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Die Erfindung betrifft eine Senderschaltung zur Erzeugung
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frequenzmodulierter Signale.
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Zur übertragung von mehreren Signalen, insbesonders von Digitalsignalen,
über einen gemeinsamen ttbertragungskanal werden bevorzugt Frequenzmultiplexsysteme
eingesetzt. Das für die übertragung digitaler Signale verwendete Modulationsverfahren
der Frequenzumtastung (FSK) beruht darauf, daß je nach logischem Zustand des zu
übertragenden Signales, zwischen (mindestens) zwei Ausgangsfrequenzen umgetastet
wird.
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Jedes zu übertragende Signal wird in einer Senderschaltung bestehend
aus einem Modulator und nachgeschalteter Filterschaltung umgesetzt. Die Ausgangssignale
aller dieser Senderschaltungen werden addiert und über den Ubertragungskanal zum
Empfänger übertragen.
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Filterschaltungen zur Begrenzung des Spektrums des Ausgangssignales
der einzelnen Senderschaltungen sind im allgemeinen notwendig, weil das Spektrum
eines frequenzmodulierten Signales theoretisch unendlich breit ist, und daher, um
gegenseitige Beeinflussungen benachbarter Kanäle zu verhindern, begrenzt werden
muß.
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Bei bekannten Systemen dieser Art, besonders zur übertragung von digitalen
Signalen ist die Sendefrequenz der Senderschaltung (=Kanalfrequenz) durch frequenzbestimmende
Bauelemente fest vorgegeben; die rnaxinale Taktrate des zu übertraaenden Diaitalsianaies
kann uom Betreiber der Senderschaltunq nicht erhöht werden.
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Für den Hersteller von solchen Ubertragungssystemen ergab sich dadurch
der Nachteil, daß pro Kanalfrequenz und Übertragungsgeschwindigkeit je eine verschiedene
Sendertype vorhanden sein müßte. In der Praxis bedeutete das bei einer typischen
Anzahl von 24 Kanalfrequenzen bei 50 Baud und 5 verschiedenen Taktraten (50, 100,
200, 600 und 1200 Baud), daß insgesamt 46 verschiedene Sender-
typen
hergestellt und auf Lager gelegt werden müßten. Auch für den Anwender war diese
große Typenvielfalt mit Nachteilen verbunden, da bereits bei der Projektierung einer
Anlage die endgültige Konfiguration festgelegt werden mußte und im Nachhinein nur
sehr schwer veränderbar war.
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Eine Vereinfachung bei der Projektierung von derartigen Ubertragungssystemen
ergab sich daraus, daß sogenannte ~frequenzneutrale" Senderschaltungen konstruiert
wurden, bei denen der Anwender die Sendefrequenz durch Umlegen von Schalt- Brücken
am fertigen Gerät einstellen konnte. Durch die Maßnahme war die Reduktion des Typenspektrums
auf eine Type pro übertragungsgeschwindigkeit, unabhängig von der Kanalfrequenz,
möglich. Die übertragungsgeschwindigkeit selbst ist auch bei diesen Senderschaltungen
fest, da die Filterschaltungen nur jeweils für eine bestimmte übertragungsgeschwindigkeit
ausgelegt werden konnten.
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Die Änderung der übertragungsgeschwindigkeit ist auch bei diesen Geräten
nur durch Austausch der gesamten Senderschaltung oder zumindest eines Teils davon
möglich.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Senderschaltung zu realisieren,
bei welcher die Trägerfrequenz des Sendersignais kontinuierlich und/oder in Stufen
einstellbar ist und bei der die Taktrate des zu übertragenden Modulationssignals
variabel ist.
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Dies wird bei einer Senderschaltung zur Erzeugung frequenzmodulierter
Signale erfindungsgemäß erreicht durch eine Modulatorschaltung an deren Eingang
das Modulationssignal (UE) anliegt und bei welcher an zwei Ausgängen jeweils ein
Ausgangssignal der Form bzw.
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abgreifbar ist, wobei WH eine beliebig wählbare, den Modulationsindex
festlegende
Hilfskreisfrequenz der Modulatorschaltung, UE tr) das
Modulationssignal, W beliebig wählbare, konstante Phasenwinkel sind, wobei gilt
mit n=...o, +/-1,+/-2,+/-3 usw., durch eine an jeden Ausgang der Modulatorschaltung
angeschlossene Multiplizierschaltung welche jeweils das Ausgangssignal (UA1 bzw.
