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Vorrichtung zur Messung der Frequenz der Schwingungen eines Oszillators,
insbesondere eines mit magnetischer Resonanz arbeitenden Maser-Oszillators Die Erfindung
betrifft einen Frequenzmesser, bei dem eine Mischung der zu messenden Frequenz mit
einer Vergleichsfrequenz zur Bildung einer Differenzfrequenz vorgenommen wird und
außerdem eine Umwandlung einer Frequenz in eine proportionale Spannung stattfindet.
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Bei der Messung schwacher magnetischer Felder, wie z. B. des magnetischen
Erdfeldes, unter Verwendung eines Magnetometers mit magnetischer Resonanz ist die
Frequenz der Schwingungen des Magnetometers der Intensität des zu messenden Magnetfeldes
proportional. Die Genauigkeit derartiger Messungen hängt deshalb von der Genauigkeit
der Schwingungsmessung ab. Um die Vorteile eines mit magnetischer Resonanz arbeitenden
Magnetometers vollständig ausnutzen zu können, ist es erforderlich, die Frequenz
der Schwingungen mit einer Genauigkeit in der Größenordnung von 10-5 zu messen.
Eine solche Genauigkeit ist aber mit den bekannten Frequenzmessern nicht zu erreichen.
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Bei Frequenzmessungen ist es bekannt, die zu messende Frequenz mit
einer Normalfrequenz zu mischen und die Differenzfrequenz zur Anzeige zu bringen.
Bei einem vorbekannten Verfahren erfolgt die Frequenzmessung durch Vergleich einer
unbekannten Frequenz mit dem Oberwellenspektrum einer einzigen Normalfrequenz. Diese
Normalfrequenz ist von der zu messenden Frequenz x um die Differenzfrequenz verschieden.
Mit Hilfe eines Bandpasses werden die Normalfrequenzn und die beiden Frequenzen
n + y sowie n - y ausgesiebt. Nach Zuführung der Normalfrequenz bzw. deren Oberwelle
in einem Modulator und anschließender Demodulation erhält man in einem Anzeigegerät
die Frequenz y, um die die unbekannte Frequenz x von der Normalfrequenz n verschieden
ist.
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Es ist ferner ein Verfahren zur trägheitsfreien Aufzeichnung von
Frequenzänderungen elektrischer Schwingungen bekannt, bei dem die Schwingungen zunächst
frequenzunabhängig in Spannungsspitzen konstanter Amplitude umgewandelt werden.
Die Frequenzänderung wird dann durch eine weitere Anordnung in eine Amplitudenänderung
umgesetzt und von einem Kathodenstrahloszillograph registriert.
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Die vorliegende Erfindung verfolgt das Ziel, eine Vorrichtung zur
Messung der Frequenz der Schwingungen eines Oszillators zu schaffen, die in dem
ganzen Band der meßbaren Frequenzen eine größere Genauigkeit bei relativ kleiner
Ansprechzeit als die bekannten Vorrichtungen besitzt, eine höhere zeitliche Stabilität
hat, eine große Betriebssicherheit aufweist und für eine größere Bandbreite anwendbar
ist. Die Vorrichtung soll außerdem einen vergleichsweise geringen Geräteaufwand
besitzen.
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Die Erfindung gellt aus von einer Vorrichtung zur Messung der Frequenz
der Schwingungen eines Oszillators, bei der eine Mischung der zu messenden Frequenz
mit einer Vergleichsfrequenz zur Bildung einer Differenzfrequenz und eine Umwandlung
der Frequenz in eine proportionale Spannung stattfindet.
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Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist im wesentlichen gekennzeichnet
durch eine Einheit zur Erzeugung von zwei Schwingungen b,, b2 mit unterhalb und
oberhalb der zu messenden Frequenz F liegenden stabilen und genau bestimmten Vergleichsfrequenzen
F1 und F2, einen Doppelmischer für die Frequenzen F1 und F einerseits sowie F2 und
F andererseits mit Filtereinrichtungen, die nur die Schwebungsschwingungen cl, c2
mit den Frequenzen f,= F - F, bzw. f2 = F2 - F durchlassen, und Einrichtungen zur
Erzeugung von Spannungssignalen el, e2, deren Amplitudenänderungen in an sich bekannter
Weise proportional zu den Anderungen der Schwebungsfrequenzen f1, f2 sind, sowie
zur Messung der Differenz der beiden Signale eX, e2 Nach einer weiteren Fortbildung
des Gegenstands der Erfindung besteht die Einheit zur Erzeugung der beiden Schwingungen
bl, b2 aus einem quarzgesteuerten Hauptoszillator, der eine sinusförmige Schwingung
y stabiler Frequenz erzeugt, sowie aus Ein-
richtungen, die aus
dieser Schwingung g ein sägezahnförmiges Signal i mit einer stabilen Frequenz F0
erzeugen, und aus Einrichtungen, die aus der sägezahnförmigen Spannung stufenweise
wählbar jeweils zwei Oberwellen konstanten Frequenzabstandes mit den Frequenzen
F, = n1 F0 und F2 = n2^F0 durch stufenweises Einschalten von entsprechenden Resonanzkreisen
bilden.
