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Schaltungsanordnung zur Erkennung von unipolaren Gleichstromzeichen,
insbesondere für Fernmeldeanlagen.
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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erkennung von
unipoaren Gleichstromzeichen, die auf störspannungsbeeinflußten Leitungen übertragen
werden und deren Frequenz kleinex als die kleinste1 zu erwartende Stöxfrequenz ist,
insbesondere für Fernmeldeanlagen.
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Die zur Übertragung von Gleichstromzeichen verwendeten Leitungen,
insbesondere Fernmeldeleitungen, können durch Störspannungen beeinflußt sein. Solche
Störspannungen rühren beispielsweise von den Starkstromanlagen der Bahn oder des
öffentlichen Netzes her und besitzen dementsprechend eine Frequenz von 16 2/3 Hz
bzw. 50 Hz. Die Amplitude der Stöxspannung auf der Übertragungsleitung kann dabei
die Amplitude des Gleichstromzeichens weit übersteigen, so daß es möglich ist, daß
die Störspannungshalbwellen als Zeichen ausgewertet werden. Damit die Zeichen unabhängig
von der Störspannung und der Phasenlage des Zeichens und der Störspannung auswertbar
sind'muß die Frequenz der Zeichen kleiner als die kleinste, zu erwawxtende Störfrequenz
sein.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung der eingangs
genannten Axt zu schaffen, die Störspannungen nicht
als Zeichen
erkennt, die abex die Zeichenerkennung trotz überlagerter Störspannungen zuläßt
und die in oll integrierter Technik herstellbar ist und somit nur wenig Platz benötigt.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die in Anspruch 1 gekennzeichneten
Merkmale gelöst.
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Um mit einer möglichst geringen Anzahl von Zählstufen auskommen zu
können, schlägt die Erfindung die im Anspruch 2 gekennzeichnete Bemessungregel vor.
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Gemäß der im Anspruch 3 gekennzeichneten Weiterbildung der Erfindung
wird das Problem gelöst, die Fehler nur in Zeiträumen arbeiten zu lassen, die für
die Funktion der Zeichenerkennung notwendig sind, um so die Lebensdauex der Zähler
zu erhöhen.
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Die Erfindung wird nun anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen: Fig.l eine vereinfachte Schaltungsanordnung zur Erkennung von unipolaxen
Gleichstrongeichen gemäß der Erfindung, Fig.2 die Schaltungsanordnung nach Fig.l,
die um eine Sperrschaltung erweitert ist und die Schwellwertschaltung im einzelnen
wiedergibt, Fig.3a bis f den Ablauf der Zeichenerkennung an bestimmten Schaltungspunkten
in Fig.2 ohne Störspannungen, Fig.4a bis f den Ablauf der Zeichenerkennung an bestimmten
Schaltungspunkten in Fig.2 mit Störspannungen und Fig.5 eine Störspannungswelle
zur Ableitung der Bemessungsxegel.
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Die Schaltungsanordnung in Fig.1 weist einen Signaleingang E auf,
der an die nicht dargestellte Übertragungsleitung und an eine Schwellwertschaltung
S angeschlossen ist. Der Ausgang dieser Schwellwertschaltung ist mit dem einen Eingang
einer einem ersten Zähler Z1 vorgeschalteten UND-Schaltung U1 und dem Sperreingang
eines einem zweiten Zähler Z2 vorgeschalteten Sperrgatters U2 verhunden. Die anderen
zwei Eingänge der UND-Schaltung und des Sperrgaters sind an eine Taktquelle TQ angeschlossen.
Der Ausgang des Zählers Z1 ist an den Einstelleingang einer Flip-Flop-Schaltung
F1 und an den einen Eingang einer ODER-Schaltung Ol angeschlossen, während der Ausgang
des Zählers Z2 mit dem Rückstelleingang der Flip-Flop-Schaltung F1 und dem anderen
Eingang der ODER-Schaltung Ol verbunden ist. Der Ausgang der ODER-Schaltung Ol ist
mit den Rückstelleingängen der Zähler Z1 und Z2 gekoppelt.
