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Schaltungsanordnung zum frequenzmäßigen Vergleich zweier Spannungen
unterschiedlicher Frequenz Oft besteht die Aufgabe, eine unbekannte oder zeitlich
nicht hinreichend konstante Frequenz, sie sei fx genannt, mit einer bekannten Frequenz
großer Genauigkeit und Konstanz, also einer Normalfrequenz In zu vergleichen. Der
Vergleich hat den Zweck, die Frequenz fx zahlenmäßig genau zu bestimmen oder auf
den Sollwert nachtrimmen zu können. Sind die Frequenzen fx und fn - oder deren Vielfache
-benachbart, so entsteht eine Schwebung, die man messen oder durch wanderung der
Frequenz fx zu Null machen kann.
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Steht für solche Messungen ein Kathodenstrahloszillograph zur Verfügung,
so läßt sich die Frequenz fx auf einfache Weise mit Hilfe von Lissajousschen Figuren
bestimmen, wofür verschiedene Methoden bekannt sind. Man kann auch mit Aufhell-
oder Dunkelsteuerimpulsen arbeiten, wobei man punktierte Oszillogramme erhält, die
bei Frequenzabweichung rotieren und bei Frequenzgleickheit stillstehen.
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Solche Verfahren mit Kathodenstrahloszillographen eignen sich besonders
für Messungen im Laboratorium und im Prüffeld. Will man für den Vergleich zweier
Frequenzen ein Betriebsmeßgerät bauen, sc wird man, wenn der Aufwand klein gehalten
werden soll, als Anzeigeorgan ein Zeigerinstrument verwenden. Liegt dabei insbesondere
der Fall vor, daß die Normalfrequenzfn hoch und die zu messende oder nachzugleichende
Frequenz fx niedrig ist, ist es bekannt, daß die Meßfrequenz fx zunächst in einer
Vervielfacherschaltung auf den Wert n-fx gebracht werden muß, um eine Schwebung
ausreichender Intensität zu erhalten. Diese Schwebung bzw. die Summenspannung von
n.fx und fn wird dann in bekannter Weise einer Gleichrichteranordnung zugeführt,
in der unter anderem das Modulationsprodukt mit der Differenzfrequenz gebildet wird,
und dann einem Zeigerinstrument zugeführt, dessen Zeiger nunmehr mit der Differenzfrequenz
hin und her schwankt. Falls sich die zu vergleichenden Frequenzen fn und fx in einem
ganzzahligen Verhältnis befinden, ist dabei die Schwankung des Zeigers gleich Null,
und der Zeiger zeigt einen bestimmten festen Wert an. Weichen dagegen beide Spannungen
gegenüber diesem ganzzahligen Frequenzverhältnis um eine bestimmte nifferenzfrequenz
ab, so kann diese durch Zählung der Nulldurchgänge des Zeigers innerhalb eines definierten
Zeitabschnittes gemessen werden Als Anwendungsbeispiel sei ein mit einem Zeigerinstrument
versehenes Meßgerät genannt, das zum Frequenzvergleich zweier Quarzgeneratoren von
4 und 124 kHz beispielsweise in Trägerfrequenzsystemen
dient. Es entsteht hier beispielsweise
die Aufgabe, die aus 4 kHz abgeleitete Frequenz von 60 kHz, die der Meßfrequenzfx
gleichgesetzt werden kann, mit der aus 124kHz abgeleiteten, genaueren Frequenz von
1860 kHz, die dann der Normalfrequenz fn entspricht, zu vergleichen. Im Betrieb
wird der Quarzgenerator von 4 kHz so lange nachgetrimmt, bis die entstehende Schwebungsfrequenz
zu Null wird In der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 ist schematisch dargestellt,
wie ein solches Gerät in bekannter Weise aufgebaut ist. Die an der Klemmel liegende
Spannung der zu messenden Frequenz fx von näherungsweise 60 kHz wird beispielsweise
in einer Röhrenimpulsschaltung VZ stark verzerrt Aus dem entstehenden Frequenzspektrum
wird die 31. Oberwelle, das ist näherungsweise 1860 kHz, mit einem Bandfilter B
ausgesiebt. Die so gewonnene Spannung mit einer Frequenz von nahezu 1860 kHz wird
mit der unmittelbar an der Klemme 2 zur Verfügung stehenden Vergleichsfrequenz fn
= 1860 kHz in einer Gleichrichteranordnnng Gl überlagert. Die Schwebung wird am
Instrument angezeigt.