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Die Einrichtungen zur Erzeugung von Signalen, bei denen die Amplitudenänderungen
praktisch zu den Änderungen einer jeden der Schwebungsfrequenzen fi, f2 proportional
sind, umfassen nach einer weiteren Fortbildung des Gegenstands der Erfindung folgende
Teile: Begrenzer- und Kippstufen, die aus den Schwebungsschwingungen ct, c2 mit
den Frequenzen fi, f2 zwei gleichartige exakt rechteckige Impulsfolgen d, d2 konstanter
Amplitude und mit jeweils einer Schwebungsfrequenz synchronen Folgefrequenz sowie
je eine den Impulsfolgen dl, d2 zugeordnete, jeweils gleichartige, jedoch um 1 8ob
gegen diese versetzte, also komplementäre Zusatzimpulsfolge erzeugen, ferner je
einer der Impulsfolgen s11 und deren komplementärer Zusatzimpulsfolge sowie d2 und
deren komplementärer Zusatzimpulsfolge zugeordneten Einheit (5), die jeweils aus
einer Impulsfolge und ihrer komplementären Zusatzimpulsfolge in Verbindung mit zwei
Kondensatorlade- und -entladeschaltungen (55a, 55b) zwei mit konstanter Steigung
ansteigende Sägezahnspannungen ea, e,erzeugt, deren Zähne und Pausen jeweils den
Impulsen und Pausen der eingespeisten gleichartigen, um 1 8ob gegenseitig versetzten
Impulsfolgen nach Dauer und Lage entsprechen, einer ODER-Schaltung mit zwei Silizium-Dioden
(64a, 64b) zur Uberlagerung der beiden Sägezahnspannungen e", e,, zu jeweils einer
einzigen Sägezahnspannung, so daß durch die jeweils doppelt vorhandenen Einrichtungen
(4, 5) zwei Sägezahnspannungen el, e2 entstehen, deren eine in ihrer Amplitude der
Schwebungsfrequenz fi und deren andere in ihrer Amplitude der Schwebungsfrequenz
12 proportional ist.
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Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist ferner eine Einrichtung
zur Bildung der Differenz der Sägezahnspannungen el, e2 vorgesehen, die aus zwei
Reihen von geeichten Widerstandsketten hoher Stabilität mit untereinander gleichen
Teilwiderständen und einem Doppelschieber besteht, der aus einer Mittelstellung
heraus in entgegengesetzten Richtungen an den Widerstandsketten entlang verschiebbar
ist, wobei mit dem Doppelschieber jeweils ein bestimmter Bruchteil der Differenz
der Sägezahnspannungen e, e2 abgreifbar und an die beiden Klemmen des Doppelschiebers
ein Anzeigegerät angeschlossen ist.
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Die Widerstandsketten und das Anzeigegerät sind vorzugsweise unmittelbar
in Feldstärkeeinheiten des Magnetfeldes, z. B. in Gamma, geeicht.
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Nach dem Gedanken der Erfindung wird die zu messende Frequenz mit
zwei Vergleichsfrequenzen, die die zu messende Frequenz eingabeln, gemischt.
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Mit Hilfe von Filtereinrichtungen werden aus den Doppelmischern nur
die Schwebungsschwingungen mit den Frequenzen f, = F - F1 und l. = F - F ausgesiebt.
wobei F die zu messende Frequenz und F1 und F7 die bekannten Vergleichsfrequenzen
sind.
