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Die Erfindung betrifft einen Frequenzdiskriminator zum Erzeugen einer
der Amplitude und Polarität nach von der Kennfrequenz eines frequenzmodulierten
Eingangssignals abhängigen Gleichspannung mit einem astabilen selbstschwingenden
Multivibrator, dessen Eigenfrequenz von je einem an die Frequenzsteuerelektroden
der Multivibratorschaltglieder angeschlossenen RC-Glied bestimmt ist und dessen
Ausgangssignal mit dem frequenzmodulierten Eingangssignal in der Phase verglichen
wird, wobei dem Multivibrator die bei einer Frequenzdifferenz auftretende Gleichspannung
von solcher Amplitude über eine Rückkopplungsschleife zugeführt wird, daß die Multivibratorfrequenz
mit der Frequenz des Eingangssignals in übereinstimmung gebracht wird.
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Anwendung findet ein solcher Frequenzdiskriminator insbesondere bei
der Fernmessung, bei der entsprechend der Meßgröße eine Frequenzmodulation einer
Trägerwelle vorgenommen wird. Im Empfänger muß die beispielsweise von einem Ballon
oder einem Satelliten übertragene Welle demoduliert werden. Dabei wird eine unmittelbar
zur Anzeige der Meßgröße dienende Gleichspannung erzeugt, deren Amplitude und Polarität
der Größe und dem Vorzeichen der Kennfrequenz bzw. der Frequenzabweichung von der
Frequenz der Trägerwelle entspricht.
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Zu diesem Zweck geht die Erfindung von dem eingangs erläuterten Phasendiskriminator
aus, der aus »I.R.E. Transactions an Telemetrie and Remote Control«, TRC 4 Nr. 1,
Juni 1958, S. 20, bekannt ist. Der bekannte Phasendiskriminator ist an Hand der
F i g. 1 der Zeichnung näher erläutert.
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Bei dieser Vorrichtung wird das einer Trägerwelle mit der Frequenz
fl überlagerte zu demodulierende Eingangssignal dem einen der beiden Eingänge einer
Phasenvergleichsstufe 10 zugeführt, deren anderem Eingang ein von einem Oszillator
11 abgegebenes Signal zugeführt wird, dessen Frequenz sich beiderseits einer bestimmten
Bezugsfrequenz f. entsprechend der Polarität und der Größe eines dem Oszillätor
zugeführten Gleichstromsignals ändert. Besteht zwischen den Frequenzen f1 und to
eine Differenz, so gibt die Vergleichsstufe 10 eine sich mit der Frequenzänderung
kontinuierlich ändernde Ausgangsspannung ed, ab. Diese Spannung ergibt nach Filterung
in einem Tiefpaß 12 und Verstärkung in einer Stufe 13 das Gleichspannungssignal
Aed" das über die im folgenden als Rückkopplungsschleife bezeichnete Verbindung
14 der Steuerelektrode des Oszillators 11 in dem gewünschten Sinne zugeführt wird,
damit die Frequenz dieses Oszillators sich der Eingangsfrequenz f1 nähert und die
Spannung ed, vermindert wird. Bei erreichtem Gleichgewicht ist die verstärkte Fehlerspannung
Aeä, ein Maß für die Differenz zwischen der Eingangsfrequenz f1 und der Bezugsfrequenz
to. Diese Spannung kann dann einer beliebigen Auswerteeinrichtung zugeführt werden.
Der bekannte Frequenzdiskriminator liefert hinsichtlich Genauigkeit und der Linearität
der Demodulation sehr gute Ergebnisse. Nachteilig ist jedoch der verhältnismäßig
komplizierte Aufbau des Geräts und der große Schaltungsaufwand.
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Demgegenüber ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe darin
zu sehen, den Schaltungsaufwand des Frequenzdiskriminators der eingangs geschilderten
Art zu verringern.
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das frequenzmodulierte
Eingangssignal über je einen ersten Widerstand und die Gleichspannung über je einen
zweiten in der Rückkopplungsschleife liegenden Widerstand jeder Frequenzsteuerelektrode
zur Änderung der Aufladezeit des Kondensators des zugehörigen RC-Gliedes zugeführt
werden.
