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Frequenzdiskriminator zum Vergleich zweier Signale zwecks Herbeiführung
einer sehr geringen Frequenzabweichung derselben Die Erfindung betrifft einen Frequenzdiskriminator
zum Vergleich zweier Signale zwecks Herbeiführung einer sehr geringen Frequenzabweichung
derselben. Derartige Diskriminatoren sind Schaltungsanordnungen, die dazu bestimmt
sind, ein elektrisches Signal, ein sogenanntes Fehlersignal, zu liefern, dessen
Amplitude entweder allein von der zwischen den beiden zu vergleichenden Signalen
bestehenden Frequenzabweichung oder auch von der zwischen diesen beiden Signalen
vorhandenen Phasenabweichung abhängt. Die zu vergleichenden Signale werden an die
Eingangsklemmen des Diskriminators gelegt, und das Fehlersignal erscheint an den
Ausgangsklemmen dieses Diskriminators.
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Derartige Diskriminatoren werden insbesondere zum Synchronisieren
eines Oszillators auf ein äußeres Signal verwendet, wobei das Signal des Oszillators
und das äußere Signal an die Eingangsklemmen des Diskriminators gelegt werden, während
des an den Ausgangsklemmen desselben auftretende Fehlersignal zur Steuerung eines
an den Oszillator geschalteten veränderlichen Blindwiderstands benutzt wird, um
die Betriebsfrequenz des Oszillators zu ändern.
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In bisher bekannter Weise wird ein einfacher Phasendiskriminator verwendet.
Dieser gestattet die Synchronisierung der beiden verglichenen Signale nur dann,
wenn ihre Frequenzabweichung verhältnismäßig gering ist, wodurch eine Handbetätigung
des betreffenden Bedienungsmannes notwendig wird. Um eine zuverlässige und selbsttätige
Synchronisierung selbst bei großer Frequenzabweichung sicherzustellen, bedient man
sich gewöhnlich einer Hilfsmodulation der Oszillatorfrequenz, um sicher zu sein,
daß die Oszillatorfrequenz im einen oder anderen Augenblick mit der Frequenz des
äußeren Signals zusammenfällt. In diesem Augenblick fallen die beiden Schwingungen
in Tritt. Wenn auch damit eine Lösung des Problems gegeben ist, weist doch dieses
bisher übliche Verfahren Mängel auf, denn, wenn einmal das Intrittfallen der Signale
erfolgt ist, ruft die Hilfsmodulationsschaltungsanordnung gewöhnlich eine Störmodulation
der zwischen dem Signal des Oszillators und dem äußeren Signal bestehenden Phasendifferenz
hervor. Zwar läßt sich dieser Nachteil dadurch vermeiden, daß man nach dem Intrittfallen
die Hilfsmodulationsschaltanordnung aus dem Stromkreis herausschaltet; dies macht
jedoch zusätzliche Stromkreise notwendig, wodurch die Einrichtung komplizierter
wird und deren Kostenaufwand sich vergrößert.
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Es ist auch schon ein Frequenzdiskriminator der eingangs genannten
Art mit zwei Mischstufen bekannt, an die die einfallenden Signale angelegt sind,
von denen das eine, an eine der beiden Mischstufen angelegte Signal gegenüber dem
an die andere Mischstufe angelegten Signal gleichen Ursprungs um 90° phasenverschoben
ist. Bei dieser vorbekannten Schaltung werden die aus den Mischstufen austretenden,
sich ergebenden überlagerungsschwingungen unmittelbar an einen einen Oszillator
steuernden Steuerkreis angelegt.
