DE965045C - Schaltungsanordnung zur Korrektur von Zeitkonstantenfehlern und durch eine Sprung- oder Stossfunktion hervorgerufenen Einschwingvorgaengen - Google Patents

Description

Bei der Erzeugung von Rechteckimpulsen, wie sie beispielsweise in der Meßtechnik häufig angewendet werden, ergeben sich ebenso wie bei ihrer Übertragung insofern Schwierigkeiten, als es sich in beiden Fällen um nicht ideale Systeme handelt und somit besonders hohe Anforderungen an das Übertragungssystem gestellt, wer den müssen. Diese wirken sich dahin aus, als es häufig nicht möglich ist, die gewünschte steile Flanke der nach einer Sprungfunktion sich ändernden Größe ohne Abschleifungen zu erzeugen oder zu übertragen wie auch den sich an den Sprung anschließenden im idealen Fall horizontalen Teil wirklich beizubehalten. Erzeugungs- und Übertragungssysteme neigen dazu, neben einer Vergrößerung der Flankenanstiegszeit mehr oder weniger gedämpfte Überschwingerscheinungen zu zeigen, denen sich mitunter noch ein zeitlich langsamer verlaufender Anoder Abklingvorgang überlagert.

Die besondere Schwierigkeit, rechteckförmige Signale über Leitungen zu übertragen, führte in letzter Zeit immer mehr dazu, Leitungen und Über-

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tragungssysteme, insbesondere für die Übertragung von Fernsehsignalen, mit derartigen Rechteckwellen zu prüfen und aus der Verformung derselben auf die Güte des Übertragungssy%ems zu schließen denn der elektrische Spannungssprung stellt im Fernsehbild einen Helligkeitssprung, also eine Schwarzweißkante dar. Während die Anstiegszeit des Sprunges ein Maß für das Auflösungsvermögen ist, verursachen die anderen Abweichungen vom ίο idealen Spannungssprung, wie Überschwingen, Welligkeit oder exponentieller Anstieg oder Abfall bis zum eingeschwungenen Zustand, Bildfehler, wie Plastik, Wiederholung der Konturen, Verschmierungen, Fahnen usw.
Es sind bereits mehrere Wege bekannt, um das Überschwingen bei Einschwingvorgängen herab zusetzen. Bei einer bekannten Anordnung geschieht dies z. B. dadurch, daß das zu übertragende Signal einer Tiefpaßfilterkette zugeführt wird. Durch die Summenbildung von verschiedenen gegenphasigen Teilspannungen aas der Tiefpaßfilterkette wird das Überschwingen kompensiert; als zusätzliche Wirkung ergibt sich eine Verbesserung der Flankensteilheit.

Es gehört weiter zum Stand der Technik, eine Vergrößerung der Bandbreite und eine Verkürzung der Steigzeit durch zweckmäßig dimensionierte Parallelkondensatoren zu den Kathodenwiderständen und durch Selbstinduktionen in Serie zum Arbeitswiderstand einer Breitbandstufe zu erzielen. Die bekannten Anordnungen beziehen sich jedoch alle darauf, entweder die Anstiegszeit, das Überschwingen oder Zeitkonstantenfehler durch fest eingebaute Schaltelemente zu verbessern. Sie sind zudem jeweils nur für den speziell vorliegenden Entzerrungsfall geeignet. Eine Verbesserung des einzelnen Vorgangs nach diesen grundsätzlich bekannten Methoden macht aber immer einen Eingriff in die zur Übertragung von Fernsehsignalen bestimmte Anlage erforderlich. Mit der Anordnung nach der Erfindung wird es demgegenüber erstmals möglich, ohne Eingriff in das vorhandene System die drei wesentlichen Fehler, die z. B. der Einschwingvorgang eines Fernsehübertragungssystems im allgemeinen aufweist, nämlich zu geringe Anstiegszeit (mangelnde Bildschärfe), Überschwingen (Bildplastik) und Zeitkonstantenfehler (Fahnenziehen im Bild), weitgehend unabhängig voneinander zu kompensieren'und den jeweiligen Verhältnissen durch die Veränderbarkeit der bestimmenden Schaltelemente anzupassen.