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Von den beiden Frequenzen f, und d; werden Sägezahnspannungen e,.
e2 abgeleitet, deren Amplitudenänderungen proportional zu den Anderungen der
Schwebungsfrequenzen
fi. f2 sind. Die zur Anzeige gebrachte Differenz der Sägezahnspannungen el, e2 entspricht
direkt der zu messenden Frequenz Die Vorrichtung gemäß der Erfindung besitzt zala
reiche Vorteile, insbesondere folgende: Sie ermöglicht eine sehr schnelle und sehr
genaue Bestimmung der Frequenz der Schwingungen eines Oszillators, insbesondere
eines mit magnetischer Resonanz arbeitenden Maser-Oszillators.
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Ihre Genauigkeit ist sowohl in dem ganzen Band der meßbaren Frequenzen
als auch zeitlich konstant.
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Mit einer derartigen Vorrichtung kann sehr schnell die Frequenz der
Schwingungen in einem breiten Frequenzband bestimmt werden.
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Bei der Messung der Schwingungen eines mit magnetischer Resonanz
arbeitenden Maser-Oszillators zur Messung der Stärke eines MagnetEeldes (insbesondere
des magnetischen Erdfeldes) gestattet sie die schnelle Aufnahme der Schwingungsfrnenzen
in Stärkeeinheiten des Magnetfeldes, welche uQmittelbar in Gamma einstellbar sind.
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Sie ermöglicht die Bestimmung der in der: Nähe von 2 MHz liegenden
Schwingungsfrequenz mit einer Ansprechzeit in der Größenordnung von 0,1 SelKundes
was die praktisch augenblickliche Aufnahme der Frequenzänderungen und somit der
Stärke dus Magnetfeldes bei einem für die Messung dieses Feldes geeigneten Maser-Oszillator
ermöglicht.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend an Hand eines
zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert. Es zeigt F i g. 1 ein
Blockschaltbild einer Vorrichtung gemäß der Erfindung, F i g. 2 eine Einheit zur
Erzeugung der Schwein gungen mit genau bestimmten stabilen Frequenzen, F i g. 3
die Schaltung einer Hälfte eines Doppelmischers.
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F i g. 4 die Schaltung der Einrichtungen zur Formung der in dem Doppelmischer
nach Fig.3 erzeugten Schwebungsschwingungen, F i g. 5 die Schaltung der Einrichtungen4
kleie aus jedem der Signalzüge ein sägezahnförmig mit konstanter Steigung ansteigendes
Signal erzeugt und F i g. 6 eine Einrichtung zur Bildung der Differenz der Sägezahnspannungen.
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Es sei zunächst daran erinnert. daß ein mit magnetischer Resonanz
arbeitender Maser-Oszillator der in Betracht zu ziehenden Bauart einen in das zu
messende Magnetfeld mit der Stärke H (insbesondere in das magnetische Erdfeld) gebrachten
Behälter aufweist, welcher einerseits ein Lösungsmittel mit Atoin kernen (insbesondere
Protonen) mit einem genau bestimmten. von Null verschiedenen gymmagnetischen Verhältnis
'n (Verhältnis zwischen dem magnetischen Moment und dem kinetischen Moment) und
andererseits gelöst in diesem Lösungsmittel eine paramagnetische Substanz (insbesondere
eine Sammlung von Nitronatriumsulfonationenl enthält. welche wenigstens eine in
dem Feld H sättigbare Elelrtronenresonanzlinie besitzt, wobei die Frequenz dieser
Elektronenresonanzlinie in einem Magnetfeld Null nicht Null ist und die Kopplung
zwischen den Elektronen dieser Substanz und den Atomkernen so be schaffen ist, daß
die Sättigung dieser Resonanzlinie die erzwungene Energieaussendung mit der Kernresonanzfrequenz
t der Kerne in dem Magnetfeld mit der Stärke H bewirkt. Es sind Einrichtungen zur
Sättigung der Elektronenresonanzlinie in dem Magnetfeld
vorgesehen
sowie Einrichtungen, um die durch erzwungene Emission ausgesandte Energie aufzufangen
und die Schwingungen dieser Energie mit der Kernresonanzfrequenz in dem Feld H aufrechtzuerhalten,
wobei diese Frequenz 1 zu H genau proportional ist
Infolgedessen gestattet die Messung der Frequenzf eine Bestimmung der Feldstärke
H, wobei die Genauigkeit von H unmittelbar von der von f abhängt, da der Proportionalitätskoeffizient
## konstant und 27 mit einer Genauigkeit in der Größenordnung von 10-5 bekannt ist.
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Eine Anwendung der mit magnetischer Resonanz arbeitenden Maser-Oszillatoren
ist die Messung der räumlichen und zeitlichen Anderungen des magnetischen Erdfeldes,
dessen Wert in der Nähe von 0,5 Oersted oder 50000 Gamma liegt (1 Gamma = l0-5 Oersted).
