DE1488816C

DE1488816C - Device for frequency multiplication using full wave rectifiers as multiplier stages

Info

Publication number: DE1488816C
Authority: DE
Inventors: Winfried Dr 1000 Berlin Schulz
Original assignee: Askania GmbH
Current assignee: Askania GmbH
Publication date: 1971-06-09

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur stufenweisen Serienvervielfachung der Frequenz einer sich kontinuierlich ändernden oder impulsförmigen Spannung mit einer Reihenschaltung von aus Doppelweggleichrichtern bestehenden Verdopplerstufen, bei welcher der Reihenschaltung der Doppelweggleichrichter als Eingangsspannung eine symmetrisch verlaufende und auf die Parallelzweige der Doppelweggleichrichter gleichphasig einwirkende mittels Impulsformer erzeugte Dreieckspannung zugeführt ist und in einem der beiden Parallelzweige jedes Doppelweggleichrichters ein Phasenumkehrglied angeordnet ist.The invention relates to a device for stepwise serial multiplication of the frequency a continuously changing or pulsed voltage with a series connection of doubling stages consisting of full-wave rectifiers, in which the series connection of the Full-wave rectifier as input voltage a symmetrically running and parallel branches the full wave rectifier is supplied with in-phase triangular voltage generated by means of a pulse shaper and in one of the two parallel branches of each full-wave rectifier a phase reverser is arranged.

Es sind bereits Einrichtungen zur stufenweisen Serienvervielfachung der Frequenz einer sich kontinuierlich ändernden oder impulsförmigen Spannung mit einer Reihenschaltung von aus Doppelweggleichrichtern bestehenden Verdopplerstufen bekannt (vgl. zum Beispiel schweizerische Patentschrift 283 899).There are already facilities for the gradual multiplication of the frequency of a continuous series changing or pulsed voltage with a series connection of full wave rectifiers existing doubler known (see. For example Swiss patent 283 899).

Es sind ferner Einrichtungen dieser Art bekannt, bei denen der Reihenschaltung der Doppelweggleichrichter als Eingangsspannung eine symmetrisch verlaufende und auf die Parallelzweige der Doppelweggleichrichter gleichphasig einwirkende mittels Impulsformer erzeugte Dreieckspannung zugeführt ist und in einem der beiden Parallelzweige jedes Doppelweggleichrichters ein Phasenumkehrglied angeordnet ist (vgl. zum Beispiel Funkschau, 1961, Heft 22, S. 573/574).There are also devices of this type known in which the series connection of the full wave rectifier The input voltage is a symmetrical one and the full-wave rectifier on the parallel branches in-phase acting triangular voltage generated by means of pulse shaper is supplied and a phase reversing element is arranged in one of the two parallel branches of each full-wave rectifier (see, for example, Funkschau, 1961, issue 22, pp. 573/574).

Bei der praktischen Verwendung derartiger Vorrichtungen in Protonenmagnetometern zur Ausmessung der Stärke des erdmagnetischen Feldes zeigt es sich, daß man nur wenige Frequenzverdopplerstufen hintereinanderschalten kann, da anderenfalls eine definierte Frequenzvervielfachung für Meßzwecke nicht zustande kommt.In the practical use of such devices in proton magnetometers for measurements The strength of the earth's magnetic field shows that there are only a few frequency doubler stages can be connected in series, otherwise a defined frequency multiplication for measurement purposes does not come about.

Dieses liegt daran, daß in die Meßspule des Protonenmagnetometers neben dem Nutzsignal auch Störspannungen induziert werden, die in dem Frequenzvervielfacher mitverarbeitet werden und wegen der Kleinheit des Nutzsignals zu Verformungen der Dreieckspannung Anlaß geben. Solche Verformungen wirken sich gegebenenfalls wegen nachgeschalteter Differentiationsstufen als Frequenzmeßfehler aus.This is due to the fact that in addition to the useful signal in the measuring coil of the proton magnetometer Interference voltages are induced, which are processed in the frequency multiplier and because of the smallness of the useful signal give rise to deformations of the triangular voltage. Such deformations may act as a frequency measurement error due to downstream differentiation stages out.

