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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur stö. rungsunempfindlichen
Übertragung von binären Signalen über Leitungen, die auf der Sendeseite vor Verstärkern
mit niedrigem Ausgangswiderstand eingespeist und auf der Empfangsseite mit Schwellwertverstärkern
abgeschlossen sind.
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Bei der Übertragung von binären Signalen, z. B, von Zählimpulsen zu
einer Werkzeugmaschine übet einen längeren Übertragungsweg von einigen Metern Kabel,
können aus verschiedensten Quellen Störungen eingestreut werden. Diese Störungen
können ein sehr breites Frequenzspektrum mit großen Energien auch bei hohen Frequenzen
enthalten, so daß die Verwendung von Filtern verschiedener Art, insbesondere bei
Nutzsignalen hoher Frequenz bzw. dichter Folge, keine Störungen beseitigen können.
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Es ist nun bekannt, bei Übertragung der Signale über Leitungen mit
Verstärkern einzuspeisen, die bei beiden binären Werten des Signals möglichst kleinen
Ausgangswiderstand besitzen. Dadurch werden kapazitiv eingestreute Störungen stark
bedämpft, jedoch nur, wenn die Frequenz bzw. das Spektrum der Störung so niedrig
ist, daß die Leitung hierfür noch keinen wesentlichen induktiven Widerstand bzw.
Laufzeit besitzt.
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Bei der Übertragung von binären Signalen werden auf der Empfangsseite
auch Eingangsverstärker verwendet, die eine hohe Ansprechschwelle besitzen, z. B.
bei etwa dem halben Nutzhub des Signals. Damit werden Störungen unwirksam, die kleiner
als der halbe Nutzhub sind. Es kann damit jedoch nicht verhindert werden, daß-noch
größere Störsignale doch Fehler verursachen.
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Hier zeigt die Erfindung eine Lösung, die dadurch gekennzeichnet ist,
daß die Übertragung eines Signals. sowohl direkt wie auch im Komplement erfolgt
und auf der Empfangsseite eine Kontrollschaltung nur dann deren Ausgangssignal ändert,
wenn beide Eingangssignale entgegengesetzte komplementäre Werte annehmen.
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Die Erfindung nutzt dabei die Tatsache aus, daß ein Störsignal den
bzwe die Übertragungswege jeweils in der gleichen Richtung beeinflußt, so daß ein
Störsignal sowohl das Nutzsignal selbst wie auch den Komplementwert gleichzeitig
entweder zu einer »0« oder zu einer »1« verfälscht. Darauf reagiert die Kontrollschaltung
jedoch in beiden Fällen nicht.
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Allerdings muß vorausgesetzt werden, daß die an der Kontrollschaltung.
ankommenden Störsignale, d. h. der Zustand: beide Eingänge haben »0« oder -»1«,
nicht länger dauern als zwei Signalwechsel, da sonst ein Signal verlorengehen kann.
Nun sind Störungen mit großer Amplitude allgemein kürzer als-Störungen mit kleiner
Amplitude, so daß letztere von der Kontrollschaltung' ferngehalten werden müssen.
Um dies zu erreichen, ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung auf der Senderseite
zur Einspeisung der Leitungen in an sich bekannter Weise ein Verstärker mit kleinem
Ausgangswiderstand und auf der Empfangsseite ein Schwellwertschalter mit großer
Hysterese vorgesehen, wobei vorteilhaft beide Verstärker auf bestimmte Weise gleich
aufgebaut sind. Durch einen Schwellwertschalter mit großer Hysterese können bei
entsprechender Dimensionierung dann Störungen bis nahe zum Signalhub von der Kontrollschaltung
ferngehalten werden. E An Hand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung
näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine Übersichtsdarstellung, F i g. 2 ein. Ausführungsbeispiel.
der Kontrollschaltung, F i g. 3 ein Schaltbild des Verstärkers, F i g. 4 a und 4
b das Schaltverhalten eines Verstärkers ohne bzw. mit Hysterese.
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F i g. 1 zeigt zunächst den prinzipiellen Aufbau der Anordnung. Das
Eingangssignal I wird zwei Leitungstreibern LD direkt bzw. invertiert über den Inverter
V zugeführt. An den Ausgängen der Treiber steht also 1 und die invertierte Information
1 zur Verfügung. Die Treiber sind so beschaffen, daß sie sowohl für »0« als auch
für »L«-Signale einen niedrigen Innenwiderstand aufweisen.
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Sie vergrößern gleichzeitig den Signalhub »0« und »L« auf etwa die
Speisespannung Up der Treiber. Am Ende der Übertragungsleitung ü befinden
sich Eingangsschaltungen LD, die mit einer Spannungshysterese von minimal 1/z
Up ausgestattet sind. Hierdurch wird garantiert, daß bei Störspannungen bis
zu mindestens -I- oder -1/z Up an den Eingängen an den Ausgängen die richtigen
Informationen I und 1 wieder zur Nerfügungstehen. .Falls trotz dieser erhöhten Störsicherheit
ein kurzer Störimpuls beide Eingangsschaltungen übersteuert, so wird bei Verwendung
einer symmetrisch verlegten Übertragungsleitung (verdrillte Leitungen--oder abgeschirmte
Leitungen) der Störimpuls auf beiden Eingängen mit gleicher Polarität erscheinen.
An den Ausgängen der Eingangsschaltungen LD entsteht also auf beiden Seiten gleichzeitig
»0« oder »L«. Dieser Fehler wird von der Kontrollschaltung K erkannt und-korrigiert,
falls die Störung kürzer ist als der zu übertragende Impuls. - Die Kontrollschaltung
(F i g. 2) arbeitet folgendermaßen: Die NAND-Gatter 5 und 6 bilden ein Speicher-Flip-Flop.
Für den Normalfall, für den in F i g. 2 die an den einzelnen Punkten der Schaltung
anliegenden Signale angegeben sind, liegt am Eingang von Gatter 5 stets I und an
6 die Information 1. Deswegen liegt am Ausgang A des Gatters 6 stets 1. Der Ausgang
folgt jedem Wechsel von 1 zwischen »L« und »0«. Werden jedoch durch einen Störimpuls
beide Eingänge Ei und E2 der Kontrollschaltung auf gleiches Potential gelegt, dann
liegt an den Eingängen der Gatter 3 und 4 infolge- der Inverter 1 und 2 jeweils
am einen Eingang »Ö« und am anderen »L«. Die Ausgänge der NAND-Gatter 3 und 4 zeigen
daher »L«. Die Gatter 5 und 6 verändern hierbei ihre Lage nicht. Am Ausgang der
Kontrollschaltung wird --die Information I gespeichert.. Die Störung bewirkt also
keine Informationssprünge am Ausgang A der Kontrollschaltung, und die Störimpulse
werden von einem angeschlossenen Zähler nicht gezählt, Die Störimpulse können allerdings
verhindern, daß ein Zählimpuls über die- Leitung .kommt, wenn die Störung länger
andauert als ein Informationswechsel L-0 L
oder 0-L-0. Die Kontrollschaltung
K ermöglicht also die richtige Übertragung der Zählimpulse, auch wenn kurzzeitig
beide Eingänge der Empfangsschaltung übersteuert werden.
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Die Verstärker zum Einspeisen und Abschließen der Leitung bestehen
aus einer Kippschaltung, die für das Eingangssignal eine große Hysterese aufweist
und in F i g. 3 dargestellt ist.
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Die beiden stationären Schaltzustände stellen sich ein, wenn erstens
U, O V ist, dann sind T1 und T2 eingeschaltet und Ua ": Up =12V, und wenn
zweitens U,:- r Up ist, dann sind T, und T4 eingeschaltet
und
es ist U" .-: 0 V. Der Widerstand RR bewirkt eine Rückkopplung und damit das Kippverhalten
der Schaltung.
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Wird die Schaltung zunächst ohne Rückkopplung betrachtet, also RR
= oo, dann läuft der Umschaltvorgang folgendermaßen ab: Die beiden Eingangstransistoren
T1 und T3 können nicht gleichzeitig eingeschaltet sein, da die beiden Basis-Emitter-Strecken
parallel geschaltet sind und T1 ein npn- und T3 ein pnp-Transistor ist. Die gemeinsame
Basis von T1 und T3 liegt über den aus den beiden Widerständen RT gebildeten Spannungsteiler
auf U./2. Diese Spannung wirkt als Schwellspannung US für den aus T1 und T3 gebildeten
Schwellwertschalter. Wird die Eingangsspannung von U, = 0 V (T1 und T2 »ein«) ausgehend
erhöht, dann wird bei Ue = US = Up/2 der Transistor T1 und demzufolge
auch T2 sicher abgeschaltet sein, weil dann kein Basisstrom mehr fließen kann (UBE
= 0 V). Für noch ein wenig höhere Eingangsspannung U, = US -I- UBE
3 schaltet dann T3 und demzufolge T4 ein. UBg3 ist die Basis-Emitter-Einschaltspannung
von T3.
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Wird jetzt der Rückkoppelwiderstand RR in die Schaltung eingefügt,
dann ist die Reihenfolge des Umschaltens der Transistoren T1 bis T4 genau wie beschrieben,
nur mit dem Unterschied, daß die Schwellen, wo T1 und T3 zu sperren beginnen, vom
jeweils vorher vorhandenen Schaltzustand der Transistoren T2 und T4 abhängig werden.
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Entsprechend dem Widerstandsverhältnis von RR zu RT/2 wird die Eingangsspannung
Ueo, wo T1 sperrt, zu positiven Spannungen hin verschoben und die Schwellspannung
Ueu, wo T3 sperrt, um denselben Betrag in negativer Richtung. Die Differenz Ueo-
U"" = d U, ist die Hysterese der Schaltung. Wird die so erzeugte Hysterese
JU, größer gewählt als die Summe der Basis-Emitter-Einschaltspannungen von
T1 und T3, dann tritt der oben erwähnte undefinierte Zwischenzustand der Schaltung,
in dem alle vier Transistoren gesperrt sind, nicht auf, jedenfalls nicht statisch.
Das kommt daher, daß, bevor die Schaltung kippen kann, die Eingangsspannung so weit
angehoben bzw. gesenkt sein muß, daß immer Einschaltstrom für den jeweils kurz zuvor
gesperrt gewesenen Transistor zur Verfügung steht. Der Umschaltvorgang läuft dann
infolge der Rückkopplung (auch bei U, = const.) weiter, bis die Ausgangsspannung
den statischen Endwert erreicht hat.
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F i g. 4 zeigt das Schaltverhalten zweier Verstärker, von denen der
eine (F i g. 4a) beim Über- oder Unterschreiten einer bestimmten Spannungsschwelle
schaltet und der andere (F i g. 4 b) eine gleichgroße Hysterese H (Ueo- Uea hat.
Während die Eingangsspannung mit einer Anstiegszeit t,. von »0« nach »L« ansteigt
- »0« bzw. »L« sind die logischen Spannungsniveaus der Schaltung -, werden einige
kurze Störimpulse eingestreut. Solange sich die Eingangsspannung noch nicht oder
nur sehr wenig geändert hat, zeigen beide Ausgänge beim ersten Störimpuls keine
Spannungsänderung. Beim zweiten Störimpuls ist für die Schaltung von F i g. 4 a
die Schwelle erreicht und der Ausgang schaltet. Bei Beendigung des Störimpulses
sinkt die Eingangsspannung wieder unterhalb der Schwelle, und der Ausgang schaltet
wieder in die Anfangslage zurück. Erst beim dritten Störimpuls, zur Zeit t1, ist
die Störschwelle endgültig überschritten, und der Verstärker bleibt umgeschaltet.
Für die Schaltung von F i g. 4 b und mit Hysterese ist beim zweiten Störimpuls die
Schaltschwelle Ueo noch nicht erreicht. Erst beim dritten Störimpuls zur Zeit t1
wird die Schwelle Ueo überschritten und kurz darauf unterschritten. Der Ausgang
schaltet aber nicht zurück. Wegen der Hysterese ist das erst möglich beim Unterschreiten
der Schwelle U". Zum Zeitpunkt t2 würde die Eingangsspannung ohne Störung die Schwelle
Ueo erreichen. Die Störungen bewirken also nur ein etwas verfrühtes Schalten zum
Zeitpunkt t1. Außerdem ist für die Schaltung mit Hysterese die Störsicherheit schon
bei in Ruhe befindlichem Eingangssignal 0 oder L größer als in der Schaltung ohne
Hysterese. Wenn gleiche Störsicherheit gefordert wird, bei »0« und »L« am Eingang,
dann ist die maximale Störsicherheit im Falle von F i g. 4 a - ohne Hysterese -
gleich 1/2 L, während sie für den in F i g. 4 b dargestellten Fall nahezu bei »L«,
also dem doppelten Wert, liegen kann.