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Schaltung zur selbsttätigen Ausregelung von Frequenzschwankungen eines
HF-Schwingkreises Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur selbsttätigen Ausregelung
von Frequenzschwankungen eines mit einer Kapazitätsdiode abgestimmten Schwingkreises
für hochfrequente elektrische Schwingungen.
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Unter einer Kapazitätsdiode versteht man eine Flächendiode, in der
sich bei Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes in Sperrichtung eine nichtleitende
Zwischenschicht bildet, so daß die Diode wie ein Kondensator wirkt. Das elektrische
Feld erzielt man durch Anlegen einer Steuerspannung in Sperrichtung. Durch Andern
der Steuerspannung kann man die Kapazität des durch die Kapazitätsdiode gebildeten
Kondensators variieren. Damit erhält die Kapazitätsdiode praktisch die Eigenschaften
eines Drehkondensators.
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In der USA.-Patentschrift 2152336 wird eine Schaltung für einen
überlagerungsempfänger beschrieben. Zusätzlich zu dem Demodulator ist an die Zwischenfrequenz
ein Diskriminator angeschlossen. Der Diskriminator stellt eine Abweichung der Zwischenfrequenz
vom Sollwert fest und läßt dann einen Motor anlaufen, der übliche mechanische Drehkondensatoren
in der HF-Eingangsstufe und im Oszillator so lange verdreht, bis die Zwischenfrequenz
wieder ihren Sollwert erreicht. Bei dieser Schaltung ist der mechanische und der
Raumaufwand hoch. Weiter können die elektrischen Werte eines Drehkondensators ohne
die Möglichkeit einer Korrektur von denen des anderen Drehkondensators abweichen,
so daß ein Gleichlauf und eine exakte Abstimmung nicht gewährleistet sind.
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In der britischen Patentschrift 833 242 wird eine Abstimmschaltung
beschrieben, bei der Dioden dazu ausgenutzt werden, Frequenzverstimmungen, die durch
Temperaturänderungen oder Spannungsschwankungen hervorgerufen werden, zu vermeiden.
Die Schaltung ist im wesentlichen so aufgebaut, daß eine Diode mit der Kapazität
und eine zweite Diode mit der Induktivität des Schwingkreises in Reihe liegt. Temperaturänderungen
und Spannungsschwankungen beeinflussen beide Dioden gleichzeitig, und diese sind
so geschaltet, daß sich in der einen und in der anderen Richtung ergebende Freqenzänderungen
ganz oder nahezu auslöschen.
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In der USA.-Patentschrift 2 541329 wird eine Schaltung zur Fernsteuerung
eines Abstimmkreises beschrieben. Zur Abstimmung dient ein Motor, der Drehkondensatoren
in der HF-Eingangsstufe und im Oszillator steuert, und der über ein Relais von einem
Frequenzdiskriminator dann in Betrieb gesetzt wird, wenn eine bestimmte Frequenz
von einem Sollwert abweicht. Wegen der mechanischen Abstimmung ist der Abstimmbereich
begrenzt. Weiter ist der Raumbedarf hoch.
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In der deutschen Patentschrift 727 612 wird noch eine Einrichtung
zur Fernabstimmung eines Oszillators beschrieben. Kapazitätsdioden werden in dieser
Einrichtung nicht beschrieben, so daß sie kein Vorbild für die erfindungsgemäße
Schaltung darstellt.
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Der Erfindung liegt die Ausbildung einer Schaltung zur selbsttätigen
Ausregelung von Frequenzschwankungen eines mit einer Kapazitätsdiode abgestimmten
Schwingkreises für hochfrequente elektrische Schwingungen zugrunde. Diese Aufgabe
wird gelöst durch die Verwendung der bei der selbsttätigen Frequenzregelung eines
Oszillators mittels eines Frequenz- oder Phasendiskriminators und einer gleichartigen
Kapazitätsdiode entstehenden Regelspannung des Diskriminators als Steuerspannung
für die Kapazitätsdiode des Schwingkreises, wodurch der Schwingkreis wie auch der
Oszillator kontinuierlich im Gleichlauf abgestimmt werden.
