DE1541383A1

DE1541383A1 - Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer Zwischenfrequenz

Info

Publication number: DE1541383A1
Application number: DE19641541383
Authority: DE
Inventors: Eugene Harrison
Original assignee: General Dynamics Corp
Current assignee: General Dynamics Corp
Priority date: 1963-02-07
Filing date: 1964-02-06
Publication date: 1969-09-11
Also published as: GB1056701A; US3249876A; NL6400992A; BE643466A

Description

Dr. Ing. E. BERKENFELL ETg; Patentanwälte, Köln Anlage Aktenzeichen

zur Eingab, vom 18. Juli 1966 VA. Name d. Anm. OENERAL DYNAMICS CORPORATION,

ONE ROCKEFILLER PLAZA, NEW YORK, NEW YORK₁ U. S. A.

Schaltungsanordnung sum Erseugen einer Zwlschsnfrcquens«

Di· vorliegend· Erfindung besieht »ich auf Schaltungsanordnung·!! sum Erseugen einer konstanten Zwlsohenfrequens, inabesondere in HF-Überlagerungsaendern oder -Empfängern, bei denen es wichtig ist, daft in den überlagerungsossillator und/oder in den Hoehfrequenskreisen auftretende Frequensschwankungen keine Schwankungen in der resultierenden Zwischenfrequens hervorrufen. Die hier vorliegenden Schaltungen kdnnen daher Prlsisions-eielchlaufschaltungen genannt werden.

Unter Berücksichtigung des obigen sielt die Erfindung darauf ab, das Problem der automatischen kompensation von irgendwelchen Frequenslnderungen su lösen, die in den genannten Schaltungen, s. B. infolge von Temperatur- oder Alterungsschwankungen,auftreten können. Diese Kompensation nuft von den Kapfangssignalen unabhängig gemacht werden und ein TriBsten und Abgleichen der einseinen Schaltungen sulassen. Es ist auch erwünscht, da* dieses Problem ohne Verwendung von Mechanisch abstimmbaren Schaltungselementen gelöst wird.

Es wurde gefunden, daft das obige Problem an besten nlt Hilfe einer einstellbaren Steuerspannung gelöst werden kann, welche den Blindwiderstand eines nlt der Spannung veränderlichen Elementes beelnfluftt. Ein solches Element 1st s. B. eine in Sperriohtung vorgespannte Halbleiterdiode oder die veränderliche Induktivität einer Spule auf einen sättigungsfähigen Kern, da «in solcher spanmingsgesteuertcr, variabler Blindwiderstand die Verwendung von Mechanischen Steuemitteln überflüssig nacht.

Halbleiterdioden, die ein« mit 4er Spannung veränderliche Kapasitlt hallen, sind bekannt wnA tür Abstinnswecke verwendet worden, Z. B. hat nan sie für Abetisst-Reeonanskreiee verwendet, wobei die vertnder-

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lieh· Spannung von eine« Potentiometer abgenommen wird. Mechanische Abstlmalttel werden dadurch jedoch nicht überflüssig. Variable Kapazitätsdioden sind auch zur automatischen Scharfabstimmung des Oszillatorkreises in FM-Empfängern verwendet worden. In diesen wird die AbstiBMspannung aus dem Empfangs-Trägerslgnal abgeleitet. Diese Technik eignet sich nicht für Fälle, in denen ein Trägersignal nicht zur Verfugung steht, wie s. B. bei Einseitenband-Betrieb.

Das obige Problem 1st in einer Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer konstanten Zwischenfrequenz gelöst worden, in der ein oder mehrere HF-Schwingkreise, die auf eine vorgegebene Frequenz abgestimmt sind, alt Hilfe einer an eine Steuerspannung angeschlossenen veränderbaren Kapazitätsdiode abstimmbar sind, gemäft der Erfindung daduroh, daA die Steuerspannung in einer automatischen Frequenzsteuer-. schaltung erzeugt wird, die einen überlagerungsoszillator enthält, einen Frequenz- oder Phasendiskriminator und eine Kapazitätsdiode von ähnlicher Bauart wie in dem Überlagerungsoszillator-Schwingkreis, und daA der letzte der HF-Schwingkreise an den einen Eingang eines Frequenzmlsehkreises angeschlossen 1st, dessen anderer Eingang an die automatische Frequenzsteuerschaltung des Überlagerungsoszillators angeschlossen ist, dessen Frequenz von der vorgegebenen Frequenz des HF-Schwingkreises abweicht.

