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Schaltung zur Frequenzmarkenerzeugung für ein Frequenzkurven-Anzeige-
oder Registriergerät Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur Frequenzmarkenerzeugung
für ein Frequenzkurven-Anzeige- oder Registriergerät, das eine innerhalb eines bestimmten
Frequenzbereiches kontinuierlich, insbesondere automatisch einstellbare (wobbelbare)
Meßspannung auswertet, unter Verwendung einer amplitudenmäßig von der Meßfrequenz
eindeutig abhängigen Spannung, von der beim Erreichen einer vorgegebenen, durch
eine einstellbare Vergleichsspannung definierten Amplitude ein die Frequenzmarke
erzeugender Impuls über einen von der Differenz beider Spannungen gesteuerten Schalter
abgegeben wird.
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Bei einer bekannten Schaltung dieser Art besteht der von der Differenz
beider Spannungen gesteuerte Schalter aus zwei parallelgeschalteten Diodenstrecken,
die mit Sperrspannungen unterschiedlicher Größe beaufschlagt sind. Die einstellbare
Vergleichsspannung sperrt beide Diodenstrecken gemeinsam, wobei eine zusätzliche
Hilfsspannung in Serie zu der einen Diodenstrecke mit einer solchen Polung eingeschaltet
ist, daß deren Sperrvorspannung verringert wird. Die von der Meßfrequenz abhängige
Spannung ist in den Diodenstromkreis in Serie zu der Vergleichsspannung eingeschaltet
und dieser entgegengepolt. Steigt die von der Meßfrequenz abhängige Spannung auf
den Absolutwert der kleineren Sperrvorspannung an, so wird die erste Diodenstrecke
leitend, bei einem weiteren Anstieg auf den Absolutwert der größeren Sperrvorspannung
auch die zweite. In Abhängigkeit von den Schaltzuständen der Diodenstrecken werden
diesen zugeordnete Gleichstromkreise geschlossen, die jeweils einen ohmschen Widerstand
enthalten, an dem eine Ausgangsspannung abgreifbar ist. Aus der Differenz beider
Ausgangsspannungen wird schließlich ein die Frequenzmarke erzeugender Impuls abgeleitet.
Bei einer Amplitudenänderung der von der Meßfrequenz abhängigen Spannung über den
Wert der Vergleichsspannung hinweg entsteht hierbei ein Einzelimpuls, bei einer
festen Einstellung auf den Wert der Vergleichsspannung eine Impulsspannung, die
für die Dauer dieser Einstellung bestehenbleibt.
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Verwendet man derartige Einzelimpulse bzw. Impulsspannungen unmittelbar
als Frequenzmarkenimpulse, so besitzen diese eine unerwünschte Potentialabhängigkeit,
die z. B. bei einer Anwendung auf einen Kathodenstrahloszillographen nur mit einem
relativ großen zusätzlichen Schaltungsaufwand kompensiert werden kann. Eine Zuführung
der Frequenzmarkenimpulse über einen Koppelkondensator ist hierbei nicht möglich,
da dieser eine differenzierende Wirkung ausübt, durch die die Impulsspannungen derart
umgeformt
würden, daß bei einer festen Einstellung auf eine vorgegebene Frequenz keine Dauerfrequenzmarke
dargestellt werden könnte. Verwendet man andererseits die beschriebenen Einzelimpulse
bzw.
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Impulsspannungen- lediglich als Steuerspannungen, um damit einen eigenen
Markenimpulsgenerator auf-oder zuzutasten, ist es erforderlich, diesem einen elektronischen
Schalter zuzuordnen, der von den Steuerspannungen betätigt wir& Damit erhöht
sich jedoch der erforderliche Schaltungsaufwand ebenfalls.
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Weiterhin ist es bei einem die Amplitude und Frequenz empfangener
Eingangssignale innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereiches nach Art eines Panoramaempfängers
auswertenden Spannungsmeßgerät bekannt, die zum Absuchen des Frequenzbereiches dienende
Wobbelspannung eines lokalen Oszillators in ihrer Amplitude mit einer einstellbaren
Vergleichsspannung zu vergleichen und bei Amplitudengleichheit einen Torimpuls zu
erzeugen, der die Darstellung eines Teiles der Eingangssignale ermöglicht oder unterbricht.
Hierbei kann auch der lokale Oszillator selbst durch den Torimpuls getastet werden,
zu welchem Zweck jedoch ein zusätzlicher elektronischer Schalter vorzusehen ist,
der durch den Torimpuls betätigt wird.
