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Schaltungsanordnung zur Frequenzvervielfachung und ihre Anwendung
zur Frequenzmesgung Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur
Frequenzvervielfachung, wie sie auf vielen Gebieten der Fernmeldetechnik, so z.
B. in der Meßtechnik, angewandt wird. Frequenzvervielfachungsschaltungen wirken
dabei in der Weise, daß sie aus einer vorgegebenen Grundfrequenz eine gewünschte
Harmonische ableiten.
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Die bisher bekannten Schaltungen zur Frequenzvervielfachung sind,
falls sie mit gutem Wirkungsgrad in bezug auf Frequenztreue arbeiten, sehr aufwendig
und erfordern komplizierte Röhrenschaltungen sowie Einrichtungen zur Erzeugung der
benötigten, möglichst konstanten Betriebsspannungen.
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Zweck vorliegender Erfindung ist es, eine Frequenzvervielfachungsschaltung
zu schaffen, die mit einem wesentlich geringeren Aufwand an Schaltelementen eine
Frequenzvervielfachung über einen möglichst großen, insbesondere tiefere Frequenzen
einschließenden Frequenzbereich der Eingangsspannung bei konstant bleibendem Vervielfachungsfaktor
ermöglicht.
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Es sind bereits einige den gleichen Zweck verfolgende Schaltungsanordnungen
unter Verwendung einer Kathodenstrahlröhre mit langgestreckter Schlitzelektrode
bekanntgeworden, bei denen die in der Frequenz zu vervielfachende. sinusförmige
Eingangsspannung zur Ablenkung des Elektronenstrahls über eine Schlitzreihe herangezogen
wird, so daß der Elektronenstrahl im Takt der Überstreichung der einzelnen Schlitze
eine Intensitätsmodulation erhält, die ausgangsseitig ausgewertet wird. Dabei ist
die geometrische Anordnung der Schlitze auf der Schlitzelektrode derart getroffen,
daß bei einer sinusförmigen Ablenkung des Elektronenstrahls die einzelnen Schlitze
in gleichmäßigen Zeitabständen überstrichen werden und somit eine definierte Ausgangsfrequenz
entsteht. Außerdem sind bei diesen Schaltungen Maßnahmen getroffen, um die dem Ablenkelektrodenpaar
zugeführte Spannung zu stabilisieren und damit den Hub des Elektronenstrahls bei
seiner Bewegung über die Schlitzreihe größen- und lagemäßig festzulegen. Allen diesen
Schaltungen ist jedoch der Nachteil gemeinsam, daß eine besonders konstruierte Kathodenstrahlröhre
mit einer speziell ausgebildeten Schlitzelektrode verwendet werden muß, wodurch
die gesamte Schaltungsanordnung wesentlich verteuert wird.
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Die Erfindung zeigt einen Weg, wie eine Schaltungsanordnung zur Frequenzvervielfachung
bei vergrößerter Leistungsfähigkeit in bezug auf die erreichbare phasenmäßige Übereinstimmung
zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung und insbesondere auch in bezug auf die Unabhängigkeit
der Arbeitsweise von der Amplitude, der Frequenz, der Kurvenform und dem Mittelwert
der Eingangsspannung wesentlich einfacher und billiger aufgebaut werden kann als
die bisher bekannten Schaltungen dieser Art.
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Gemäß der Erfindung ist eine Schaltungsanordnung zur Frequenzvervielfachung,
insbesondere für Zwecke der Meß- und Zähltechnik, unter Verwendung einer Kathodenstrahlröhre
mit langgestreckter Schlitzelektrode, bei der der Elektronenstrahl von einer eingangsseitigen
periodischen Aussteuerspannung über die Schlitzreihe abgelenkt wird und durch die
hierbei entstehenden periodischen Unterbrechungen eine Intensitätsmodulation erfährt,
die an einer ausgangsseitigen Sammelelektrode in Form von Stromstößen abgreifbar
ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsspannung nach einer an sich bekannten
Umformung in eine Rechteckspannung einem integrierenden Glied zugeführt wird, welches
durch einen konstanten Zeitabstand gegeneinander aufweisende Flanken dieser Spannung
jeweils derart umgesteuert wird, daß eine symmetrische Dreieckspannung entsteht,
welche mittels eines Regelgliedes auf einen konstanten Spitzenwert geregelt wird
und bei Verwendung einer Kathodenstrahlröhre mit äquidistanten Schlitzen nach Art
einer Zählröhre als Aussteuerspannung dient.