.Dies wird nach der Erfindung erreicht durch ;die Kombination folgender einstellbarer, sich bei Veränderung ihrer Werte in ihrer Wirkung gegenseitig nicht beeinflussender Schaltelemente: mindestens eine Serienschaltung von zwei Widerständen, zu denen jeweils eine Kapazität parallel geschaltet ist, an den Eingangsklemmen und/oder zwischen den Stufen eines Breitbandverstärkers; eine Kapazität parallel zum Kathodenwiderstand und/oder eine Induktivität in Serie zum Arbeitswiderstand mindestens einer Stufe des Breitbandverstärkers; wenigstens eine Laufzeitkette, deren vorderen Abschluß der Arbeitswiderstand einer Breitbandverstärkerstufe oder ein Teil "desselben bildet, deren 6g hinteren Abschluß ein in seiner Fehlanpassung einstellbarer Widerstand darstellt.

Bei ihrer bevorzugten Anwendung für Fernsehsignale bezieht sich die Erfindung auf die Kompensation folgender Bildfehler:

1. auf die Beseitigung von Verschmierungen und Fahnen beliebiger Polarität, Intensität und Länge;

2. auf die Beseitigung zu starker ■Plastikerscheinungen und Echos kleiner Laufzeit, ohne dabei die Bildauflösung wesentlich zu verringern, und

3. auf eine Erhöhung des Auflösungsvermögens, soweit das zu übertragende Frequenzband durch ein NichtVorhandensein der höheren Frequenzen nicht selbst die Flankensteilheit und die Auflösung einschränkt.

Das Verfahren nach der Erfindung ist aber gleichermaßen wie für die Korrektion von Fernsehsignalen auch für die Erzeugung von Wechselstrommeßspannungen besonderer Kurven und die Erzeugung überschwingungsfreier Multivibratorspannungen geeignet. So bedeuten Fahnen und Verschmierungen für den Einschwingvorgang der Sprungfunktion, daß der elektrische Momentanwert zunächst über den eingeschwungenen Endzustand hinausgeht oder auch ihn nicht sofort ganz erreicht, um sich dann dem endgültigen Wert in der Form einer Exponentialfunktion langsam zu nähern. Der als Plastik bezeichnete Bildfehler drückt sich im Einschwingvorgang als ein- oder mehrmaliges Überschwingen bzw. als mehr oder weniger gedämpfte Schwingung aus, während mangelhaftes Auflösungsvermögen in Zeilenrichtung des Bildes einer zu großen Anstiegszeit der Sprungkennlinie entspricht.

Mit der erfindungsgemallen Anordnung ergibt sich folgender neuartiger, zunächst nicht zu erwartender Effekt: Wenn man mit dem veränderlichen Kondensator und/oder der veränderlichen Induktivität im Anodenkreis die Flankensteilheit durch Hervorrufen des Überschwingens erhöht, kann man mit der Laufzeitkette durch Fehlanpassung des veränderlichen Abschlußwiderstandes das Überschwingen soweit wie nötig kompensieren. Der Gewinn an Flankensteilheit wird durch diese Möglichkeit der nachträglichen Kompensation des Überschwingens größer als man bei der Anwendung einer normalen L-kompensierten Breitbandstufe und/ oder bei Aufhebung der Gegenkopplung für die hohen Frequenzen allein bis zum Auftreten des Überschwingens erreichen kann, wie eingehende Untersuchungen ergeben haben.

