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Aus einer Kippschaltung bestehender Frequenzteiler Die Erfindung bezieht
sich auf einen Frequenzteiler, bestehend aus einer Kippschaltung mit zwei Verstärkerelementen
und zusätzlich zu ohmschen Widerständen jeweils zwischen Ausgang des einen und Eingang
des anderen Verstärkerelements geschalteten Kondensatoren.
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Es sind bereits Frequenzteiler für Teilungsverhältnisse von 2: 1 bekannt,
die in Form einer bistabilen Kippschaltung mit zwei Verstärkerelementen aufgebaut
sind und bei denen jeweils zwischen Ausgang des einen und Eingang des anderen Verstärkungselementes
derart dimensionierte ohmsche Spannungsteiler geschaltet sind, daß die gesamte Gleichspannungsverstärkung
der Anordnung größer als 1 ist. Bei derartigen Kippschaltungen ist es auch bereits
bekannt, jeweils zwischen Ausgang des einen und Eingang des anderen Verstärkungselementes
zusätzliche kleine Kondensatoren, sogenannte »speed ups«, einzuschalten, die ein
schnelles Umkippen von einem stabilen Zustand in den anderen sicherstellen sollen.
Mit dieser bekannten Schaltung und den dort vorgesehenen sehr klein dimensionierten
Kondensatoren ist ein Teüungsverhälfnis größer als 2 : 1 nicht möglich, und größere
Teilungsverhältnisse sind nur mit verhältnismäßig großem Aufwand realisierbar. Ein
Teilungsverhältnis von beispielsweise 5: 1 würde mit derartigen bekannten
bistabilen Kippschaltungen insgesamt drei Kippschaltungsstufen und zusätzliche Einrichtungen
zur Impulsunterdrückung oder zur Rückstellung zweier Stufen erfordern.
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Zum Aufbau von Frequenzteilem mit einem Teilungsverhältnis größer
als 2 : 1 ist es auch bereits bekannt, eine im obigen Sinn dimensionierte Kippschaltung
mit einer zusätzlichen Impulsverstärkerstufe zusammenzuschalten -und über diese
einen Rückkopplungspfad zwischen Ausgang und Eingang der Kippschaltung vorzusehen.
Durch entsprechende Dimensionierung der im Rückkopplungspfad angeordneten Schaltelemente
wird dabei erreicht, daß durch jeden zweiten Ausgangsimpuls die Ansprechfähigkeit
der Kippschaltung ohne Beeinträchtigung ihrer phasenstarren Arbeitsweise während
des Eintreffens einer vorgegebenen Zahl von einer bestimmten Eingangsimpulszahl@
nachfolgenden Eingangsimpulsen aufgehoben wird. Auch .diese bekannte Frequenzteilerschaltung
ist im Aufbau relativ aufwendig.
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Im Aufbau einfachere Frequenzteiler mit monostabilen Kippschaltungen,
auch monostabile Multivibratoren oder Univibratoren genannt, besitzen eine für viele
Anwendungsfälle zu geringe relative Bandbreite. Die relative Bandbreite dieser bekannten
Teiler mit monostabilen Kippschaltungen beträgt im günstigsten Fall etwa
(Prozent), wobei ri das Frequenzteilungsverhältnis ist. . Das ergibt für- den wichtigen
Fall der Frequenzteilung 5 : 1 mit n =5 eine Bandbreite von maximal 20 9/o, d. h.,
ein optimal ausgelegter Frequenzteiler dieser Art für z: B. 100 kHz würde das Teilungsverhältnis
5 : 1 nur für Eingangsfrequenzen von 90 bis 110 kHz aufrechterhalten. Auch diese
bekannten Frequenzteiler sind deshalb in vielen Fällen nicht anwendbar.
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Es ist Aufgabe der Erfindung,. einen Frequenzteiler für Teilungsverhältnisse
größer als. 2:1 zu schaffen, der bei geringstmöglichem schaltungstechnischen Aufwand
einen großen relativen Frequenzbereich der zu teilenden Frequenz überstreichen kann
und bei dem außerdem bei Ausbleiben der zu teilenden Frequenz keine Ausgangsspannung
abgegeben wird, d. h. der Teiler soll in diesem Fall stehenbleiben.
