DE2433362A1

DE2433362A1 - Schaltungsanordnung zum erzeugen eines ausgangssignales aus einem eingangssignal mit vorgegebener frequenz und unterschiedlich grossen amplituden

Info

Publication number: DE2433362A1
Application number: DE2433362A
Authority: DE
Inventors: Donald Rotier; Robert Takashi Sawamura
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1973-07-16
Filing date: 1974-07-11
Publication date: 1975-02-27
Also published as: FR2238291B1; NL7409225A; SE398925B; US3824464A; GB1447137A; FR2238291A1; IT1016425B; SE7409220L

Description

02-4585 Ge - 9. Juli 1974

IiONEYVvXLL INC.
2701 Fourth Avenue South Minneapolis, Minn., USA

Schaltungsanordnung zum Erzeugen eines Ausgangssignales aus einem Eingangssignal mit vorgegebener Frequenz xuid unterschiedlich großen Amplituden

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen eines Ausgangssignales aus einem Eingangssignal mit vorgegebener Frequenz und unterschiedlich großen Amplituden, wobei die Amplitudengröße auf- und abklingend verläuft. '·

Eine derartige Schaltungsanordnung findet beispielsweise Anwendung in einem Empfänger zur genauen Bestimmung der Ankunftszeit eines •gepulsten Signales. Insbesondere ist eine solche Schaltungsanordnung in einem Ultraschall-Entfernungsrneßsystem verwendbar, um die. Laufzeit des ültraschallsignales zu bestimmen. Als Beispiel für ein Systemen welchem die vorliegende Erfindung verwendet werden kann__ sei auf die ältere Patentanmeldung P 24 14 192.2 der gleichen Anmelder.!η verv/iesen. Diese ältere Anmeldung behandelt ein Ültraschallsystem zur Bestimmung der Ausrichtung einer Visierlinie. Hierbei gelangen Ultraschall-Sender und Empfänger zur Anwendung, welche am Helm eines Beobachters und an einem festgelegten Referenzobjekt angeordnet sind. Aus Messungen der Laufseit der

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Schallwellen zwischen dem Helm des Beobachters und dem Referenzobjekt wird die Visierlinie des Beobachters errechnet. .Das nachfolgend beschriebene Impulserfassungssystem kann vorzugsweise dort eine Anwendung finden, v/o es um die genaue Bestimmung der Laufzeit der Impulse zwischen einem Ultraschallsender und einem ültraschallempfanger geht. In dem Übertragungsmedium, so z.B. ■ Luft, ergibt sich eine nicht zu vernachlässigende Signaldämpfung.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen eines Ausgangssignales aus einem Eingangssignal, anzugeben, welche es erlaubt, unzweideutig einen bestimmten Teil eines durch ein Medium übertragenen gepulsten Signales zu erfassen, unabhängig von auftretenden Dämpfungs- und Reflexionserscheinungen. Erfiridungsgemäß gelingt die Lösung.dieser Aufgabe durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Anhand der Figuren der Zeichnung, welche ein Ausführungsbeispiel darstellen, wird die Erfindung im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein Elockdiagramm mit den wesentlichen Elementen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung; Figur 2 ein Impulsdiagramm'darstellend die Signale an einigen wesentlichen Punkten des Blockdiagranimes gemäß Figur 1; Figur 3 die schaltungsmäßige Darstellung eines Amplituden-Detektors und eines Ladungs-Sensors gemäß Figur 1 und Figur 4 die schaltungsmäßige Darstellung eines negativen Nulldurchgangs-Detektors und eines Daten-Gatters gemäß Figur 1.

Gemäß Figur 1 sind in einem Blockdiagramm die wesentlichen Elemente einer Ausführung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung dargestellt. Ein Pulsfolge-Generator 10 ist mit einem Sender 12 und

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einem Haupt-Zeitgeber 14 verbunden. Der Pulsfolge-Generator 10 erzeugt ein Erregersignal für den Sender 12 und veranlaßt den Haupt-Zeitgeber 14 mit dem Beginn des Erregersignals zu starten. Der Sender 12 antwortet auf das Erregersignal mit der Erzeugung eines Ausgangssignales, welches aus einem Impulszug mit unterschiedlicher Amplitude besteht.. Aufeinanderfolgende Impulse des

sind
Ausgangssignales durch ein festgelegtes Zeitintervall voneinander getrennt und - im Falle der Ausführungsform gemäß Figur 1 - weist das Ausgangssignal eine charakteristische Frequenz auf. Rechts von dem Sender 12 ist eine Anzahl konzentrischer Bögen eingezeichnet / welche die übertragung des gepulsten Signales durch ein übertragung smed ium andeuten.

Das gepulste Signal wird durch eine Empfänger/Filter-Anordnung empfangen. Das empfangene Signal wird durch einen Bandpaß gefiltert, um Rauschsignale zu eliminieren und das gefilterte Signal wird auf die Eingänge eines Amplituden-Detektors 20 und eines negativen Nulldurchgangs-Detektors 22 geführt. Selbstverständlich kann der Detektor 22 auch auf einen anderen Pegel als den Nullpegel eingestellt sein. Der Detektor 22 analysiert das empfangene Signal und stellt jeden Durchgang des· Signals durch den vorgegegebenen Pegel in einer bestimmten Richtung fest. Zudem stellt der Detektor 22 fest, ob die jedem Durchgang vorangegangene Amplitude des Signals über einem festgelegten Pegel lag. In der speziellen Ausführungsform gemäß Figur. 1 v/erden die Nulldurchgänge des Signals festgestellt, sofern diesen eine Signalamplitude oberhalb eines bestimmten Referenzpegels vorangegangen·war. Der Detektor 22 erzeugt eine verminderte Impulsanzahl deren Anstiegsflanken mit den negativen Nulldurchgängen des empfangenen Signales zusammenfallen. Die von dem Detektor 22 erzeugten Impulse erscheinen an einem Ausgang 24 zwecks Weiterverarbeitung in der restlichen Schaltungsanordnung. Die Impulse am Ausgang 24 werden dem Eingang eines Daten-Gatters 28 und einem Eingang eines Logik-Gatters 30 zugeführt.