Hinzu kommt als weiteres wesentliches Merkmal der Erfindung die Kompensationsanordnung zur Beseitigung von Zeitkonstantenfehlern. Es wird mit iao ihr erstmalig möglich, Zeitkonstantenfehler eines Systems, die sich bekanntlich im Fernsehbild als Fahnen verschiedener Länge, Polarität und Intensität bemerkbar machen, unabhängig einstellbar nach Betrag (Polarität und Intensität) und Zeitkonstante (Länge der Fahnen) zu kompensieren.

In der Schaltungsanordnung nach der Erfindung wird hierzu, d. h. zum Ausgleich des nach einer Exponentialfunktion verlaufenden relativ langsamen Einschwingvorganges, eine Schaltung benutzt, die im wesentlichen aus zwei hintereinandergeschalteten Widerständen besteht, zu denen jeweils·.ein Kondensator von veränderbarer Kapazität parallel geschaltet ist. Diese Anordnung von Schaltelementen ist dabei so in den Stromkreis des zu korrigierenden

ίο Signals eingeschaltet, daß dieses den hintereinandergeschalteten Widerständen bzw. Kondensatoren zugeführt wird und das korrigierte Signal dem Spannungsteilerverhältnis entsprechend verkleinert zwischen dem einen Ende dieser Anordnung und der Verbindungsleitung der beiden Widerstände abgenommen wird. Zweckmäßigerweise ist die Größe der Widerstände so gewählt, daß sie beide den gleichen Widerstandswert haben, und die Größe der Kapazitäten derart, daß beide Kondensatoren von dem halben Maximalwert der Kapazität aus den gleichen Betrag zu- bzw. abnehmen, die Kapazitäten also durch einen Differentialkondensator gebildet werden. Für diesen Fall ergibt sich der Spannungsverlauf an dem in-der Mitte der An-Ordnung gelegenen Abnahmepunkt derart, daß beim Eintreffen eines nach einer Sprungfunktion ver-■ laufenden Spannungsbetrages sich ein Spannungsverhältnis einstellt, das im ersten Augenblick unabhängig von den gewählten Widerständen ist und dem umgekehrten Verhältnis der eingeschalteten Kapazitäten entspricht, danach sich aber in einer Exponentialfunktion auf das durch die Widerstände gegebene Spannungsteilerverhältnis einstellt. Der Verlauf der Momentanwerte A ist, wenn R₁ und R₂ die Widerstandswerte und C₁ und C₂ die Kapazitätswerte bedeuten und weiterhin t die Zeit und β die Zeitkonstante ist, durch die folgende mathematische Beziehung gegeben:

C₁

worin

ist.

ν C₁ + C₂ R₁ + R₂

R₁+ R₂ R₁-(Ct +C₁)

R₁

Wird das Widerstandsverhältnis beispielsweise durch Kopplung der Abgriffsstellen derart aufrechterhalten, daß beide Widerstandswerte zwar veränderlich sind, aber zueinander im gleichen Verhältnis stehen, so wird die Zeitkonstante des Einschwingvorgangs verändert, aber der von dem Verhältnis der Kapazitäten abhängige Anfangswert der gleiche bleiben.

Ändert man andererseits das Verhältnis von C₁ und C₂ unter Beibehaltung der Summenkapazität C₁ + C₂, so bleibt die Zeitkonstante β dieselbe, und die Intensität der Fahne ändert sich.

Trifft nun ein Signal ein, in dem ein langsamer Einschwingvorgang dieser Art enthalten ist, so ist es möglich, ihn mit Hilfe der angegebenen Schaltung hinsichtlich seiner Zeitkonstanten, Polarität und Amplitude (unabhängig voneinander) zu kompensieren.

Die Anordnung nach der Erfindung in der vorbeschriebenen Art gibt also die Möglichkeit, einen langer andauernden Einschwingvorgang, der nach einer Exponentialfunktion verläuft, sowohl mit positivem als auch negativem Anfangswert in jeder praktisch vorkommenden Größe und zeitlichen Länge auszugleichen.

