Patentanspruch:
Einrichtung zur Vervielfachung der Frequenz einer sich kontinuierlich oder impulsförmig ändernden
Spannung variabler Frequenz mit mehreren in Reihe geschalteten Vervielfacherstufen, bei
der jede Vervielfacherstufe Doppelweggleichrichter enthält, deren Zweige durch symmetrische
Dreieckspannungen gespeist sind und deren Ausgangsspannungen gegenphasig addiert die nachgeschaltete
Vervielfacherstufe speisen, insbesondere für Frequenzmeßvorrichtungen an Protonenmagnetometern,
dadurch gekennzeichnet, daß die Dreieckspannung jedem Zweig (10,
14) eines jeden Doppelweggleichrichters (8) gleichphasig zugeführt ist und in einem der beiden
Zweige eines jeden Doppelweggleichrichters ein Verstärker ungerader Wirkstufenzahl als Phasenumkchrglied
(12) angeordnet ist.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Vervielfachung der Frequenz einer sich kontinuierlich
oder impulsförmig ändernden Spannung variabler Frequenz mit mehreren in Reihe geschalteten
Vervielfacherstufen, bei der jede Vervielfacherslufe Doppelweggleichrichter enthält, deren Zweige durch
symmetrische Dreieckspannungen gespeist sind und deren Ausgangsspannungen gegenphasig addiert die
nachgeschaltete Vervielfacherstufe speisen, insbesondere für Frequenzmeßeinrichtungen an Protonenmagnetometern.
Es ist bekannt, durch wiederholte Zweiweggleichrichtung die Frequenz einer Wechselspannung mehrfach
zu verdoppeln. In einer bekannten Einrichtung (CH-PS 2 83 899) ist hierzu die Wechselspannung der
Primärwicklung eines Transformators zugeführt. Seine Sekundärwicklung ist in der Mitte angezapft,
und die in den beiden Wicklungsstellen der Sekundärseite entstehenden um 180° phasenverschobenen
Spannungen werden jede für sich gleichgerichtet und danach addiert.
Durch Kondensator- und Drosselglieder werden die addierten Spannungen der Primärwicklung des
Transformators der nächsten gleich ausgebildeten Vervielfacherstufe zugeführt.
Den Einrichtungen ist aber durch die Induktivitäten eine obere Frequenzgrenze gesetzt, ferner arbeiten
derartige Einrichtungen nur mit Wechselspannungen fester Frequenz zufriedenstellend.
Es ist daher bereits vorgeschlagen worden (DT-PS 1196 874), die inkonstante Frequenz einer im Tonbereich
liegenden sinusförmigen Wechselspannung, die von einem Protonenmagnetometer herrührt, durch
hintereinandergeschaltete Doppelweggleichrichterstufen zu erhöhen; die gewünschte Spannung mit der
jeweils doppelten Frequenz bezüglich der Frequenz der Stufeneingangsspannung ist durch LC-Schwingkreise
herausgesiebt.
Da die Eingangsspannung nicht in ihrer Frequenz konstant ist, müssen, um einwandfreies Arbeiten des
Vervielfachers zu gewährleisten, die Schwingkreise in ihrer Eigenfrequenz der anliegenden Frequenz bzw.
einer ihrer Oberwellen angepaßt werden. Dieses geschieht über einen Servomotorkreis, dessen Meßglied
die Ausgangsspannung des ersten Doppelweggleichrichters zugeführt ist. Der Servokreis verstellt über
seinen auf die Spulen und/oder Kondensatoren aller Schwingkreise wirkenden Stellmotor die Induktivitäten
und/oder Kapazitäten aller Schwingkreise
ίο derart, daß deren Eigenfrequenz gleich oder ein der
Vervielf acherstuf enzahl entsprechendes Vielfaches der Eingangsfrequenz ist.
Bei dieser Anordnung ist der hohe Aufwand durch die Resonanzfrequenznachführung der Schwingkreise
in dem Vervielfacher als nachteilig anzusehen, die sich auch nur innerhalb eines gewissen Bereiches und
mit einer relativ großen Nachlaufzeit als durchführbar erweist.
