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Forum: Digitale Signalverarbeitung / DSP Zwei Rechtecksignale mischen


Autor: Christian Znopp (chrizno)
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Hi,

leider steh ich mit meinen Hobbyelektronik-Kenntnissen noch ziemlich am 
Anfang. Hier meine Frage:

Ich hab zwei Rechtecksignale (zB 400kHz und 380kHz) und ich möchte die 
Differenz daraus, hier also 20kHz, wiederum als Rechtecksignal haben.

Probiert hab ich:

Beide Signale an ein XOR-Gatter geben.
Den XOR-Ausgang an einen entsprechend dimensionierten LC-Tiefpass legen 
und das Signal integrieren.
Anschließend das daraus resultierende sinusförmige Signal mittels 
Schmitttrigger wieder zu einem Rechteck formen.

Das ergibt zwar in etwa die gesuchte Differenzfrequenz, kommt mir aber 
doch etwas umständlich und ungenau vor. Gibt's da nix Einfacheres, zB 
mit einem Flipflop???

Ach ja: Eines der beiden Rechtecksignale ist quasi frequenzmoduliert. 
Die am Ende gewünschte Differenzfrequenz beinhaltet also die gesuchte 
Information. Insofern soll die Demodulation natürlich zur Laufzeit 
erfolgen.

Bin für jede Anregung dankbar!

Autor: Christoph Kessler (db1uq) (christoph_kessler)
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Das stimmt so schon, ein Exor ist ein 1-Bit-Multiplizierer, damit 
entsteht je zur Hälfte (Ausgangsleistungsmäßig gesehen) Summen- und 
Differenzfrequenz. Man könnte höchstens mit 90Grad-Phasenschiebung und 
zwei Mischern die Summe unterdrücken. Wenn eines der Rechtecke als 
doppelte oder vierfache Frequenz vorliegt gehts einfacher mit den 90 
Grad.

Autor: Christian Znopp (chrizno)
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Danke für die rasche Antwort!
Die Differenz der beiden Rechtecke bewegt sich im Bereich 0 bis 20kHz - 
also im Bereich des NF-Spektrums.
Letzlich soll daraus ein Theremin mit CMOS-Bausteinen und ein paar 
diskreten Komponenten werden.

Autor: Jaecko (Gast)
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Von einem Thereminschaltplan hab ich noch nen Mischer aus Dioden in 
Erinnerung: http://www.paia.com/ProdArticles/Images/therschl.gif
Dort z.B. links oben die Dioden D2-D5. Wird da zwar mit 
Sinusschwingungen gemacht, aber sollte sich ja evtl auf Rechteck 
übertragen lassen.

Ich hab aber irgendwie noch keine der Schaltungen richtig hinbekommen; 
hab dann einfach nen IR-Sensor genommen, dessen Spannung über nen OPV in 
nen XR8038 geleitet. Funktioniert prinzipiell, nur die Stufen der 
Ausgangsspannung des Sensors sind noch zu grob, als dass man da 
brauchbare Musik machen könnte.

Autor: Christian Znopp (chrizno)
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Ein Theremin mit ausschließlich diskreten Bauteilen hab ich vor einiger 
Zeit gebaut. Das Problem mit einem Ring-Diodenmischer ist, dass die 
Dioden gut gematched sein müssen, damit die Symmetrie passt. Die Mischer 
gibt's als ICs, aber ich weiß nicht wo.
Bei mir hab ich die beiden Sinus-Signale an einem FET abgemischt. Ist 
aber eine ziemliche Fizzelei, weil dabei auch alle möglichen 
unerwünschten Mischprodukte entstehen. Eine Gilbert-Zelle wär 
wahrscheinlich am besten dafür geeignet gewesen. Aber eine aufzubauen 
ist doch kein kleiner Aufwand, und als fertigen IC hab ich sie nicht 
bekommen.

Autor: Johannes B. (jotschi)
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Hallo,

mit folgender Schaltung (Anhang) sollte es gehen: 3 D-Flipflops und ein 
NAND-Gatter. Hat den Vorteil, dass man komplett im digitalen bleibt und 
nicht in analoge muss, wie bei Mischerschaltungen. In der Simulation 
hats funktioniert. Allerdings könnte es Probleme bei Frequenzdifferenzen 
um die 0Hz geben - wäre auszuprobieren.
(Der Reset-Clock gibt nur zu Beginn eine Flanke und die Startzustände 
einzustellen - sonst meckert die Simulation)

Gruß, Johannes

Autor: chrzno (Gast)
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Super!

Genau danach hab ich gesucht. So kann zumindest der erste Teil der 
Schaltung rein digital bleiben. Das Ausgangssignal (= die Differenz der 
beiden Rechtecke) wird dann ohnehin mit OPVs analog weiterverarbeitet.

Autor: Tommi Huber (drmota)
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Kannst du Johannes B. hier einmal dein Simulationsergebnis posten. Deine 
Schaltung produziert nicht die Differenzfrequenz von 20kHz. Aber 
vielleicht liege ich  falsch. Und du erklärst uns deine Schaltung.

Autor: Johannes B. (jotschi)
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Okay, hier mal meine Simulationsergebnisse.

Oben die Eingangssignale, dann jeweils die Ausgänge der FlipFlops, die 
mit den jeweiligen Frequenzen beschaltet werden und zum Schluss der 
Ausgang des letzten FlipFlops (20kHz).