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Das Daten-Gatter 28 antwortet auf jeden Impuls am Ausgang 24 mit einem entsprechenden Ausgangsimpuls/ der um ein vorbestimmtes Zeitintervall verschoben ist. Der entsprechende Ausgangsimpuls des Daten-Gatters 28 wird vorzugsweise zeitlich so verschoben, daß er symmetrisch zu dem nächsten am Ausgang 24 erscheinenden Impuls liegt. Anders ausgedrückt erzeugt das Daten-Gatter 28 Ausgangsimpulse, welche bezüglich ihrer Symmetrielinie in Bezug auf das Ausgangssignal des Nulldurchgangs-Detektors 22 um eine Periodendauer verschoben sind. Die Ausgangsimpulse des Daten-Gatters 28 können sodann mit den Ausgangsimpulsen des negativen Nulldurchgangs-Detektors 22 über eine UND-Schaltung miteinander verknüpft werden, um sicherzustellen, daß sie tatsächlich Nulldurchgänge des Ausgangssignales anstatt eines Rauschsignales darstellen. Das Daten-Gatter 28 erzeugt ein schmales Zeitfenster _r in welchem der nächste von dem negativen Nulldurchgang-Detektor erzeugte Impuls liegen muß, um von der Schaltungsanordnung registriert zu werden. Die Ausgangsimpulse des Daten-Gatters 28 werden einem zweiten Eingang des Logik-Gatters 30 zugeführt.

Der Amplituden-Detektor 20 stellt fest, ob die Höhe eines Impulses größer ist als die Höhe aller vorangegangenen Impulse in dem empfangenen Ausgangssignal. Diese Funktion des Amplituden-Detektors 20 wird erreicht, indem ein dem Amplitudenwert entsprechender Stromwert gespeichert wird und indem dieser gespeicherte Wert jedesmal erhöht wird, wenn eine höhere Amplitude erscheint. Der Amplituden-Detektor 20 ist mit einem Ladungs-Sensor 34 verbunden. Der Ladungs-Sensor 34 wird von dem im Amplituden-Detektor.20 gespeicherten Strom beaufschlagt und erzeugt jedesmal einen Impuls, wenn ein Strom für die Speicherung im Amplituden-Detektor 20 gezogen wird. Dies entspricht jeweils dem Zeitpunkt, in welchem eine größere Impulsamplitude durch den Amplituden-Detektor 20 empfangen wird.

Die Ausgangsimpulse des Ladungs-Sensors 34 werden einmal einem dritten Eingang.des Logik-Gatters 30 und zum anderen dem Rückstell-

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Eingang R eines Zählers 38 zugeführt. Der Zähler 38 ist ein herkömmlicher Zähler, welcher mit seinem Start-Eingang S mit dem Ausgang des Logik-Gatters 30 verbunden ist. Der Zähler 38 kann durch eine Anstiegsflanke eines Impulses am Ausgang des Logik-Gatters 30 in Gang gesetzt v/erden. Der Zähler 38 ist so gewählt, daß er seine Zählekapazität t nach seinem Start in einer Zeit erreicht, die wenig kleiner als die Periodendauer des gesendeten Signales ist. Auf der anderen Seite muß seine Kapazität genügend groß sein, um dem nächstfolgenden Impuls die Rückstellung des" Zählers zu erlauben, bevor die Zählkapazität erreicht ist, wenn der nächstfolgende Impuls in der Amplitude größer als die vorausgegangenen Impulse ist.

Der Zähler 38 weist einen Ausgang 40 auf. Wenn der Zähler 38 von einem Impuls des Logik-Gatters 30 in Gang gesetzt wird und bis zum Erreichen seiner Zählkapazität läuft, d.h. bis zu einer Zeit t_Q und hierbei nicht durch einen Impuls vom Ladungs-Sensor 34 an seinem R-Eingang zurückgestellt wird, so erscheint ein Überlauf-Impuls oder Zeitsignal an seinem Ausgang 40. Mit dem Ausgang 40 ist eine Signalübertragungsleitung 42 verbunden, welche zu dem Haupt-Zeitgeber 14 führt. Das an dem Ausgang 40 auftretende Zähler-Überlaufsignal stoppt den Zeitgeber 14. Aus der nunmehr in dem Haupt-Zeitgeber 14 gespeicherten Zeit kann die Übertragungszeit der Signale zwischen dem Sender 12 und der Empfänger/Filter-Anordnung 18 leicht errechnet werden-

Die Wirkungsweise der in dem Blockdiagramm gemäß Figur 1 dargestellten Schaltungsanordnung kann mit Hilfe des in Figur 2 dargestellten Impulsdiagrammes leicht veranschaulicht werden. Zum Zwecke der besseren Verständlichkeit sei angenommen, daß der Sender 12 ein akustischer Ultraschall-Sender ist, während die Empfänger/Filter-Anordnung eine akustische Ultraschall-Empfangsanordnung darstellt. Der oberste Wellenzug in Figur 2 ist als Anregungs-Signal bezeichnet. Dieses Anregungssignal wird von dem Puls-

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folge-Generator 10 erzeugt und dem Sender 12 aufgeschaltet. Die Halbwellen dieses Anregungs-Signales sind beziffert. Der Pulsfolge-Generator 10 setzt mit der Anstiegsflanke des Anregungs-Signales den Seitgeber 14 in Gang. Anders ausgedrückt erzeugt der Pulsfolge-Generator 10 einen Startimpuls, der mit dem zu dem Sender 12 geführten Anregurigs-Signal synchronisiert ist.