Es 1st ein wichtiger Vorteil der Erfindung, da£ sie unabhängig von Irgendeinem ankommenden Trägersignal eine konstante Zwischenfrequenz erzeugt.

Zum klareren Verständnis der Erfindung wird diese nun unter Bezug auf die belllegende Zeichnung besehrieben. Dabei ist:

Flg. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführung eines Prfizisions-Oleich-

laufkreises dieser Erfindung,
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer anderen Ausführung einer Präzisions-

Oleiehlaufschaltung dieser Erfindung und Fig. 3 «in Sehaltbild von Mitteln, mit denen die Betriebsfrequenz der in den Figuren 1 oder 2 gezeigten Schaltungen ausgewählt wird.

Fig. 1 zeigt «ine Anwendung dieser Erfindung bei der Frequenaumfor-■Mng eines abstimmbaren Oberlagerungssystem· eines HP-Senders oder -Empfängers, bei denen es wichtig ist, dal sich der überlagerungs-

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oszillator und die HF-Kreise in genauem Gleichlauf befinden. Bei dem gezeigten Beispiel sei angenommen, daß zwei HF-Verstärker 10 und in Kaskade geschaltet sind. Jeder dieser Verstärker ist mit Hilfe von einem oder mehreren Schwingkreisen, wie sie bei 12, 13 und 14 gezeigt werden, auf die Frequenz f. abgestimmt. Der erste der abgestimmten Verstärker 1st an eine HF-Quelle, wie z. B. an die Antenne 15, angekoppelt. Der letzte der in Kaskade geschalteten Verstärker ist mit dem Mischer 16 verbunden. Die Ausgabe des Mischers wird mit einen Bandpaß 17 beeinflußt, so daß nur ein festes, schmales Zwischenfrequenzband, dessen Mittenfrequenz f, 1st, durchtritt* Gemäß einen wichtigen Merkmal dieser Erfindung wird die zweite Eingansepannung für den Mischer 16 vom Ausgang des Oberlagerungsosslllators 18 abgenommen. Der Oszillator 18 wird mit der von der Quell« Ί0 abgegebenen Misehfrequenz auf die Frequenz f₂ abgestimmt. Dl« Zwischenfrequenz f, 1st die Summe oder Differenz von f₂ und f*.

Der sun Erzeugen der Frequenz f~ bestimmte Oszillator 18 enthält einen Verstärker 19* Dieser Verstärker wird durch einen zwischen seinem Ausgang und seinen Eingang liegenden Transformator 20 rückgekoppelt, so daß freie Schwingungen aufrechterhalten werden. Die Frequenz f₂ wird durch den Schwingkreis 21 bestimmt. Die Frequenz dieses Kreises wird ihrerseits mit Hilfe des spannuncsabhängigen Reaktanselementes 29 gesteuert. Die die Frequenz bestimmende Vorspannung, die den Reaktanzelement 29 zugeführt wird, wird von dem Phasendiskrlninator 45 abgenommen. Wie Flg. 2 zeigt, werden ein Tiefpaßfilter 46, ein Gleichspannungsverstärker 47 und ein Trennverstärker 48 verwendet*

Die Schwingkreise 12, 13, 14 und 21 sind einander ähnlich. Sie enthalten Induktivitäten und Kapazitäten und können auf ähnliche Frequenzbereiche abgestimmt werden. Induktivitäten 22, 23, Zk und 25 befinden sich in den Schwingkreisen 12, 13, 14 und 21. Die Kapazitiven Reaktanzelemente der Schwingkreise, d. h. die Kapazitätsdioden 26, 27, 28 und 29, werden im Hinblick auf annähernde Ähnlichkeit ihrer Spannungs-Frequenzcharakteristik ausgesucht. Die Resonanzfrequenz des Schwingkreises 21 wird um den Betrag der gewählten ZwI-soh«nfr«quenz leicht gegenüber der Resonanzfrequenz der HF-Kreise verschoben. Hierzu dienen geeignete und nicht dargestellte Trinm- und Abglelehkondensatoren. Auch eine leichte Verstellung der Abstimmspulen 1st nOglleh. Die AbitirnnknCpfe sind in Einheiten der HF der Kreise 12 bis 1* und nicht in Einheiten der Mischfrequeni geeicht.

