DE2845598B2

DE2845598B2 - Verfahren und Schaltungsanordnung zum impulsmäßigen Übertragen von analogen Signalen

Info

Publication number: DE2845598B2
Application number: DE19782845598
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Dipl.-Ing. Machida Suzuki; Tomohiro Dipl.-Ing. Hachioji Takikawa
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1977-10-22
Filing date: 1978-10-19
Publication date: 1980-10-23
Also published as: DE2845598A1; JPS5460509A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, und auf eine Schaltungsanordnung zu dessen Durchführung. Pulsamplitudenmodulation, Pulsbreitenmodulation, Pulsphasenmodulation und Pulscodemodulation sind in digitalen Übertragungssystemen für analoge Daten bekannt und werden meist heim sogenannten Multiplexbetrieb zur Bewältigung größerer Datenmengen eingesetzt Dementsprechend erfordern diese konventionelleii Pulsmodulationsverfahren sehr aufwendige Geräte und Synchronisierungsschaltkreise, was zur Folge hat, daß diese

5 Oberiragungsmethoden sehr teuer werden, wenn nur geringe Datenmengen zu übertragen sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, auf wirtschaftliche Art schnell und genau analoge Daten kontinuierlich zu übertragen. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß nach den im Anspruch 1 gekennzeichneten Maßnahmen.

Durch diese gleichzeitige Anwendung der Pulsbreiten- und der Pulsfrequenzmodulation kann die Demodulation durch arithmetische Mittelwertbildung mit einfachen Mitteln durchgeführt werden und dennoch ein mit dem Eingangssignal ausreichend übereinstimmendes Ausgangssignai erhalten werden. Die in den Unteransprüchen gekennzeichneten Maßnahmen dienen zum Verbessern dieser Übereinstimmung.

Die Erfindung wird nun an Hand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 den Sender,
F i g. 2 Spannungsverläufe im Sender,
F i g. 3 den Empfänger und

F i g. 4 Spannungsverläufe im Empfänger.

Bei dem in F i g. 1 dargestellten Sender liegt eine analoge Spannung V/m welche proportional dem zu übertragenden analogen Eingangssignal ist, an der Eingangsklemme des Integrators 1, welcher den

jo Operationsverstärker Qi, die Eingangswiderstände R11, R 12, R13 und den Gegenkopplungskondensator Ci aufweist. Weitere Eingangsgrößen des Integrators 1 bestehen in den konstanten Referenzspannungen — V« bzw. + Vr, welche über die komplementär zueinander betätigbaren Schalter 51 bzw. 52 geführt sind. Der Ausgang Vi des Integrators 1 ist mit dem aus dem Operationsverstärker Q2 bestehenden Komparator 2 verbunden, dessen Referenzeingang mit der konstanten Spannung + Vr oder — Vr über die gleichfalls komplementär zueinander betätigbaren Schalter 53 oder 54 verbunden ist. Das Ausgangssignal Vo des !Comparators 2 ist mit dem dem lichtemittierenden Element D, im dargestellten Beispiel mit einer Leuchtdiode, verbunden, welches aktiviert wird, wenn das Ausgangssignal des

4^r> !Comparators 2 ein niedriges Spannungsniveau aufweist. Das Ausgangssignal Vo des !Comparators 2 dient außerdem für die Betätigung der Schalter 51 bis 54 in der Weise, daß die Schalter 51 und 53 geschlossen weden, wenn das Signal V₀ ein hohes Spannungsniveau

to aufweist, während die Schalter 52 und 54 geschlossen werden, wenn sich das Ausgangssignal des !Comparators 2 auf einem niedrigen Spannungsniveau befindet. Um die für diese Steuerung notwendigen komplementären Signale zu erhalten, ist das Ausgangssignal des

t> !Comparators 2 über die Umkehr- oder Inverterstufe /JVVl geführt, deren Ausgangsspannung als Steuersignal für die Schalter 5 2 und 5 4 dient.

