-
Es gibt viele bekannte und standardisierte Systeme zur
serienmäßigen Übertagung von Daten. Diese Systeme fallen in
verschiedene Kategorien, von denen wiederum jede unter einer
Anzahl von Nachteilen leidet, wenn sie zur Übertragung von
Daten über lange Leitungen verwendet werden sollen. Die
gebräuchlichste Form der Übertragung serieller Daten mit
niedriger Geschwindigkeit ist ein Stromsystem begrenzter
Leitungen, welches unter dem bekannten Standard RS232
bekannt ist, das den Nachteil hat, daß die Entfernung, über
die übertragen werden kann, begrenzt ist, daß der
Stromverbrauch proportional der Länge der Leitung zunimmt und daß
es sich nicht ohne weiteres für den Gebrauch mit mehreren
Stationen verwenden läßt. Die ältere Art des
Stromschleifenstandards wie es in Fernschreibmaschinen verwendet wird, hat
diese Nachteile nicht aber es gibt Probleme der
Zuverlässigkeit zufolge der Notwendigkeit, die Übertragungsschalter in
Serie zu den Leitungen zu schalten und daraus ergeben sich
Verluste und Spannungsspitzen durch Leitungsinduktanz. Ein
anderes allgemein verwendetes Übertragungssystem verwendet
abgestimmte Impedanzanschlüsse, die eine hohe
Geschwindigkeit erlauben, aber den Nachteil des Energieverlustes in den
Anschlußwiderständen aufweisen, daraus ergibt sich wiederum
die Notwendigkeit, bei den Übertragungsstationen diese
Verluste auszugleichen.
-
Alle elektrischen Leitungen, die zur Übertragung von Daten
eingesetzt werden, haben verteilt angeordnet Kondensatoren
und zugeordnete Induktanzen. Um einen akzeptablen Pegel
gegen Störungen zu erreichen, muß eine entsprechend hohe
Signalenergie verwendet werden. Bei bestehenden
Datenübertragungssystemen wird die erforderliche Energie üblicherweise
durch eine Energiequelle zugeführt, die mit den Sendern
verbunden ist.
-
Die Erfindung schlägt nun Einrichtungen zur Übertragung
von Daten vor, bei denen ein geringer Stromverbrauch
an irgendeiner oder allen Stationen ein wichtiger Faktor ist
oder wo nur eine einfache elektrische Isolation die
Sendestation gegen die Leitung isoliert. Diese Erfordernisse sind
wichtig wo elektrische Sicherheit erforderlich ist, wo
Immunität gegen Lärm wichtig ist und wo die Stromversorgung
begrenzt ist im Falle der Batteriespeisung der Einrichtung
oder wo die Energie von begrenzten Datenleitungen oder von
einem RS232 Eingang eines Personalcomputers verwendet wird.
Die Erfindung sieht ferner gesteuerte niedrige Stromraten vor,
wodurch elektrische Lärmstörung minimiert und Zeitfehler
vermieden werden.
-
Ein typisches bekanntes Systes ist in der britischen
Patentschrift GB 2 111 803 A beschrieben. Bei diesem System
erreicht man eine gewisse Stromeinsparung bei den Sendern,
indem man Energie aus der induktiven Rückkoppelung eines
jeden Impulses wiedergewinnt. Im Gegensatz dazu wird bei der
vorliegenden Erfindung die in den Datenleitungen gespeicherte
Energie verwendet und die aus den zugeordneten Schaltkreisen,
um Datenübergänge zu signalisieren mittels eines geschalteten
Schwingkreises.
-
Die vorliegende Erfindung sieht eine Anordnung für die
Übertragung der binären Daten über elektrische Leiter vor
mit Induktanz, Kondensator und eine elektronische
Schaltvorrichtung , wobei der Kondensator parallel zu den Leitern
geschaltet ist und wobei die Induktanz und Kondensator
einen Schwingkreis bilden, der dadurch gekennzeichnet ist,
daß er einen regenerativen Energieergänzungskreis
vorsieht und daß die elektronische Schaltvorrichtung in
Serie zu der Induktanz und parallel zu dem Kondensator
geschaltet ist, wobei dieser so durch den Kondensator und
die Induktanz gebildete Schwingkreis geschaltet wird und
daß die elektronische Schaltvorrichtung so ausgebildet
ist, daß sie geschaltet wird, damit Strom durch die
Induktanz fließen kann bis die Ladung in dem Kondensator
ihr Vorzeichen geändert hat und etwa wieder auf einen Wert
gefallen ist, der vorlag, ehe das Schalten der elektronischen
Schaltvorrichtung stattfand, so wird eine Umkehrung des
über die elektrischen Leiter geschickten Datums erreicht.
