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Hintergrund
der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
allgemein eine Fernsprecheinrichtung und insbesondere Datenzugriffsanordnungen
(data access arrangements; DAAs).
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2. Hintergrund
der Erfindung
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Fernsprechsysteme wurden ursprünglich zur
Sprachübertragung
entwickelt. Als neue Informationstechniken entstanden sind, sind
Verfahren zur Übertragung
anderer Arten von Informationen über
Fernsprechleitungen entwickelt worden. Diese Verfahren haben außer dem
Verbinden des Sprach-Fernsprechapparats auch das Verbinden weiterer
Einrichtungen mit der Fernsprechleitung erfordert. Beispiele für solche
Einrichtungen sind Computermodems, Faxgeräte, Anrufbeantworter, Voice-Mail-Systeme,
Fernsprech-Patches, automatische Rufnummernerkennungs- oder „Anrufererkennungs"systeme und moderne
Fernsprechsysteme. Die in den vorgenannten Einrichtungen anliegenden
Signale haben oft andere elektrische Eigenschaften als die Signale,
die auf einer Fernsprechleitung übertragen
werden können.
Es ist also eine Schnittstelle erforderlich, um diese Einrichtungen
mit einer Fernsprechleitung zu verbinden und eine Übersetzung
zwischen den Einrichtungssignalen und den Fernsprechleitungssignalen
durchzuführen.
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Herkömmlich wird insbesondere für Computermodems
eine DAA verwendet, um die Einrichtung mit einer Fernsprechleitung
zu verbinden. Eine DAA ist eine elektronische Schaltung, die normalerweise
Kopplungs-, Trennungs-, Impedanzanpassungs-, Gabelschaltungs- und
gelegentlich Verstärkungs-,
Filter- und Steuerfunktionen bietet. Trennung bezieht sich auf die
Trennung elektrischer Signale, die an der Teilnehmereinrichtungsseite
(CPE-Seite) der
DAA anliegen, von denen, die an der Fernsprechleitungs- oder Vermittlungsstellenseite
(CO-Seite) der DAA anliegen. Trennung ist wichtig, um Beschädigungen
der Einrichtung durch an der Fernsprechleitung anliegende Spannungen,
wie etwa Vermittlungsstellen-Batteriespannung,
induktive Schaltimpulse, fremde elektromotorische Kraft (EMK) und
Transienten, die von elektrischen Stürmen verursacht werden, zu
vermeiden. Trennung wird auch nach Teil 68 der Bestimmungen der
Federal Communications Commission (US- Fernmeldeverwaltung; FCC) verlangt,
um Beschädigungen
des Fernsprechnetzes (public switched telephone network; PSTN) durch
an dieses angeschlossene Einrichtungen zu vermeiden. Die Trennung
sollte jedoch in einer Weise erfolgen, daß die gewünschten Signale zwischen der
Teilnehmereinrichtungsseite und der Vermittlungsstellenseite der
DAA übertragen
werden können.
Impedanzanpassung bezieht sich auf die Anpassung der elektrischen
Eigenschaften der Einrichtung an die der Fernsprechleitung innewohnenden
elektrischen Eigenschaften. Impedanzanpassung ist wichtig, da sie
die Leistungsfähigkeit
der Übertragung
von Signalen entlang der Fernsprechleitung maximiert. Eine Gabelschaltung
bezeichnet ein Element zum Teilen eines bidirektionalen Übertragungswegs
in zwei unidirektionale Übertragungswege.
Eine Leitung, die die Empfangsseite und die Sendeseite eines Gesprächs unterstützt, kann
in einen Sendeweg und einen getrennten Empfangsweg geteilt werden.
Eine Gabelschaltung (nachfolgend auch „Hybridschaltung" genannt) ist wichtig,
da es oft zweckmäßig ist,
ein Signal zu haben, das nur das empfangene Signal ohne Interferenz vom
gesendeten Signal enthält.
Verstärkung
bezeichnet die Erhöhung
der Amplitude eines gesendeten oder empfangenen Signals. Verstärkung ist
wichtig zum Angleichen der Audiosignalpegel der Einrichtung und
der Fernsprechleitung und zum Kompensieren des Leitungsverlusts.
Filtern bezeichnet das Entfernen unerwünschter Signale, insbesondere
unerwünschter
Hochfrequenzsignale, aus den Signalen, die durch die DAA gehen.
Filtern ist wichtig, um Frequenzen zu eliminieren, die Interferenz
verursachen könnten.
Steuerung bezeichnet die Wahl des Status der DAA und umfasst solche
Parameter wie Auflegen, Abheben, Verstärkung und Rückschleifen.
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Ein Merkmal einer Gabelschaltung
ist die Gabelübergangsdämpfung (nachfolgend
auch „Transhybridverlust" genannt). Gabelübergangsdämpfung ist
das Verhältnis
der Größe des im
bidirektionalen Übertragungsweg
anliegenden Sendesignals zur Größe des im
unidirektionalen Empfangssignalweg anliegenden gesendeten Signals.
Wenn der bidirektionale Weg eine normale Fernsprechleitung ist,
ist die Gabelübergangsdämpfung das
Verhältnis
der Größe des über den
Leitern der Fernsprechleitung anliegenden Sendesignals und der Größe des am
Empfangssignalausgang anliegenden Sendesignals. Idealerweise sollte
nichts von dem Sendesignal im Empfangssignalweg anliegen, sodaß eine Gabelschaltung
einen hohen und stabilen Gabelübergangsdämpfungswert
hat.
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DAAs sind herkömmlich groß und sperrig. Da Rechner kleiner
und tragbarer werden, besteht Bedarf an kleineren, tragbareren DAAs.
Notebook- und Palmtop-Rechner beispielsweise benötigen eine kleine, leichte
DAA zum Verbinden mit einer Fernsprechleitung. Eine DAA enthält bestimmte
Teile, die Wärme
abgeben, und andere Teile, die wärmeempfindlich
sind. Wenn die DAA-Größe verringert
wird, müssen
die Teile, die Wärme
abgeben, näher
an den wärmeempfindlichen
Teile angeordnet werden. Die von den Wärme abgebenden Teilen erzeugte
Wärme ändert die
Leistung der wärmeempfindlichen
Teile. Daher wird ein Verfahren zum Verringern der Wärmeempfindlichkeit
einer DAA-Schaltung für
den Einsatz in miniaturisierten Anwendungen benötigt.
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Das Problem der Wärmeempfindlichkeit wird durch
die Miniaturisierung der einzelnen Komponenten verschärft, die
zur Herstellung einer miniaturisierten DAA verwendet werden. Ein
Transformator wird normalerweise verwendet, um die Einrichtungsseite
der DAA mit der Fernsprechleitungsseite der DAA zu verbinden. Um
eine miniaturisierte DAA zu erhalten, muss der Transformator miniaturisiert
werden. Um den Transformator zu miniaturisieren, muss der Durchmesser
der Drähte,
die zum Wickeln des Transformators verwendet werden, verringert
werden und die Anzahl der Wicklungen muss erhöht werden. Eine Verringerung
des Durchmessers und der Querschnittsfläche der Drähte führt zu einem höheren Wicklungswiderstand.
Durch Hinzufügen weiterer
Wicklungen nimmt der Wicklungswiderstand weiter zu. Da die Drähte, die
zum Wickeln eines Transformators verwendet werden, einen beachtlichen
Temperaturkoeffizienten des Widerstands haben und die Drähte einen
höheren
Wicklungswiderstand haben, führt
eine Erwärmung
des Transformators zu einem signifikanten Anstieg des Wicklungswiderstands.