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Die Schaltung hat einen kleinen Raumbedarf und läßt sich sowohl für
Sende- als auch für Empfangszwecke verwenden. Der Vorteil liegt darin, daß Änderungen
in den elektrischen Werten der Kapazitätsdiode des Schwingkreises von gleichen Änderungen
der Kapazitätsdiode des Oszillators begleitet
werden, so daß der
Diskriminator eine Regelspannung erzeugt, die die Kapazitätsdiode des Schwingkreises
in Richtung auf den Sollwert steuert.
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Ein zweiter Gedanke der Erfindung liegt darin, daß bei Anwendung dieser
Schaltung auf einen Überlagerungsempfänger mehrere Hochfrequenzschwingkreise in
Parallelschaltung betrieben werden und der Oszillator als Überlagerungsoszillator
verwendet ist. Dadurch erhält man eine selbsttätige Ausregelung der Frequenzschwankungen
in sämtlichen Hochfrequenzschwingkreisen, die in einem Überlagerungsempfänger enthalten
sind.
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Die Erfindung sieht weiter vor, daß die Kapazitätsdiode des Schwingkreises
in an sich bekannter Weise durch zwei getrennte Kapazitätsdioden dargestellt ist,
die für Gleichstrom parallel, für Wechselstrom in Reihe liegen. Die Vorteile einer
solchen Schaltung sind in »radio und fernsehen«, 1961, S. 604, beschrieben.
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Ein weiterer erfindungsgemäßer Gedanke liegt darin, daß eine gegenüber
Massepotential einstellbare Vorspannung in an sich bekannter Weise mit der Steuerspannung
für die Kapazitätsdiode(n) in Reihe geschaltet ist. Dadurch erhält man ein Mittel
zur Abstimmung des Schwingkreises.
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Die Erfindung wird nun am Beispiel der in der Zeichnung gezeigten
Schaltungen näher beschrieben. Dabei ist F i g. 1 schematisch ein Schaltbild eines
Schwingkreises,' bei dem Frequenzschwankungen erfindungsgemäß ausgeglichen werden,
F i g. 2 eine Abwandlung der in F i g. 1 gezeigten Schaltung, F i g. 3 schematisch
das Schaltbild eines überlagerungsempfängers, bei dem die Hochfrequenzschwingkreise
erfindungsgemäß in Parallelschaltung betrieben werden, und F i g. 4 das Schaltbild
eines überlagerungsempfängers, bei dem eine einstellbare Vorspannung mit der Steuerspannung
der Kapazitätsdioden in Reihe liegt.
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Der in F i g. 1 gezeigte Schwingkreis 1 enthält die Induktivität 2
und die Kapazitätsdiode 3. Zum Beispiel handelt es sich um eine Diode, die bei Anlegen
einer Steuerspannung bis zu etwa 150 Volt eine wirksame Kapazität von 500 pF aufweist.
Die Steuerspannung wird über die Leitung 4 zugeführt. Der Kondensator 5 hält die
Steuergleichspannung von der Induktivität 2 ab. Die Kapazität dieses Kondensators
5 ist im Vergleich zu der Kapazität der Kapazitätsdiode 3 groß.
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Die Steuerspannung wird am Ausgang des mit dem Oszillator 18 verbundenen
Frequenzdiskriminators 45 abgenommen. Als Diskriminator läßt sich jeder Typ verwenden,
der eine Gleichspannung erzeugt, deren Größe eine Funktion der angelegten Frequenz
ist. Der Oszillator 18 erhält den Verstärker 19 und den abstimmbaren Schwingkreis
21. Die Parameter des Schwingkreises 21 sind vorzugsweise den Parametern des Schwingkreises
1 ähnlich und haben einen mit diesem vergleichbaren Abstimmbereich. Zum Schwingkreis
21 gehört die spannungsabhängige Kapazitätsdiode 29 und der Kondensator 33. Durch
die über den Transformator 20 erfolgende Mitköpplung wird eine Selbsterregung aufrecht
erhalten. Die Frequenz des Oszillators 18 ist beispielsweise mittels der Induktivität
25 oder des Kondensators 21c veränderbar. Wie nachstehend noch erläutert wird, sind
Änderungen auch durch Änderungen der Steuerspannung der Kapazitätsdiode 29 möglich.
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Die von dem Frequenzdiskriminator 45 abgegebene Regelspannung wird
den Kapazitätsdioden 3 und 29 in Parallelschaltung als Steuerspannung zugeführt.