Nach diesem Zeitpunkt wird die elektronische
Schaltvorrichtung abgestellt bis die nächste Zustandsänderung
signalisiert wird und die regenerative Energieersatzschaltung
irgendwelche Ladungsverluste ausgleicht zufolge von Verlusten,
die in irgendeinem oben erwähnten Schaltelement auftreten,
so daß der Status des binären Datums dargestellt wird durch
die Polarität der Spannung zwischen den elektrischen
Leitern.
-
Die elektronische Schaltvorrichtung kann bestehen aus
zwei parallel geschalteten Zweigen entgegengesetzter
Polarität, von denen jeder eine untergeordnete elektronische
Schaltvorrichtung enthält in Serie mit einer Diode, welche
Stromdurchgang nur in einer Richtung gestattet, nämlich durch
die untergeordnete elektronische Schaltvorrichtung, so daß
jeder Zweig dazu verwendet wird, die Polarität in den
elektrischen Leitern nur im entsprechenden Sinne umzukehren,
andererseits können der Schalter und die Diode in jedem
Zweig parallel geschaltet sein und die Zweige in Serie.
In jedem Falle jedoch schaltet ein Zweig automatisch ab,
wenn die Ladungsumkehrung zufolge der
Diodenpolaritätsänderung stattfindet.
-
Die Induktanz kann die der Datenleitung selbst sein oder
es kann eine zusätzliche Induktanz vorgesehen sein und der
Kondensator kann der der Datenleitung allein sein oder es
können zusätzliche Kondensatoren vorgesehen sein. Die
Konfiguration des Schwingkreises kann vermittels der
Arbeitsweise der elektronischen Schalter, die in der Schaltung
enthalten sind, geändert werden. Die Übertragung der Daten
verlangt keine Verluste oder Verstärkung von Energie in dem
Schwingkreis und wird bewerkstelligt durch entsprechende
Schaltung der elektronischen Schalter um eine Umkehrung
einer Polarität der Ladung zu bewerkstelligen, welche in
dem Kondensator enthalten ist, wodurch eine Änderung
im Zustand des übertragenen Signals signalisiert wird. Da
jede praktische Ausgestaltung der Erfindung gewisse Verluste
während des normalen Betriebs einschließt, ist ein
regenerativer Schaltkreis erforderlich. Die momentane Art
der Schließung der Schalter bedeutet, daß die Datenleitungen
wirksam abgeschaltet sind mit Ausnahme während der
Übertragungsperiode der Daten durch die Leitung. Dadurch werden mehrfache
Sendestationen möglich, die an einen einzigen Satz von
Datenleitungen für "Party-line" oder "Multi-drop" Betrieb
anschließbar sind, ohne daß eine Störung durch inaktive
Sendestationen stattfindet.
-
Zum besseren Verständnis wird Bezug genommen auf die
nachfolgende Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen in welchem:
-
Fig. 1 eine chematische Darstellung eines typischen Satzes
von Leitungen mit angeschlossenen Sende- und Empfangsstationen
ist.
-
Fig. 2 eine chematische Darstellung der Erfindung mit
einem Schwingkreis aus zusammengefasster Induktanz und
Kondensator.
-
Fig. 3 ist eine chematische Darstellung einer Ausgestaltung
der Erfindung mit einer Schaltvorrichtung bestehend aus einem
Diodentransistornetzwerk mit einer Isolation über einen
Transformator.
-
Fig. 4 ist eine graphische Darstellung der Leitungsspannung
und des Leitungsstromes gegen die Zeit für eine
Datenleitung von den Leitungen, wenn der Resonanzkreis lediglich
aus Kondensator und Induktanz gebildet ist.
-
Fig. 5 ist ein Diagramm, welches Spannung und
Stromverhältnisse in den Datenleitungen zeigt, wenn der Schwingkreis
aus den Datenleitungen selbst besteht mit keiner zusätzlichen
Induktanz oder Kondensator. Die Enden der Datenleitung sind
miteinander verbunden, so daß sich ein Kreis ergibt.
-
Fig. 6 ist eine graphische Darstellung des Stromes gegen die
Spannung des Regenerativkreises.
-
Fig. 7 ist eine Ausgestaltung des Regenerativkreises im
Verstärker mit positiver Rückkoppelung.
-
Bezugnehmend auf Fig. 1 sind 1 und 2 koaxial verlaufend oder
miteinander verdrehte Leitungen mit darauf verteilten
Leitungsinduktanzen 2 und verteilten Kondensatoren 4. Verbunden mit
diesen Leitungen ist einer oder mehrere isolierte Sender 5,
ein oder mehrere getrennte Empfänger 6 und ein oder mehrere
regenerative Kreise 7. Die sendenden digitalen logischen
Systeme 8 liefern Daten über die Leitung 17 an die Sender 5.
