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Verfahren und Schaltungsanordnung zur Umwandlung von elektrischen
Impulsen in sinusförmige elektrische Schwingungen Die Erfindung betrifft ein Verfahren
und eine Schaltungsanordnung zur Umwandlung von elektrischen Impulsen in sinusförmige
elektrische Schwingungen.
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Es ist bekannt, mit Hilfe einer Kippschaltung Impulse in eine Rechteckwelle
mit halber Impulsfolgefrequenz umzuwandeln. Ferner sind Schaltungen zur Umwandlung
von rechteckförmigen Impulsen in Dreieckimpulsen bekannt. Bei einer vorbekannten
Schaltungsanordnung bewirken die Rechteckimpulse die Aufladung eines Kondensators,
durch den sie in Dreieckimpulse umgewandelt werden. Die Zeitkonstante der Aufladung
ist hierbei so bemessen, daß nur ein geradliniger Teilabschnitt der gesamten Ladecharakteristik
des Kondensators durchlaufen wird. Ebenso wird bei der Entladung auch nur der geradlinige
Teilabschnitt der Entladecharakteristik ausgenutzt. Es entstehen hierbei dreieckförmige
Impulse, die in der gleichen Weise phasenmoduliert sind wie die Rechteckimpulse.
Bei einer anderen bekannten Schaltungsanordnung zur Umwandlung rechteckförmigerImpulse
in trapez- oder dreieckförmige Impulse wird ebenfalls die Lade- und Entladecharakteristik
von zwei Kondensatoren in Verbindung mit zwei als Richtleiter arbeitende Dioden
ausgenutzt.
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Aus einer Rechteckwelle kann andererseits mit Hilfe eines Tiefpaßfilters
direkt eine Sinuswelle abgeleitet werden. In diesem Fall wird mit Hilfe des Filters
jedoch nur die Grundwelle der Rechteckwelle ausgesiebt, so daß der Frequenzbereich
verhältnismäßig eng begrenzt ist. Bei der vorliegenden Erfindung kommt es aber darauf
an, die Umwandlung der Eingangsimpulse in sinusförmige elektrische Schwingungen
in einem wesentlichen größeren Frequenzbereich umwandeln zu können.
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Bei Geräten zur Untersuchung von Schwingungen zum Zweck der Auswuchtung
rotierender Körper bedient man sich im allgemeinen eines elektromagnetischen Umformers
oder Schwingungsempfängers, der mechanische Schwingungen in ein elektrisches Signal
umwandelt, das eine Frequenz hat, die mit der Frequenz der mechanischen Schwingungen
übereinstimmt, und bei dem die Amplituden der Stärke der Schwingungen entsprechen.
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Bei derartigen Auswuchtvorgängen sind häufiger zwei oder mehr Quellen
von Ungleichförmigkeiten auszugleichen, wobei jede von ihnen Schwingungen unterschiedlicher
Frequenz hervorruft, mit dem Ergebnis, daß ein zusammengesetztes elektrisches Signal,
das verschiedene Frequenzen enthält, durch den elektromagnetischen Umformer umgewandelt
wird. Um das Signal aussondern zu können, das die Frequenz des auszuwuchtenden Teiles
hat, benutzt man ein Bandpaßfilter.
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Da die Rotationsgeschwindigkeit des auszuwuchtenden Körpers über einen
verhältnismäßig weiten Bereich veränderlich sein kann, muß auch das Filter veränderlich
sein, damit es sich den jeweiligen Frequenzen anpassen kann. Besonders beim Auswuchten
von Verbrennungsmotoren od. dgl. ist mit stark veränderlichen Drehgeschwindigkeiten
und außerdem mit verschiedenen Ursachen für eine vorhandene Unwucht zu rechnen.
Bei einem Verbrennungsmotor mit einem Drosselreguliersatz, der beispielsweise auf
1500 Umdr./min eingestellt ist, kann die Drehzahl von diesem Wert etwa um 100 Umdr./min
nach oben oder unten abweichen. In diesem Fall wird die Frequenz des Wechselstromsignals,
das durch das Bandpaßfilter geht, ebenfalls entsprechend schwanken.
