DE1254713B - Modulator mit einer Modulator-Brueckenschaltung - Google Patents

Modulator mit einer Modulator-Brueckenschaltung

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DE1254713B
DE1254713B DE1965T0029814 DET0029814A DE1254713B DE 1254713 B DE1254713 B DE 1254713B DE 1965T0029814 DE1965T0029814 DE 1965T0029814 DE T0029814 A DET0029814 A DE T0029814A DE 1254713 B DE1254713 B DE 1254713B
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DE
Germany
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bridge
voltage
modulator
input
circuit
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Pending
Application number
DE1965T0029814
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English (en)
Inventor
Rainer Mallebrein
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Telefunken Patentverwertungs GmbH
Original Assignee
Telefunken Patentverwertungs GmbH
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Publication date
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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03CMODULATION
    • H03C1/00Amplitude modulation
    • H03C1/52Modulators in which carrier or one sideband is wholly or partially suppressed
    • H03C1/54Balanced modulators, e.g. bridge type, ring type or double balanced type
    • H03C1/56Balanced modulators, e.g. bridge type, ring type or double balanced type comprising variable two-pole elements only
    • H03C1/58Balanced modulators, e.g. bridge type, ring type or double balanced type comprising variable two-pole elements only comprising diodes

Description

  • Modulator mit einer Modulator-Brückenschaltung Die Erfindung betrifft einen Modulator mit einer Modulator-Brückenschaltung, die in wenigstens einem Brückenzweig einen gleichspannungsabhängigen Wechselstromwiderstand, insbesondere eine Kapazitätsdiode, aufweist. Die Modulator-Brückenschaltung enthält in der einen Brückendiagonalen eine Wechselspannungsquelle, deren Spannung von einer an der anderen Brückendiagonalen anliegenden Spannung amplitudenmoduliert wird.
  • Derartige Modulatoren werden z. B. als Eingangskreise für Gleichspannungsverstärker verwendet. Von solchen Verstärkern wird neben einem hohen Eingangswiderstand eine gute Verstärkungs- und Nullpunktkonstanz gefordert. Mit reinen Gleichspannungsverstärkern sind diese Bedingungen schwer zu erfüllen, so daß hier in der Regel der Umweg über den Wechselspannungsverstärker beschritten wird. Die Eingangsspannung als langsam veränderliche Gleichspannung bzw. als Spannung niedriger Frequenz wird einem höherfrequenten Träger aufmoduliert, dieser verstärkt und zur Zurückgewinnung des verstärkten Eingangssignals gleichgerichtet. Die Nullpunktkonstanz des Verstärkers hängt dabei im wesentlichen von der Drift des Modulators ab. Außerdem bestimmt der Modulator weitestgehend den Eingangswiderstand des Verstärkers.
  • Durch den Aufsatz »Gleichspannungsverstärker mit Kapazitätsdioden für kleine Eingangsleistungen«, Elektronik 1963, H. 9, S. 263 bis 265, ist ein Modulator sehr niedriger Drift bekanntgeworden. Dieser besteht aus einer als Wheatstonesche Brücke ausgebildeten Modulator-Brückenschaltung, die in zwei benachbarten Brückenzweigen je eine Kapazitätsdiode und in den restlichen zwei Brückenzweigen je einen ohmschen Widerstand aufweist. Der einen Brückendiagonalen wird die Eingangsspannung und der anderen Brückendiagonalen die zu modulierende Wechselspannung zugeführt. Die Kapazitätsdioden wirken wie Kondensatoren mit gleichspannungsabhängiger Kapazität, also wie gleichspannungsabhängige Blindwiderstände. Die Brücke ist so getroffen, daß sie bei spannungsfreiem Eingang in der die Eingangsspannung aufnehmenden Brückendiagonalen keine Wechselspannung und bei Anlegen einer Eingangsspannung durch ihre dann erfolgende Verstimmung eine Wechselspannung abgibt, deren Betrag eine Funktion der zu messenden Eingangsspannung ist. Die Trennung des Gleichspannungseingangskreises vom Eingang des dem Modulator nachgeschalteten Wechselspannungsverstärkers wird durch einen Koppelkondensator vorgenommen. Die nicht völlige Trennung des Gleichspannungseingangskreises vom Eingangskreis des Wechselspannungsverstärkers stellt in vielen Fällen einen beachtlichen Nachteil dar. Einerseits muß die Kapazität des Koppelkondensators eine Mindestgröße aufweisen. um keinen zu hohen Spannungsabfall der modulierten Spannung hinnehmen zu müssen. Andererseits werden dann aber durch denselben, vor allem wenn der Wechselspannungsverstärker für niedrige Frequenzen einen niedrigen Eingangswiderstand aufweist, bei schnelleren Spannungsschwankungen Umladungen verursacht, die den Eingangswiderstand der Gesamtanordnung herabsetzen und eine Oberlagerung der modulierten Wechselspannung mit der Eingangsgleichspannung bewirken. Dies wirkt sich dann um so mehr aus, wenn die zu messende Eingangsspannung keine reine Gleichspannung, sondern eine Wechselspannung ist.