In einem Magnetfeld mit diesem Wert beträgt die Kernresonanzfrequenz der Protonen
2128,8 Hz (das gyromagnetische Verhältnis der Protonen beträgt 26713).
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Die Vorrichtung zur schnellen und sehr genauen Bestimmung der Frequenz
F der Schwingungen a eines Oszillators 1, insbesondere der Frequenz j 2''.) FI eines
mit magnetischer Resonanz arbeitenden in ein Magnetfeld mit der Stärke H gebrachten
Maser-Oszillators enthält folgende Teile (Fig. 1): eine (im einzelnen in F i g.
2 dargestellte) Einheit 2 zur Erzeugung von zwei Schwingungen h1. b mit stabilen
und genau bestimmten Frequenzen. nämlich mit einer unteren Frequenz F1 und einer
oberen Frequenz F2. welche die Frequenz F der zu messenden Schwingungen n ein-,gabeln;
einen Doppelmischer 3 (dessen eine Hälfte im einzelnen in F i g. 3 dargestellt ist)
für die Schwingungen F1 und F einerseits und F2 und F anderersejis mit (zweckmäßig
durch elektrische Siebglieder gebildeten) Filtern. welche in dem Ausgang des Doppelmischers
nur Schwebungsschwingungen c,. £2 mit den Frequenzen f1 = F - F1 einerseits und
F2 - F andererseits übertragen; Einrichtungen zur Erzeugung von zwei Signalen cl
e. deren Amplituden praktisch den Anderungen einer jeden der Schwingungsfrequenzen
fi. lv proportional sind (wobei diese Proportionaliegt mathematisch so ausgedrückt
werden kann daß die Amplitude eine differenzierbare und daher stetige Funktion der
Frequenz ist. wobei die Ableitung der Funktion eben der Proportionalitätskoeffizient
ist). Diese Einrichtungen werden bei einer bevorzugten Ausführung durch eine Doppelstufe
4 (deren eine Hälfte im einzelnen in F i g. 4 dargestellt ist) zur Herstellung der
Rechteckform d1, d der Schwingungen mit der Frequenz f1 bzw. kr sowie durch eine
Doppelstufe 5 (deren eine Hälfte im einzelnen in F i g. 5 dargestellt ist) zur Umwandlung
der Rechtecksignale4. d. in Sägezähne el. e2 gebildet. Der Spitzellwert dieser Sägezähne
ist praktisch zu f1 bzw. f umgekehrt proportional. wobei die
Änderungen dieser Amplitude
(mit einem negativen Proportionalitätskoeffizienten) zu den Änderungen der Frequenz
.1', oder fz in einem begrenzten Bereich proportional sind, und (im einzelnen in
F i g. 6 dargestellte) Einrichtungen zur Bildung der Differenz zwischen diesen beiden
Signalen e,. e2.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Einheit 2, einer Hälfte des Doppelmischers
3. einer Hälfte der Doppelstufe 4 zur Herstellung der Rechteckform, einer Hälfte
der Doppelstufe 5 zur Umwandlung der Rechtecke in Sägezähne und Einrichtungen 6
sind im einzelnen in F i g. 2, 3, 4, 5 und 6 dargestellt, deren Zusammenbau unter
Verdoppelung der F i g. 3, 4 und 5 die vollständige Schaltung einer bevorzugten
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Frequenzmessers ergibt, welche in Form eines
Blockschaltbilds in F i g. 1 dargestellt ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Einheit 2 (F i g.