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Für derartige Messungen benötigt man also ein synchrones Bandpaßfilter,
bei dem der Durchlaßbereich als Funktion der Geschwindigkeit des zu überprüfenden
rotierenden Körpers veränderbar ist. Die Steuerung derartiger synchronen Bandpaßfilter
erfolgt mit einem Wechselstromsignal, dessen Frequenz sich mit der Geschwindigkeit
des rotierenden Körpers verändert. Dieses Signal muß eine bestimmte Phasenbeziehung
zu den Eingangsimpulsen und eine konstante Amplitude haben.
Während
das vorstehend genannte Wechselstromsignal mittels eines Drehzahlmessers abgenommen
werden kann, der mit dem rotierenden Körper verbunden ist, ist es manchmal schwierig
und gewöhnlich unvorteilhaft, eine mechanische Verbindung zwischen dem Drehzahlmesser
und dem rotierenden Körper vorzusehen. Ein mehr oder weniger einfacher Weg, um das
Wechselstromsignal ohne irgendeine Verbindung zu dem rotierenden Körper zu erzeugen,
besteht in der Verwendung eines synchronisierten Schwingungserzeugers, der mittels
Impulsen gesteuert wird, die man einer Fotozelle oder einem magnetischen Empfänger
entnimmt, die mit dem rotierenden Körper gekuppelt sind. Im Fall einer Fotozelle
z. B. kann man einen rotierenden Körper nehmen, der einen hellen oder dunklen Fleck
hat, derart, daß die Fotozelle einen Impuls bei jeder Umdrehung des Körpers erzeugt.
Die resultierenden Impulse können dann als synchronisierende Impulse zum Betreiben
des Schwingungserzeugers benutzt werden.
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Die Schwierigkeit bei diesem Verfahren besteht jedoch darin, daß der
Schwingungserzeuger auf eine -bestimmte Frequenz -abgestimmt werden muß und daß
die synchronisierenden Impulse dieser Frequenz um wenigstens 5 % nach oben oder
unten schwanken, Betriebsbedingungen, welche für die meisten Schwingungsprüfschaltungen
unbefriedigend sind.
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Dies vorausgeschickt, gehen die Ziele der vorliegenden Erfindung dahin,
elektrische Impulse in ein sinusförmiges elektrisches Signal umzuwandeln, wobei
die Frequenz der Impulse über einen weiten Bereich schwanken kann, in dem Maß, in
dem z. B. die Rotationsgeschwindigkeit eines rotierenden Körpers schwankt, ohne
daß -eine mechanische Verbindung mit dem Körper notwendig ist; die erzeugte sinusförmige
elektrische Schwingung soll eine konstante Amplitude haben und in der Frequenz im
gleichen Maß sich ändern wie die Rotationsgeschwindigkeit -des rotierenden Körpers.
Die Ausgangssignale sollen ferner eine konstante Phasenlage in bezug auf die Eingangsimpulse
haben.
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Durch die neue Anordnung soll außerdem die Erzeugung zweier sinusförmiger
elektrischer Schwingungen möglich sein, die beide dieselbe Frequenz wie die Rotationsgeschwindigkeit
des Körpers haben, die aber in der Phase gegeneinander verschoben sind.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist nach einem Grundgedanken der
Erfindung ein Verfahren zur Umwandlung von elektrischen Impulsen in sinusförmige
elektrische Schwingungen, bei-dem ein pulsierendes Eingangssignal mittels einer
Kippschaltung in eine Rechteckwelle mit der halben Impulsfolgefrequenz umgewandelt
wird, vorgesehen, das darin besteht, daß die erzeugte Rechteckwelle an - einen Integrator
angelegt und in diesem in an sich bekannter Weise eine Dreieckwelle umgewandelt
wird, daß ferner die Dreieckwelle einem Mischkreis zugeführt wird, wobei an den
zweiten Eingang des Mischkreises eine in Abhängigkeit von der Frequenz der Rechteckwelle
schwankende Gleichspannung zur Kompensation der Amplitude der Dreieckwelle angelegt
wird, und daß im Anschluß an den Mischkreis die Dreieckwelle in eine Sinuswelle
umgeformt wird.