Die Schaltung macht eigentlich nur einen Phasenvergleich der 
Eingangssignale und da diese ne Differenz von 20kHz haben ist die Phase 
nach 20kHz wieder gleich. Im Detail: Je nachdem, welches Signal zuerst 
eine steigende Flanke hat dessen FlipFlop geht auf High, wenn beide 
Signale high sind werden die FlipFlops zurückgesetzt, (AND-Gatter). So 
verschieben sich beide Eingangssignale zueinander, mal läuft das eine 
vor, dann das andere, immer im 20kHz Takt.
Die Ausgänge der FlipFlops werden nun noch mit dem 3.FlipFlop 
"geglättet" um wieder ein schönes Rechteck zu bekommen. Man könnte das 
auch mit RS-FlipFlops machen.

Ein Problem könnte sein, dass der Reset vom NAND-Gatter nicht schnell 
genug ist und das jeweils andere FlipFlop auch kurz schaltet.

Gruß, Johannes

Autor: Hagen Re (hagen)
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Ich würde die Schaltung leicht abändern. Statt dem NAND ein NOR rein. 
Obige Schaltung hat nämlich den Nachteil das sie bei echten Gattern mit 
Laufzeiten "Spikes" am Ausgang erzeugt. Ein weiterer Nachteil ist das 
sie bei Eingangssignalen deren Dutycycle nicht exakt 50% ist ebenfalls 
Spikes erzeugt. Die Veränderung mit den NOR Gatter beseitigt dies hat 
aber auch ihre Nachteile. Grundsätzlich wird der Dutycycle beider 
Schaltungen auch vom Dutycycle der Eingangssignale bestimmt. Die 
Schaltung nach meinem Vorschlag hat zudem den Nachteil das bei sehr 
unsymmetrischen Dutycycle oder sehr dicht beieinander liegenden 
Frequenzen der Eingangssignale am Ausgang kein Signal mehr anliegt 
(könnte auch von Vorteil sein). Auf jeden Fall beseitigt meine Änderung 
die internen Spikes und damit ist sie EMV konformer.

Gruß Hagen

Autor: Tommi Huber (drmota)
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Ich hatte die halben Frequenzen statt 400kHz 200Khz und statt 380kHz 
190kHZ.

Und beim 3 Flip Flop gehört auf den CLR Eingang Q statt dem inverten Q.

Dann funktioniert es. Nette Schaltung die du da aus dem Hut gezaubert 
hast.

Autor: Hagen Re (hagen)
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@Tommi, leider funktioniert deine Schaltung eben nicht.
Probiere doch mal das LTSpice File im Attachment aus.

Mit den Parameter Delay stellst du die Laufzeitverzögerung der Gatter 
ein, mit Parameter Flanke die Anstiegs/Abfallzeiten der Flanken der 
Gatter. Mit 7/7 ns ist man schon bei HCT Gattern. Mit Parameter Duty 
stellst du den Dutycycle von -1 bis +1 = -100% bis +100% des Taktes F1 
ein.

Nun vergleiche mal die Outputs O1 (meine Schaltung) mit O2 (deine 
Schaltung). Diese Simulation kommt der Realität weit näher als deine.

Damit also die Schaltung funktioniert muß man ein NOR benutzen.

Gruß Hagen

Autor: Johannes B. (jotschi)
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Das mit dem OR-Gatter ist sicher auch ne gute Alternative, wobei ich mir 
hier auch nicht so sicher wäre, ob ein reales Gatter nicht doch den 
ersten Puls erkennt, wenn das Reset freigegeben wird (was ja hier nicht 
der Fall ist). Wäre sicher mal interessant das aufzubauen und mal 
auszuprobieren.

PS: Habe meine Schaltung auch mit Gatterlaufzeiten simuliert (PSpice) 
und da funktionierts.

Gruß, Johannes

Autor: Hagen Re (hagen)
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Seltsam mit LTSpice und Laufzeiten + Zeiten für die Rise-/Falltime 
funktioniert deine Schaltung bei mir nicht. Schaue ich mir die Signale 
an wird das auch deutlich und logisch. Ich meine das ein NOR da rein 
gehört.

Noch besser ist es so wie im Attachment. Allerdings ist die Schaltung 
eben nicht perfekt, egal ob NAND oder NOR Gatter.

1.) Die Taktsignale sollten 50% Dutycycle haben weil ansonsten das 
Ausgangssignal diesen Dutycycle der Eingangssignale widerspiegelt. 
Allerdings nicht symmetrisch auf die Eingangsignale verteilt.

2.) Bei Eingangssignalen mit ohne Rest teilbaren Frequenzen, also zb. 
200Khz und 100Khz gibts Probleme.

3.) Bei teilerfremden Frequenzen der Einganzsignale ist das 
Ausgangssignal nicht mehr stetig im Dutycycle, dh. es entsteht 
Phasenjitter in der Frequenz des schnelleren Einganssignales. Auch 
logisch da diese einfache Schaltung eben keine fraktionale DPLL 
darstellt, sondern eben sehr einfach gestrickt ist.

Gruß Hagen

Autor: Hagen Re (hagen)
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wenn ich mit NAND und Frequenzen von 400KHz und 401Khz simuliere bekomme 
ich das Ergebnis im Attachment. Das meine ich mit "funktioniert nicht 
richtig".
Beide Eingangsignale sind beim Start Phasengleich. Das NOR Gatter behebt 
dieses Problem.

Gruß Hagen

Autor: Xion (Gast)
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könnt ihr das mal einbißchen erklären, das sieht echtgut aus. Was ich 
überhaupt nicht verstehe ist warum werden die D-Flip Flops immer wieder 
resetet. Richt da auch nicht eine D-Flip Flop und ein Xor?

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