DE2120935A1 - Hochfrequenz Signalgeneratoren mit Frequenzsynthese - Google Patents

Description

Patentanwälte

Dipl. Ing.C.Wallach 13. SEP. 1371

Dipl. Ing. G. Koch 2120935

Dr. T. Haibach
8 Nünchen 2
Kaufingerstr. 8, Tel. 240275

Sperry Rand Corporation, New York / USA Hoohfrequenz-Signalgeneratoren nit Frequenzsynthese

Die Erfindung bezieht sich auf Hochfrequenz-Signal« generatoren mit Frequenzsynthese für kohärente Frequenzen, die eine Vielzahl von Signalen mit stabiler, auswählbarer Frequenz erzeugen, deren Stabilität im allgemeinen von der Stabilität eines Festfrequenz-Bezugsoszillators abhängt und deren Erzeugung auf der Erzeugung und Auswahl von Frequenzvielfachen eines Signals von einer Quelle mit stabiler Frequenz beruht.

Bekannte Signalgeneratoren oder Generatoren mit Frequenzsynthese für kohärente Frequenzen verwenden im allgemeinen einen genauen Frequenzstandard oder eine stabile Bezugssignalquelle und ein Frequenz-Umwandlungsverfahren zur Erzielung einer Vielzahl von auswählbaren Signalen mit verschiedenen stabilen Ausgangsfrequenzen von ,der einen Quelle. Im allgemeinen wird jedes Ausgangssignal einzeln durch eine Frequenzwahleinheit ausgewählt und weist im wesentlichen die Frequenzstabilität der Standardfrequenzquelle auf. Weiterhin sind die Ausgangs-

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frequenzen Vielfache von harmonischen Bruchteilen des Signals von der Standardfrequenzquelle,

Eine Ausführungsform eines bekannten Generators mit Frequenzsynthese, die manchmal als Generator mit direkter Synthese bezeichnet wird, weist ein sich wiederholendes System von Verstärkern, Multiplizierern, Teilern und Signalmischern zur Verwendung bei dem Frequenz-Umwandlungsverfahren auf. Der Generator mit direkter Frequenzsynthese führt genau arithmetische Operationen mit dem stabilen Bezugs- oder Standardsignal aus. Das heißt, er addiert, subtrahiert, multipliziert oder dividiert die Bezugsfrequenz elektronisch, um einen Ausgang mit der erwünschten Frequenz zu erhalten. Während das ausgewählte Ausgangssignal genau auf das Standard- oder Bezugssignal bezogen 1st, ist üblicherweise ein System von komplizierten Filtern erforderlich. Mit der Vielzahl der erforderlichen Bauteile werden derartige Generatoren mit Frequenzsynthese verhältnismäßig kompliziert und sind nicht in den Fällen geeignet, in denen Geräte mit relativ geringem Gewicht und niedrigen Kosten benötigt werden. Weiterhin treten selbst bei sorgfältiger Auslegung der notwendigen Filter und bei sorgfältiger Auswahl der Werte der Frequenzen der zu mischenden Signale in vielen Fällen unerwünschte Niedrigpegel-Signale in der Nähe der Frequenz des erwünschten Signals auf* Das Schalten von einem erwünschten Ausgangssignal zu einem anderen mit einer anderen Frequenz kann bei dem Generator mit direkter Synthese außerdem ein kompliziertes Problem sein.

Bei Generatoren mit Frequenzsynthese wurde außerdem ein anderer Weg besehritten, der manchmal als das indirekte Frequenzsynthese-Verfahren bezeichnet wird, wobei ein Ausgangssignal der erforderlichen Frequenz von einem gerasteten, spannungs-

BAD ORiGJNAl.

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abgestimmten Oszillator gewonnen wird. Generatoren mit indirekter Frequenzsynthese verwenden manchmal einen harmonischen Kammgenerator und Phasen- oder Frequenz-Rastteohniken zur Auswahl der erwünschten Auegangsfrequenz. Die Sohaltgesohwindlgkelt von einem Ausgangssignal zu einem anderen ist für viele Anwendungen relativ unbefriedigend und die . Kompliziertheit wird nur geringfügig verringert, da in diesem Fall ein spannungsgesteuerter Oszillator, ein SummierverstSrker, ein Sohleifenfliter und ein Phasendetektor für Jede Stelle erfο/-lex^xich sind.

Erfindimgsgemäß wird ein Signalgenerator mit einer geschlossenen Schleife mit in Serie geschalteten Elementen geschaffen, die spannungsabgestlmmte OsziIlatormittel, Frequenzmisehermlttel, erste Frequenzteilermittel und Frequenzdifferenzdetektormittel zur Steuerung der Betriebefrequenz der spannungsabgestlmmten Oezillatormit al umfassen, wobei Mittel zur Einstellung des Divisionsmodul N der ersten Frequenzteilerraittel, zweite Frequenzteilermittel mit Mitteln zur Einstellung Ihres Divisionsmoduls X zur Lieferung eines Eingangs an die Frequenzdifferenzdetektormittel und Referenzfrequenzquellenmittel zur Lieferung von Signalen mit stabiler Frequenz an die Frequenzmischermittel und an die zweiten Frequenzteilermlttel alt dem Modul X vorgesehen sind, und wobei die Mittel zur Einstellung der ersten Frequenzteilermittel mit dem Modul N und die Mittel zur Einstellung der zweiten Frequenzteilermittel mit dem Modul X so bet&tigbar sind, daß die Oröße N-X eine ganze Zahl unter Einschluß von Null ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeiohnung dargestellten AusfUhrungsbeisplels noch näher erläutert* In dieser Zeiohnung ist ein sohematlsohes Blockschaltbild des erfindungsgemKßen Generators dargestellt.