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Nach der weiteren Erfindung wird zur Ausübung des Verfahrens eine
. Schaltungsanordnung =benutzt, bei der dem zweiten Eingang der Kippschaltung ein
Phasendrehkreis vorgeschaltet ist, in dem die Eingangsimpulse in der Phase um den
halben Impulsabstand verschoben werden. Der Phasendrehkreis besteht nach einem weiteren
Kennzeichen der Erfindung aus einem Flip-Flop-Kreis, einem Integrator, einer Schmittschen
Kippschaltung und einem hieran angeschlossenen Differenzierelement sowie einem Gleichrichter:
Die Kippschaltung besteht nach der weiteren Erfindung aus einem bistabilen Multivibrator,
der so ausgebildet ist, daß ein Eingangsimpuls an einem seiner beiden Eingänge ein
Ausgangssignal mit ansteigender Spannung, dagegen ein Eingangsimpuls an seinem anderen
Eingang ein Ausgangssignal mit abfallender Spannung erzeugt.
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Für die Erzeugung einer zweiten sinusförmigen Schwingung, die gegenüber
der ersten in der Phase verschoben ist, wird in weiterer Ausbildung des Erfindungsgegenstandes
an .den Ausgang des Mischkreises eine Kippschaltung; ein- Integrator und ein weiterer
Mischkreis in Reihe angeschlossen, wobei der zweite Eingang des zweiten Mischkreises
mit dem Kreis zur Erzeugung der in Abhängigkeit von der Frequenz der Rechteckwelle
schwankenden Gleichspannung verbunden sind und wobei an dem Ausgang des zweiten
Mischkreises ein weiterer Sinuswellenglätter angeschlossen ist, an dessen Ausgang
eine in bezug auf die erste Sinuswelle um 90° in der Phase verschobene zweite Sinuswelle
auftritt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Schaltungsanordnung nach
der Erfindung dienen als Sinuswellenglätter mehrere parallelgeschaltete Paare von
Zenerdioden mit von Paar zu Paar unterschiedlicher Durchbruchsspannung, von denen
die Dioden jedes Paares die gleiche Durchbruchsspannung haben und anodenseitig miteinander
verbunden sind, wobei in Reihe zu jedem Diodenpaar ein um so größerer Widerstand
geschaltet ist, je kleiner die Durchbruchsspannung ist.
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Die nach der Erfindung vorgesehene Umwandlung von elektrischen Impulsen
in sinusförmige elektrische Schwingungen hat zunächst den Vorteil, daß sie-sich
für ein relativ großes Frequenzbereichsverhältnis, z. B. 1:10, eignet. Ferner bietet
das Verfahren den Vorteil, daß die erzeugten sinusförmigen Schwingungen eine konstante
Amplitude haben und in ihrer Phasenlage in bezug auf die Eingangsimpulse keine Veränderung
erfahren. Dies ist für die Anwendung des Verfahrens bzw. der Schaltungsanordnung
gemäß der Erfindung zur Analyse von mechanischen Schwingungen besonders wichtig,
weil als Kriterium für das gewünschte Meßergebnis lediglich die Impulsfölgefrequenz
eine Rolle spielt.
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Die nach der weiteren Erfindung vorgesehene Schaltungsanordnung zur
Erzeugung von zwei in. der Phase um 90° gegeneinander verschobene Sinuswellen wird
für eine spezielle Einrichtung zur Untersuchung mechanischer Schwingungen an rotierenden
Körpern benutzt, bei der mit Hilfe der beiden phasenverschobenen Sinusspannungen
ein aktives Synchronfilter gesteuert wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend an Hand eines zeichnerisch dargestellten
Schaltungsbeispieles erläutert. Es zeigt F i g. 1 ein Blockschaltbild der Schaltungsanord-
. nung zur Umwandlung von elektrischen Impulsen in zwei sinusförmige elektrische
Schwingungen, die in ihrer Phase um 90° gegeneinander verschoben sind, F i g. 2
ein Schaltbild -des in der Anordnung nach F i g.1 benutzten bistabilen Multivibrators,
F
i g. 3 ein Schaltbild des in der Anordnung nach F i g. 1 benutzten Sinuswellenglätters,
F i g. 4 verschiedene Schwingungsformen, die an den Ausgängen der einzelnen Kreise
der Anordnung nach F i g.1 auftreten, F i g. 5 ein Diagramm der Abhängigkeit des
Stromes von der Spannung bei einer Zenerdiode, wie sie in dem Sinuswellenglätter
nach F i g. 3 verwendet wird, und F i g. 6 eine grafische Darstellung der Wirkungsweise
des Sinuswellenglätters nach F i g. 3.