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Mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung entfällt die dem Multivibrator
vorgeschaltete Phasenvergleichsstufe. Es tritt somit eine Vereinfachung der Schaltung
ein, da der Multivibrator auch die Funktion der Phasenvergleichsstufe übernimmt
und der Multivibrator gleichzeitig als Frequenzdiskriminator wirkt.
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Zur Synchronisierung des Ablenksystems einer Fernsehbildröhre mit
den empfangenen Synchronisierimpulsen ist es ferner bekannt (USA.-Patentschriften
2 358 545 und 2 461871), daß ein Phasenvergleich der das Eingangssignal darstellenden
Synchronisierimpulse mit dem einem Sägezahngenerator und gegebenenfalls den Ablenkspulen
der Fernsehbildröhre zuzuführenden Ausgangssignal eines Oszillators vorgenommen
und eine bei einer Frequenzdifferenz auftretende Gleichspannungskomponente zur Nachstimmung
des Oszillators benutzt wird. Der Oszillator kann dabei als Multivibrator oder als
Sperrschwinger geschaltet sein. Bei beiden bekannten Schaltungen sind jedoch eigene
Phasenvergleichsstufen, z. B. Diodenbrücken, dem Oszillator vorgeschaltet. Es ist
auch bekannt (bekanntgemachte Patentanmeldung T 9351 VIII a/21 a4), bei Frequenzdiskriminatoren
zur Demodulation frequenzmodulierter Hochfrequenzschwingungen beim UKW-Rundfunk
ein Niederfrequenzsignal vom Ausgang eines mit den frequenzmodulierten Schwingungen
gespeisten Impulsgenerators auf seinen Eingang zurückzuführen, um seine Frequenz
mit der Frequenz der empfangenen Schwingung in Übereinstimmung zu bringen. Diese
Rückkopplungsschleife enthält aber ein eigenes RC-Glied sowie eine Induktivität
und ist deshalb für den mit der Erfindung angestrebten- Zweck unbrauchbar. Zwar
ist fernerhin das Eingangssignal, nämlich die Zwischenfrequenz, dem Steuergitter
des als Sperrschwinger aufgebauten Impulsgenerators ohne Zwischenschaltung einer
Phasenvergleichsstufe zugeführt. Darin allein besteht jedoch die Erfindung nicht.
Außerdem handelt es sich bei der bekannten Schaltung um die Mitnahme des Sperrschwingers
von der frequenzmodulierten Eingangsschwingung.
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Schließlich ist es bei einem Multivibrator bekannt (deutsche Patentschrift
1046 678), den Widerstand des frequenzbestimmenden RC-Gliedes zwischen das Steuergitter
und die Anode der ersten Triode zu schalten. Dadurch ergibt sich bei einem Frequenzteiler
eine Stabilisierung der Frequenz.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend an Hand der
Zeichnung näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 a ein Blockschaltbild eines Frequenzdiskriminators
gemäß der Erfindung, F i g. 2 das Schaltbild des Ausführungsbeispiels mit einem
Multivibrator als Oszillator, F i g. 3 mehrere Spannungsverläufe zur Erläuterung
der Wirkungsweise der Schaltung nach F i g. 2, wobei angenommen ist, daß die Rückkopplungsschleife
unterbrochen ist, F i g. 4 mehrere Spannungsverläufe zur Erläuterung der tatsächlichen
Wirkungsweise der Schaltung nach F i g. 2 und F i g. 5 zwei Spannungsverläufe zur
genaueren Er-
Läuterung der Wirkungsweise des Frequenzdiskriminators.
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In F i g. 1 a ist der Frequenzdiskriminator gemäß der Erfindung ebenfalls
in einem Blockschaltbild dargestellt, um einen Vergleich mit dem bereits beschriebenen
bekannten Diskriminator nach F i g. 1 zu erleichtern. Entsprechende Bauelemente
sind in F i g. 1 a mit den gleichen Bezugszahlen wie in F i g. 1, jedoch unter Hinzufügung
des Buchstaben a bezeichnet. Wie man sieht, liegt der Unterschied zwischen den beiden
Schaltungen darin, daß die Phasenvergleichsstufe 10 fortgefallen ist und der frequenzveränderbare
Oszillator 11a einen zusätzlichen Eingang besitzt, über den ihm das zu demodulierende
Signal mit der Trägerfrequenz f i direkt zugeführt wird. Dieser Oszillator 11a übernimmt
erfindungsgemäß zusätzlich die Aufgabe der in der bekannten Schaltung enthaltenen
Phasenvergleichsstufe 10.