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Bei der In Flg. 1 gexelgten speslellen Sohaltung sind die Anoden samt< lieher Kapasltfitsdloden geerdet. Die positiven Vorspannungen nlnt ■an von den Diskriminator H5 ab und legt sie an die Kathoden der Dioden an. Die Sperrkondensatoren 30, 31» 32 und 33 verhindern einen Olelohstrondurohgang duroh die parallelliegenden Abstimmspulen.

!■ Betrieb gibt der Phasendiskrimlnator *5 einen gleichförmigen Olelchstron ab, wenn die ihn sugeführten beiden Frequensen gleich sind. Die Phase der einen Frequent wird um einen relativ gleichbleibenden Betrag gegenüber der Phase der anderen Frequens verschoben· Bei einem Wechsel der Mlschfrequens, s. B. bei der Wahl einer neuen Frequens, sind die beiden Eingangsfrequensen des Diskriminator momentan verschieden. Eine Sinuswelle, deren Frequens gleich der Different swlsohen den beiden Klngangsefrequensen 1st, überlagert sloh dem Qlelchspannungs-Ausgangsslgnal und wird den Spannungs-abhlngigen Reaktanseleaent 29 zugeführt. Bei Fehlen einer Integration erster Ordnung in den Gleichspannungskreisen wird diese sinusförmige Komponente dem Reaktanselement 29 und den anderen apannungsabh&nglgen Reaktanselementen in den Abstimmkreisen der Schaltung unmittelbar sugeführt. Oa das Reaktanselement praktisch sofort auf Änderungen in der Vorspannung anspricht, schwankt die Resonansfrequens des abgestimmten Kreises 21 auf dieser Differenzfrequent. Falls nun die von der Quelle HO abgenommene Misehfrequens auf e irgendeinen neuen Wert gebracht wird, führt der Phasendiskrlmlnator dem Reaktanselement 29 eine neue Vorspannung su und Schwankungen beginnen und ebben dann wieder ab. Das Reaktanselement 29 erhält eine neue Vorspannung. Der abgestimmte Kreis 21 befindet sieh in Resonans mit der neuen Frequent, die von der Mlsehfrequensquclle 40 diktiert wird. Mit anderen Worten gesagt, 1st die Qlelchspannungs-Voramnnung, welche dem spannungsabhlnglgen Reaktanselement 29 des Überlagerungsempfängers sugefOtart wird, eine Funktion der Resonansfrequent, die mit der Mlsohfrcquensquelle 4o ausgewählt wird und welcher der Uberlagerungsosslllator folgt. Jedem Auswandern der Ossiilatorfrequens, die s. B. duroh lulere Einflösse oder durch Alterung hervorgerufen wird, wird augenblicklich durch eine Korrektur der dem Reaktanselement 29 sugeführten Vorspannung und durch Stabilisierung des überlagerungsosslllators entgegengewirkt.

Die korrigierte und von dem Phaeendiakrlmiivf tor *5 erteugte Vorspannung wir« ebenso den Dioden 26, 27 UAd «o eier KF-Abstimmkrelse sugefflhrt. Trennwiderstande 50, 51 und 52 und 53 liegen mit Jeder Diode

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unmittelbar In Reihe. Da der Uberlagerungeoa dilator ι. B. durch Abgleich- und/oder Trlmmkondenaatoren um einen der Zwieohenfroquens gleichen Betrag auf eine Frequenz oberhalb oder unterhalb der Frequens der HF-Kreise verschoben let, bewirken alle Xnderungen der Osslllatorfrequens eine entapreohende Xnderung der HP-Frequemen. Damit wird die Zwlaehenfrequens konstant gehalten. Daa heiAt, daß die den HP-Veratarkern abgeführte Spannung von dem Oscillator bestimmt wird. Deaaen Prequcnx wird ao gewählt, daft dann, wenn die Reaonanafrequens dea Oberlagerungaoailllatora <5 auewandern sollte, die Sohal tung die aielohapannunga-Steuerapannung Ändert, ua die Prequens dea Oaslilatora und die Frequenz der HP-Kreiee ua einen festen Werte* auseinander suhal ten. Da die Nlaohfrequens nioht eine unmittelbare Funktion der Qleiohapannungen ist, müssen die absoluten Werte der Oleiohapannung sua Abatlaaen der HF- und dea überlagerungsosiillators weder bestimmt, stablllalert oder geeicht werden.