Es sei hier festgestellt, daß das Anregungs-Signal durch vier Halbwellen einer bestimmten Frequenz, welche durch drei Halbwellen der gleichen Frequenz-aber um 180 phasenverschoben-ge-. folgt wird, gekennzeichnet ist. Im speziellen Ausführungsbeispiel der Erfindung werden diese letzten drei Halbwellen dazu benutzt, um den durch die ersten vier Halbwellen angeregten Ultraschallsender zu dämpfen. Der zweite in dem Impulsdiagramm dargestellte Impulszug stellt die Antwort des Senders 12 auf das Anregungssignal dar. Das ajn Ausgang des Senders 12 erscheinende Signal besitzt eine Frequenz, welche mit der Frequenz des Anregungs-Signales identisch ist und in der Phase gegenüber dem Anregungs-Signal

ist
verschoben. Das am Ausgang des Senders 12 anstehende Signal klingt bis zu einer maximalen Amplitude in der Halbwelle 5 auf und wird anschließend aufgrund des phasenverschobenen Anregungs-Signales und der Übertragungsverluste gedämpft. Um die übertragungszeit des Signales zwischen dem Sender 12 und der Empfänger/ Filter-Anordnung 18 genau zu bestimmen, ist es erforderlich, daß die Empfänger/Filter-Anordnung 18 und das nachgeschaltete Netzwerk einen klar identifizierbaren Teil dieses Signales feststellt. In der speziellen Ausführungsform der Schaltungsanordnung gemäß Figur 1 wird der negative. Nulldurchgang der größten positiven Halbamplitude als klar erkennbarer Signalteil ausgewählt. Dieser spezielle negative Nulldurchgang erscheint zu einer vorbestimmten und wiederholbaren Zeit im Hinblick auf die Anstiegsflanke des Anregungs-Signales. Die vorbestimmte Zeit zwischen der Anstiegs-.flanke des Anregungs-Signales und dem negativen Nulldurchgang der fünften positiven Halbwelle ist in Figur 2 mit t. bezeichnet. Der Ausgang der Empfänger/Filter-Anordnung 18 ist in Figur 2 nicht

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dargestellt, da dieser im wesentlichen dem Impulszug am Ausgang des Senders 12 entspricht. Eine Änderung ergibt sich lediglich im Hinblick auf die Intensität des Signales aufgrund der Übertragungsverluste und durch die Hinzufügung von Rauschsignalen, die der Empfänger aufnimmt.

Der dritte Impulszug in Figur 2 stellt ein internes Signal des negativen Nulldurchgangs-Detektors 22 dar. Dieses Signal wird durch einen ersten Teil des negativen Nulldurchgangs-Detektors 22 erzeugt, welcher eine Triggerschaltung aufweist, die ihren Zustand jedesmal ändert, wenn das vom Empfänger 18 empfangene Signal einen vorgegebenen Pegel überschreitet und nachfolgend ein Nulldurchgang des Signales in negativer Richtung erfolgt. Der vorgegebene Pegel, welcher von dem Signal überschritten werden muß bevor sich der Zustand der Triggerschaltung ändert, wird hoch genug gewählt, um eine störende Triggerung durch Rauschsignale zu verhindern. Innerhalb des negativen Nulldurchgangs-Detektors 22 und verbunden mit dem Ausgang der Triggerschaltung ist ein herkömmliches Differenzierglied angeordnet, welches bei jeder posi- . tiven Flanke des Triggersignales einen verkürzten Impuls erzeugt. Die von dem Differenzierglied erzeugten Impulse stimmen daher mit den negativen Nulldurchgängen des Empfänger-Ausgangssignales zeitlich überein. Der vierte Impulszug der mit Nulldurchgang-Detektor-Ausgang bezeichnet ist stellt den Ausgang des Differenziergliedes des Detektors 22 dar.

Der fünfte dargestellte Impulszug zeigt die Antwort des Ladungs-Sensors 34 auf ein empfangenes in Figur 2 mit Sender-Ausgang bezeichnetes Signal. Der Amplituden-Detektor 20 und der Ladungs-Sensor 34 behandeln zusammen die Amplituden der positiven Halbwellen wie sie vom Empfänger 18 empfangen werden, und sie vergrössern die Ladung eines Widerstands-Kondensatorpaares jedesmal, .wenn die Amplitude einer positiven Halbwelle diejenige einer vorangegangenen positiven Halbwelle merklich übersteigt. Die Halbwelle 3 des Sender-Ausganges ist die erste Halbwelle, die den vorgege-

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benen Pegel übersteigt. Aufgrund der Halbwelle 3 lädt der Sensor 34 einen Kondensator und erzeugt zur gleichen Zeit einen Ausgangsimpuls, welcher anzeigt, daß die Ladung stattgefunden hat. Die Halbwelle 5 ist merklich größer in ihrer Amplitude als die Halbwelle 3. Da die Halbwelle 5 die Halbwelle 3 in ihrer Amplitude übersteigt, findet eine weitere Ladung statt und ein zweiter Impuls wird am Ausgang des Ladungs-Sensors 34 erzeugt. Da die Halbwelle 7 eine kleinere Amplitude aufweist, findet keine Ladung des Kondensators mehr statt und es wird durch sie kein Ausgangsimpuls des Ladungs-Sensors 34 erzeugt.

Der sechste Impulszug in Figur 2 ist mit Daten-Gatter-Ausgang bezeichnet. Das Daten-Gatter 28 erhält gemäß Figur 1 die Ausgangsimpulse des Nulldurchgangs-Detektors 22. Aufgrund jedes erhaltenen Impulses erzeugt das Gatter 28 einen entsprechenden verschobenen Impuls, dessen Symmetrielinie genau um eine Periodendauer des Senderausgangssignales gegenüber dem Nulldurchgangs-Detektorausgangssignal verschoben ist. Der durch das Gatter 28 erzeugte Impuls ist demnach mit dem nächstfolgenden Ausgangsimpuls des Nulldurchgangs-Detektors 22 koinzident.

