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Pulscodemodulator für Einrichtungen der elektrischen Nachrichten-
und Meßtechnik Die Erfindung bezieht sich auf einen Pulscodemodulator für Einrichtungen
der elektrischen Nachrichten- und Meßtechnik zur Umwandlung eines vom umzusetzende
Signal abgeleiteten Analogstromes in einen binären Permutationscode, vorzugsweise
gewöhnlicher binärer Code.
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Modulatoren dieser Art können nach verschiedenen Verfahren arbeiten.
Sofern keine extrem hohen Codiergeschwindigkeiten gefordert werden, wird im allgemeinen
ein Verfahren zu bevorzugen sein, bei dem die Umwandlung eines Amplitudenwertes
in das Codezeichen des gewünschten binären Permutationscodes mittels einer der Anzahl
der Binärstellen entsprechenden Zahl von Rechentakten erfolgt. Für diesen Fall benötigt
die Modulatorschaltung für jede Binärstelle einen Vergleicher, der jeweils mit einem
Speicher kombiniert ist. Der umzusetzende Amplitudenwert wird hierbei nacheinander
in den einzelnen Vergleicherstufen - anfangend mit dem die höchstwertige Binärstelle
darstellenden Vergleicher und endigend mit dem die niedrigste Binärstelle darstellenden
Vergleicher - verglichen und das aus ,den einzelnen Vergleichen resultierende Ergebnis
»0« oder »1« im jeweils zugehörigen Speicher gespeichert. Nachdem aller Vergleicherstufen
durchlaufen sind, werden die Speicherergebnisse an eine Anordnung ausgegeben, die
die einzelnen Elemente des Codezeichens in zeitrichtiger Zuordnung nacheinander
der Übertragungsleitung zuführt. Der technische Aufwand bekannter nach dem beschriebenen
Verfahren arbeitender Pulscodemodulatoren ist relativ groß, weil jede Vergleicherstufe
einen eigenen Speicher benötigt und außerdem die Parallelausgabe der in den Speichern
gespeicherten Elemente eines Zeichens für die Übertragung in eine Serienausgabe
umgewandelt werden muß.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für die Realisierung eines
Pulscodemodulators, der nach dem einleitend beschriebenen Verfahren arbeitet, eine
mit einfachsten Schaltmitteln auskommende Lösung aufzuzeigen.
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Für einen Pulscodemodulator für Einrichtungen der elektrischen Nachrichten-
und Meßtechnik zur Umwandlung eines vom umzusetzenden Signal abgeleiteten Analogstromes
in einen binären Permutationscode, vorzugsweise in einen gewöhnlichen binären Code,
bei dem die Codeelemente folgerichtig nacheinander, anfangend beim Codeelement mit
der höchsten Wertigkeit, unter Verwendung der Reihenschaltung von stromabhängigen,
Kippeigenschaften aufweisenden Widerständen (Kippwiderständen), gewonnen sind, wird
gemäß der Erfindung die Aufgabe dadurch gelöst daß die Reihenschaltung eine der
Anzahl der Codeelemente entsprechende Zahl von Kippwiderständen aufweist, die durch
geeignete Wahl ihres Kippunktes jeweils einer Binärstelle des Codes zugeordnet sind,
und daß Schaltmittel vorgesehen sind, die einerseits die Kippwiderstände im Zyklus
einer Codezeichenperiode nacheinander entsperren und andererseits beim Kippen eines
Kippwiderstandes den nachgeordneten Kippwiderständen einen den Analogstrom vermindernden
Gegenstrom zuführen, dessen Größe durch die Wertigkeit der dem betreffenden Kippwiderstand
zugeordneten Binärstelle bestimmt ist.
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Der Modulator nach der Erfindung benötigt so viele Rechentakte als
Binärstellen vorhanden sind. Jeder einer Binärstelle zugeordnete Kippwiderstand
übt in vorteilhafter Weise sowohl die Funktion eines Vergleichers als auch eines
Speichers aus. Dadurch kann der Gesamtaufwand des Modulators relativ klein gehalten
werden.
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Es sind bereits zwei Pulscodemodulatoren vorgeschlagen worden, die
ebenfalls Kippwiderstände verwenden, aber nach anderen Prinzipien arbeiten. Bei
der einen Ausführungsform wird lediglich ein Kippwiderstand als Vergleicher verwendet.