Qemlft einem anderen Merkaal dieser Erfindung können die Schwingkreise de« Oscillator· und der HF-VerstIrker In groften Betrlgen geändert werden, ua damit das Abatiaaen des Proquenaumwandlersystems Ober einea breiten Frequenabereloh au vereinfachen. QemäA Flg. 2 liegen Potentiometer (0, 61, 62 und 63 awiaohen der Spannungsquelle 64 und den apannungsempfindllehen Reaktanselementen Im Oscillator und den HP-Krelaen. Die Potentiometer. 60 bis 63 haben sweokalAigerweise Abgriffe. Hiermit können in der Vorspannungaaenaltung dealmale Spannungaabatufungen erreicht werden. Hiermit laaaen sieh wieder decimal abgestufte Frequensanderungen erceugen. Zum Belapiel mOgen die Wideratlnde 60 und 6l Prequencstufen von je 100 kHe bewirken, während die Widerstände 62 und 63 Frequencetuf en von Je 10 kHe bewirken. Die Schleifer der Potentiometer sind an die 100 kHs- und 10 kHa-Abatiamknöpfe der Miaehfrequencquelle Io angeschlossen. Diese kann ein digitaler Frequencformer aeln, der von einer Btandardfrequenstuelle *1 geepelat wird. Die 1 MHc-Stufen erreicht man durch Umschalten von Spulen, die nicht geselgt «Ind.

Zur Qrobabatlmmung werden dl· groAen Vorspannungsberelohe den veräitderlichen Kapacltätadloden 26 bis 29 umd 26« bis 29a über paarweise angeordnete Widerstände 70, 71. 72 und 73 angeführt. Dl· Anelnanderaehaltung der AbatlamdlodeB mit gleichen Polen bewirkt «in« Symmetrie der Kreise und verringert Krewtmedulatlonsprodukte. Dert, wo die Widerstände 70 bis 73 «n die an·«·« der Dioden ajigeachleeaem sind,

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RAD WGlNAt

«le dies Fig. 2 zeigt, let daa ungeerdete Ende der Spannungsquelle 64 negativ. Die Felnabatinning der Resonanzkreise erfolgt dann zweckalllg durch Anlegen von positiven Spannungen an die Kathoden der Dioden. Die Mittel zur Grob- und Feinabstimmung werden dadurch effektiv getrennt, über die Kondensatoren 75, 76, 77 und 78 1st ein Ende der Schwingkreise HF-aäsig geerdet. Eine Belastung der Schwingkreise durch die Vorspannungsschaltung wird dadurch verhindert.

In Betrieb werden die gewünschten Frequenzbänder «it den 1 MHz- und den 100 kHs-Abstlmaknöpfen ausgewählt. Die Feinabstimmung innerhalb jedes Bandes erfolgt alt den 10 kHz- und 1 kHz-AbstlaaknOpfen. Wie bereits angegeben, hält die von der automatischen Frequenzsteuert schaltung des Oszillators erzeugte Vorspannung die HF- und Oszillatorkreise unabhängig von einer Drift oder den absoluten Werten der Qleiehspannung im Gleichlauf.

Ein Beispiel far die in den Figuren 1 und 2 verwendete Mischfrequenzquelle 40 wird in Flg. 3 gezeigt. Hier kOnnen die Mischfrequenzen künstlich zusammengesetzt und in Dezimalstufen von 1 kHz, 10 kHz, 100 kHz und 1 MHz eingestellt werden. Hierzu denen von Hand verstellbare Einstellseheiben. Der Frequenzzusaaaensetzer 40 wird von der exakt gesteuerten Standardfrequenzquelle 41 alt einer einzigen Frequenz gespeist. Zur Vereinfachung der Besehreibung sei angenoaaen, dal die Standardfrequenzquelle 41 genau auf ein MHz steht. Ein Frequenzvervielfaeher 42 erzeugt eine Folge von genau ua 1 MHz auselnanderllegenden Oberwellen. Der in MHz-Stufen geeichte Wählschalter 4} wählt eine von den sehn Oberwellen aus und führt diese ausgewählte Oberwelle dem Eingang des Mlsohers 44 zu. Nach Division der Standardfrequenz ua den Faktor 10 in der Divisionsschaltung 50 erzeugt der Oberwellengenerator 51 ein Spektrum von ua Je genau 100 kHz auselaanderllegenden Oberwellen. Der Wählschalter 52 wählt eine von den fehn Oberwellen au« und führt sie dea Mischer 53 zu. Blne weitere Division der Standardfrequenz ua den Faktor 10 in der Divisionseinheit 60 erzeugt ein Spektrua von Oberwellen, die in dea Frequenzvervielfaeher 61 ua Je 10 kHz auseinanderliegen. Der Wählschalter 62 greift eine von den zehn Frequenzen des 10 kHs-Spektruas heraus und führt diese ausgewählte Frequens dea Mlaeher 63 zu. Dureh weitere Division in 4er Divisionseinheit 70, dureh Erzeugen von Oberwellen in dea Frequensvervlelfaeher 71 und Auswahl durch den Wählschalter 72 wird dea Mischer 63 eins der sehn Frequenzen aus dea 1 kHs-Spektrua zugeführt.