Es ist deshalb bereits vorgeschlagen worden, die in Serie geschalteten Doppelweggleichrichter zur Erzielung definierter Dreieckimpulsamplituden mit einem in jedem Doppelweggleichrichter vorhandenen Regler zu versehen. Dieser enthält ein Meßglied, welchem / die Dreieckspannungen beider Einwegzweige jedes Doppelweggleichrichters zugeführt sind. Das Meßglied bildet die Differenz beider Spannungen; und wenn der Differenzwert von Null abweicht, regelt ein in einem Einwegzweig jedes Doppelweggleichrichters vorgesehenes Stellglied die Spannungsamplitude dieses Zweiges in einem diese an die Amplitude des anderen Zweiges angleichenden Sinne nach. Diese Reglerstufe ist sehr aufwendig und schützt nur gegen Impulsverformungen durch unterschiedliche Dämpfungen der Dreieckspannungen in den Einwegzweigen selbst.It has therefore already been proposed that the series-connected full-wave rectifier be used to achieve this defined triangular pulse amplitudes with one present in every full wave rectifier To provide regulator. This contains a measuring element, which / the triangular voltages of both one-way branches are fed to each full wave rectifier. The measuring element forms the difference between the two voltages; and if the difference value deviates from zero, one regulates in a one-way branch of each full-wave rectifier provided actuator the voltage amplitude of this branch in one of these to the The amplitude of the other branch. This controller stage is very complex and only protects against pulse deformations due to different attenuation of the triangular voltages in the one-way branches themselves.

In Verbesserung derartiger Anordnungen wird deshalb eine Einrichtung der eingangs näher bezeichneten Art vorgeschlagen, die sich erfindungsgemäß dadurch kennzeichnet, daß der Reihenschaltung der Doppelweggleichrichter frequenzselektive Mittel vorgeschaltet sind und die sinusförmige Ausgangsspannung dieser Mittel dem zwischen den frequenzselektiven Mitteln und dem ersten Doppelweggleichrichter einer Reihe angeordneten Impulsformer zur Bildung der Dreieckspannung zugeführt ist.
Der Vorteil, der sich aus der Anwendung der vorliegenden Erfindung ergibt, liegt in einer erheblichen Verbesserung des Rausch-Signalverhältnisses für den Vervielfacher und einem verhältnismäßig geringen Aufwand an frequenzselektiven Mitteln inIn order to improve such arrangements, a device of the type described in detail is proposed, which is characterized according to the invention in that frequency-selective means are connected upstream of the series circuit of the full-wave rectifiers and the sinusoidal output voltage of these means is used for the pulse shaper arranged between the frequency-selective means and the first full-wave rectifier in a row Formation of the triangular voltage is fed.
The advantage that results from the application of the present invention lies in a considerable improvement in the noise-signal ratio for the multiplier and a relatively low expenditure on frequency-selective means

ίο den einzelnen Frequenzvervielfacherstufen, da für eine Reihe von mehreren Doppelweggleichrichtern lediglich ein z. B. als Schwingkreis ausgebildetes Selektionsmittel vonnöten ist. Ferner sind z. B. an Schwingkreise bei Anwendung der Erfindung keine hohen Ansprüche bezüglich kleiner Bandbreite oder hoher Güte gestellt. Weiterhin kann dadurch jede Gleichlaufforderung an die Schwingkreise bei ihrer Verstellung entfallen.ίο the individual frequency multiplier stages, as for a number of several full wave rectifiers only one z. B. designed as a resonant circuit Selection means is needed. Further z. B. no oscillating circuits when applying the invention high demands in terms of small bandwidth or high quality. Furthermore, everyone can There is no need to synchronize the oscillating circuits when they are adjusted.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel anIn the following an exemplary embodiment is given

ao Hand der Zeichnungen erläutert.ao hand of the drawings explained.

In der Fig. 1, welche ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Messung der Stärke des erdmagnetischen Feldes darstellt, bedeutet 1 ein aperiodisch arbeitendes Protonenmagnetometer, dessen Ausgangsspannung innerhalb eines relativ großen Bereiches in der Frequenz variabel ist. Seine sinusförmige schnell abklingende Ausgangswechselspannung gelangt zu einem Frequenzvervielfacher 2. Diesem nachgeschaltet ist ein Tor 3, -welches von einem Zeitmarkengeber 4 ansteuerbar ist. Letzterer besteht aus einem quarzgesteuerten Impulszähler mit Voreinstellmöglichkeit zur Erzielung einer genauen Zeitmessung. Zwischen zwei vom Zeitmarkengeber 4 abgegebenen Spannungsimpulsen, welche die Meßzeit zur Verarbeitung der Magnetometerspannung begrenzen, gelangt die vom Protonenmagnetometer gelieferte Wechselspannung, die im Vervielfacher in der Frequenz erhöht ist, über das von dem jeweils ersten Zeitmarkenimpuls geöffnete Tor 3 in den Zähler 5. Dieser zählt die zwischen den beiden zusammengehörigen Zeitmarken auftretenden Perioden der vervielfachten Meßspannung des Protonenmagnetometers. In Fig. 1, which is a block diagram of a device for measuring the strength of the terrestrial magnetic Field represents, 1 means an aperiodically operating proton magnetometer, the output voltage of which is variable in frequency within a relatively wide range. Its sinusoidal rapidly decaying AC output voltage arrives at a frequency multiplier 2. This downstream is a gate 3, which can be controlled by a time stamp generator 4. The latter exists from a quartz-controlled pulse counter with presetting option to achieve an accurate time measurement. Between two delivered by the time stamp generator 4 Voltage pulses, which limit the measuring time for processing the magnetometer voltage, the alternating voltage supplied by the proton magnetometer reaches the multiplier in the frequency is increased, via the gate 3 opened by the respective first time stamp pulse into the Counter 5. This counts the periods between the two related time stamps the multiplied measuring voltage of the proton magnetometer.

