Schaltungsanordnung zur Erzeugung getasteter Oszillatorschwingungen für Zeitmessgeräte
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung getasteter Oszillatorschwingungen für Zeitmessgeräte. Mit ihr ist es möglich, auch einwandfrei getastete Oszillatorschwingungen hoher Frequenz, z. B. 1000 MHz, zu erzeugen. Unter einwandfrei getastete Oszillatorschwingungen soll folgendes verstanden werden: als Tastimpuls dient ein positiver Rechteckimpuls, mit dessen Vorderflanke Oszillatorschwingungen ausgelöst werden, deren Phase, bezogen auf die Vorderflanke des Tastimpulses, starr ist. Alle Oszillatorschwingungen, einschliesslich der ersten, haben die gleiche Amplitude. Mit dem Ende des Tastimpulses werden die Oszillatorschwingungen im Bruchteil einer Periode vollständig unterdrückt.
Die bisher bekannten Schaltungen erfüllen die oben genannten Bedingungen nicht. Sie verwenden einen grossen Rückkopplungsfaktor, um ein schnelles Anschwingen des Oszillators zu erreichen. Die Schwingenergie ist vor der Tastung bereits als potentielle Energie im Schwingungskreis vorhanden. Bei hohen Frequenzen erfordert dieses Prinzip deshalb sehr grosse Dauerströme und ist unwirtschaftlich.
Das Problem, die gespeicherte potentielle Energie im Augenblick der Vorderflanke des Tastimpulses in Schwingenergie umzuwandeln, begrenzt zusammen mit der für höhere Oszillatorfrequenzen notwendigen Energiespeicherung durch grosse Ströme die Anwendbarkeit dieser bekannten Schaltungen.
Eine andere bekannte Schaltung arbeitet nach dem Prinzip, mit einem positiven Tastimpuls über einen Katodenverstärker den Oszillatorkreis zum Schwingen anzustossen und gleichzeitig den Oszillator einzuschalten. Der Katodenwiderstand des während der Impulspause stromlosen Katodenverstärkers liegt als künstlicher Dämpfungswiderstand im Oszillatorschwingungskreis in Reihe mit der Kreiskapazität. Dadurch wird der Kreis so stark gedämpft, dass der Oszillator nicht schwingt. Ein Rechteckimpuls über den Katodenverstärker bewirkt an dessen Katodenwiderstand einen Spannungssprung, wodurch der Kreis angestossen wird, und gleichzeitig wird die Kreis dämpfung stark herabgesetzt, weil sich dem Katodenwiderstand, der den Kreis dämpft, der Widerstand 1/S des Katodenverstärkers parallel schaltet, so dass nunmehr auch ein Schwingen des Oszillators möglich ist.
Diese Schaltung hat jedoch den grossen Nachteil, dass sie bei höheren Oszillatorfrequenzen versagt. Die praktisch erreichbare Grenze liegt bei 20 MHz. Eine nicht zu vernachlässigende Kapazität des Katodenverstärkers liegt parallel zu einem Katodenwiderstand, so dass dieser bei höheren Frequenzen seine Wirkung, den Kreis zu dämpfen, verliert.
Der Oszillator schwingt dann dauernd und ändert mit dem Tastimpuis nur noch seine Frequenz.
Die Nachteile der bekannten Schaltungsanordnungen werden dadurch beseitigt, dass erfindungsgemäss flankensteile negative Tastimpulse der Katode einer Oszillatorröhre zugeführt werden und von der Oszillatorröhre auf einen mit grossem L/C-Verhältnis bemessenen Parallelresonanzkreis übertragen werden, dadurch, dass die Anode der Oszillatorröhre mit dem einen Ende einer Kreisspule verbunden ist, während das andere Ende über einen kapazitiv überbrückten Spannungsteiler zum Steuergitter der Oszillatorröhre geführt wird und dass die Anodenspannung für die Oszillatorröhre über einen Wirkwiderstand der Kreisspule zugeführt ist.