UA2) der Modulatorschaltung mit einer harmonischen Schwingung einer Kreisfrequenz
wK multipliziert, wobei die harmonische Schwingung der einen Multiplizierschaltung
gegenüber der harmonischen Schwingung der anderen Multiplizierschaltung eine konstante
Phasenverschiebung aufweist, und durch eine Summierschaltung , bei welcher an jeweils
einem Eingang der Ausgang einer Multiplizierschaltung angeschlossen ist und an deren
Ausgang das frequenzmodulierte Sendersignal (UA) anliegt.
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Die Frequenz wK der harmonischen Schwingungen, mit welchen die Ausgangssignale
(UA1,UA2) der Modulatorschaltung (1) in den Multiplizierschaltungen (4,5) verknüpft
werden, gibt die Trägerfrequenz des erzeugten frequenzmodulierten Signals an.
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Eine Ausführungsform der Erfindung kann daher darin bestehen, daß
jede Multiplizierschaltung einen Schwingungsgenerator umfaßt, welcher eine harmonische
Schwingung mit der Kreisfrequenz wK erzeugt.
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Eine andere Ausführungsform der Erfindung kann darin bestehen, daß
bei jeder Multiplizierschaltung der jeweils zweite Eingang (so1, SM2) herausgeführt
ist, und daß an jeden dieser Eingänge eine extern erzeugte harmonische Schwingung
mit der Kreisfrequenz wK angelegt wird. Dadurch kann auf besonders einfache Weise
eine Variation der Trägerfrequenz erreicht werden.
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Der Modulationsindex des erzeugten frequenzmodulierten Signals, beziehungsweise
der Frequenzhub bei digitalen Modulationssignalen
wird durch die
Hilfskreisfrequenz WH der Modulatorschaltung bestimmt. Eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung kann daher darin bestehen, daß die Modulatorschaltung einen Steuereingang
(S1) aufweist, über welchen die Hilfskreisfrequenz WH des Modulators steuerbar ist,
wodurch der Modulationsindex einstellbar ist, und somit in weiten Grenzen beliebige
übertragungsgeschwindigkeiten bei einer erfindungsgemäßen Senderschaltung möglich
sind.
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Nachstehend ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
beispielsweise beschrieben. Es zeigen: Figur 1 das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen
Senderschaltung; Figur 2aa - 2ac Liniendiagramme der Ausgangssignale der Modulatorschaltung
einer Senderschaltung nach Fig. 1; Figur 3 eine mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Modulatorschaltung in Analogtechnik; Figur 4 Liniendiagramme der Ein- und Ausgangssignale
einer Schaltung nach Fig. 3; Figur 5a, b digitale Realisierungen einer erfindungsgemäßen
Modulatorschaltung und Figur 6 den Zeitaufwand zweier interner Signale und der Ausgangssignale
einer Schaltung nach Fig. 5a.
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Die Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Senderschaltung
zur Erzeugung eines frequenzmodulierten Sendersiganales.
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Das zu übertragende Signal UE wird an einen Eingang E einer Modulatorschaltung
1 geführt, welche zwei Ausgangssignale UAl und UA2 erzeugt. Uber einen weiteren
Eingang S, der Modulatorschaltung kann der Frequenzhub des in der Senderschaltung
erzeugten frequenzmodulierten Sendersignals eingestellt werden.
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Der Steuereingang S1 kann entfallen, wenn der Frequenzhub des
Sendesignales
nicht veränderbar sein muß.
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jeder Ausgang1 bzw. A2 der Modulatorschaltung 1 ist jeweils über eine
Filterschaltung 2 bzw. 3 an den Eingang einer Multiplizierschaltung 4 bzw. 5 geführt.
Die gleichartigen Tiefpaßfilterschaltungen 2,3 dienen zur Begrenzung des Spektrums
des frequenzmodulierten Signals und sind i.a. nur notwendig, um Vorschriften der
Fernmeldebehörden zu erfüllen; kommen derartige Vorschriften bezüglich der maximalen
spektralen Breite des Sendesignales nicht zur Anwendung, oder wenn das Eingangssignal
UE gewisse Kriterien erfüllt, so können die Filterschaltungen 2,3 entfallen.
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In der Multiplizierschaltung 4 bzw. 5 wird das Produkt aus dem jeweiligen
Eingangssignal der Multiplizierschaltung und je einer zu der der anderen Multiplizierschaltung
phasenverschobenen, jedoch gleichfrequenten harmonischen Schwingung gebildet das
j ewe i 1 ige Produktsignal liegt am Ausgang AMa bzw. AMz an. Die harm>nische
Schwingung kann dabei entweder in der Multiplizierschaltung 4 bzw. 5 selbst erzeugt
werden, wobei gegebenenfalls über jeweils einen Steuereingang 5M1 bzw. 5M2 die Frequenz
der Schwingung eingestellt werden kann, oder sie kann extern in einem gemeinsamen,
wiederum steuerbaren Generator erzeugt und über eine nachgeschaltete Phasensplitterschaltung
über den Steuereingang SM1 bzw. SM2 an die Multiplizierschaltung 4 bzw. 5 geführt
sein.