Wie in Figur 1 dargestellt, sind die Ausgänge des Ladungs-Sensors 34, des negativen Nulldurchgangs-Detektors 22 und des Daten-Gatters 28 alle auf die Eingänge eines Logik-Gatters 30 geführt, dessen Ausgang den Zähler 38 mit einem Startimpuls beaufschlagt. Das Logik-Gatter 30 erzeugt an seinem Ausgang einen Startimpuls, wenn diese Impulse gleichzeitig an allen Eingängen anstehen. In einem typischen mit positiver Logik arbeitenden Anwendungsbeispiel kann ein UND-Gatter mit drei Eingängen als Logik-Gatter 30 verwendet werden. Umgekehrt kann bei negativer Logik ein negiertes UND-Gatter Verwendung finden. Die Halbwelle 3 des Sender-Ausgangssignales bewirkt keinen Startimpuls am Ausgang des Logik-Gatters 30, da der von dem Daten-Gatter 28 beaufschlagte Eingang keinen Impuls gleichzeitig mit den Impulsen des Ladungs-Sensors und des NuIl-

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durchgangs-Detektors erhält. Im Fall der Halbwolle 5 jedoch geben die Ausgänge des Daten-Gatters,des Ladungs-Sensors und des Nulldurchgangs-Detektors zu gleicher Zeit Impulse ab. Als Antwort auf diese gleichzeitig erscheinenden Impulse erzeugt das Logik-Gatter 30 einen Startimpuls für den Zähler 38. Der den Startimpuls erzeugende Ausgang des Logik-Gatters 30 ist als siebter Impulszug in Figur 2 dargestellt und mit Zähler-Start bezeichnet.

Der Startimpuls stößt den Zähler 38 an. Der Zähler 38 ist so aufgebaut, daß er seine Zählkapazität innerhalb ungefähr 0,8 Perioden des Sender-Ausgangssignales erreicht. Die Beschränkung der Zeit, in der der Zähler 38 seine Zählkapazität erreicht, erlaubt eine Rückstellung des Zählers durch den Ladungs-Sensor 34 bevor dar Zähler seinen Endzählstand erreicht in dem Fall, wo die nachfolgende Halbwelle eine Amplitude aufweist, die größer, ist als die vorausgegangene ffalbwelle, die den Zähler gestartet hat.

Der achte Impulszug in dem Impulsdiagramm gemäß Figur 2 stellt die Zähler-Rückstellimpulse dar, die"dem Rückstell-Eingang R des Zählers 38 von dem Ladungs-Sensor 34 -zugeführt werden. Die Zähler-Rückstellimpulse sind im wesentlichen koinzident mit den Ladungs-Sensor-Ausgangsimpulsen, jedoch von kürzerer Dauer. Diese Rückstellimpulse erscheinen jedesmal, wenn eine positive Halbwelle des von dem System aufgenommenen Sender-Ausgangsignales eine größere Amplitude als eine vorausgegangene Halbwelle aufweist. Da es das Ziel der Erfindung ist den negativen Nulldurchgang der größten Amplitude festzustellen, muß der Zähler jedesmal zurückgestellt werden, wenn eine größere Amplitude festgestellt wird.

Der neunte Impulszug im Impulsdiagramm gemäß Figur 2 zeigt die Zählzeit bzw. die Kapazität des Zählers 38. Die Zählerkapazität ist mit t bezeichnet. Wenn der Zähler seine Zählkapazität erreicht, so erscheint an,dom Zählerausgang ein Überlaufimpuls. Der Uberlaufimpuls ist als letzter der zehn Impulszüge in Figur 2

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dargestellt. Er erscheint jedesmal, wenn die Kapazität des Zählers erreicht ist. Der Überlaufimpuls wird sodann vom Ausgang 40 des Zählers 38 über eine übertragungsleitung 42 zu dem Haupt-Zeitgeber 14 übertragen, wo er den Stopp des Zeitgebers bewirkt. In diesem Zeitpunkt hat der Haupt-Zeitgeber 14 die Zeit gespeichert, welche für die Übertragung des Signales zwischen dem Sender und dem Empfänger erforderlich ist,sowie zusätzlich die Zeit t- zwischen der Anstiegsflanke des Anregungs—Signales und dem negativen Nulldurchgang der größten Amplitude einer positiven Halbwelle und die Zeit t , welche durch die Zählkapazität des Zählers 38 festgelegt ist. Da die Zeiten t₁ und t vorbestimmte Größen sind, können sie leicht durch andere Schaltungselemente subtrahiert werden, um ein genaues Signal für die Übertragungszeit zwischen dem Sender 12 und dem Empfänger 18 zu erhalten.

Unter Hinweis auf das Impulsdiagramm gemäß Figur 2 .soll im folgenden die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung gemäß Figur 1 kurz beschrieben werden. Anfänglich wird von dem Pulsfolge-Generator 10 ein Anregungs-Signal dem Sender 12 zugeführt und zur gleichen Zeit ein mit dem Beginn des Anregungs-Signales koinzidentes Startsignal auf den Haupt-Zeitgeber 14 gegeben. Damit beginnt der Haupt-Zeitgeber 14 zu laufen. Der Sender 12 antwortet auf das Anregungs-Signal mit der Erzeugung eines Impulszuges mit einer charakteristischen Frequenz. Dieser Impulszug wird von der Empfänger/Filter-Anordnung 18 empfangen und auf den Amplituden-Detektor 20 und den negativen Nulldurchgangs-Detektor 22 gegeben. Der negative Nulldurchgangs-Detektor 22. registriert jeden negativen Nulldurchgang sofern die vorangegangene Halbwellenamplitude einen festgelegten Referenzpegel überschritten hat. Dieser Referenzpegel ist in der Figur 2 eingezeichnet. Im speziellen in der Figur 2 dargestellten Beispiel erscheint am Ausgang des Nulldurchgangs-Detektors22 ein Ausgangssignal bei jedem negativen Nulldurchgang, der Halbwellen'3,5,7 und 9 des Sender-Ausgangsignales.