  • Ein weiterer, wesentlicher Nachteil des bekannten Modulators besteht darin, daß die Eingangsspannung den Wechselspannungsverstärker über den Koppelkondensator hinweg übersteuern kann, so daß die gesamte Verstärkeranordnung vorübergehend falsch arbeitet.
  • Durch die Erfindung werden die genannten Nachteile des zuvor beschriebenen Modulators behoben. Dies wird dadurch erreicht, daß die Brückenschaltung ein Brückenzweig einer weiteren Brückenschaltung ist, der die veränderliche Eingangsspannung in der einen Brückendiagonalen zugeführt und der die modulierte Wechselspannung der anderen Brückendiagonalen entnommen wird. Somit ist der Wechselspannungsausgangskreis vom Eingangsspannungskreis des Modulators entkoppelt, und die oben angeführten nachteiligen Effekte können nicht auftreten.
  • Zwar ist eine aus zwei ineinandergesetzten Brükken bestehende Doppelbrücke im Prinzip schon aus der Hochfrequenzmeßtechnik unter dem Namen Bolometerbrücke bekannt (Handbuch für Hoch- Frequenz- und Elektrotechniker, Bd.3, S.604). In dieser dient jedoch die den einen Brückenzweig bildende Brücke zur Entkopplung der leistungsmäßig zu erfassenden Hochfrequenzspannung von der übergeordneten Gleichstrombolometerbrücke. Die untergeordnete Brücke wirkt in dieser lediglich wie ein Bolometer, dessen Widerstand sich in Abhängigkeit von der Hochfrequenzleistung ändert. Zwischen den Funktionen der erfindungsgemäßen Brücke und der oben beschriebenen Hochfrequenzbrücke bestehen also keinerlei Beziehungen.
  • Im folgenden wird ein Beispiel zur Erfindung an Hand einer Zeichnung unter Erläuterung der Weiterbildungen der Erfindung beschrieben.
  • Die Zeichnung zeigt im wesentlichen eine Modulatordoppelbrücke aus zwei ineinandergesetzten Wheatstoneschen Brücken. Die übergeordnete Brücke, im folgenden Entkopplungsbrücke genannt, besteht aus Widerständen 1, 2, 3 und 4. Eine zu messende Eingangsspannung U, durch die eine Wechselspannung U moduliert werden soll, liegt an Eingangsklemmen 5 und 6 und wird der einen durch Schaltungspunkte 5' und 6' gekennzeichneten Brückendiagonalen zugeführt. Die Spannung U ist vorzugsweise eine Gleichspannung. Sie kann aber auch als niederfrequente Spannung auftreten. Die Entkopplungsbrücke ist gleichspannungsmäßig durch eine geeignete Bemessung der Widerstände l bis 4 abgeglichen, so daß die zwischen Brückenanschlußpunkten 7' und 8' liegende andere Brückendiagonale zu jedem Zeitpunkt gleichspannungsfrei ist. Den Ausgang des Modulators bilden Klemmen 7 und B. Er ist mithin von der Eingangsspannung U entkoppelt.
  • Der Widerstand 1 der Entkopplungsbrücke besteht aus zwei Kapazitätsdioden 11 und 12 sowie zwei Widerständen 13 und 14. Die Kapazitätsdioden 11 und 12 bilden zusammen mit den Widerständen 13 und 14 eine Wheatstonesche Brücke, die im folgenden Modulationsbrücke genannt werden wird. Die eine Diagonale derselben liegt an den Punkten 6' und 8' der Entkopplungsbrücke. An die andere Diagonale ist über Klemmen 15, 16 die massefreie Wechselspannung a angelegt.