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Die beiden Ausgänge AM1, AM2 der Multiplizierschaltungen 4,5 werden
an die Eingänge einer Summierschaltung 6 geführt und dort zum Ausgangssignal der
Senderschaltung UA additiv-verknüpft, welches am Ausgang A der Summierschaltung
6 anliegt.
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Im Folgenden soll zuerst die Gesamtfunktion der Senderschaltungen
an hand des Blockschaltbildes in Fig.1 beschrieben werden.
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Das Eingangssignal UE soll allgemein durch die Zeitfunktion UE(t)
beschrieben sein. Für die Übertragung von digitalen
Signalen kann
die Eingangsfunktion UE, je nach dem Logikzustand mit UE =1 oder UE=-1 angenommen
werden.
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In der Modulatorschaltung werden zwei Ausgangssignale erzeugt,
gehorchen.
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Dabei ist wH eine beliebig wählbare, konstante Hilfskreisfrequenz,
welche den Modulationsindex X des frequenzmodulierten Signals,bzw. im Falle von
digitalen Eingangssignalen UE, den Frequenzhub des erzeugten FSK Signals angibt.
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Die beiden Phasenwinkely 1 82 sind prinzipiell frei wählbar, solange
sie sich nicht um ganzzahlige Vielfache von voneinander unterscheiden. Vereinfachend
werden für die folgende Beschreibung die beiden Phasenwinkel mit #1 =0 und # = #/2
angenommen.
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Damit berechnen sich die Ausgangssignale der Modulatorschaltung
Wird für die nachfolgende Betrachtung der Einfluß der Tiefpaßfilterschaltung 2,3
vernachläßigt, so liegen diese Signale an den Eingängen der Multiplizierschaltung
3,4 an. An deren Ausgängen werden die Signale UAMl und UAg2 abgegeben.
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Damit eraibt sich das Ausaanassianal des Summierers 6 zu:
In obiger Gleichung kann UE jede beliebige Abhängigkeit von t
haben. Nachstehend werden die in der erfindungsgemäßen Schaltung bevorzugt auftretenden
konstanten Logik zustände UE =+1 und UE=-1 eingesetzt.
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Bei UE=+1 für t größer to wird UA (t)= sin [(wk+wH).t+#o] Bei UE=l
für t größer to wird UA (t)= sin [(wK-wH).t+#o] Anhand obiger Gleichungen ist zu
erkennen, daß es sich bei der Ausgangsspannung UA um ein frequenzmoduliertes Signal
handelt. Die Mittenfrequenz des Signals (=Kanalfrequenz) wird durch die Frequenz
der im Multiplizierer 4 bzw. 5 verwendeten harmonischen Schwingung mit der gegebenenfalls
über die Steuereingänge S1, 5M2 veränderlichen Kreisfrequenz wK bestimmt. Der symmetrische
Frequenzhub wird durch die im Modulator verwendete und gegebenenfalls über den Steuereingang
S1 veränderbare Kreisfrequenz wH bestimmt. Im Modulator wird durch die Eingangsspannung
UE =+/-1 der Frequenzhub um umdie Mittenfrequenz wK=0 erzeugt. Bei dieser Umschaltung
zwischen +wH und -wH entstehen im Signalverlauf der Ausqangssignale U, und UA2 des
Modulators zwar Unstetigkeiten aber keine Sprünge.
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Um die Vorgänge im Modulator 1 und der gesamten Senderschaltung besser
verständlich zu machen, werden in den Fig.2aa bis 2ac die Liniendiagramme der Ausgangssignale
UA1 und UA2 der Modulatorschaltung für die Schaltzeitpunkte #,7 # /4 und 5 # /4
gezeigt.