Wenn es auf hohe Schaltgeschwindigkeit und prellfreies Schalten ankommt, dann werden als Schalter

to 51 bis 54 vorteilhafterweise Halbleiterschalter, beispielsweise Transistoren oder Feldeffekt-Transistoren, anstelle von mechanischen Schaltern benutzt. Die Spannungen + Vr und — Vr werden im Hinblick auf die zu erwartenden Werte der analogen Eingangsspannung

b~- V/yvso gewählt, daß die Beziehung gilt:

-V_R<V_IN< +V_R.
Unter der Voraussetzung, daß die Widerstände All,

R 12 und R13 gleich groß sind, tritt an ihre Stelle der nicht dargestellte Widerstand Rim die nachfolgenden Überlegungen, und es ergeben sich die in Fig.2 dargestellten Signalverläufe. Während ein«:r Zeitdauer A, in welcher die Eingangsspannung V,n—Q ist, wird der Integrator 1 je nach Stellung der Schalter Sl bis 54 entweder mit der Eingangsspannung + Vr oder mit der Eingangsspannung — Vr beaufschlagt und erzeugt eine Ausgangsspannung Vi, deren zeitliche Änderung durch seine Integ^erzeit bestimmt ist, welche durch das Produkt aus dem Kapazitätswert des Kondensators CX und dem Widerstandswert des Widerstandes R1 bestimmt ist Jedesmal wenn die Ausgangsspannung V₁ des Integragors 1 den Wert + Vr bzw. - Vr erreicht, schlägt das Ausgangssignal des Komparators 2 um, so daß die Leuchtdiode D abwechselnd ein- und ausgeschaltet wird und ein Betätigungswechsel der einander zugeordneten Schalter S2 und 54 bzw. Sl und S3 stattfindet Dabei beginnt der Integrator 1 die Integration von einem Zustand aus, bei dem seine Ausgangsspannung + Vr bzw. — Vr beträgt, jewel's zu einem anderen Zustand, wo sie den Wert — Vr bzw. -I- Vr aufweist Wenn die Ausgangsspannung — Vr oder + Vr erreicht, wird der Komparator 2 wieder eine Umschaltung der Schalter Sl bis S 4 vornehmen. Auf diese Weise wird die Ausgangsspannung Vi des Integrators 1 dreieckförmig, und die Ausgangssp annung Vo des Komparators 2 erhält die Form eines Impulszuges, dessen Amplituden abwechselnd + V_Cc und 0 sind, je nachdem ob die dreieckförmige Ausgangsspannung Vi des Integrators 1 eine positive oder eine negative Spannung aufweist.

Im nächsten Zeitabschnitt ßsoll eine zu übertragende Gleichspannung Vw 4= 0 am Eingang des Integrators 1 wirksam werden. Für das Zeitintervall 71 von ίο bis ii, wird dann die Ausgangsspannung des Integrators 1

V₁=-Vr-

Cl Rl '

wobei deren Steigung gegeben ist durch

-Vr-(V_1n- VJ-_t

ClRl

= V„

In dem daran anschließenden Zeitintervall T₂ zwischen fi und f₂ veranlaßt ein Betätigungswechsel der Schalter Sl bis 54, daß der Integrator 1 nunmehr von den Spannungen Vw und + Vr beaufschlagt wird und demzufolge nun für seine Ausgangsspannung Vi gilt:

V_r) -=

CXRl

das Spannungsniveau - Vr mit einer durch den Ausdruck

(Vr +

Cl Rl

und flacher ist, als sie sich während des Zeitabschnitts A während der Dauer 71 eines Impulses der Spannung V₀ ergeben hat. Die Spannung Vi steigt wiederum zu einem Spannungsniveau an, welches der Referenzspannung + Vr des Komparators 2 entspricht. Die obige Gleichung (1) liefert die Bestimmungsgieichung für die Zeitdauer 7Ί:

ClRl

bestimmten Steigung.