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Der hier vorgeschlagene Frequenzdiskriminator stellt eine vorteilhafte
Weiterentwicklung dieser soeben beschriebenen vorbekannten Schaltung dar und ist
vor allem dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Mischstufe vorgesehen ist, die
die von den beiden ersten Mischstufen abgegebenen und gegebenenfalls anschließend
verstärkten Signale nach Durchlauf des einen Signals durch ein Differentiierglied
vergleicht und so ein Fehlersignal abgibt, das der Steuerung der Frequenz des einen
und/oder des anderen der einfallenden Signale dient. Mit diesem Frequenzdiskriminator
erhält man in bekannter Weise zwei Zeichen aus Überlagerung zwischen der von dem
zu steuernden Oszillatör gelieferten Schwingung und der Eichschwingung; welche beiden
Schwingungen zueinander um 90° phasenverschoben sind und deren Amplituden leichte
Amplitudenänderungen ebenfalls bei einer gegenseitigen Phasenverschiebung von 90°
aufweisen. In den einen der beiden
Übertragungswege ist erfindungsgemäß
ein Differentiierglied bekannter Bauart eingeschaltet, das dem an es angelegten
Wechselsignal einerseits eine Phasendrehung um gibt und andererseits einen Übertragungskoeffizienten
zur Folge hat, welcher der Frequenz des von ihm empfangenen Wechselsignals proportional
ist. Nach einer gegebenenfalls erneuten Verstärkung und Mischung in der dritten
Mischstufe ergeben diese auf Grund der durch das Differentiierglied erzeugten Phasenverschiebung
in Phase oder in Gegenphase stehenden Signale ein Signal, von dem zumindest eine
Komponente sich in ihrer Amplitude in Abhängigkeit der überlagerungsfrequenz ändert.
Die Amplitude dieser Komponente am Ausgang dieser letzten Mischstufe ist praktisch
allein proportional dieser überlagerungsfrequenz und dient als Fehlersignal, um
die Frequenz des einen und/oder des anderen der einfallenden Signale zu steuern.
Diese Schaltung läßt sich zur Steuerung der Synchronisation nicht modulierter Wellen
verwenden. Das am Ausgang dieses Frequenzdiskriminators auftretende Fehlersignal
ist genau proportional der Frequenzdifferenz. Dieses Fehlersignal kann dazu benutzt
werden, mit an sich bekannten Mitteln die Frequenz des einen der einfallenden Signale
zu steuern. Ist die Schaltrichtung entsprechend gewählt, bewirkt dieses Fehlersignal
eine Verminderung der Frequenzabweichung zwischen den beiden einfallenden Signalen
und kann sogar diese Frequenzabweichung auf einen äußerst geringen Wert herabsetzen.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung
wird das von dem Frequenzdiskriminator abgegebene Signal mit dem aus dem einen oder
anderen der beiden ersten Mischstufen austretenden Signal zur Schaffung einer zusätzlichen,
den genauen Gleichlauf der beiden einfallenden Signale sicherstellenden Phasendiskriminierungsfunktion
kombiniert. Die hierbei den beiden ersten Mischstufen abgenommene und zweckmäßig
gefilterte Komponente besitzt eine Amplitude, die sich mit dem Phasenwinkelabstand
zwischen den beiden einfallenden Signalen ändert. Auf Grund dieser zusätzlichen
Komponente ruft das auf die Frequenz des einen der einfallenden Signale einwirkende
Fehlersignal, sobald der Frequenzabstand zwischen den beiden einfallenden Signalen
in der oben beschriebenen Weise genügend klein geworden ist, das Intrittfallen der
beiden Signale mit einer bestimmten und wenig veränderlichen Phase hervor. Auf diese
Weise erhält man einen genauen Gleichlauf der beiden einfallenden Signale.
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Zum besseren Verständnis der mit der Erfindung vorgeschlagenen Merkmale
und der durch sie erzielten Vorteile wird folgend an Hand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel
eines Frequenzdiskriminators der erfindungsgemäßen Art beschrieben. Zum Zweck der
Vereinfachung sind in dieser Zeichnung die Verbindungen zwischen den verschiedenen,
in Form eines Blockschaltbildes veranschaulichten Schaltanordnungen nur einpolig
dargestellt.