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Entsprechend der Phasenlage nach diesen Umschaltzeitpunkten von UE=+1
auf UE=-1 ergibt sich entsprechend der oben ange-E führten Gleichung jeweils folgende
Ausgangsspannung:
Beispiel 1 (Fig.2aa): UE von +1 auf -1 nach lt
für UE = +1: UA (t) = sinwKt.coswHt + coswKt.sinwHt = sin (wK+wH) t für UE = -1:
UA (t) = sinwKt.coswHt-coswKt.sinwHt = sin (wK-w4) t Beispiel 2 (Fig. 2ab): UE von
+1 auf -1 nach 7#/4 für UE = +1: UA (t) = sinwKt .coswHt+coswKt . sinwHt = sin (wK
+ wH) t für UE = -1: UA (t) = - coswKt.coswHt-sinwKt.sinwHt = -cos (wK-wo) t Beispiel
3 (Fig.2ac): UE von +1 auf -1 nach 5#/4 für UE = +1: UA (t) = sinwKt.coswHt+coswKt.sinwHt
= sin (wK+wH) t für UE = -1: = sinwKt.sinwHt + coswKt.coswHt = cos (wk-wH) t Es
soll hier angeführt werden, daß die erfindungsgemäße Senderschaltung nicht auf Modulatorschaltungen
beschränkt ist, deren Ausgangssignale UA1 und UA2 90° Phasenverschiebung zueinander
aufweisen; auch von 90° abweichende, jedoch. konstante Phasenverschiebungen der
beiden Signale sind möglich. Ebenso ist die Phasendifferenz der harmonischen Schwingungen,
mit denen die
Signale UAl bzw. U in den Modulatorschaltungen 4
bzw.5 ver-A2 knüpft werden nicht auf den Wert 900 eingeschränkt. Dieser Wert führt
jedoch zu einer besonders anschaulichen mathematischen Beschreibung der Funktion
der erfindungsgemäßen Senderschaltung.
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In Fig.3 zeigt das detaillierte Blockschaltbild einer beispielhaften
Realisierung einer Modulatorschaltung in Analogtechnik.
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Das Eingangssignal UE wird an den Integrationseingang eines Integrators
7 und an einen Vorzeicheneingang eines Komparators 8 geführt. An zwei weiteren Eingängen
des Komparators liegen zwei feste Werte UK und Ux an, die die Grenzen des Integrationsbereichs
des Integrators angeben. Der Ausgang des Integrators ist an den Vergleichseingang
des Komparators geführt, der Ausgang des Komparators ist mit dem Rückstelleingang
des Integrators verbunden. An den Ausgang des Integrators sind weiters die Eingänge
zweier Funktionsgeneratoren 9,10 angeschlossen, deren Ausgänge die Ausgangssignale
UAl und UA2 liefern.
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Die Fig.4a zeigt einen typischen Zeitverlauf eines digitalen Eingangssignals
UE; Fig.4b zeigt das Ausgangssignal U1 des Integrators 7 und Fig.4c bzw. Fig.4d
stellen die entsprechenden Ausgangssignale der Funktonsgeneratoren 9,10 dar.
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Im folgenden wird anhand von Fig.3 und Fig.4 die grundsätzliche Funktion
des Modulators beschrieben: Das Eingangssignal UE (Eingangsdaten) wird dem Integrator
7 und als Vorzeichenerkennungssignal dem Komparator 8 zugeführt.
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Die Integrationsrichtung wird durch das Vorzeichen der Eingangsspannung
festgelegt. Die Grenzen für die Ausgangsspannung des Integrators werden durch die
am Komparator fest anliegenden Spannungen UK+ und UK vorgegeben. Bei positiver Eingangsspannung
UE wird vor UK+ bis UK integriert, bei negativer Eingangsspannung wird von UK bis
UK+ integriert (Fig.4a,b).
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Die Eingangsspannung UE, die Zeitkonstante des Integrators und
die
Grenzen des Integrationsbereiches UK+ und # UK werden so abgestimmt, daß die gewünschte
Periodendauer 28 /wH der vom Integrator abgegebenen Sägezahnspannung UI erreicht
wird.
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Die periodische Sägezahnspannung UI wird vorzugsweise zwei Funktionsgeneratoren
zugeführt, welche die periodische Sägezahnspannung UI in periodische Ausgangsspannungen
UA1, UA2 mit gleicher Periodendauer wie UI umwandeln und UA2 phasenverschoben ist.
Vorzugsweise wird, wie in Fig.4c und Fig.4d dargestellt, die Spannung UI in einem
Funktionsgenerator 9 (10) in eine Sinusspannung UAl und in einem anderen Funktionsgenerator
10 (9) in eine Cosinusspannung UA2 umgewandelt.
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Die Fig.Sazeigt eine beispielsweise Realisierung einer Modulatorschaltung
in Digitaltechnik.
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Das (digitale) Eingangssignal UE wird an den Zählrichtungseingang
eines Vorwärts-Rückwärts-Zählers 11 angelegt; am Takteingang des Zählers liegt ein
Taktsignal S1 an, das entweder in einem internen Taktgenerator 12 erzeugt wird,
oder extern erzeugt und über den Steuereingang S1 zugeführt wird.