BADORIOiNAL

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Der Signalgenerator umfaßt eine Prequenzmiachersohaltung 1 mit zwei Eingangstoren und einem einzigen Ausgangstor, die von der allgemeinen Art sein kann, wie sie in vielen Nachrichten- und anderen Anwendungen verwendet wird, im zwei Eingangssignale mit relativ hoher Frequenz in eine ausgewählte Zwischenfrequenz f.« zur Lieferung an eine erste Frequenzteilerschaltung 2 umzuwandeln. Die Schaltung 2 1st zur Teilung des Eingangesignale f_lf mit einem einstellbaren Teilerfaktor N geeignet« so daß ein einstellbares Ausgangesignal mit der Frequenz f,,» / N oder f_A erzielt wird. Der Faktor N ist über einen geeigneten Bereich durch manuelle oder rechnergesteuerte Betätigung eines einstellbaren Elementes, wie z.B. des Elementes 8 in einer nooh zu beschreibenden Art einstellbar.

Ein Frequenz-Differenzdetektor 3 empfängt das Signal f_Q und ein Signal f_r an seinen EingangsanschlUseen, um ein endliches Fehlersteuerungssignal zu erzeugen, wenn die Signale f_e und f_r nicht exakt synchron sind. Das Signal f_r wird durch

Frequenzteilung eines Ausgangssignals f erzeugt, das von

einer Bezugsfrequenzquelle 5 erhalten wird. Das Signal f_o wird einem Eingang eines zweiten Frequenzteilers 4 zugeführt, wL der zur Teilung des Eingangssignals f_s durch einen einstellbaren Faktor X geeignet 1st, um ein Ausgangssignal mit einstellbarer Frequenz f_ / X oder f_ zu gewinnen. Der Faktor X ist über einen geeigneten Bereich durch manuelle oder rechnergesteuerte Betätigung eines einstellbaren Elementes 9 einstellbar. Wie es oben bemerkt wurde, wird das Signal f_r dem Frequenz-Differenzdetektor 2 zusammen mit dem Signal f. zugeführt.

Es 1st verständlich, daß eine Vielzahl von Arten von Frequenz« teilerschaltungen für die jeweiligen ersten und zweiten N-

BADOfUGiNAL ''*

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und X-Prequenzteiler 2 bzw. 4 verwendet werden kann, und zwar unter Einschluß üblicher harmonischer Sinussohwingungs-Gener a tor schaltungen mit schaltbaren harmonischen Resonanzschaltungen* Einstellbare Teilerschaltungen stehen außerdem in einfacher Welse in der Form von Zählerschaltungen zur Verfügung, die einen Ausgang durch Zählen von Schwingungen und Sinussohwlngungs-Slgnalen, wie z.B. der Signale f_A oder f„ ableiten.

Der Frequenz-Differenzdetektor 3 kann irgendeine gut bekannte Anordnung sein, die zum direkten Vergleich der Frequenzen der Signale f_e und f geeignet 1st oder die das.gleiche indirekt durch Ausbildung einer analogen Ausgangespannung an ihrer Ausgangsleitung 11 durchführt, die die Differenz der Zählungen darstellt, die in den Jeweiligen ersten und zweiten Zählerteilern 2 und 4 erzeugt wurden«

Ein spannungsabgestimmter Oszillator 6 1st in sich eine übliche Art einer Oszillatorschaltung, die einen spannungssteuerbaren Kondensator oder ein anderes spannungsabhängiges Element verwendet, um die Ausgangsfrequenz des Oszillators f₀ + Δ f. in Ausdrücken der an der Leitung 11 auftretenden Analogspannung festzulegen. Das Signal f_Q +Δ ^fj wird an einen Eingangsanschluß des Mischers 1 angelegt, während ein Signal mit der Frequenz f_g oder f_Q -f₈ an den zweiten Anschluß angelegt wird. Die Signale f_ß und f_g müssen eine kohärente Beziehung aufweisen und werden daher vorzugsweise in der gleichen Bezugsfrequenzquelle 5 erzeugt. Die Frequenzwerte der Signale f_fl und f_g sind derart, daß sie in einfacher Welse gemeinsam mit Hilfe von üblichen Mitteln erzeugt werden können. Das Signal f_Q +Δ f^ wird an eine harmonische Generatorschaltung 7 zur Erzeugung eines Ausgangssignals mit der Frequenz ί_χ angelegt. Wenn der Frequenz-