Weiterhin ist als nachteilig zu betrachten, daß alle
Schwingkreise in relativem Gleichlauf zueinander verstellt werden müssen, da nur dann die Spannungen
mit der Eingangsfrequenz bzw. mit ihrem der Stufenzahl entsprechenden Vielfachen dieser Frequenz
selektiv verstärkt werden können. Diesen relativen
as Gleichlauf kann man ohne größeren Regelaufwand
nicht realisieren.
Ferner ist eine Vorrichtung zur stufenweisen Frequenzvervielfachung mit mehreren in Reihe geschalteten
Doppelweggleichrichtern bekannt (Funkschau 1961, H. 22, S. 573 und 574), bei der jede Vervielfacherstufc
zwei Doppehveggleichrichtcr enthält, die mit symmetrischen Dreieckspannungen gespeist
sind, die gegeneinander um 180" phasenverschoben sind. Die gleichgerichteten Ausgangsspannungen
eines jeden Zweiges beider Doppelweggleichrichter werden wechselweise kombiniert, so daß zwei neue
Spannungen entstehen, die wiederum um 180° gegeneinander phasenverschoben sind und die nächste
Vervielfachcrstufe speisen.
Diese Vorrichtungen weisen den Nachteil auf, daß in jeder Vervielfacherstufe vier Einzelspannungen
gebildet werden, deren paarweise Kombination zur Ansteuerung der nächsten Stufe benutzt wird. Infolge
der unvermeidbaren Unsymmetrien zwischen den einzelnen Gleichrichterzweigen ist die Anzahl der in
Reihe schaltbaren Stufen beschränkt und die Anpassung der Spannungen, die miteinander zu kombinieren
sind, nur mit größerem Aufwand möglich.
Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit der Aufgäbe,
in Einrichtungen der eingangs bezeichneten Art die Anordnung derart zu treffen, daß eine Vervielfachung
einer Grundfrequenz auch über eine größere Anzahl von Vervielfacherstufen möglich ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird der Erfindung entsprechend bei einer Einrichtung dieser Art vorgeschlagen,
daß die Dreieckspannung jedem Zweig eines jeden Doppel weggleich richters gleichphasig zugeführt
ist und in einem der beiden Zweige eines jeden Doppelweggleichrichters ein Verstärker ungerader
Wirkstufenzahl als Phasenumkehrglied angeordnet ist.
Mit Einrichtungen nach der Erfindung lassen sich Spannungen an sich beliebiger Kurvenform unter
Anwendung geeigneter Vorrichtungen zur Umwandlung der jeweils gerade vorliegenden Kurvenform in
symmetrische Dreiecke in ihrer Frequenz vervielfachen, ohne daß Filtervorrichtungen benötigt werden,
die abzustimmen sind oder die aus verzerrten pulsie-
zumessenden magnetischen Feldes variabel ist. Diese Spannung steht bei aperiodischem Betrieb des Protonenmagnetometers
nur mit zeitlicher Beschränkung und relativ kurzfristig zur Verfügung.
Zur Messung der Frequenz ist es unter anderem üblich, entweder während einer bestimmten Periodenzahl
die zugehörige Zeit zu messen oder aber die innerhalb einer vorgegebenen Zeit auftretenden Perioden
zu zählen. Bei Anwendung des letztgenannten Verfahrens ist an aperiodisch betriebenen Magnetometern
die mögliche Meßzeit klein, weshalb wegen des Fehlers der Zählung ein hoher relativer Fehler
der Frequenzmessung auftritt. Zur Verkleinerung dieses Fehlers dient der Frequenzvervielfacher, da
durch Anwendung einer Vervielfachung der Frequenz der Meßspannung der relative Frequenzmeßfehler
um den jeweiligen Vervielfacherfaktor herabgedrückt wird.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnungen erläutert.
In der F i g. 1 bedeutet 1 ein z. B. zur Messung der Größe des erdmagnetischen Feldes eingesetztes
Protonenmagnetometer mit großem Meßbereich, so daß also dessen Ausgangsspannung innerhalb eines
relativ großen Bereiches in der Frequenz variabel ist. Die vom Protonenmagnetometer gelieferte Spannung
wird in dem Vervielfacher 2 in der Frequenz erhöht. Die höherfrequente Spannung gelangt zu einem Tor 3,
welches von einem Zeitmarkengeber 4 gesteuert ist. Zwischen zwei vom Zeitmarkengeber abgegebenen
Impulsen ist das Tor 3 geöffnet, und die Meßspannung läuft zur Auszählung der Perioden zwischen
zwei Zeitmarken in den Zähler 5 ein. Dieser zeigt das Zählergebnis direkt in magnetischen Maßeinheiten
an.
