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Vorrichtung zum Erzeugen der Differenzfrequenz zweier Impulsreihen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, mit der es möglich ist, die Differenzfrequenz
zweier Impulsreihen zu erzeugen, so daß diese Differenzfrequenz direkt gemessen
bzw. als Grundlage für eine Messung anderer physikalischer Größen direkt ermittelt
werden kann. Diese Notwendigkeit tritt beispielsweise dann ein, wenn man zwei frequenzvariable
Multivibratoren, bei denen die Impulsfolge mit einer steuernden Gleichspannung linear
ist, in Gegentakt schalten will, um zu erreichen, daß durch diese Gegentaktschaltung
die Multivibratorfrequenz bis zur Frequenz Null heruntergesteuert werden kann, so
daß die Impulsfolge einer steuernden Gleichspannung proportional ist. Bekanntlich
ist das bei Verwendung nur eines Multivibrators nicht möglich.
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Gemäß der Erfindung wird das dadurch erreicht, daß vier geschlossene
ferromagnetische Kerne mit mindestens annähernd rechteckiger Hystereseschleife vorgesehen
sind, von denen zwei Kerne je zwei Eingangswicklungen und zwei Kerne je eine Eingangswicklung
und je eine Vormagnetisierungswicklung tragen, deren Wicklungssinn derart ist, daß
die im Kern durch die stromdurchflossene Eingangswicklung erzeugten Felder gegensinnig
sind, daß diese vier Kerne aber jeweils nur eine Ausgangswicklung haben und daß
von zwei in ihrer Impulsfolge unterschiedlichen Impulsreihen jeder Reihe eine Eingangswicklung
des ersten ferromagnetischen Kernes zugeordnet ist und für das von dessen Ausgangswicklung
abgenommene Signal ein mit verstärkender und gleichrichtender Wirkung zugleich arbeitender
Transistor vorgesehen ist, für dessen gleichgerichtetes und verstärktes Signal eine
Eingangswicklung, sowie für die Impulsreihe mit der größeren Frequenz eine weitere
Eingangswicklung auf dem Kern angeordnet sind, und daß eine Vormagnetisierungswicklung
des dritten ferromagnetischen Kernes an einer konstanten Spannung liegt, wodurch
eine Vormagnetisierung erzielt wird, die größer als die eigentliche Sättigungsfeldstärke
ist und ferner auf dem dritten ferromagnetischen Kern eine Eingangswicklung zur
Aufnahme der Impulsreihe mit der größeren Frequenz angeordnet ist, wobei zur Gleichrichtung
des auf der Ausgangswicklung dieses Kernes abgenommenen Signals eine Diode vorgesehen
ist und zur subtraktiven tÇberlagerung mit dem Ausgangssignal des zweiten ferromagnetischen
Kernes die Regulierwiderstände derart geschaltet sind, daß die an ihnen auftretenden
Spannungen einander entgegenwirken, und daß zur abermaligen Gleichrichtung des resultierenden
Signals eine Diode sowie zur abennaligen subtraktiven Überlagerung mit dem gleichgerichteten
Ausgangssignal
des vierten ferromagnetischen Kernes entsprechend geschaltete Regulierwiderstände
vorgesehen sind, wobei am ferromagnetischen Kern zur Zuführung der Impulsreihe mit
der kleineren Frequenz eine Eingangswicklung sowie eine Vormagnetisierungswicklung,
die ebenfalls an gleichbleibender Spannung liegt, angebracht sind, und daß zur Gleichrichtung
und Verstärkung des neugewonnenen resultierenden Signals ein Transistor angeordnet
ist.
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An Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles
wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 eine Vorrichtung gemäß der Erfindung,
Fig. 2 eine Anzahl Impulsdiagramme und Fig. 3 und 4 je eine Hystereseschleife.
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In der Fig. 1 sind vier geschlossene ferromagnetische Kerne 1 bis
4 dargestellt, von denen die Kerne 1 und 2 je zwei Eingangswicklungen 5, 6 bzw.
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7, 8 und die Kerne 3 und 4 jeweils eine Eingangswicklung 10 bzw. 11
und eine Vormagnetisierungswicklung 9 bzw. 12 tragen. Außerdem ist auf jedem Kern
je eine Ausgangswicklung 13, 14, 15 bzw. 16 vorgesehen.
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Der Wicklungssinn der beiden jeweils auf einem Kern 1 bzw. 2 befestigten
zwei Eingangswicklungen 5, 6 bzw. 7, 8 sowie der auf den Kern 3 bzw. 4 angeordneten
Eingangs- und Vormagnetisierungswicklungen 10, 9 bzw. 11, 12 ist derart, daß die
durch sie erzeugten Magnetfelder einander in ihrer Richtung entgegengesetzt sind.
Die Eingangswicklungen 5 und 11 sind in Reihe geschaltet und einerseits über eine
RC-Kopplung
R1, C1, einen Transistor T1 und einen Widerstand 17 mit einer Eingangsklemme 18
der Vorrichtung und andererseits mit dem negativen Pol einer Batterie B verbunden.
