Adressierung für das Auslesen aus dem digitalen
Datenspeicher. Auf diese Weise läßt sich ein exaktes Auslesen aus dem Datenspeicher
unter Anwendung digitaler Techniken bewerkstelligen.
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Die Erfindung soll im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen: Figur 1: ein Blockschaltbild
einer Schaltungsanordnung zur Unterdrückung des Netzbrumms in einem Nutzsignal;
Figur 2: Signalverläufe zur Erläuterung der Funktion der Schaltung gemäß Figur 1;
Figur 3: eine detailliertere Darstellung der in der Anordnung gemäß Figur 1 benötigten
Synchronisationsschaltung in Form eines Blockschaltbildes.
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Die in Figur 1 dargestellte Schaltung weist eine Eingangsklemme E
auf, die mit dem addierenden Eingang einer Subtraktionsstufe 1 verbunden ist. An
die Eingangsklemme E ist ferner ein Analog-Digital-Wandler 2 angeschlossen, dessen
Ausgang mit dem Eingang eines digitalen Datenspeichers 3 verbunden ist. Der Datenausgang
des digitalen Datenspeichers 3 ist über einen Digital-Analog-Wandler 4 mit dem subtrahierenden
Eingang der Subtraktionsstufe 1 verbunden. Ein zwischen dem Digital-Analog-Wandler
4 und der Subtraktionsstufe 1 liegender Ein-Aus-Schalter 5 ermöglicht das Ein- oder
Ausschalten der Netzbrummkompensation.
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Mit der Eingangsklemme E ist ferner ein Arbeitskontakt int eines Umschalters6
verbunden, über den in seiner Stellung int das Signal an der Eingangsklemme E auf
ein Bandpaß-
filter 7 gelangt, dessen Ausgang mit dem Eingang einer
Synchronisationsschaltung 8 verbunden ist. Die Synchronisationsschaltung 8 steuert
über einen Steuereingang den digitalen Datenspeicher 3. Ein weiterer Steuereingang
des digitalen Datenspeichers 3 ist mit einem Impulsgeber 9 verbunden, der mittels
eines Tastschalters 10 gestartet werden kann.
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Die dargestellte Schaltungsanordnung ermöglicht eine Unterdrückung
des Netzbrumms, indem der Eingangsklemme E zunächst nur das Störsignal ("Netzbrumm")
ohne irgendein Nutzsignal zugeführt wird. Das Störsignal wird durch den Analog-Digital-Wandler
2 digitalisiert. Durch die Betätigung des Tastschalters 10 löst der Impulsgeber
einen Impuls aus, der eine Impulsdauer aufweist, die größer als die längste Periode
des Störsignals ist. Dadurch wird der Speicher bereit zum Einlesen des durch den
Analog-Digital-Wandler 2 digitalis:erten Störsignals. Die Synchronisationsschaltung
8 sorgt dafür, daß genau eine Periode des Störsignals in den digitalen Datenspeicher
3 eingelesen wird. Dieser Vorgang ist in den Zeilen a und b der Figur 1 schematisch
dargestellt. Figur 2b zeigt den Inhalt des digitalen Datenspeichers 3, der genau
eine Periode des in Figur 2a gezeigten Netzbrumms umfaßt. Nach Abschluß dieses Speichervorgangs
ist die Schaltung funktionstüchtig. Das in Figur 2c angedeutete Nutzsignal wird
durch den Netzbrumm (Figur 2a) überlagert, so daß ein gestörtes Nutzsignal gemäß
Figur 2d entsteht. Dieses gestörte Nutzsignal gelangt auf den addierenden Eingang
der Subtraktionsstufe 1.