-
Die Spannungsdifferenz zwischen den Leitungen 1 uns 2 an
irgendeiner Stelle in diesen Leitungen wird als
Signalspannung an diesen Punkten bezeichnet. Die in den Leitungen
installierten Empfänger 6 empfangen diese Signalspannung
über die Anschlüsse 13 und 14. Eine positive Signalspannung
zeigt ein Signal in einer Leitung an, während eine negative
Signalspannung ein Signal in einer anderen Leitung anzeigt.
Die festgestellte Leitung mit dem Signal ist im allgemeinen
isoliert und weitergeleitet an eine digitale logische
Empfangsstation 9. Die sendende logische Digitalstation B
und die empfangende logische Digitalstation 9 müssen nicht
notwendigerweise getrennt voneinander sein und in vielen
Ausgestaltungen könnte eine einzige logische Digitalstation
oder System mit beiden verbunden sein, nämlich im Sender
5 und dem Empfänger 6.
-
Eine typische Ausgestaltung der Schaltvorrichtung 22 kann
zwei parallel oder in Serie geschaltete Transistoren
verbinden mit in Serie oder parallel geschalteten Dioden.
Die Arbeitsweise einer solchen Schaltung wird mit Bezug auf
die Figuren 1, 2 und 3 beschrieben. Die Schaltvorrichtung 22
in dieser Ausgestaltung besteht aus einem Transistor 25, der
in Serie zu einer Diode 23 geschaltet ist und dazu dient,
Leitungssignale vom Positiven zum Negativen umzukehren
und ein weiterer Transistor 26 mit zugehöriger in Serie
geschalteter Diode 24 dient dazu, gesendete Leitungssignale
vom negativen in den positiven Zustand umzukehren. Die
Dioden verhindern einen Rückstrom durch Ihre entsprechenden
Serienverbindungen zu den Transistoren und stellen außerdem
sicher, daß der Schalter 22 zum richtigen Zeitpunkt
abgeschaltet wird wenn die Leitungspolarität sich ändert und wenn
der Strom durch den Schalter wieder auf 0 zurückgefallen ist.
Die Transformatoren 27 und 28 isolieren die Datenleitungen 1
und 2 gegen die Spannung, die mit den Sendern der logischen
digitalen Systeme in Verbindung stehen. Ein Impuls in die
Primärwicklung des einen Transformators 27 signalisiert einen
Durchgang eines negativen Leitungssignals während ein Impuls
in die Primärwicklung des anderen Transformators 28 den
Durchgang eines positiven Leitungssignals signalisiert. Die
Dauer dieser Impulse sollte wenigstens so lang sein, wie
die Periode dauert, um eine völlige Umkehrung der Polarität
der signalisierten Spannung zu erreichen.
-
Fig. 2 ist eine typische Ausgestaltung eines
Schwingkreissenders 5, zu ersehen sind der zusätzliche Kondensator 21
und die Impedanz 20, die in Serie geschaltet sind zu einer
elektronischen Schaltvorrichtung. Der Sender ist über die
Anschlüsse 11 und 12 mit den Datenleitungen 1 und 2 verbunden.
Wenn die Signalspannung +Vm an allen Punkten auf den Leitungen
und an den zusätzlichen Senderkondensatoren beträgt und kein
Strom durch irgendeine Induktanz fließt, dann befindet sich
die Leitung in einem statischen Zustand (entweder 1 oder 0),
um den anderen Zustand herbeizuführen (0 oder 1) mit einer
Spannung -Vm an den Kondensatoren 4 und 21 und wieder ohne
einen Stromfluß, dann muß die Schaltvorrichtung 22 jedesmal
abgeschaltet werden, wenn der Strom durch den Schalter
auf 0 zurückfällt und der Schalter es nur gestattet, den Strom
in einer Richtung durchzulassen. Zwei Varianten dieser
Ausgestaltung werden nun erläutert, um den Schaltprozeß zu
verdeutlichen.
-
Bei der ersten Variante ist die Leitungsinduktanz 3 beträchtlich
kleiner als die zusätzliche Induktanz 20. Unter diesen Umständen
folgt der Strom durch den Treiberkreis und die Leitungsspannung
folgt einer einfachen Sinusabhängigkeit nach der Zeit, wenn die
Schaltvorrichtung angeschaltet wird. Zwei aufeinander folgende
Datendurchgänge durch die Leitung werden nun mit Bezug auf
Figur 5 erläutert und mit Bezug auf die folgenden Figuren.