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Die Erfindung löst die Aufgabe, mit möglichst geringem Schaltungsaufwand
eine Frequenzmarke zu erzeugen, die von der Geschwindigkeit der Frequenzänderung
vollständig unabhängig ist, insbesondere auch für eine Frequenzeinstellung von Hand
aus brauchbar ist und weiterhin für verschiedene Anzeige- oder Registriergeräte
verwendbar ist, wobei das Bezugspotential dieser Geräte stark variieren kann.
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Dies wird, ausgehend von'der eingangs beschriebenen Schaltung, erfindungsgemäß
dadurch erzielt, daß ein Generator in Form eines rückgekoppelten Wechselspannungsverstärkers
vorgesehen ist, dessen Ausgang
oder Eingang wechselstrommäßig überbrückt
ist durch eine Antiparallelschaltung zweier Gleichrichter, die zugleich zwischen
die nicht miteinander verbundenen Pole der von der Meßfrequenz abhängigen Spannung
und der Vergleichsspannung geschaltet ist, und daß der Generatorausgang zur Abnahme
der Frequenzmarken dient.
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Ein besonderer Vorteil der Schaltung nach der Erfindung gegenüber
den bisher beschriebenen bekannten Schaltungen liegt darin, daß mit Hilfe der Dioden
des elektronischen Schalters sowohl die Ableitung der Steuerspannungen für die Tastung
eines Markenimpulsgenerators in Abhängigkeit von der Differenz der von der Meßfrequenz
abhängigen Spannung und der Vergleichsspannung vorgenommen wird als auch die Tastung
selbst erfolgt.
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Rückgekoppelte Wechselspannungsgeneratoren, die durch eine Veränderung-
der Rückkopplungseigenschaft in ihrer Ausgangsamplitude steuerbar sind und insbesondere
mit Hilfe von im Rückkopplungskreis liegenden Schaltern auf- und zugetastet werden
können, sind an sich in verschiedenen Ausführungsformen bekannt. Die Tastung erfolgt
hierbei zum Unterschied von der Erfindung jedoch nicht mit Hilfe einer Antiparallelschaltung
zweier Gleichrichter, denen zwei steuernde Spannungen zum Zweck der Erzeugung einer
Frequenzmarke zugeführt werden.
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Bei bekannten Meßempfängern mit Frequenzkurvendarstellung einer Meßgröße,
wie z. B. Pegelbildgeräten oder Ortskurvenschreibern mit einer Kathodenstrahlröhre
als Anzeigemittel, werden die in die Frequenzkurvendarstellung einzublendenden Frequenzmarken
im allgemeinen in der Weise erzeugt, daß die gewobbelte Meßfrequenz mit einer festen,
einstellbaren Vergleichsfrequenz gemischt wird und die Differenzfrequenz zwischen
beiden über einen Tiefpaß mit niedriger Grenzfrequenz oder ein Bandfilter mit engem
Durchlaßbereich ausgefiltert wird.
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Stimmt hierbei die Meßfrequenz mit der festen Vergleichsfrequenz annähernd
überein oder weicht sie von dieser um einen durch das Bandfilter vorgegebenen festen
Betrag ab, so entstehen am Filterausgang jeweils Spannungen, die zur Frequenzmarkenerzeugung
herangezogen werden können. So ist es beispielsweise möglich, diese Spannungen,
gegebenenfalls nach Gleichrichtung, zur zusätzlichen Ablenkung des Elektronenstrahls
der Kathodenstrahlröhre zu verwenden oder mit ihnen die Auslösung eines Impulsgenerators
zu bewirken, der eine Intensitätssteuerung des Elektronenstrahls vornimmt.
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Hierbei ist es nachteilig, daß die Frequenzmarkensteuerung über den
Tiefpaß bzw. das Bandfilter, insbesondere bei kleinen Wobbelhüben, wegen der Filtereinschwingzeit
eine hinreichend kleine Wobbelgeschwindigkeit voraussetzt. Wählt man beispiels weise
bei einem Wobbelhub von 100 Hz die Breite der sichtbaren Frequenzmarke zu 1 0/o
des Hubes, d. h. zu 1 Hz, so beträgt die Einschwingzeit eines dabei verwendeten,
unversteilerten Filters als reziproker Wert der Bandbreite 1 Sekunde. Das bedeutet
jedoch, daß der gesamte Wobbelhub hierbei in 100 Sekunden oder mehr durchlaufen
werden müßte, was einer Wobbelfrequenz von 0,01 Hz entspricht. Umgeht man derartige
extrem niedrige Wobbelfrequenzen, die praktisch keine Auswertung mittels Elektronenstrahl-Oszillographen
zulassen, dadurch, daß man breitere Frequenzmarken von mehr als 1 °/a des Hubes
zuläßt, so ergeben sich einerseits Ungenauigkeiten in der
Frequenzablesung, während
andererseits die daraus stellende Frequenzkurve von den Frequenzmarken weitläufiger
überdeckt wird, so daß auch ihre Ablesbarkeit darunter leidet.
