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Anordnung zur Frequenzteilung
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Frequenzteilung unter Verwendung eines selbststartenden und selbstunterbrechenden Rückmischteilers mit einem in seinem Ruckkopplungsweg liegenden, die Vervielfachung der geteilten Frequenz f bewirkenden Frequenzvervielfacher.
Bekannte harmonischeFrequenzteiler sind der rückgekoppelte Modulator und der mitgezogene Oszillator, die sich vor allem durch die Art ihres Rückkopplungsweges unterscheiden. Die Wirkungsweise beider Anordnungen beruht auf drei Vorgängen : Mischung der zu teilenden Frequenz nf mit einer rUckgefUhr- ten Frequenz mf, Verstärkung und Vervielfachung der geteilten Frequenz. Massgebend für die Eigenschaften eines solchen Frequenzteilers ist die sogenannte Schleifenverstärkung für die Grundschwingung mit der geteilten Frequenz f bei Abwesenheit der Eingangsspannung mit der zu teilenden Frequenz nf.
Zur Definition der Schleifenverstärkung denkt man sich den Rückkopplungskreis an einer rückwirkungsfreienstelle aufgetrennt ; die Schleifenverstärkung ist dann das Verhältnis der Spannung am Ausgang dieser Trennstelle zur künstlich zugeführten Spannung am Eingang dieser Trennstelle.
Beim rückgekoppelten Modulator werden in der Regel Mischung und Frequenzvervielfachung getrennt vorgenommen, so dass sich die für die Teilung besonders wichtige Frequenz (n-1). f aussieben und bevorzugt auf den Modulator rückkoppeln lässt. Beim idealen Rückmischteiler ist die eingangs definierte Schleifenverstärkung gleich Null, da nur die Frequenz (n-1). f rückgeführt wird. Beim Ausfall der steu- ernden Eingangsspannung wird daher der Teilungsvorgang sofort unterbrochen, so dass keine falsche Fre- quenz entsteht. Es sind jedoch besondere Schaltungsmassnahmen erforderlich, damit sich beim Starten die Frequenz f und (n-1). f erst einmal erregen können. Beim mitgezogenen Oszillator erfolgen im allgemeinen Mischung, Verstärkung und Frequenzvervielfachung in ein und demselben Organ, z.
B. in einer Elektronenröhre oder einem Transistor. Es ist nur ein Ruckkopplungsweg vorhanden, der auf die geteilte Frequenz abgestimmt ist. Die oben definierte Schleifenverstärkung ist grösser als 1. Ein solcher Oszillator schwingt daher von selbst an, hat aber den Nachteil, dass bei Absinken der Eingangsspannung unter einen bestimmten Wert, bei dem keine Mitnahme mehr erfolgt, der Oszillator mit seiner Eigenfrequenz weiterschwingt, die von der Sollfrequenz mehr oder weniger abweicht. Es sind auch Mittel bekannt, um die Schleifenverstärkung derart von der Eingangsspannung abhängig zu machen, dass sie bei deren Ausfall kleiner als 1 wird, wodurch die Schwingungserzeugung unterbrochen wird ; dieser Vorteil wird jedoch durch einen wesentlich kleineren Mitnahmebereich erkauft.
Wie bereits vorgeschlagen, kann mittels Mehrfachrückkopplung der Mitnahmebereich vergrössert werden, so dass ein derart ausgebildeter mitgezogener Oszillator auch fUr Teilungsfaktoren grösser 3, vorteilhaft anwendbar ist. Bei Rtickmischtellem nimmt jedoch der Mitnahmebereich mit wachsendem Teilungsverhältnis sehr rasch ab.
Weiterhin ist eine Schaltungsanordnung mit einer Kettenschaltung von Modulatoren bekannt, bei der dem Eingang des ersten Modulators dieser Kette von (n-l) hintereinander geschalteten Modulatoren die Frequenz nf und allen nachfolgenden Modulatoren jeweils die Ausgangsfrequenz des vorhergehenden Modulators sowie den andern Eingängen aller Modulatoren die Ausgangsfrequenz des letzten Modulators zugeführt wird. Durch fortgesetzte Mischung erhält man dabei am Ausgang des letzten Modulators die Frequenz f. Diese Schaltungsanordnung wird zur Erzeugung sämtlicher Untervielfacher der Frequenz nf verwendet.