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Ein Oszillator 1 gibt ein Signal ab, das in irgendeiner bekannten
Weise in der Schaltung 2 Änderungen wie Frequenzvervielfachungen, -teilungen
oder -umwandlungen unterworfen werden kann. Das von der Schaltung 2 oder
bei deren Abwesenheit unmittelbar vom Oszillator 1 abgegebene Signal wird in den
beiden Mischstufen 3 und 4 mit dem Signal kombiniert, mit dem man
das erstere Signal zu vergleichen wünscht. Dieses zweite Signal kommt von der Anschlußklemme
5. Diese beiden Signale besitzen grundsätzlich die gleiche Nennfrequenz:
Das von der Schaltung 2 abgegebene Signal wird an die beiden Mischstufen 3 und
4 erst nach Durchlauf durch ein an sich bekanntes Schaltungselement
6 gelegt, das die Aufgabe hat, zwischen den beiden von der Schaltung 2 abgegebenen
bzw. an die Mischstufen 3 und 4 angelegten Signalen eine möglichst genaue
Phasenverschiebung von 90° hervorzurufen. Die beiden Mischstufen können in ebenfalls
bekannter Weise jeweils aus einem Element mit einseitiger Leitfähigkeit, z. B. einer
Diode oder einer Diodenbrücke oder einer sonstigen gleichwirkenden Schaltungsanordnung,
bestehen.
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Die Überlagerung der von der Schaltung 2 und Klemme
5 abgegebenen Signale in den Mischstufen 3 und 4 ergibt auf den Leitungen
7 und 8 Signale, deren Amplitude unmittelbar von der Amplitude und der Phasendifferenz
der an die Mischstufen 3 und 4
angelegten Signale abhängig ist. Wenn die von
der Schaltung 2 und der Klemme 5 gelieferten Signale eine Frequenzdifferenz
aufweisen, besitzen die auf den Leitungen 7 und 8 fließenden Signale unter
anderem eine Frequenzkomponente, die gleich dieser Frequenzdifferenz ist. Die auf
den Leitungen 7 und 8
vorhandenen Signale sind wechselseitig um 9(3° gegeneinander
verschoben. Sind die von der Schaltung 2 und der Klemme 5 abgegebenen Signale synchron,
jedoch mit einer verhältnismäßig leicht veränderlichen Phase zueinander, weisen
die auf den Leitungen 7 und 8 laufenden Signale leichte Amplitudenveränderungen
ebenfalls bei einer wechselseitigen Phasenverschiebung von 90° auf.
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Die auf den Leitungen 7 und 8 fließenden Signale werden in
irgendeiner Weise an zwei Verstärkerketten 9 und 11 bzw.
10 und 12 gelegt. In eine der beiden Verstärkerketten, beispielsweise
die Verstärkerkette 10 und 12, wird ein Differentiierglied
13 eingeschleift, das in der hier beispielsweise dargestellten Weise aus
einer Reihenkapazität und einem Ableit widerstand besteht. Bekanntlich hat ein solches
Stromglied die Eigenschaft, einem an es angelegten Wechselsignal eine Phasendrehung
um
zu geben und andererseits mit einem übertragungskoeffizienten zu behaften, der der
Frequenz des Wechselsignals proportional ist. Dies stimmt zumindest so lange, als
die Frequenz dieses Signals derart ist, daß der Blindwiderstand dessen in Reihe
geschalteten Kondensators wesentlich höher als der Wert des Ableitwiderstandes ist.
Die von den Verstärkern 11 und 12
abgegebenen Signale werden sodann
an eine weitere Mischstufe 14 gelegt, die vorzugsweise in Form einer Brückenschaltung
aufgebaut ist.