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Wenn Strom zuerst an eine Schaltung
mit einem wärmeempfindlichen
Transformator angelegt wird, ist die Wicklung noch nicht erwärmt worden
und hat einen relativ niedrigen Widerstandswert. Wenn Strom angelegt
bleibt und Komponenten der Schaltung Wärme abgeben, wird der Transformator
erwärmt
und sein Widerstand nimmt zu. Somit ist der höhere Wicklungswiderstand nicht
unbedingt eine statische Erhöhung
des Widerstands, sondern kann eine dynamische Änderung des Widerstands in
Abhängigkeit
von der Temperatur sein.
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Das Anlegen von Strom an die Schaltung
kann das Anlegen einer Speisespannung an die Schaltung, die Initiierung
des Fernsprechleitungsschleifen-Stromflusses, den Übergang
von Komponenten aus einem relativen Ruhezustand in einen relativ
aktiven Zustand oder Änderungen
umfassen, die die Verlustleistung von Komponenten in der Schaltung
erhöhen.
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Bestimmte Arten von Schaltungen sind
besonders empfindlich gegen Änderungen
des Widerstands von Schaltungskomponenten. Beispielsweise führt ein
Hochgeschwindigkeitsmodem, wie etwa ein CCITT-V.32-Modem, eine Ausgleichs-
und Trainingsfolge durch, wenn eine Verbindung zum ersten Mal hergestellt wird.
Die Trainingsfolge setzt die Modem-Parameter auf die richtigen Werte für die Eigenschaften
der verwendeten Modems und Übertragungsleitungen.
Eine zeitliche Änderung
des Wicklungswiderstands des Transformators kann zu einer Änderung
der Gabelübergangsdämpfung führen. Wenn
die Gabelübergangsdämpfung einen
anderen Wert anzunehmen beginnt, als sie während der Trainingsfolge hatte,
muss der Modem-Parameter so eingestellt werden, daß die Änderung
der Gabelübergangs dämpfung kompensiert
wird. Das Modem führt
eine weitere Trainingsfolge durch, um zu versuchen, das Modem auf
den neuen Gabelübergangsdämpfungswert
neu zu trainieren. Das Neutraining erfordert Zeit und verlangsamt
die Übertragung
von Daten. Es wird also ein Temperaturkompensationsverfahren benötigt, um
die Änderung
der Gabelübergangsdämpfung mit
der Temperatur zu vermeiden.
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1A zeigt
eine typische Gabelschaltung, die einen herkömmlichen, relativ großen niederohmigen Transformator
verwendet. Die erste Klemme des Widerstands RL ist mit der a-Ader
verbunden. Die zweite Klemme des Widerstands RL ist mit der ersten
Klemme der Wechselspannungsquelle VR verbunden. Die zweite Klemme
der Wechselspannungsquelle VR ist mit der b-Ader verbunden. Die
a-Ader ist mit der ersten Klemme der ersten Wicklung des Transformators
T1 verbunden. Die b-Ader ist mit der zweiten Klemme der ersten Wicklung
des Transformators T1 verbunden.
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Der Eingang +TX ist mit der ersten
Klemme des Widerstands RT verbunden. Die zweite Klemme des Widerstands
RT ist mit dem Leitungsknoten V1 verbunden, der mit der ersten Klemme
der zweiten Wicklung des Transformators T1 und der ersten Klemme
des Widerstands R3 verbunden ist. Der Eingang –TX ist mit der zweiten Klemme
der zweiten Wicklung des Transformators T1 und mit der ersten Klemme
des Widerstands R2 verbunden. Die zweite Klemme des Widerstands
R2 ist mit der zweiten Klemme des Widerstands R3, dem invertierenden
Eingang des Verstärkers
ARX und der ersten Klemme des Widerstands R1 verbunden. Die zweite
Klemme des Widerstands R1 ist mit dem Ausgang des Verstärkers ARX
und dem Ausgang RX verbunden.
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Ein Sende-Differenzsignal mit einer
Spannung, die gleich dem Doppelten von VTX ist, wird über den Eingängen +TX
und –TX
angelegt. Das Signal geht durch den Widerstand RT und die zweite
Wicklung des Transformators T1. Der Transformator T1 ist ein 1 :
1-Anpassungs- und
Trenntransformator mit Eingangs- und Ausgangsimpedanzen, die normalerweise
im Bereich von 600 bis 900 Ω liegen.
Der Widerstand RT hat einen Wert, der etwa gleich der Impedanz der Übertragungsleitung
ist. Der Widerstand RT ist in Reihe mit dem Differentialeingang
+TX/–TX
geschaltet und liefert eine Anpassungsimpedanz mit einem Nennwert
RL. Bei idealen Komponenten (einschließlich eines Transformators
mit einem Wicklungswiderstand von Null) und bei einem RT, der gleich
der Übertragungsleitungsimpedanz
ist, hat das Sendesignal keinen Einfluss auf die Spannung am Leitungsknoten
V1. Unter nicht so idealen Übertragungsleitungsbedingungen
beeinflusst jedoch das Sendesignal über dem Differentialeingang
+TX/–TX
die Spannung am Leitungsknoten V1, aber der Echokompensator eines
V.32- oder anderen Modems kann verwendet werden, um die Größe des am
Leitungsknoten V1 anliegenden Sendesignals zu bestimmen und für eine Signalverarbeitung zu
sorgen, die zum Subtrahieren des mit dem Empfangssignal anliegenden
Sendesignals benötigt
wird.
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Die Spannung am Leitungsknoten V1
wird wie folgt ausgedrückt:
wobei unterstellt wird, daß R3 >> RT + RL ist.
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Der Verstärker ARX und die Widerstände R1,
R2 und R3 bilden eine Summierverstärkerschaltung. Die Verstärkerschaltung
erzeugt ein Signal am Ausgang RX, das zu der Differenz zwischen
der am nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers ARX anliegenden Spannung
und der Summe der Spannungen des Leitungsknotens V1 und des Eingangs –TX proportional
ist. Unter idealen Bedingungen, wenn RT = RL ist, wird auch dann,
wenn ein Sendesignal über
den Eingängen
+TX und –TX
anliegt, dieses von der Gabelschaltung ausgelöscht, sodaß es die Spannung am Ausgang
RX, die als VRX bezeichnet wird, nicht beeinflusst.
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Wenn ein Sendesignal über den
Eingängen
+TX und –TX
angelegt wird und mit der zweiten Wicklung des Transformators T1
gekoppelt wird, koppelt der Transformator T1 die gewünschten
Wechselstromsignale von der zweiten Wicklung induktiv mit der ersten
Wicklung und trennt dabei alle Gleichspannungen, Gleichstromverschiebungen
und/oder Gleichtaktspannungen der Wicklungen. Somit werden die gewünschten
Wechselstrom-Komponenten
des Sendesignals über
den a- und b-Adern angelegt. Die a- und b-Adern stellen eine Differentialübertragungsleitung,
vorzugsweise eine verdrillte Fernsprech-Doppelleitung, dar.
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Die Spannungsquelle VR stellt die
Wechselstromsignalquelle am entgegengesetzten Ende der Fernsprechleitung
dar, die sich normalerweise in der Vermittlungsstelle der Telefongesellschaft
befindet. Der Widerstand RL stellt den Widerstand der a- und b-Adern
dar, der mit der Quellenimpedanz der Spannungsquelle VR summiert
ist. Ein Empfangssignal wird durch die Änderung der Spannung der Spannungsquelle
VR dargestellt. Das Empfangs-Differenzsignal
wird über
den a- und b-Adern angelegt und erscheint über der ersten Wicklung des
Transformators T1. Der Transformator T1 leitet die gewünschten
Wechselstromskomponenten des Empfangssignals von seiner ersten Wicklung
zu seiner zweiten Wicklung weiter und trennt dabei alle Gleichspannungen,
Gleichstromverschiebungen und/oder Gleichtaktsignale. Das Empfangssignal über der zweiten
Wicklung des Transformators T1 erscheint über den Eingängen der
Summierverstärkerschaltung.
