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Oszillator zur Erzeugung einer oder der anderen zweier nahe benachbarter
Ausgangsfrequenzen.
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Die Erfindung bezieht sich auf kristallgesteuerte Oszillatoren und
zwar insbesondere auf solche Oszillatoren, bei denen die Ausgangsfrequenz entsprechend
einem gegebenen Signal geändert werden soll.
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Bei Wechselstrom-Telegraphiesystemen werden die einzelnen Signalelemente
z. B. Punkte und Striche im allgemeinen durch eine Trägerwelle übertragen und die
Pausen werden durch den Trägerwellenwert Null angezeigt. Bei manchen Anwendungen
beispielsweise bei Fernmessanlagen hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, die
einzelnen Code-Zeichen, z. B. die Punkte und Striche, durch Fernübertragung einer
Frequenz Wiederzugeben und die dazwischen liegenden Pausen durch Aussendung einer
anderen Frequenz. Bei dieser Anordnung, die allgemein als Frequenzverschiebungs-Tastung
bekannt ist, wird eine pausenlose Aussendung bewirkt und die zu übertragenden Signalzeichen
werden dabei durch ihre Frequenzen bestimmt.
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Für Fernmesszwecke unter Verwendung eines schmalen Frequenzbandes
und für Steuer-Relais ist es besonders vorteilhaft, zwei Frequenzen zu benutzen,
die sich nur wenig voneinander unterscheiden, sodass man die erforderliche Nachricht
innerhalb eines sehr engen Frequenzspektrums übertragen kann.
kann.
Dieses Fernmessverfahren erfordert aber zwei in hohem Grade stabile Frequenzen,
die zur Übertragung auf einer Kraftleitung stets verfügbar sein müssen.
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Ein Zweck der Erfindung besteht insbesondere darin, einen Stromkreis
anzugeben, der zur Erzeugung von Schwingungen einer von zwei Frequenzen mit der
erforderlichen in diesem Anwendungsfall notwendigen Stabilität in der Lage ist.
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Eines der bisherigen Verfahren zur Erzeugung der benötigten Frequenzen
besteht darin, den Eingangskreis eines Hochfrequenzverstärkers von einem Oszillator
auf einen anderen umzuschalten, wobei der eine Oszillator auf derjenigen Frequenz
arbeitet, die für die Übertragung der Code-Signale benutzt wird und der andere auf
der für die Pausensignale vorgesehenen Frequenz.
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Bei der Benutzung von mit piezoelektrischen Kristallen gesteuerten
Oszillatoren können hochgradig stabile Frequenzen in dieser Weise erreicht werden.
Jedoch ist die Umschaltung von der einen dieser Frequenzen auf die andere möglicherweise
mit einem Schaltvorgang verbunden, wenn die beiden Frequenzen nämlich gerade eine
Phasenverschiebung von 1800 haben, sodass der entstehende Einschwingvorgang die
Tastgeschwindigkeit auf einen Wert begrenzt, der für eine schnelle Fernmessübertragung
nicht mehr ausreicht.
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Eine andere der bisherigen Methoden zur Erzielung der erforderlichen
Frequenzverlagerung besteht in der Frequenzmodulation eines Oszillators mit Hilfe
einer Blindrohre. Dabei wird
die Schwingungsfrequenz des einen Oszillators
durch einen Resonanzkreis bestimmt und die Stabilität kann in Anbetracht der strengen
Anforderungen einer Fernmessübertragung auf einem schmalen Band möglicherweise nicht
ausreichend sein.