  • Kapazitätsdioden sind Dioden mit spannungsabhängiger Sperrschichtkapazität. Zum Betrieb dieser Dioden als spannungsabhängige Kondensatoren werden diese in der Sperrichtung vorgespannt. Aber auch die unbeschaltete Kapazitätsdiode ist bereits durch ihre Diffusionsspannung (z. B. 0,7 Volt) vorgespannt. Sofern keine weitere Vorspannung vorgenommen wird, darf die Diodensteuerung mithin den Betrag der Diffusionsspannung nicht überschreiten.
  • Die Kapazitätsdioden 11 und 12 der Modulationsbrücke arbeiten im nicht vorgespannten Zustand. Die zwischen den Punkten 6' und 8' der Entkopplungsbrücke anstehende aus der Eingangsspannung U abgeleitete Spannung darf somit höchstens gleich der Diffusionsspannung sein. Bei einem derartigen Arbeitspunkt ist die Änderung d Cld U der Kapazität in Abhängigkeit von der Diodenvorspannung am größten. Die Kapazitätsdioden 11 und 12 sind derartig in die Modulationsbrücke eingefügt, daß sich bei einer Änderung der Spannung U um den Betrag i d U die Vorspannung der einen Diode (11) um den Wert k - .4 U erhöht und sich die Vorspannung der anderen Diode (12) um k - d U vermindert. K ist dabei eine Konstante. Bei gleichen Kapazitätsdioden 11 und 12 sind auch die Widerstände 13, 14 gleich groß bemessen, so daß sich die Modulationsbrücke für den Fall U = 0 Volt im Gleichgewicht befindet. Die i Punkte 6' und 8' der Schaltung liegen dann auf gleichem Potential der Wechselspannung U, so daß der von dieser Spannung auf den Ausgang der Modulationsbrücke ausgekoppelte Anteil gleich Null ist bzw. nur noch bedingt ist durch einen Abgleichrestfehler. Nimmt hingegen die Spannung U einen von Null verschiedenen Wert an, so wird die Modulationsbrücke in gewissen Grenzen proportional zum Betrag der Eingangsspannung U verstimmt. Die jeweils zwischen den Punkten 6' und 8' herrschende Brückenwechselspannung stellt also das Modulationsprodukt der Spannungen U und 77 dar. Diese modulierte Spannung wird über die nun als Spannungsteiler dienenden Widerstände 2, 3 und 4 der Entkopplungsbrücke auf den gleichspannungsfreien Ausgang 7, 8 des Modulators übertragen. Da in diese Spannungsteilung auch der Innenwiderstand der Quelle der Spannung U mit eingeht, ist im Bedarfsfall entweder in die Leitung 5-5' oder 6-6' ein Tiefpaß z. B. in Form einer Drossel einzusetzen. Die Entkopplung der Quelle der Spannung U von der Wechselspannung 'U kann aber durch das Vorschalten einer weiteren Brücke vor die Entkopplungsbrücke vorgenommen werden. Diese vorzuschaltende Brücke ist dann derart angeordnet, daß die Spannung U in ihrer einen Brückendiagonale und die Eingangspunkte 5 und 6 in der anderen Brückendiagonalen liegen. Diese Brücke kann dann so abgeglichen werden, daß die Quelle der Spannung U keinen Anteil der Wechselspannung U mehr enthält.
  • Die Kapazitätsdioden 11 und 12 weisen gleiche Temperaturgradienten d Cld t auf. Die temperaturabhängigen Kapazitätsänderungen beider Kapazitätsdioden beeinflussen somit die jeweiligen Brückenzustände nicht. Die Hauptursache für die Drift von Modulatoren ist somit ausgeschaltet. Wird darüber hinaus für einen guten Wärmeübergang zwischen beiden Dioden gesorgt, z. B. durch gemeinsame Einbettung in einen Stoff großer Wärmeleitfähigkeit, so kann die Driftspannung auf Beträge gebracht werden, die unter 10 RV/1 C liegen.