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Der dem Einstelleingang entsprechende Ausgang der Flip-Flop-Schaltung
F1 bildet den Zeichenausgang A der Schaltungsanordnung.
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Die Schwellwertschaltung S ist mit einer elektrischen Schwelle versehen.
Während des Vorhandenseins von über dem Schwellwert liegenden Eingangssignalteilen
der einen Polarität erscheint am Ausgang der Schweliwertschaltung S eine logische
1, während dort beim Vorhandensein von unter dem Schwellwext liegenden Eingangssignalteilen
der einen Polarität und gegebenenfalls der anderen Polarität eine logische Oaiftritt.
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Im folgenden sei angenommen, daß die zu übextragenden Zeichen positive
Spannungswerte haben und daß die Schwellwertschaltung S eine positive Schwelle hat,
die zwischen dem Wert O und der Zeichenspannung liegt. Die mit den Zählern Zl, Z2
und der Taktquelle TQ gebildete Zeitmesseinrichtung ist so ausgebildet, daß die
Dauer der Signalteile jeweils bis zu
einer Dauer abgemessen werden
kann, die der Dauer der Halbwelle der kleinsten, zu erwartenden Störfrequenz entspricht
oder ihx zumindestens angenähert ist. Beträgt beispielsweise die kleinste, zu erwartende
Störfrequenz 16 2/3 Hz, so beträgt die mit jedem Zähler abzumessende Dauer 30 ms
( oder etwa 30 ms). Diese Dauer kann beispielsweise dadurch erfaßt werden, daß jedem
Zähler das Zählvolumen 30 und der Taktquelle eine deraxtige Ausbildung gegeben wird,
daß sie jede Millisekunde einen Taktimpuls liefert.
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Liegt nun am Eingang E ein Zeichen vor, so wird durch das l-Ausgangssignal
der Schwellwertschaltung S die UND-Schaltung U1 so vorbereitet, daß die Taktimpulse
sie durchlaufen und vom Zähler Z1 gezählt werden können. Erreicht der Zähler Z1
seine Endstellung 30, so gibt er ein l-Signal ab, das die Flip-Flop-Schaltung F1
so einstellt, daß am Ausgang A ebenfalls ein 1-5gnal erscheint. Über die ODER-Schaltung
Ol bewirkt das l-Signal des Zählers Z1 die Rückstellung des Zählers Zl. Der Zähler
Z1 beginnt dann von neuem zu zählen.
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Diese Vorgänge setzen sich fort, so-lange das Zeichen am Eingang E
vorhanden ist, wobei der Zustand der Flip-Flop-Schaltung F1 nicht geändert wird.
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Liegt am Eingang E eine Zeichenpause vor, so wird durch das O-Ausgangssignal
der Schwellwertschaltung S die UND-Schaltung U1 gesperrt und das Sperrgatter U2
so vorbereitet, daß die Taktimpulse sie durchlaufen und vom Zähler Z2 gezählt werden
können. Erreicht der Zähler Z2 seine Endstellung 30, so gibt er ein l-Signal ab,
das die Flip-Flop-Schaltung F1 zurückstellt, so daß am Ausgang A ein O-Signal erscheint.
Über die ODER-Schaltung Ol bewirkt das l-Signal des Zählers Z2 die
Rückstellung
des Zählers Z2. Der Zähler Z2 beginnt dann von neuem zu zählen. Diese Vorgänge setzen
sich fort, so lange am Eingang E eine Zeichenpause vorhanden ist, wobei der Zustand
der Flip-Flop-Schaltung F1 nicht geändert wird.