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Es wurde gefunden, dass die erforderliche Frequenzstabilität bei Benutzung
eines kristallgesteuerten Oszillators sichergestellt werden kann und es werden daher
gemäss der Erfindung neue und verbesserte Einrichtungen zur Frequenzmodulation eines
kristallgesteuerten Oszillators angegeben, wobei das neue System hinsichtlich seiner
Stabilität und seines Frequenzhubs so beschaffen ist, dass es sich zur Fernmessung
mit zwei stets verfügbaren Frequenzen hoher Stabilität besonders eignet.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Oszillator benutzt,
dessen aus Induktivität und Kapazität bestehender Resonanzkreis der Eingangs-und
Ausgangsseite einer Elektronenröhre gemeinsam ist. Zwischen den Resonanzkreis und
die Eingangsseite des Oszillators ist dabei ein piezoelektrisches Kristallfilter
in Reihe geschaltet. Die Schwingungsfrequenz dieser Anordnung ist in erster Linie
durch die Eigenfrequenz eines oder mehrerer Kristalle im Kristallfilter bestimmt
und in zweiter Linie durch die Resonanzfrequenz des Netzwerkes (Schwingungskreis)
selbst. Parallel zum Netzwerk liegt ein Blindröhrenmodulator, mit welchem die Resonanzfrequenz
des Netzwerks beeinflusst werden kann. Die Schwingungsfrequenz
des
Oszillators kann am Steuergitter des Blindröhrenmodulators beeinflusst werden und
die Frequenzänderung ist sodann davon abhängig wie sich der Scheinwiderstand des
Netzwerkes mit der Frequenz gegenüber dem Scheinwiderstand des Kristalls ändert.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Filter
vorgesehen, welches zwei piezoelektrische Kristalle enthält, wobei der eine so geschnitten
ist, dass seine Frequenz ein wenig höher liegt als die Frequenz des anderen. Diese
Kristalle bestimmen dann den Frequenzbereich innerhalb dessen die Arbeitsfrequenz
sich verschiebt. Praktisch bestimmt der eine Kristall die Frequenz bei der Übertragung
der Code-Zeichen, während der andere die Frequenz der Pausenzeichen bestimmt.
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Dementsprechend besteht ein Zweck der Erfindung darin, eine verbesserte
Schaltung anzugeben, in welcher ein piezoelektrischer Kristalloszillator und Einrichtungen
zur Steuerung seiner Arbeitsfrequenz vorhanden sind.
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Weiterhin bezweckt die Erfindung die Schaffung eines Kristalloszillators,
dessen Arbeitsfrequenz normalerweise mittels eines piezoelektrischen Kristalls konstant
gehalten wird und sich nur innerhalb bestimmter Grenzen mit Hilfe eines Blindrohrenmodulators
verändern lässt.
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Ein weiterer Zweck der Erfindung ist der, einen Oszillator zu schaffen,
dessen Arbeitsfrequenz mit Hilfe eines Eingangssignals zwischen zwei festgelegten
Grenzen geändert werden kann, wobei diese Grenzen mittels eines Filters, das
zwei
piezoelektrische Kristelle enthält, konstqnt gehalten werden.
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Fig. 1 ist ein Schaltbild einer Ausführungsform der Erfindung ; Fig.
2 ein Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform, bei welcher zum Zwecke einer
besseren Anpassbarkeit im Betriebe gewisse Abänderungen getroffen sind, während
Fig. 3 und 4 bestimmte Arbeitskennlinien der Schaltungen enthalten.
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In Fig. 1 ist ein Oszillator dargestellt, der eine Triode 10 enthält,
deren Kathode geerdet und deren Anode mit der oberen Klemme eines Netzwerkes 18
verbunden ist, welches aus einer Induktivität 11 und einem Kondensator 12 besteht.
Eine geeignete Stromversorgungsquelle, wie die Batterie 15, liefert eine Gleichspannung
für die Anode über einen Anzapfkontakt 17 an der Spule 11. Die untere Klemme des
Netzwerks 18 liegt am Gitter der Röhre 10 und zwar über ein piezoelektrisches Kristallfilter
13. Das Kristallfilter enthält zwei Kristalle YH und Y. r, wobei der Kristall YH
in Reihe mit der unteren Klemme des Netzwerks 18 und dem Gitter der Röhre 10 liegt
und der Kristall YL zwischen dieses Gitter und Erde geschaltet ist. Ein Widerstand
14 zwischen dem Gitter und Erde dient zur Erzeugung eines geeigneten Gitterpotentials
mit Hilfe des Gitterstromes. Die Ausgangsspannung des Oszillators kann an den Klemmen
16 abgenommen werden, welche unmittelbar mit der Anode und der Kathode der Oszillatorröhre
verbunden sind. Wahlweise
kann man auch die Ausgangsspannung des
Oszillators von einer Wicklung abnehmen, die induktiv mit der Wicklung 11 gekoppelt
aber in der Zeichnung nicht mit dargestellt ist.
