DE2016408A1 - Als rückkoppelbares analoges Schieberegister ausgebildetes Abtastfilter - Google Patents

Als rückkoppelbares analoges Schieberegister ausgebildetes Abtastfilter

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DE2016408A1
DE2016408A1 DE19702016408 DE2016408A DE2016408A1 DE 2016408 A1 DE2016408 A1 DE 2016408A1 DE 19702016408 DE19702016408 DE 19702016408 DE 2016408 A DE2016408 A DE 2016408A DE 2016408 A1 DE2016408 A1 DE 2016408A1
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DE19702016408
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Gerd Dipl.-Ing. 7900 Ulm. H03h 9-30 Tenzer
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Licentia Patent Verwaltungs GmbH
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Licentia Patent Verwaltungs GmbH
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H19/00Networks using time-varying elements, e.g. N-path filters
    • H03H19/002N-path filters

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  • Networks Using Active Elements (AREA)

Description

  • "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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Arbeitsweise ist die folgende.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die geschilderte Anordnung weist folgenden Nachteil auf.
  • Die dargestellten Schalter S11 - S32 werden praktisch als Transistor- oder Feldeffekt-Transistorschalter realisiert.
  • 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.
  • 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.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die erwähnten Störsignale weitgehend zu unterdrücken.
  • 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.
  • Im folgenden wird die Erfindung unter Zuhilfenahme weiterer Abbildungen näher erläutert.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (1)

  1. Patentansprüche 1. Als rückkoppelbares analoges Schieberegister ausgebildetes Abtastfilter, dessen Verzögerungaelemente Jeweils aus einem Querkondensator mit einem Lade- und Auskoppelschalter aufgebaut sind, und bei dem zum Verarbelten von n voneinander getrennten Impulsfolgen in jeder Ver-Verzögerungselemente zögerungsstufe des Abtastfilters/der Anzahl n'>n zueinander parallel geschaltet Sind, die zeitlich nacheinander die Impulse der Impuls folgen aufnehmen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Eliminierung von Störsignalen, die mit der Frequenz fp fs = (m = 1, 2, 3 .... n+1) auftreten, wenn f@ die Abm p tastfrequenz ist, dann, wenn a) die Störsignale nicht in den Durchlaßbereich des Abtastfilters fallen, ein zusätzliches, die Störsignale unterdrückendes Filter vorgesehen ist, und b) wenn die Störsignale mindestens teilweise in den Durchlaßbereich des Abtastfilters fallen, die Jeweils n+1 Verzögerungselemente blockwelse derart zu den Impuisfolgen fest zugeordnet sind, daß die Störspannungsfrequenz fs* fp der Blöcke zufolge der Zuordnung fs* = mk (mk = 1, 2, 5 ,.. nk+l) nicht in den Durchlaßbereich der Gruppe fällt, wobei mk die Anzahl der Verzögerungselemente pro Block ist.
    2, Abtastfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung mehrstufiger Abtastfilter für den Fall a) solche Stufen dem Ausgang des Abtastfilters zugeordnet sind, die Polstellen bei der Frequenz fs aufweisen.
    5. Abtastfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß k = n und mk = 2 gewählt ist.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AT376853B (de) * 1974-11-12 1985-01-10 Siemens Ag Elektrische filterschaltung in ctd-technik
WO1995001573A1 (en) * 1993-07-01 1995-01-12 Avo International Limited Electrical test instrument

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