DE1069283B - Schaltungsanordnung für die Darstellung einer hochfrequenten Wechselspannung in Vektorform - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Darstellung des Vektors einer unbekannten hochfrequenten Wechselspannung nach Größe und Phase durch zwei Gleichspannungen, die seinen auf den Vektor einer Bezugswechselspannung gleicher Frequenz bezogenen, rechtwinkligen Komponenten entsprechen, unter Benutzung zweier sogenannter Summe-Differenz-Schaltungen, denen die unbekannte Wechselspannung gleichphasig und die Bezugswechselspannung mit 90° Phasendifferenz zugeführt wird und die je an zwei Ausgängen ίο zwei Ausgangswechselspannungen liefern, die gleich der vektoriellen Summe und Differenz der zugeführten Wechselspannungen sind und zwei gegeneinandergeschalteten Gleichrichterkreisen zugeführt werden, die eine der einen oder anderen Komponente des darzustellenden Vektors entsprechende Differenzgleichspannung liefern, insbesondere für Frequenzen bis zu etwa 1000 MHz.

Bekannt ist eine Schaltung zur Darstellung einer unbekannten hochfrequenten Wechselspannung in Vektorform, bei der einem Paar gegeneinandergeschalteter ao Gleichrichterkreise die Summe bzw. Differenz der unbekannten und einer Bezugswechselspannung und einem zweiten Paar von Gleichrichterkreisen ebenfalls die Summe und Differenz, aber mit um 90° phasenverschobener Bezugswechselspannung zugeführt werden. Die erhaltenen Differenzgleichspannungen, die den Komponenten des darzustellenden Vektors entsprechen, werden in Gleichspannungsverstärkern verstärkt und nach Modulation mit einer Sägezahnspannung den Ablenkplattenpaaren eines Kathodenstrahlrohres zugeführt. Eine in dieser Weise ausgeführte Schaltung war nur für Wechselspannungen einer bestimmten Frequenz (etwa 4 MHz) verwendbar. Trotz der verhältnismäßig niedrigen Frequenz waren zur Bekämpfung der Instabilität besondere Schaltmaßnahmen erforderlich. Ebenfalls aus Stabilitätsgründen mußte der Verstärkungsgrad der Gleichspannungsverstärker klein gehalten werden.

Zur Messung der Phasenlage zweier Wechselspannungen gleicher Frequenz ist es bekannt, eine Gleichrichterbrücke bzw. Modulatorschaltung zu verwenden. Dabei werden in einer Gegentakt- oder Doppelgegentaktmodulatoranordnung die beiden Wechselspanntmgen, deren eine, die als Träger die Durchsteuerung der Gleichrichter bewirkt, größer als die andere gewählt wird, miteinander moduliert. Die am Ausgang des Modulators erhaltene Gleichspannung ist dem Phasenwinkel zwischen den beiden Spannungen proportional.

Zur Vermeidung dtr Mängel der bekannten Schaltung zur Darstellung einer hochfrequenten Wechselspannung in Vektorform wird bei einer Schaltungsanordnung der eingangs angegebenen Art gemäß der Erfindung die Polung der den Summe-Differenz-Schaltungen zugeführten unbekannten Wechselspannung durch eine in niederfrequentem Rhythmus betätigte Schalteinrichtung Schaltungsanordnung für die Darstellung

einer hochfrequenten Wechselspannung

in Vektorform

Anmelder:

Andrew Alford,

Boston, Mass. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. M. Schumacher, Patentanwalt,
Bremen, Stephanikirchenweide 1

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 19. März 1956

Chester B. Watts jun., Boston, Mass. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

abwechselnd vertauscht, wodurch an Stelle der beiden Differenzgleichspannungen zwei niederfrequente Rechteckwechselspannungen mit den Komponenten des darzustellenden Vektors entsprechenden Amplituden erhalten werden, die transformiert oder mit Hilfe eines Wechselspannungsverstärkers verstärkt und über je einen Kondensator den Eingangsklemmen eines Koordinatenanzeigegerätes, insbesondere den Ablenkplattenpaaren eines Kathodenstrahlrohres, zugeführt werden, wobei jedem Eingangsklemmenpaar des Anzeigegerätes eine Schalteinrichtung parallel liegt, die synchron mit der erstgenannten Schalteinrichtung betrieben wird und innerhalb jeder zweiten Halbperiode der Rechteckwechselspannungen beide Eingangsklemmcnpaare vorübergehend kurzschließt.