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In der Stellung int des Umschalters 6 synchronisiert die
Synchronisationsschaltung
8 das zyklische (ununterbrochene) Auslesen der gespeicherten Periode (Figur 2b)
aus dem digitalen Datenspeicher 3, so daß am Ausgang des Digital-Analog-Wandlers
4 das in Figur 2e dargestellte Störsignal ansteht. Dieses Störsignal ist prinzipiell
identisch mit dem in Figur 2a dargestellten Netzbrumm. Das in Figur 2e dargestellte
Störsignal wird nun in der Subtraktionsstufe 1 von dem gestörten Nutzsignal (Figur
2d) abgezogen, so daß das ungestörte Nutzsignal (Figur 2f) am Ausgang der Subtraktionsstufe
und somit an der Ausgangsklemme A der Schaltung ansteht.
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In der Stellung ext des Umschalters 6 findet eine Synchronisation
auf ein externes Signal statt, das beispielsweise Netzfrequenz aufweisen kann. Die
Synchronisation auf ein externes Signal, das mit dem Netzbrumm synchron läuft, ist
dann zweckmäßig, wenn der dem Nutzsignal überlagerte Netzbrumm eine relativ kleine
Amplitude aufweist, so daß am Ausgang des Bandfilters 7 nur ein Signal mit einer
sehr geringen Amplitude zur Verfügung steht, wodurch die Synchronisation erschwert
wird.
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In Figur 3 ist ein Ausführungsbeispiel für die Synchronisation näher
erläutert. In diesem Fall ist vor das Bandpaßfilter 7 ein Begrenzer 11 eingeschaltet
und der Umschalter 6 liegt von der Eingangsklemme E aus gesehen hinter dem Bandpaßfilter
7. Das zur Synchronisation über den Umschalter 6 ausgewählte Signal gelangt auf
einen Schmitt -Trigger 12, der die angebotene Frequenz in ein digitales Impulssignal
wandelt. Dieses Signal gelangt auf einen Eingang eines Phasenvergleichers 13 innerhalb
einer phasenverrriegelten Schleife PLL 14. Der Ausgang des Phasenver-
gleichers
13 ist über einen Tiefpaß 15 mit einem spannungsgesteuerten Oszillator VCO 16 verbunden,
dessen Ausgangssignal einen 8-Bit-Binärzähler 17 steuert. Der Taktausgang des Zählers
17 wird dem anderen Eingang des Phasenvergleichers 13 zugeführt. Der 8-Bit-Ausgang
des Zählers 17 gelangt auf einen digitalen Addierer 18, der in der normalen Funktion
der Schaltung lediglich die von dem Zähler 17 gebildeten Adressen auf den digitalen
Datenspeicher 3 weiterleitet und die Auslesung der Daten aus dem Datenspeicher 3
steuert. Über den zweiten Eingang wird der Addierstufe 18 während des Einlesevorganges
ein statisches 8-Bit-Wort der Wertigkeit "0", während des Auslesens dagegen ein
statisches 8-Bit-Wort der Wertigkeit "2" eingegeben. Die sich im wenn ten Fall durch
die Addition daraus ergebende Verschiebung des gesamten Adressbereiches um zwei
Taktperioden dient während des Auslesens zum Ausgleich einer beim Digitalisieren
und Abspeichern entstandenen Zeitverzögerung gleicher Größenordnung.
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Die PLL 14 sorgt dafür, daß der Zähler 17 synchron mit der Grundwelle
des Netzbrumms im Störsignal oder der Grundwelle eines externen Signals (z. B. Netzfrequenz)
synchronisiert ist. Diese Synchronisation ermöglicht die phasengerechte Reproduktion
des Netzbrumms aus der einen im digitalen Datenspeicher 3 abgespeicherten Periode
des Netzbrumms.
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Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß die Bedienung der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung außerordentlich einfach ist, da lediglich ein Knopfdruck am
Tastschalter 10 erforderlich ist, um den Netzbrumm abzuspeichern, wenn der Eingangsklemme
E kein Nutzsignal zugeführt wird. Danach ist die Schaltungsanordnung betriebstüchtig
und sorgt automatisch für die Eliminierung des Netzbrumms aus dem Nutzsignal.
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