Die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung gestattet die einwandfreie Tastung höchster Oszillator frequenzen und vereinigt darüber hinaus in sich folgende vorteilhaften Eigenschaften: 1. Das Einschalten des Oszillators erfolgt mit einer positiven und das Ausschalten mit einer negativen
Flanke des Tastimpulses.
2. Impulsdauer und Impulsfolge des Tastimpulses sind nicht beschränkt.
3. Der Übergang von einer Oszillatorfrequenz auf eine andere erfolgt mit einer sehr einfachen Um schaltung. Z. B. wird bei einer Umschaltung der
Oszillatorfrequenz von 100 Hz auf 100 MHz nur der Oszillatorkreis mit zwei Umschaltkontakten aus der Gesamtschaltung heraus gelöst bzw. ein gefügt.
4. Die Frequenzkonstanz des Oszillators ist hoch.
5. Die Schaltung lässt ich so auslegen, dass die
Oszillatoramplitude schon in ihrer ersten Halb welle die volle Grösse erreicht, während der gan zen Einschaltdauer konstant bleibt und danach spontan abgeschaltet wird, d. h., im Bruchteil einer Oszillatorperiode den Wert Null erreicht.
6. Die bei weniger steilen Flanken der Tastimpulse auftretenden Tastverzögemngen sind konstant.
7. Die Verzögerung der ersten Halbwelle der er zeugten Oszillatorschwingung gegenüber der
Flanke des Tastimpulses kann beliebig klein ge halten werden.
S. Die Tastung sehr hoher Oszillatorfrequenzen wie z. B. 1000 MHz ist möglich.
9. Die Schaltungsanordnung liefert bei überschwing freiem Rechteck-Tastimpuls einen entsprechend überschwingfreien Ausgangsimpuls, dem die am plitudenkonstanten Oszillatorschwingungen über lagert sind.
Die Zusammenstellung dieser sehr vorteilhaften Eigenschaften unter 1 bis 9 lässt erkennen, dass die Hauptanwendung der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung auf dem Gebiet der Nanosekunden-Messtechnik liegt.
An Hand eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnungen soll im folgenden der Gegenstand der Erfindung näher beschrieben werden.
Es zeigen:
Fig. 1 die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung zur Erzeugung getasteter Oszillatorschwingun gen als Zeitmarkengenerator in einem Impulsoszil lografen;
Fig. 2a einen Tastimpuls, wie er am Eingang der Schaltungsanordnung verwendbar ist;
Fig. 2b einen Impuls an der Anode der Schaltröhre 4 ohne Berücksichtigung des schwingenden Oszillators ;
Fig. 2c den Impulsverlauf an der Anode der Oszillatorröhre 6 bei schwingendem Oszillator;
Fig. 2d den Impulsverlauf an der Anode der Endröhre 13 bei schwingendem Oszillator.
Für die Schaltungsanordnung gemäss Fig. 1 dient als Tastimpuls ein positiver Rechteckimpuls, wie er z. B. in Fig. 2a dargestellt ist, der vom Zeitablenkteil des Impulsoszillografen geliefert wird.
Die Impulsdauer des Tastimpulses entspricht der Anstiegszeit der Zeitablenkspannung. Gemäss Fig. 1 gelangt dieser Tastimpuls über einen kapazitiv überbrückten frequenzunabhängigen Spannungsteiler, bestehend aus den Widerständen 1 und 3, dem Kondensator 2 und der nicht gezeichneten Röhreneingangskapazität, an das Steuergitter einer Schaltröhre 4. Um die Verzögerungszeit vom Beginn der Zeitablenkung bis zur Auslösung der Zeitmarken klein zu halten, soll der Tastimpuls hinreichend gross und die Gittervorspannung der Schaltröhre 4 so eingestellt sein, dass am Fusspunkt des Tastimpulses die Schaltröhre 4 gerade gesperrt ist und nur ein Teil der Impulsflanke durchlaufen werden muss, bis die Gitterstrombegrenzung einsetzt.