Obwohl die Summierverstärkerschaltung
so eingestellt ist, daß sie
ein Nullspannungs-Ausgangssignal bereitstellt, wenn kein Eingangssignal
anliegt, bewirkt das Anliegen eines Empfangssignals über den
Eingängen
des Summierverstärkers,
daß das
Summierverstärker
seine Ausgangsspannung in Reaktion auf das Empfangssignal ändert. Der
Ausgang RX verfolgt das Empfangssignal und wird nicht von einem
Sendesignal beeinflusst, auch wenn eines anliegt. Somit trennt die
Gabelschaltung das Empfangssignal vom Sendesignal und stellt ein
Empfangssignal bereit, das unabhängig
von einem Sendesignal ausgegeben wird. Mit der Gabelschaltung können die
Sende- und Empfangssignale entlang den a- und b-Adern ohne Interferenz
voneinander übertragen
werden.
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Die Spannung VRX hat folgenden Wert:
G1 und G2 können wie
folgt definiert werden:
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Wenn G1 und G2 in Gleichung (2) eingesetzt
werden und Gleichung (1) in Gleichung (2) eingesetzt wird, ergibt
sich folgende Gleichung:
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In Gleichung (3) kann VTX eliminiert
werden, wenn die folgende Gleichung erfüllt ist:
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Wenn VTX eliminiert wird, kann Gleichung
(3) wie folgt umgeschrieben werden:
1B zeigt eine Gabelschaltung, die mit
einem Transformator mit einem hohen Wicklungswiderstand gestaltet
ist, der durch lange Wicklungen und/oder Wicklungen mit kleiner
Querschnittsfläche
entstehen kann.
1B ist
weitgehend identisch mit
1A,
mit der Ausnahme, daß
1B einen Widerstand RW hat,
der zwischen den Leitungsknoten V1 und die erste Klemme der zweiten
Wicklung des Transformators T1 geschaltet ist. Der Leitungsknoten
V1 ist mit der ersten Klemme des Widerstands RW verbunden. Die zweite
Klemme des Widerstands RW ist mit der ersten Klemme der zweiten
Wicklung des Transformators T1 verbunden.
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Einige Transformatoren, insbesondere
solche mit langen Wicklungen und/oder solche, die mit Draht kleiner
Querschnittsfläche
gewickelt sind, haben einen signifikanten Wicklungswiderstand, der
durch den Widerstand RW dargestellt ist. Im Fernsprechwesen misst
die Fehlerdämpfung,
wie gut die Impedanz der Teilnehmereinrichtung, wie etwa einer Gabelschaltung,
der Gabel-Nennimpedanz der Fernsprechleitung entspricht. Um die
Fehlerdämpfung
zu optimieren, wird der Widerstand RT so gewählt, daß er einen Wert hat, der, wenn
er zum Wicklungswiderstand RW addiert wird, gleich der charakteristischen
Leitungsimpedanz (normalerweise 600 Ohm für Fernsprechleitungen) ist.
Da jedoch der Wert des Widerstands RW nicht mehr der charakteristischen
Leitungsimpedanz entspricht, liegt ein Teil des Sendesignals am
Leitungsknoten V1 auch dann an, wenn die Gabelschaltung mit einer
idealen Übertragungsleitung
verbunden ist. Um das am Leitungsknoten V1 anliegende gedämpfte +TX-Signal
zu kompensieren, wird der Verstärker
ARX als Summierverstärker
konfiguriert, sodaß eine
gedämpfte
Variante des Signals vom –TX-Eingang
zu dem Signal vom Leitungsknoten V 1 addiert wird. Die Summe der
gedämpften
+TX- und –TX-Signale
ist Null, sodaß alle
Komponenten des Sendesignals aus dem Leitungsknoten V1 eliminiert
werden. Somit wird nur das Empfangssignal vom Verstärker ARX
verstärkt.
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Mit der richtigen Komponentenwahl
und bei Abwesenheit einer Drift der Komponentenwerte kann die Schaltung
von 1B eine optimale
Gabelübergangsdämpfung für eine bestimmte
Fernsprechleitungsimpedanz erzielen. Wenn die Impedanz der Übertragungsleitung
anders als erwartet ist oder wenn sich die Komponentenwerte (einschließlich des
Wicklungswiderstands des Transformators) ändern, ändert sich auch die Gabelübergangsdämpfung.
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Der Widerstand RW ist in Reihe mit
der idealen zweiten Wicklung des Transformators T1 geschaltet gezeigt,
stellt aber tatsächlich
den signifikanten Gleichstromwiderstand der zweiten Wicklung dar,
da die zweite Wicklung keine ideale Wicklung ist. Der Gleichstromwiderstand
der Wicklung hängt
vom spezifischen Widerstand des Materials, aus dem die Wicklung
besteht, ihrer Länge,
Querschnittsfläche
und Temperatur ab. Der spezifische Widerstand, die Länge und
die Querschnittsfläche
sind in der Regel unter normalen Bedingungen feststehend. Die Temperatur
jedoch kann sich ändern
und tut es meistens auch. Oft geben bestimmte Komponenten der Gabelschaltung
beträchtliche
Mengen Wärme
ab. Um eine Fernsprechleitung in einem abgehobenen Zustand zu halten,
verwenden DAAs normalerweise eine Halteschaltung oder so genannte „Haltespule". Die Halteschaltung
gestattet es dem Gleichstrom durchzufließen, was der Vermittlungsstelle
der Telefongesellschaft zeigt, daß die Fernsprechleitung nicht
aufgelegt ist. Die Halteschaltung lässt keinen Wechselstrom durch,
sodaß andere
DAA-Komponenten Wechselstromsignale ohne Interferenz empfangen und senden
können.
Der Halte-Gleichstrom hängt
von der Länge
der Fernsprechleitung von der Vermittlungsstelle, der Art des für die Fernsprechleitung
verwendeten Kabels und der Art der Vermittlungsstelleneinrichtung
ab. Normale Fernsprechleitungen in den Vereinigten Staaten liefern
etwa 40 mA Gleichstrom. Es ist aber mit Gleichströmen von
etwa 20 mA bis etwa 120 mA zu rechnen. Bei 120 mA nimmt die Spannung
einer Halteschaltung normalerweise um etwa 15 Volt über der
Schaltung ab, wodurch etwa 1,8 Watt Energie abgegeben werden. In
einem kleinen DAA-Paket kann diese Abgabe die Temperatur der DAA-Schaltungsanordnung
um etwa 15°C
erhöhen.
Eine solche DAA braucht oft 15 bis 20 Minuten, um einen Zustand
des thermischen Gleichgewichts zu erreichen. Obwohl die Dissipation
meistens in den Halteschaltungskomponenten erfolgt, kann auch die
Temperatur der Transformatorwicklungen steigen, insbesondere wenn
sie sehr dicht angeordnet sind. Wenn sich die Temperatur der Wicklungen ändert, ändert sich
auch der Widerstand der Wicklungen. Der Temperaturkoeffizient der
Widerstands RW der Transformatorwicklung beträgt normalerweise etwa 4000 ppm/°C. Der Temperaturkoeffizient
des Widerstands RT beträgt
normalerweise weit weniger als 4000 ppm/°C. Da die Gabelübergangsdämpfung von
diesen Widerständen
abhängig
ist und da die Widerstände
sehr unterschiedliche Temperaturkoeffizienten haben, ändert sich
die Gabelübergangsdämpfung der
DAA signifikant, wenn die DAA sich erwärmt. Höhere Haltestrompegel bewirken
einen größeren Temperaturanstieg,
was zu einer größeren Gabelübergangsdämpfungsdrift
führt.