Der Zähler 5, der nach Art der bekannten Binärzähler ausgestaltet ist, zeigt das Meßergebnis direkt in magnetischen Meßeinheiten an. Der Zähler 5 ist mit einem Drucker 6 verbunden, welcher zur Registrierung der Meßergebnisse dient.The counter 5, which is designed in the manner of the known binary counter, shows the measurement result directly in magnetic measuring units. The counter 5 is connected to a printer 6, which is used for registration the measurement results are used.

Ferner ist ein Programmsteuergerät 7 vorgesehen, welches z. B. ein Zeitgeber nach Art der bekannten Synchronuhrwerke ist. Seine Aufgabe ist die Ansteuerung des Protonenmagnetometers, des Zeitmarkengebers, des Tores, des Zählers und des Druckers, so daß alle diese Geräteteile zur rechten Zeit den Betrieb aufnehmen.Furthermore, a program control device 7 is provided which, for. B. a timer in the manner of the known Synchronous clockwork is. Its task is to control the proton magnetometer, the time marker generator, of the gate, the counter and the printer, so that all these parts of the device are on the right Time to start operating.

In der Fig. 2 ist ein Teil des Protonenmagnetometers mit dem Frequenzvervielfacher schematisch dargestellt: Es bedeutet 8 die Meßsonde des Protonenmagnetometers, reines Wasser in einem Behälter. Um diesen Behälter herum befindet sich die Meßspule 9, die auf der einen Seite an Masse gelegt ist und auf der anderen Seite mit dem Kontaktarm eines Umschalters 10 verbunden ist. An die einzelnen Kontakte des Umschalters 10 sind gleichfalls anderseitig an Masse gelegte Kondensatoren 11 verschiedener Kapazitätswerte angeschlossen, derart, daß sich die auf Grund der einschaltbaren Kapazitätswerte und der großen Bandbreite des aus Magneto-In Fig. 2 is a part of the proton magnetometer shown schematically with the frequency multiplier: 8 means the measuring probe of the proton magnetometer, pure water in a container. Around this container is the Measuring coil 9, which is connected to ground on one side and to the contact arm on the other a switch 10 is connected. The individual contacts of the switch 10 are also different connected to ground capacitors 11 of different capacitance values, so that due to the capacitance values that can be switched on and the large bandwidth of the magneto-

meterspule und jeweiligem Kondensator gebildeten Schwingkreises ergebenden Resonanzfrequenzbereiche einander anschließen.Meter coil and respective capacitor formed resonant circuit resulting in resonance frequency ranges join each other.

Diesem Schwingkreis ist ein selbst nicht frequenzselektiver Transistorverstärker 12 nachgeschaltet, dem wiederum ein aus einem auswählbaren Kondensator 13 und einer Spule 14 festen Induktivitätswertes bestehender Schwingkreis folgt. Der jeweils passende Kapazitätswert eines der Kondensatoren wird mittels eines Schalters 15 parallel zur Spule 14 gelegt.This resonant circuit is followed by a transistor amplifier 12, which itself is not frequency-selective, which in turn is followed by an oscillating circuit consisting of a selectable capacitor 13 and a coil 14 with a fixed inductance value. Each The appropriate capacitance value of one of the capacitors is set parallel to the coil 14 by means of a switch 15 placed.