Die Schaltröhre 4 hat in der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung gleichzeitig zwei Aufgaben zu erfüllen: erstens die Anstiegsflanke des Tastimpulses zu versteilern und zweitens mit dieser versteilerten Flanke den Oszillator einzuschalten. Die Flankenversteilerung in der Schaltröhre 4 erfolgt nach folgendem bekannten Prinzip: während der Impulspause ist die Schaltröhre 4 gesperrt. Die in Fig. 1 nicht gezeichnete Kapazität Ca, die von der Anode der Schaltröhre 4 nach ihrer Katode bzw. nach Masse liegend zu denken ist und zum grössten Teil aus der Röhrenausgangskapazität der Schaltröhre 4 besteht, ist über einen Widerstand 5 auf die Spannung + U2 aufgeladen. Mit der positiven Flanke des Tastimpulses fliesst ein Anodenstrom Ia durch die Schaltröhre 4, der Ca entlädt und dadurch an der Anode eine negative Impulsflanke mit der Flankensteilheit Ia/Ca erzeugt.
Der Anodenstrom und damit die Flankensteilheit sind am grössten, wenn gerade die Gitterstrombegrenzung in der Schaltröhre 4 einsetzt, vorausgesetzt, dass die Spannung an Ca noch nicht unter die Knickspannung der Schaltröhre 4 gesunken ist. Mit der Schaltröhre 4, die zugleich als Flankenversteilerungsröhre arbeitet, werden so grosse Flankensteilheiten erzeugt, dass z. B. noch Oszillatorschwingungen über 100 MHz einwandfrei getastet werden können. Für die Tastung noch höherer Oszillatorfrequenzen, z. B. 1000 MHz, ist es zweckmässig, der Schaltröhre 4 eine zusätzliche Flankenversteilerungsröhre parallel zu schalten, die mit dem differenzierten Tastimpuls gesteuert wird. Der von dieser Flankenversteilerungsröhre gelieferte sehr steile Nadelimpuls überlagert sich der von der Schaltröhre 4 erzeugten negativen Impulsflanke, so dass eine extrem steile Flanke entsteht.
Mit der versteilerten negativen Impulsflanke des Anodenspannungsimpulses der Schaltröhre 4 (vgl.
Fig. 2b) wird nun die Oszillatorröhre 6 eingeschaltet bzw. getastet. Ihr Katodenpotential, das während der Impulspause auf + U2 lag, wird mit der versteilerten Impulsflanke nach negativeren Werten gerissen und erreicht das über einen Spannungsteiler mit den Widerständen 12, 8 und 7 eingestellte Gitterpotential.
Dieses Gitterpotential ist so festgelegt, dass das Ein schalten der Oszillatorröhre 6 mit dem steilsten Teil der von der Schaltröhre 4 gelieferten negativen Im rsulsflanke erfolgt. Die Oszillatorröhre 6 hat nun die Aufgabe, diesen steilsten Teil der Impulsflanke zu übertragen, damit einen über die Schalterkontakte 24 und 25 angeschlossenen Schwingkreis anzustossen, mit einem relativ kleinen Rückkopplungsfaktor die Oszillatorschwingung während der Dauer des Tastimpulses aufrecht zu erhalten und am Ende des Tastimpulses mit Hilfe einer Doppeldiode 10 die Oszillatorschwingungen sofort zu unterdrücken. Diese Funktionen der Oszillatorröhre 6 sollen nun näher erläutert werden. Es ist bekannt, dass man in einem Schwingkreis, der ein grosses L/C-Verhältnis aufweist, mit wenig Energie eine grosse Schwingamplitude anstossen bzw. leicht wieder unterdrücken kann.