2) folgende Teile: einen quarzgesteuerten mit einem durch Thermostaten und Bimetallkontakt
automatisch temperaturstabilisierten Hauptoszillator 11, welcher sinusförmige Schwingungen
9 liefert; einen Frequenzteiler 12 (welcher z. B. durch einen unstabilen Multivibrator
gebildet wird, der durch Impulse synchronisiert wird, welche aus den vorhergehenden
Schwingungen durch doppelte Begrenzung und Differenzierung gebildet sind). welcher
Rechtecksignale h mit der Frequenz F0 liefert, die z. B. gleich 42,576 Hz ist; einen
durch die Rechtecksignale h synchronisierten Generator 13 zur Erzeugung von Sägezähnen
i. welcher zweckmäßig durch einen Kondensator, der über einen Widerstand aus einer
Spannungsquelle aufgeladen werden kann und durch eine Röhre (Triode oder Pentode)
gebildet wird, die den Kondensator überbrückt und abwechselnd durch die Rechtecksignale
h zur Ladung des Kondensators gesperrt bzw. zur Entladung des Kondensators entsperrt
wird (weiter unten ist übrigens unter Bezugnahme auf F i g. 5 ein durch aus einem
Multivibrator kommende Rechtecksignale synchronisierter Sägezahngenerator beschrieben);
zwei Reihen von abgestimmten Kreisen, z. B. zwei Reihen von zehn abgestimmten Kreisen
(von denen nur bei bei 141 und bei 142 in jeder Reihe dargestellt sind), welche
parallel (zwischen dem auf Erdpotential liegenden Leiter 15 und zwei Kontaktreihen
16, und 162) geschaltet und auf aufeinanderfolgende Oberwellen von F0 abgestimmt
sind, wobei von den Kreisen einer jeden Reihe jeweils einer durch einen Doppelkontaktschieber
17,. 172 einschaltbar ist, so daß über die mit dem Ausgang des Generators 13 verbundenen
Schienen 181. 182 und die entsprechenden Kontakte, z. B. Kontakte, und 162, jeweils
ein abgestimmter Kreis. z. B. Kreis 14, der ersten Reihe und der entsprechende abgestimmte
Kreis 142 der zweiten Reihe (die Differenz zwischen den Ordnungszahlen der Oberwellen
von zwei entsprechenden abgestimmten Kreisen ist konstant und beträgt z. B. 10).
an den Ausgang des Generators 13 angeschlossen werden. so daß zwei Frequenzen Fl
= n, F0 und
F2 = n2 F0 ausgewählt werden (wobei nl und n2 die Ordnungszahlen
der Oberwellen sind und 112 - 111 = 10 ist); einen Doppelverstärker mit einer (durch
die an dem Leiter + H T verfügbare Hochspannung gespeisten) Doppeltriode 19 welche
zur Verstärkung der Schwingungen mit den Frequenzen F1 und F2 (welche durch die
tatsächlich eingeschalteten Schwingkreise ausgewählt sind) vorgesehen ist, die an
ihre Gitter 20" 202 gelegt werden, so daß die verstärkten Schwingungen b1 (mit der
Frequenz F1) und b2 (mit der Frequenz F2), welche an den Anoden 21 erscheinen, bei
211, 212 verfügbar sind, wobei Kondensatoren 10 die Gleichstromkomponenten ausscheiden.
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Es ist zu bemerken, daß die Oberwellen der Sägezahn signale 1 deshalb
gewählt werden, weil ideale Sägezähne in Form von rechtwinkligen Dreiecken in eine
Fouriersche Reihe folgender Form entwickelt werden können:
worin aO die Amplitude der Sägezähne und tun = 2.. F0 die Kreisfrequenz der Sägezähne
ist, wenn die Basis der Sägezähne als Abszissenachse und eine durch die Mitte eines
Sägezahns gehende Lotrechte als Ordinatenachse gewählt werden. Infolgedessen enthalten
ideale Sägezahnspannungen Oberwellen mit den Kreisfrequenzen 2 2X", 3(.,..., deren
Schwächung in bezug auf die Grundwelle mit der Kreisfrequenz zu ihrer Ordnungszahl
umgekehrt proportional ist.
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Jede Hälfte des Doppelmischers 3 mit den zugehörigen Siebeinrichtungen
in einer vorzugsweisen Ausführung ist wie in F i g. 3 dargestellt ausgebildet und
enthält folgende Teile: eine mit der Hochspannung +HT gespeiste Doppeltriode 22,
die an ihrem ersten Gitter 23 bei der dargestellten Hälfte das Signal b1 mit der
Frequenz F1 (bzw. in der anderen Hälfte des Doppelmischers das Signal b2 der FrequenzF2)
empfängt, das an den Eingang 24i angelegt wird, der unmittelbar an den Eingang 211
der Einheit 2 angeschlossen ist (bei der anderen Hälfte ist der Eingang 24 unmittelbar
mit dem Ausgang 212 der Einheit 2 verbunden). An ihrem anderen Gitter 25 empfängt
die Doppeltriode 22 das Signal a mit der Frequenz F, das an den Eingang 26l angelegt
ist, der mit dem Ausgang 27l des Oszillators 1 (Meßobjekt) verbunden ist.