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Wie F i g. 2 zeigt, ist der Oszillator 20 ein an sich bekannter astabiler
Multivibrator mit zwei als Schaltglieder wirkenden Transistoren 21, 22, deren Basiselektroden
über Kondensatoren 41, 42 mit den Kollektorelektroden jeweils des anderen Transistors
verbunden sind. Die beiden Basiselektroden sind weiter über Widerstände 43, 44 mit
einer Spannungsquelle von z. B. 5 Volt verbunden. Die beiden Emitterelektroden sind
über einen Widerstand 32 mit Masse und die beiden Kollektorelektroden über zwei
Widerstände 35, 36 mit einer Spannungsquelle von z. B. 30 Volt verbunden.
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Bekanntlich arbeitet ein derartiger Multivibrator als Relaxationsoszillator
und erzeugt eine Rechteckschwingung. Die Kondensatoren 41, 42 laden und entladen
sich abwechselnd über die Widerstände 43, 44, um abwechselnd der Basiselektrode
des Transistors 21 oder der des Transistors 22 ein Potential zuzuführen, das den
entsprechenden Transistor leitend bzw. nichtleitend macht. Derjenige der beiden
Transistoren, der in einem gegebenen Augenblick nichtleitend ist, gibt an seinen
Kollektor einen Impuls mit der Spannung der Quelle 40 ab. Dieser über den entsprechenden
Kondensator der Basis des anderen Transistors zugeführte Impuls macht diesen nichtleitend
und den ersten Transistor leitend. Man kann somit an einer der beiden Kollektorelektroden,
z. B., der des Transistors 22, bei 50 eine Rechteckschwingung abnehmen, deren Frequenz
durch Verändern der Widerstände 43, 44 verändert werden kann.
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Das bei 25 auftretende Eingangssignal wird über die parallel zu den
Ladewiderständen 43, 44 liegenden Widerstände 26, 27 den beiden Basiselektroden
zugeführt. Dieses Signal beeinflußt also die Aufladezeit der Kondensatoren 41, 42
und folglich die Frequenz der Rechteckschwingung des Multivibrators am Punkt
50. Aus dieser Ausgangsrechteckschwingung ergibt sich nach Abtrennung der
hochfrequenten Komponenten im Tiefpaßfilter 51 und Verstärkung im Gleichstromverstärker
52 eine Gleichspannung, die, wie schon in F i g. 1 a gezeigt, über die Leitung 53
und die beiden parallel zu den Ladewiderständen 43, 44 mit den beiden Basiselektroden
verbundenen Widerständen 54, 55 in den Oszillator zurückgeführt wird. Die Ausgangsspannung
beeinflußt also ebenfalls die Aufladezeit der Kondensatoren 41, 42 und folglich
die Frequenz der Ausgangsschwingung des Multivibrators.
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Die am Ausgang des Verstärkers 52 auftretende Gleichspannung bildet
ein Maß für die augenblickliche Differenz zwischen der Ausgangsfrequenz des Multivibrators
und seiner Eigenfrequenz, die durch die Ladewiderstände 43, 44 und die Kondensatoren
41, 42 bestimmt ist. Diese Spannung kann einer beliebigen Auswerteeinrichtung oder
-schaltung, z. B. einem Anzeige- oder Aufzeichnungsinstrument, zugeführt werden.