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Nach einem anderen bekannter Verfahren wird aus einer niedrigeren
Normalfrequenz fn durch Verzerrung ein Frequenzraster gebildet, und dieses zugleich
mit der Spannung der zu messenden Frequenz fx einer Gleichrichteranordnung zugeführt,
in der sich als Modulationsprodukte sowohl die Grundfrequenz des Frequenzrasters
und ihre Oberwellen als auch die Differenzfrequenz zwischen fx und der nächstliegenden
Rasterfrequenz in Form von Seitenbändern zu dieser Grundfrequenz bilden. Die auf
diese Weise gebildete, mit der Differenzfrequenz amplitudenmodulierte
Ausgangs
spannung wird mittels eines nachgeschalteten Telefons oder Zeigerinstrumentes ausgewertet.
Zur Vergrößerung des Modulationsgrades ist dabei innerhalb der Gleichrichteranordnung
eine Kompensationsspannungsquelle vorgesehen, die den Gleichstrommittelwert der
dem Telefon bzw. dem Anzeigeinstrument zugeführten Ausgangsspannung herabsetzt.
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Allen bekannten Betriebsinstrumenten der beschriebenen Art ist jedoch
ein wesentlicher Nachteil gemeinsam: Dieser besteht darin, daß die ohnehin schon
schwierige Auswertung am Anzeigeinstrument durch Amplitudenschwankungen - bzw. -änderungen
der miteinander frequenzmäßig zu vergleichenden Spannungen empfindlich gestört wird.
So bewirkt beispielsweise eine Vergrößerung der Eingangsamplituden einen größeren
Gleichspannungsmittelwert am Anzeigeinstrument, so daß dieses unter Einbuße an Ablesegenauigkeit
unempfindlicher gemacht werden muß, was insbesondere bei größeren Frequenzunterschieden
zwischen In und fx nachteilig ist. Eine entsprechende Einstellung der den Gleichstrommittelwert
herabsetzenden Kompensationsspannung ist dagegen für den Messenden umständlich und
bietet insbesondere bei schnellen Anderungen der Eingangsamplituden keine Gewähr
für eine sichere und fehlerfreie Arbeitsweise der Meßeinrichtung. So können beispielsweise
periodische Schwankungen der Eingangsamplituden fehlerhafte Auswertungen hervorrufen.
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Die genannten Nachteile werden bei einer Schaltungsanordnung zum
Frequenzvergleich zweier Spannungen mit einer insbesondere außerhalb des Hörbereichs
liegenden Differenzfrequenz, bei der einer mit der Summenspannung beaufschlagten
Gleichrichteranordnung ein die entstehende, mit der Differenzfrequenz pulsierende
Gleichspannung anzeigendes Zeigerinstrument nachgeschaltet ist, unter Verwendung
einer den Gleichstrommittelwert der pulsierenden Gleichspannung herabsetzenden Kompensationsspannung,
erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß jede der beiden zu vergleichenden Spannungen
über einen eigenen, zusätzlichen Gleichrichter einem jeweils nachgeschalteten, im
Anzeigekreis in Serie zum Anzeigeinstrument liegenden Kondensator mit einer der
pulsierenden Gleichspannung entgegengesetzten Polarität zugeführt wird, unter Beachtung
solcher Zeitkonstanten, daß sich beide Kondensatorspannungen zu einer den arithmetischen
Mittelwert der pulsierenden Gleichspannung kompensierenden Summenspannung zusammensetzen.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Spannung der
niedrigeren Frequenz vor der Superposition mit der zu vergleichenden Spannung mittels
einer Eisendrossel verzerrt wird.
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Die Erfindung wird an Hand zweier in den Fig. 2 und 3 dargestellter,
bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Fig. 4 und 5 zeigen Unterschiede
in der Wirkungsweise beider Ausführungsbeispiele auf.
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Bei der Anordnung nach Fig. 2 sind die frequenzmäßig miteinander
zu vergleichenden Spannungen der Frequenzen In und fx mittels Übertrager zugeführt,
deren Sekundärwicklungen in Serie in die den Gleichrichter Glt und den Aufiadekondensator
C 1 enthaltende Gleichrichteranordnung eingeschleift sind.
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Somit wird der Gleichrichteranordnung die Summenspannung zugeführt
und eine mit der Differenzfrequenz zwischen der höheren Frequenz fn und
dem nächstgelegenen
Vielfachen von fx pulsierende Ausgangsspannung am Aufladekondensator C1 gewonnen.