Mit dieser Schaltungsanordnung werden die Anzeigegrößen unmittelbar in Form niederfrequenter Wechsclspannungen erhalten, die leicht verstärkt werden können. Da dabei ein hoher Verstärkungsgrad möglich ist, kann eine Vorverstärkung der zu vergleichenden hochfrequenten Wechselspannungen, die bei Frequenzen bis etwa 1000 MHz kaum fehlerfrei durchführbar ist, vermieden werden. Wesentlich ist, daß die niederfrequenten Wechselspannungen unmittelbar erhalten und nicht erst durch Wechselrichtung bzw. Modulation einer Gleichspannung erzeugt werden, so daß der damit verbundene Aufwand und die dadurch möglichen Fehler fortfallen. Die vorgesehene periodische Umkehr der Polung der unbekannten hochfrequenten Wechselspannung kann durch einen einfachen Schwingkontakt bewirkt werden, ohne daß Meß-

fehler ζ. B. durch das Kontaktpotential zu befürchten Vektors, der andere seinem Fußpunkt entspricht. Durch sind. Weiter sind bei der Schaltungsanordnung nach der die standige Anzeige der Nullpunktlage werden Null-Erfindung die hinsichtlich der Übereinstimmung der ge- punktwandemngen des Anzeigegerätes unschädlich gepaarten Gleichrichter zu stellenden Anforderungen gerin- macht. Da bei dieser Anzeigeart die Größe der Vektorgcr als bei der bekannten Schaltungsausführung. Wird 5 komponenten der Differenz der Amplituden aufeinanderbeispielsweise einem im Wirkungsgrad nicht genau über- folgender Halbperioden der niederfrequenten Wechseleinstimmenden Paar gegeneinandcrgeschalteter Gleich- spannungen entspricht, kann durch ungleiche und richterkreise allein die Bezugswechselspannung züge- schwankende Länge aufeinanderfolgender Halbperioden führt, so erhält man auch schon ohne Zuführung der kein Anzeigefehler entstehen.

unbekannten Wechselspannung eine gewisse Ausgangs- 10 Zum besseren Verständnis werde die Erfindung an

gleichspannung, die normalerweise einen konstanten Hand der Figuren näher erläutert. Es zeigt

Anzeigefehler zur Folge haben würde, bei der Schaltung Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung recht-

nach der Erfindung jedoch wirkungslos bleibt, da eine winkliger Spannungskomponenten zur Darstellung eines

niederfrequente Wechselspannung erst bei gleichzeitiger Wechselspannungsvektors V_x, dessen Phase auf den Vek-

Zuführung der unbekannten Wechselspannung erhalten 15 tor V_r einer Bezugswechselspannung bezogen ist,

wird. Fig. 2 die gleiche Schaltung mit etwas ausführlicherer

Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung setzt die Darstellung des Phasenmodulators in Anwendung auf

Verwendung von in sich abgeschlossenen Summe-Diffe- die Messung eines komplexen Widerstandes Z_x durch

renz-Schaltungen voraus, die in der Wirkung einem Vergleich mit einem Standardwiderstand Z₅;

symmetrischen Differentialübertrager (vgl. Fig. 5) ent- 20 Fig. 3 und 4 sind Vektordiagramme der Spannungen

sprechen, im übrigen aber in für den Betrieb mit Hoch- an den Ausgängen der Summe-Differenz-Schaltungen 5

frequenz geeigneter Weise ausgeführt sind. Sie weisen und 6 in Fig. 1 und 2,

zwei Eingänge, im folgenden mit P und S bezeichnet, auf, Fig. 5 eine mögliche Ausführung der Summe-Differenz-

denen die zu vergleichenden Wechselspannungen züge- Schaltung für etwa tonfrequente Wechselspannungen,

führt werden, und zwei Ausgänge, im folgenden mit I 25 In Fig. 1 bezeichnet G einen Generator für-hoch-

und II bezeichnet, an denen die vektorielle Summe bzw. frequente Wechselspannung. Dieser speist eine irgendwie