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Als Blindmodulator dient die Röhre 20, deren Anode und Kathode mit
der Anode und Kathode der Oszillatorröhre 10 verbunden sind. Zwischen die Anode
und das Gitter der Röhre 20 ist ein Kondensator 21 eingeschaltet, während ein Widerstand
22 in Reihe mit einem Kondensator 24 zwischen Gitter und Kathode liegt. Der Kondensator
21 ist so bemessen,
| dass sein Blindwiderstand bei der Betriebsfrequenz viel |
| ../ |
| grösser ist als der Widerstand 22. Dementsprechend eilt der |
| Strom, der durch die genannte Reihenschaltung hindurch- |
| fliesst, der Wechselspannung ei an den Anoden der Röhren |
| 10 und 20 um fast 900 vor. Die Spannung e4 welche sich |
infolge dieses Stromes am Widerstand 22 einstellt, ist mit dem Strom in Phase und
eilt also der Spannung el um fast 900 vor. Da der durch die Röhre fliessende Strom
eine Phasenverschiebung von 1800 gegenüber der Gitterspannung hat, eilt der Strom
der Spannung ei um ungefähr 900 nach.
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Die Röhre 20 verhält sich also wie ein induktiver Stromzweig und die
wirksame Grösse ihres induktiven Widerstandes lässt sich bekanntlich durch Änderung
der Gitterspannung einstellen.
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Diese Änderung der Gitterspannung wird bewirkt, indem den Klemmen
23 eine Signalspannung zugeführt wird, sodass sich am Widerstand 25 parallel zum
Kondensator 24 eine Spannung
ausbildet. Der Kondensator 24 schliesst
die Eochfrequenzströme praktisch kurz, hat aber auf die Signalspannung so gut wie
keinen Einfluss.
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Das Eingangssignal hat praktisch die Wirkung, dass es eine proportionale
Änderung des induktiven Widerstandes, der zur Induktivität 11 des Ausgangsnetzwerks
der Oszillatorröhre parallel geschaltet ist, hervorruft. Die Arbeitsfrequenz des
Oszillators bestimmt sich nicht unmittelbar aus der Resonanzfrequenz des Netzwerkes
allein, sondern hängt von der resultierenden Resonanzfrequenz ab, die das Netzwerk
und der Kristall zusammen besitzen.
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Die Wirkungsweise der Schaltung lässt sich am einfachsten unter Bezugnahme
auf die Spannungen el bis e4 erläutern, die in Fig. 1 an den betreffenden Schaltelementen
eingezeichnet sind. Es sei für den Augenblick angenommen, dass die Schaltung bereits
Schwingungen ausführen möge und dass eine Spannung et einer augenblicklichen Phasenlage,
wie sie durch den Pfeil angedeutet ist, vorhanden sei, bzw. durch den Anodenstrom
in der oberen Hälfte der Wicklung 11 erzeugt werden möge. Eine Spannung e2 von entgegengesetzter
Phasenlage wird dann wegen der Kopplung mit der oberen Wicklungshälfte in dem Wicklungsteil
zwischen dem Punkt 17 und dem
| Kristallfilter 13 induziert. Durch die Spannung e2 entsteht |
| am Gitter der Röhre 10 eine Spannung e3 deren Phasenlage |
| durch die Impedanz des Kristallfilters 13 und ferner durch |
den Widerstand 14 bestimmt ist. Wegen der Natur der im Filter enthaltenen
Kristalle ändert sich die Phasenlage mit der Frequenz ausserordentlich schnell.
Die Schwingfähigkeit liegt dort, wo das Netzwerk 18 die richtige Phasenlage zwischen
dem Anodenstrom und der Anodenspannung el herstellt. Diese Phasenlage ändert sich
verhältnismässig langsam mit der Frequenz.
