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Schaltungsanordnung zur Frequenznachregelung In Geräten der elektrischen
Nachrichten- und Meßtechnik werden Schaltungen verwendet, die es ermöglichen, eine
Oszillatorfrequenz auf frei wählbare Oberwellen einer Steuerschwingung (Quarzfrequenz)
selbsttätig nachzuregeln. Es ist bekannt, in derartigen Frequenzregelschaltungen
als Phasendiskriminatoren eine Impulsmischstufe zu verwenden. Je nach Art und Auslegung
der Mischstufe kann die phasenabhängige Ausgangsgröße (Regelspannung) nach verschiedenen
Kriterien gewonnen werden. Der Nachteil bekannter Anordnungen zur Gewinnung einer
phasenabhängigen Regelspannung besteht darin, daß die Wirksamkeit der Mischstufe
mit wachsender Ordnungszahl der verwendeten Oberwelle der Steuerschwingung stark
abnimmt und daß schließlich Nullstellen auftreten, an denen keine Regelung möglich
ist.
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Auf das Prinzip der Frequenzregelschaltungen wird an Hand der Fig.1
kurz eingegangen und danach die Wirkungsweise der Mischstufe näher beschrieben.
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Einer Mischstufe M wird ein aus der Quarzfrequenz fabgeleitetes Spektrum
und die Spannung des zu regelnden Oszillators O mit der Frequenz f zugeführt. Die
Mischstufe liefert abhängig vom Phasenwinkel zwischen den beiden Komponenten eine
Ausgangsspannung, die, verstärkt, über eine Reaktanz R den Oszillator in dem Sinne
nachregelt, daß seine Frequenz der gewählten Harmonischen der Quarzfrequenz gleichbleibt
und seine Phasenabweichung maximal (p = ±90° werden kann. Die Mischstufe arbeitet
als Phasendiskriminator und soll eine möglichst große Wirksamkeit aufweisen, d.
h., eine gegebene Änderung des Phasenwinkels soll eine möglichst große Anderung
der Regelspannung liefern. Von der Wirksamkeit der Mischstufe hängt weitgehend die
sichere Funktion der gesamten Schaltung ab, da sich störende Betriebsspannungsänderungen
um so stärker auswirken, je kleiner die von der Mischstufe gelieferte Nutzgröße
ist. In den nachgeschalteten Verstärkerstufen wird die Regelspannung aus der Mischstufe
lediglich noch einem erforderlichen Eingangspegel für die Reaktanzstufe angeglichen.
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In der Fig. 2 ist eine bekannte Ausbildung einer Mischstufe mit einer
Diode wiedergegeben, an welche die Spannungen ufo vom Quarzgenerator und uf vom
Oszillator gelegt werden. Am Widerstand Ra treten Spannungshalbwellen
u auf, die, von einem Tiefpaß integriert, die Regelspannung Ur
bilden.
Der Flächenwert der Spannung U ist abhängig von der Phasenlage der beiden Frequenzen.
Bei dem in Fig. 3a gewählten Amplitudenverhält zis der beiden Spannungen von 1 :
2 ändert sich die Regelgleichspannung Ur im Verhältnis 3 : 1, wenn die Phase
der Oszillatorspannung uf von -90° nach -E-90° läuft. Die Nullphase der Oszillatorfrequenz
wird hier, wie in den folgenden Beispielen, von dem Zeitpunkt an gezählt, an dem
die Quarzschwingung ihr Maximum hat.
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Ebenso wie auf die Grundwelle kann die Oszillatorfrequent auch auf
die zweite Harmonische der Quarzfrequenz geregelt werden. Der zeitliche Verlauf
der Spannungen sowie die Regelspannung Ur
sind in Fig. 3b in Abhängigkeit
vom Phasenwinkel T., wiedergegeben. Aus einem Vergleich der Diagramme in den Fig.
3a und 3b erkennt man, daß das Regelverhältnis von 3 : 1 bei der Grundwelle bereits
auf 1,2 : 1 bei der zweiten Harmonischen gesunken ist. Um diesen Nachteil zu vermeiden
und eine sichere Nachregelung auch auf höhere Harmonische zu ermöglichen, ist es
bekannt, an Stelle einer sinusförmigen Quarzfrequenz eine Pulsfolge zu verwenden
und der Diode zweckmäßig eine Vorspannung U, zu geben, die im Beispiel nach Fig.