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In F i g.1 ist ein rotierendes Teil 10 dargestellt, das durchsichtig
ist und einen dunklen Fleck 12 hat, der sich an einer Stelle seines Umfangs befindet
und so angeordnet ist, daß eine Fotozelle 14 während jeder Umdrehung des Teiles
20 einmal betätigt wird.
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An Stelle des Fleckes 12 könnte auch eine Nut Verwendung finden, wenn
man annimmt, daß die drehbare Scheibe 10 magnetisch durchlässig ist; die Fotozelle
16 würde in diesem Fall durch einen magnetischen Empfänger zu ersetzen sein, der
dieselbe Wirkung hervorbringen würde.
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Die hier entstehenden Impulse, die als Schwingungsform A in F i g.
4 dargestellt sind, werden einerseits unmittelbar über den Leiter 15 auf den bistabilen
Multivibrator 16 gegeben, der einen doppelten Auslöser hat, andererseits gelangen
sie über den Phasendrehkreis 18 auf den bistabilen Multivibrator 16; die zum Kreis
18 gehörenden Teile sind in der Zeichnung von einem gestrichelten Linienzug umgeben.
Beim Durchgang durch den Phasendrehkreis 18 werden die Impulse von der Schwingungsform
A in der Phase um einen Betrag von 180° gedreht, so daß jeder Impuls des Kreises
18 Impulse der Schwingungsform A liefert, die zwischen den Impulsen liegen, die
unmittelbar bei der Rotation der Scheibe 10 entstehen. Das heißt also, daß, wenn
die Impulse der Wellenform A auftreten, sooft der Fleck 12 auf der Scheibe 10 sich
in der oberen Totstellung der Scheibe 10 befindet, am Ausgang des Kreises 18 Impulse
in dem Augenblick entstehen, wenn der Fleck 12 sich um 180° gegenüber seiner oberen
Totlage gedreht hat.
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Der Phasendrehkreis 18 enthält zunächst eine Kippschaltung 11, auf
die die Impulse der Form A gegeben werden. Der Ausgang des Kippschalters zeigt die
Schwingungsform B gemäß F i g. 4. Diese wird dem Integrator 13 zugeleitet. Durch
Integrierung der Schwingungsform B ergibt sich die Schwingungsform C nach F i g.
4. Diese wird auf eine Schmittsche Kippschaltung 17 gegeben. Bekanntlich handelt
es sich bei der Schmittschen Kippschaltung um einen Multivibrator, der von einer
stabilen Stellung in die andere umschaltet, wenn der Betrag des Eingangssignals
einen vorgegebenen Amplitudenwert überschreitet. Der Kreis verbleibt in dieser anderen
stabilen Stellung so lange, bis die Größe des Eingangssignals unter den vorhergenannten
vorgegebenen Wert fällt. Wenn man daher den Stromkreis, 17
so einstellt, daß
er auf die Spannung Es-17 anspricht, i die bei der Schwingungsform C dargestellt
ist, so ergibt sich die Schwingungsform D. Wie man sieht, ist die Schwingungsform
D gegenüber der Schwingungsform Bin der Phase um 180° verschoben.
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Die sich im Stromkreis 17 ergebende Schwingungsform D wird dann auf
ein Differenzierelement 19 gegeben, welches die Schwingungsform E erzeugt; sie besteht
aus einzelnen Stromspitzen, wobei ein positiver Stromstoß beim ansteigenden Ast
jedes Spannungsrechtecks der Schwingungsform D erscheint und ein negativer Stromstoß
bei dem abfahrenden Ast der Schwingungsform D. Indem man die Schwingungsförm E durch
ein Umkehrglied 21 gibt, werden die negativen Impulse umgekehrt, und es entsteht
die Schwingungsform F, bei der die einzelnen Stromspitzen zwischen denen der Schwingungsform
A liegen. Diese Impulse werden auf den mit doppelten Auslösungen versehenen bistabilen
Multivibrator 16 über die Leitung 23 gegeben.
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Dieser bistabile Multivibrator ist im einzelnen in F i g. 2 dargestellt.
Er hat eine Eingangsklemme 20, auf welche die Impulse der Schwingungsform A aufgegeben,
und eine zweite Eingangsklemme 22, auf welche die Impulse der Wellenform B aufgegeben
werden. Der eigentliche Vibrator enthält zwei steuerbare Gleichrichter (Thyristor)
24 und 26, die in solcher Weise miteinander verbunden sind, daß, wenn der eine Schalter
24 oder 26 leitet, der andere Schalter gesperrt ist, und umgekehrt.