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Die Gabelübergangsdämpfung bezeichnet die Größe des Sendesignals,
das am Empfangssignalausgang RX anliegt. Die Funktion der Gabelschaltung
besteht darin, die Größe des am
Empfangssignalausgang anliegenden Sendesignals zu minimieren. So
sollte die Gabelübergangsdämpfung minimiert
werden. Der Transformator-Wicklungswiderstand ist ein Faktor, der
zu einer höheren
Gabelübergangsdämpfung beitragen kann.
Obwohl es möglich
ist, den Wicklungswiderstand zu kompensieren, können zeitliche Änderungen
der Gabelübergangsdämpfung die
Kommunikation beeinträchtigen.
Wenn sich Transformatorwicklungen erwärmen und sich ihr Widerstand ändert, können die Änderungen
der Gabelübergangsdämpfung zu
einer Verringerung des Störabstands
führen.
Bei CCITT-V.32-Datenmodems kann die Gabelübergangsdämpfungsdrift zu Datenfehlern
führen
und kann bewirken, daß das
Modem eine Neutrainingsfolge initiiert, um die Ausgleichsparameter
auf Werte einzustellen, die für
die veränderten
Gabelübergangsdämpfungspegel
geeignet sind. Ein Neutraining erfordert Zeit und verringert den
Durchsatz und die Zuverlässigkeit
der Modemverbindung.
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Die Spannung V1 von
1B ist durch folgende Gleichung gegeben:
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Die Spannung VRX von
1B ist durch folgende Gleichung gegeben:
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Um die Gabelübergangsdämpfung zu minimieren, muß die folgende
Gleichung erfüllt
sein:
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Da jedoch RW, das temperaturabhängig ist,
nicht aus Gleichung (8) gestrichen werden kann, kann Gleichung (8)
unter Verwendung der Schaltung von 1B bei
mehr als nur einer Temperatur erfüllt werden. Somit kann die
Schaltung von 1B keine
ideale Gabelübergangsdämpfung über einen
breiten Temperaturbereich aufrechterhalten.
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US-PS-4.804.957 beschreibt ein mikroprozessorgestütztes automatisches
Fernmesssystem zum Messen des Verbrauchs von Strom, Wasser, Gas
usw. Insbesondere offenbart dieses Dokument ein Versorgungsmessgerät, das über Eingangszuleitungen
mit einer Datenzugriffsanordnung verbunden ist, die als Messgerät-Schnittstelleneinheit
implementiert ist, die wiederum mit der a-Ader und der b-Ader einer
Fernsprechleitung eines Fernsprechnetzes verbunden ist. Das Versorgungsmessgerät weist
einen Hall-Sensor auf, der mit Strom von einem Transformator gespeist
wird, der die Normalspannung in eine niedrigere Spannung transformiert.
In der Schaltungsanordnung, die den Transformator mit dem Hall-Sensor
verbindet, ist ein temperaturkompensierender Thermistor implementiert.
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Kurze Darstellung
der Erfindung
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Es wird ein Verfahren zur Temperaturkompensation
der Gabelübergangsdämpfungsdrift
zur Verfügung
gestellt. Mit der vorliegenden Erfindung kann eine DAA miniaturisiert
werden, wodurch die Sperrigkeit und Masse herkömmlicher DAAs vermieden wird.
Die vor liegende Erfindung komprimiert Änderungen des Widerstands eines
Transformators in Abhängigkeit
von der Temperatur, sodaß eine
zeitlich konstante Gabelübergangsdämpfung aufrechterhalten
wird. Durch Aufrechterhaltung einer konstanten Gabelübergangsdämpfung vermeidet
die vorliegende Erfindung Modem-Neutrainingsfolgen und die daraus
resultierenden Kommunikationsverzögerungen.
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In der vorliegenden Erfindung wird
ein temperaturkompensierendes Element an einer Stelle angeordnet,
die sich entlang der gleichen Isotherme wie der Transformator befindet,
und wird in die Schaltung eingebunden, um Wärmeschwankungen der Komponentenparameter
zu kompensieren. Durch Kompensieren von Schwankungen von Komponentenparametern
in Abhängigkeit
von der Temperatur kann eine stabile Gabelübergangsdämpfung aufrechterhalten werden.
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Bei der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird ein Thermistor in der Nähe des Transformators
auf einem Keramiksubstrat angeordnet. Das Keramiksubstrat bietet
eine gute Wärmeleitfähigkeit
und ordnet den Thermistor auf der gleichen Isothermen wie der Transformator
an. Der Thermistor ist ein Dickschichtwiderstand mit einem positiven
Temperaturkoeffizienten, der so mit der Gabelschaltungsanordnung verbunden
ist, daß eine Änderung
des Transformator-Wicklungswiderstands in Abhängigkeit von der Temperatur
kompensiert wird.
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Bevor Strom an die DAA angelegt wird,
haben die DAA-Komponenten zunächst
Umgebungstemperatur. Die anfängliche
Gabelübergangsdämpfung wird
von den Komponentenparametern bei Umgebungstemperatur, unter anderem
dem Transformator-Wicklungswiderstand
und dem Thermistorwiderstand, bestimmt. Nachdem Strom an die DAA
angelegt worden ist, beginnen die DAA-Komponenten, Wärme abzugeben.
Die Abgabe erhöht
die Temperatur des Transformators, was zu einem Anstieg des Transformator-Wicklungswiderstands
führt.
Die Abgabe führt
auch zu einem entsprechenden Anstieg der Temperatur und des Widerstands des
Thermistors. Die DAA-Schaltung ist so konfiguriert, daß der höhere Thermistorwiderstand
die Wirkungen des höheren
Transformator-Wicklungswiderstands
kompensiert. Auf diese Weise werden die Nachteile des Standes der
Technik überwunden
und die Gabelübergangsdämpfung und
andere DAA-Eigenschaften werden über
einen breiten Temperaturbereich stabilisiert.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1A ist
eine schematische Darstellung, die eine typische Gabelschaltung
mit einem herkömmlichen großen niederohmigen
Transformator zeigt.
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1B ist
eine schematische Darstellung, die eine Gabelschaltung mit einem
hochohmigen Transformator zeigt.
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2 ist
eine schematische Darstellung, die die bevorzugte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Gabelschaltung
zeigt.
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3 ist
eine Schnittansicht der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung.
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4 ist
ein Diagramm, das die Gabelübergangsdämpfung in
Abhängigkeit
von der Zeit für
eine herkömmliche
Gabelschaltung und für
eine erfindungsgemäß gestaltete
Gabelschaltung zeigt.
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5 ist
eine schematische Detaildarstellung, die die bevorzugte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Gabelschaltung
zeigt.
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6 ist
ein Diagramm einer ISDN-Phantomspeisungsanordnung.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Es werden ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur Temperaturkompensation der Gabelübergangsdämpfung in einer DAA beschrieben.
In der nachstehenden Beschreibung sind zahlreiche spezielle Einzelheiten
angegeben, um die vorliegende Erfindung besser verständlich zu
machen. Fachleute dürften
jedoch erkennen, daß die
vorliegende Erfindung auch ohne diese speziellen Einzelheiten genutzt
werden kann. In anderen Fällen
sind bekannte Merkmale nicht näher
beschrieben worden, um die vorliegende Erfindung nicht unnötig schwer
verständlich
zu machen.
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Früher sind DAAs herkömmlich groß, sperrig
und schwer gewesen. Solche DAAs sind mit modernen Rechnersystemen,
wie Laptop-, Notebook- und Palmtop-Rechnern, nicht kompatibel. Miniaturisierte
DAAs sind schwer herzustellen, da temperaturempfindliche Komponenten
näher an
den Wärme-abgebenden
Komponenten angeordnet sind, was zu einer thermisch schlechteren
Leistung führt.