FUr die Anwendung als Frequenzteiler hat diese Schaltungsanordnung jedoch den Nachteil, dass bei einer Frequenzteilung n : 1 (n-l) Modulatoren erforderlich sind, so dass sie insbesondere bei grossen
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Teilungsverhältnissen äusserst aufwendig wird, da beispielsweise bei einer Frequenzteilung 19 : 1 18 Modulatoren in Reihe geschaltet werden müssten. Ein weiterer Nachteil liegt darin begründet, dass bei dieser Schaltung Startschwierigkeiten auftreten, die sich mit zunehmender Modulatorenzahl vergrössern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine sicher startende Frequenzteilerschaltung für grosse Teilungsverhälmisse zu schaffen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird dieSchaltungsanordnung gemäss der Erfindung so ausgebildet, dass dem Modulator des Rückmischteilers eine an sich bekannte Kettenschaltung von Modulatoren vorgeschaltet ist, deren ersten Modulatorstufe die zu teilende Frequenz nf und allen folgenden Modulatorstufen jeweils die Ausgangsfrequenz der vorhergehenden Modulatorstufe als Eingangsfrequenz zugeführt ist und bei der auf jedemodulatorstufe eine solche Frequenz rückgekoppelt ist, dass jeweils durch Mischung (Subtraktion) der Rückkopplungsfrequenz einer Modulatorstufe mit der Eingangsfrequenz der gleichen Modulatorstufe eine Ausgangsfrequenz gebildet ist, die kleiner ist als die Eingangsfrequenz dieser Modulatorstufe, derart, dass in der letzten Modulatorstufe die Frequenz f gebildet ist,
dass die Rückkopplungsfrequenzen den einzelnen Modulatorstufen über einenFrequenzvervielfacher zugeführt sind und dass ferner der Modulator mindestens einer Modulatorstufe, insbesondere der Modulator der ersten Modulatorstufe, zugleich als Startoszillator ausgebildet ist und auf die Rlickkoppl1, mgsfrequenz abgestimmt ist (Fig. 1).
Durch diese Massnahmen erhält man in vorteilhafter Weise auch bei grossen Teilungsverhältnissen einen etwa ebenso grossen Mitnahmebereich, wie er mit bekannten Frequenzteilern nur bei kleinen Teilungsverhältnissen erzielbar ist. Darüber hinaus lässt sich die Anordnung nach der Erfindung auch für grosse Primzahlteilungsfaktoren, z. B. 31 : 1, unter Beibehaltung des günstigen Mitnahmebereiches verwenden.
Der erforderliche Aufwand zur Erzielung grosser Teilungsfaktoren kann dabei. dem jwei1igenAnwendungsfall angepasst werden. Die gleichzeitige Ausbildung von Modulatoren als Startoszillatoren ermöglicht ausserdem ein sicheres Anschwingen. Bei normalen Anschwingbedingungen genügt es dabei schon, wenn nur ein Modulator zugleich Startoszillator ist.
Die Erfindung kann weiterhin so ausgebildet werden, dass die Rückkopplungsfrequenz bei allen Modulatorstufen dieselbe ist.
Dadurch wird der Aufwand von Schaltelementen noch weiter verringert. Diese Vereinfachung ist dann möglich, wenn der Faktor (n-1) in mehrere Faktoren zerlegbar ist, wenn also gilt : (n-1) = xy. In diesem Fall kann man x Modulatoren die Rückkopplungsfrequenz yf oder y Modulatoren dieRUckkopplungsfrequenz (yf oder y Modulatoren die RUckkopplungsfrequenz) xf zuführen.
Die Anordnung zur Frequenzteilung nach der Erfindung kann auch so ausgebildet sein, dass ab der zweiten Modulatorstufe mindestens einer Modulatorstufe, insbesondere der zweiten Modulatorstufe, zusätzlich die Eingangsfrequenz der vorhergehenden Modulatorstufe zugeführt ist, so dass durch Mischung (Subtraktion) dieser Frequenz mit der eigenen Eingangsfrequenz der Modulatorstufe eine Mischfrequenz gebildet ist, die gleich ist der Rückkopplungsfrequenz der vorhergehenden Modulatorstufe, und dass diese Mischfrequenz auf die vorhergehende Modulatorstufe zurückgekoppelt ist, so dass mindestens ein über zwei Modulatorstufen schwingender Startoszillator gebildet ist.