Sollte die Schwingfrequenz des Oszillators 18 aus irgendeinem Grunde von
der Sollfrequenz abweichen, ergibt sich eine entsprechende Änderung in der auf der
Leitung 4 liegenden Regelspannung vom Ausgang des Frequenzdiskriminators 45. Die
auf der Leitung 4 auftretende Steuerspannungsänderung wird der Kapazitätsdiode 29
zugeführt, um der Frequenzänderung entgegenzuwirken. Da aber sowohl die Kapazitätsdiode
3 als auch die Kapazitätsdiode 29 auf die Spannungsänderung ansprechen, werden die
Abstimmungen der Schwingkreise 1 und 21 unabhängig von den absoluten Werten der
auf der Leitung 4 auftretenden Steuerspannung miteinander gekoppelt.
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Alternativ kann die Schwingfrequenz des Oszillators 18, wie F i g.
2 zeigt, von außen eingestellt werden. Bei Vergleich der Frequenz des Oszillators
18 in dem Phasendiskriminator 45a mit der von einer äußeren Quelle 40 zugeführten
Schwingung wird die von dem Phasendiskriminator 45 a abgegebene Regelspannung
zu einer Funktion der Differenz der Frequenzen der beiden dem Phasendiskriminator
45a zugeführten Schwingungen, und der Oszillator 18 wird von der Schwingung
des Generators 40 in der Frequenz mitgezogen. Die Frequenz der Quelle 40 ist kontinuierlich
oder - wie F i g. 3 zeigt - auch stufenweise einstellbar.
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Die Quelle 40 wird durch einen üblichen Oszillator gebildet. Der Schaltungsaufbau
des Oszillators ist beliebig und kann von jeder Bauart sein, die auf der Vorderseite
eine geeichte Frequenzeinstellung aufweist. Auch der Phasendiskriminator
45 a zum Vergleich der Phase der Frequenzen der beiden Oszillatoren kann
von beliebiger Bauart sein: Der in F i g. 2 gezeigte Phasendiskriminator
45 a enthält eine Brücke, die in jedem Zweig eine Diode enthält. Die Dioden
sind so polarisiert, daß beim Anlegen der zu vergleichenden Frequenzen an den beiden
Diagonalen der Brücke ein Gleichstrom erhalten wird, dessen Wert der Differenzphase
entspricht. Am Ausgang des Diskriminators 45a liegt ein Tiefpaßfilter 46.
Dieses schwächt die Differenzfrequenzkomponenten nach ihrer Frequenzzahl unterschiedlich
stark. Das gezeigte Tiefpaßfilter enthält Reiheninduktivitäten und Parallelkapazitäten
mit einem kapazitiven Eingang und einem Widerstandsausgang. Die von dem Tiefpaßfilter
abgegebene Gleichspannung wird in dem Verstärker 47 verstärkt. Zweckmäßig ist der
Verstärker 47 für diesen Zweck regelbar. Zur Trennung liegt ein Wechselstromverstärker
48 zwischen dem Oszillator 18 und dem Eingang des Phasendiskriminators
45a.
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Die dem Phasendiskriminator 45 a von der Quelle 40 zugeführte
Schwingung ergibt zusammen mit der Schwingung des Oszillators 18 eine Regelspannung,
die die Kapazität der Kapazitätsdiode 29 so ändert, daß der Oszillator 18 mit der
Frequenz der Quelle 40 gekoppelt wird. Die Bandbreite des Schwingkreises 21 des
Oszillators 18 begrenzt den Frequenzbereich, innerhalb dessen der Oszillator 18
selbsttätig nachstimmbar ist. Der Abstimmbereich des Schwingkreises 21 läßt sich
durch Umschalten an
verschiedene Abschnitte der Induktivität 25
dehnen. Falls erwünscht, fäßt sich die Steuerspannung für die Kapazitätsdioden 3,
29 mit Potentiometem in größeren Beträgen ändern, worauf nachstehend noch im Zusammenhang
mit F i g. 4 hingewiesen wird.