  • Der die Modulationsbrücke bildende Widerstand 1 der Entkopplungsbrücke stellt einen kapazitiven Scheinwiderstand dar. Um nun die Entkopplungsbrücke sowohl betragsmäßig als auch phasenmäßig richtig abgleichen zu können, ist der Widerstand 2 aus einem ohmschen Widerstand 21 und einem Kondensator 22 aufgebaut, die in ihren elektrischen Werten so gewählt sind, daß der Widerstand 2 eine Nachbildung des Widerstandes 1 darstellt, also betrags-und phasenmäßig den gleichen Widerstand hat wie dieser. Zur Erzielung eines möglichst hohen Gleichstromeingangswiderstandes zwischen den Klemmen 5 und 6 wird aber ohnehin der Widerstand 2 immer einen Serienkondensator enthalten. Dann bestimmen den Gleichstromeingangswiderstand nur noch der Isolationsstrom des Kondensators 22 und die Sperrwiderstände der Kapazitätsdioden 11 und 12. In diesem Fall wird die früher eingeführte Konstante k zu 1.
  • Solange die Eingangsspannung U eine reine Gleichspannung ist, hat selbst eine Verstimmung der Entkopplungsbrücke keinen Einfluß auf den Eingangswiderstand des Modulators. Ist die Eingangsspannung U hingegen eine niederfrequente Spannung (Verhältnis der Frequenzen der SpannungU zu Spannung U z. B. 500), so muß die Entkopplungsbrücke nach Betrag und Phase genau abgeglichen sein.
  • Der im vorhergehenden beschriebene Modulator eignet sich besonders gut als sehr hochohmiger Eingangskreis für Gleichspannungsdifferenzverstärker. Zu diesem Zweck ist an den Ausgang 7, 8 desselben die Primärwicklung eines Übertragers 9 geschaltet, dessen Sekundärwicklung mit ihrem einen Wicklungsende an Masse und mit ihrem anderen Wicklungsende an den Eingang eines Wechselspannungsverstärkers 91 angeschaltet ist. Der Betrag der von diesem Wechselspannungsverstärker 91 abgegebenen Wechselspannung ist dann unmittelbar proportional der zwischen den Eingangsklemmen 5 und 6 liegenden Spannung U und kann zu einer entsprechenden Gleichspannung wieder umgeformt werden. Die zwischen den Eingangsklemmen 5 und 6 liegende Spannung U kann sich z. B. als Differenz zweier gegen Masse liegender Spannungen ergeben.
  • Die Anwendung des Modulators ist jedoch nicht auf den eben angegebenen Anwendungsfall 1-tschränkt. Der Modulator ist vielmehr überall dort einsetzbar, wo die Umsetzung einer Spannung der einen Frequenz (einschließlich f = 0 Hz) in eine zu ihr proportionale Spannung einer anderen Frequenz notwendig ist.

Claims (3)

  1. Patentansprüche: 1. Modulator mit einer Modulator-Brückenschaltung, die in wenigstens einem Brückenzweig einen gleichspannungsabhängigen Wechselstromwiderstand, insbesondere eine Kapazitätsdiode, und in der einen Brückendiagonalen eine Wechselspannungsquelle aufweist, deren Spannung von einer an der anderen Brückendiagonalen anliegenden Spannung amplitudenmoduliert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulator-Brückenschaltung ein Brückenzweig (1) einer weiteren Brückenschaltung ist. derart, daß die Brückenpunkte ihrer anderen Brückendiagonalen benachbarte Brückenpunkte (6', 8') der weiteren Brückenschaltung sind und daß der weiteren Brückenschaltung die Eingangsspannung (U) in der einen Brückendiagonalen (5', 6') zugeführt und die modulierte Wechselspannung in der anderen Brückendiagonalen (7', 8') entnommen wird.
  2. 2. Modulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aus der Brückenschaltung bestehende Brückenzweig (1) und einer seiner benachbarten Brückenzweige (2) die gleiche Impedanz aufweisen. 3. Modulator nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch eine transformatorische Auskopplung (9) der modulierten Wechselspannung. 4. Modulator nach den Ansprüchen 1 und 3, gekennzeichnet durch die Verwendung als Eingangskreis für Gleichspannungsdifferenzverstärker. In Betracht gezogene Druckschriften: »Handbuch für Hochfrequenz- und Elektrotechniker«, Bd.
  3. 3, S. 604.
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