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Infolgedessen wird eine verhältnismässig starke Änderung des wirksamen
induktiven Widerstandes im Netzwerk 18, wie sie beim Auftreten eines Signals an
dem Eingangskreis der Blindmodulatorröhre zustandekommt, nur zu einer verhältnismässig
kleinen Frequenzverschiebung führen. Praktisch kann ein Tastkreis mit zwei bestimmten
Spannungen. vorgesehen werden, entsprechend den Code-Signalen, die an den Eingangsklemmen
23 die Frequenzverschiebung hervorrufen.
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Das Kristallfilter 13 enthält zwei Kristalle YH und IL 9 die so geschliffen
sind, dass sie die erforderlichen Grenzfrequenzwerte des Frequenz-Verschiebungsbereichs
besitzen.
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Beispielsweise ist der Kristall YH so geschliffen, dass er bei der
Frequenz, mit der die Code Zeichen übertragen werden sol-lens einen hohen, parallel
liegenden Scheinwiderstand hat, während der Kristall YL bei der Frequenz für die
Pausenzeichen einen derartigen hohen Parallelwiderstand aufweist.
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Jedoch lässt sich auch der Kristall YH alleinebenutzen, wenn man den
Stromzweig mit dem Kristall l durch Öffnung des Schalters 9 unterbricht. Man kann
auch den Kristall Y. r
alleine benutzen, wenn man parallel zum
Kristall YH durch Schliessung des Schalters 7 eine grosse Kapazität 8 schaltet.
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In Fig. 3 sind die ungefähren Arbeitskennlinien des Oszillators für
verschiedene Kombinationen der Bestandteile des Kristallfilters dargestellt, wobei
diese Darstellungen auf durch Messungen gewonnenen Zahlenwerten beruhen. Wenn beide
Kristalle entfernt werden und eine Kapazität anstelle des Kristalls YH eingesetzt
wird, ist der Frequenzhub für ein Eingangssignal oder bei einer Änderung des Blindwiderstandes
des Netzwerks 18 der durch die Kurve 26 dargestellte. Diese Kurve zeigt einen sehr
steilen Zusammenhang der Frequenz mit der Änderung des Eingangssignals, d. h. mit
dem Blindwiderstand des Netzwerks 18. Wenn der Kristall Y ; Er alleine benutzt wird,
ist die resultierende Frequenz-Signalkennlinie so, wie durch die Kurve 27 dargestellt.
Bei einem negativen Eingangssignal nähert sich diese Kurve asymptotisch einer konstanten
Frequenz, welche gleich der Resonanzfrequenz des Kristalls 1"zist. Andererseits
nähert sich für ein positives Eingangssignal die Kurve asymptotisch der Kurve 26
und zeigt eine Frequenz-Signalkennlinie, die sich derjenigen beim Fehlen beider
Kristalle annähert. Wenn der Kristall YL alleine benutzt wird und ein Kondensator
anstelle des Kristalls YH eingesetzt wird, ist die resultierende Frequenz-Signalkennlinie,
die in Kurve 28 dargestellte. Diese Kurve verläuft invers zur Kurve 27. Sie strebt
asymptotisch einer konstanten Frequenz
für ein positives Eingangssignal
zu und für ein negatives Eingangssignal nähert sie sich der Kurve 26.
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Wenn beide Kristalle benutzt werden, ist die resultierende Frequenz-Signalkennlinie
die durch die Kurve 39 in Fig. 4 dargestellte. Diese Kurve nähert sich asymptotisch
einem oberen und einem unteren Grenzwert der Frequenz, der durch die punktierte
Linie 40 bzw. 41 dargestellt ist. Diese Frequenzgrenzen entsprechen den Frequenzen
der beiden Kristalle und können durch die Bemessung der Kristallfrequenzen näher
aneinander gelegt oder weiter voneinander entfernt werden. Man sieht, dass ein schmaler
Bereich existiert, innerhalb dessen die Frequenz sehr schnell einer nur kleinen
Änderung des Eingangssignals von dem einen Grenzwert auf den anderen übergeht. Auf
beiden Seiten dieses schmalen Bereichs ändert sich die Frequenz nur sehr langsam,
auch wenn das Eingangssignal sich stark ändert.