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Die Ausgangsleituns 73 <*·« Mischers 44 enthfilt alle Mischprodukte und Jede Kischfrequen«, die in kHe-Stufen über dem gesamten Bereich verstellbar ist, welcher nur durch die höchste verfügbare MHt-Frequenz begrenzt wird. Der Schwinckreis 21, der in der Phase mit der Mischfrequenss verkoppelt ist, wird auf gleiche Welae im gesamten Bereich verstellt.

Die Aufgabe dieser Erfindung 1st die Schaffung von elektrisch abgestimmten Kreisen, die zwecks genauen Gleichlauf präslse abgestimmt sind, ohne daß hierzu umständliche stabile Spannungs- oder Stromquellen erforderlich sind, ohne Trimmverstellungen» mit einfachen Spannun^steilerschaltungen und ohne Temperaturkompensation oder -stabilisierung.

Patentansprüche

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Claims

; 15 A 1383 Dr. Ing. E. BERKENFELD · Dipl.-Ing. H. BERKENfELD, Patentanwälte, Köln 18· Jul1 1^66 vA· NoTdti GENERAL DYNAMICS CORPORATION, Non,, d. W 0NE R0CKEpELLER pLAZA> NEW YORK, NEW YORK, U. S. A. PATENTA H SPR OC HE

1. Schaltungsanordnung cum Erzeugen einer konstanten Zwischenfrequenz, wobei ein oder mehrere auf eine vorgegebene Frequent abgestimmte Hochfrequenzschwingkreise mit Hilfe einer an eine Steuerspannung angeschlossenen variablen Kapazitätsdiode abstimmbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerspannung in einer automatischen Frequenceteuerschaltung mit einem Oberlagerungsoszillator (18) mit einem Schwingkreis (21), einem Frequenz- oder Phasendiskrlmlnator (45), und mit einer Kapazitätsdiode (29) von ähnlicher Bauart wie Jn den Oberlagerungsoszlllator-Schwingkreis (21) erzeugt wird, und daft der letzte der Hochfrequenz-Schwingkreise an den einen Eingang eines Frequenzmischkreises (16) angeschlossen ist, dessen anderer Eingang an die automatische Frequenzsteuerschaltung des Oberlagerungsoszillators (18) angeschlossen 1st, dessen Frequenz von der vorgegebenen Frequenz abweicht.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenz- oder Phasendiskrlmlnator (45) an einen veränderbaren Frequenzgenerator (¹IO, 41) angeschlossen ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der veränderliehe Frequenzgenerator einen Frequenzformer (Ί0) enthält, der alt seinem Eingang an einen Standardfrequensgenerator (Ί1) und alt seinem Ausgang an den Diskriminator (45) angeschlossen 1st.

4. Schaltungsanordnung- nach Irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenzschwingkreis· (12, 13, I4)und/oder der Oberlagerungsossillator-Sohwlngkrels (21) zwei Kapazität sdioden (26, 27, 28, 26t, 27·, 28a; 29, 29a) enthält, die glelchstromnäßlg parallel und wechselstrommäßlg in Reihe liegen.

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5. Schaltungsanordnung nach Irgendeinem der Ansprüche 1 bis ^, dadurch gekennzeichnet, daß ein Qrobabstlmmunfts-Wlderstandsnetswerk (60, 61, 62, 63) mit einer Vorspannungquelle («61) an die Hochfrequenz-Schwingkreise und/oder an den überlaRerungsoszillator-Schwingkreis angeschlossen 1st.

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