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Im Zeitpunkt t1, der in F i g. 4 angedeutet ist, soll der Schalter
26 leiten, so daß Strom aus der B+-Spannungsquelle durch den Widerstand 28 fließt
und die Ausgangsklemme 30 einen weniger positiven Spannungswert annimmt. Bei leitendem
Schalter 26 wird dieser Zustand anhalten, bis der Zeitpunkt t2 gemäß F i g. 4 erreicht
ist. In diesem Zeitpunkt wird ein Impuls der Schwingungsform A über eine Kapazität
32 und einen veränderlichen Widerstand 34 auf den Widerstand 36 gegeben. Der Impuls
gelangt auch über die Diode 38 auf den Widerstand 40; die daraus resultierende Spannung
am Widerstand 40 führt zu einem positiven Wert an der Eingangselektrode des steuerbaren
Gleichrichters 24, wodurch der Schalter 24 leitend wird.
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Wenn der Schalter 24 leitet, fließt Strom durch den Widerstand 42
und setzt das Anodenpotential am Schalter 24 herab. Dieser Spannungsabfall wird
unmittelbar über den Kondensator 44 und den Ableitwiderstand 46 auf den Eingang
des Schalters 26 gegeben, was die sofortige Sperrung dieses Schalters zur Folge
hat. Nachdem der Schalter 26 geschlossen ist, steigt sein Anodenpotential an, so
daß das Potential der Ausgangsschwingung G (F i g. 4) im Zeitpunkt t2 ansteigt.
Der vorstehend geschilderte Umschaltvorgang spielt sich mit extremer Geschwindigkeit
ab, und daher steigt das Potential der Schwingungsform G sehr plötzlich an, so daß
eine Rechteckwelle entsteht.
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Die Spannung an der Ausgangsklemme 30 wird auf ihrem höheren Wert
bleiben, wobei Strom durch die Widerstände 28 und 48 fließt, bis im Zeitpunkt t3
ein Impuls von der Schwingungsform F gemäß F i g. 4 empfangen wird. Dieser Impuls
gelangt auf die Klemme 22 und durch den Kupplungskondensator 50 über den Widerstand
52 und macht dadurch den mit NPN bezeichneten Transistor 54 leitend. Wenn der Transistor
54 leitet, so fließt Strom durch den Widerstand 56, und dieser setzt das Potential
im Punkt 58 herab. Dieses Potential, das auf die Anoden der Schalter 24 und 26 einwirkt,
hat zur Folge, daß der Schalter 24 gesperrt wird und der Schalter 26 leitet: dadurch
fällt die Spannung entsprechend der Schwingungsform G nach F i g. 4 momentan ab.
Im Zeitpunkt t4 wird ein weiterer Impuls in der Form der Schwingung A an der Klemme
20 empfangen, worauf sich der Vorgang wiederholt; man sieht also,
daß
sich ein rechteckiger Wellenzug (Schwingungsform G) ergibt, bei dem die Periode
der rechteckigen Welle nur einmal während jeder Umdrehung der Scheibe 10 wiederholt
wird. Die Zenerdiode 60 in der Schaltung nach F i g. 2 dient dem Zweck, ein Spannungsniveau
aufrechtzuerhalten, bei dem die Umschaltwirkung eintritt, Die Ausgangsspannung des
bistabilen Multivibrätors mit doppeltem Kippschalter, der die Schwingungsform G
gemäß F i g. 4 hat, wird auf einen Integrator 62 gegeben; durch die Integrationswirkung
entsteht aus der Rechteckwelle G die dreieckige Wellenform, die in F i g. 4 mit
H bezeichnet ist. Die Amplitude der am Ausgang des Integrators 62 auftretenden Schwingungsform
Uist jedoch frequenzempfind-Iich, d. h., wenn der Wert der mit G bezeichneten Rechteckschwingung
E1 sin co t ist, dann ist das Integral dieses Wertest. cos co t. Um
den Frequenzfaktor a) auszuschalten, wird daher ein Wechsel stromgleichstromwandler
64 au den Ausgang des bistabilen Multivibrators 16 geschaltet, Der Ausgang dieses
Wandlers 64 wird dargestellt durch den Faktor K a), wobei K eine Konstante ist,
-die durch die Parameter des Wand1exs 64 bestimmt ist. In dem man den Faktor K o)mit
E'- cos o) t in dem Mischer 66 multiw pliziert, ergibt sich am Ausgang dieses Vervielfachers
der Wert XE, cos co t, dessen Amplitude zweifellos nicht frequenzempfindlich ist.