Differenz der Wechselspannungen erhalten wird. Dies geartete Schaltung D, die an zwei Ausgängen 1 und 2

kommt in der Weise zustande, daß die am Eingang P eine Bezugswechselspannung V_r und eine unbekannte

liegende Spannung an den Ausgängen Spannungen mit zu messende Wechselspannung V_x = V₀ e>^φ liefert. Die

übereinstimmender Phase liefert, die am Eingang S 30 unbekannte Spannung soll in Vektorform angezeigt

liegende Spannung dagegen solche mit entgegengesetzter werden. Wenn die zu messende Spannung nicht klein

Phase. Zu- und Abführung der Spannungen erfolgt über gegenüber der Bezugsspannung ist, muß sie durch ein

Koaxialleitungen. Dämpfungsglied auf etwa ein Fünftel oder weniger davon

Der Vektor der darzustellenden Spannung ist im fol- herabgesetzt werden.

genden mit 35 Die Bezugswechselspannung Vr wird den P-Eingängen

V_x = V₀ e' ^Φ, zweier Summe-Differenz-Schaltungen 5 und 6 über den

_ induktiven bzw. kapazitiven Zweig eines Phasenteilers 32

die Bezugsspannung mit V_r bezeichnet. Der Betrag der zugeführt. Bei geeigneter Wahl von L und C in bezug auf Bezugsspannung sollte groß sein im Vergleich zu dem den Eingangswdderstand R der Summe-Differenz-Schal-Betrag der zu messenden Spannung. Dadurch arbeiten 40 tungen haben die Eingangsspannungen an P und P' eine die zur Gleichrichtung der überlagerten Hochfrequenz- gegenseitige Phasenverschiebung von 90°. Werden die spannungen dienenden Gleichrichter im wesentlichen Phasen der Eingangsspannungen in bezug auf die Bezugslinear, es wird ein besserer Wirkungsgrad als bei quadra- spannung mit ψ_ν und <p„ bezeichnet, so ist tischer Gleichrichtung erzielt, und das Meßergebnis hängt

nur von der Phasendifferenz der beiden Hochfrequenz- 45 ^ _, _ ~-~L·— _unci t& er = ^

spannungen, nicht von der Größe der Bezugsspannung ^l R ^ö ω C R

ab. Die Bezugsspannung wird über einen Phasenteiler ,· —

den P-Eingängen zweier Summe-Differenz-Schaltungen Mit R= I -^ ist tg ^₁- tg ip_a = — 1 oder ψ_χ — ψ₂ = 9(Γ. mit 90~ Phasenverschiebung der beiden Eingangsspannungen, die darzustellende Spannung über einen Phasen- 50 Die Rechtwinkligkeit der Eingangsspannungen ist unmodulator und ein Anpassungsglied den parallel geschal- abhängig von der Frequenz, nicht aber ihre Größe, woteten S-Eingängen zugeführt. Der Phasenmodulator durch die Brauchbarkeit eines Phasenteilers mit bestimmkehrt in niederfrequentem Rhythmus die Phase der dar- ten Werten von L und C auf einen gewissen Bereich von zustellenden Spannung zwischen 0 und 180° um. Die Frequenzen beschränkt ist.

beiden Ausgangsspannungen jeder der beiden Summe- 55 Durch einen Phasenmodulator 30 wird die der Schal-Differenz-Schaltungen werden gleichgerichtet und gegen- tung D am Ausgang 2 entnommene zu messende Spaneinandergeschaltet. Die Differenz ist eine niederfrequente nung abwechselnd umgepolt. Eine hierfür geeignete Wechselspannung, deren Amplitude der X- bzw. Y-Kom- Schaltung wird im folgenden noch beschrieben werden, ponente des darzustellenden Vektors entspricht. Um die Die phasenmodulierte Spannung wird den parallel ge-Phasenlage dieses Vektors eindeutig darzustellen, wird 60 schalteten Eingängen S und S' der beiden Summe-Diffedurch eine periodisch, synchron mit dem Phasenmodu- renz-Schaltungen 5 und 6 über ein Anpassungsglied 31 lator betätigte Schalteinrichtung eine bestimmte Phase zugeführt, in diesem Falle ein einfacher Widerstand mit der beiden niederfrequenten Wechsclspannungen für die dem Widerstandswert ¹Z₂Z₀ (Z₀ Wellenwiderstand der Anzeige ausgewählt, insbesondere in der Weise, daß die Leitungen), wodurch die Ausbildung stehender Wellen niederfrequenten Wechsclspannungen dem Koordinaten- 65 auf den zweckmäßig als Koaxialleitungen ausgeführten anzeigegerät über einen Kondensator zugeführt werden, ' Verbindungsleitungen verhindert werden soll. Zu dem d"r in jeder zweiten Halbperiode durch einen Kurzschluß- gleichen Zweck sind die Ausgänge I, II der Summekontakt vorübergehend mit der Rücklcitung verbunden Differenz-Schaltungen 5 und 6 mit Belastungswiderwird. Die Lage des darzustellenden Vektors wird durch ständen Z₀ abgeschlossen. Die Zwischenschaltung des zwei Punkte angezeigt, von denen der eine der Spitze des 70 Anpassungsgliedes 31 hat eine gewisse gleichbleibende

