DE1673778C - Kettenschaltung von bistabilen Multi vibratoren - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Kettenschal- energie (Inversion) zu QuantenUbergängen vom tung von bistabilen Multivibratoren, die jeweils aus höheren zum niedrigeren Energieniveau unter Abder Reihenschaltung zweier gleichsinnig gepolter, an gäbe elektromagnetischer Strahlung angeregt werden, eine Gleichspannung geeigneter Polarität und Größe Die Masereigenfrequenz ist mit anderen Worten angeschalteter Kippwiderstände bestehen, von denen 5 durch die atomare Struktur des Masermaterials besieh jeweils einer in der Lage hohen und einer in stimmt und weist somit eine außerordentlich hohe der Lage niedrigen Widerstandes befindet. zeitliche Konstanz auf.

Mit Kippwiderständen aufgebaute bistabile Multi- Bei bekannten Atomuhren besteht die elektronivibratoren ermöglichen wesentlich höhere Schalt- sehe Apparatur aus einem Quarzoszillator und einem geschwindigkeiten als mit Verstärkerelementen (Röh- ίο dem Quarzoszillator nachgeschalteten Frequenzverren, Transistoren) aufgebaute Einrichtungen dieser vielfacher, der die Frequenz der Quarzschwingung Art und eignen sich daher besonders für ihren in die Nähe der Eigenfrequenz der Maserschwingung Einsatz bei hohen Frequenzen als Zählstufen, Ver- hochtransponiert. Die Frequenz des Quarzoszillators, zögerungsstufen, Impulsformerstufen usw. in Geräten die die gewünschte Normalfrequenz darstellt, wird und Anlagen der elektrischen Nachrichten- und Meß- 15 nun unter Zuhilfenahme des Frequenzvervielfachers technik. dadurch von der Masereigenfrequenz kontrolliert,

Im Hauptpatent ist ein solcher bistabiler Multi- daß mit Hilfe eines Vergleiches der frequenzverviel-

vibrator angegeben, dessen Schaltgeschwindigkeit fachten Quarzfrequenz mit der Masereigenfrequenz

dadurch bis in den GHz-Bereich gesteigert werden eine den Quarzoszillator nachregelnde Regelspannung

konnte, daß jedem Kippwiderstand ein am fernen ao abgeleitet wird.

Ende vorzugsweise offener Leitungsabschnitt parallel- Bei fehlerfreier Frequenzvervielfachung und Regegeschaltet ist, dessen elektrische Länge derart be- lung würde der Quarzoszillator die gleiche relative messen ist, daß die am Steuereingang durch ein Frequenzgenauigkeit haben wie die Eigenfrequenz Schaltsignal vorgegebener Dauer an den Kippwider- der Maserschwingung. Wie sich zeigt, bestimmen ständen hervorgerufenen und an den Enden der »5 jedoch die Ungenauigkeiten des elektronischen Teils, Leitungsabschnitte reflektierten Spannungssprünge die in der Hauptsache durch Phasendrehungen der beide Kippwid'rstände in die ihrer Ausgangslage Vervielfacherstufen hervorgerufen werden, die geentgegengesetzte zweite Lage umschalten. samten Ungenauigkeiten einer Atomuhr. Die sehr

Die unmittelbare Hincerein^iderschaltung solcher hohe Genauigkeit der Masereigenfrequenz wird mit

bistabiler Kippstufen, beispielsweise zum Aufbau von 30 anderen Worten nicht voll ausgenützt. Durch die

Binärzählern, stößt insofern auf Schwierigkeiten, als erfindungsgemäße direkte Frequenzteilung der Maser-

einerseits die ausgangsseitige Belastung einer solchen eigenfrequenz wird eine erhebliche Verbesserung der

Stufe in gewissen Grenzen gehalten werden muß und Konstanz der aus der Masereigenfrequenz hergeleite-

andererseits Rückwirkungen der gesteuerten Kipp- ten Normalfrequenz erreicht. Dieser Verbesserung

stufe auf die vorausgehende sie steuernde Kippstufe 35 der Konstanz derartiger Freqi^r.znormale kommt in-

die einwandfreie Funktion des Umklappmechanismus sofern eine große Bedeutung zu, als sie nicht nur

beeinträchtigen können. Zur Beseitigung dieser für die allgemeine Meßtechnik, sondern vor allem

Schwierigkeiten wird im Zusatzpatent vorgeschlagen, auch für Ortungs- und Navigationsverfahren Ver-

die Hintereinanderschaltung mehrerer solcher Kipp- Wendung finden.