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Eine andere, auch für kleine Wobbelhübe verwendbare, bekannte Schaltungsanordnung
zur Erzeugung eines Frequenzmarkierungsimpulses ist so ausgebildet, daß von der
Meßspannung über ein Differenzierglied und einen nachgeschalteten Gleichrichter
eine Gleichspannung abgeleitet wird, deren Amplitude von der Meßfrequenz nach einer
monoton ansteigenden bzw. abfallenden Funktion eindeutig abhängig ist. Diese Gleichspannung
wird zusammen mit einer zweiten, der Meßspannung proportionalen Gleichspannung,
den beiden Eingängen eines Differenzverstärkers zugeführt, der ausgangsseitig zwei
zueinander gegenphasige Spannungen abgibt, von denen die eine dem zeitlichen Amplitudenverlauf
der ab, geleiteten Gleichspannung unter Berücksichtigung eines bestimmten Verstärkungsfaktors
entspricht. In einem nachgeschalteten Vollweggleichrichter werden die beiden gegenphasigen
Spannungen sodann derart einander überlagert, daß jeweils nur die über der zweiten
Gleichspannung liegenden positiven Äste übertragen werden. Diese schließen zwischen
sich ein Minimum der Ausgangsspannung ein, das im Zeitpunkt der Amplitudengleichheit
zwischen den beiden dem Differenzverstärker zugeführten Spannungen liegt und den
gewünschten Markierungs, impuls darstellt. Hierbei ist es nachteilig, daß die Breite
des sich zwischen beiden positiven Asten er gebenden Frequenzmarkierungsimpulses
von der Größe der Meßspannung abhängig ist und somit für ein und dieselbe zu markierende
Frequenz bei verschiedenen eingeschalteten Meßobjekten unterschiedlich ausfällt.
Auch bei einer Verstellung des Frequenzmarkierungsimpulses über der Breite des darzustellenden
Frequenzbereiches ein und desselben Meßobjektes ist eine unerwünschte Breitenmodulation
in Abhängigkeit von den Schwankungen der Meßspannungsamplitude vorhanden. Ein weiterer
Nachteil dieser Schaltung besteht darin, daß der gewonnene Markierungsimpuls potentialgebunden
ist.
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Soll der Impuls z. B. zur Helligkeitsmodulation dem Wehneltzylinder
einer Kathodenstrahlröhre zugeführt werden, so ist entweder ein Koppelkondensator
oder eine erdfreie Koppelspannung notwendig. Im ersten Fall ist die gewonnene Frequenzmarke
in der Intensität von oder Wobbelfrequenz abhängig und ist bei sehr kleinen Wobbelfrequenzen
oder bei Handeinstellung unwirksam. Im zweiten Fall ist eine aufwendige erdfreie
und hochstabilisierte Gleichspannungsquelle erforderlich, da der Bezugspunkt einer
Kathodenstrahlröhre, die Kathode, in der Regel auf mehreren tausend Volt liegt.
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Die Schaltung nach der Erfindung weist auch gegenüber der zuletzt
genannten bekannten Schale tung im wesentlichen die Vorteile auf, daß eine Fr quenzmarke
konstanter-Breite erzeugt wird, die von Schwankungen der Meßspannungs amplitude
und von änderungen der Wobbelgeschwindigkeit vollständig unabhängig ist. Sie ist
einerseits bei sehr niedrigen Wobbelgeschwindigkeiten (Schreiberanschluß, Hand.
betrieb) brauchbar und andererseits auch für sehr kleine Wobbelhübe (z. B. 100 Hz)
verwendbar, wobei sie infolge ihres guten Einschwingverhaltens auch genügend große
Wobbelgeschwindigkeiten zur Auswertung mittels einer Kathodenstrahlröhre zuläßt.
Durch
die Verwendung eines Ausgangstransformators besteht die Möglichkeit,
den Frequenzmarkierungsimpuls erdfrei einem beliebigen Ausgangspotential (z. B.
Kathodenstrahlröhre mit elektrostatischer oder elektromagnetischer Ablenkung, Registriergerät)
zu überlagern.