4 gleich dem Spitzenwert der Oszillatorspannung gewählt ist. Das Verhältnis s =
Pulsdauer/Periodendauer, vor. dem die Größe der Regelgleichspannung Ur
wesentlich
abhängt, beträgt irn Beispiel nach Fig. 4 s = 0,25. Durch diese Maßnahmen
erhält man auch bei höheren Harmonischen der Pulsfolgefrequenz noch eine große Änderung
der Regelgleichspannung Ur. Diese Verhältnisse sind in der Fig. 5 dargestellt
Diese bekannte Anordnung hat
wiederum den Nachteil, daß die Regelspannung
Ur
rasch abzusinken beginnt, wenn die Frequenz des zu regelnden Oszillators
so hoch liegt, daß ihre Periodendauer @nit der Pulsdauer vergleichbar wird. Daraus
ergibt sich, daß man, um eine sichere Nachregelung bis zu hohen Harmonischen zu
erhalten, möglichst schmale Pulse verwenden muß. Es ist versucht worden, die Schwierigkeit,
derartig schmale Pulse zu erzeugen und ohne Verbreiterung durch Schaltkapazitäten
der Mischstufe zuzuführen, durch Verwendung einer Spezialröhre zu umgehen, in deren
kompliziertem System Pulserzeugung und Phasendiskriminierung vereinigt sind. Dieses
Verfahren hat aber unter anderem den Nachteil, daß die Mischwirksamkeit sehr stark
abnimmt, wenn die Pulsdauer etwa gleich der Dauer der Sinusperiode wird, insbesondere
wird die Wirksamkeit bei gleicher Dauer Null.
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Aus einer Fernsehempfängerschaltung für die Horizontal- bzw. Vertikalablenkung
des Kathodenstrahles der Bildröhre sind Maßnahmen zur Synchronisation eines
Generators für periodische Schwingungen mittels Synchronisiersignaien bekannt, wobei
durch Überlagerung einer sägezahnförmigen Schwingung mit einer steil abfallenden
Flanke und der Synchronisierimpulse Steuerimpulse variabler Breite gebildet werden,
die eine Röhre aussteuern und mittels eines Filternetzwerkes ein Kriterium für eine
Nachregelung bilden.
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Es ist auch eine Anordnung zur Frequenzstabilisierung bekannt, die
eine als Phäsendiskriminator wirkende Mischstufe benutzt, in welche eine zu stabilisierende,
sinusförmige Oszillatorspannung und kurze Äquidistanzimpulse eingespeist werden.
Im Ausgangskreis der normalerweise gesperrten Mischstufe, die durch die scharfen
Impulse kurzzeitig geöffnet wird; treten Impulse einer Amplitude auf, die vom Augenblickswert
der von dem Oszillator stammenden sinusförmigen Spannung zur Zeit des Auftretens
der Impulse abhängig ist.
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Eine andere bekannte Synchronisierschaltung benutzt ebenfalls eine
Impulsmischstufe, in die eine sinusförmige Steuerschwingung und aus der zu synchronisierenden
Schwingung abgeleitete Impulse eingespeist werden. Die dem Ausgang der Impulsmischstufe
entnommenen Impulse werden zur Bildung einer Regelspannung einem integrierenden
Netzwerk zugeführt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Impulsmischschaltung
zu schaffen, die nicht nur eine weit bessere Wirksamkeit; sondern auch grundsätzlich
keine Nullstellen zeigt. Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß das
Phasenkriterium in an sich bekannter Weise aus der Summenspannung von Oszillator-
und Steuerschwingung in einem Gleichrichterkreis durch Spitzengleichrichtung gewonnen
wird und daß die Ladezeitkonstante des Gleichrichterkreises kleiner als die Anstiegszeit
im steilsten Teil des Summenspannungsverlaufes bemessen ist. Dadurch, daß dieseAnordnung
die Regelspannung nicht, wie bei den bekannten Schaltungen, aus der Kurvenfläche
herleitet, sondern aus der maximal auftretenden Amplitude der resultierenden Spannung,
gebildet durch einfache lineare Addition der Oszillatorspannung und der Pulsfolgespannung,
ergibt sich ein wesentlich größeres Regelverhältnis, insbesondere bei höheren Ordnungszahlen
der Harmonischen. Dabei kann die Pulsbreite bei der angegebenen Dimensionierung
des Gleichrichterkreises ein Mehrfaches der Periodendauer der Oszillatorspannung
betragen.