Derartige Anordnungen zur Frequenzteilung ergeben eine erhöhte Startsicherheit, so dass sie vor allem bei hohen Anforderungen in bezug auf das Anschwingen vorteilhaft eingesetzt werden können. Dadurch, dass man den Frequenzvervielfacher des RUckmischteilers zugleich als Modulator ausbildet, kann auch bei der letzten Teilerstufe ein sicheres Anschwingen erzielt werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich die in den Startwegen entstehenden Schwingungen, ohne dass hiefür eigene Mittel vorgesehen werden müssen, dann selbsttätig begrenzen, wenn die Spannung mit der Rückkopplungsfrequenz einer Modulatorstufe gross gegenüber den beiden Eingangsspannungen der gleichen Modulatorstufe ist. Dadurch wird. die bei Schaltungsanordnungen mit Diodenbegrenzung auftretende Umwandlung von Amplitudenschwankungen der Eingangsspannung in Phasenschwankungen der Ausgangsspannung vermieden.
Die Erfindung kann weiterhin so ausgebildet sein, dass die Mischfrequenz und die Rückkopplungsfrequenz für jeden Modulator dieselbe ist und dass Mittel zur Entkopplung der Misch-und Rückkopplungsfre- quenz bei ein und derselben Modulatorstufe vorgesehen sind. Diese Vereinfachung ist dann möglich, wenn der Faktor (n-1), wie bereits erwähnt, in mehrere Faktoren x, y zerlegbar ist.
Die Erfindung wird an Hand der in den Fig. 1-6 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Die Zeichnungen zeigen in Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer Anordnung zur Frequenzteilung, bei der jeder Modulator zugleich als Startoszillator ausgebildet ist und die Rückkopplungsfrequenzen der einzelnen Modulatoren verschieden sind, in Fig. 2 ein Prinzipschaltbild einer Anordnung zur Frequenzteilung, bei der nur der erste Modulator zugleichalsStartoszillatorausgebildet ist und dieRückkopplungsfrequenzen
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aller Modulatoren gleich sind, in Fig. 3 ein Prinzipschaltbild einer Anordnung zur Frequenzteilung mit nur zwei Modulatoren, bei der nur der erste Modulator als Startoszillator ausgebildet ist und die Ruckkopplungsfrequenzen gleich sind, wobei die Frequenz (n-k). f gleich ist der Frequenz (k-1). f, in Fig. 4 ein Prinzipschaltbild einer Anordnung zur Frequenzteilung für das spezielle Teilungsverhältnis 19 :
1, in Fig. 5 ein Prinzipschaltbild einer Anordnung, bei der je zwei Modulatoren einen Startoszillator bilden und die Frequenzen der einzelnen Startoszillatoren sowie die RUckkopplungsfrequenzen und Mischfrequenzen verschieden sind, in Fig. 6 das Prinzipschaltbild einer Anordnung zur Frequenzteilung, bei der je zwei Modulatoren einen Startoszillator bilden und die Frequenz der Startoszillatoren, die Rückkopplungsfrequenzen und die Mischfrequenzen gleich sind.
Die wesentlichen Baugruppen der im Prinzipschaltbild nach Fig. 1 gezeigten Anordnung zur Frequenz-
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des schaltungsmässig am weitesten vom Modulator MR des RUckmischteilers entfernten Modulators M1, der zugleich der erste Modulator der Modulator-Reihenschaltung ist, wird die zu teilende Frequenz nf und den Eingängen aller folgenden Modulatoren die Ausgangsfrequenz des vorhergehenden Modulators zugeführt.
Der Ausgang des Modulators MR des Rückmischteilers ist mit dem Eingang des Frequenzvervielfachers V des Rückmischteilers verbunden. Vom Ausgang des Frequenzvervielfachers V wird auf jeden der Modula- toren jeweils ein Vielfaches der geteilten Frequenz f zurückgekoppelt.
Weiterhin ist jeder Modulator MI.... MR gleichzeitig als Startoszillator ausgebildet. Dabei mündet der Rückkopplungsweg des jeweiligen Startoszillators unter Umgehung des Frequenzvervielfachers in den
Rückkopplungsweg der Rückkopplungsfrequenz seiner Modulatorstufe ein.