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Liegt am Eingang E allein eine Störwechselspannung vox, so kann der
Zähler Z1 nie bis zu seinem Endwert zählen, weil aufgrund der Schwelle die über
dem Schwellwert liegenden Signalteile in ihrer Dauer immer kleiner als die unter
dem Schwellwert liegenden Signalteile sind. Daher wird immer zuerst der Zähler Z2
seine Endstellung erreichen, der dabei jeweils die Rückstellung beider Zähler Z1,
Z2 bewirkt und die Flip-Flop-Schaltung F1 im Ruhezustand hält.
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Eine Erkennung eines Zeichens gelingt ebenfalls, wenn die Zeichenspannung
durch eine Störwechselspannung überlagert ist. Dieser Fall wird jedoch erst in Verbindung
mit Fig.2 näher erläutert.
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Die Schaltungsanordnung in Fig.2 stellt eine Erweiterung der Schaltungsanordnung
nach Fig.1 dar. Hinzu kommt eine Sperrschaltung, die aus einer zweiten Flip-Flop-Schaltung
F2, einer exklusiven ODER-Schaltung 02 und jeweils einem weiteren Eingang der UND-Schaltung
U1 und des Sperrgatters U2 besteht.
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Die aus zwei Sperrgattern und einer ODER-Schaltung zusammengesetzte
exklusive ODERrSchaltung 02 ist mit ihrem einen Eingang an den Ausgang C der Schwellwertschaltung
S, mit ihrem zweiten Eingang an den Zeichen aus gang A und mit ihrem Ausgang an
den Einstelleingang der Flip-Flop-Schaltung F2 angeschlossen. Der diesem Einstelleingang
entsprechender Ausgang D der Flip-Flop-Schitung F2 ist mit den zusätzlichen Eingängen
der
UND-Schaltung U1 und des Sperrgatters U2 verbunden. Die Flip-Flop-Schaltung F2 ist
ferner mit ihrem Rückstelleingang an den Ausgang der ODER-Schaltung 01 und mit ihrem
diesem Rückstelleingang entsprechenden Ausgang an die Rückstelleingänge R der Zähler
Z1, Z2 angeschlossen.
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Die Fig.2 zeigt auch ein Ausführungsbeispiel für die Schwellwertschaltung
S. Zwischen der Masse- oder Erdklemme und dem Eingang E ist ein aus zwei Widerständen
W1, W2 bestehender Spannungsteiler angeordnet, dessen Abgriff über eine Zenerdiode
Z mit der Basis eines npn-Transistors T verbunden ist, Dieser Transistor ist mit
seinem Emitter an die Masseklemme und mit seinem Kollektor über einen Arbeitswiderstand
W3 an eine positives Betriebspotential U führende Klemme angeschlossen. Die Zenerdiode
Z möge beispielsweise eine Zenerspannung von 5V haben; die Zeichenamplitude kann
10V betragen, während die Spitzenamplitude der Störspannung zu 20V angenommen sei.
Hat die Spannung am Eingang E einen solchen Wert, daß der Schwellwert von 5V überschritten
wird, so wird der Transistor T leitend. Am Ausgang C tritt dabei (etwa) Massepotential
auf, das hier den logischen l-Zustand darstellen soll. Beim Unterschreiten des Schwellwertes
wird der Transistor T gesperrt. Am Ausgang C tritt dabei (etwa) das positive Betriebspotential
U auf, das hier als logischer O-Zustand gelten soll. In analoger Weise können selbstverständlich
auch negative Zeichen über eine dementsprechend ausgebildete Schwellwertschaltung
geleitet werden.
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Zum besseren Verständnis der Arbeitsweise der Schaltungsanordnung
in Fig.2 dienen die Fig.4 und 5. In Fig.3a sind am Eingang E eintreffende Zeichenimpulse
ohne Störspannungen gezeigt, wobei die gestrichelte Linie den Schwellwert Usw darstellt.