Es versteht sich, däß die in dem Signal enthaltenen harmonischen Oberschwingungen
in derselben Weise multipliziert werden, um Veränderungen der Amplitude auszuschließen.
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Von dem Mischer 66 wird die dreieckige Wellenform (entsprechend H
von F i g, 4) unmittelbar auf den Sinuswellenglätter 68 gegeben. Der Sinuswellenglätter
ist in seinen Einzelheiten in F i g. 3 dargestellt. Er umfaßt drei parallelgeschaltete
Strompfade, von denen jeder zwei Zenerdioden in Gegenschaltung enthält, wobei deren
Anoden miteinander verbunden sind. Bekanntermaßen arbeitet eine Zenerdiode so, daß
beim Ansteigen der negativen Spannung von Null aus der Strom sehr langsam ansteigt,
bis die sogenannte -Zenerspaunung erreicht ist. In dieser Lage bricht die Zezierdiode
zusammen, der durch die Diode fließende Strom wächst sehr schnell an und wird praktisch
unabhängig von der Spannung. Dies ist in F i g. 5 dargestellt. Wenn die Diode positiv
belastet ist, verhält sie sich so wie eine übliche Diode. Wenn dagegen eine negative
Spannung aufgebracht wird, so bleibt der Strom im wesentlichen konstant, bis die
Spannung die Durchbruchsstelle: erreicht hat, wo der Strom schnell in negativer
Richtung ansteigt. Das Kniestück zwischen dem Zustand eines praktisch konstanten
Stromes und dem rasch anwachsenden Strom bei aufgegebener Minusspannung ist jedoch
etwas abgerundet, wie die F i g. 5 erkennen läßt. Von diesem Umstand wird bei der
vorliegenden Erfindung- in einer noch weiter unten zu erläuternden Weise Gebrauch
gemacht.
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Wie F i g. 3 erkennen läßt, ist bei dem Sinuswellenglätter 68 ein
Paar von Eingangsklemmen 70 und 72, vorhanden, von denen die Klemme 72 geerdet ist,
Die Klemme 70 ist über den Widerstand 74 an die Kathoden einer ersten Gruppe von
Zenerdioden Z1, c.,2 und Z3 angeschlossen. Die Anoden dieser Dioden Z1, Z2 und Z3
sind ihrerseits an die Anoden einer zweiten Gruppe von drei ZenerdiodenZ4, Z5, Z6
angeschlossen. Die Kathode der Diode Z6 ist unmittelbar an Erde angeschlossen, während
die Kathoden der Dioden Z4 und Z5 an Erde über die Wider= stände 76 bzw. 78 angeschlossen-
sind, wobei der Widerstand 76 größer ist als der Widerstand 78.
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ES sei beispielsweise angenommen, daß die Spannungen zwischen Spitze
und Spitze bei der dreieckigen Wellenform (H in F i g. 4) 15 Volt betragen. Es sei
weiter angenommen, daß bei den Dioden Z 1 und Z4 die Durchbruchsspannung 3,5 Volt,
bei den Dioden ZZ und Z5 die Durchbrachsspannung 4,7 Volt, bei den DiodenZ3 und
Z6 die Durchbruchsspannung 5,1 Volt beträgt. Wenn in der positiven Halbperiode der
dreieckigen Wellenform B nach F i g. 4 die Spannung von der Nullachse ansteigt,
so wird die Diode Z1 zuerst leitend werden, alsdann die Diode Z2 und. schließlich
auch die Diode Z3. Wenn die Spannung der Schwingungsform H dann auf der positiven
Seite der Abszissenachse abfällt, wird die Diode Z3 zuerst abschälten. Alsdann schaltet
die Diode Z2 ab, und schließlich schaltet die DiodeZl ab. Bei diesem Vorgang wird
die dreieckige Schwingungsform .H abgerundet und erzeugt eine positive Halbwelle
der Sinusform I gemäß F i g. 4. In ähnlicher Weise wird, wenn bei der dreieckigen
Schwingungsform H die negative Spannung unterhalb der Abszissenachse wieder ansteigt,
die DiodeZ4 zuerst leitend, alsdann wird die DiodeZ5 leitend und schließlich die
Diode Z6. Wenn bei der dreieckigen Schwingungsform H die Spannung in positiver Richtung
ansteigt, wird aber auf der negativen Seite der Abszissenachse zuerst die DiodeZ6
unterbrechen, dann unterbricht die Diode Z 5, und schließlich unterbricht die Diode
Z4. Auf diese Weise wird die negative Halbwelle der Wellenform 1 erzeugt; da die
Knieform, welche die Charakteristik der Zenerdioden aufweist, keinen scharfen Knickpunkt
ergibt, ist nur eine verhältnismäßig kleine Anzahl von Dioden erforderlich, im Gegensatz
zu den herkömmlichen Sinuswellenglättern, welche thermische Dioden benutzen. Am
Ausgang des Schaltelements 68 in F i g.1 entsteht also eine Sinusschwingung entsprechend
I von F i g. 4.