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DieseAufgabewird, ausgehend von einemFrequenzteiler der eingangs erwähnten
Art, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zusätzliche, von den für die Gleichstromkopplung
vorgesehenen Spannungsteilern entkoppelte Widerstände vorgesehen sind, die zusammen
mit den Kondensatoren die Zeitkonstante des Entladevorganges so bestimmen, daß beim
Leitendwerden des einen Verstärkerelementes der Eingang des anderen Verstärkerelementes
über den RC-Kreis insoweit in Sperrichtung vorgespannt wird, daß an den Ausgängen-.
der Verstärkerelemente kapazitiv der Sperrspannung überlagerte Eingangs-Impulse
das jeweils gesperrte Element big-zu einer bestimmten Entladung über den RC-Kreis
nicht zu kippen vermögen. Für ungeradzahlige Teilungsverhältnisse wird die in der
Frequenz zu teilende .Wechselspannung vorzugsweise im Gegentakt den" beiden Verstärkerelementen
zugeführt. Ferner hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Eingänge dei. Verstärkerelemente
von den für die Gleichstromkopplung vorgesehenen
Spannungsteilern
durch Dioden entkoppelt sind. Schließlich können die Eingänge der Verstärkerelemente
von der übrigen Schaltung während des Entladevorganges durch weitere Dioden entkoppelt
sein. Nach einer Weiterbildung der Erfindung soll ferner die Amplitude der in der
Frequenz zu teilenden Wechselspannung und/oder deren Vorspannung in Abhängigkeit
von der Frequenz der zu teilenden Wechselspannung veränderbar sein.
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Mit einem erfindungsgemäß aufgebauten Frequenzteiler können mit sehr
geringem schaltungstechnischem Aufwand alle beliebigen Teilungsverhältnisse, geradzahlige
oder ungeradzahlige, eingestellt werden, und zwar gegenüber den bekannten Schaltungen
mit doppelter Bandbreite. Dabei können sowohl sinusförmige Spannungen als auch Impulsformen
aller Art, wie rechteckige, trapezförmige, glockenförmige und dreieckförmige Impulsformen,
verarbeitet werden.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen
an Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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F i g. 1 zeigt das Prinzipschaltbild eines üblichen Frequerizteilers;
F i g. 2 zeigt die an den Eingängen der Verstäikerelemente auftretenden Spannungsverhältnisse;
F i g. 3 zeigt ein praktisches Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltung
für ungeradzahlige Teilungsverhältnisse; F i g. 4 zeigt die. in der Schaltung nach
F i g. 3 auftretenden Spannungen; F i g. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel
für ungeradzahlige Teilungsverhältnisse.
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F i g. 1 zeigt eine übliche Kippschaltung mit Verstärkerelementen
5 und 10, z. B. in Form von Hochvakuumverstärkerröhren, gasgefüllten Röhren wie
Thyratrons (auch mit kalter Kathode), Halbleiterbauelementen wie Transistoren, Thyristoren,
Vierschichtdioden, gesteuerten Gleichrichtern, elektromechanischen Schaltern wie
Relais oder elektrochemischen Verstärker- oder Schaltelementen. Die Ausgänge 11
und 12 und die Eingänge 13 und 14 dieser Verstärkerelemente 5 und 10 sind in bekannter
Weise durch Spannungsteiler mit den Widerständen 1, 2, 3 und 6, 7, 8 gleichstrommäßig
gekoppelt. Zwischen die Aus- und Eingänge sind jeweils Kondensatoren 4
und
9 geschaltet, welche gemäß nachstehender Formel bemessen sind. Die zu teilende Wechselspannung
U wird z. B. den Ausgängen 11 und 12 zugeführt. Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen
Schaltung (F i g. 3) als geradzahliger Teiler erfolgt die Wechselspannungseinspeisung
im Eintakt. Bei ungeradzahligen Teilern dagegen erfolgt die Einspeisung im Gegentakt,
d. h., es wird abwechselnd je ein Trigger-Impuls dem einen bzw. dem anderen Ausgang
zugeführt.
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Der Kondensator 4 bzw. 9 wird nach folgender Formel berechnet:
Die in .dieser Formel vorkommenden Spannungsgrößen sind in F i g. 2 näher erläutert.
F i g. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Spannung am Eingang der Verstärkerelemente
5 bzw. 10, und zwar den Entladespannungsverlauf des Kondensators mit überlagerten
Trigger-Impulsen. UZ bedeutet dabei die Zündspannung, bei deren Erreichen die bistabile
Kippschaltung von dem einen in den anderen stabilen Zustand umkippt. U, ist die
Endspannung, die bei Ausbleiben der Trigger-Impulse nach Abklingen der Entladung
erreicht würde und die im wesentlichen durch die Gleichspannungsverhältnisse bedingt
ist. Die Spannung Up, bedeutet den Spannungssprung zwischen der Spannung
bei Beginn der Kondensatorentladung und der Spannung im Zeitpunkt t1, wenn erstmalig
ein Trigger-Impuls den Zündspannungswert U,z überschreitet und die Anordnung in
den anderen stabilen Zustand umkippt.