Die entsprechenden Umladungen des Kondensators C1 rufen dabei im parallel zu ihm
gelegenen, das AnzeigeinstrumentJ enthaltenden Anzeigekreis Ladungs- bzw. Entladungsströme
hervor, die eine Zeigerpendelung im Takte der Umladungen bzw. der Differenzfrequenz
bewirken. Nach der Erfindung wird die den Gleichstrommittelwert herabsetzende Kompensationsspannung
aus den beiden frequenzmäßig miteinander zu vergleichenden Spannungen unmittelbar
gewonnen. Dies geschieht durch die an die Sekundärwicklungen der Übertrager angeschlossenen
Gleichrichterkreise, von denen der eine mit dem Gleichrichter Gel 2 und dem Kondensator
C2 der Spannung mit der Frequenz fx, der andere mit dem Gleichrichter G13 und dem
Kondensator C3 der Spannung mit der Frequenz In zugeordnet ist. Die Zeitkonstanten
dieser beiden Gleichrichterkreise sind dabei so gewählt, daß sich die an C2 und
C3 ergebenden, der pulsierenden Ausgangsspannung am Aufladekondensator C 1 entgegengerichteten
Kondensatorspannungen zu einer solchen Summenspannung zusammensetzen, daß der arithmetische
Mittelwert der pulsierenden Ausgangs spannung vom Anzeigeinstrument J ferngehalten
wird. Damit wird auch bei zeitlicher Inkonstanz der Amplituden der Spannungen mit
den Frequenzen fx bzw. fn eine konstante Nullpunktlage am Zeigerinstrument 1 erreicht,
so daß sich derartige zeitliche Inkonstanzen lediglich auf die Schwingungsamplitude
des Zeigers auswirken.
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Eine wesentliche Vergrößerung der Anzeigegenauigkeit wird dadurch
erreicht, daß die Spannung mit der niedrigeren Frequenz durch eine eingefügte Eisendrossel
verzerrt wird. Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 3, die Ün übrigen der Fig.
2 entsprechend aufgebaut ist, wird dies durch die Einschaltung einer Eisendrossel
D in die Sekundärseite des Übertragers für die niedrigere Frequenz bewirkt.
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Der Einfluß einer solchen Verzerrung wird an Hand der Fig. 4 und
5 näher erläutert. Dabei ist in Fig. 4 die Wirkungsweise der mit den beiden frequenzmäßig
zu vergleichenden Spannungen fx und fn beaufschlagten Gleichrichteranordnung Gl
1, C1 an Hand von Spannungskurven versinnbildlicht. Die Spannung der niedrigeren
Frequenz wird durch die Kurve 1, die der höheren Frequenz durch die Kurve II veranschaulicht.
Wenn beide Frequenzen nicht in einem ganzzahligen Verhältnis zueinander stehen,
ergeben sich zwischen den SpannungskurvenI und II phasenmäßige Verschiebungen, so
daß beide Kurven gewissermaßen aneinander vorbeilaufen. Die in der Nähe des positiven
Spitzenwertes der Spannung mit der niedrigeren Frequenz betrachtete, in Fig. 4 dargestellte
Summenspannung nimmt dementsprechend die amplitudenmäßig extremen Werte nach der
Kurve IV und nach der Kurve V an. Bei einer Abweichung der beiden Frequenzen von
einem ganzzahligen Verhältnis um eine definierte Differenzfrequenz schwankt die
Summenspannung zwischen diesen beiden Extremwerten mit dieser Differenzfrequenz
hin und her, wobei die Schwankung 8 bei der entsprechenden Umladung des Kondensators
C 1 vom Zeiger des Anzeigeinstrumentes J mitgemacht wird.
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Wird nun gemäß Fig. 5 die Spannung der niedrigeren Frequenz mit dem
Spannungsverlauf I in der
dargestellten Weise verzerrt, so nehmen
die Summenspannungen IV und V eine solche gegenseitige Lage an,. daß die Schwankung
8 wesentlich vergrößert wird. Wenn die Spannungskurve I derart verzerrt wird, daß
sie eine ausgeprägte Spitze mit relativ schmaler Basis erhält, kann mit der Schaltungsanordnung
nach der Erfindung auch ein Frequenzvergleich mit brauchbarer Anzeige bei sehr großen
Frequenzverhältnissen zwischen fn und fx vorgenommen werden. Bei der hierzu vorgenommenen
Verzerrung kommt es in erster Linie auf die Höhe der erzeugten Spannungsspitze an,
während der Energiegehalt der hierdurch entstehenden Oberwellen weniger von Bedeutung
ist.