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Die Art, in der der Sinuswellenglätter, der in F i g. 3 dargestellt
ist, arbeitet, ist aus F i g. 6 zu ersähen. Wenn eine dreieckige Schwingungsform
auf den Eingang aufgegeben wird und kein Strom fließt, was immer -dann der Fall
ist, wenn die Zenerdioden nicht leiten, so ist die Ausgangsspannung von der gleichen
Amplitude wie die Eingangsspannung, und durch den Widerstand 74 fließt kein Strom.
Dieser Zustand besteht zwischen der Spannung Null und dem Spannungswert Ei, der
in F i g. 6 eingetragen ist. Wenn die Diode Z1 bei der positiven Halbwelle leitend
wird, so fließt Strom durch die Widerstände 74. und 76. Daraus ergibt sich
ein Spannungsabfall längs des Widerstandes 74, und die Ausgangsspannung ist letzt
geringer als die Eingangsspannung, dies ergibt eine Änderung im Ansteigen der Ausgangs-Spannung
zwischen Ei und E2. Wenn der Spannungswert E2 erreicht ist, so wird zusätzlich zu
der Diode Z1 auch die DiodeZ2 leitend. Der Anstieg der Spannungskurve, die als gestrichelte
Linie in F i g. 6 dargestellt ist, nimmt weiter ab, da die Parallelschaltung der
Widerstände 76 und 78 einen kleineren Wert ergibt als die des Widerstandes 76 allein.
Auf diese Weise fließt mehr Strom durch den Widerstand
74, und die
Ausgangsspannung geht weiter zurück. Wenn bei dem Spannungswert E3 auch die Diode
Z 3 leitend wird, wird das Knie in der Diodencharakteristik der vorwiegend entscheidende
Faktor, und die am Ausgang entstehende Schwingungsform ist an der Spitze abgerundet.
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Im absinkenden Teil der positiven Halbwelle erreichen die Dioden Z1
bis Z3 in umgekehrter Reihenfolge ihren Sperrwert, mit dem Ergebnis, das in F i
g. 6 dargestellt ist: Zunächst wird Z 3 unterbrochen, alsdann Z2, zuletzt Z1. Für
die negative Halbwelle ergibt sich dasselbe Bild wie bei der positiven Halbwelle,
mit dem Unterschied, daß die Dioden Z4 bis Z6, die nun umgekehrt beaufschlagt werden,
an Stelle der Dioden Z1 bis Z3 nacheinander leitend werden und den Strom wieder
unterbrechen.
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Um eine Sinusschwingung zu erzeugen, welche in der Phase im Verhältnis
zu der Sinusschwingung 1 um 90° gedreht ist, wird die dreieckige Schwingungsform
H, die am Ausgang des Mischers 66 vorliegt, zunächst einer Schmittschen Kippschaltung
80
zugeleitet, die in der gleichen Weise arbeitet wie die früher beschriebene
Kippschaltung 17.