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F i g. 3 zeigt eine Anwendung des erfindungsgemäßen Prinzips auf einen
überlagerungsempfänger oder -sender, um den die überlagerungsfrequenz erzeugenden
Oszillator und die auf die Empfangs-oder Sendefrequenz abgestimmten Kreise genau
aufeinander abzugleichen. Im gezeigten Beispiel sind zwei hintereinandergeschaltete
Verstärker 10 und 11 vorgesehen, die mit einem oder mehreren der bei 12, 13 und
14 gezeigten Hochfrequenzschwingkreise auf die Frequenz f1 abgestimmt sind. Der
erste der beiden Verstärker ist an eine Quelle, z. B. an die Antenne 15, angeschlossen.
Der andere Verstärker ist an den Mischer 16 angeschlossen. Der Mischerausgang ist
mit einem Bandpaß 17 abgestimmt, der ein schmales, um eine Mittenfrequenz f3 liegendes
Zwischenfrequenzspektrum durchläßt. Gemäß der Erfindung ist der zweite Eingang des
Mischers 16 an den Ausgang des phasengekoppelten Oszillators 18 angeschlossen. Der
Oszillator 18 wird durch die von der Frequenzquelle 40 zugeführte Schwingung
auf die Frequenz f2 abgestimmt.
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Die der Kapazitätsdiode 29 zugeführte frequenzbestimmende Steuerspannung
wird vom Phasendiskriminator 45 geliefert. Wie schon in F i g. 2 werden ein Tiefpaßfilter
46, ein Gleichspannungsverstärker 47 und ein Trennverstärker 48 verwendet.
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Die Hochfrequenzschwingkreise 12, 13, 14 und 21 mit den Induktivitäten
22, 23, 24 und 25 sind über den gleichen Frequenzbereich abstimmbar. Die Kapazitäten
der Abstimmkreise, nämlich die Kapazitätsdioden 26, 27, 28 und 29, werden nach annähernder
Gleichheit im Hinblick auf ihre Steuerspannung-Kapazitäts-Charakteristik ausgesucht.
Die Resonanzfrequenz des Schwingkreises 21 ist um den für die Zwsichenfrequenz gewählten
Betrag gegenüber der Resonanzfrequenz der Hochfrequenzschwingkreise 12, 13, 14 verschoben.
Die Abstimmknöpfe sind in Einheiten der Empfangsfrequenz der Hochfrequenzschwingkreise
12 bis 14 und nicht in Einheiten der zugeführten Frequenz geeicht.
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Bei der in F i g. 3 gezeigten Schaltung liegen die Anoden der Kapazitätsdioden
an Masse. Die positiven Steuerspannungen werden vom Phasendiskriminator 45 abgenommen
und den Kathoden der Kapazitätsdioden zugeführt. Die Trennkondensatoren 30, 31,
32 und 33 unterbrechen den Gleichstromweg durch die parallelliegenden Induktivitäten
22, 23, 24 und 25.
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Sind die dem Phasendiskriminator 45 zugeführten beiden Frequenzen
gleich, gibt dieser eine konstante Gleichspannung ab. Die Phase des einen Diskriminatoreingangs
ist um einen praktisch konstanten Betrag gegenüber der Phase des anderen Eingangs
verschoben. Wird die zugeführte Frequenz z. B. durch die Wahl einer neuen Frequenz
geändert, werden die beiden Eingangsfrequenzen des Phasendiskriminators 45 augenblicklich
verschieden, und eine Sinuswelle, deren Frequenz gleich der Differenz zwischen den
beiden Eingängen ist, überlagert sich der Ausgangsspannung und wird der Kapazitätsdiode
29 zugeführt. Bei Fehlen einer Integration erster Ordnung in den Gleichspannungskreisen
wird diese sinusförmige Komponente unmittelbar der Kapazitätsdiode 29 zugeführt,
wie auch den anderen in den Abstimmkreisen liegenden Kapazitätsdioden 26, 27, 28.
Da die Kapazitätsdiode 29 praktisch augenblicklich auf Änderungen ihrer Steuerspannung
anspricht, schwankt die Frequenz des Schwingkreises 21 entsprechend. Es tritt also
eine Frequenzwobbelung ein, welche so lange andauert, bis der Schwingkreis 21 auf
einer Frequenz schwingt, die der Frequenz der vom Schwingungserzeuger 40 gelieferten
Schwingung entspricht. Jede Frequenzänderung des Oszillators 18, die z. B. durch
Alterung oder äußere Einflüsse hervorgerufen wird, wird so augenblicklich durch
eine Korrektur der Steuerspannung der Kapazitätsdiode 29 ausgeglichen.