Wenn die anfängliche statische Signalspannung +Vm ist, was
einen positiven Leitungszustand anzeigt und zu irgendeiner
Zeit t=t0 sollte eine Sendung erfolgen, dann wird zu einer
späteren Zeit t=t1 die Schaltvorrichtung 22 geschlossen.
Folglich gehorrcht der Strom folgenden Beziehungen:
-
i=Vm Ct/Ld Sin (2π(t-t1)/Ld Ct)
-
und die Spannung folgt der folgenden Beziehung:
-
v=Vm Cos [(t-t1) 2π/Ld Ct)]
-
in diesen Gleichungen haben die Variablen die
folgenden Definitionen:
-
Vm= Spitzenleistungsspannung
-
Ct= Gesamtkapazitanzwert beider
Datenleitungskondensatoren 4 und Treiberkondensator 21
-
Ld= ist der Wert der Treiberinduktanz 20
-
i= der Strom durch die Induktanz 20
-
und v= die Signalspannung an den Anschlußenden 11 und 12.
-
Die Spannung (v) und der Strom (i) gehorrchen diesen
sinusförmigen Beziehungen bis der Strom auf 0 zurückfällt,
zu welchem Zeitpunkt der Schalter 22 wieder geöffnet wird
zur Zeit t=t2a und die Umkehrung der gewünschten
Datenleitungspolarität bewirkt worden ist. Die nächste
Leitungsübertragung zwischen der Zeit t=t3 und der Zeit t=t4 zurück
zur ursprünglichen Polarität wird in ähnlicher Weise erfolgen
und ähnlichen Zusammenhängen gehorrchen, aber mit umgekehrter
Polarität für Spannung (v) und Strom (i)
-
Bei der zweiten Variante ist der zugefügte Kondensator 21
beträchtlich kleiner als die verteilten Kondensatoren 4
und die zusätzliche Induktanz 20 ist beträchtlich kleiner als
die verteilte Leitungsinduktanz 3. In einem solchen Fall
werden die Enden der Datenleitungen normalerweise
miteinander verbunden sein, so daß sich eine Schleife oder
ein Ring ergibt und damit aufeinanderfolgende Reflektionen
von den Datenleitungen verhindert wären. In diesem Fall
bestünde der Resonanzteil des Treiberkreises aus den Leitungen
selbst, während der Treiberkreis ein wirksamer Schalter
wird, der zwischen die Anschlüsse 11 und 12 geschaltet ist.
Zwei aufeinanderfolgende Sendungen von
Leitungszustandsdaten werden jetzt beschrieben unter Bezugnahme auf
Figuren 1, 2 und 5. Falls die ursprüngliche statische
Signalspannung an allen Punkten der Leitungen 1 und 2 +Vm
ist, was ein positiver Leitungszustand zur Zeit t=t0 ist
und wenn eine Sendung gemacht werden soll zum späteren
Zeitpunkt t=t1 wird der Schalter 22 geschlossen. Folglich
steigt der Strom stark an auf einen Wert, der Vm entspricht
dividiert durch die Kennlinie der Impedanz (Vm/Zc) . Eine
Spannungswelle pflanzt sich sowohl links als auch rechts
des Senders fort und bringt die Spannung auf den Wert 0.
Wenn beide Wellen sich an einen Punkt treffen, der am
weitesten entfernt ist auf den Leitungen der Sendestation,
wandelt sich die Leitungsspannung zu -Vm. Wenn die beiden
rechts- und linksherum laufenden Wellen zum Sender
zurückkommen zum Zeitpunkt t=t2 wird der Schalter 22 wieder
geöffnet, wodurch eine Umkehrung der Polarität des Stromes
durch den Schalter verhindert wird. Zu diesem Zeitpunkt
ist die Polaritätsumkehrung erfolgt. Eine ähnliche Abfolge
zwischen den Zeiten t=t3 und t=t4 würde die Signalspannung
zurück zu +Vm umkehren. Unter Bezugnahme auf die
Übertragungsoder Sendeleitung des Diagramms der Figur 5 zeigt die
horizontale Achse die abgelaufene Zeit und die vertikale
Achse die Distanz von der Sendestation. Die Linie T-T zeigt
den Punkt der Sendung, während die Linie F-F einen Punkt
anzeigt der weiter von dem Sender abgelegen ist. Die
Flächen konstanter Leitungsspannung und Strom sind durch dicke
Linien abgegrenzt. Die Werte des Leitungsstroms und der
Spannung in den verschiedenen Bereichen des
Übertragungsdiagramms sind folgende, I1 stellt den Leitungsstrom dar.