Jedesmal wenn eine Kalbwelle mit vergrößerter Amplitude empfangen

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wird, bewirkt der Amplituden-Detektor 20 die Speicherung einer Spannung, welche der vergrößerten Amplitude entspricht und läßt einen Strom nach dem Ladungs-Sensor 3 4 fließen. Der Ladungs-Sensor 34 stellt diesen Stromfluß fest und erzeugt als Antwort darauf Ausgangsimpulse zu dem Zweck der Ansteuerung des Logik-Gatters 30 und der Rückstellung des Zählers 38. Beim Erscheinen der Halbwelle 3 geben der Detektor 22 und der Sensor 34 an ihren Ausgängen Impulse ab. Jedoch ist in der speziellen Ausführung gemäß Figur 1 ein zusätzlicher von dem Daten-Gatter 28 erzeugter Impuls erforderlich, um einen Ausgangsimpuls am Logik-Gatter 30 zu erzeugen, so daß der Zähler 38 aufgrund der Halbwelle 3 nicht gestartet werden kann.

Das Ausgangssignal des Daten-Gatters 28 ist zeitlich verzögert gegenüber dem Ausgangssignal des Detektors 22, welcher jedesmal einen Impuls abgibt, wenn ein Nulldurchgang stattgefunden hat und die vorausgegangene Signalamplitude über einem vorbestimmten Wert lag. Würde die Halbwelle 1 des Sender-Ausgangssignales den vorgegebenen Pegelwert überschritten haben, so würde der Zähler von der Halbwelle 3 gestartet, da am Ausgang des Daten-Gatters ein Impuls erscheinen würde, der mit den Ausgangsimpulsen des Ladungs-Sensors und des Nulldurchgangs-Detektors zeitlich zusammenfällt. In diesem Fall würde jedoch der Zähler vor Erreichen seiner Zählkapazität durch einen Rückstellimpuls zurückgestellt werden, wobei dieser Rückstellimpuls durch den Ladungs-Sensor 34 als Folge der vergrößerten Amplitude der Halbwelle 5 erzeugt wird.

Im dargestellten Beispiel ist jedoch erst bei der Halbwelle 5 des Sender-Ausgangsägnales eine Koinzidenz der von dan Ladungs-Sensor, dem Daten-Gatter und dem Nulldurchgang-Detektor kommenden Impulse vorhanden. Das Logik-Gatter 30 veranlaßt aufgrund dieser Impulse den Start des Zählers 38. Der Zähler 38 zählt eine Zeit die gleich Oder ungeführ gleich dem 0,8-fachen der Periodendauer des Sender-Ausgangssignales ist. Da die Halbwelle 7 des empfangenen Signales

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eine kleinere Amplitude als die Halbwelle 5 desselben Signales aufweist, stellt der Amplituden-Detektor 20 keine Vergrößerung der Amplitude fest und der Ladungs-Sensor 34 erzeugt keine weiteren Ausgangsimpulse für das Logik-Gatter 30 bzw. den Rückstelleingang R des Zählers 38. Aus diesem Grund wird der Zähler 38 nicht zurückgestellt und erreicht seine Zählkapazität nach einer Zeit t_o, wobei er einen überlaufimpuls an seinem Ausgang 40 abgibt. Dieser Überlaufimpuls wird benutzt, um den Haupt-Zeitgeber 14 zu stoppen, dessen Stand sodann ein Maß für die übertragungszeit des Signales zwischen Sender 12 und Empfänger 18 ist. Es liegt auf der Hand, daß die in dem Haupt-Zeitgeber 14 gespeicherte Zeit zusätzlich zu der Übertragungszeit des Signales noch die Zeit t- zwischen dem Beginn des Anregungs-Signales und dem negativen Nulldurchgang der Halbwelle 5 und die Zeit t_Q, d.h. die Zählkapazität des Zählers '38 enthält. Die Zeiten t. und t sind jedoch wiederholbare, vorher festgelegte Zeiten, welche von dem gemessenen und in dem Haupt-Zeitgeber 14 gespeicherten Zeitwert abgezogen werden können. Zusätzlich kann die Genauigkeit der Messung noch erhöht werden, indem die Schaltzeiten der zwischen dem Empfänger 18 und dem Haupt-Zeitgeber 14 angeordneten Elemente berücksichtigt und von dem in dem Haupt-Zeitgeber 14 gespeicherten Zeitwert abgezogen werden.

Es sei hier festgestellt, daß die Schaltungsanordnung auch ohne den dritten von dem Ladungs-Sensor 34 an das Logik-Gatter 30 gelieferten Impuls arbeiten kann. In diesem Fall entfällt die Notwendigkeit zusätzliche Schaltungsteile vor zusehen, unr den Zähler 38 an seinem Wiederstart. - hervorgerufen durch die auf die größte Amplitude folgenden Halbamplituden - zu hindern. Wird an Stelle des Logik-Gatters 30 ein Logik-Gatter mit zwei Eingängen benutzt und werden diesen beiden Eingängen der Ausgang des Nulldurchgangs-Detektors 22 und der Ausgang des Daten-Gatters 28 zugeführt, so wird der Zähler 38 jeweils durch die Halbwellen 7 und 9 erneut gestartet. Durch den Wiederstart des Zählers hervorgerufene falsche Resultate können jedoch durch eine Schutzschaltung zwischen

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dem Ausgang 40 und dem Haupt-Zeitgeber 14 verhindert werden, welche Schutzschaltung zusätzliche Zählerüberlaufe unterdrückt.

Weiterhin stellt das Daten-Gatter 28 in der Schaltungsanordnung gemäß Figur 1 ein Element dar, dessen Notwendigkeit für die Funktion der Schaltung nicht erforderlich ist. Auf das Daten-Gatter 28 kann insbesondere verzichtet v/erden, wenn das übertragungssystem frei von Rauschsignalen ist. Durch das Daten-Gatter 28 wird sichergestellt, daß der Zähler 38 nur gestartet wird, wenn sich das auftretende Signal in einem schmalen Bereich um den festgestellten Nulldurchgang bewegt.