stufen über jeweils ein Anpassungsfilter mit einem 40 An Hand eines in der Zeichnung dargestellten

wenigstens annähernd frequenzunabhängigen Ein- Ausführungsbeispiels soll die Erfindung im folgenden

gangswiderstand und einen sich in Übertragungs- noch näher erläutert werden. Es zeigt

richtung daran anschließenden, einen Sperrschwinger F i g. 1 eine bistabile Kippstufe mit nachgeschalte·

darstellenden Verstärker vorzunehmen. tem Verstärker nach dem Zusatzpatent,

Diese Art der Kettenschaltung von bistabilen Kipp- 45 F i g. 2 ein Blockschaltbild einer Atomuhr nach der

stufen nach dem Hauptpatent ermöglicht eine Hinter- Erfindung.

einanderschaltung solcher bistabiler Kippstufen in einer In der Fig. 1 ist die bistabile Kippstufe mit Kl

größeren Anzahl bei einwandfreier Funktion selbst und der ihr nachgeschaltete Verstärker, der jeweils

bei höchsten Anforderungen an die Schaltgeschwin- zwischen zwei in der Kette hintereinandergeschalte-

digkeit und ist somit geeignet, nicht nur die Anwen- 50 ten Kippstufen angeordnet ist, mit Vl bezeichnet,

dung von Kippstufenketten auf den Höchstfrequenz- Die bistabile Kippstufe K1 besteht aus zwei gleich-

bereich zu erweitern, sondern auch die Schaltungs- sinnig in Reihe geschalteten Kippwiderständen T1

technik im GHz-Frequenzbereich in einer neuen und Tl, die vorzugsweise durch Tunneldioden

Weise zu befruchten. realisiert sind. Die Kippwiderstände sind über den

Gemäß dei Erfindung wird für eine Kettenschal- 33 aus den Widerständen RsI und RsI gebildeten

tung von bistabilen Kippstufen nach dem Zusatz- Spannungsteiler an die Betriebsgleichspannung + Ub

patent vorgeschlagen, diese zur Realisierung einer angeschaltet. Der dem Kippwiderstand Tl parallel»

Atomuhr dem Ausgang eines im GHz-Bereich geschaltete Widerstand Ä/l und der parallel zum

arbeitenden Masen als Frequenzteiler naehzuschal- Kippwiderstand 72 liegende Gingangswiderstand des

ten, dem gegebenenfalls weitere Frequenzteiler «ο aus der Reihenschaltung der Spule L und dem Wider-

folgen. stand R sowie einem über den Kondensator C an

Eine Atomuhr besteht bekanntlich aus einem im diese Reihenschaltung angeschalteten Vierpol in GHz-Bereich arbeitenden Maser mit einer elektroni* L-Schaltung aus den Widerstanden Ä 2 und Hl besehen Apparatur, die aus der Eigenfrequenz der stehenden Anpassungsfilters stellen den ausgangs-Maserschwingung die gewünschte Normalfrequenz· «j seitigen Verbraucher der Kippstufe Kl dar. Die schwingung ableitet. Die Masereigenfrequenz ist Schaltimpulse werden der Kippstufe Kl am Hindurch den Abstand zweier Energieniveaus des Maser- gang E Über die Reihenschaltung aus dem Konden· gegeben, die durch Zufuhr von Pump· satorCJt und dem Widerstand Äv am gemeinsamen

Verbindungspunkt der Widerstände RsI und Rs2 zugeführt,

Um für den Umklappmechanismus eine möglichst geringe Steuerenergie zu benötigen, ist es angebracht, die beiden Kippwiderstände hinsichtlich einer möglichst großen Übereinstimmung ihrer statischen und dynamischen Kennlinien auszusuchen. Außerdem empfiehlt es sich, die der Steuerung des Umklappmechanismus dienenden, am Ende offenen Leitungsabschnitte 51 und 52 über in der Fig. 1 nicht dargestellte Widerstände an die Kippwiderstände 71 und 72 anzuschließen. Die Widerstände ermöglichen nämlich einerseits eine bessere Anpassung des Wellenwiderstandes der Leitungsabschnitte an die von den Kippwiderständen einschließlich ihrer äußeren Schaltkreise gebildeten Abschlußwiderstände und gewährleisten andererseits eine ausreichend starke Dämpfung der auf den Leitungen hin- und herlaufenden reflektierten Spannungssprünge.