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Die Widerstände 50, 51, 52 und 53 liegen unmittelbar in Reihe mit
den Kapazitätsdioden 26, 27, 28 und trennen die Stromkreise für Hochfrequenz. Da
der Oszillator 18 durch Verkürzungs- und/oder Trimmkondensatoren um einen der Zwischenfrequenz
gleichen Betrag auf eine Frequenz oberhalb oder unterhalb der Frequenz der Empfangsfrequenzkreise
verstellt wurde, erzeugt jede Änderung in der Oszillatorfrequenz eine solche Änderung
der Empfangsfrequenz, daß die Zwischenfrequenz konstant gehalten wird. Das heißt,
daß die Frequenz der den Empfangsfrequenzverstärkern 10, 11 zugeführten Schwingung
vom Oszillator 18 bestimmt wird.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung können die Schwingkreise
des Oszillators und der Empfangsfrequenzverstärker um größere Werte verstellt werden,
um damit die Abstimmung des Überlagerungsempfängers innerhalb breiter Frequenzbereiche
zu erleichtern. Wie F i g. 4 zeigt, werden dazu Vorspannungen von Potentiometem
60, 61, 62 und 63 abgegriffen, die einer Spannungsquelle 64
entnommen sind.
Diese Vorspannungen werden den Kapazitätsdioden 29, 29a, 26, 26a,
27, 27a und 28, 28a zugeführt. Zweckmäßigerweise sind die Potentiometer 60
bis 63 in Dezimalstufen unterteilt. Hierdurch erhält man in den Steuerspannungskreisen
dezimalgegliederte Spannungsstufen und damit dezimalgegliederte Frequenzänderungen.
Zum Beispiel können die Potentiometer 60 und 61 Frequenzstufen von je 100 kHz bewirken,
während die Potentiometer 62 und 63 Frequenzstufen von je 10 kHz bewirken. Die Schleifer
der Potentiometer können an die 100-kHz- und die 10-kHz-Abstimmknöpfe des Schwingungserzeugers
40a angekuppelt werden. Die 1-MHz-Stufen lassen sich durch Umschalten von nicht
gezeigten Spulen erreichen.
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Zur Grobabstimmung werden also den Kapazitätsdioden 26 bis 29 und
26a bis 29a Steuerspannungen über die Widerstandspaare 70, 71, 72
und 73 zugeführt.
Die wechselstrommäßige Aneinanderschaltung der Kapazitätsdioden mit gleichen Polen
bewirkt eine Symmetrierung des Kreises und geringe Kreuzmodulation. Gleichstrommäßig
liegen sie hierbei parallel. Bei Anschluß der Widerstände 70 bis 73 an die Anoden
der Kapazitätsdioden, wie dies F i g. 4 zeigt, ist der positive Pol der Spannungsquelle
64 an Masse zu legen. Die Feinabstimmung erfolgt mit der den Kathoden der Kapazitätsdioden
26, 26 a, 27, 27 a, 28, 28 a und 29, 29 a zugeführten positiven
Steuerspannung. Die Kreise für die Grob-und Feinabstimmung werden dadurch wirkungsvoll
voneinander getrennt. Die überbrückungskondensatoren 75, 76, 77 und 78 leiten die
Empfangsschwingung
nach Masse ab und verhindern eine Belastung
der Hochfrequenzschwingkreise durch die Steuerspannungsstromkreise.
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Im Betrieb wird das gewünschte Frequenzband mit den 1-MHz- und den
100-kHz-Abstimmknöpfen ausgewählt; die Feinabstimmung innerhalb jedes Bandes erfolgt
mit den 10-kHz- und den 1-kHz-Abstimmknöpfen. Wie bereits ausgeführt wurde, hält
die bei der selbsttätigen Frequenzregelung des Oszillators 18 erzeugte Steuerspannung
die Hochfrequenzschwingkreise und den Schwingkreis des Oszillators von einer Auswanderung
oder Änderung des absoluten Betrages der Steuerspannung im Gleichlauf.