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Im folgenden sei näher erläutert, wie der gewünschte Phasenvergleich
bei der beschriebenen Vorrichtung bewirkt wird. Um diese Erläuterung zu vereinfachen,
sei zunächst angenommen, daß die Verbindung 53 unterbrochen ist. In F i g. 3 stellt
der Kurvenzug b die bei Abwesenheit des Eingangssignals im Punkt 25 an der Kollektorelektrode
des Transistors auftretende Rechteckschwingung dar. Diese Schwingung hat die Eigen-
oder Bezugsfrequenz, die lediglich durch die Ladewiderstände 43, 44 und die Kondensatoren
41, 42 bestimmt ist. Der Kurvenzug a stellt die bei 25 zugeführte Eingangsschwingung
dar, die die gleiche Frequenz hat wie die Eigenschwingung des Oszillators, jedoch
in der Phase um 90° nacheilt. Unter diesen Umständen ist die Spannung des Eingangssignals,
die den Oszillator während jeder Halbwelle (wie T1) einer Schwingung beeinflußt,
während gleicher Zeitintervalle positiv und negativ, wie auch durch die schraffierten
Teile der Kurve a angedeutet. Der Mittelwert ist also Null, und die Ausgangschwingung
des Oszillators wird nicht deformiert; ihre Frequenz behält also ihren Normalwert.
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Tritt jedoch im Gegensatz dazu in bezug auf die Eigenschwingung eine
von 90° abweichende Phasenverschiebung auf, wie in der Kurve c dargestellt, so ist
der Mittelwert während jeder Halbwelle der Schwingung nicht mehr gleich Null. Die
Gesamtperiode der Ausgangsschwingung (Kurvenzug d) des Oszillators behält den gleichen
Wert (Ti und T..,), und die Ausgangsfrequenz wird nicht verändert, sondern behält
ihren Normalwert. Die beiden Halbwellen oder Halbperioden haben jedoch nicht mehr
gleiche Dauer, sondern die positive Halbwelle T2 ist länger als die negative Halbwelle
T1. Das Integral dieser Ausgangsspannung über eine beliebige Periode enthält also
eine positive Gleichstromkomponente, deren Wert eine Funktion der Phasenverschiebung
der Eingangsschwingung ist.
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Die beschriebene Vorrichtung arbeitet also bei unterbrochener Verbindung
53 als Phasenvergleicher. Weicht jedoch die Eingangsfrequenz von der Eigenfrequenz
des Oszillators ab, so tritt die beschriebene Wirkung nicht auf, d. h. die Schaltung
arbeitet dann nicht als Frequenzdiskriminator. Um dies zu erreichen, muß die Ausgangsgleichspannung,
wie in F i g. 2 dargestellt, über zwei Widerstände 54, 55 in den Oszillator zurückgeführt
werden. Dank diesem geschlossenen Kreis wird die Frequenz des von dem Oszillator
erzeugten Signals auf eine weiter unten näher erläuterte Art und Weise auf einen
Wert zurückgeführt, der dem des Eingangssignals gleich ist. Zwischen der Eingangsschwingung
und der von dem Oszillator erzeugten Schwingung tritt dabei eine Phasenverschiebung
auf, die dazu neigt, die Ausgangsgleichspannung auf einem festen Niveau zu halten.
Ändert sich die Frequenz des Eingangssignals, so ändert sich diese Phasenverschiebung
ebenfalls und verändert das Niveau der Ausgangsspannung. Diese Spannungsänderung
führt die Frequenz des Oszillators auf einen neuen Wert zurück, der gleich dem neuen
Wert der Frequenz des Eingangssignals ist.
Dieses Verhalten der
Schaltung sei im folgenden an Hand der in der F i g. 4 dargestellten Spannungsverläufe
näher erläutert.
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In dieser Figur zeigen die Kurven b verschiedene an den einzelnen
Punkten der Schaltung auftretende Spannungsverläufe, wenn die Eingangsfrequenz gleich
der Eigenfrequenz des Oszillators ist. Die Kurvengruppen a und c zeigen entsprechende
Spannungsverläufe für den Fall, daß die Eingangsfrequenz kleiner bzw. größer als
die Eigenfrequenz ist. lyn folgenden seien zunächst die Spannungsverläufe der Gruppe
b beschrieben.
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Die Kurve b1 zeigt -die Eingangsschwingung, d. h. eine symmetrische
Rechteckschwingung, deren Amplitude durch einen nicht weiter dargestellten Begrenzerverstärker
bestimmt ist.
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Die Kurve b2 zeigt die -der Basiselektrode des Transistors
21 zugeführte Spannung. Zu Beginn dieser Periode ist diese Spannung leicht
positiv (z. B. +fl,7 Volt), so daß dieser Transistor leitet.