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Die beiden Verstärkerketten 9, 11 und 10, 12 besitzen
grundsätzlich die gleiche Eigenschaft der Phasenverschiebung in Abhängigkeit der
Frequenz des angelegten Signals. Auf Grund des Vorhandenseins des Differentiiergliedes
13 wird das die Verstärkerkette 10, 12 durchlaufende Signal im Verhältnis
zu dem durch die Verstärkerkette 9, 11 fließenden Signal einer zusätzlichen
Phasendrehung von
unterworfen. Es wurde bereits ausgeführt, daß die auf den Leitungen 9 und 8 vorhandenen
Signale zueinander
um 90° phasenverschoben sind. Wenn eines der
beiden Signale durch das Differentiierglied 13 einer zusätzlichen Phasenverschiebung
um 90° unterworfen wird, befinden sich die von den Verstärkern 11 und 12 abgegebenen
Signale in Phase oder in Gegenphase, und zwar entsprechend der Richtung der ursprünglichen
Phase zwischen den auf den Leitungen 7 und 8 laufenden Signale. Die von den Verstärkern
11 und 12 abgegebenen Signale ergeben durch ihre Überlagerung in der Mischstufe
14 ein Signal, von dem zumindest eine Komponente sich in ihrer Amplitude in Abhängigkeit
der überlagerungsfrequenz zwischen den von der Schaltung 2 und der Klemme 5 abgegebenen
Signalen ändert. Diese Frequenz ist gleich der Frequenzdifferenz zwischen diesen
beiden letzteren Signalen, die gleich derjenigen der von den Verstärkerketten 9,
11 und 10, 13, 12 übertragenen Signalen ist. Wenn somit die Amplituden der von der
Schaltung 2 und der Klemme 5 abgegebenen Signale konstant gehalten werden, ist die
Amplitude der von der Mischstufe 14 abgegebenen besagten Komponente praktisch
allein proportional dieser überlagerungsfrequenz. Diese Komponente wird über ein
aus einem Reihenwiderstand 15 und einer Kapazität 16 bestehenden Filter und über
einen weiteren Widerstand 17 an die Leitung 18 gelegt, die zu einer Schaltung
19, beispielsweise einem veränderlichen Blindwiderstand, führt, der in der
Lage ist, die Schwingungsfrequenz des Oszillators 1 zu ändern, der mit der Schaltung
19 verbunden ist. Das auf der Leitung 18 fließende Signal muß einen solchen Richtungssinn
haben, daß es die Frequenzabweichung zwischen dem von der Schaltung 2 abgegebenen
und dem an der Klemme 5 liegenden Signal zu vermindern sucht. Die beschriebene Schaltungsanordnung
läßt daher diese Frequenzabweichung bis auf einen Wert absinken, der äußerst klein
sein kann. Die Schaltungselemente 6 bis 17 bilden mithin eine Art Frequenzdiskriminator,
dessen Fehlersignal der zwischen den ihm zugeführten Signalen bestehenden Frequenzabweichung
genau proportional ist.
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Wünscht man diese Frequenzabweichung völlig zu beseitigen, um einen
genauen Gleichlauf der Signale zu erreichen, so genügt es, am Ausgang des einen
der Mischstufen 3 oder 4, beispielsweise - wie in der Zeichnung dargestellt - am
Ausgang der Mischstufe 4, ein Signal zu entnehmen, dessen Amplitude genau der zwischen
den an die Mischstufe 4 angelegten Signalen bestehenden Phasendifferenz entspricht,
und dieses Signal, z. B. über einen Widerstand 20, an das Netzwerk 15, 16, 17 und
demgemäß an die Leitung 18 und die Frequenzsteuerschaltung 19 zu übertragen. Wenn
der Frequenzdiskriminator die Frequenzabweichung zwischen den von der Schaltung
2 und der Klemme 5 abgegebenen Signale ausreichend vermindert hat, bringt der hier
durch die Mischstufe 4 gebildete Phasendiskriminator die einfallenden Signale in
Gleichlauf, so daß damit die gestellte Aufgabe gelöst ist.