In den Fig.3b, 3c und 3f sind die Zustände an den
Schaltungspunkten
C, D, A gezeigt, während die Fig.3d, 3e die Taktimpulse an den Eingängen der Zähler
Z1, Z2 zeigen, Die senkrechten Pfeile in Fig.3f kennzeichnen die Zeitpunkte der
Zähle rrückstellun gen.
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Zu Beginn des ersten Zeichens tritt am Ausgang C der l-Zustand auf,
der über die exklusive ODER-Schaltung 02 die Einstellung der Flip-Flop-Schaltung
F2 nach sich zieht, so daß am Ausgang D ebenfalls der l-Zustand auftritt. Die von
Taktquelle TQ kommenden Taktimpulse können somit vom Zähler Z1 gezählt werden. Es
sei wieder angenommen, daß die niedrigste, zu erwartende Störfrequenz 16 2/3 Hz
ist, die Dauer der Störspannungshalbwelle damit 30 ms beträgt, das Zählvolumen der
Zähler Z1, Z2 jeweils 30 Zählschritte umfaßt und die Taktquelle TQ jede Millisekunde
einen Impuls abgibt, Der Zähler Zl erreicht daher beim 30-ten Taktimpuls seine Endstellung
und stellt die Flip-Flop-Schaltung Fl ein, so daß am Ausgang A der l-Zustand erscheint.
Da beide Eingänge der exklusiven ODER-Schaltung 02 nun den 1-Zustand aufweisen,
tritt am Ausgang dieser ODER-Schaltung der O-Zustand auf, Gleichzeitig stellt der
Zähler Z1 über die ODER-Schaltung 01 die Flip-Flop-Schaltung F2 zurück, so daß einerseits
der Zähler ZJ zurückgestellt wird-und andererseits die UND-Schaltung U1 und das
Sperrgatter U2 gesperxt werden. Beide Zähler bleiben für die weitere Dauer des Zeichens
im Ruhezustand, Am Ende des ersten Zeichens wird wieder über die exklusive ODER-Schaltung
02 die Flip-Flop-Schaltung F2 eingestellt, so daß am Ausgang D wieder der l-Zustand
erscheint. Nun werden die Taktimpulse vom Zähler Z2 gezählt, der nach Zählung des
30-ten Taktimpulses die Flip-Flop-Schaltung F1 zurückstellt, so daß am Ausgang A
der O-Zustand auftritt und damit das
Einstellpotential am Einstelleingang
der Flip-Flop-Schaltung F2 fortgenommen wird. Gleichzeitig stellt der Zähler Z2
über die ODER-Schaltung 01 die Flip-Flop-Schaltung F2 zurück, so daß der Zähler
Z2 zurückgestellt wird und infolge des O-Zustands am Ausgang D weitere Zählvorgänge
für die weitere Dauer der Zeichenpausen unterbleiben.
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Weitere Zeichen und -Pausen werden in entsprechender Weise erkannt.
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Die Fig.4 zeigt die Zustände an denselben Punkten wie in Fig.3 für
den Fall, daß dem Zeichen eine Störspannung überlagert ist.
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Es ist nur ein Zeichen in Fig.4a angedeutet, um auch zu zeigen, daß
in der dem Zeichen folgenden längeren Pause die Störspannung nicht als Zeichen erkannt
wird.
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Ebenso wie im Fall der Fig.3 beginnt der Zähler Z1 beim Überschreiten
des Schwellwertes Usw zu zählen. Dieser Zähler erreicht seine Endstellung, stellt
die Flip-Flop-Schaltung F1 ein und sich selbst über de Schaltungen 01, F2 zurück.