Daher wird ein Verfahren zur Temperaturkompensation für DAAs benötigt, das
sich mit miniaturisierten DAAs verträgt.
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Die vorliegende Erfindung sieht ein
Temperaturkompensationselement vor, das in der Nähe eines wärmeempfindlichen Elements angeordnet
werden soll, sodaß,
wenn das wärmeempfindliche
Element durch Energie-abgebende Elemente erwärmt wird, der gewünschte Pegel
der DAA-Leistung unabhängig
von der Temperatur aufrechterhalten wird. Das Temperaturkompensationselement
ist mit dem wärmeempfindlichen
Element so verbunden, daß es
alle Änderungen
der Schaltungsparameter ausgleicht, die durch die Temperaturabhängigkeiten
des wärmeempfindlichen
Elements entstehen.
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Mit der vorliegenden Erfindung kann
eine DAA bei unterschiedlichen oder sich ändernden Umgebungstemperaturen
und über
die gesamte Temperaturänderung
hinweg arbeiten, die mit der anfänglichen Temperaturänderung
der DAA nach Anlegen des Stroms verbunden ist. Die vorliegende Erfindung
hält die DAA-Leistung
konstant und vermeidet die Notwendigkeit eines Modem-Neutrainings
oder einer Modem-Neu-Ausgleichung während Temperaturänderungen.
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2 zeigt
die bevorzugte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Gabelschaltung.
Die erste Klemme des Widerstands RL ist mit der a-Ader verbunden.
Die zweite Klemme des Widerstands RL ist mit der ersten Klemme der
Wechselspannungsquelle VR verbunden. Die zweite Klemme der Wechselspannungsquelle VR
ist mit der b-Ader verbunden. Die a-Ader ist mit der ersten Klemme
der ersten Wicklung des Transformators T1 verbunden. Die b-Ader
ist mit der zweiten Klemme der ersten Wicklung des Transformators
T1 verbunden.
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Der Eingang +TX ist mit der ersten
Klemme des Thermistors RT' verbunden.
Die zweite Klemme des Thermistors RT' ist mit dem Leitungsknoten V1 verbunden,
der mit der ersten Klemme des Widerstands RW und der ersten Klemme
des Widerstands R3 verbunden ist. Die zweite Klemme des Widerstands
RW ist mit der ersten Klemme der zweiten Wicklung des Transformators
T1 verbunden. Der Eingang –TX
ist mit der zweiten Klemme der zweiten Wicklung des Transformators
T1 und mit der ersten Klemme des Widerstands R2 verbunden. Die zweite
Klemme des Widerstands R2 ist mit der zweiten Klemme des Widerstands
R3, dem invertierenden Eingang des Verstärkers ARX und der ersten Klemme
des Widerstands R1 verbunden. Die zweite Klemme des Widerstands
R1 ist mit dem Ausgang des Verstärkers
ARX und dem Ausgang RX verbunden.
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Ein Sende-Differenzsignal wird über den
Eingängen
+TX und –TX
angelegt. Das Signal geht durch den Thermistor RT' und den Widerstand
RW sowie durch die zweite Wicklung des Transformators T1. Der Transformator
T1 ist ein 1 : 1-Anpassungs- und Trenntransformator mit Eingangs-
und Ausgangsimpedanzen, die vorzugsweise im Bereich von 600 bis
900 Ω liegen.
Der Thermistor RT' hat
einen solchen Wert, daß die
Summe des Widerstands des Thermistors RT' und des Wicklungswiderstands RW ungefähr gleich
der charakteristischen Impedanz der Übertragungsleitung ist, die
die a- und b-Adern aufweist, welche nominell 600 Ω beträgt und durch
den Widerstand RL dargestellt wird. Der Thermistor RT' ist in Reihe mit
dem Differentialeingang +TX/–TX
geschaltet und liefert in Summe mit dem Wicklungswiderstand RW eine
Anpassungsimpedanz mit einem Nennwert RL, die die charakteristische
Impedanz der Übertragungsleitung
darstellt.
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Der Verstärker ARX und die Widerstände R1,
R2 und R3 bilden eine Summierverstärkerschaltung. Die Verstärkerschaltung
erzeugt ein Signal am Ausgang RX, das zu der Differenz zwischen
der am nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers ARX anliegenden Spannung
und der Summe der Spannungen des Leitungsknotens V1 und des Eingangs –TX proportional
ist. Auch dann, wenn ein Sendesignal über den Eingängen +TX und –TX anliegt,
wird dieses von der Gabelschaltung ausgelöscht, sodaß es die Spannung am Ausgang
RX nicht beeinflusst.
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Wenn ein Sendesignal über den
Eingängen
+TX und –TX
angelegt wird und mit der zweiten Wicklung des Transformators T1
gekoppelt wird, koppelt der Transformator T1 die gewünschten
Wechselstromsignale von der zweiten Wicklung induktiv mit der ersten
Wicklung und trennt dabei alle Gleichspannungen, Gleichstromverschiebungen
und/oder Gleichtaktsignale der Wicklungen. Somit werden die gewünschten
Wechselstrom- Komponenten
des Sendesignals über
den a- und b-Adern angelegt. Die a- und b-Ader stellen eine Differentialübertragungsleitung,
vorzugsweise eine verdrillte Fernsprech-Doppelleitung, dar.
-
Die Spannungsquelle VR stellt die
Wechselstromsignalquelle am entgegengesetzten Ende der Fernsprechleitung
dar, die sich normalerweise in der Vermittlungsstelle der Telefongesellschaft
befindet. Der Widerstand RL stellt den Widerstand der a- und b-Adern
dar, der mit der Quellenimpedanz der Spannungsquelle VR summiert
ist. Ein Empfangssignal wird durch die Änderung der Spannung der Spannungsquelle
VR dargestellt. Das Empfangssignal wird über den a- und b-Adern angelegt
und erscheint über
der ersten Wicklung des Transformators T1. Der Transformator T1
leitet die gewünschten
Wechselstromskomponenten des Empfangssignals von seiner ersten Wicklung
zu seiner zweiten Wicklung weiter und trennt dabei alle Gleichspannungen, Gleichstromverschiebungen
und/oder Gleichtaktsignale. Das Empfangssignal über der zweiten Wicklung des Transformators
T1 erscheint über
den Eingängen
der Summierverstärkerschaltung.
Obwohl die Summierverstärkerschaltung
so eingestellt ist, daß sie
ein Nullspannungs-Ausgangssignal bereitstellt, wenn kein Eingangssignal
anliegt, bewirkt das Anliegen eines Empfangssignals über den
Eingängen
des Summierverstärkers,
daß der
Summierverstärker
seine Ausgangsspannung in Reaktion auf das Empfangssignal ändert. Der Ausgang
RX verfolgt das Empfangssignal und wird nicht von einem Sendesignal
beeinflusst, auch wenn eines anliegt. Somit trennt die Gabelschaltung
das Empfangssignal vom Sendesignal und stellt ein Empfangssignal bereit,
das unabhängig
von einem Sendesignal ausgegeben wird. Mit der Gabelschaltung können die
Sende- und Empfangssignale entlang den a- und b-Adern ohne Interferenz
voneinander übertragen
werden.