Aus diesem Grunde wurde als Oszillatorkreis ein < z-Kreis gewählt, weil mit ihm die kleinstmöglichen Kreiskapazitäten erreichbar sind. Für die Erzeugung hoher Oszillatorfrequenzen entfällt die zusätzliche zur Induktivität 26 parallel geschaltete Kapazität 27 und als Kreiskapazität wirken nur die äusseren unvermeidlichen Schaltkapazitäten und die innneren Röhrenkapazitäten der Oszillatorröhre 6, die sich zum Teil noch in Reihe schalten. Ferner ist bekannt, dass für eine gute Frequenzkonstanz eines Oszillators u. a. eine hohe Kreisgüte und ein kleiner Rückkopplungsfaktor erforderlich sind. Es wurden deshalb Kreise hoher Güte vorgesehen. Die Widerstände 7, 8, 11, 14 und 16 wurden so gross gewählt und der Widerstand 12 an eine solche Anzapfung der Kreisspule 26 gelegt, dass dadurch die Dämpfung des Oszillatorkreises klein bleibt.
Die Rückkopplung stellt sich über die inneren Röhrenkapazitäten der Oszillatorröhre 6 ein (Kapazität von Anode nach Katode und Kapazität vom Steuergitter nach Katode) und kann nötigenfalls durch Zuschalten äusserer Kapazitäten verändert werden. Der Spannungsteiler zum Einstellen des Gitterpotentials für die Oszillatorröhre 6, bestehend aus den Widerständen 12, 8 und 7, enthält einen kapazitiv überbrückten Widerstand 8. Dieser Widerstand 8 ist mit einer so bemessenen Kapazität 9 überbrückt, dass der Rückkopplungszweig vom Oszillatorkreis nach dem Steuergitter der Oszillatorröhre frequenzunabhängig wird und bei Frequenzwechsel nicht verändert zu werden braucht. Während der Impulspausen fliesst u. a. ein Strom von + U3 über den Widerstand 11 und die beiden Diodenstrecken der Röhre nach +U2.
Durch die leitenden Diodenstrecken wird der Oszillatorkreis aperiodisch gedämpft. Der von der Schaltröhre 4 gelieferte und zum Teil von der Oszillatorröhre 6 übertragene Rechteck-Tastimpuls mit der steilen ne gativen Vorderflanke erscheint am Widerstand 12 wieder als negativer Impuls, der eine sofortige Sperrung der beiden Diodenstrecken in der Röhre 10 bewirkt, so dass die konstante Dämpfung des Oszillatorkreises durch diese Dioden während der Impulsdauer entfällt. Gleichzeitig stösst die steile Flanke den Oszillatorkreis an, so dass die Oszillatorschwingung an der Anode der Oszillatorröhre 6 mit einer negativen Halbwelle und am Steuergitter der Oszillatorröhre entsprechend den Rückkopplungsbedingungen mit einer positiven Halbwelle eingeleitet wird.
Bei der erfindungsgemässen Ausführung der Schaltung wird schon in der ersten Halbwelle der Oszillatorschwingungen der Amplitudenwert erreicht, auf den alle nachfolgenden Schwingungen durch die Röhre 10 begrenzt werden (vgl. hierzu Fig. 2c). Der Wert, auf den die Oszillatoramplitude begrenzt wird, ergibt sich aus dem Anodenstrom der Oszillatorröhre 6, der einen entsprechenden Spannungsabfall am Widerstand 12 erzeugt und damit die beiden Diodenstrecken der Röhre 10 negativ vorspannt. Am Ende des Tastimpulses wird die Oszillatorröhre 6 gesperrt.