Es soll nun das Anschwingen der Schaltungsanordnung näher erläutert werden. Führt man dem schal- tungsmässig am weitesten vom Modulator MR des Rückmischteilers entfernten, ersten Modulator Ml der
Modulatorreihenschaltung die zu teilende Frequenz nf als Eingangsfrequenz zu, so schwingt ihr Startoszil-
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latorstufe gebildet und dem Eingang der folgenden Modulatorstufe zugeführt. In dieser Modulatorstufe be- ginnt nun derselbe Vorgang und wiederholt sich in den folgenden Modulatorstufen, bis schliesslich am Ausgang des letzten Modulators MR, des Modulators des Rückmischteilers, die geteilte Frequenz f entsteht.
Die geteilte Frequenz f wird dem Verzerrer zugeführt und die Harmonischen dieser Frequenz werden auf die einzelnen Modulatorstufen zurückgekoppelt, wodurch eine Mitnahme der einzelnen Startoszillatoren erfolgt, so dass nun der Teiler selbsttätig synchron weiterschwingt.
Durch diese stufenweise Umsetzung kann auch ein insgesamt grosses Teilungsverhältnis mit einem an sich nichtteilbaren Teilungsfaktor so weit reduziert werden, dass in der letzten Stufe der Schaltungsanordnung ein Rückmischteiler mit kleinem Teilungsverhältnis verwendbar ist. Das ist besonders vorteilhaft, weil dadurch der Mitnahmebereich grösser wird.
Ist bei einem kleinen Teilungsfaktor n der Faktor (n-1) in zwei Faktoren, die beide grösser als 1 sein müssen, zerlegbar, so lässt sich auch mit Erfolg die Schaltungsanordnung nach Fig. 2 verwenden. Die Modulatoren MI.... MR und der Frequenzvervielfacher V sind wie in der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 geschaltet. Da jedoch die Rückkopplungsfrequenzen für alle Modulatoren bei der Anordnung nach Fig. 2 gleich sind, liegt am Ausgang des Frequenzvervielfachers V nur eine, sich zu den einzelnen Modulatoren verzweigende Ruckkopplungsleitung. Ausserdem ist nur der erste Modulator zugleich als Startoszillator ausgebildet. Die Wirkungsweise ist analog der bereits für die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 geschilderten.
Die Schaltungsanordnung nach Fig. 2 hat den Vorteil, dass sich die Modulator-Baugruppen weitgehend vereinheitlichen, wodurch der Schaltungsaufwand verringert wird.
Die Schaltungsanordnung nach Fig. 3 besteht nur aus zwei Modulatoren Ml, M2 und dem Frequenzvervielfacher V. Bei dieser Schaltungsanordnung ist der Teilungsfaktor k so gewählt, dass die auf den ersten Modulator rückzukoppelnde Frequenz (n-k). f gleich ist der Rückkopplungsfrequenz des zweiten Modulators (k-1) f. Diese Schaltung eignet sich besonders für Teilungsfaktoren n, wenn n eine ungerade Zahl ist. Die Schaltung hat den Vorteil eines etwa um den Faktor 2 grösseren Mitnahmebereichs als ein direkt teilender Rückmischteiler n : 1. Ferner braucht der Frequenzvervielfacher V nicht die Frequenz (n-1) f zu erzeugen, sondern nur etwa die halbe Frequenz, nämlich (n-k) f.
Das ist besonders dann vorteilhaft, wenn bei hohen Frequenzen, die an die Transistorgrenzfrequenzen heranreichen, Transistorverzerrer verwendet werden sollen.
Die Schaltungsanordnung nach Fig. 4 ist eine spezielle Ausführungsform eines Teilers für den Primzahlteilungsfaktor 19. Drei Modulatoren MI.... M2.... MR und ein Frequenzvervielfacher V mit dem
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Vervielfachungsverhältnis 1 : 6 sind, wie bereits bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 beschrieben, geschaltet. Der erste Modulator M1 ist wieder als Startoszillator ausgebildet. Als Ruckkopplungsfrequenz für alle Modulatoren erhält man die Frequenz 6'f. Dem ersten Modulator Ml der Modulatorreihenschaltung, wird die zu teilende Frequenz nf = 19f zugeführt. Durch subtraktive Mischung mit der Rückkopplungsfrequenz 6. f erhält man die Frequenz 13f.
Diese wird wieder dem zweiten Modulator M2 zugeführt und ebenfalls mit der Frequenz 6f umgesetzt, wodurch man die Frequenz 7f amAusgang dieses Modulators erhält. Die Frequenz 7f mischt man ein weiteres Mal mit der Frequenz 6f im dritten Modulator MR und erhält schliesslich am Ausgang dieses Modulators die zu teilende Frequenz f.