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Der andere Ausgang 272 des Oszillators ist mit dem Eingang 262 der
zweiten Hälfte des Doppelmischers 3 verbunden. Bei der Doppeltriode 22 ist die erste
Stufe 22a als Verstärker geschaltet, während die zweite Stufe 22b die Mischung der
Frequenz Ft, die an ihre Kathode 27b über die Stufe 22a infolge der Verbindung der
Kathoden 27a und 27b angelegt ist, mit der am Gitter 25 angelegten Frequenz F vornimmt
(wobei die zweite Hälfte des Mischers die gleiche Mischung der Frequenzen F2 und
F vornimmt) und Kondensatoren 10 die Gleichstromkomponenten ausscheiden; ein Filter
28 in . -Schaltung mit Kondensatoren 29 und einer Induktivität 30, welches bei der
ersten Hälfte des Mischers nur die Frequenz
fi = FFl (oder f2 = F2 - F bei der zweiten
Hälfte des Mischers) durchläßt. Da F zwischen F2 und F1 liegt, sind; undf2 kleiner
als F2-F1, so daß das Filter 28 ein Tiefpaß ist, welcher nur Frequenzen durchläßt,
welche kleiner als d F = F2 - F1 sind, wobei diese Differenz für die verschiedenen
Stellungen des Umschalters 17 konstant ist (und für die beispielshalber angenommenen
Werte dF = 425,76 Hz betrligt da n2 - n1 = 10); einen Verstärker mit einer Pentode
31, welche an ihrem Steuergitter 31 a die gesiebten Schwingungen empfängt und an
ihrer Anode 31 b verstärkte Schwingungen liefert, so daß bei 32i (oder 322) Schwingungen
mit einer Frequenz (oder f2) geliefert werden, deren Amplitude auF reicht, um sie
in praktische Rechtecksignale in den Amplitudenbegrenzern der Formutgseinheit 4
umformen zu können.
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Für jede der beiden verstärkten Schwebungsschwingungen mit der Frequenz
(oder f1) enthält die Formungseinheit (F i g. 4) folgende Teile: einen ersten Begrenzer
(oder doppelten Amplitudenbegrenzer) 34 mit einem Widerstand 35 und zwei Dioden
36a, 36b, welche mit entgegengesetzter Durchlaßrichtung parallel geschaltet sind,
so daß sie die bei 33, (oder (332) ankommenden Schwingungenfi sowohl auf der Seite
der positiven Amplituden als auch der negativen Amplituden begrenzen; eine erste
Verstärkerstufe 37a, welche durch die erste Hälfte einer (mit Hochspannung von der
mit + H T bezeichneten Leitung gespeisten) Dop peltriode 37 gebildet wird; eine
zweite Begrenzerstufe (oder einen doppelten Amplitudenbegrenzer) mit einem Widerstand
38 und zwei Dioden 39a, 39b, welche aus dem gleichen Grund wie die Dioden 36a und
36b mit entgegengesetzten Durchlaßrichtungen geschaltet sind; eine zweite Verstärkerstufe
37b, welche durch die zweite Hälfte der Doppeltriode 37 gebildet wird, wobei die
Folge von doppelten Amplitudenbegrenzern und Verstärkern praktisch rechteckige Signale
je mit der Frequenz; (oder j2 der Frequenzf2) erzeugt, welche bei 40 verittgbar
sind; eine Schmidtsche Kippschaltung 41, d. h. einen bistabilen Multivibrator mit
zwei Trioden oder einer Doppeltriode 41 a, 41 b, mit Kopplung durch die Kathode
41 c, welche einen Formungskreis bildet, der die quasi rechteckigen Signale in exakte
Rechtecksignale kl gleicher Frequenz umformt. die am Ausgang 42 verfügbar sind;
einen Differenzierkreis 43, welcher Paare von positiven und negativen Impulsen erzeugt;
eine Vorrichtung zur Auswahl der negativen Impulse mit einer Diode 44, welche die
negativen Impulse gegen Masse durchläßt, und einer Diode 45, welche nur von den
negativen Impulsen durchflossen wird und negative Impulsen mit der Frequenz (oder
f2) liefert; einen bistabilen Multivibrator der Eccles-Jordan-Bauart. d. h. mit
einer Doppeltriode 46 mit Kopplung durch Widerstände 47 (mit einem parallelgeschalteten