Figur 3 zeigt eine schaltungsmäßige Darstellung des Amplituden-Detektors 20 und des Ladungs-Sensors 34. Gemäß Figur 3 ist eine Eingangsklemme 50 mit dem nicht invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 52 verbunden. Mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 52 ist das eine Ende eines Widerstandes 54 verbunden, dessen anderes Ende an die Masse 56 gelegt ist. Weiterhin ist mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 52 das eine Ende eines Widerstandes 58 verbunden, dessen anderes Ende an einem Schaltungspunkt 60 liegt. Zwischen dem Schaltungspunkt 60 und Masse sind ein Widerstand 64 und ein Kondensator 66 in einer Parallelschaltung angeordnet. Ein weiterer Widerstand 70 ist mit seinem einen Ende an den Schaltungspunkt gelegt und mit seinem anderen Ende an eine positive Spannungsquelle 72 angeschlossen.

Der Operationsverstärker 52 weist einen Ausgang 74 auf. Zwischen den Ausgang 74 des Verstärkers 52 und seinen invertierenden Eingang ist die Reihenschaltung eines Widerstandes 80 und einer Diode 82 angeordnet. Weiterhin ist mit dem Ausgang 74 die Basis eines Schalttransistors 84 verbunden. Der Emitter des Schalttransistors 84 ist an den Schaltungspunkt 60 angeschlossen. Der Kollektor des Schalttransistors 84 ist mit 90 beziffert. Die Schaltung zwischen den Elementen 50 und 90 ist durch eine gestrichelte

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Linie umrahmt und mit der Bezugsziffer 20 versehen, welche die beschriebene Schaltung als eine spezielle Ausführungsform eines Amplituden-Detektors kennzeichnet.

Der Kollektor 90 des Transistorschalters 84 ist mit der Basis eines zweiten Transistorschalters 100 verbunden. Der Emitter des Transistorschalters 100 ist an eine positive Spannungsquelle angeschlossen und zwischen Basis und Emitter des Transistorschalters ist ein Basiswiderstand 104 angeordnet. Ein Kollektor 106 des Transistorschalters 100 ist mit dem einen Ende eines Widerstandes 110 verbunden, dessen anderes Ende an einen Schaltungspunkt 112 angeschlossen ist. An den Schaltungspunkt 112 ist weiterhin die Kathode einer Diode 114 angeschlossen, deren Anode an Masse gelegt ist. Andererseits ist zwischen eine negative Spannungsquelle 118 und den Schaltungspunkt 112 ein Widerstand 116 geschaltet. Die Basis eines weiteren Transistorschalters 120 ist an den Schaltungspunkt 112 angeschlossen. Der Emitter des Transistorschalters 120 ist an Masse gelegt und der Kollektor ist über einen Widerstand 126 mit einer positiven Spannungsquelle 130 verbunden. An den Kollektor des Transistorschalters 120 ist weiterhin eine Verbindungsleitung 134 angeschlossen.

über die Verbindungsleitung 134 wird ein Signal einem Einzelimpuls-Generator 140 zugeführt. Der Einzelimpuls-Generator 140 weist ein negiertes ODER-Gatter (NOR-Gatter) 142 und ein UND-Gatter 146 auf, wodurch der Einzelimpuls-Generator von dem an~ kommenden Impulszug bei jeder negativen Impulsflanke geschältet wird. Der Einzelimpulsgenerator 140 erzeugt Ausgangsimpulse von einer festgelegten Breite bei jeder negativen Flanke des auf der Verbindungsleitung 134 anstehenden Signales. Auf einer Ausgangsleitung 148 des Einzelimpulsgenerators 140 erscheinen diese Impulse zwecks übertragung zu dem Logik-Gatter 30. Zusätzlich ist die Verbindungsleitung 134 an einer Ausgangsleitung 150 angeschlossen zwecks Übertragung des Signales zu einem zweiten nicht dargestellten Einzelimpuls-Generator, welcher die Rückstellimpulse

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für den Zähler 38 erzeugt. ·

Im Betrieb wird das von dem Empfänger 18 empfangene Sendersignal der Schaltungsanordnung gemäß Figur 3 an der Eingangsklemme 50 zugeführt. Ein durch die positive Spannungsquelle 72 in Verbindung mit den Widerständen 54, 58, 70 und 64 erzeugter Spannungs-Referenzpegel muß von dem Signal an der Eingangsklemme 50 überstiegen werden, damit der Operationsverstärker 52 an seinem Ausgang 74 geschaltet wird. Aus dem Impulsdiagramm gemäß Figur 2 ist ersichtlich,-daß der zweite Impulszug mit seiner Halbwelle 3 die erste den Referenzpegel überschreitende Halbwelle darstellt.. Wenn der Referenzpegel überschritten wird, so geht der Ausgang nach oben. Dies hat zur Folge, daß der Transistorschalter 84 durchgeschaltet wird und der Kondensator 66 von der Spannungsquelle 102 her aufgeladen wird. Hierdurch wird an dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 52 ein höherer zu überschreitender Spannungspegel aufgeschaltet. Dieser Spannungspegel muß von der nächsten Halbwelle am Eingang 50 überschritten werden, um eine weitere Aufladung des Kondensators 66 zu erzielen. Jedesmal, wenn ' der Schalttransistor 100 von dem Schalttransistor 84 durchgeschaltet wird, fließt ein Strom von der positiven Spannungsquelle 102 über den Widerstand 110 und erzeugt somit einen Basisstrom für den Schalttransistor 120. Dieser Basisstrom schaltet den Schalttransistor 120 und verursacht einen Spannungsabfall an der Verbindungsleitung 134. Der Spannungsabfall auf der Verbindungsleitung 134 wird auf den Einzelimpulsgenerator 140 geschaltet, um an seinem Ausgang 148 einen Impuls zu erzeugen/und wird weiterhin über die Ausgangsleitung 150 zu einem weiteren nicht dargestellten Einzelimpulsgenerator" geschaltet, um einen Impuls von veränderter Breite zu erzeugen, der benutzt wird, um den Zähler 38 zurückzustellen.

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Gemäß Figur 4 ist eine spezielle Schaltungsanordnung eines negativen Nulldurchgangs-Detektors 22 und eines Daten-Gatters 28 dargestellt. Eine Eingangsklemrne 160 ist mit dem einen Ende eines Widerstandes 162 verbunden, dessen anderes Ende an einen Kondensator 164 angeschlossen ist. Der Kondensator 164 seinerseits ist mit einem invertierenden Eingang 166 eines Operationsverstärkers 170 verbunden. Der Operationsverstärker 170 besitzt einen zweiten nicht invertierenden Eingang 172. Eine Diode 174 ist mit ihrer Anode mit dem Eingang 166 und mit ihrer Kathode mit dem Eingang 172 verbunden. Eine zweite Diode 176 liegt mit ihrer Anode an dem Eingang 172 und mit ihrer Kathode an dem Eingang 166. Mit dem Eingang 172 ist weiterhin das eine Ende eines Widerstandes 180 verbunden, dessen anderes Ende an einem Schaltungspunkt 182 liegt. Mit dem Schaltungspunkt 182 ist das eine Ende eines Widerstandes 184 verbunden, dessen anderes Ende an Masse gelegt ist. Weiterhin ist mit dem Scha3,tungspunkt 182 ein Widerstand 186 Verbunden, dessen anderes Ende mit einer positiven Spannungsquelle 188 verbunden ist. Schließlich ist an den Schaltungspunkt 182 das eine Ende eines Widerstandes 190 angeschlossen, dessen anderes Ende mit der Kathode einer Diode 194 verbunden ist. Die Anode der Diode 194 ist mit einem Ausgang 198 des Operationsverstärkers 170 verbunden und bildet eine Rückführung für denselben. Der Ausgang 198 ist über einen nicht dargestellten Strombegrenzungswiderstand an einen Pegelbegrenzer 2OO angeschlossen, welcher die Spannungsänderungen auf einen Pegel begrenzt, welcher durch übliche digitale Logikschaltungen verarbeitet werden kann.

Das Signal mit dem neuen .Pegel erscheint auf einer Eingangsleitung 204 und wird durch ein konventionelles differenzierendes Netzwerk bestehend aus NAND-Gattern 210 und 216 und ein NOR-Gatter 220 übertragen. Ein auf diese Weise aufgebautes Differenzierglied ist im Stand der Technik bestens bekannt und seine Schaltung und Wir-.kungsweise bedarf hier keiner Beschreibung im Detail. Es genügt hier zu erwähnen, daß diese Schaltung verkleinerte Impulse aufgrund der zugeführten positiven Signalamplituden erzeugt. Diese Impulse,

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welche dem negativen Nulldurchgang-Detektor-Ausgang gemäß dem Impulsdiagramm in Figur 2 entsprechen, werden an einer Ausgangsleitung 224 gemäß Figur 4 abgegeben.

Die gleichen Impulse werden über eine Verbindungsleitung 226 einem Einzelimpulsgenerator 228 über ein NOR-Gatter 230 und ein UND-Gatter 232 zugeführt. Als Antwort auf jeden zugeführten Impuls erzeugt der Einzelimpulsgenerator 228 an seiner Ausgangsleitung 234 einen Impuls von vorgegebener Länge. Die Hinterflanke des an der Ausgangsleitung 234 anstehenden Impulses wird einem NOR-Gatter 240 und einem UND-Gatter 244 zugeführt und wird dazu benutzt, um einen zweiten Einzelimpulsgenerator 250 zu triggern. Der Einzelimpulsgenerator 250 weist eine Ausgangsleitung 254 auf, an welcher ein dem Daten-Gatter-Ausgang gemäß Figur 2 entsprechender Impuls erscheint. Die vorausbestimmte Breite eines Ausgangsimpulses des Einzelimpulsgenerators 228 ist so gewählt, "daß jeder Ausgangsimpuls am Daten-Gatter zeitlich um eine Periodendauer des Sendersignales gegenüber dem Ausgangsimpuls des Nulldurchgangs-Detektbrs verschoben ist.

Zur besseren Verständlichkeit sei ein spezielles Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung betrachtet, in welchem der Sender 12 mit einer Frequenz von 75 kHz arbeitet. In diesem Fall beträgt die Periodendauer des Sendersignales 11,8 AJLsec. Wenn ein Ausgangsimpuls am Daten-Gatter von 3,Oy6<sec Breite erzielt werden soll, so ist eine 10,3./U,sec Verzögerung erforderlich, um die Symmetrielinie des Impulses genau eine Periodendauer gegenüber dem Ausgangsimpuls des Nulldurchgangs-Detektors zu verschieben. Die Ein-Eelimpulsgeneratoren 228 und 250 sind daher mit diesen Werten für die Verzögerung bzw. Impulsbreite bezeichnet.

In Figur 4 sind drei. Kästen durch gestrichelte Linien dargestellt. Ein erster Kasten ist mit der Bezugsziffer 260 versehen und kennzeichnet ein Triggernetzwerkj, welches einen Triggerausgangsimpuls

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erzeugt, wie er als dritter Irnpulszug in dem Impulsdiagramm gemäß Figur 2 dargestellt ist. Der zweite Kasten ist mit der Bezugsziffer 264 versehen und zeigt ein Differenzierglied und Pegelbegrenzer, welche den dem Nulldurchgang-Detektor zugeordneten vierten Impulszug in dem Impulsdiagramm gemäß Figur 2 erzeugen. Das Triggernetzwerk 260 und das Differenzierglied 264 arbeiten zusammen als ein negativer Nulldurchgangs-Detektor der Art, wie er in der Figur 1 als Element 22 gekennzeichnet ist. Schließlich bildet der mit der Bezugsziffer 28 versehene Kasten das Daten-Gatter gemäß Figur 1, welches ein Ausgangssignal erzeugt, das in dem Impulsdiagramm gemäß Figur 2 als Daten-Gatter-Ausgang bezeichnet ist.