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Das Schaltungsglied 6, das zwischen den von der Schaltung 2 abgegebenen
bzw. an die Mischstufen 3 und 4 angelegten Signalen eine Phasenverschiebung von
90° hervorruft, kann irgendeinen bekannten Aufbau haben. Wenn die Frequenz der von
der Schaltung 2 abgegebenen Signale von einem festen Wert gering abweicht, kann
man von der Eigenschaft gekoppelter Stromkreise Gebrauch machen, gemäß welcher diese
von gegeneinander um 90° phasenverschobenen Ströme durchlaufen werden. Abweichend
kann man aber auch Phasenschiebernetze verwenden, die den an die Mischstufen 3 und
4 angelegten Signalen Phasenverschiebungen um
im einen und im anderen Sinne auferlegen, um diesen Signalen eine gegenseitige Phasenverschiebung
von
zu geben. Diese Teilphasenverschiebungen können selbstverständlich auch andere Werte
haben, vorausgesetzt, daß die sich ergebende gegenseitige Phasenverschiebung
wird. Wenn die Frequenz der von der Schaltung 2 und der Klemme 5 abgegebenen Signale
sich in einem verhältnismäßig breiten Frequenzband ändern soll, lassen sich Phasenschieberkrsise
verwenden, wie solche in der französischen Patentschrift 982 989 beschrieben sind.
Gemäß dieser Patentschrift werden derartige Phasenschieberkreise in dem Hörfrequenzbereich
benutzt, um ein Einseitenbandsignal zu verarbeiten. Ihre Eigenschaft, eine genau
konstante Phasenverschiebung um 90° in einem breiten Frequenzband zu verwirklichen,
kann auch auf den Bereich der Hochfrequenz erstreckt werden. Man verbindet zu diesem
Zweck die Schaltungen 2 und 3 durch ein Phasenschiebernetz, das demjenigen entspricht,
das in der F i g. 1 vorgenannten Patents beschrieben ist, und die Schaltungen 2
und 4 durch ein weiteres Netz entsprechenden Aufbaus, dessen Eigenschaften jedoch
derart bestimmt sind, daß die an die Mischstufen 3 und 4 angelegten Signale eine
verhältnismäßig konstante Phasenverschiebung von 90° ungefähr in dem betrachteten
Frequenzband aufweisen.
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Die bei 6 schematisch angedeutete Phasenschieberschaltung kann selbstverständlich
auch zwischen die Klemme 5 und die Mischstufen 3 und 4 geschaltet werden, die dann
das von der Schaltung 2 abgegebene Signal unmittelbar empfangen.
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Zum besseren Verständnis ist das Differentiierglied 13 gegenüber
den Verstärkern 10 und 12 unterschiedlich dargestellt. In der Praxis
wird demgegenüber von Vorteil sein, wenn diese drei Schaltelemente in einer einzigen
Verstärker-Differentüer-Schaltung zusammengefußt sind, die die gewünschte Betriebsweise
bewirkt. Die für die Verstärker 9 bis 12 notwendige Bandbreite ist nach unten durch
die Maximalfrequenz, für die der Phasendiskrimnator das die genaue Synchronisierung
zwischen den einfallenden verglichenen Signalen gebende Intrittfallen bewirken kann,
und nach oben durch die maximale Frequenzabweichung zwischen diesen gleichen Signalen
begrenzt, für die man den Betrieb des Frequenzdiskriminators noch sicherzustellen
wünscht. Das Netzwerk 13 muß daher solche Eigenschaften haben, daß es seine Funktion
als Differentiierstromkreis für eine dieser selben Maximalabweichung entsprechende
Frequenz beibehält.
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Die wesentliche Betriebsweise der hier vorgeschlagenen Schaltanordnung
wird durch die Anwesenheit oder Abwesenheit einer Trägerwelle nicht geändert. Die
Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung findet im wesentlichen Anwendung auf den
Fall, in dem man die Synchronisation von nicht modulierten Wellen sicherzustellen
wünscht. Eine gegebenenfalls vorhandene Modulation der Amplitude dieser Wellen
würde
den Betrieb der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Schaltungsanordnung keineswegs erleichtern.
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Das von der dritten Mischstufe abgegebene Fehlersignal wirkt entsprechend
der vorhergehenden Beschreibung auf die eine der Quellen der einfallenden Signale
ein. Es könnte aber auch dafür herangezogen werden, um im umgekehrten Sinne auf
die Frequenz der einen und der anderen Signalquelle einzuwirken.