Sind in dem zu übertragenden Signal mehrere nach einer Exponentialfunktion verlaufende Einschwingvorgänge überlagert enthalten, so ist es zweckmäßig, den Ausgleich mit einer entsprechenden Anzahl von derartigen Schaltungsanordnungen vorzunehmen, die jeweils auf den entsprechenden Anfangswert und zeitliche Dauer, also nach zwei Parametern, eingestellt werden. Es sei darauf hingewiesen, daß es möglich ist, nach diesem Prinzip, d. h. durch Hintereinanderschaltung mehrerer dieser Schaltanordnungen, einen variablen System entzerrer aufzubauen.

In Fällen, in denen beim Ausgleich von Ein-Schwingvorgängen der Anfangswert der Exponentialfunktion kleiner als die halbe Höhe des Rechtecksignals ist, kann man von dem Widerstandsverhältnis ι : ι wegen des damit zusammenhängenden Verstärkungsverlustes abgehen und au'f ein kleineres Verhältnis, also beispielsweise ¹Is^--²Is oder ¹U:³/*, umstellen. In einem solchen Fall ist das Verhältnis der Widerstände nach dem ungünstigsten gerade .noch vorkommenden Verhältnis des Anfangswertes zum Endwert des Einschwingvorganges zu wählen. Die derart bemessene Schaltungsanordnung zum Ausgleich der nach einer Exponentialfunktion verlaufenden Einschwingvorgänge hat gegenüber der Anordnung mit dem Widerstandsübersetzungsverhältnis ι : ι den Vorteil des geringeren Verstärkungsverlustes.

Um bei der Erzeugung bzw. Übertragung von Rechteckimpulsen die Flankensteilheit der Sprungfunktion zu verbessern bzw. zu erhalten, wie es beispielsweise bei der Übertragung von Fernsehsignalen angestrebt wird, wird zweckmäßigerweise in dem verwendeten Verstärker die Übertragung der höchsten noch im Frequenzgemisch des Signals enthaltenen Frequenzen begünstigt. Dies kann in bekannter Weise geschehen durch die Aufhebung der Gegenkopplung für die hohen Frequenzen mittels einer im Kathodenkreis mindestens einer Stufe des Breitbandverstärkers liegenden veränderbaren Kapazität, die parallel zum Gegenkopplungswiderstand geschaltet ist. Die veränderbare Kapazität ist dabei so einzustellen, daß die höchsten im Signal enthaltenen Frequenzen mehr oder weniger nach Bedarf angehoben werden können. Eine ähnliche Wirkung kann auch durch eine veränderbare Induktivität im Anodenkreis oder Gitterkreis erreicht werden.

Eine weitere Art der möglichen Verformung der Sprungfunktion ist das gedämpft verlaufende Überschwingen, was sich bei Fernsehbildern als Wiederholung der Bildkonturen je nach der Anzahl der dabei entstehenden Maxima bemerkbar macht. Diese

Abweichungen von der idealen Sprungfunktion werden mit der Anordnung nach der Erfindung durch zusätzliche Reflexionen entsprechender Laufzeit, aber entgegengesetzter Polarität in zweck- -mäßigerweise im Anodenkreis der Breitbandverstärkerstufe liegenden Laufzeitgliedern kompensiert. Um die Anordnung an die verschiedenen Arten von Überschwingerscheinungen anpassen zu können, ist es vorteilhaft, die in dieser Schaltung

ίο verwendeten Laufzeitglieder veränderlich zu halten und damit das Kompensationssignal möglichst genau auf die Störung abzustimmen. Es ist in vielen Fällen zweckmäßig, den durch den im beschriebenen Fall vom Anodenwiderstand gebildeten vorderen Abschluß des Laufzeitgliedes reflexionsfrei anzupassen, um dadurch ungewünschte Mehrfachreflexionen zu vermeiden. Mit der hier beschriebenen Erfindung ist es also möglich, die Welligkeit des Einschwingvorganges zu glätten, wobei die An-

ao stiegzeit nur unwesentlich verändert wird. Als Laufzeitglieder kommen in Frage:

1. Laufzeitketten mit diskret verteilten Induktivitäten und Kapazitäten,

2. speziell entwickelte Laufzeitglieder mit kontinuierlich verteilter Induktivität und Kapazität, deren Laufzeit man in gewissen Grenzen kontinuierlich verändern kann,

3. normales Koaxialkabel,

4. Laufzeitkabel mit verringerter Ausbreitungs-30. geschwindigkeit.

Bei gleichzeitiger Anwendung der oben angeführten Schaltungsmaßnahmen ist es mit der Einrichtung nach der Erfindung möglich, erstens den Einschwingvorgang einer Sprungfunktion bezüg-Hch der Anstiegszeit des Überschwingens und Zeitkonstantenfehler zu verbessern, zweitens Wechselspannungen in gewissen Grenzen willkürlich zu formen und drittens durch Übertragungssysteme verformte Wechselspannungen, insbesondere Rechteckspannungen, zu entzerren.

Die Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung die Schaltungsanordnung zum Ausgleich des nach einer Exponentialfunktion verlaufenden Einschwingvorganges. Sie besteht im wesentlichen aus den zwei hintereinandergeschalteten Widerständen 1 und 2, zu denen jeweils je eine veränderbare Kapazität parallel liegt. Die Widerstände 1 und 2 sollen beispielsweise in der Art veränderlich sein, daß durch geeignete Kopplung der Abgriffsstellen ein festes Verhältnis der Widerstandswerte, z. B. 1:1, auch bei sämtlichen Werten ihres Widerstandsbetrages beibehalten wird. Mit 3 und 4 sind die beiden Teilkapazitäten eines Differentialkondensators bezeichnet, an deren mittlerer Anzapfung bzw. Mittelanzapfung der Widerstände die kompensierte Spannung abgegriffen werden kann.

Die Fig. 2 zeigt im Prinzip die beiden möglichen Formen des nach einer Exponentialfunktion verlaufenden, gewissermaßen einer Sprungfunktion überlagerten Einschwingvorganges, der mit der vorerwähnten Schaltung nach Fig. 1 mittels einer Exponentialfunktion gleicher Zeitkonstante, aber entgegengesetzten Anfangswertes kompensiert werden kann. Ist die Kapazität 4 größer gewählt als 3, so beginnt, vorausgesetzt, daß das Widerstandsverhältnis 1 :1 ist, der zur Kompensation benutzte Einschwingvorgang mit einem positiven Wert; ist die Kapazität 3 größer als 4, so ist der Anfangswert negativ. Der Einschwingvorgang verläuft um so langsamer, je größer die Widerstände 1 und 2 dem Betrage nach sind, immer unter der Voraussetzung, daß das Verhältnis zwischen den beiden Widerständen infolge fester Kopplung nicht geändert wird.

Die Fig. 3 stellt die Röhrenstufe eines Breitband-Verstärkers dar, die nach den Merkmalen der Erfindung mit einer die höchsten Frequenzen des zu übertragenden Frequenzbandes begünstigenden Gegenkopplungsschaltung ausgerüstet ist und eine Einrichtung zur Erzeugung eines Reflexionssignals mittels des Laufzeitgliedes 9 enthält. Mit 5 ist die zum Gegenkoppelwiderstand 6 parallel geschaltete veränderbare Kapazität bezeichnet, die zum willkürlichen Anheben der hohen Frequenzen und damit zur Verbesserung der Flankensteilheit der zu übertragenden Sprungfunktion dient. Statt dieser Schaltung zur Begünstigung der hohen Frequenzen kann auch die Induktivität 7 im Anodenstromkreis des Verstärkers verwendet werden, oder es können gegebenenfalls auch beide Maßnahmen gleichzeitig angewendet werden. 8 stellt den Anodenwiderstand dar, der den vorderen Abschluß des Laufzeitgliedes bildet und zur Vermeidung von Mehrfachreflexionen gleich dem Wellenwiderstand von 9 ist. Der hintere Abschluß von 9 wird durch einen veränderbaren Widerstand 10 gebildet und je nach dem Grad der Über- oder Unteranpassung Polarität und Größe des Echos bestimmt.