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Aus der Fernsehtechnik ist es bereits bekannt, i unter Verwendung
einer aus der - Summenspannung von zwei überlagerten Schwingungen durch Spitzengleichrichtung
gewonnenen Regelspannung die Zeilenfrequenz bzw. die daraus durch Frequenzteilung
abgeleitete Bildwechselfrequenz für Fernsehzwecke zu regeln. Die dieser Anordnung
zugrunde liegende Aufgabe besteht daher in der Synchronisierung einer einzelnen,
um ihre Sollfrequenz schwankenden Spannung. Im Gegensatz zur Erfindung arbeitet
diese Schaltung nur bei Verwendung von Steuerimpulsen, die kürzer als die Oszillatorschwingung
sind und in bestimmten Fällen höchstens ein Viertel bzw. die Hälfte der Periode
einer Oszillatorschwingung betragen soll. Für die der Erfindung zugrunde liegende
Aufgabe würde eine derartige Bemessung eine unannehmbare Einschränkung des Frequenzbereiches
bedeuten, da die Erzeugung von Steuerimpulsen hinsichtlich ihrer Breite an eine
untere Grenze gebunden ist, die nur mit wesentlich erhöhtem Aufwand um einen begrenzten
Betrag verschoben werden kann.
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Die Impulsmischstufe liefert, je nach Wahl der Entladezeitkonstanten,
eine Gleichspannung bzw. eine in den Pulspausen sehr rasch abklingende Spannung.
Die Gleichspannung ist für eine nachfolgende Verstärkung ungeeignet und verbietet
sich zudem aus anderen Gründen; ebenso sind die rasch abklingenden Spannungsspitzen
wenig brauchbar. Um als Phasenkriterium eine möglichst große Wechselspannung mit
der Frequenz der Steuerschwingung zu erhalten, ist es vorteilhaft, die Entladezeitkonstante
des Gleichrichterkreises so zu wählen, daß die in der Ausgangsspannung der Impulsmischstufe
enthaltene Komponente mit der Periode der Pulsfolge im wesentlichen abgeklungen
ist. Das Regelverhältnis bleibt unabhängig von der Entladezeitkonstante. Ein weiterer
Vorteil der Spitzengleichrichtung ist darin zu sehen, daß die mittlere Regelspannung
unabhängig ist von der Pulsbreite, während bei der Flächengleichrichtung mit sinkender
Pulsbreite die Verstärkung in demselben Maße heraufgesetzt werden muß, wenn der
Pegel der mittleren Gleichspannung konstant bleiben soll.
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Zweckmäßig kann man Spitzengleichrichtung und nachfolgende Verstärkung
kombinieren, indem eine Triode verwendet wird, in deren Gitterkreis die Spitzengleichrichtung
erfolgt, während über den Anodenkreis gleichzeitig eine Verstärkung der Wechselspannung
bewirkt wird. Weiterhin kann der Gleichrichterkreis vorteilhafterweise als Gegentaktstufe
ausgebildet werden, die den Vorteil bietet, daß der mittlere Pegel der Regelspannung
unabhängig von der Pulsamplitude ist.
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Ein Ausführungsbeispiel einer Impulsmischstufe gemäß der Erfindung
wird an Hand der Fig. 6a und 6b für den Fall der Anwendung einer Gleichrichtertriode
und an Hand der Fig. 8a und 8b in Verbindung mit einer Triode näher erläutert.