Ebenso sind die Eingangswicklungen 6, 8 und 10 in Reihe geschaltet, wobei das freie
Ende 6 a der Wicklung 6 über eine RC-Kopplung R1, C2, einen Transistor T2 und einen
Widerstand 19 mit einer Eingangsklemme 20 und das freie Ende 10 a der Wicklung 10
mit dem negativen Pol der Batterie B verbunden ist. Die Eingangswicklung 7 des Kernes
2 ist einerseits über eine RC-Kopplung R3, C3 und dem Transistor T mit der Ausgangswicklung
13 des Kernes 1 und andererseits über einen Widerstand 21 mit der negativen Klemme
der Batterie B verbunden. Die Vormagnetisierungswicklungen9 bzw. 12 der Kerne3 bzw.
4 werden von der Batterie B über die Widerstände 22 bzw. 23 mit einem konstanten
Strom gespeist. In den Ausgangsstromkreisen der Kerne 2 und 3 sind Dioden G1 bzw.
G2 und Regulierwiderstände 24 bzw. 25 vorgesehen. Nach der schaltungsmäßigen Anordnung
sind die an den Regulierwiderständen auftretenden Spannungen einander entgegengerichtet,
und die daraus resultierende Spannung erscheint an den Klemmen 26, 27, welche über
eine Diode G3 und einen Regulierwiderstand 28 miteinander verbunden sind. Desgleichen
befindet sich im Ausgangsstromkreis des Kernes 4 eine Diode G4 und ein Regulierwiderstand
29. Die Regulierwiderstände 28, 29 sind wie die Regulierwiderstände 24, 25 geschaltet,
so daß die an ihnen auftretenden Spannungen gleichfalls gegensinnig sind. Die resultierende
Spannung wird über einen Widerstand 30 an ein Schaltelement, beispielsweise einen
Transistor T4 gelegt, der über einen Widerstand 31 von der Batterie B gespeist wird.
Der Transistor T4 läßt nur Impulse mit negativer Polarität gegen Erde durch und
gibt zwischen einer Ausgangsklemme 32 und Erde gleichgerichtete, verstärkte Spannungsimpulse
ab.
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Die Wirkungsweise der beschriebenen Vorrichtung ist mit Hilfe der
dargestellten Diagramme näher erläutert. Die beiden Impulsreihen (fl bzw. 12), deren
Differenzfrequenz ermittelt werden soll, werden den Eingangsklemmen 18 bzw. 20 zugeführt.
Die Polarität jeder der beiden zueinander bezogenen Impulsreihen (fl, fs,) ist hierbei
ohne Belang. In unserer beispielsweisen Ausführung wird angenommen, daß beide Impulsreihen
(1i' 12) aus Impulsen negativer Polarität zusammengesetzt sind. Die Impulsreihen(f,,
12) gelangen jede für sich getrennt nach Verstärkung durch die Transistoren T1 bzw.
T., an die Eingangswicklungen 5 und 11 bzw. 6, 8 und 10. Da die Eingangswicklungen
5 und 6 des Kernes 1 einen entgegengesetzten Wicklungssinn haben, ist im Diagramm
a der Fig. 2 die Impulsreihe der Frequenz 12 positiv und im Diagramm b diejenige
der Frequenz fa negativ dargestellt worden. Der Gesamteinfluß der beiden Impulsreihen
(fi' 12) auf die Magnetisierung des Kernes 1 läßt sich sowohl aus dem Diagramm c,
das sich aus den Diagrammen a und b zusammensetzt, wie auch aus der Hystereseschleife
in Fig. 3 der Kerne ersehen. Die durch die Impulse erzeugte Feldstärke ist nämlich
größer, als sie für die eigentliche Sättigung des Kernes erforderlich wäre. Gemäß
der Fig. 3 ist dies dadurch veranschaulicht, daß die Impulsamplituden der Impulse
34 und 35 die Sättigungsfeldstärke Hs überragen. Beim Auftreten des ersten Impulses
36 der Impulsreihe c steigt die Magnetisierung des Kernes
plötzlich bis zu seiner
magnetischen Sättigung an. In der Ausgangswicklung 13 wird daher an Stelle der Vorderflanke
des Impulses 36 ein differenzierter, positiver Spannungsimpuls induziert, wie es
das Diagramm d zeigt. Die Rückflanke des Impulses 36 ruft keinen so großen Impuls
mehr in der Ausgangswicklung 13 hervor, da die Magnetisierung des Kernes 1 nunmehr
gemäß dem fast horizontalen oberen Ast der Hystereseschleife verläuft. Erst beim
Ummagnetisieren des Kernes durch den erstfolgenden, negativen Impuls 37 tritt wieder
ein differenzierter, diesmal negativer, scharfer Spannungsimpuls in der Ausgangswicklung
13 auf. In letzterer wird auf diese Weise eine Spannung induziert, deren Verlauf
aus dem Diagramm d hervorgeht. Der Transistor T3 verstärkt aber nur die negativen
Impulse und verbreitert sie, so daß Impulse, wie sie im Diagramm e dargestellt sind,
entstehen, die dann der Eingangswicklung 7 des nächsten Kernes 2 zugeführt werden.