Claims (1)

1 UOS ZOO Schwächung der den Eingängen 5, S' zugeführten zu messenden Wechselspannung zur Folge. Fig. 3 und 4 zeigen Vektordiagramme für die Ausgangsspannungen der Summe-Differenz-Schaltungen 5 und 6, und zwar für die Ausgänge I und II bzw. Γ und ΙΓ. Die Vektoren Er und E/ entsprechen der Bezugsspannung, die Vektoren +ZT14 und —Eu der zu messenden Spannung, für die hier nur einer der beiden miteinander abwechselnden Phasenzustände berücksichtigt ist. Bei Erfüllung der Bedingungen Er §> Eu j und E/ '>>;£« ergeben sich für die Beträge der resultierenden Spannungen T1, T2, T3 und T4 an den Ausgängen I, II, Γ, ΙΓ folgende Näherungsgleichungen T1 st; ! Er\ — \EU cos α , f ■ ~ 1F : — — Eu cos α, Γ4: κ= j£r; — >£u tsin α . Dabei bezeichnet α die Phase des Vektors Eu in bezug auf den Vektor Er- Durch die Phasenmodulation der zu messenden Spannung treten die beiden resultierenden Ausgangsspannungen einer Summe-Differenz-Schaltung abwechselnd an den beiden Ausgängen auf. Sie werden durch Gleichrichter 7, 8, 9, 10 gleichgerichtet und die gleichgerichteten Spannungen den gegeneinandergeschalteten Hälften der Primärwicklung zweier Transformatoren 11 und 12 zugeführt. An den Ausgangsklemmen 14, 15 des Transformators 11 erhält man dann eine im Rhythmus der Phasenmodulation das Vorzeichen wechselnde Gleichspannung T ι — I ΆI = 2 j Eu I cos α und an den Ausgangsklemmen 16, 17 des Transformators 12 eine entsprechende Spannung T3, — 7"., =2 En sin α. Die Reihenschaltung von Kondensator und Widerstand 20, 21 bzw. 20', 21' korrigiert den Frequenzgang des Transformators. Die Zuführung der an den Transformatorausgängen erhaltenen Reckteckspannungen beispielsweise zu den Ablenkplattenpaaren eines Kathodenstrahlrohres erfolgt über eine aus einem Kondensator 18 bzw. 18' und einem synchron mit dem Phasenmodulator betätigten Kurzschlußkontakt 19 bzw. 19' bestehende Schaltung. Die Kontakte 19, 19' schließen die Ausgänge 22, 23 bzw. 22', 23' innerhalb einer der Arbeitsphasen des Phasenmodulators kurz, wodurch sich die Kondensatoren 18, 18' auf die in dieser Phase am Transformatorausgang vorhandene Spannung aufladen. In der nachfolgenden Phase ist der Kontakt geöffnet, und die Ausgangsspannung des Transformators addiert sich zu der Aufladespannung des Kondensators. Der während des Kontaktkurzschlusses im Schirmmittelpunkt stehende Leuchtpunkt des Kathodenstrahlrohres wird dann entsprechend der Gesamtschwankung der Rechteckswellen in waagerechter und senkrechter Richtung abgelenkt. Die resultierende Verschiebung des Leuchtpunktes relativ zum Schirmmittelpunkt entspricht dem Vektor Vx nach Größe und Phase. Der angezeigte Phasenwinkel ist der Winkel α, der auf den Vektor £r bezogen ist und von dem unmittelbar auf VT bezogenen Phasenwinkel Q des zu messenden Vektors um einen gewissen Betrag abweicht. Bei Messungen mit derselben Frequenz ist diese Abweichung konstant und kann leicht berücksichtigt werden. Sie kann, auch bei Messungen mit veränderlicher Frequenz, jederzeit ermittelt werden, indem man dem Phasenmodulator 30 an Stelle der zu messenden Spannung die Bezugswechselspannung zuführt. Ferner besteht die Möglichkeit, die Abweichung zu kompensieren, indem man mit dem Anpassungsglied 31 einen Phasenteiler