-
Region A : v=+Vm, I1=0 ; anfänglicher Datenzustand
-
Region B : v=0, I1=-V/Zc
-
Region C : v=0, I1=+V/Zc
-
Region D : v=VM, I1=0 ; umgekehrter Datenzustand
-
Region E : v=0, I1=+V/Zc
-
Region G : v=0, I1=-V/Zc
-
Region H : v=+Vm, I1=0 ; wie im Bereich A
-
Da die meisten elektrischen Schalter zugehörige Widerstände
aufweisen, werden Verluste während des Wechsels der
Resonanzspannungspolarität auftreten. Schließlich treten unerwünschte
Verluste auf zufolge der Mängel an den elektronischen
Schaltvorrichtungen. Diese Verluste bewirken Verluste in der Größe
der signalisierten Spannung nach jedem Polaritätswechsel. Diese
verlorene Energie kann ersetzt werden durch den
Regenerativschaltkreis 7, der parallel zu den Leitungen geschaltet ist.
Unter Bezugnahme auf Figur 6 würde dieser Schaltkreis
normalerweise eine Abnahme des Stromes gegen die Spannung
sein oder eine negative Widerstandscharakteristik haben
zwischen der oberen Spannungsgrenze +Vm am Punkt M und eine
niedrigere Spannungsgrenze -Vm am Punkt N, während ein
ansteigender Stamm zur Spannungscharakteristik außerhalb
dieser Grenzen vorliegen würde. Diese oberen und unteren
Spannungsgrenzen sollten vorzugsweise ein entgegengesetztes
Vorzeichen haben und gleich in der Größe zur erforderlichen
Signalspannung sein. Nur eine solche Regenerativschaltung
wäre erforderlich pro Datenleitung aber eine größere Anzahl
wäre nicht von Nachteil.
-
Eine Ausgestaltung einer Regenerativschaltung 7 würde entweder
ein Verstärker mit positiver Rückkoppelung oder negativem
Widerstand sein beispielsweise eine Esaki Diode oder eine
mehrschichtige Anschlußvorrichtung. Ein Schaltschema einer
solchen Regenerativschaltung mit einer spannungsgesteuerten
Stromquelle oder einem Verstärker besonderer Steilheit
mit positiver Rückkoppelung ist in Figur 7 gezeigt. In dieser
Ausgestaltung ist die obere und die untere Spannungsgrenze
bestimmt durch die auferlegte Spannung +Vm und -Vm, während
die Steigung der Charakteristik des negativen Widerstands
bestimmt wird von dem Wert der Verstärkung oder der Steilheit
der gesteuerten Stromquelle.
-
Unter Bezugnahme auf Figur 1 wird der Empfang der übertragenen
oder gesendeten Daten durch die oben beschriebene
Resonanzmethode normalerweise auftreten durch den
Empfängerschaltkreis 6, der die Polarität der Potentialdifferenz zwischen
der Leitung 1 und der Leitung 2 feststellt. Eine typische
Ausgestaltung eines Empfängers würde bestehen aus einer
Spannungsregelvorrichtung beispielsweise einem
Feldeffekttransistor, dessen hohe Eingangsimpedanzanschlüsse mit der
Datenleitung verbunden sind und dessen Ausgangsanschlüsse
über einen isolierenden Transformator mit einer Impedanz
verbunden sind beispielsweise einer A.C. Brücke.
-
In vielen Fällen sind sowohl Empfänger als auch
Sendeschaltung erforderlich und zwar an einer Stelle. In solch
einem Fall wird unter Bezugnahme auf Figuren 1 und 2 eine
verhältnismäßig einfache Ausgestaltung des Empfängers 6
einen Transformator zum Lesen des Stromes verwenden, dessen
Primärwicklung in Serie mit einem zusätzlichen Kondensator 21
eines zugeordneten Senders versehen ist. Der festgestellte
Stromimpuls, der durch den Tranformator isoliert ist, wird
normalerweise verstärkt durch eine Impulszugriffsschaltung
zur Bestimmung des Datendurchgangs.
-
Viele abgeänderte Ausgestaltungen des obigen
Datenübertragungssystems können von einem Fachmann vorgenommen werden, ohne
daß das beschriebene System wesentlich verändert werden muß,
z. B. können bipolare PNP Transistoren anstelle der bipolaren
NPN Transistoren in Figur 3 verwendet werden oder es können
Feldeffekttransistoren in Serie geschaltet werden und die
Dioden können oder auch nicht interne parasitäre Dioden der
Feldeffekttransistoren sein.