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Die Abtastung des Maximums geschieht in einfacher Weise durch die
Spitzengleichrichtung, wie sie in der Fig. 6a schaltungsmäßig dargestellt ist. An
die Mischschaltung werden die Oszillatorspannung mit der Frequenz f und die Pulsfolgespannung
mit der Frequenz f0 gelegt. Der Gleichrichter
Gl erhält durch die
Ladung des Kondensators C eine Vorspannung, die sich automatisch auf den Spitzenwert
der Oszillatorspannung einstellt. Damit das Maximum der resultierenden Spannung
möglichst scharf erfaßt wird, muß die Ladezeitkonstante des Gleichrichterkreises
TL = C
(Ri+Ra) klein sein gegenüber der Anstiegszeit der resultierenden Spannung
u. Darin bedeutet C die Kapazität des Kondensators, Ri den zusammengefaßten Innenwiderstand-
der beiden Spannungsgeneratoren und Rd den Durchlaßwiderstand des Gleichrichters.
Die Entladezeitkonstante TE = C
(R+Ri) wird zweckmäßig so gewählt, daß die
in der Ausgangsspannung uA enthaltene Komponente mit der Periode 1/fo bis zum nächsten
Impuls etwa abgeklungen ist. Mit R ist der parallel zum Ausgang der Mischstufe liegende
Entladewiderstand bezeichnet. Wählt man die Entladezeitkonstante größer, so erhält
man kleinere Wechselspannungsamplituden und im Grenzfall eine Gleichspannungskomponente,
die sich nicht mehr bequem verstärken läßt. Das Regelverhältnis ist unabhängig von
der Entladezeitkonstante. Die in der Ausgangswechselspannung enthaltene hochfrequente
Spannungskomponente mit der Frequenz f wird in einer nachgeschalteten Stufe ausgesiebt.
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In Fig. 6b bedeutet die stark ausgezogene Kurve den Spannungsverlauf
am Ausgang der Mischstufe. Die gestrichelte Kurve ergibt sich nach der Absiebung
der überlagerten hochfrequenten Komponente und stellt die eigentliche, von s abhängige
Regelwechselspannung dar. In der Fig.7 ist die Regelgleichspannung Ur, die
sich nach Gleichrichtung der Regelspannung ergibt, in Abhängigkeit vom Verhältnis
s = Pulsdauer/Periodendauer aufgezeichnet, wie sie durch Spitzengleichrichtung aus
der Maximal-Amplitude gewonnen wird. Für die Anwendung ist es besonders wichtig,
daß auch bei den üblicherweise erzeugten Impulsformen keine Nullstellen auftreten
und daß die Wirksamkeit mit wachsender Ordnungszahl der Oberwellen asymptotisch
abnimmt (Fig.7) (vgl. dazu Fig.5, die unter sonst gleichen Bedingungen die Regelspannung
aus dem mittleren Diodenstrom ableitet).
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Die Fig. 8a zeigt die Schaltung einer Impulsmischstufe unter Verwendung
einer Triode Tr. Die Spitzengleichrichtung wird hier im Gitterkreis durchgeführt;
über den Anodenkreis wird lediglich die Spannung am Gitter verstärkt. Dabei wird
die Grenzfrequenz durch die Bemessung des Tiefpasses Ra, C im
Anodenkreis
der Röhre so gewählt, daß die der Regelwechselspannung überlagerte hochfrequente
Oszillatorspannung möglichst stark bedämpft wird. Der Verlauf der niederfrequenten
Komponente mit der Periode 1/fo soll jedoch so gut übertragen werden, daß lediglich
der steile Anstieg abgeflacht wird. Um aus der das Phasenkriterium bildenden Anodenwechselspannung
u" die Regelgleichspannung Ur zu erhalten, muß die Anodenwechselspannung
in einer nachgeschalteten Stufe gleichgerichtet werden. In der Fig. 8b sind zur
Erläuterung der Vorgänge die Anodenwechselspannung u" und die Gitterspannung u9
aufgetragen. Unter der Zeitachse t gibt die ausgezogene Kurve den Spannungsverlauf
am Gitter der Triode wieder. Die gestrichelte Kurve mit dem steilen Anstieg ergibt
sich nach Absiebung der überlagerten Oszillatorspannung der Frequenz f. Die verstärkte
und durch den Tiefpaß R, C von der hochfrequenten Komponente befreite Ausgangsspannung
u" mit abgeflachtem Anstieg ist durch die Kurve oberhalb der Zeitachse wiedergegeben.