wobei f die mittlere Ausgangsfrequenz des Teilers ist. Die Spannung U,. bedeutet
die Entlade-Restspannung, also den nicht ausgenutzten Teil der Entladekurve
(Ur = U, - USp-). R bedeutet den wirksamen Entlade*iderstand, In der-
Schaltung nach F i g. 1 wird dieser wirksame Entladewiderstand R durch die Parallelschaltung
der Widerstände 2 und 3 bzw. 7 und 8 bestimmt, wenn die Innenwiderstände der Verstärkerelemente
5 bzw.10 vernachlässigt bleiben. Die Anwendung obiger Dimensionierungsregel auf
die in F i g. 1 gezeigte Schaltung ist damit bezüglich des wirksamen Entladewiderstandes
relativ kompliziert. Nach der Erfindung werden deshalb gemäß F i g. 3 zusätzlich
noch Dioden 17 und 18 eingefügt und die Schaltung um die -Widerstände 19 und 20
erweitert. In diesem Fall ist der wirksame Entladewiderstand Rin der Berechnungsformel
für den Kondensator allein bestimmt durch den Wert der zusätzlichen Widerstände
19 und 20.
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F i g. 3 zeigt gleichzeitig als Beispiel eine Realisierung der erfindungsgemäßen
Schaltung mit npn-Transistoren. Die Dioden 17 bzw. 18 sind gesperrt, wenn beim Umkippen
der Basisanschluß 13 bzw. 14 negativer.wird als der Spannungsteilerpunkt zwischen
Widerstand 2 und 3 bzw. 7 und B. Die Entladung der Kondensatoren 4 bzw. 9 wird dann
allein durch die Widerstände 19 bzw. 20 besorgt. Dadurch wird die Auslegung- der
für die Gleichstromrückkopplung maßgeblichen Spannungsteiler 1-2-3 bzw: 6-7-8 unabhängig
von -der Auslegung der Zeitkonstantenglieder 4 und 19 bzw. 9 und 20, und man kann
diese optimal dimensionieren.
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F i g. 3 zeigt auch eine der verschiedenen Möglichkeiten zur gegenphasigen
Triggerung. Hier wird die in der Frequenz zu teilende Wechselspannung U über die
.Gegentaktwicklung 24 zugeführt, und zwar entweder in Sinus- oder Impulsform. Die
Dioden 21 und 22 stellen bei geeigneter Wahl der Vorspannung an Punkt 23 sicher,
daß im wesentlichen nur positive Halbwellen der zu teilenden Wechselspannung an
den Kollektor des gerade leitenden Transistors gelangen, von wo sie über einen der
Kondensatoren 4 bzw. 9 an die Basis des gerade gesperrten Transistors gelangen,
wo sie der abklingenden Sperrspannung überlagert erscheinen. Die Dioden 21 und 22
ermöglichen gleichzeitig bei passend gewählter Vorspannung am Punkt 23. eine Begrenzung
des Hubes ins Negative an den Kollektoren der Transistoren, was zur Vermeidung von
Sättigungserscheinungen bei manchen Transistortypen erforderlich ist. Die Vorspannung
an Punkt 23 I'alßt auch in gewissen Grenzen eine Anpassung an die zur Verfügung
stehende Spannung der zu teilenden Frequenz sowie eine Verschiebung des Frequenzbereiches
des Frequenzteilers zu.
In F i g. 4 ist der Spannungsverlauf an
drei wichtigen Punkten der Schaltung nach F i g. 3 in der Ausführung als Frequenzteiler'5
:1 gezeigt. F i g, 4, a zeigt die Spannung an der Wicklung 24, F i g. 4, b die Spannung
nach den Dioden am Kollektor 12 und F i g. 4, c die Spannung am Kondensator 4 bzw..
an der Basis 13, .wo sie der abklingenden Sperrspannung überlagert ist. Man ' erkennt,
daß durch Verteilung auf die zwei Hälften der symmetrischen Schaltung das Umkippen
jeweils nach 21/2 Perioden der zu teilenden Frequenz erfolgt (der Spannungsverlauf
an den Punkten 11 bzw. 14 ist nicht dargestellt, er läuft mit einer Phasenverschiebung
von 21/2 Perioden der Eingangsfrequenz analog ab).
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Aus F i g. 4 ist auch ersichtlich, daß der dort dargestellte Zustand
der oberen Frequenzgrenze entspricht, d. h. die jeweils dritte positive Halbwelle
vermag gerade das Umkippen zu bewirken. Erniedrigt man nun die Eingangsfrequenz,
bis die zweite positive Halbwelle, die ja infolge der mit sinkender Frequenz .steigenden
Periodendauer später erscheint, gerade das Umkippen bewirkt, dänn entspricht das
bei jeder der beiden' Hälften der Schaltung einer vollen Periode der Eingangsspannung.