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Unterschreitet die Spannung am Eingang E den Schwellwert, so wird
die Flip-Flop-Schaltung F2 über die exklusive ODER-Schaltung 02 wieder eingestellt,
so daß nun der Zähler Z2 die Taktimpulse zählt. Dieser zählt jedoch nur bis zum
24-ten Zählschrittlda dann die Spannung am Eingang E den Schwellwert wieder übersteigt
und die Sperrschaltung U2 gesperrt wird. Von diesem Zeitpunkt an werden die Taktimpulse
wieder vom Zähler Z1 gezählt, der im folgenden seine Endstellung erreichen möge
und damit die Rückstellung beide Zähler veranlaßt.
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Bei der nun folgenden Erkennung der Zeichenpause, in der nur noch
die Störspannung vorhanden ist, zählt der Zähler Z2 die Taktimpulse innerhalb derjenigen
Signalteile, die unterhalb des Schwellwertes liegen. Der Zähler Z2 erreicht seine
Endstellung und stellt die Flip-Flop-Schaltung F1 zurück, so daß am Ausgang A der
O-Zustand auftritt. Beim folgenden Ubexschriten des Schwellwertes beginnt wieder
der Zähler Z1 zu zählen. Aufgrund des Schwellwertes gelingt die Zählung nur bis
vom Wert 24, worauf der Zähler Z2 wieder bis 30 zählt, usw. Es ist erkennbar, daß
in solchen Zeiten, in denen nur die Störspannung vorhanden ist, immer nur der Zähler
Z2 seine Endstellung erreicht und dann beide Zähler zurückstellt, so daß am Ausgang
A der O-Zustand erhalten bleibt.
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Das Zählvolumen des Zählers Z1, Z2 ist jeweils zu 30 angenommen worden.
Zweckmässigerweise wird man jedoch einen Binärzähler mit fünf Stufen einsetzen,
so daß die Endstellung jedes Zählers den Dezimalwert 32 hat. Auch mit diesem Wert
und einem 1 ms-Takt gelingt eine richtige Zeichenerkennung unter den sonstigen Bedingungen
der Ausführungsbeispiele.
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Es ist möglich, eine niedrigere Taktfrequenz und eine kleinere Anzahl
von Zählerstufen zu verwenden. Mit Hilfe der Fig.5 soll die Bemessungsregel für
die notwendige Taktfrequenz und die notwendige Anzahl der Zählerstufen abgeleitet
werden.
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Es ist eine Sinuswelle der Störwechselspannung mit der Spitzenamplitude
Ust und der Periodendauer Tst dargestellt.
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Eingetragen- ist auch der Schwellwert Usw der Schwellwertschaltung
S. Der erste Schnittpunkt der Sinuswelle mit dem Schwellwert Usw tritt beim Winkel
cm auf. Die Periode Tt der Taktfrequenz soll beim Winkel 2 beendet sein. Aus Fig.5
Tt
ist zu erkennen, daß sich ## :#= = ## : 180 verhält, d.h., 2 2
wobei für Tst die Periodendauer der höchsten, zu erwartenden Störfrequenz einzusetzen
ist. Aus Fig.5 ist ebenfalls erkennbar, daß sich Usw:Ust = sin R : sin 90° verhält.
Demnach ist Usw = = arc sin Usw st Das Zählvolumen n ergibt sich zu T5c T'st n =
ft ###, wobei für Tst' die niedrigste, zu erwartende Störfrequenz zugrunde zu legen
ist. Für die vorhex angenommenen Werte von Usw=5V, Ust=2OV, und eine höchste Störfrequenz
von von 50 Hz mit einer Periodendauer von Tst=60ms ergibt sich eine Taktfrequenz
von ft=560 Hz; das Zählvolumen eines Zählers beträgt, wenn die niedrigste Störfrequenz
zu 16 2/3 Hz angenommen wird, n=16.
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Wenn die Störung nur aus einer Störspannung mit der Frequenz von 16
2/3 Hz besteht, dann ergibt sich für die Taktfrequenz analog zum obigen Beispiel
ft=200 Hz, Das Zählvolumen beträgt dann, wie in Fig.5 angedeutet ist, n=90/# = 6.
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5 Patentansprüche