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Die Kurve b3 zeigt die der Basis des Transistors 22 zugeführte Spannung.
Diese Spannung ist zunächst ansteigend (Aufladung des Kondensators 42), bis sie,
sobald der Kondensator geladen ist, ein positives Niveau (von z. B. -f-0,7 Volt)
erreicht hat, bei dem der Transistor 22 leitend wird. Der Transistor 21 wird dann
fast augenblicklich nichtleitend, und seine Basisspannung fällt schlagartig auf
einen negativen Wert ab (von z. B.-=-4 Volt, s. Kurve b2).
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Während der Transistor 22 leitet, steigt seine Basisspannung entsprechend
dem ersten Segment der Ladekurve b2 und der Ladeperiode des Kondensators
41 an. Am Ende der ersten Halbperiode der Eingangsschwingung, sobald die
Spannung b1 auf einen negativen Wert abgefallen ist, nimmt die Ladegeschwindigkeit
des Kondensators 42 aus weiter näher dargestellten Gründen einen wesentlich niedrigeren
Wert an, so daß der zweite Abschnitt der Ladekurve b2 eine wesentlich niedrigere
Steilheit hat. Diese, in erster Näherung linearen Kurvenabschnitte sind in Wirklichkeit
Abschnitte logarithmischer Kurven.
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Sobald die Spannung b2 an der Basis des Transistors 21 einen Wert
erreicht hat, der diesen Transistor leitend macht, schaltet der Multivibrator in
seinen anderen Zustand, d. h., der Transistor 21 leitet und der Transistor 22 sperrt.
Die Basisspannung des Transistors 22 (Kurve b3) fällt schlagartig auf -4 Volt ab
und steigt dann entsprechend den Abschnitten an, welche die gleiche Steilheit, jedoch
umgekehrte Reihenfolge haben wie die Abschnitte, gemäß denen die Spannung der Basis
des Transistors 21 während der vorhergehenden halben Periode angestiegen ist.
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Die Kurven b4 und b5 zeigen die Spannungen an den Kollektorelektroden
der beiden Transistoren. Man sieht, daß diese Schwingungen rechteckig, von gleicher
Länge und um 1.80° in der Phase versetzt sind. Der Kollektor jedes Transistors bewahrt
ein konstantes positives Potential (-I-5 Volt von der Spannungsquelle
40), solange die Kurve der entsprechenden Basisspannung das maximale Niveau,
bei dem der Transistor leitend wird, nicht erreicht hat. Die beiden Halbperioden
jeder der Wellen b4 und b5 haben gleiche Länge.
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Die Kurve b6 zeigt die Ausgangsspannung des Gleichstromverstärkers,
die mit der Kurve b4 übereinstimmt. Die Kurve b7 zeigt die Spannung am Ausgang des
Tiefpaßfilters 51 nach Verstärkung im Gleichstromverstärker 52. Dieses Filter hat
die Aufgabe, die Ausgangsspannung über jede vollständige Periode zu integrieren,
um die Wechselstromkomponente zu :dämpfen. Es ergibt sich so als Kurve b7 eine Schwingung
niedriger Amplitude um den Mittelwert,0, da, wie deutlich zu erkennen ist, die beiden
Halbperioden der Schwingung b. gleiche Zeitdauer haben.
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Da unter diesen Umständen die Ausgangsspannung der Vorrichtung gleich
0 ist, hat diese Null-Spannung, die über .die Widerstände 54, 55 auf die Basiselektroden
:der beiden Transistoren rückgeführt wird, keinen Einfluß auf die Frequenz :des
Multivibrators, der .also mit seiner Eigenfrequenz weitersehwingt.
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Es sei nun angenommen, daß das Eingangssignal eine Frequenz f 1 hat,
die kleiner ist als die Eigenfrequenz f. des Multivibrators. Dieses Signal ist in
der Kurve a1 der F i g. 4 dargestellt. Die Kurven der Basisspannung jedes der beiden
Transistoren 21 und 22, die als a2 und a3 dargestellt sind, haben den gleichen allgemeinen
Verlauf wie die Kurven b2 und b3 des soeben besprochenen Falls. Sie unterscheiden
sich lediglich durch die relative Länge ihrer Einzelnen Abschnitte. Bei der Kurve
a" erscheint der Punkt, bei dein sich die Steilheit der Ladekurve des Kondensators
plötzlich verringert und der durch die Rückflanke der Eingangsschwingung a1 bestimmt
ist, wesentlich später, so daß die mittlere Steilheit des ansteigenden Teils der
Kurve größer ist und die Kurve das Niveau ihres oberen Absatzes früher erreicht.