Werden mehrere Laufzeitglieder, wie beispielsweise in der Fig. 4 (8 bis 16) angegeben, angewendet, so ist es möglich, die Welligkeit mehrerer Überschwingungen herabzudrücken und gegebenenfalls den Glättungsgrad durch nochmalige Reflexion am Eingang des Laufzeitgliedes noch weiter zu erhöhen.

Fig. 5 zeigt als schematisches Beispiel eine der möglichen Ausführungen der Schaltungsanordnung zur Korrektur von Einschwingvorgängen, insbesondere Fernsehsignalen. Die einzelnen Teile sind in dieser Figur mit den entsprechenden Bezugszeichen der im Zusammenhang mit den anderen Figuren gegebenen Schaltelemente versehen.

Claims (9)

1. Patentansprüche

   i. Schaltungsanordnung zur Korrektur von Zeitkonstantenfehlern und durch eine Sprung-Oder Stoßfunktion hervorgerufenen Einschwingvorgängen, wie Anstiegskantensteilheit und Überschwingen,, insbesondere bei Fernseh-Signalen, gekennzeichnet durch die Kombination folgender einstellbarer, sich bei Veränderung ihrer Werte in ihrer Wirkung gegenseitig nicht beeinflussender Schaltelemente: mindestens eine Serienschaltung von zwei Widerständen (1, 2), zu denen jeweils eine Kapazität (3, 4) parallel

   geschaltet ist, am Eingang oder zwischen den Stufen eines Breitbandverstärkers; eine Kapazität (5) parallel zum Kathodenwiderstand (6) und/oder eine Induktivität (7) in Serie zum Arbeitswiderstand (8) mindestens einer Stufe des Breitbandverstärkers; wenigstens eine Laufzeitkette (9), deren vorderen Abschluß der Arbeitswiderstand (8) einer Breitbandverstärkerstufe oder ein Teil desselben bildet, deren hinteren Abschluß ein in seiner Fehlanpassung einstellbarer Widerstand (10) darstellt.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden veränderbaren Kapazitäten (3, 4) derartig miteinander gekoppelt sind, daß bei Vergrößern der einen der Wert der anderen Kapazität verkleinert wird.
3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kapazitäten (3, 4) einen Differentialkondensator mit zwei gleich großen Endwerten bilden.
4. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgriffssteilen der veränderbaren Widerstände (1,2) derart miteinander gekoppelt sind, daß ein festes Verhältnis der Widerstandswerte erhalten bleibt.
5. 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Beträge der veränderbaren Widerstände im Verhältnis ι : ι und die Beträge der Kapazitäten C₁ : C₂ im Verhältnis

   2 /

   zueinander stehen.
6. 6. Schaltungsanordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufzeitglied (9) aus veränderbaren, kontinuierlich verteilten Bestimmungsgrößen besteht.
7. 7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufzeitglied (9) aus einer Laufzeitkette mit diskret verteilten Schaltelementen besteht.
8. 8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufzeitglied (9) aus einem Laufzeitkabel besteht.
9. 9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufzeitglied (9) aus einem koaxialen Normalkabel besteht.

   In Betracht gezogene Druckschriften:

   Deutsche Patentschrift Nr. 814462;

   Kerkhoff und Werner, Fernsehen, Eindhoven 1951, S. 258/259;

   Heinz Richter, Elektr. Kippschwingungen, Leipzig 1940, S. 67/68;

   M. KuIp, Elektr. Röhren und ihre Schaltungen, Göttingen 1951, S. 289.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   © 609 737/114 12. (709 524/176 5. 57)