Der Einfluß der Impulse e zusammen mit dem der Eingangswicklung 8 zugeführten Impuls
a ergibt sich aus dem Diagramm f, in dem nun beide Impulsreihen zusammengesetzt
dargestellt sind. An der Ausgangswicklung 14 des Kernes 2 treten dann die im Diagramm
g dargestellten Spannungsimpulse auf. Von diesen werden die negativen durch die
Diode G1 gesperrt, so daß nur positive Impulse am Regulierwiderstand 24 erscheinen.
Die an einer konstanten Spannung liegende Vormagnetisierungswicklung 9 bewirkt eine
Vormagnetisierung des Kernes 3, wie in der Fig. 4 mit 38 veranschaulicht ist. Diese
ist größer als die eigentliche Sättigungsfeldstärke Hs dieses Kernes.
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Die Amplitude der der zweiten Eingangswicklung 10 zugeführten Impulse
a ist so groß, daß der Kern 3 bei jedem Impuls zweimal vollständig ummagnetisiert
wird. An der Ausgangswicklung 15 erscheint daher eine Impulsfolge, wie sie im Diagramm
h gezeigt wird. Die an der Vorder- und Rückflanke der Impulse a entstehenden Spannungsspitzen
sind nun gleich groß. Die Diode G2 sperrt die negativen Ausgangsimpulse des Kernes
3 und läßt nur die positiven durch den Widerstand 25 fließen. Da die Spannungen
an den Widerständen 24 und 25 gegensinnig wirken, werden die an ihnen auftretenden
Impulsreihen einander subtraktiv überlagert. Ihre Amplitude kann durch entsprechende
Einstellung der Widerstände 24.
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25 auf gleiche Größe gebracht werden. Da für jeden Impuls der Impuls
reihe a und b am Regulierwiderstand 24 bzw. 25 ein positiver Impuls g bzw. h auftritt
und die die Impulse b darstellenden positiven Impulse der Impulsfolge g immer mit
positiven Impulsen der Impulsfolge h zusammentreffen, erscheint an den Klemmen 26,
27 eine Impulsfolge, deren Frequenz gleich der Differenz der Frequenzen 12 und fl
der Impulsreihen a und b ist, wie das Diagramm i zeigt.
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Hätten die Impulse der beiden Impulsreihen fl und 12 gleiche Frequenz
und gleiche Form, und lägen sie zueinander gegensinnig in Phase, so würden an den
Klemmen 26, 27 positive Impulse von derselben Frequenz wie die Impulse a, b auftreten.
Um vorzubeugen, daß in diesem Fall am Ausgang der Vorrichtung Impulse erscheinen,
die eine von Null abweichende Differenzfrequenz vortäuschen könnten, ist der ferromagnetische
Kern 4 vorgesehen. Seine Vormagnetisierungswicklung 12 liegt, ebenso wie die des
Kernes 3, an einer Vorspannung, die die in der Fig. 4 mit 38 angedeutete Vormagnetisierung
ergibt. Die über die Vormagnetisierungswicklung 12 geleiteten
Impulse
b werden daher differenziert, und es entstehen die im Diagramm j dargestellten Impulse.
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Durch die Diode G4 wird erreicht, daß am Regulierwiderstand 29 nur
positive Spannungsimpulse auftreten. Wenn die letzteren nun mit den am Regulierwiderstand
28 auftretenden Impulsen h zusammen fallen, was unter den angenommenen Umständen
der Fall ist, so heben sie sich bei zwei Impulsreihen nach dem vorstehend angeführten
Beispiel gegenseitig auf und die Ausgangsspannung zwischen der Klemme 32 und Erde
ist gleich Null. Fallen die Impulsreihen h und j nicht zusammen, so werden nur die
am Widerstand 28 auftretenden Impulse i durch den Transistor T, verstärkt, die am
Widerstand 29 auftretenden Impulse j dagegen gesperrt, und zwar die positiven durch
den Transistor T4 und die -negativen durch die Diode G4, so daß zwischen der Ausgangsklemme
32 und Erde ebenfalls mittels des Transistors T4 entsprechend geformte Impulse k
auftreten.
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Die RC-Netzwerke Rl und Cl bzw. R2 und C2 sowie die Transistoren
T1 und T2 dienen dazu, die Rechteckform der zugeführten Impulse zu verbessern.
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Der Transistor T. mit dem Netzwerk R3, C3 ist dazu vorgesehen, um
die Ausgangsimpulse d des Kernes 1 um so viel zu verstärken, daß eine zur Erregung
des Kernes 2 genügend große Amplitude entsteht. Obschon die Ausgangsimpulse der
Kerne 2 und 3 mittels der Dioden G1 bzw. G2 bereits gleichgerichtet sind, ist es
doch vorteilhaft, die Spannung an den Klemmen 26, 27 nochmals über die Diode G3
gleichzurichten. Sind nämlich die an den Widerständen 24, 25 auftretenden Impulse
nicht ganz genau identisch und in Phase, so entstehen nach ihrer Überlagerung doch
noch Restimpulse entgegengesetzter Polarität.