Dieser Modulator arbeitet verhältnismäßig langsam, weil er für die Umsetzung eines
Analogwertes in einen Digitalwert so viele Rechenschritte durchführen muß als Amplitudenstufen
vorhanden sind. Die andere Ausführungsform verwendet zueinander parallele Reihen
von Kippwiderständen, deren Anzahl gleich der Anzahl der diskreten Amplitudenstufen
des Analogsignals ist. Ein solcher Modulator arbeitet mit sehr hoher Geschwindigkeit,
weil er für die Umsetzung einer Probe lediglich einen Rechentakt durchführen muß.
Dafür benötigt er aber auch einen großen technischen Aufwand, der sich nur dort
lohnt, wo
entsprechend hohe Arbeitsgeschwindigkeiten gefordert werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes zur
Gewinnung des gewöhnlichen binären Codes ist die Höhe der Kippunkte der einzelnen
Kippwiderstände der Wertigkeit der ihnen zugeordneten Binärstellen derart proportional
gewählt, daß der Kippwiderstand mit der höchsten Wertigkeit bei der Hälfte, der
Kippwiderstand mit der zweithöchsten Wertigkeit bei einem Viertel, der Kippwiderstand
mit der dritthöchsten Wertigkeit bei einem Achtel usw. der Maximalamplitude des
Analogstromes von einem niedrigen Widerstandswert in einen hohen Widerstandswert
»springt«. Der jeweils beim Kippvorgang eines Kippwiderstandes ausgelöste Gegenstrom
hat dabei die Größe des durch dessen Kippunkt festgelegten Kippstromes.
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Besonders zweckmäßig erweist es sich, in einer Modulationsschaltung
gemäß der Erfindung nur Kippwiderstände vom gleichen Typ zu verwenden und die unterschiedliche
Dimensionierung ihrer Kippunkte durch eingeprägte Vorströme vorzunehmen.
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Die Abnahme der Codezeichen erfolgt in sehr einfacher Weise über eine
differenzierende Anordnung, die eingangsseitig der Reihenschaltung aus den Kippwiderständen
parallel angeschaltet ist.
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Für alle denkbaren Anwendungen des Erfindungsgegenstandes ist es außerordentlich
vorteilhaft, als Kippwiderstände Tunneldioden zu verwenden, da dieselben auch bei
sehr kleinem Leistungspegel einen genauen Vergleich ermöglichen. Dies hat seine
Ursache darin, daß das Strommaximum der Tunneldioden, bei dem sie von einem Widerstand
niedrigen Wertes in einen Widerstand hohen Wertes »springen«, sehr konstant ist
und auch bei sehr kleinen Strömen und Spannungen liegt.
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An Hand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt
ist, soll die Erfindung näher erläutert werden.
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In der F i g. 1 ist zunächst die charakteristische Kennlinie einer
Tunneldiode dargestellt, die, wie bereits erwähnt wurde, ein für Modulationszwecke
besonders geeigneter Kippwiderstand ist. Ein der Tunneldiode eingeprägter kleiner
Strom I1 bzw. 12 ruft einen nur kleinen Spannungsabfall UI bzw. U2 hervor. Sobald
jedoch der Strom bei der Spannung U0 das Strommaximum 10 =13 erreicht, »springt«
die Spannung an der Tunneldiode auf den relativ hohen Wert U3. Wird der eingeprägte
Strom weiter, beispielsweise auf den Wert 14 erhöht, dann hat das keine nennenswerte
Erhöhung (U4) der »Sprungspannung« mehr zur Folge. Dieser Effekt wird beim erfindungsgemäßen
Modulator dazu ausgenutzt, um einen zu codierenden Analogstromwert auf seine ; Amplitude
hin abzutasten. Hierzu ist es allerdings erforderlich, daß das Strommaximum 10 bei
den einzelnen Tunneldioden der erfindungsgemäßen Codierschaltung entsprechend ihrer
Zuordnung zu einer Binärstelle unterschiedlich groß gewählt ist. Dies kann, sofern
man es vorzieht Dioden vom gleichen Typ zu verwenden, in einfacher Weise dadurch
erreicht werden, daß den Tunneldioden Vorströme eingeprägt werden, mit deren Hilfe
ihre Kippunkte beliebig verschoben werden können.
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Ein Blockschaltbild des Erfindungsgegenstandes zur Gewinnung des gewöhnlichen
binären Codes, und zwar eines Vierelementecodes, ist in F i g. 2 dargestellt. Entsprechend
einem vierstelligen Code weist die F i g. 2 die Reihenschaltung aus vier Tunneldioden
D 1 . . . D 4 auf, deren Kippunkte entsprechend ihrer Zuordnung zu einer Binärstelle
unterschiedlich groß gewählt sind. Die Einstellung der Kippunkte erfolgt hierbei
durch die bereits erwähnten Vorströme, die aus Gründen der übersichtlichkeit nicht
in die F i g. 2 mit eingetragen sind. Die Höhe der Kippunkte der Tunneldioden D
I ... D 4 ist der Wertigkeit der ihnen zugeordneten Binärstellen derart proportional,
daß die Tunneldiode D 1 mit der höchsten Wertigkeit bei der Hälfte (ü@), die Tunneldiode
D 2 mit der zweithöchsten Wertigkeit bei einem Viertel (l/4) usw. der Maximalamplitude
des den Dioden über den Eingang E zugeführten Analogstromes in den Zustand hohen
Widerstandes »springen«.
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Die Tunneldioden D 1 ... D 3 sind jeweils dem Eingang einer
Schalteinrichtung V I bis V 3 parallel geschaltet. Die Ausgänge der Schalteinrichtungen
V 1 bis V3 sind jeweils mit der Reihenschaltung der Tunneldioden in der Weise verbunden,
daß sich im Ausgangskreis einer Schalteinrichtung jeweils nur die Dioden befinden,
die der Diode, der die betreffende Schalteinrichtung eingangsseitig zugeordnet ist,
nachgeordnet sind. Die Schalteinrichtungen V I bis V3, die beispielsweise
monostabile Multivibratoren sein können, sind so dimensioniert, daß in ihren Ausgängen
kein Strom fließt, wenn die ihren Eingängen parallel geschalteten Dioden einen Wert
niedrigen Widerstandes aufweisen und einen den Analogstrom vermindernden Gegenstrom
führen, wenn die ihnen zugeordnete eingangsseitige Diode von einem Wert niedrigen
Widerstandes in einen Wert hohen Widerstandes »springt«. Die Größe der dabei ausgelösten
Gegenströme il ... i3 ist jeweils so bemessen, daß sie der Größe des durch
den Kippunkt der eingangsseitigen Diode festgelegten Kippstromes entspricht.
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Der stufenweise Vergleich eines zu codierenden Analogstromwertes erfordert
einen Taktgenerator, der die Dioden nacheinander in gleichen Zeitabständen innerhalb
einer Codezeichenperiode entsperrt. Der in der F i g. 2 gezeigte schematisch dargestellte
Taktgenerator T hat vier Ausgänge I, 11, III und IV, von denen der Ausgang I dem
Eingang E der Codierschaltung, der Ausgang 1I der Reihenschaltung aus den Tunneldioden
D 2, D 3 und D 4, der Eingang 111
der Reihenschaltung aus den
Tunneldioden D 3 und D 4 und der Ausgang IV der Tunneldiode
D 4 parallel geschaltet sind. Im Zeitpunkt Null schickt der Taktgenerator
über jeden seiner vier Ausgänge I bis IV durch die Tunneldioden einen dem Analogstrom
entgegengerichteten Sperrstrom, dessen Amplitude ungefähr den 1,5fachen Wert der
Maximalamplitude des Analogstromes aufweist. Wird die Größe des Sperrstromes auf
die Maximalamplitude des Analogstromes bezogen, dann fließt demnach durch die Diode
D 1 ein Sperrstrom von der Größe -1,5, durch die Diode D2 ein Sperrstrom von der
Größe - 3 usw.
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Im Zeitpunkt t 1 wird die Tunneldiode D I entsperrt,
im Zeitpunkt t2 die Tunneldiode D2 usw., bis dann im Zeitpunkt t 5
der Sperrstrom wieder für alle Dioden eingeschaltet wird und damit die nächste Abtastung
beginnt. An sich würde es genügen, wenn die Größe der Sperrströme des Taktgenerators
T den Bezugswert 1 nur um ein geringes übersteigt, um sicherzustellen, daß die einzelnen
Dioden in den gewünschten
Zeitabschnitten gesperrt sind. Da die
Tunneldioden jedoch eine Hysterese (F i g. 1) aufweisen, ist es notwendig, die Sperrströme
so groß zu wählen, daß sie bei ihrem Wiedereinschalten am Ende einer Codezeichenperiode
(t5) alle Tunneldioden mit Sicherheit in ihre niederohmige Ausgangslage rückumschalten.
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Zum noch besseren Verständnis der Wirkungsweise der Schaltungsanordnung
nach der F i g. 2 sind in der F i g. 3 zwei Spannungsdiagramme über derZeit untereinander
aufgetragen, denen die Annahme zugrunde liegt, daß der während der Zeit
t = t 1 bis t = t5 umzusetzende Analogstromwert den Code
1011 liefert. Das obere Diagramm der F i g. 3 zeigt hierbei den Spannungsverlauf
Ua an der Reihenschaltung der Tunneldioden D 1 bis D4. Der Vergleich des
Analogstromwertes in der die höchste Binärstelle darstellenden Tunneldiode D 1 im
Zeitpunkt t1 ergibt einen Wert, der größer ist als die halbe Maximalamplitude des
Analogstromes. Folglich »springt« die Tunneldiode D 1 auf einen Wert hohen Widerstandes
und löst damit über die Schaltanordnung V 1 s den Gegenstrom i 1 mit
der auf die Maximalamplitude des Analogstromes bezogenen Größe -1/2 aus, der die
Tunneldioden D 2, D 3 und D 4 durchfließt. Im Zeitpunkt
t 2 wird nunmehr der um den Strom i 1 verminderte Analogstromwert daraufhin
geprüft, ob er größer oder kleiner als ein Viertel der Maximalamplitude des Analogstromes
ist. Dies ist nicht der Fall. Infolgedessen »springt« die Tunneldiode
D 2 nicht, und die Schalteinrichtung V 2
liefert für die folgenden
Dioden keinen Gegenstrom. In gleicher Weise wird der Vergleich in den Zeitpunkten
t 3 und t 4 für 1/a und 1/1s der Maximalamplitude des Analogstromes
wiederholt. Die Spannung Ua stellt also eine Treppenkurve dar, die über der Zeit
immer dann um eine Stufe nach oben springt, wenn die gerade für den Vergleich freigegebene
Tunneldiode von einem Wert niedrigen Widerstandes in einen Wert hohen Widerstandes
»springt«. Mit Hilfe einer Differenzieranordnung Dg (F i g. 2), die der Reihenschaltung
aus den Tunneldioden parallel angeschaltet ist und im einfachsten Falle aus einem
Kondensator C und einem Widerstand R besteht, wird der Spannungsverlauf Ua nach
der F i g. 3 differenziert. Am Ausgang A der Differenzieranordnung Dg, der gleichzeitig
der Codierausgang des Modulators ist, können so die Codezeichen in folgerichtiger
Zuordnung ihrer einzelnen Elemente abgenommenwerden. Der negative Impuls im Zeitpunkt
t 5, in dem sämtliche Tunneldioden in ihre Ausgangslage zurückgeschaltet werden,
kann hierbei in vorteilhafter Weise zur Synchronisation mitverwendet werden. Falls
er nicht benötigt wird, kann er leicht mit üblichen Schaltmitteln für die weitere
Übertragung unterdrückt werden.
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Der zeitliche Verlauf der einzelnen Sperrströme des Taktgenerators
T, die über die Ausgänge I bis IV in die Reihenschaltung der Tunneldioden
D 1 bis D 4
nach der F i g. 2 eingespeist werden, bedingt, daß die
Tunneldiode D 4 zeitweise einen Sperrstrom verkraften muß, dessen Amplitude gleich
dem sechsfachen Wert der Maximalamplitude des Analogstromes ist. Da infolge der
kleinen Strommaxima der Dioden sämtliche Ströme relativ klein gehalten werden können,
besteht im allgemeinen keine Gefahr der überlastung. Bei Anordnungen für beispielsweise
einen achtstelligen und noch höheren Code dürfte es allerdings zweckmäßig sein,
den durch eine Diode feßenden maximalen Sperrstrom zu begrenzen. Dies kann beispielsweise
durch eine andere Anschaltung der Ausgänge des Taktgenerators an die Reihenschaltung
der Dioden erfolgen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die zeitliche Zuordnung
des Stromverlaufes der einzelnen Sperrströme in geeigneter Weise abzuändern.