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Bei der Schaltungsanordnung nach der Erfindung wird durch die Umformung
der Eingangsspannung in eine Rechteckspannung einerseits eine genaue Festlegung
der Nulldurchgänge erreicht, andererseits durch die begrenzende Wirkung des Umformers
eine Unabhängigkeit von Amplitudenschwankungen der Eingangsspannung innerhalb weiter
Grenzen. Die sich hierdurch für das nachgeschaltete integrierende Glied ergebende
Abhängigkeit der erzeugten Dreieckamplitude
von der Eingangsfrequenz
wird in besonders vorteilhafter Weise durch das gleiche Regelglied ausgeregelt,
das auch die durch Schaltungsunregelmäßigkeiten oder Störeinflüsse verursachten
Schwankungen der Dreieckamplitude ausregelt. Somit wird also durch die erfindungsgemäße
Schaltungsanordnung ein eigenes, die Amplitude der Eingangsspannung konstant haltendes
Regelglied eingespart. Durch eine einfache Schaltungsvariante ist es weiterhin möglich,
die sich bei einer Verschiebung des Mittelwertes der Eingangsspannung und einer
entsprechenden Phasenverschiebung der Spannungsnulldurchgänge ergebenden Fehlereinflüsse
völlig auszuschalten, wie später im einzelnen erläutert werden soll.
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Bei Frequenzmessern ist es bereits bekannt, den störenden Einfluß
von Amplitudenschwankungen und Verzerrungen der Meßspannung auf das Meßergebnis
dadurch auszuschalten, daß eine Umwandlung der Meßspannung in eine Rechteckspannung
vorgenommen wird, die dann einer nachgeschalteten Integrationsstufe zugeführt wird.
Dabei werden von den einzelnen Rechteckimpulsen jeweils abgeleitete Ladestromstöße
mittels eines Speicherkondensators integriert, wobei die Kondensatorladung unter
Beachtung einer bestimmten Entladezeitkonstante ein Maß für die zu messende Frequenz
darstellt.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines in der Zeichnung dargestellten,
bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Die Grundfrequenzschwingung wird hierbei den Eingangsklemmen 1 zugeführt
und in einem Umformer 2 in eine Rechteckspannung umgewandelt, wodurch eine Unabhängigkeit
der Schaltung von Amplitudenschwankungen der Grundfrequenzschwingung erzielt wird.
Die gewonnene Rechteckschwingung wird einem integrierenden Glied 3 zugeführt und
steuert dieses in der Weise, daß eine Dreieckspannung gebildet wird, deren positive
und negative Spitzen jeweils den Nulldurchgängen der Rechteckschwingung entsprechen.
Das integrierende Glied 3 ist dabei so aufgebaut, daß eine Dreieckschwingung mit
möglichst geraden Flanken entsteht. Nach einer Verstärkung in dem nachgeschalteten
Verstärker 4 wird die Dreieckspannung dem elektronenoptischen Ablenksystem einer
Zählröhre 5 zugeführt, welches eine Ablenkung des Elektronenstrahls 6 über die Breite
der langgestreckten Schlitzelektrode 7 bewirkt. Die Ablenkung erfolgt dabei im einzelnen
so, daß die ansteigende Flanke des Dreiecks eine Ablenkung des im Ruhezustand auf
den linken Rand der Schlitzelektrode 7 gelenkten Elektronenstrahls 6 bis an den
rechten Rand der Schlitzelektrode 7 bewirkt, während die darauffolgende abfallende
Flanke des Dreiecks den Elektronenstrahl 6 wieder an den linken Rand der Schlitzelektrode
7 zurückführt. Während dieser Ablenkbewegungen zeigt der von der Auffang- bzw. Sammelelektrode
8
der Zählröhre weitergeleitete Strahlstrom eine Intensitätsmodulation, die
dadurch entsteht, daß beim Überstreichen der in gleichmäßigen Abständen voneinander
angeordneten Schlitze 9 durch den Elektronenstrahl wesentlich mehr Elektronen zur
Auffangelektrode 8 gelangen, als wenn der Elektronenstrahl auf die Schlitzelektrode
auftrifft. Die entsprechende Frequenz der Intensitätsmodulation entspricht dabei
der Anzahl der vom Elektronenstrahl bei seinem Hin-und Rücklauf über die Schlitzelektrode
7 während einer Periode der Dreieckschwingung überstrichenen Schlitze, von denen
jeder einzelne ein Maximum der Strahlstromstärke hervorruft. Bei geeigneter Ausbildung
der Form der Schlitze 9 entspricht der Modulationsverlauf in guter Annäherung einer
Sinusform, so daß an einem im Anodenkreis der Zählröhre 5 vorgesehenen Widerstand
10 eine angenäherte Sinusspannung abnehmbar ist, deren Frequenz der Modulationsfrequenz
entspricht.