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Aus diesen Kurven ist also ersichtlich, dass das günstigste Filter
für ein Frequenzhub-Fernmessystem ein Filter nach Art der Figur 1 ist, welches zwei
Kristalle besitzt. Wenn der Kristall YH die Frequenz für die Aussendung der Code-Signale
liefert und der Kristall YL die Frequenz für die Signalpausen sind die zwei Arbeitsfrequenzen
des Fernmessystems endgültig festgelegt. Wenn das Eingangssignal gross genug ist,
um den Blindröhrenmodulator 20 zur Verschiebung der Frequenz durch den ganzen stark
gebogenen Teil der Kurve 39 hindurch zu veranlassen,
findet die
Aussendung auf der einen bzw. der anderen Kristallfrequenz unabhängig von der absoluten
Grösse des Eingangssignals statt. Der Stromkreis ist also gleichwertig mit zwei
Kristalloszillatoren, die auf geringfügig verschiedenen Frequenzen arbeiten und
die abhängig vom Eingangssignal wahlweise ein-oder ausgeschaltet werden können.
Jedoch ist im Gegensatz zu der Benutzung zweier getrennter Kristalloszillatoren
gemäss der Erfindung die Umschaltung ohne einen Sprung in der Phasenlage möglich.
Dies ist eine in hohem Grade wünschenswerte Eigenschaft, da es eine Fernmessübertragung
mit hoher Geschwindigkeit innerhalb eines sehr engen Frequenzspektrums ermöglicht.
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. Bei gewissen Anwendungen, bei welchen nur eine der fernzuübertragenden
Frequenzen unbedingt fest sein muss, kann das Kristallfilter 13 so abgeändert werden,
dass es nur einen der Kristalle 7, oder YL enthält. Bei einer derartigen Ausführungsform
würde die Frequenz-Signalkennlinie einer der Kurven 27 oder 28 in Fig. 3 entsprechen,
je nachdem, welcher Kristall benutzt wird. Dies würde es erlauben, nur die eine
der Sendefrequenzen sehr genau festzulegen, während die andere von der Grösse des
Eingangssignals abhängig wäre.
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Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform der Erfindung liefert
eine in hohem Grade stabile Ausgangsfrequenz. Praktische Versuche in einem Versuchsaufbau
dieser Art haben gezeigt, dass die vorkommenden temperaturabhängigen Frequenzänderungen
ungefähr
von derselben Grösse sind, wie sie bei irgendeinem normalen Kristalloszillator ohnehin
auftreten und dass die Stabilität praktisch durch die Kristalle selbst begrenzt
ist.
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Der Frequenzhub, der durch ein der Eingangsseite zugeführtes Signal
hervorgerufen wird, ist im allgemeinen nicht gross.
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Wenn man beispielsweise mit Kristallen, welche Frequenzen im Bereich
zwischen 70 und 200 kHz liefern, arbeitet, kann eine maximale Frequenzabweichung
von + 0,04 % erzielt werden.
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Der Betrag dieser Frequenzänderung ist jedoch sehr konstant und nicht
von Grössenänderungen des Eingangssignals abhängig und dementsprechend erfüllt das
System die für schnelle Fernmessübertragungen zu stellenden Anforderungen.
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In Fig. 2 ist eine Oszillatorschaltung dargestellt, die einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung entspricht, welche sehr ähnlich der in Fig. 1 dargestellten
ist, aber zusätzlich zu dieser noch gewisse Abänderungen enthält, um sie den jeweiligen
Anforderungen des Betriebs besser anpassen zu können. Die einzelnen Schaltelemente,
die mit denselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 versehen sind, erfüllen dieselben
Aufgaben wie dort und werden nicht noch einmal beschrieben.