Die Zeitdauer 72= t₂—t\, in welcher dh Spannung Vi

das Spannungsniveau — Vr erreicht, entspricht einer

ίο Pulspause des zu übertragenden Impulses. Mit der Gleichung (3) ergibt sich für die Zeitdauer T₂ folgende Gleichung:

= -V_R

Die Pulsdauer T₁ und die Pulspause T₂ des zu übertragenden Impulszuges ergeben sich also zu

T₁ =

2V_R

CX Rl,

Cl Rl

' V_R t V_1n
und seine Pulsfrequenz/ergibt sich zu

S =

T₁+ T₂ 4ClRl

Während des Zeitintervalles A in F i g. 2 ergeben sich Pulsdauer, Pulspause und Pulsfrequenz durch Einsetzen des Wertes Vw=O in die Gleichungen (5) bis (7). Für den Fall, daß die analoge Eingangsspannung Vw negativ ist, kann in den Gleichungen (5) bis (7) der entsprechende negative Wert für Vw eingesetzt werden, um die Größen 71, T₂ und /zu erhalten.

Auf diese Weise wird in Abhängigkeit von der Größe und der Polarität einer analogen Eingangsspannung Vw ein pulsbreiten- und pulsfrequenzmodulierter Impulszug erhalten.

Bei dem in Fig.3 dargestellten Empfänger am anderen Ende der Übertragung^ strecke angeordneten Empfänger erreichen die senderseitig von dem lichtemittierenden Element D ausgesandten Lichtimpulse das lichtempfindliche Element 7^ das in Fig.3 als Fototransistor dargestellt ist. Das Ausgangssignal V? des Fototransistors T und dessen mittels der Umkehrstufe INV2 invertiertes Ausgangssignal V3 dienen dazu, abwechselnd die Spannungen - v_R und -I- Vr auf den Eingang des Integrators 3 zu schalten. So wird der Schalter 55 während der PuI' dauer Ti des übertragenen Impulszuges und der Schalter S 6 während der Pulspause T₂ des übertragenen Impulszuges geschlossen. Der Integrator 3 besteht aus dem Operationsverstärker Q3, dem Eingangswiderstand Λ51, dem Integrierkondensator C21 und dem Begrenzungswiderstand R 61.

Die Ausgangsspannung Vt, des Integrators 3 wird somit dreieckförmig und ist mit Spitzen jeweils zu den Zeitpunkten ansteigender und fallender Flanken_der Spannungen V₂ und V3 versehen. Der Mittelwert V» der Ausgangsspannung V4 des Integrators 3 ist gegeben durch die Beziehung

T₁ + T₂

T₂

T₁+ T₂

T₁-T₂ T₂

ι/ JIi... _ü _

Die Spannung Vi bewegt sich also zeitlinear gegen und ist damit gemäß der Gleichungen (5) und (6) gleich

bzw. proportional der Eingangsspannung V^. Auf diese Weise stellt der Mittelwert V< der Ausgangsspannung V₄ des Integrators 3 einen demodulierten Wert dar, weicher die analoge Eingangsspannung Vw auf der Senderseite repräsentiert.

Wenn der Integrator 3 eine genügend große Integrationszeitkonstante hat, kann als genügend genaue Abbildung der senderseitig eingegebenen analogen Eingangsspannung Vw bereits seine Ausgangsspannung dienen. Allerdings bedingt eine solche große Zeitkonstante eine entsprechend große Ansprechverzögerung, so daß der richtige Wert der senderseitig eingegeben analogen Gleichspannung erst nach einer gewissen Zeit auf der Empfängerseite erscheint. Um bei kleiner Zeitkonstante des Integrators 3 ein schnelles Ansprechen und trotzdem empfangsseitig eine glatte Ausgangsspannung zu erhalten, kann zusätzlich ein Glättungsglied eingesetzt werden, welches die weiteren Integratoren 4 und 5, das Summierglied 6 und die Schalter 57 und 58 enthält. Jeder der Integratoren 4 und 5 enthält einen der Operationsverstärker QA bzw. Q 5, die Eingangswiderstände R 52, Ä62 bzw. Ä53, Ä63 und die integrierkondensatoren C23 bzw. C22 und wird eingangsseitig jeweils von der Eingangsspannung V3 und der Ausgangsspannung V₄ des Integrators 3 beaufschlagt. Den Kondensatoren C22 und C23 sind jeweils die Schalter 57 bzw. 58 parallelgeschaltet, welche bei ihrer Betätigung ein Rückstellen der Integratoren 4 bzw. 5 bewirken. Die