Kondensator 48 zur Beschleunigung
des Kippvorgangs), welcher durch
die an die beiden Anoden 49 der Hälften 49a und 49b angelegten negativen Impulse
in ausgelöst wird und an seinen Ausgängen 50a und 50b komplementäre, d. h. um 180°
gegenseitig versetzte Rechteckimpulsreihen na und nb liefert, deren Dauer gleich
ist, wobei dieser Multivibrator außerdem die etwa durch die Schmidtsche Kippschaltung
erzeugten Unsymmetrien ausgleicht; einen Doppelverstärker mit einer Doppeltriode
51, welche an ihren Gittern 52a, 52b die Stufen na, nb empfängt und an ihren Anoden
53a, 53b Rechtecksignale da oder db liefert, deren Amplitude groß genug ist (in
der Größenordnung von 120 V), um die elektronischen Schalter der nächsten Stufe
5 zu betätigen, welche diese an den Klemmen 54a und 54b verfügbaren Rechtecksignale
in Sägezähne umwandeln.
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Die Einheit 5 kann in jeder Hälfte in der in F i g. 5 dargestellten
Weise ausgebildet sein und enthält dann für jedes Signal da, db (welche in F i g.
1 mit dl bezeichnet sind, während die entsprechenden Signale der anderen Hälfte
mit d2 bezeichnet sind) folgende Teile: einen Kondensator 55a, 55b, der aus der
stabilisierten Hochspannungsspeisung +HT (welche sich übrigens in F i g. 2, 3 und
4 wiederfindet) über einen festen Widerstand 56a, 56b und eine Parallelschaltung
aus einem festen Widerstand 57 und einem einstellbaren Widerstand 58 geladen werden
kann; je einen unmittelbar an die Ausgänge 54a, 54b der vorhergehenden Stufe für
den Empfang von da, db angeschlossenen Eingang 59a, 59b; eine Pentode 60a, 60b,
welche an ihrem Steuergitter 61 a, 61 b von dem Eingang 59 a, 59 b (über die Diode
62a, 62b) die negativen Stufen da, db empfängt, welche sie unterhalb der Entsperrungsspannung
sperren.
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Die Pentoden 60a, 60b werden daher abwechselnd gesperrt und entsperrt,
wobei die eine gesperrt wird, während die andere entsperrt ist. Während der Sperrung
der Pentode 60a lädt sich der Kondensator 55a in Funktion der Zeit t gemäß dem Gesetz
auf, wobei V = Spannung an den Klemmen des Kondensators 55a, l/o = stabilisierte
Hochspannung, C = Kapazität des Kondensators 55a, R = Widerstand des Netzes 56 a,
57, 58.
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Am Ende eines an das Steuergitter 61 a angelegten negativen Spannungsimpulses
da wird die Pentode 60 a leitend, und der Kondensator 55a entlädt sich über diese
Pentode. Wenn die Dauer t1 = der Spannungsstufe da klein gegenüber der Zeitkonstante
CR ist, verläuft die Aufladung des Kondensators 55a praktisch linear, und man erhält
bei 63a praktisch dreieckige Sägezähne ea, deren Spitzenspannung praktisch zu ii,
d. h. zu , proportional ist. Ebenso erhält man bei 63b praktisch dreieckige Siigeziihne
eb.
deren Spitzenspannung t, = ffi proportional und die f1 um t, gegenüber den Sägezähnen
e" verschoben ist.
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Die Sägezähne ea und eb werden in einer durch zwei Siliziumdioden
64a und 64b gebildeten »ODER«-Schaltung gleichgerichtet und gegenseitig überlagert,
und man erhält eine einzige Sägezahnspannungel, deren Spitzenspannung praktisch
tl= ffi proportional ist, wobei ein Spannungsteiler 65 die Einstellung des Pegels
dieser bei 661 verfügbaren Amplitude gestattet.
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Die Stabilisierung der Pentoden 60a und 60b erfolgt mittels einer
Glimmlampe 60 und einer Widerstandsbrücke 60c, welche zwischen die Hochspannung,
Masse und die Schirmgitter 61 c bzw. 61 d geschaltet sind.