Ebenso tritt bei der Kurve a3 dis plötzliche Erhöhung der Steilheit später ein,
so .daß die mittlere Steilheit des ansteigenden Teils der Kurve verringert und dessen
Dauer erhöht wird. Daraus ergibt sich eine Unsymmetrie zwischen den Halbperioden
jeder der Spannungsverläufe a2, a3 und der Ausgangsschwingung a5. Nach Integration
durch das Filter 51 und nach Verstärkung erhält man einen ähnlichen Spannungsverlauf
(Kurve a7), der in dem vorliegenden Fall wegen der größeren Dauer der negativen
Halbwelle -der Schwingung de eine negative Gleichstromkomponente aufweist.
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Hat im Gegensatz dazu die Eingangsschwingung eine Frequenz f1, die
größer ist als die Eigenfrequenz f. des Oszillators, so ergibt sich, wie einer Betrachtung
der Kurven c unmittelbar entnommen werden kann, ein zu dem Vorhergehenden (Kurven
a) inverses Ergebnis. Die Ausgangsspannung c7 enthält also eine positive Gleichstromkomponente.
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An Hand der F i g. 5 sei jetzt das Auftreten der plötzlichen Änderung
der Steilheit der Basisspannungskurven der Transistoren näher erläutert. In dieser
Figur zeigt die obere Kurve die Änderungen des Spannungsniveaus, demgegenüber sich
der Kondensator (etwa der Kondensator 41) unter dem Einfluß der an ihn angelegten
Potentiale auflädt. Diese Spannung zeigt ein mit (a) bezeichnetes oberes Niveau,
solange die Eingangsschwingung positiv ist, und ein Niveau (b), wenn diese Schwingung
negativ ist. Während des Teils (a) folgt die Ladekurve des Kondensators 41 einem
Abschnitt, der gestrichelt dargestellten, zum Niveau (a) asymptotischen logarithmischen
Kurve, während beim Abschnitt (b) die Aufladung einer entsprechenden, aber zu (b)
asymptotischen Kurve mit niedrigerer Steilheit folgt. Man sieht daraus, daß der
Zeitabschnitt T1, bei dem in bezug auf
die Periode der Eigenschwingung
des Oszillators die Rückflanke der Eingangsschwingung auftritt, die dem Übergang
von dem Ladungsniveau (a) auf das Ladungsniveau (b) entspricht, die Dauer To bis
T2 des Ladungsanstiegs des Kondensators und folglich die Sperrperiode des Transistors
21 bestimmt, die somit von der Phasenverschiebung zwischen der Eingangsschwingung
und der Eigenschwingung des Oszillators abhängig ist.
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Die Rückführung der gleichgerichteten oder integrierten Ausgangsspannung
(Kurve a. oder c7) über die Widerstände 54, 55 auf die Basiselektroden der beiden
Transistoren hat den Zweck, unter Vorbehalt einer geeigneten Regelung der mittleren
Basisspannung jedes Transistors eine Verschiebung nach oben oder nach unten zu erteilen,
so daß die Gesamtdauer der Aufladung des Kondensators einen Wert annimmt, bei dem
die Periode der von dem Oszillator erzeugten Schwingung einen neuen Wert annimmt,
der gleich dem der Eingangsschwingung ist.
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Der Frequenzdiskriminator gemäß der Erfindung ist insbesondere vorgesehen,
um auf den für die Fernübertragung vorgesehenen Frequenzbändern zwischen 400 Hz
und 70 kHz mit einem Frequenzhub von entweder ±7,5 oder ±15% zu arbeiten. Der Verstärkungsgrad
des Gleichstromverstärkers 52 ist als Funktion der Amplitude des Eingangssignals
so gewählt, daß es möglich ist, die erforderliche Unterdrückungswirkung sicherzustellen.