Dem letzteren Schwingkreis nachgeschaltet ist ein Rechteckimpulsformer 16, welcher z. B. aus mehreren Begrenzerstufen mit jeweils zwei antiparallelgeschalteten Halbleiterdioden und zwischen den Diodenpaaren liegenden Transistorverstärkerstufen besteht; auf diesen folgt ein Dreieckimpulsformer 17. Der Dreieckimpulsformer besteht aus einer ÄC-Integrationsschaltung mit gegengekoppeltem Transistorverstärker, er liefert eine symmetrische Dreieckspannung mit linearer Anstiegs- und Abfallflanke der Dreiecke. Die Dreieckspannung ist gleichfrequent bezüglich der an dem Eingang des Integrators anstehenden Rechteckspannung und weiterhin gleichfrequent zu der sinusförmigen Magnetometerausgangsspannung. The latter resonant circuit is followed by a rectangular pulse shaper 16, which z. B. from several Limiter stages each with two anti-parallel connected semiconductor diodes and between the Transistor amplifier stages lying in pairs of diodes; this is followed by a triangular pulse shaper 17. The triangular pulse shaper consists of an ÄC integration circuit with counter-coupled transistor amplifier, it supplies a symmetrical triangular voltage with linear rising and falling edges of the triangles. The triangle voltage has the same frequency with respect to the square-wave voltage present at the input of the integrator and still at the same frequency to the sinusoidal magnetometer output voltage.

Die so gewonnene Dreieckspannung gelangt auf den ersten Doppelweggleichrichter 18. Er besteht aus zwei parallelen Zweigen, denen die gleiche Dreieckspannung zugeführt ist, in welchen je ein Gleichrichter 19 und 20 gleicher Durchlaßrichtung liegt und der in Durchlaßrichtung vorgespannt ist. In einem Zweig des Doppelweggleichrichters liegt ein Phasenumkehrglied 21. Das Phasenumkehrglied ist ein einstufiger Transistorverstärker, vorzugsweise mit dem Verstärkungsfaktor F=I.The triangular voltage obtained in this way reaches the first full-wave rectifier 18. It exists from two parallel branches, to which the same triangular voltage is supplied, in each of which one Rectifier 19 and 20 is the same forward direction and is biased in the forward direction. A phase reversal element 21 is located in one branch of the full-wave rectifier. The phase reversal element is a single-stage transistor amplifier, preferably with the gain factor F = I.

Dem Doppelweggleichrichter 18 folgt ein Verstärker 22, welcher im interessierenden Frequenzbereich den Spannungen aller Frequenzen die gleiche Anhebung erteilt.The full-wave rectifier 18 is followed by an amplifier 22, which is in the frequency range of interest the voltages of all frequencies are given the same boost.

Es folgt nun ein weiterer Doppelweggleichrichter 23, bestehend aus den Gleichrichtern 24 und 25, dem Phasenumkehrglied 26 und einem zugehörigen Verstärker 27.There now follows another full wave rectifier 23, consisting of rectifiers 24 and 25, the Phase reverser 26 and an associated amplifier 27.

Der Doppelweggleichrichter 28 ist identisch den eben geschilderten ausgebildet (Gleichrichter 29 und 30, Phasenumkehrglied 31). Auf ihn folgt ein Verstärker 32, welcher in seinem Außenkreis einen weiteren aus einer Spule 33 und einem über einen Umschalter 34 auswechselbaren Kondensator 35 bestehenden Schwingkreis aufweist.The full-wave rectifier 28 is designed identically to the one just described (rectifier 29 and 30, phase reverser 31). It is followed by an amplifier 32, which has another in its outer circle consisting of a coil 33 and a capacitor 35 which can be exchanged via a changeover switch 34 Has resonant circuit.

Auf diesen Schwingkreis, der die Dreieckspannung des Verstärkers 32 in eine Sinusspannung gleicher Frequenz umformt, folgt ein weiterer Rechteckimpulsformer 37, dem ein Dreieckimpulsformer 38 nachgeschaltet ist. Die entstehenden Dreieckimpulse durchlaufen weitere Doppelweggleichrichterstufen mit zugehörigen aperiodischen Verstärkern 39 und 40 usw.On this resonant circuit, which converts the triangular voltage of the amplifier 32 into a sinusoidal voltage equal Converted frequency is followed by a further rectangular pulse shaper 37, which is followed by a triangular pulse shaper 38 is downstream. The resulting triangular pulses pass through further full-wave rectifier stages with associated aperiodic amplifiers 39 and 40 etc.