Das Prinzipschaltbild einer Schaltungsanordnung, in der je zwei Modulatoren im Startweg des Startoszillators liegen, ist in Fig. 5 dargestellt. Die vier Modulatoren M1.... MR sind wieder in Reihe geschaltet und der Ausgang des letzten Modulators MR ist ebenfalls wieder mit dem Eingang des Frequenzvervielfachers V verbunden. Die Rückkopplungsfrequenzen werden vom Ausgang des Frequenzvervielfachers V auf die Modulatoren rückgekoppelt. Neu hinzu kommt jedoch gegenüber der Schaltungsanordnung nach Fig. 1, dass dem zweiten und allen diesem folgenden Modulatoren neben ihrer eigenen Eingangsfrequenz noch zusätzlich die Eingangsfrequenz des vorhergehenden Modulators zugeführt wird und dass ausserdem vom zweiten Modulator M2 an jeder Modulator über eine Rückkopplungsleitung mit seinem vorangeschalteten Modulator verbunden ist.
Der Frequenzvervielfacher V ist so ausgebildet, dass er zugleich auch als 5. Modulator dienen kann, so dass ihm neben der Ausgangsfrequenz der vierten Modulatorstufe auch noch deren Eingangsfrequenz zugeleitet wird. Durch Mischung der eigenen Eingangsfrequenz des jeweiligen Modulators mit der Eingangsfrequenz seines vorhergehenden Modulators entsteht eine Mischfrequenz, die gleich ist der Rückkopplungsfrequenz des vorhergehenden Modulators und diesem zugeführt wird. Auf diese Weise entsteht ein Startweg über jeweils zwei Modulatoren, u. zw. derart, dass die Modulatoren 1 und 2, die Modulatoren 2 und 3, die Modulatoren 3 und 4 sowie der Modulator 4 und der Frequenzvervielfacher V zu- sammenje einen über zwei Stufen rückgekoppelten Startoszillator bilden.
Es entsteht dadurch eine gegenseitige Überlagerung der Startwege, so dass diese Schaltung besonders vorteilhaft bei aussergewöhnlichen Anforderungen in bezug auf das Anschwingen verwendet werden kann.
Auch diese Schaltung lässt sich vereinfachen, wenn die bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 bereits genannten Bedingungen erfüllt sind. Eine solche vereinfachte Anordnung zeigt das Prinzipschaltbild der Fig. 6. Modulatoren und Frequenzvervielfacher sind, wie bereits im vorhergehenden Ausführungsbeispiel (Fig. 5) erläutert, zusammengeschaltet, jedoch ist jedem der Modulatoren die gleiche Rückkopplungsfrequenz zugeführt und auch die Mischfrequenz für die Startwege ist für alle über zwei Stufen gekoppelte Startoszillatoren gleich. Der Eingang der Rückkopplungsfrequenz und der Ausgang der Mischfrequenz bei ein und demselben Modulator ist jedoch mittels einer Trennstufe. gekoppelt, um Eigenerregung des jeweiligen Modulators zu vermeiden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Anordnung zur Frequenzteilung unter Verwendung eines selbststartenden und selbstunterbrechenden Rückmischteilers, mit einem in seinem Rückkopplungsweg liegenden, die Vervielfachung der geteilten Frequenz f bewirkenden Frequenzvervielfacher sowie einem Startoszillator, dadurch gekennzeichnet,
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gangsfrequenz zugeführt ist und bei der auf jede Modulatorstufe eine solche Frequenz rückgekoppelt ist, dass jeweils durch Mischung (Subtraktion) der Rückkopplungsfrequenz einer Modulatorstufe mit der Eingangsfrequenz der gleichen Modulatorstufe eineAusgangsfrequenz-gebildet ist, die kleiner ist als die Eingangsfrequenz dieser Modulatorstufe, derart, dass in der letzten Modulatorstufe (MR) die Frequenz f gebildet ist,
dass die Rückkopplungsfrequenzen den einzelnen Modulatorstufen über einen Frequenzvervielfacher (V) zugeführt sind und dass ferner der Modulator mindestens einer Modulatorstufe, insbesondere der Modulator (M1) der ersten Modulatorstufe, zugleich als Startoszillator ausgebildet ist und auf die Rückkopplungsfrequenz abgestimmt ist (Fig. 1).