^r> Schalter 57 und 58 werden abwechselnd in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal der Differenzierglieder 7 und 8 geschlossen. Die Differenzierglieder 7 und 8 sind vom Ausgangssignal V-> des Fototransistors 7"bzw. vom Ausgangssignal INV2 beaufschlagt. Die Summe der Ausgangsspannungen ergibt die in Fig.4 mit V5 bezeichnete Spannung, welche nur noch aus den Oberwellen der Ausgangsspannung V₄ des Integrators 3 besteht. Der Gleichspannungsmittelwert, welcher die analoge Eingangsspannung V_tN repräsentiert, kann damit mittels der in dem Summiergiied 6 bzw. in dem Operationsverstärker Q 6 gebildeten Differenz V> zwischen den Spannungen V₄ und V5 erhalten werden Dadurch können sämtliche Oberwellenkomponenten verzögerungsfrei aus der Ausgangsspannung V₄ des Integrators 3 eliminiert werden, so daß deren reinei Gleichspannungsmittel wert V₄ übrigbleibt. Ein derartiges Filter- oder Glättungsglied ist an sich bekannt und ir der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 74 553/1976 beschrieben.

Hierzu 3 Blatt Zcichnuimcn

Claims

Patentansprache:

1. Verfahren zum impulsmäßigen Obertragen von analogen, zwischen zwei Grenzwerten verlaufenden Signalen, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Senderseite die Amplitudenwerte der anliegenden analogen Signale (Vjn) in rechteckför-Riige Impulszüge (Vo) konstanter Amplitude (Vcc) so umgesetzt werden, daß sowohl deren Impulsbreite (Ti) als auch deren Impulsfolgefrequeni: mit dem jeweiligen Amplitudenwert des zu übertragenden analogen Signals (Vin) moduliert sind, und daß auf der Empfängerseite die arithmetischen Mittelwerte (Va, bzw. V&) dieser Impulszüge (V2) gebildet und als Amplitudenwerte (Vx) des analogen Signals ausgegeben werden.

2. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender einen Integrator (t) aufweist, dem eingangsseitig die zu übertragende analoge Spannung (V/n) und über zwei komplementär zueinander betätigte erste Schaltglieder (Si, 52) gleichzeitig entweder eine positive oder eine negative Referenzspannung (+ Vr oder - Vr) zugeführt ist, wobei die Schaltglieder vom Ausgangssignal eines !Comparators (2) betätigt werden, dem eingangsseitig die Ausgangsspannung (Vi) des Integrators (1) und über von zwei synchron mit den ersten Schaltgliedern (Si, 52) gleichfalls komplementär zueinander betätigten zweiten Schaltglieder (53, 54) die jeweils andere Referenzspannung (-Vr oder + Vr) zugeführt ist, und daß der Empfänger einen Integrator (3) aufweist, der eingangsseitig für die Dauer einer Impulspause des übertragenen Impulszuges (V2) eine konstante negative Spannung (— Vr) und für die Dauer eines Impulses des übertragenen Impulszuges eine konstante positive Spannung (— Vr) zugeführt ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger zwei weitere Integratoren (4, 5) aufweist, denen eingangsseitig das Eingangssignal (V3) und das Ausgangssignal (V4) des ersten Integrators (3) zugeführt ist und deren Ausgangsspannungen in einem Summicrglied (6) addiert und vom Ausgangssignal (V4) des ersten Integrators (3) subtrahiert werden, wobei der eine Integrator (4) jeweils zu Beginn eines Impulses des übertragenen Impulszuges und der andere Integrator (5) jeweils zu Beginn einer Impulspause des übertragenen Impulszuges zurückgestellt wird.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger zwei Differenzierstufen (7,8) aufweist, von denen die eine (7) zum Erfassen des Beginns eines Impulses und die andere (8) zum Erfassen des Beginns einer Impulspause des übertragenen Impulszuges dient.