Der kippstufenausgangsseitige Widerstandsvierpol aus den Widerständen R 1 und R 2 dient der losen Ankopplung des Eingangs des Verstärkers Vl über den Kondensator C an die Reihenschaltung aus der Induktivität L und dem Widerstand R. Dabei ist der Eingangswiderstand des Widerstandsvierpols unter Berücksichtigung des Verstärkereingangswiderstandes für den Wert R des der Spule L in Reihe geschalteten Widerstandes bemessen. Außerdem genügt die Größe der Induktivität L der Spule der Beziehung L = Ä» ■ C.

Der Verstärker Vl besteht seinerseits aus der Reihenschaltung eines Kippwiderstandes 73 mit der Spule L 3, der über den aus den Widerständen Rs 1' und RsT bestehenden Spannungsteiler die BetriebsgWchspannung — Ub zugeführt ist. Der Verstärker Vl stellt eine monostabile Kippstufe dar. Ihre ausreichende Eingangsempfindlichkeit wird dadurch sichergestellt, daß der Arbeitspunkt des vorzugsweise durch eine Tunneldiode gebildeten Kippwiderstandes 73 für einen Ruhestrom unmittelbar unterhalb des Spitzenstromes festgelegt ist. Mit jedem der Von der steuernden bistabilen Kippstufe Xl über das Anpassungsfilter dem Verstärkereingang zugeführten negativen Impuls springt der damit angesteuerte Kippwiderstavid 73 von seinem niederohmigen in seinen hochohmigen Zustand, von dem er nach Abklingen des durch die Spule L 3 bedingten Einschwingvorganges in die niederohmige Ausgangstage zurückkippt.

Das Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Atomuhr nach F i g. 2 zeigt einen Maser Kf, der mit seinem Ausgang auf den Eingang E einer Kippstufenkette mit den Kippstufen K1, K 2.., Kn-I und Kn und den ihnen zwischengeschalteten Verstärkern Vl, V2 ... Vn-I arbeitet, Den Ausgang für die Normalfrequenz-5.schwingung bildet der Ausgang A der KippstufeKn. Wird eine sehr kleine Normalfrequenz gewünscht, so ist es zweckmäßig, den Frequenzteiler aus zwei und mehr Frequenzteilern aufzubauen, von denen lediglich der erste aus einer Kippstufenkette ent-

sprechend der in der Fig.2 angedeuteten Art ist. An den Ausgang A dieses ersten Frequenzteilers, der die Eigenfrequenz der Maserschwingung in ausreichendem Maße herunterteilt, kann dann ein Frequenzteiler FT mit seiaem Eingang E' angeschaltet

werden, an den entsprechend dem Teilungsverhältnis des ersten Frequenzteilers entsprechend geringere Anforderungen an die ichaltgeschwindigkeit gestellt werden brauchen und daher in seinem Aufbau einfacher gestaltet sein kann. Die Normalfrequenz wird

ao in diesem Falle am Ausgang Λ' dieses Frequenzteilers FT abgenommen.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   as Kettenschaltung von zwei oder mehr über

   jeweils ein Anpassungsfilter mit einem wenigstens annähernd frequenzunabhängigen Eingangswiderstand und einen sich in Übertragungsrichtung daran anschließenden, einen Sperrschwinger darstellenden Verstärker hintereinandergeschalteten bistabilen Multivibratoren, die jeweils aus der Reihenschaltung zweier gleichsinnig gepolter, an eine Gleichspannung geeigneter Polarität und Größe angeschalteter Kippwiderstände bestehen.

   von denen sich jeweils einer in der Lage hohen und einer in der Lage niedrigen Widerstandes befindet und wobei jedem Kippwiderstand ein am fernen Ende vorzugsweise offener Leitungsabschnitt parallel geschaltet ist, dessen elektrische

   Länge derart bemessen ist, daß die am Steuereingang durch ein Schaltsignal vorgegebener Dauer an den Kippwiderständen hervorgerufenen und an den Enden der Leitungsabschnitte reflektierten Spannungssprünge beide Kippwiderstände

   in die ihrer Ausgangslage entgegengesetzte zweite Lage umschalten, nach Zusatzpatent 1 242 266, dadurch gekennzeichnet, daß diese Kettenschaltung zur Realisierung einer Atomuhr dem Ausgang eines im GHz-Bereich arbeitenden

   so M?,sers als Frequenzteiler nachgeschaltet ist, dem gegebenenfalls weitere Frequenzteiler folgen.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen