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"Als rückkoppelbares analoges Schieberegister. ausgebildetes Abtastfilter"
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein als rUckkoppelbares analoges Schieberegister
ausgebildetes Abtastfilter, dessen Verzögerungselemente Jeweils aus einem Querkondensator
mit einem Lade- rad Auskoppelschalter aufgebaut sind, und bei dem zum Verarbeiten
von n voneinander getrennten Impulsfolgen in Jeder Verzögerungsstufe des Abtastfilters
Verzögerungselemente der Anzahl n'>n zueinander parallel geschaltet sind, die
zeitlich nacheinander die Impulse der Impuls folgen aufnehmen.
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Abtastfilter der geschilderten Art, die auch die Bezeichnung "Kanalfilter"
tragen, sind in einer älteren Patentanmeldung vorgeschlagen worden. Allgemein seien
als Abtastfilter hier solche aktiven Filter bezeichnet, die aus einer geeigneten.
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Anordnung analoger Schieberegister aufgebaut sind, deren
Jedes
einen Querkond8nsator sowie einen Lade- und einen Auskoppelschalter aufweist. Ein
solches analoges Schieberegister wird im folgenden als Verzögerungselement bezeichnet.
Gemäß dem bereits erwähnten Vorschlag werden nun n Impulsfolgen mit Hilfe eines
einzigen Abtastfilters verarbeitet, wobei Jede Verzögerungsstufe des Abtastfilters
aus n + 1 Verzögerungselementen aufgebaut ist, die zueinander parallelgeschaltet
sind und zeitmultiplexartig mit den die Impulsfolgen liefernden bzw. aufnehmenden
Kanälen verbunden werden. Die Arbeitsweise sei anhand von Figur 1 an einem einfachen
Beispiel erläutert, bei dem n 2 2 ist; die beiden, die Impulsfolgen liefernden Kanäle
sind mit K11 und K12 bezeichnet; die Kanäle, die die Impuls folgen nach Durchgang
durch das Abtastfilter aufnehmen, sind mit K21* K22 bezeichnet. Bei dem gezeigten.
Beispiel handelt es sich um ein Filter ersten Grades. Die Impulsform der Nachrichten
sei als durch kurzfristiges Schließen von den Kanälen K11 und K12 nachgeschalteten
Schaltern Sie und 52e erzeugt zu denken. Bede Schalter snd zu einer gemeinsamen
Leitung zusammengefaßt, die dem Abtastfilter zugeführt wird, Über eh erstes Bewertungsglied
-bg und Uber einen ersten Operationsverstärker °1 werden die Impulse den Verzögerungselementen
zugeführt, die in der bereits beschriebenen Weise aus Querkondensatoren C1 - C3
und Ladeschaltern S11 - 83j
sowie Auskoppelsohaltern S12 - S32 aufgebaut
sind. Die Ausgänge der Verzögerungselemente sind Uber einen zweiten Operationsverstärker
°2 zusammengefaßt, der außerdem Uber ein weiteres Bewertungsglied b1 mit dem Eingang
verbunden ist. Vom Ausgang des zweiten Operationsverstärkers O2 ist über ein drittes
Bewertungsglied c0 eine Ruckkoppelschleife auf den ersten Operationsverstärker O1
vorgesehen. Dem Operationsverstärker °2 sind Schalter 51a und 52a nachgesohaltet,
die die erwähnten Kanäle K21 und K22 mit dem Abtastfilter verbinden.
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Die Arbeitsweise ist die folgende.
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Zu einem ersten Zeitpunkt sei der Schalter Sle geschlossen, d. h.)
es trifft aus dem Kanal K11 ein Impuls ein, der über das Bewertungsglied -Do und
den Operationsverstärker O1 sowie den zu diesem Zeitpunkt geschlossenen Schalter
S11 in das erste Verzögerungselement einläuft und den Kondensator C1 auflädt. Der
Auskoppelschalter S12 ist geöffnet, so daß der Kondensator C1 nach Öffnung des Ladeschalters
S11 in seinem Ladezustand verharrt. Gleichzeitig mit der Schließung des Schalters
S11 ist der Schalter 522 geschlossen worden, so daß der Kondensator C2 seine Spannung
huber den Operationsverstärker O2 und den ebenfalls geschlossenen Schalter S1a
an
den Kanal K21 abgibt und über C0 auf O1 rückkoppelt.
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Zum nächsten Zeitpunkt, d. h. nach Ablauf der Hälfte der Speicherzeit
T des ersten Verzögerungselementes trifft auf dem Kanal K12 ein Impuls ein (Schalter
52e geschlossen, Schalter S1e geöffnet), der über den nunmehr geschlossenen Schalter
S21 den Kondensator C2auflädt. Gleichzeitig wird durch Schließung des Schalters
S32 die Spannung des Kondensators C) auf dem Kanal K21 und über ca auf den Operationsverstärker
O1 gegeben. Der nächste Zyklus beginnt wiederum mit dem Kanal K11, der deshalb nicht
wieder dem Kondensator C1 (sondern C3) zugeführt werden kann, weil dieser noch den
vorhergehenden Impuls aus dem gleichen Kanal gespeichert hat und diesen Impuls gerade
Jetzt erst abgibt.
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Aus dieser Funktionsbeschreibung läßt sich die Notwendigkeit ableiten,
die Zahl der Verzögerungselemente um 1 größer als die Zahl der voneinander unabhängigen
Impulsfolgen zu wälnlen, die von dem Abtastfilter verarbeitet werden sollen.
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Ys sei noch darauf hingewiesen, daß durcll Hintereinanderschaltung
von mehreren der gezeigten Abtastfilter ("Verzögerungsstufen") Filter höheren Grades
aufgebaut werden können
Aus den oben gemachten Ausführungen läßt
sich leicht ableiten, daß nach der Zeit (n +1)T eine bestimmte Impuls~ folge wieder
dem gleichen Verzögerungselement zügordn.t ist, wenn T die Verzögerungszeit Jedes
einzelnen Verzögerungselementes ist.
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Die geschilderte Anordnung weist folgenden Nachteil auf.
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Die dargestellten Schalter S11 - S32 werden praktisch als Transistor-
oder Feldeffekt-Transistorschalter realisiert.
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Derartige Schalter weisen meist Durchlaßwiderstände auf, die voneinander
geringfügig differieren. Da auch die Kapazitäten der Kondensatoren C1 - C3 nicht
exakt gleich groß sind, ergeben sich infolge der aus den beiden Größen (Durchlaßwiderstand
und Kapaztät) resultierenden, von Verzögerungselement zu Verzögerungselement unterschiedlichen
Ladezeitkonstanten unterschiedliche Ladungen an den Kondensatoren, auch wenn ihnen
an sich gleiche Spannungen zugeführt werden. Diese unterschiedlichen Ladungen, deren
Abweichungen vom Sollwert als Fehlladung bezeichnet werden sollen, führen bei der
Abfrage der Verzögerungselemente zu Störsignalen, dle ene Frequenz fS aufweisen.
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Eine weitere Ursache von Fehiladungen besteht in den unterschiedlich
großen
Koppelkapazitäten zwischen Steuer- und Signalkreis, Figur 2 zeigt übereinander dargestellt
einen Impulsplan, bei dem schraffiert die Schließungszeiten der links angeführten
Schalter dargestellt sind. Darunter dargestellt ist ein Spannungsv#lauf, wie er
an einem der Kanäle oder K22 auftreten würde, wenn eingangsseitig ehe Gleichspannung
zugeführt wird und wenn den Schaltern S1a und S2a Haltespeicher nachgeschaltet sind.
Der gezeigte Spannungsverlauf U entspricht der Größe der Fehlladungen der nacheinander
enladenen Kondensatoren C1 - C3. Aus dem dabei auftretenden Kurvenverlauf läßt sich
mit Leichtigkeit entnehmen, daß die Fehlladungen mit einer Periode fp fp , hier
also mit auftreten (fp ist Abtastfrequenz). n+1 3 Diese Periode ist identisch mit
der Perlode der Störfp spannung, so daß hier gilt fs = . Es läßt sich jen+1 doch
zeigen, daß zusätzlich Störspannungen der Frequenz fp fsi = (i = 1, 2 .... n) auftreten
können. l + i Figur 3 zeigt unter Auslassung der unwichtigen Bauteile (Rückkopplungen
und Bewertungsglieder) die schon geschielderte Abtastfilteranordnung in allgemeiner
Form. Die Verzögerungselemente
des Abtastfilters sind zu einem
Block K zusammengefaßt. Da alle Impuls folgen diesem einen Block zugeführt werden,
sei eine Blockzahl k = 1 definiert. Die Anzahl der Verzögerungselemente pro Block
sei m, hier m = n + 1.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die erwähnten
Störsignale weitgehend zu unterdrücken.
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Die Erfindung besteht darin daß zur Eliminierung von fp Störsignalen,
die mit der Frequenz fs = (m = 1, 2,3 .. m auftreten, wenn fp die Abtastfrequenz
ist, dann, wenn a) die Störsignale nidht in den Durchlaßbereich des Abtastfilters
fallen, ein zusätzllches, die Störsignale unterdrückendes Filter vorgesehen ist,
und b) wenn die Störsignale mindestens teilweise in den Durchlaßbereich des Abtastfilters
fallen, die Verzögerungs#emente blockweise derart zu den Impulsfolgen fast zugeordnet
sind, daß die Störspannungsfrequenz fs* der Blöcke zufolge der Zufp ordnung fs*
= (mk = 1, 2, 2 ... nk+1) nicht mk in den Durchlaßereich der Gruppe fällt, wobei
mk die Anzahl der Verzögerungselemente pro Block ist.
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Im folgenden wird die Erfindung unter Zuhilfenahme weiterer Abbildungen
näher erläutert.
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Figur 4 zeigt die Durchlaßcharakteristik eines als Tiefpaß wirkenden
Kanalfilters, wobei die Grenzfrequenz mit rg bezeichnet ist. Solange nun sichergestellt
ist, daß die Frequenz fsi über der Grenzfrequenz liegt, so daß die Störsignale außerhalb
des Durchlaßbereiches des Abtastfilters liegen, können die Störsignale durch einen
zusätzlichen Tierpaß pro Kanal beseitigt werden. Dieser zusätzliche Tiefpaß ist
in der Figur 4 durch einen gestrichelten Durchlaßbereich angedeutet, der die Störsignale
exakt abdämpft.
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Eine andere Möglichkeit der Bedampfung von Störsignalen, die frequenzmäßig
außerhalb des Durchlaßbereiches des Abtastfilters liegen, besteht darin, daß man
zumindest eine Verzögerungsstufe so dimensioniert, daß ihre Pole mit den Störfrequenzen
fsi zusammenfallen oder sich doch in ihrer unmittelbaren Nähe befinden. Die so ausgebildeten
Verzögerungsstufen müssen dann sweils die letzten Verzögerungssturen des Abtastfilters
bilden. Damit ist sichergestellt, daß keine neuen Störsignale erzeugt werden können.
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In vielen Fällen wird es Jedoch so sein, daß die Störsignale frequenzmäßig
in den Durchlaßbereich des Abtastfilters fallen (Figur 5). Hier sind die geschilderten
Maßnahmen zur Bedämpfung der Störsignale naturgemäß nicht anwendbar, Gemäß der oben
beschriebenen Erfindung werden nun die Verzögerungselemente zu Blöcken zusammengefaßt,
wobei Jeder Block mk Verzögerungselemente aufweist. Da nunmehr die Anzahl der Verzögerungselemente
pro Block kleiner ist als vor der Aufspaltung, d. h, mk<m, da andererseits die
Frequenzen si von den Reziprokwerten der Anzahl der Verzögerungselemente pro Block
abhängen, ist durch die geschilderte Aufteilung von Gruppen- eine Verschiebung der
Frequenzen fsi aus dem Durchlaßbereich des Abtastfilters heraus erreichbar. Bigur
6 zeigt eine derartige Aufspaltung, Unter der Annahme, daß n = 4 ist, sind zwei
Blöcke K1 und K2 gebildet worden (k = 2), wobei jede Gruppe drei Verzögerungselemente
aufweist (mk = 5). Die in jeder einzelnen Gruppe entstehenden Störsignale weisen
demzufolge die f p Frequenzen fsi = (mk = 2, 3, ... nk+1) auf. Da mk mk = n/2 +
1 ist, liegen nunmehr die Frequenzen fsi außerhalb des Durchlaßbereiches.
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Verallgemeinert gilt für die Aufspaltung von m = n + 1 Verzögerungselementen
in k Blöcke das Folgende. Diejenige Anzahl von Verzögerungselementen pro Block,
die die gewünschte Verschiebung von fsj bewirkt, sei als mk bef p zeichnet. Es gilt
>fg (fg ist Grenzfrequenz des mkopt Abtastfilters). Demnach ist mkopt < (mkopt
fg ist ganzzahlig). Die Anzahl k der nötigen Blöcke ergibt n n sich zu k # = (k
ganzzahlig, ggf. aufrunden). nkopt mkopt -1 Die Ungleichung gilt für den Fall, daß
n kein ganzzahliges Vielfaches von mkopt -1 ist; ist n ein ganzzahliges Vielfaches
von nkopt, so nkopt gilt die Gleichung.
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Beispiel: n = 9, mk = 3; daraus folgt k 9 also k = 5. Im kopt - 2
einzelnen haben vier Blöcke je drei Verzögerungselemente, ein Block besitzt zwei
Verzögerungselemente. Die Blöcke mit drei Verzögerungselementen können je zwei Impulsfolgen
verarbeiten, der Block mit zwei Verzögerungselementen kann eine Impulsfolge verarbeiten,
so daß sich als Gesamtzahl der zu verarbeitenden Impuls folgen wieder 9 ergibt.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der zuletzt beschriebenen Anordnung
setzt k = n und mk 2. Im einzelnen bedeutet dies, daß für jede Impulsfolge zwei
Verzögerungselemente vorgesehen shd und zu der Gruppe fest zugeordnet bleiben, In
diesem Falle ist sichergestellt, daß nur Störsignale f p der Frequenz fs = 2 auftreten,
Da die meisten Abtastfilter bei + eine Polstelle aufweisen, läßt sich eine besonders
gute Unterdrückung der Störsignale erzielen.
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Aus den geschilderten Maßnahmen ergibt sich, daß insbesondere im Falle
b) die Zahl der Verzögerungselemente erheblich vermehrt werden muß. Diese Vermehrung
erscheint deshalb nicht als gravierend, weil die Verzögerungselemente einen einfachen
Aufbau besitzen und daher nicht sehr teuer sind.
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Ein weiterer Vorteil iat darin zu sehen, daß bei Ausfallen beispielsweise
eines Ladeschalters bei der Anordnung, von der die Erfindung ausgeht, das gesamte
Abtastfilter nicht mehr arbeitet, wellrend bei der geschilderten Aufspaltung in
Blöcke nur noch der Block ausfällt, zu dem das gestörte Bauelement gehört.