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Im folgenden sei die Schaltung nach der Erfindung an Hand eines in
der Zeichnung dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Die an das linke obere Klemmenpaar gelegte Gleichspannung U1 besitzt
voraussetzungsgemäß eine Amplitude, die von der jeweils vorhandenen Meßfrequenz
eindeutig abhängig ist. U1 ist dabei in bekannter Weise von der Meßspannung abgeleitet,
beispielsweise über ein Differenzierglied, über ein Integrierglied oder über einen
Diskriminator oder Frequenzmesser. Die dem linken, unteren Klemmenpaar zugeführte
Spannung U2 ist eine einstellbare Vergleichsspannung. Erreicht nun U1 eine bestimmte,
der Größe von U 2 entsprechende Amplitude, so liegen die Schaltungspunkte 1 und
2 auf gleichem Potential. Die zwischen 1 und 2 angeschlossene Antiparallelschaltung
zweier Gleichrichter 3 und 4 besitzt in diesem Fall einen sehr großen Zweipolwiderstand.
Weicht dagegen U1 von U2 amplitudenmäßig stärker ab, als der Schwellenwertspannung
der Gleichrichter 3, 4 entspricht, so ist bei U1> U2 der Gleichrichter 3 niederohmig,
bei U1<U2 der Gleichrichter 4.
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Die zwischen 1 und 2 liegende Antiparallelschaltung der Gleichrichter
stellt somit einen Schalter dar, der in Abhängigkeit von der Differenz zwischen
der von der Meßfrequenz abhängigen Spannung Ul und der Vergleichsspannung U2 in
den hoch- bzw. niederohmigen Zustand steuerbar ist. Wird dieser Schaltzweig über
Koppelkondensatoren 5 und 6 dem Eingang eines Verstärkers 7, bei dem über den Widerstand
8 ein Teil der Ausgangsspannung zur Selbsterregung an den Eingang rückgekoppelt
wird, parallel geschaltet, so kann die Selbsterregung nur dann eintreten, wenn zwischen
den Punkten 1 und 2 ein hochohmiger Widerstand vorhanden ist; d. h. aber, daß der
Verstärker nur im Zeitpunkt der Amplitudengleichheit zwischen U1 und U2 entdämpft
ist. Die hierbei vom Verstärker 7 abgegebene Spannung wird über einen Ausgangstransformator
9 ausgekoppelt, gegebenenfalls gleichgerichtet, und in an sich bekannter Weise zur
Erzeugung einer Frequenzmarke in der Frequenzkurvendarstellung des Meßempfängers
ausgewertet. Beispielsweise kann der Elektronenstrahl einer Elektronenstrahlröhre
durch diese Spannungen zusätzlich abgelenkt werden oder eine Intensitätssteuerung
des Elektronenstrahls in Abhängigkeit von den gleichgerichteten Ausgangsspannungen
erfolgen.
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Der Verstärker 7 schwingt dabei mit einer bestimmten, an sich beliebigen
Frequenz ausreichender Größe, wobei der frequenzbestimmende Schwingungskreis, der
beispielsweise durch Parallelschaltung eines Kondensators 10 zur Primärwicklung
des Ausgangstransformators 9 gebildet wird, zur Vermeidung größerer Einschwingzeiten
mit relativ niedriger Güte ausgeführt wird.
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Eine Einstellung der Frequenzmarke über der Breite des dargestellten
Frequenzhubes erfolgt in einfacher Weise durch Einstellung der Amplitude von
U2.
Die Eichung der Einstellung von U2 kann beispielsweise nach einem der herkömmlichen
Verfahren der Frequenzmarkenerzeugung erfolgen, bei denen die gewobbelte Meßfrequenz
mit einer Vergleichsfrequenz gemischt und die Differenzfrequenz über einen Tiefpaß
ausgefiltert wird. Hierbei ist lediglich darauf zu achten, daß die Wobbelgeschwindigkeit
genügend klein ist. Eine weitere Möglichkeit besteht auch darin, die Meßfrequenz
von Hand einzustellen und beim Auftreten einer Frequenzmarke nach dem beschriebenen
Frequenzmischverfahren die Vergleichsspannung U2 auf den zur Erzeugung der gleichen
Frequenzmarke erforderlichen Wert nachzustellen.
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Wird in Abwandlung des dargestellten Ausführungsbeispiels der Schaltzweig
1, 2 ausgangsseitig des Verstärkers 7 angeordnet, so wird gleichfalls erreichte
daß nur im Zeitpunkt der Amplitudengleichheit zwischen U1 und U2 eine Ausgangsspannung
endlicher Größe zur Frequenzmarkenerzeugung ausgekoppelt wird.
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Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltung besteht darin,
daß ohne großen schaltungstechnischen Aufwand eine ausreichende Amplitude der zur
Erzeugung der Frequenzmarke dienenden Ausgangsspannung zur Verfügung steht und daß
diese Ausgangsspannung ohne zusätzlichen Aufwand auf beliebige Potentiale gelegt
werden kann.