-
Die Spannung am Leitungsknoten V
1 wird wie folgt ausgedrückt:
-
Die Spannung VRX wird wie folgt ausgedrückt:
-
Um die Gabelübergangsdämpfung zu minimieren, werden
die Komponenten so gewählt,
daß die
folgende Gleichung erfüllt
wird:
-
Um Änderungen der Gabelübergangsdämpfung in
Abhängigkeit
von der Temperatur zu vermeiden, darf sich der folgende Ausdruck
nicht in Abhängigkeit
von der Temperatur ändern:
-
RW stellt den Wicklungswiderstand
des Transformators T1 dar, der jedoch einen signifikanten Temperaturkoeffizienten
des Widerstands (etwa 4000 ppm/°C)
hat. RL stellt die charakteristische Impedanz der Übertragungsleitung
dar, die schwer zu ändern
oder einzustellen ist. Um also den Ausdruck (12) Temperatur-invariant
zu machen, wird bewirkt, daß sich
RT' mit der Temperatur
mit einer Geschwindigkeit ändert,
die die Wirkung des signifikanten Temperaturkoeffizienten der Wicklungswiderstands
RW aushebt.
-
Der Raumtemperaturwert des Ausdrucks
(12) lautet:
wobei die Raumtemperatur
etwa 20°C
ist und wobei
RT' = RT'N (1 + πρT'·dt) (14), RW = RWN (1 + ρW·dt) (15),RT'N = der Raumtemperatur-Widerstand
des Thermistors RT',
RWN
= der Raumtemperatur-Wert des Wicklungswiderstands RW,
ρT' = der Temperaturkoeffizient
des Thermistors RT',
ρW = der Temperaturkoeffizient
des Wicklungswiderstands RW und
Δt = die Temperaturdifferenz
relativ zur Raumtemperatur ist.
-
Um also eine konstante Gabelübergangsdämpfung in
Abhängigkeit
von der Temperatur zu gewährleisten,
muss die folgende Gleichung für
Erwartungswerte von Δt
erfüllt
sein:
-
Wenn Gleichung (16) nach ρT' aufgelöst wird,
entsteht folgende Gleichung:
-
Obwohl die bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung einen Thermistor mit einem positiven
Temperaturkoeffizienten verwendet, kann die vorliegende Erfindung
auch unter Verwendung eines Thermistors mit einem negativen Temperaturkoeffizienten
oder einer Kombination aus Festwiderständen und Thermistoren mit positiven
und/oder negativen Temperaturkoeffizienten genutzt werden. Thermistoren
mit positiven Temperaturkoeffizienten sind vorteilhaft, da sie mit
linearer Widerstandsänderung
in Abhängigkeit
von der Temperatur erhältlich
sind. Wenn andere Widerstands-/Thermistor-Kombinationen verwendet
werden, können
andere Schaltungskonfigurationen notwendig sein. Beispielsweise
könnte
ein Thermistor mit einem negativen Temperaturkoeffizienten zwischen
dem Leitungsknoten V1 und der ersten Klemme der zweiten Wicklung
des Transformators T1 angeordnet werden. Alternativ könnten die
Widerstände
R1, R2 und/oder R3 durch Thermistoren ersetzt werden. Eine weitere
Alternative besteht darin, Thermistoren an anderen Stellen in der
Schaltung hinzuzufügen,
wo sich zurzeit keine Widerstände
befinden.
-
Obwohl die bevorzugte Ausführungsform
mit analogen Fernsprechleitungen verwendet werden kann, ist die
vorliegende Erfindung nicht auf die Verwendung mit analogen Fernsprechleitungen
beschränkt.
Die vorliegende Erfindung kann auch zur Temperaturkompensation von
induktiven Elementen mit hohen Wicklungswiderständen in anderen Schaltungen
verwendet werden. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung
zur Temperaturkompensation von Leitungsübertragern zum Verbinden von
Datenübertragungs-Endgeräten mit Leitungen
des Dienste-integrierenden Digitalnetzes (ISDN) verwendet werden.
Eine Phantomspeisungsanordnung, wie sie in CCITT I.430 beschrieben
und in 6 gezeigt ist,
wird oft verwendet, um ein ISDN-Endgerät über eine S- oder T-Schnittstelle
mit Strom zu versorgen. Eine solche Stromversorgungsanordnung bewirkt, daß die Batteriespannung
Vb durch die Wicklungen der Leitungsübertrager fließt, was
zur Erwärmung
der Transformatorwicklungen und zu Änderungen des Wicklungswiderstands
führen
kann. Wicklungswiderstands-Änderungen
können Übertragungseigenschaften ändern und
die Kommunikation beeinträchtigen.
Die vorliegende Erfindung kann zum Kompensieren von Änderungen
des Wicklungswiderstands verwendet werden, wodurch eine zuverlässige Kommunikation
aufrechterhalten wird. Die vorliegende Erfindung kann entweder an
der Klemmen- oder der Schalterseite der S-Schnittstelle genutzt
werden.
-
Die vorliegende Erfindung kann auch
mit einer ISDN-U-Schnittstelle genutzt werden. Die U-Schnittstelle
ist eine Zweidraht-Schnittstelle, bei der die Sende- und Empfangssignale über daßelbe Kabelpaar übertragen
werden. Da die Sende- und Empfangssignale an einer Klemme eines
NT1-Geräts
oder einer U-Schnittstelle getrennt werden, wird eine Gabelfunktion
benötigt.
Wenn eine wärmeempfindliche
Komponente, wie etwa ein Leitungsübertrager, die Temperatur ändert, kann
sich die Gabelübergangsdämpüng ändern. Die
vorliegende Erfindung kann verwendet werden, um die Gabelübergangsdämpfung konstant
zu halten. Die vorliegende Erfindung kann an der Klemmen- oder Schalterseite
einer U-Schnittstelle genutzt werden. Die vorliegende Erfindung
kann an der S- oder T-Seite und an der U-Seite eines NT1-Geräts genutzt
werden.
-
Die vorliegende Erfindung kann auch
mit lokalen Netzwerken (LANs) genutzt werden. Die vorliegende Erfindung
kann verwendet werden, um die Gabelübergangsdämpfung konstant zu halten oder
wärmeempfindliche
Komponenten in LANs zu kompensieren.
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3 zeigt
eine Schnittansicht einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Ein Temperaturkompensationselement 301 ist
auf einem Substrat 302 angebracht oder gestaltet. Ein temperaturempfindliches Element 303 ist
sehr nahe an dem Temperaturkompensationselement 301, vorzugsweise
direkt über
und in Kontakt mit diesem, angebracht. Das Temperaturkompensationselement 301,
das Substrat 302 und das wärmeempfindliche Element 303 können in
Kapselungsmaterial 304 gekapselt sein. Alternativ können das
Temperaturkompensationselement 301, das Substrat 302 und
das wärmeempfindliche
Element 303 ungekapselt bleiben. Das Substrat 302 kann
ein Keramiksubstrat, eine gedruckte Leiterplatte (PC-Platte) oder
ein anderes Material mit geeigneten Konstruktionseigenschaften sein.
-
Wenn die Schaltung von 2 entsprechend 3 gestaltet ist, kann der
Widerstand RT',
der als Temperaturkompensationselement 301 dargestellt sein kann,
auf dem Substrat 302 angebracht oder gestaltet sein, und
der Transformator T1, der als wärmeempfindliches
Element 303 dargestellt sein kann, kann über oder
nahe dem Widerstand RT' angebracht
sein, sodaß sich
das Temperaturkompensationselement 301 und das wärmeempfindliche
Element 303 auf einer Isothermen befinden. Die Gruppe kann
mit einem Material wie Polyvinylchlorid (PVC) oder einem anderen
Material, das als Kapselungsmaterial 304 geeignet ist, überformt werden,
oder das Kapselungsmaterial kann weggelassen werden.