Das ergibt aber einen Frequenzbereich von 40 % im Gegensatz zu einer monostabilen
Kippschaltung, die, wie oben erläutert, nur 20 % erreicht. Für beliebige Teilungsverhältnisse
n ist der ' Frequenzbereich
(in Prozenten ausgedrückt), also das Doppelte der monostabilen Kippschaltung. Der
Faktor 2 rührt dabei von der erfindungsgemäßen Aufteilung des zeitlichen Ablaufs
auf zwei RC-Glieder her. Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 5 mit pnp-Transistoren
sind noch weitere Dioden 25 und 26 vorgesehen, welche die Basisanschlüsse 13 und
14 von den RC-Gliedern 4, 19 bzw. 9, 20 entkoppeln, wenn deren Verbindungspunkte
positiver werden als das über die Widerstände 27 und 28 zugeführte Potential.
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An Stelle der für ungeradzahlige Teilungsverhältnisse gewählten Einspeisung
über eine Gegentaktwicklung kann auch eine Aussteuerung über eine bistabile Kippschaltung
erfolgen, wobei letztere z.-B. als sogenannter »Schmitt-Trigger«, als Frequenzteiler
2: 1 oder als Frequenzteiler gemäß der Erfindung ausgebildet sein kann. Erforderlich
ist lediglich, daß pro Periode der zu teilenden Frequenz an jeder der zwei Eingangsleitungen
ein Impuls (oder eine Halbwelle) gleicher Richtung auftritt und daß der Abstand
zwischen einem Impuls an der einen und dem nächsten Impuls an der anderen Eingangsleitung
die Hälfte der Periodendauer der zu teilenden Frequenz beträgt.
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Eine weitere Vergrößerung des Frequenzbereiches der beschriebenen
Anordnungen läßt sich erreichen, wenn man das Spannungsniveau, von dem aus getriggert
wird, also z. B. die Spannung an Punkt 23 in F i g. 3, und/oder die Amplitude der
zu teilenden Frequenz in Abhängigkeit von letzterer regelt. Durch beide Maßnahmen
kann der überstrichene Frequenzbereich verschoben werden. Eine Veränderung der Vorspannung
z. B. an Punkt 23 in F i g. 3 ergibt nämlich infolge der den Spannungssprung an
den Kollektoren begrenzenden Wirkung der Dioden 21 und 22 auch eine Veränderung
des Spannungssprunges in Sperrichtung an Punkt 13 und 14. Dadurch verändert sich
auch die Lage des Ausgangspunktes der Entladekurve in bezug auf die Ansprechschwelle
des Verstärkerelementes. Eine Erniedrigung der Vorspannung (Verschiebung in Richtung
des Punktes 16 der Speisespannung) ergibt höhere Spannungssprünge und damit
eine Verschiebung des Frequenzbereiches nach tieferen Frequenzen zu, eine Erhöhung
(Verschiebung in Richtung des Punktes 15 der Speisespannung) kleinere Spannungssprünge
und damit eine Verschiebung des Frequenzbereiches nach höheren Frequenzen. .
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Eine Erhöhung der Amplitude der Eingangsspannung gibt eine Verschiebung
des Frequenzbereiches nach höheren Frequenzen, eine Erniedrigung eine Verschiebung
nach tieferen Frequenzen. Besonders einfach läßt sich eine frequenzabhängige Eingangs-Spannung
verwirklichen, wenn z. B. in F i g. 3- die Wicklung 24 oder ihre Primärwicklung
zu einem Schwingungskreis ergänzt, dieser zur Erlangung der erforderlichen Bandbreite
hinreichend bedämpft und seine Resonanzfrequenz so hoch, d. h. höher als die Mitte
des vom Frequenzteiler zu überstreichenden Bereiches gelegt wird, daß man ganz oder
doch überwiegend auf der nach tieferen Frequenzen zu abfallenden Flanke der Resonanzkurve
des Schwingungskreises arbeitet. Es kann selbstverständlich auch ein dem Übertrager
24 vorausgehender Schwingungskreis in der beschriebenen Art abgestimmt werden.
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Macht man nur einen der beiden Parameter Eingangsspannung und Vorspannungsniveau
mit der Frequenz veränderlich, so kann, wenn auf den vergrößerten Frequenzbereich
verzichtet wird, eine größere zulässige Variationsbreite für den anderen Parameter
gewonnen werden.