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Unter der Annahme, daß jeder Nulldurchgang der im Umformer 2 entstehenden
Rechteckspannung das folgende integrierende Glied 3 zur Erzeugung einer an- bzw.
absteigenden Dreieckflanke veranlaßt, d. h. daß die positiven und negativen Spitzenwerte
der Dreieckspannung jeweils den einzelnen unmittelbar aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen
der Rechteckspannung entsprechen, ist die Frequenz der vom integrierenden Glied
3 gelieferten Dreieckspannung der Eingangsfrequenz gleich. Die am Widerstand
10
abgreifbare Ausgangsspannung weist in diesem Fall einen Frequenzvervielfachungsfaktor
auf, der größenmäßig mit der Anzahl der Schlitze übereinstimmt, die der Elektronenstrahl
bei einem Hin- und Rücklauf entsprechend einer Periode der Dreieckspannung bzw.
der Eingangsgrundschwingung überstreicht. Dabei kann es zweckmäßig sein, die annähernd
sinusförmige Ausgangsspannung über einen nachgeschalteten Umformer 11 zu
leiten, der an die Ausgangsklemmen 13 eine Rechteckspannung abgibt.
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Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn es auf eine Zählung der
Ausgangsspannungsperioden, beispielsweise zum Zwecke einer Frequenzmessung, ankommt.
In diesem Fall kann die Frequenz der Eingangsspannung bei Berücksichtigung des bekannten
Frequenzvervielfachungsfaktors der Schaltungsanordnung dadurch ermittelt werden,
daß die an den Ausgangsklemmen 13 auftretenden Rechteckimpulse innerhalb einer bestimmten
Zeiteinheit gezählt werden. Eine derartige Frequenzzählung kann jedoch auch mit
Hilfe der am Widerstand 10 auftretenden sinusförmigen Schwingungen vorgenommen
werden.
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Bei stark unsymmetrischer Eingangsspannung entsteht im Umformer 2
eine Rechteckspannung, deren Nulldurchgänge abwechselnd große und kleine, von Periode
zu Periode jedoch gleichbleibende zeitliche Abstände voneinander aufweisen. In diesem
Fall ist es zur Erzeugung einer symmetrischen Dreieckspannung mit gleich stark geneigten
Flanken notwendig, jeweils nur jeden zweiten Nulldurchgang zur Erzeugung einer an-
bzw. absteigenden Flanke auszunutzen, wodurch in diesem Fall der Frequenzvervielfachungsfaktor
auf die Hälfte herabgesetzt wird. Eine möglichst exakte Dreieckform mit geraden
und gleichmäßig geneigten Flanken ist vorteilhaft, da die Regelmäßigkeit der entstehenden
Modulationsschwingung davon in starkem Maße abhängt.
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Zur Gewährleistung einer sicheren und stabilen Arbeitsweise ist es
erforderlich, die Amplitude der am Ablenksystem liegenden Dreieckspannung auf einen
konstanten Wert einzuregeln, was durch eine Regelschaltung 12 geschehen kann, die
dem integrierenden Glied 3 eine entsprechende Regelspannung zuführt.
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Durch eine geeignete Ausbildung der die Intensitätsmodulation des
Elektronenstrahls hervorrufenden Elektrode ist es bekanntlich möglich, eine sinusförmige
Eingangsgrundschwingung in eine im Anodenkreis der Kathodenstrahlröhre auftretende
rechteck-
oder auch dreieekförmige Ausgangsspannung mit entsprechend vervielfachter Frequenz
umzuwandeln. Für das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel unter Verwendung
einer Zählröhre 5 ist dies durch eine entsprechende Formgebung der Schlitze 9 in
der Schlitzelektrode 7 erreichbar.
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Mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist es möglich, die
herkömmlichen Verfahren zur Frequenzmessung durch Zählung der Nulldurchgänge in
der Weise zu verbessern, daß auch bei tiefen Frequenzen, bei denen bisher in dem
der Messung zugrunde liegenden Zeitintervall der jeweils letzte Nulldurchgang nicht
mehr eindeutig angezeigt wurde, durch eine für Meßzwecke genügend genaue Vervielfachung
der Nulldurchgänge eine wesentlich größere Meßgenauigkeit erzielt wird oder daß
bei einer gleich großen Meßgenauigkeit wie bei den bekannten Verfahren das der Messung
zugrunde liegende Zeitintervall bedeutend verkürzt werden kann. Eine Anwendung der
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung für Zwecke der Frequenzmessung durch Zählung
der Nulldurchgänge ist schon deswegen äußerst vorteilhaft, weil in einfacher Weise
z. B. ein zehnfacher Vervielfachungsfaktor eingestellt werden kann, der die Anwendung
einer dekadischen Zählmethode erleichtert.