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Eine zweite Kette (mit den in F i g. 3, 4, 5 dargestellten Einheiten
entsprechenden Einheiten) liefert an einem Ausgang 662 Sägezähne e2, deren Spitzenspannung
t2 = proportional ist.
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Der Vergleich der Sägezahnspannungen e1 und e2 erfolgt in dem Komparator
6, welcher z. B., wie in F i g. 6 dargestellt, durch Ketten aus geeichten Widerständen
gebildet werden kann und dessen beide Eingänge 671 und 672 mit den Ausgängen 661
bzw. 662 der beiden Stufen zur Bildung der Dreiecksspannungen e1 und e2 verbunden
sind. Wenn die Amplituden von e1 und e2 gleich sind, so erhält man natürlich F2-F=F-F1,
d.h.
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F F2 + F 2 Wenn dies nicht der Fall ist, ermöglichen die Ketten aus
den geeichten und hochstabilen Widerständen 68, 69,, 70, bzw. 682 692. 702 die Feststellung
des Wertes von F in dem Intervall F2 - F1.
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Die zwischen den Punkten 671, 672 und der Masseleitung 84 angeschlossenen
Widerstandsketten 6, 691, 682, 692 umfassen zehn einander gleiche Widerstände von
z. B. 1000 Ohm. Ein Umschalter mit Schiebern 7i' 741 und 732, 742 wählt zwei entsprechende
Kontakte 712, 722 an den Ketten 682, 692, indem er diesen Kontakten die Schieber
731, 741, 732, 742 gegenüber bringt, welche an den Schienen 751, 761, 752, 762 gleiten
(die Schieber sind in ihrer neutralen Stellung dargestellt).
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Entsprechend enthalten die zwischen den Anschlüssen 751 und 761 oder
752, 762 angeordneten Widerstandsketten 701, 702 je zehn einander gleiche Widerstände,
deren Wert ein Zehntel des Wertes der Widerstände 68, 69 ist (und z. B. 100 Ohm
beträgt). Die ebenfalls in der neutralen Stellung dargestellten Schieber 771, 772
gestatten die Wahl eines der zehn Kontakte 781, 782 durch Verschiebung der Schieber
auf den Schienen 791, 792. Die Entfernung der Schieber 73, 74 bzw. 77 aus ihrer
neutralen Stellung gestattet, den Unterschied zwischen den Amplituden von e1 und
e2 in bestimmten Verhältnissen zu verringern, wenn dieser Unterschied nicht Null
ist.
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Infolge der Widerstandsketten und der Doppelschieber ist die Potentialdifferenz
zwischen den Punkten 80, und 802 an den Schienen 791 und 792 ein bestimmter Bruchteil
der Potentialdifferenz zwischen 67 und 672. In der auf der Zeichnung dargestellten
Nullstellung
wird das Verhältnis nicht verändert, aber jede Verstellung der Schieber 73, 74 um
einen Kontakt 71, 72 in Richtung der Pfeile entspricht einer bestimmten Anderung
der Frequenz, welche so eingestellt werden kann, daß sie z. B. 100 Gamma entspricht,
was 1000 Gamma für den vollständigen Meßbereich ergibt, d. h. für die ganze Breite
des Bandes F2 - F1. Ebenso ermöglichen die beiden Widerstandsketten 70 eine unmittelbare
Eichung in Schritten von 10 Gamma. Dies ist infolge der Proportionalität zwischen
den Änderungen der Amplituden von ei bzw. e2 und den Anderungen der Frequenzfi bzw.f2
möglich, wobei diese Proportionalität von der Differenzierbarkeit dieser als Funktion
der Frequenz von welcher sie abhängt, ausgedrückten Amplitude herrührt.
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Schließlich ermöglicht eirie als Differentialgalvanometer mit zwei
Eingängen 821 und 822 ausgebildete Anzeigevorrichtung81 eine auf 1 Gamma genaue
Ablesung in dem durch die Widerstandsketten 68, ffl, 70 ausgewählten Band von 10
Gamma.
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Die Vorrichtung gemäß der Erfindung eignet sich besonders gut zur
Frequenzmessung in Verbindung mit einem in dem britischen Patent 888 439 und dem
französischen Zusatzpatent 74 060 des Erfinders beschriebenen Maser-Oszillato r.