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Es soll beispielsweise angenommen werden, daß die vorgegebene Spannung,
mit der die Schmittsche Kippschaltung arbeiten soll, beim Wert Es-80 liegt, wie
dies bei der Darstellung der Schwingungsform H in F i g. 4 angedeutet ist. Das bedeutet,
daß die Schmittsche Kippschaltung 80 einen Ausgangsimpuls immer dann liefert, wenn
das Eingangssignal einen Wert oberhalb der Spannung Es-80 annimmt. Das Ergebnis
ist die Schwingungsform J in F i g. 4, die eine rechteckige Schwingungsform darstellt,
in der Phase im Verhältnis zur Wellenform G um 90° gedreht. Die Wellenform J wird
dann in dem Integrator 82 integriert und in dem Schaltelement 84 mit dem Ausgang
des Wandlers 64 multipliziert. Änderungen in der Amplitude, die auf Frequenzänderungen
zurückgehen, werden hier in der gleichen Weise ausgeglichen, wie dies in dem Mischer
66 geschieht. Die sich ergebende dreieckige Schwingungsform K in F i g. 4 wird alsdann
auf einen Sinuswellenglätter 86 gegeben, der identisch mit dem oben beschriebenen
Sinuswellenglätter 68 ist. Das Ergebnis ist die Sinusschwingung L in F i g. 4, welche
im Verhältnis zur Sinuswelle E um 90° in der Phase gedreht ist.
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Man wird erkennen, daß eine Folge von Impulsen doppelter Anzahl im
Vergleich zu den Eingangsimpulsen, die von der Fotozelle 14 ausgehen, erhalten werden
kann, wenn man die beiden Impulsfolgen der Schwingungsform A und F gemäß F i g.
4 addiert. Diese Folge von Impulsen mit der doppelten Frequenz, verglichen mit der
Eingangsfrequenz, kann alsdann benutzt werden, um einen einzigen bistabilen Multivibrator
oder Flip-Flop zu betreiben und eine Rechteckschwingung zu erzeugen. Wenn ein Impuls
jedoch in einen einzelnen Flip-Flop-Auslöser gegeben wird, so schaltet der Flip-Flop-Kreis
in eine bistabile Lage um, welche derjenigen entgegengesetzt ist, zu der man vorher
kam. In anderen Worten, wenn mit der Folge von Impulsen ein einzelner Flip-Flop
gespeist wird, so würde sich aus der sinusförmigen Schwingung, die nach der Integration
und der Glättung entsteht, entweder eine Kosinus- oder Minus-Kosinuswelle im Verhältnis
zu der Eingangsfolge von Impulsen ergeben, je nach der ursprünglichen Stellung des
Flip-Flops. Wenn jedoch der bistabile Multivibrator so benutzt wird wie bei der
Anordnung nach F i g. 1, bei der die Impulsfolgen der Schwingungsform A und F in
die beiden Eingänge 20 und 22 gespeist werden, so wird die entstehende Sinusschwingung
immer ein bestimmtes Phasenverhältnis zu der ursprünglichen Impulsfolge haben. Dies
hängt damit zusammen, daß, wenn ein Impuls auf die Eingangsklemme 20 des mit einem
Doppelauslöser versehenen bistabilen Multivibrators der F i g. 2 gegeben wird, der
Kreis nur in eine stabile Lage schalten kann, und zwar in die der höheren Spannung
der Schwingungsform G. Daher schaltet die auf die Eingangsklemme 20 gegebene Impulsfolge
den Ausgang immer auf die .höhere Spannung, während die Impulsfolge, die auf die
Eingangsklemme 22 mit der Schwingungsform F aufgegeben wird, auf die niedrigere
Spannung schaltet, wie sich aus der Schwingungsform G erkennen läßt. Wenn die Impulsfolge
der Welle der Schwingungsform A auf die Eingangsklemme 20 und die Schwingungsform
F auf die Eingangsklemme 22 gegeben wird, so ist die resultierende Schwingungsform
E immer ein Minus-Kosinus im Verhältnis zu den Impulsen der Schwingungsform A. Wenn
man eine Plus-Kosinusschwingungsform wünscht, so braucht man nur die beiden Impulsfolgen
der Schwingungsform H und F, die auf den Zweifachauslöser Flip-Flop der F i g. 2
gegeben werden, umzukehren.
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Man sieht also, daß man niemals weiß, ob bei Erregung des Stromkreises
am Ausgang eine Plus-Kosinus- oder Minus-Kosinusschwingung erscheint, wenn die Frequenz
der Impulsfolgen verdoppelt wird und man nur einen bistabilen Multivibrator mit
einem Umschalter benutzt. Diese Zweideutigkeit in der Phase wird aufgehoben bei
Benutzung eines bistabilen Multivibrators 16 mit zwei Kippschaltern bei der Anordnung
nach F i g. 1.