entsprechend 32 kombiniert, aus dessen L-Zweig die Eingänge S, S' gespeist werden. Eine solche Anordnung ist zweckmäßig bei Benutzung der Schaltungsanordnung nach der Erfindung zu Messungen mit veränderbarer Frequenz, wie in ίο Fig. 2 dargestellt. Es handelt sich dabei um die Messung eines komplexen Widerstandes Zx in einem gewissen Frequenzbereich mit einem Wechselspannungserzeuger veränderbarer Frequenz 88. Durch eine Regelschaltung 78, 79 wird dabei die Bezugsspannung konstant gehalten. Die gleiche Figur zeigt die Benutzung einer Summe-Differenz-Schaltung 13 als Phasenmodulator 30. Die zu modulierende Spannung wird bei S" zu- und bei P" abgeführt. Durch abwechselndes Kurzschließen der Anschlüsse I" und II" mittels des Wechselkontaktes 85 ändert sich jedoch jedesmal die Phase um 180°. An Stelle einer solchen Schaltung kann auch eine Schaltung ähnlich der für die Modulation mit Trägerunterdrückung benutzten verwendet werden. Bei Messungen mit etwa Tonfrequenz kann eine Summe-Differenz-Schaltung der in Fig. 5 dargestellten Art benutzt werden. Die Bezeichnung der Anschlüsse P, S, I, II entspricht der durchgehend benutzten. Die Summe-Differenz-Schaltung ist in Verbindung mit der schon beschriebenen Gleichrichter-Differential-Schaltung dargestellt. Die bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel vorgesehene Modulation der zu messenden Spannung hat den Vorteil, daß man das Meßergebnis in Form niederfrequenter Wechselspannungen erhält, die, wie im vorliegenden Falle, transformiert oder mit einem Niederfrequenzverstärker verstärkt werden können. Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Darstellung des Vektors einer unbekannten hochfrequenten Wechselspannung nach Größe und Phase durch zwei Gleichspannungen, die seinen auf den Vektor einer Bezugswechselspannung gleicher Frequenz bezogenen, rechtwinkligen Komponenten entsprechen, unter Benutzung zweier sogenannter Summe-Difterenz-Schaltungen, denen die unbekannte Wechselspannung gleichphasig und die Bezugswechselspannung mit 90° Phasendifferenz zugeführt wird und die j e an zwei Ausgängen zwei Ausgangswechselspannungen liefern, die gleich der vektoriellen Summe und Differenz der zugeführten Wechselspannungen sind und zwei gegeneinandergeschalteten Gleichrichterkreisen zugeführt werden, die eine der einen oder anderen Komponente des darzustellenden Vektors entsprechende Differenzgleichspannung liefern, insbesondere für Frequenzen bis etwa 1000 MHz, dadurch gekennzeichnet, daß die Polung der den Summe-Differenz-Schaltungen zugeführten unbekannten Wechselspannung durch eine in niederfrequentem Rhythmus betätigte Schalteinrichtung abwechselnd vertauscht wird, wodurch an Stelle der beiden Differenzgleichspannungen zwei niederfrequente Rechteckwechselspannungen mit den Komponenten des darzustellenden Vektors entsprechenden Amplituden erhalten werden, die transformiert oder mit Hilfe eines Wechselspannungsverstärkers verstärkt und über je einen Kondensator den Eingangsklemmen eines Koordinatenanzeigegerätes, insbesondere den " Ablenkplattenpaaren einer Kathodenstrahlröhre, zugeführt werden, wobei zu jedem Eingangsklemmenpaar des Anzeigegerätes eine Schalteinrichtung parallel liegt, (Mc svncliron mit der erstgenannten Schalteinrichtun?