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Die Schaltung unterscheidet sich durch das Vorhandensein einer Gruppe
von Kondensatoren 32,33 und 34, die mittels des Schalters 31 selektiv parallel zur
Spule 11 geschaltet werden können. Diese Schaltung dient dazu, den Betrieb auch
dann zu ermöglichen, wenn Kristallfilter mit verschiedenen Eigenfrequenzen in einen
Sockel 38 eingesetzt sind, der
durch eine punktierte Linie angedeutet
ist. Die Induktivität 11 ist mit Verstelleinrichtungen versehen, die zur Feinabstimmung
dienen und durch einen Pfeil angedeutet sind.
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Parallel zum Kristall ist ein Schalter 35 vorhanden, sodass das Kristallfilter
für bestimmte Betriebserfordernisse kurzgeschlossen werden kann. Die unmittelbare
Verbindung des Kristalls YH zum Netzwerk 18 ist durch einen Kondensator 36 ersetzt
und der Anschlusspunkt dieses Kondensators an das Netzwerk ist über einen Widerstand
37 geerdet.
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Der Zweck dieser Kondensator-Widerstands-Kombination besteht
| darin, die Anodengleichspannung vom Gitterkreis fernzuhalten, |
| sodass die Gittervorspannung der Oszillatorröhre 10 sich |
| nicht ändert, wenn der Kristall kurzgeschlossen wird. Bei |
Benutzung des Kristalls wird ausserdem hierdurch die Anodengleichspannung vom Kristall
ferngehalten, sodass eine geringere Gefahr eines Spannungsdurchschlags des Kristalles
besteht.
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Der Eingangskreis der Blindröhre 20 ist ferner durch Anbringung eines
Kathodenvorspannungskreises, bestehend aus der Batterie 46, dem Widerstand 47 und
dem Kondensator 48,
| abgeändert und durch einen Eingangs-Transformator 45, dessen |
Primärwicklung mit den Eingangsklemmen 23 verbunden ist und dessen Sekundärwicklung
am Widerstand 25 liegt. Der Eingangs-Transformator erlaubt einen Betrieb mit niederfrequenten
Modulationsspannungen statt mit einem normalen Lastkreis
Die abgeänderte
Schaltung nach Fig. 2 ermöglicht die Aussendung verschiedener Frequenzen durch Umschaltung
des Ausgangsnetzwerkes 18. In dem Sockel 38 kann für jede gewünschte Frequenz ein
anderer piezoelektrischer Kristall eingesetzt oder der Kristall auch kurzgeschlossen
werden.
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Wenn der Kristall kurzgeschlossen wird, tritt bei einer gegebenen
Eingangs-Signalamplitude ein grösserer Frequenzhub an der Eingangsseite der Blindmodulatorröhre
auf, wie es sich aus der Kurve 26 in Fig. 3 ergibt. Bei einer speziellen Ausführung
dieser Schaltung haben Versuche gezeigt, dass mit Kristallen, die in den Sockel
eingesetzt waren, eine gegebene Signaleingangsspannung e4 eine Frequenzänderung
von : t 0, 03 % ergab, während bei Kurzschluss des Kristalles dieselbe Signalspannung
e4 eine Frequenzänderung von + 0,375 % hervorrief. Bei bestimmten Anwendungen, bei
denen ein grösserer Frequenzhub erwünscht ist, und bei denen die Genauigkeitsanforderungen
an die Frequenzverschiebung nicht so gross sind, ist diese Umschalt-Einrichtung
sehr vorteilhaft.
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Neben den beschriebenen speziellen Ausführungsformen können auch
verschiedene andere Abänderungen innerhalb des Erfindungsgedankens getroffen werden.
Beispielsweise kann man zur Modulation anstelle der Blindröhre, d. h. zum Zweck
der Änderung der Resonanzfrequenz des Netzwerks 18 auch eine andere bekannte Schaltung
verwenden. Ausserdem kann man in einer einfachen Code-Tasteinrichtung zum Kurzschluss
eines
Teils der Spule 11 ein Relais benutzen und dadurch die Resonanzfrequenz des Netzwerks
18 beeinflussen.