Verzögerungsleitung

Verzögerungsleitungen dienen der Zeitverschiebung oder temporären Speicherung (Laufzeitspeicher) eines seriellen Signales (analog oder digital) mittels der Signallaufzeit in einer elektrischen Leitung bestimmter Länge oder auch in einer akustischen Übertragungsstrecke.

Die Verzögerungszeit ergibt sich dabei aus dem Quotient aus Länge und Wellengeschwindigkeit.

Funktionsprinzip

elektrische Verzögerungsleitungen

VZLe.jpg Die Verzögerung erfolgt ohne Signalwandlung durch eine elektrische Leitung bestimmter Länge. Die geometrische Länge kann dabei wesentlich geringer als die elektrisch zur Signalverzögerung wirksame Länge sein:

ein Dielektrikum mit relativer Dielektrizitätskonstante >1 bewirkt einen sog. Verkürzungsfaktor
über die Länge verkoppelte Induktivität bewirkt eine Verkürzung
die „Leitung“ kann bei Zugeständnissen an die Signalbandbreite auch aus diskreten Induktivitäten und Kapazitäten aufgebaut werden, um eine hohe Laufzeit zu erreichen.

Eine elektronische Form einer Verzögerungsleitung ist die sog. „Eimerkettenschaltung“, bei der die Ladungen einer Vielzahl von Kondensatoren auf ein Taktsignal hin an den nächsten weitergegeben werden. Das Prinzip ist in Form Integrierter Schaltungen als charge coupled device (CCD) bekannt. Da dieses Prinzip zeitdiskret arbeitet, ist die Bandbreite auf die halbe Taktfrequenz begrenzt. Die digitale Form sind FIFO – (first in first out) Speicher, dieser wird auch mit DRAMs realisiert.

akustische Verzögerungsleitungen

VZL64weg.jpg Um höhere Signallaufzeiten zu erhalten, werden Ultraschall-Verzögerungsleitungen eingesetzt. Bei diesen wird das elektrische Signal mit piezoelektrischen Wandlern in eine akustische Welle Ultraschall und zurück gewandelt.
Da diese Wandler eine geringe Signalbandbreite haben, muss mit einer Trägerfrequenz gearbeitet werden.
Solche Verzögerungsleitungen bestehen aus einem Körper geringer akustischer Dämpfung (meist Kieselglas) und zwei piezoelektrischen Wandlern.
Der akustische Signalweg kann gerade oder durch Reflexionen gefaltet sein, um die Baugröße zu verringern.

Anwendung

Fernsehempfangstechnik
Ultraschall-Verzögerungsleitungen wurden bis ca. 1995 in Farb-Fernsehgeräten (PAL- und SECAM-System) eingesetzt, um das abwechselnd übertragene Signal einer Farbe um die Laufzeit einer Bildzeile (ca. 64 Mikrosekunden) zu verzögern. Bei der Erzeugung des kompletten Farbsignales wird dann das verzögerte und das aktuelle Farbsignal miteinander und mit der Helligkeit verrechnet, um alle drei Farben zu erhalten.
Neuere PAL-Geräte verwenden für diesen Zweck Digitaltechnik (auch bei analogem Empfangsteil). Näheres hierzu siehe PAL.

Audio-Technik
Elektronische Signalverzögerungen nach dem Prinzip der „Eimerkettenschaltung“ werden verwendet, um Störsignale rechtzeitig erkennen und ausblenden zu können oder um den räumlichen Höreindruck zu beeinflussen.
Auch Echo- und Hall-Geräte sind im Prinzip gekoppelte Verzögerungsleitungen. Früher kamen dafür auch mechanische Verfahren mit einer akustisch angeregten Schraubenfeder zum Einsatz (Federhall).

Wissenschaftliche Geräte
In der Forschung ist es oft nötig, Signale zu verzögern, um Zeitverschiebungen auszugleichen, die Erfassung zu ermöglichen oder Triggerzeitpunkte zu synchronisieren.
Verzögerungszeiten im ns-Bereich werden oft durch definierte Leitungslängen gewährleistet.

Geschichte

Mercury_memory.jpg (1951)]] In frühen Computern wie dem UNIVAC I oder EDSAC verwendete man Verzögerungsleitungen zur dynamischen Datenspeicherung (Laufzeitspeicher). Sie bestanden aus einer Quecksilberröhre, an deren beiden Enden ein Schwingquarz angebracht war. Brachte man durch einen kurzen Stromstoß einen Schwingquarz zum Schwingen, so pflanzten sich die erzeugten Ultraschallsignale im Quecksilber mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit von 2 km/s fort und brachten nach entsprechender Verzögerungszeit den anderen Schwingquarz dazu, eine kleine Spannung zu erzeugen. Frischte man nun den sendenden Quarz mit entsprechenden Stromstößen synchron zum Takt des Rechenwerks auf (wie bei einem DRAM), so konnte man ein serielles Bitmuster einer bestimmten Länge umlaufen lassen und somit speichern.
Auf diese Weise erfolgt die Speicherung allein im Quecksilber durch die Signallaufzeit der akustischen Welle.

Eine andere Variante der Verzögerungsleitung für Laufzeitspeicher benutzte nicht Quecksilber, sondern Nickeldraht – bei dieser wurde der Effekt der Magnetostriktion in Nickel zum Schreiben/Lesen und ein langer aufgerollter Nickeldraht zur Speicherung ausgenutzt.
Solche Verzögerungsleitungen sind in der Computertechnik seit den 60er-Jahren überholt.

Die ersten akustischen Glas-Verzögerungsleitungen wurden bereits ab Beginn der RADAR-Technik im Zweiten Weltkrieg entwickelt.
Diese Verzögerungsleitung hatten zu Beginn der 1960er Jahre (also zu der Zeit, in der die PAL-Norm bei Telefunken entwickelt wurde) eine Länge von ca. 15 cm. Später verkleinerte man diese Leitungen mittels Mehrfachreflexion im Glaskörper.

Weblinks

Elektrische Bauelemente