Besitzt die frequenzvervielfachte Dreieckspannung nach Passieren einer gewissen Anzahl in eben beschriebener Weise angeordneter Doppelweggleichrichterstufen die erforderliche Frequenz, so wird sie abschließend mittels eines Impulsformers 42 in Rechteckform gebracht und mit einem Differenzierglied 43 in Nadelimpulsform gebracht; mit den Nadelimpulsen ist der Periodenzähler 5 der F i g. 1 beaufschlagt. Ist jedoch eine weitere Frequenzerhöhung der Magnetometerspannung erforderlich, so kann dies in der bereits geschilderten Weise durch weitere Reihenschaltungen von Doppelweggleichrichtern mit jeweils vorgeschalteten Impulsformern geschehen; nach etwa jeweils drei Verdopplerstufen wird die Dreieckspannung mittels eines Schwingkreises in Sinusform gebracht. Die Spannung mit der jeweils interessierenden Frequenz wird bevorzugt verstärkt und wird dann über Rechteck- in Dreieckform gewandelt. In der Dreieckform kann die Spannung weiter in der Frequenz vervielfacht werden.Has the frequency-multiplied triangular voltage after passing a certain number in the just described Way arranged full-wave rectifier stages the required frequency, it will finally brought into a rectangular shape by means of a pulse shaper 42 and with a differentiating element 43 brought into needle pulse form; with the needle pulses, the period counter 5 is shown in FIG. 1 applied. However, if a further frequency increase of the magnetometer voltage is required, this can be done in the manner already described by further series connections of full-wave rectifiers done with upstream pulse formers; after about every three doubler levels the triangular voltage is converted into a sinusoidal shape by means of an oscillating circuit. The tension with the The frequency of interest in each case is preferably amplified and then becomes triangular via a rectangle changed. In the triangular shape, the voltage can be further multiplied in frequency.

Die Umschalter 10, 15 und 34 sind gleich ausgebildet, sie sind mit einem gemeinsamen Bedienmittel 36 betätigbar. Die Doppelweggleichrichterstufen 18, 23, 28, 39 und 41 und eventuell weitere sind untereinander gleichartig ausgebildet, desgleichen die aperiodischen Verstärker 22, 27 und 40, die Rechteckimpulsformerstufen 16, 37 und 42 bzw. die Dreieckimpulsformerstufen 17 und 38.The changeover switches 10, 15 and 34 are designed the same, they are with a common operating means 36 operable. The full-wave rectifier stages 18, 23, 28, 39 and 41 and possibly others are designed identically to each other, as are the aperiodic amplifiers 22, 27 and 40, the rectangular pulse shaper stages 16, 37 and 42 and the triangular pulse shaper stages 17 and 38.

Es ist selbstverständlich möglich, statt der im Ausführungsbeispiel verwendeten Schwingkreise andere, beispielsweise in höheren Frequenzbereichen zweckmäßigere Frequenzselektionsmittel anzuwenden, z. B. abgestimmte Leitungen oder Hohlraumresonatoren, eventuell auch aus i?C-Schaltungen bestehende Hoch- oder Tiefpässe zur Unterdrückung von Frequenzbereichen, in welchen Störspannungen auftreten oder zu erwarten sind.It is of course possible, instead of the oscillating circuits used in the exemplary embodiment, other, use more appropriate frequency selection means in higher frequency ranges, for example, z. B. matched lines or cavity resonators, possibly also consisting of i? C circuits High or low pass filters to suppress frequency ranges in which interference voltages occur or are to be expected.

Claims

Patent claims:

1. Facility to stuf s show serial multiplication of the frequency of a continuously changing or pulsed voltage with a series connection of full wave rectifiers existing doubler stages, in which the series connection of the full wave rectifier the input voltage is a symmetrical and generated by means of a pulse shaper Triangular voltage acting in phase on the parallel branches of the full wave rectifier is fed and in one of the two parallel branches of each full-wave rectifier Phase reversal element is arranged, characterized in that the series connection the full-wave rectifier (18, 23, 28) frequency-selective means (13, 14) are connected upstream and the sinusoidal output voltage of these means is that between the frequency selective means and the first full wave rectifier of a series arranged pulse shaper (16, 17) for Formation of the triangular voltage is fed.

2. Device according to spoke 1, characterized in that at least two series connections of full-wave rectifiers (18, 23, 28 and 39, 41 etc.) with upstream frequency-selective Means (13, 14 and 33, 35 etc.) and pulse shapers (16, 17 and 37, 38 etc.) in series are switched.

3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the frequency-selective Means (9, 11, 13, 14 and 33, 35) consist of resonant circuits.

4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the resonant circuits are range-switchable with regard to their resonance frequency.

5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the area

switching (10, 15, 34) for all oscillating circuits together (36) can be carried out.

6. Device according to one of claims 1 to 5 for an inductively sampled pulse or Sinus voltage source, characterized in that the measuring coil (9) of the voltage source (8) is itself part of a frequency range switchable oscillating circuit (9 and 11).

1 sheet of drawings