-
Durch Anordnen des Temperaturkompensationselements 301 sehr
nahe an dem temperaturempfindlichen Element 303 auf dem
Substrat 302 können
das Temperaturkompensationselement 301 und das wärmeempfindliche
Element 303 auf derselben Isothermen oder Linie gleicher
Temperatur gehalten werden. Durch Aufrechterhalten einer isothermen
Beziehung zwischen den Teilen können
Temperaturunterschiede zwischen den Teilen vermieden werden und
die vom Temperaturkompensationselement 301 durchgeführte Kompensation
kann die Temperaturabhängigkeiten
des wärmeempfindlichen
Elements 303 genauer ermitteln. Obwohl das Kapselungsmaterial 304 zu
höheren
Temperaturanstiegen für
die DAA-Schaltungsanordnung
führen
kann, indem es als Wärmeschutz
wirkt, schützt
das Kapselungsmaterial 304 die DAA-Schaltungsanordnung
auch physisch und trägt
zur Verringerung von Temperaturunterschieden zwischen dem Temperaturkompensationselement 301 und
dem wärmeempfindlichen
Element 303 bei.
-
4 zeigt
die Änderung
der Gabelübergangsdämpfung in
Abhängigkeit
von der Zeit bei einer unkompensierten Gabelschaltung in einer erfindungsgemäß gestalteten
temperaturkompensierten Gabelschaltung von einem anfänglichen
Einschaltzustand bis zu einem stabilen Betriebszustand mit einem
Haltestrom von etwa 90 mA. Die Einheit der Zeit-Achse ist Sekunden.
Zeitpunkt = 0 stellt den Zeitpunkt dar, zu dem Strom zuerst an Gabelschaltungen,
deren Komponenten bisher Umgebungstemperatur haben, angelegt wird.
Wenn die Zeit von 0 auf 800 fortschreitet, geben die Gabelschaltungen
Wärme ab.
Die Gabelübergangsdämpfung der
unkompensierten Gabelschaltung ist durch die Kurve 401 dargestellt
und ändert
sich von etwa 0,046 zum Zeitpunkt 0 auf etwa 0,032 zum Zeitpunkt
800. Die Gabelübergangsdämpfung der
erfindungsgemäß gestalteten
temperaturkompensierten Gabelschaltung ist durch die Kurve 402 dargestellt,
die zum Zeitpunkt 0 bei etwa 0,0375 beginnt, zeitlich relativ konstant
bliebt und zum Zeitpunkt 800 einen Wert von etwa 0,038 hat. Somit vermeidet
die temperaturkompensierte Gabelschaltung die Gabelübergangsdämpfungsdrift
der unkompensierten Gabelschaltung.
-
5 zeigt
eine erfindungsgemäß gestaltete
Gabelschaltung. Die a-Ader ist mit der ersten Klemme des Gabelumschalters
S1 verbunden. Die zweite Klemme des Gabelumschalters S1 ist mit
der Katode der Diode D11 und der Anode der Diode D12 verbunden.
Die b-Ader ist mit
der Katode der Diode D13 und der Anode der Diode D14 verbunden.
Die Katoden der Dioden D12 und D14 sind miteinander und mit der
ersten Klemme des Widerstands R4, dem Kollektoranschluss des NPN-Darlington-Transistors
Q1, der ersten Klemme des Widerstands R1, der Katode der Zener-Diode
D3 und der ersten Klemme des Kondensators C2 verbunden. Die zweite
Klemme des Kondensators C2 ist mit der ersten Klemme der ersten
Wicklung des Transformators T1 verbunden. Die zweite Klemme des
Widerstands R1 ist mit der ersten Klemme des Widerstands R2, der
Basisklemme des NPN-Darlington-Transistors Q1, der Anode der Zener-Diode
D3 und der ersten Klemme des Kondensators C3 verbunden. Die zweite
Klemme des Widerstands R2 ist mit dem Emitteranschluss des NPV-Darlington-Transistors Q1 und
der ersten Klemme des Widerstands R3 verbunden. Die Anoden der Dioden
D11 und D13 sind miteinander und mit der zweiten Klemme des Widerstands
R4, der zweiten Klemme des Widerstands R3, der zweiten Klemme des
Kondensators C3 und der zweiten Klemme der ersten Wicklung des Transformators
T1 verbunden.
-
Der Eingang TX ist mit dem Eingang
des Verstärkers
ATX verbunden. Der nichtinvertierende Eingang des Verstärkers ATX
ist mit der ersten Klemme des Widerstands R16 verbunden. Die zweite
Klemme des Widerstands R16 ist mit der ersten Klemme des Thermi stors
R161 verbunden. Die zweite Klemme des Thermistors R161 ist mit der
ersten Klemme des Widerstands R17, der Anode der Zener-Diode D1
und der ersten Klemme der zweiten Wicklung des Transformators T1
verbunden. Die Katode der Zener-Diode D1 ist mit der Katode der
Zener-Diode D2 verbunden. Der invertierende Eingang des Verstärkers ATX
ist mit der Anode der Zener-Diode D2, der zweiten Klemme der zweiten
Wicklung des Transformators T1 und der ersten Klemme des Widerstands
R19 verbunden.
-
Die zweite Klemme des Widerstands
R19 ist mit der zweiten Klemme des Widerstands R17, der ersten Klemme
des Widerstands R15, der ersten Klemme des Kondensators C11 und
dem invertierenden Eingang des Verstärkers ARX verbunden. Die Speisespannung
VCC ist mit der ersten Klemme des Widerstands RP verbunden. Die
zweite Klemme des Widerstands RP ist mit der ersten Klemme des Widerstands
RN, der ersten Klemme des Kondensators C12 und dem nichtinvertierenden
Eingang des Verstärkers
ARX verbunden. Die zweite Klemme des Widerstands RN ist an Erde
gelegt. Die zweite Klemme des Kondensators C12 ist an Erde gelegt.
Die zweite Klemme des Widerstands R15 ist mit der zweiten Klemme
des Kondensators C11, dem Ausgang des Verstärkers ARX und dem Ausgang RX
verbunden.
-
An den Eingang TX wird ein Sendesignal
angelegt. Das Signal wird vom Verstärker ATX verstärkt und geht
durch den Widerstand R16 und den Thermistor R161 sowie durch die
zweite Wicklung des Transformators T1. Der Transformator T1 ist
ein 1 : 1-Anpassungs- und Trenntransformator mit Eingangs- und Ausgangsimpedanzen,
die so gewählt
sind, daß sie
der Übertragungsleitungsimpedanz
(vorzugsweise im Bereich von 600 bis 900 Ω) entsprechen. Die Summe der
Widerstände
der Widerstände
R16 und R161 ist etwa gleich der charakteristischen Impedanz der
mit den Klemmen der a- und b-Adern verbundenen Übertragungsleitung minus einem
Wicklungswiderstand des Transformators T1. Gegentakt-Zener-Dioden
D1 und D2 sind über
der zweiten Wicklung des Transformators T1 verbunden, um zu hohe
Spannungen, wie Rauschspitzen, zu begrenzen und einen Grenzwert
für die
Amplitude des Signals über
der zweiten Wicklung des Transformators T1 aufrechtzuerhalten.
-
Der Verstärker ARX und die Widerstände R17,
R19, R15, RP und RN bilden zusammen mit den Kondensatoren C11 und
C12 eine Summierverstärkerschaltung.
Die Verstärkerschaltung
erzeugt ein Signal am Ausgang RX, das von der am nichtinvertierenden
Eingang des Verstärkers
ARX anliegenden Spannung und den Spannungen über der zweiten Wicklung des
Transformators T1 unabhängig
ist. Die Spannung am nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers ARX
wird von einem Spannungsteiler eingestellt, der die Widerstände RP und
RN aufweist. Der Kondensator C12 unterdrückt Transienten bei der Speisespannung
VCC. Durch Wählen
der entsprechenden Werte für
die Widerstände
R17 und R19 kann bewirkt werden, daß die Spannung am Ausgang RX
Null ist, wenn kein Empfangssignal anliegt. Auch dann, wenn ein
Sendesignal über
den Eingängen
+TX und –TX
anliegt, wird dieses von der Gabelschaltung ausgelöscht, sodaß es den
Ausgang RX beeinflusst.