Aufbau und Funktion des Frequenzvervielfachers sind in der F i g. 2 näher erläutert.
Die von dem Protonenmagnetometer erzeugte sinusförmige Meßspannung gelangt zwecks Impulsformung
unmittelbar zu einem in üblicher Weise ausgebildeten bistabilen Multivibrator 6, welcher an seinem
Ausgang Rechteckimpulse gleicher Periodenzahl bezüglich seiner Eingangsfrequenz abgibt. Diese
Rechteckimpulse werden mittels eines z. B. aus Kondensator und gegengekoppeltem Verstärker bestehenden
Integrators 7 in symmetrische Dreieckimpulse mit linearem Spannungsanstieg und -abfall umgewandelt.
Die so gewonnenen symmetrischen Dreieckimpulse gelangen auf den Eingang einer Frequenzverdopplerstufe
8, die im wesentlichen aus einem Doppelweggleichrichter 10,14 besteht.
Im oberen Zweig des Doppelweggleichrichters werden die Dreieckimpulse über das Koppelglied 9
auf den Gleichrichter 10 gegeben, über welchen sie direkt zum Ausgang gelangen. Im unteren Zweig liegt
gleichfalls ein Ankoppelglied 11, dem das Phasenumkehrglied 12 folgt. Den Abschluß bildet das
Koppelglied 13 mit dem Gleichrichter 14. Als Phasenumkehrglied dient, wie ersichtlich, ein einstufiger
Transistorverstärker. Die Phasenumkehrstufe soll bei geringem Klirrgrad eine Verstärkung von genau
1 besitzen. Erreicht wird dies durch die Widerstände 17, 18 und 19. Während mit dem Widerstand
18 nach dem Prinzip der halben Arbeitsspannung der Arbeitspunkt des Transistors stabilisiert wird, wobei
durch den Widerstand 17 zusätzlich eine hohe Spannungsgegenkopplung auftritt, kann mit dem Stromgegenkopplungswiderstand
19 die Verstärkung auf den gewünschten Wert einjustiert werden. Mit 16 ist der Arbeitswiderstand bezeichnet.
Im oberen Zweig werden nur positive Impulse vom Gleichrichter 10 durchgelassen. Die negativen werden
ίο im unteren Zweig vom Phasenumkehrglied 12 in positive
verwandelt und nach Passieren des Gleichrichters 14 in die Lücken der ursprünglich positiven Impulse
des oberen Zweiges gefügt und gemeinsam mit diesen auf den Verstärker 15 gegeben.
Dieser Frequenzverdopplungsstufe 8 werden bei Bedarf weitere gleiche unter Zwischenschaltung je
eines Verstärkers 15 folgen. Der Verstärker dient zur Anhebung der nach Gleichrichtung auf die Hälfte der
Eingangsamplitude abgesunkenen Dreieckspannung.
Die beschriebene Einrichtung läßt eine mehrfache Serienschaltung von Frequenzverdopplerstufen bei
Speisung mit symmetrischen Dreieckimpulsen und Wahrung der Frequenzunabhängigkeit in einem größeren
Bereich zu, ohne daß die Schaltung durch das Einbringen von Induktivitäten und Kapazitäten frequenzabhängig
wird. Die vorhandenen Kondensatoren in den Koppelgliedern 9, 11,13 werden so groß
gewählt, daß ihr Widerstand für den Frequenzbereich, in dem Signale in der Frequenz vervielfacht werden,
nicht störend in Erscheinung tritt.
Für einwandfreies Arbeiten der Gesamteinrichtung ist exakte Symmetrie der verwendeten Dreieckimpulse
notwendig. Daher können die Amplitude und die Form der Dreieckimpulse noch gesondert überwacht
werden, und im Falle einer Störung kann der Integrator 7 in einem die Abweichung beseitigenden Sinne
nachgeregelt werden.