Die negative Vorspannung der beiden Diodenstrecken verschwindet mit dem Anodenstrom der Oszillatorröhre. Der Strom von +U3 über den Widerstand 11 und die Diodenstrecken nach +U2 macht die Dio denstrecken wieder leitend. Der Oszillatorkreis wird dadurch aperiodisch bedämpft, so dass die Oszillatorschwingungen im Bruchteil einer Periode unterdrückt werden und nicht als gedämpfte Schwingung abklingen (Fig. 2c). Die konstante Diodendämpfung schaltet sich also mit dem Anodenstrom der Oszillatorröhre automatisch während der Dauer des Tastimpulses aus und am Ende des Tastimpulses wieder ein. Mit der Amplitudenbegrenzung durch die Diodenstrecke wird erreicht, dass die Amplitude für alle Oszillatorschwingungen konstant ist und ein allmählicher Amplitudenanstieg entsprechend der Steuergitterkonstanten verhindert wird.
Dureh die Diodenbegrenzung entsteht eine Kurvenverformung, die für das vorliegende Schaltungsbeispiel als Zeitmarkengenerator durchaus erwünscht ist. Um sauber begrenzte Zeitmarken mit gleichmässiger Strichstärke zu erhalten, muss die Katodenstrahlröhre 20 z. B. am Steuergitter der Schaltröhre 4 mit einer einseitig verzerrten, d. h. einseitig abgeflachten Sinuskurve gesteuert werden. Diese gewünschte Kurvenverformung liefert eine in bekannter C-Einstellung betriebene Endröhre 13 (Fig. 2d).
An ihr Steuergitter gelangen über einen kapazitiv überbrückten ohmschen Spannungsteiler, bestehend aus den Widerständen 14 und 16, dem Kondensator 15 und der nicht gezeichneten Eingangskapazität der Endröhre 13, von der Anode der Oszillatorröhre 6 negative Rechteckimpulse, denen die Oszillatorschwingungen überlagert sind (Fig. 2c). Die Grösse des Kondensators 15 ist so gewählt, dass der Spannungsteiler frequenzunabhängig ist und Rechteckimpulse auch mit niedriger Impulsfolgefrequenz und grosser Impulsdauer über ihn unverzerrt an das Steuergitter der Endröhre 13 gelangen können. Aus dem gleichen Grunde ist auch der Spannungsteiler zwischen der Endröhre 13 und der Katodenstrahlröhre 20, bestehend aus den Widerständen 17 und 19, dem Kondensator 18 und der nicht gezeichneten Eingangskapazität der Kathodenstrahlröhre 20, als frequenzunabhängiger Spannungsteiler ausgeführt.
Damit die in der Endröhre 13 erreichten Kurvenverformungen erhalten bleiben, ist es vorteilhaft wegen der schädlichen Kapazitäten den ohmschen Aussenwiderstand 21 hinreichend klein zu halten. Zur Über- tragung der höchsten Oszillatorfrequenz auf das Steuergitter der Katodenstrahlröhre 20 dient als Aussenwiderstand ein 3Kreis, der aus der Induktivität 22, der nicht gezeichneten Ausgangskapazität der Endröhre 13 und der ebenfalls nicht gezeichneten Eingangskapazität der Katodenstrahlröhre 20 besteht. Für die zweithöchste Oszillatorfrequenz dient als Aussenwiderstand ein durch den ohmschen Widerstand 21 stark gedämpfter Parallelresonanzkreis, bestehend aus der Induktivität 23 und der Ausgangskapazität der Röhre 13 und der Eingangskapazität der Röhre 20. Beide Resonanzkreise werden möglichst auf die 2.
Harmonische der jeweiligen Oszillatorfrequenz abgestimmt, um die erreichten Kurvenverformungen für die beiden höchsten Oszillatorfrequenzen zu erhalten. Es sei noch erwähnt, dass zwischen die Schalterkontakte 24 und 25 und die Spannung +U2 eine Widerstandskombination statt eines Oszillatorkreises geschaltet werden kann, wenn die Katodenstrahlröhre 20 mit den Tastimpulsen ohne Zeitmarken nur hell getastet werden soll.