-
Wenn ein Sendesignal an den Eingang
TX angelegt wird, wird es vom Verstärker ATX verstärkt und über den
Differentialausgang des Verstärkers
ATX abgegeben. Das Sendesignal wird über den Widerstand R16 und
den Thermistor R161 mit der zweiten Wicklung des Transformators
T1 gekoppelt. Der Transformator T1 koppelt die gewünschten
Wechselstromsignale von der zweiten Wicklung induktiv mit der ersten
Wicklung und trennt dabei die Gleichspannungen, Gleichstromverschiebungen
und/oder Gleichtaktsignale der Wicklungen. Das Sendesignal wird über den
Kondensator C2 mit dem Brückengleichrichter,
der die Dioden D11, D12, D13 und D14 aufweist, Wechselstrom-gekoppelt.
Das Sendesignal wird über
den Brückengleichrichter
und den Gabelumschalter S1, der während der Übertragung geschlossen ist,
mit den a- und b-Adern gekoppelt. So werden die gewünschten
Wechselstrom-Komponenten des Sendesignals über den a- und b-Adern angelegt.
Die a- und b-Adern stellen eine Differentialübertragungsleitung, vorzugsweise
eine verdrillte Fernsprech-Doppelleitung,
dar.
-
Die Spannungsquelle VR stellt die
Wechselstromsignalquelle am entgegengesetzten Ende der Fernsprechleitung
dar, die sich normalerweise in der Vermittlungsstelle der Telefongesellschaft
befindet. Der Widerstand RL stellt den Widerstand der a- und b-Adern
dar, der mit der Quellenimpedanz der Spannungsquelle VR summiert
ist. Ein Empfangssignal wird durch die Änderung der Spannung der Spannungsquelle
VR dargestellt. Das Empfangs-Differenzsignal
wird über
den a- und b-Adern angelegt, geht durch den Brückengleichrichter und den Kondensator
C2 und erscheint über
der ersten Wicklung des Transformators T1. Der Transformator T1
leitet die gewünschten
Wechselstromskomponenten des Empfangssignals von seiner ersten Wicklung
zu seiner zweiten Wicklung weiter und trennt dabei alle Gleichspannungen,
Gleichstromverschiebungen und/oder Gleichtaktsignale. Das Empfangssignal über der
zweiten Wicklung des Transformators T1 erscheint über den
Eingängen
der Summierverstärkerschaltung.
Obwohl die Summierverstärkerschaltung
so eingestellt ist, daß sie
ein Nullspannungs-Ausgangssignal bereitstellt, wenn kein Eingangssignal
anliegt, bewirkt das Anliegen eines Empfangssignals über den
Eingängen
des Summierverstärkers,
daß der
Summierverstärker
seine Ausgangsspannung in Reaktion auf das Empfangssignal ändert. Der
Ausgang RX verfolgt das Empfangssignal und wird nicht von einem
Sendesignal beeinflusst, auch wenn eines anliegt. So trennt die
Gabelschaltung das Empfangssignal vom Sendesignal und stellt ein
Empfangssignal bereit, das unabhängig
von einem Sendesignal ausgegeben wird. Mit der Gabelschaltung können die
Sende- und Empfangssignale entlang den a- und b-Adern ohne Interferenz voneinander übertragen
werden.
-
Die Spannung über der zweiten Wicklung des
Transformators T1 wird wie folgt ausgedrückt:
wenn unterstellt wird, daß R17 >> R16 + R161 + RW + RL ist, wobei RW der
parasitäre
Wicklungswiderstand des Transformators T1 ist.
-
Die Spannung VRX wird wie folgt ausgedrückt:
-
Um die Gabelübergangsdämpfung zu minimieren, werden
die Komponenten so gewählt,
daß die
folgende Gleichung erfüllt
wird:
-
Um Änderungen der Gabelübergangsdämpfung in
Abhängigkeit
von der Temperatur zu vermeiden, darf sich der folgende Ausdruck
nicht in Abhängigkeit
von der Temperatur ändern:
-
RW stellt den Wicklungswiderstand
des Transformators T1 dar, der jedoch einen signifikanten Temperaturkoeffizienten
des Widerstands (etwa 4000 ppm/°C)
hat. RL stellt die charakteristische Impedanz der Übertragungsleitung
dar, die schwer zu ändern
oder einzustellen ist. Um also den Ausdruck (21) Temperatur-invariant
zu machen, wird bewirkt, daß sich
RT' mit der Temperatur
mit einer Geschwindigkeit ändert,
die die Wirkung des signifikanten Temperaturkoeffizienten der Wicklungswiderstands
RW aushebt.
-
Der Raumtemperaturwert des Ausdrucks
(
21) lautet:
worin
R161 = R161N (1 + ρ161·dt) (23), RW = RWN (1 + ρW·dt) (24),R161N =
der Raumtemperatur-Widerstand des Thermistors R161,
RWN = der
Raumtemperaturwert des Wicklungswiderstands RW,
ρ161 = der
Temperaturkoeffizient des Thermistors R161,
ρW = der Temperaturkoeffizient
des Wicklungswiderstands RW und
Δt = die Temperaturdifferenz
relativ zur Raumtemperatur ist.
-
Um also eine konstante Gabelübergangsdämpfung in
Abhängigkeit
von der Temperatur zu gewährleisten,
muss die folgende Gleichung für
Erwartungswerte von Δt
erfüllt
sein:
R16 + R161 = RTN' (1 + ρT'·dt) (26). -
Wenn Gleichung (26) in Gleichung
(25) eingesetzt und nach ρT' aufgelöst wird,
entsteht folgende Gleichung:
-
Idealerweise wird die bevorzugte
Ausführungsform
mit einem einzigen Thermistor genutzt, der einen Temperaturkoeffizienten ρT' hat, wie er durch
Gleichung (17) gegeben ist. Es ist jedoch oft schwierig, Thermistoren
mit willkürlichen
Temperaturkoeffizienten herzustellen, da der Temperaturkoeffizient
dem zur Herstellung des Thermistors verwendeten Material eigen ist.
Um einen präzisen
Temperaturkoeffizienten zu erzielen, wird ein Thermistor mit einem
Temperaturkoeffizienten, der größer als
der gewünschte
Wert ist, in Verbindung mit einem Widerstand mit einem Temperaturkoeffizienten
von Null oder einem niedrigen Temperaturkoeffizienten verwendet. 5 zeigt den Thermistor R161,
der in Verbindung mit dem Widerstand R16 verwendet wird. Die Summe
des Widerstands R16 und des Thermistors R161 sollte gleich der charakteristischen Übertragungsleitungsimpedanz
minus einem Transformator-Wicklungswiderstand sein, wie durch die
folgende Gleichung angegeben: R16 + R161 = RL – RW (28).
-
Da jedoch R161 ein Thermistor ist,
ist sein Widerstandswert temperaturabhängig, wie durch die folgende
Gleichung angegeben:
R16
+ R161 = R16 + R161N (1 + ρ161·dt) (29),wobei R161N
der Widerstand des Thermistors R161 bei Raumtemperatur, ρ161 der Temperaturkoeffizient
des Thermistors R161 und Δt
der Temperaturunterschied zwischen der Temperatur des Thermistors
R161 und der Raumtemperatur ist.
-
Gleichung (29) kann wie folgt umgeschrieben
werden:
-
Somit lautet der effektive Temperaturkoeffizient
der Kombination aus dem Widerstand R16 und dem Thermistor R161 wie
folgt:
-
Somit ist ein Verfahren zur Temperaturkompensation
für die
Gabelübergangsdämpfung in
einer DAA zur Verfügung
gestellt worden.