Im Betrieb wird dem negativen Nulldurchgangs-Detektor und dem Daten-Gatter gemäß Figur 4 an der Eingangsklemme 160 ein Signal zugeführt, das dem Sender-Ausgangssignal gemäß dem Impulsdiagramm nach Figur 2 entspricht. Dieses Signal wird durch den Widerstand 162 und den Kondensator 164 gefiltert und auf den Eingang 166 des Operationsverstärkers 170 gegeben. Die Spannungsquelle 188 gibt in Kombination mit den Widerständen 180, -184, 186 und 190 einen Referenzpegel für den Operationsverstärker 170 vor, welcher Referenzpegel der gleiche sein kann wie er für den Amplituden-Detektor 20 gemäß Figur 3 vorgegeben wurde. Solange diese Referenzspannung durch die empfangene Signalspannung in der Halbwelle 3 nicht überschritten wird, bleibt der Ausgang des Triggers auf hohem Potential. Der Ausgang des Triggers geht nach unten, wenn die im Schaltungspunkt 182 herrschende Spannung von der Eingangsspannung überschritten wird. Der Ausgang des Triggers bleibt auf niedrigem Potential bis die Eingangsspannung durch 0 geht. In diesem Zeitpunkt geht.das Potential am Ausgang des Triggers wiederum nach oben. Als Ergebnis ergibt sich ein Signal, welches den Trigger-Ausgangs-Impulszug gemäß Figur 2 entspricht. Der Spannungspegel an der Ausgangsleitung 198 des Triggers wird durch den Pegelbegrenzer 200 geändert und das geänderte "Signal wird dem Diffe-

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renzierglied 264 zugeführt, um auf der Ausgangsleitung 224 einen Impulszug zu erzeugen, wie er im Impulsdiagramm gemäß Figur 2 mit Nulldurchgang-Detektor-Ausgang bezeichnet ist. Dieses Ausgangssignal des Nulldurchgang-Detektors wird über die Verbindungsleitung 226 dem Einzelimpulsgenerator 228 zugeführt. Die Ausgangsimpulse des Einzelimpulsgenerators 228 wirken auf den Einzelimpulsgenerator 250 ein, um zeitverzögerte Impulse zu erzeugen, wie sie in dem Impulsdiagramm gemäß Figur 2 als Daten-Gatter-Ausgang bezeichnet sind. Dieser Impulszug wird über die Ausgangsleitung 254 zu dem Logik-Gatter 30 geführt, welches den Startimpuls für den Zähler 38 erzeugt.

Eine nähere Beschreibung des Zählers .38 und des Haupt-Zeitgebers 14 ist nicht erforderlich, da Ausführungen solcher Zähler und Zeitgeber im Stand der Technik bestens bekannt sind.

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Claims

Patentansprüche

1. Schaltungsanordnung zum Erzeugen eines Ausgangssignales aus einem Eingangssignal mit vorgegebener Frequenz und unterschiedlich großen Amplituden, wobei die Amplitudengröße auf- und abklingend verläuft, dadurch gekennzeichnet , daß ein erster Detektor (22) angeordnet ist, der jeweils beim Durchgang der Eingangssignalfolge durch einen festgelegten Pegel eine erste Signalfolge erzeugt, daß ein zweiter Detektor (20,34) angeordnet ist, der eine zweite Signalfolge solange erzeugt, wie eine empfangene Signalamplitude die vorangegangene Signalamplitude in der Größe übertrifft, daß einer Logikschaltung (30) die erste und zweite Signalfolge zugeführt ist, welche beim gleichzeitigen Vorhandensein beider Signalfolgen ein Signal (S) erzeugt, und daß ein ein Ausgangssignal liefernder Zähler (38) vorgesehen ist, der vom Signal (S) der Logikschaltung (30) gestartet wird und von der zweiten Signalfolge (R) zurückgestellt wird, wobei die Durchlaufzeit des Zählers (38) kleiner als die festliegende Periodendauer des Eingangssignales ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Detektor einen Amplitudendetektor (20) und einen nachgeschalteten Ladungssensor (34) aufweist, wobei der Amplitudendetektor (20) ein der jeweils höchsten empfangenen Impulsamplitude entsprechendes kontinuierliches Signal erzeugt und der Ladungssensor (34) jedesmal einen Rückstellimpuls erzeugt, wenn das von dem Amplitudendetektor (20) abgegebene Signal anwächst.

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3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Amplitudendetektor (20) einen in Abhängigkeit von der Größe der empfangenen Impulse aufladbaren Kondensator (66) aufweist und daß der Ladungssensor (34) eine gesteuerte Stromquelle aufweist, welche bei jeder Einschaltung einen Ladestrom für den Kondensator (66) und einen Ausgangsimpuls erzeugt.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß dem ersten Detektor (22) ein Daten-Gatter (28) nachgeschaltet ist, welches aus dem Detektor-Ausgangssignal einen zeitverschobenen Gatterimpuls erzeugt, der der Logikschaltung (30) zusätzlich zugeführt wird.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Logikschaltung (30) als UND-Gatter mit drei Eingängen ausgebildet ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der erste Detektor (22) als eine Nulldurchgänge in negativer Richtung feststellende Schaltung ausgebildet ist.

7; Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 4 und 6, dadurch gekennzeichnet , daß das Daten-Gatter (28) die Ausgangsimpulse des Nulldurchgangsdetektors (22) um eine Periodendauer dieser Impulse verschiebt.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Nulldurchgangsdetektor (22) einen Triggerschaltkreis (260) mit einem nachgeschalteten Differentiationsschaltkreis (264) aufweist. .

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