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Die parallelen Ausgangsleitungen des Zählers 11 bilden den Datenbus
B1 der an den Adreßeingängen eines ersten Analog-Multiplexers 13 anliegt und über
eine Addierschaltung 15 an die Adreßeingänge eines zweiten Analogmultiplexers 14
geführt ist.
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In der Addierschaltung 15 wird zu dem jeweiligen Digitalwort auf dem
Bus B1 ein fester Wert, der von dem Kodierschalter 18 erzeugt wird und an den zweiten
Eingängen der Addierschaltung 15 anliegt, addiert.
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Jeder der Analogeingänge des einen Multiplexers ist mit dem entsprechenden
Eingang des anderen Multiplexers paarweise verbunden und an einen Abgriff einer
Widerstands- Spannungsteilerkette 17 geführt, welche von einer Spannungsquelle 16
gespeist wird.
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Im folgenden wird anhand von Fig.5a und Fig.6 die Funktion des
Modulators
in digitaler Ausführung beschrieben.
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Der Zähler 11 zählt in Abhängigkeit von den Polarität der Eingangsspannung
UE aufwärts oder abwärts und erfüllt somit die Funkton eines Integrators. Die Integrationszeitkonstante
kann mit der Taktfrequenz des Taktgebers 12 festgelegt werden.
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Durch das überlaufen des Zählers nach der Periodendauer 2t w wird
in einfacher Weise am Datenbus B1 eine quasi- Sägeza#nfunktion erreicht, weil nach
der Binärzahl IIII der Zähler wieder mit der Binär zahl 0000 zu zählen beginnt.
Funktionell entspricht die Signalfolge am Datenbus B1 dem Signal U1 in Fig.4b.
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Das Datenbussignal B 1 wird einerseits einem2lultiplexer 13 und andererseits
einem Addierer 15 zugeführt. Der Multiplexer 13 wandelt dieses Signal in bekannter
Weise in eine periodische Ausgangsspannung UAl um, welche vorzugs-2t weise als Sinusspannung
mit der Periodendauer wt ausgebildet wH wird.
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Um am Ausgang des zweiten Multiplexers 14 eine zu UAl phasenverschobene
Spannung UA2 zu erreichen, wird am Eingang des Multiplexers 14 über den Datenbus
B2 ein Zahlenwert eingegeben, der sich von dem Zahlenwert des Datenbus B1 um jenen
Wert unterscheidet, cer die gewünschte Phasenverschiebung bewirkt. In einfacher
Weise wird dies dadurch erreicht, daß zu dem Wert in B1 mit dem Addierer 15jene
gewünschte Zahl addiert wird, die durch den Codierschalter 18 v#orgegeben wird.
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In Fig.6 ist dargestellt, wie entsprechend den Datenbussignalen B1
und B2 die quasi-Sinusspannung an UAl beziehungsweise die quasi-Cosinusspannung
an UA2 treppenformig gebildet wird. Es ist weiters erkennbar, daß der Phasenverschiebung
zwischen UA1 und UA2 eine Zahlenwertdifferenz von binär 0100 zwischen B1 und B2
entspricht.
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Auch ist in Fig.6 ähnlich wie in Fig.4c und 4d dargestellt, wie
die
Ausgangsspannung UAl und UA2 verlaufen, wenn zum Zeitpunkt 2tL WH , das Eingangssignal
UE von +1. auf -1 wechselt.
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2# Bis zum Zeitpunkt -- zälht der Zähler 11 Aufwärtsrichtung wH und
an den Ausgang UA1 entsteht eine quasi Sinuspannung. Ab dem Zeit-2# punkt wH zählt
der Zähler 11 in Abwärtsrichtung und an den UA entsteht eine quasi - minus - Sinusspannung.
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Dabei ist die in Fig.5a gezeigte Schaltung nur beispielhaft.
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Das gleiche Prinzip kann in digitaler Technik auch anders gelöst werden.
Z.B. können entsprechend der Fig.5b an Stelle der beiden Multiplexer 13 und 14 Digital-Analogwandler
GO r 21 eingesetzt werden, welche über vorgeschaltete, in einem Speicher abgelegte
Konversionstabellen 18, 19 das Datenbussignal B1 in das gewünschte Ausgangssignal
UA1 bzw. UA2 umformen.
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Nicht zuletzt kann sowohl die Grundschaltung nach Fig.1, die Modulatorgrundschaltung
nach Fig.3 als auch eine digitale Modulatorschaltung nach Fig.5 a bzw. b als Grundlage
für die Programmierung eines Mikroprozessors herangezogen und somit eine Realisierung
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung in Mikroprozessortechnik erreicht werden.
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