PAD ORlGJNAL

1 0,9 8 5 2 / 1 1 7 O -

multiplikationsfaktor der Schaltung 7 X ist, hat die Ausgangsfrequenz f_x den Wert X (f^A^)·

Der harmonische Generator oder die Frequenzvervielfacherschaltung 7 hat einen Multipllkatlonefaktor X, der seinen Wert in der Praxis mit den Änderungen in dem Wert des Faktors X der Tellerschaltung 4 ändern kann. Die Generatorschaltung 7 kann aus bekannten Anordnungen ausgewählt werden, die bei geeigneter Erregung ein Kamm- oder Spitzenspektrum erzeugen, d.h., die eine Vielzahl von aufeinander bezogenen Frequenzen erzeugen, die durch gleiche Frequenzschritte voneinander entfernt sind, wobei diese Frequenzschritte der Eingangs frequenz f" +Δ f, gleloh sind. Der Ausgang des Kammspektrum-Qenerators 7 wird zur Verwendung als Signal mit Frequenzsynthese in Ausrüstungen, wie z. B. Signalgenerator-Frequenzmeß- oder Nachricht en-Ausrüstungen abgegeben.

Das Ziel der Erfindung besteht darin, bei Verwendung von einfachen Anordnungen ein Ausgangssignal zu erzielen, das durch gleiche Frequenzschritte schrittweise gestuft werden kann, obwohl eine Frequenzvervielfachung eingeschlossen 1st Die folgende Analyse ist zweokmäßig, um zu verstehen, wie die Vorrichtung betrieben wird, um die erwünschten gleichen Frequenzstufen steuerbar zu erzielen. Verschiedene Definitionen werden in der Analyse für bereits in der Zeichnung gezeigte Symbole verwendet; beispielsweise:

f_Q » die im wesentlichen niedrigste Frequenz, bei der der spannungsabgestimmte Oszillator 6 betrieben wird

- das Inkrement oder der Änderungsschritt der Ausgangsfrequenz des spannungsabgestimraten Oszillators 6

BAD ORJGIMAL

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f_ κ die Bezugeschrittfrequenz

eine Bezugsfrequenz.

Außerdem 1st:

f_lf - VAf₁ (D

^fe ^{β f}if / ^N (2)

f_r - f_s /X D)

Wenn die den Frequenz-Di ff erer^zdetektor 3 und den ipannungsabgestlnmten Oszllllator 6 enthaltende Sohlelfe gerastet 1st« ist der Ausgang des Frequenz-Differenzdetektors 3 an der Leitung 11 Null und

^fr

Ein Einsetzen der Gleichungen 2 und 3 in die Olelohung 4 ergibt:

f_tf / N . f_e / X (5)

Aus den Gleichungen 1 und 5 ergibt sieht

(f_B + Af₁) /N - f_s /X (6)

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Aus Vereinfachungsgründen wird eine Zahl S gewählt, die die folgende willkürliche Beziehung zu den Multiplikationsfaktoren N und X aufweist:

S = N-X (7)

N - S+X

Ein Einsetzen der Gleichung 8 in die Gleichung 6 ergibt: X-^f₁ = Sf_fi (9)

Wenn der Multiplikationsfaktor des harmonischen Generatore außerdem X ist, ist zu erkennen, daß seine Ausgangsfrequenz:

Das Einsetzen der Gleichung 9 in die Gleichung 10 ergibt einen Ausdruck für die Ausgangsfrequenz f_ in Ausdrücken der Multiplikationsfaktoren S und X:

(ii)

ErfindungsgemSß wird der Wert von S so In das System eingeführt, daß N und X derart kontrolliert werden, daßt

S=N-X (12)

eine ganze Zahl, wie z.B. 0, 1, 2, 2, 4 usw. ist. Es 1st zu erkennen, daß die Frequenz-Inkremente oder -schritte Aus-

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von ganzzahligen Vielfachen von f _ sind und daß alle Inkremente gleichmäßige Schritte unabhängig von dem Wert des Multiplikationsfaktors X darstellen. Die unten dargestellte Tabelle erläutert diesen Effekt für niedrige Werte von Ss

Γ ~ Al

S = 2 f_x *

S * 3 f_x =

S - 4 f » Xf _Λ * 4f _β

X O S

Ein zahlenmäßiges Beispiel erläutert weiterhin die Vielseitigkeit der Erfindung« Beispielswelse sei angenommen, daß es erwünscht ist, frequenzstabile Signale von 10 000 MHz bis 10 300 MKz in Schritten von 10 MKz zu erzeugen. Es sei weiterhin angenommen» daß die Bezugsfrequenzquelle 3 in einfacher Weise einen quarzstabilisierten Ausgang f_o< von 10 MHz

erzeugen kann» Der Wert von f_Q kann willkürlich gewählt werden und es ist zweckmäßig, f_Q gleich 500 MHz auszuwählen. Somit 1st die zwanzigste Harmonische von f_Q gleich 10 (Kfz. Der* Faktor X muß daher gleich 20 sein. Damit ist:

f₂ » 500 - 10 - 490 MKz.

Die Frequenz f« wird durch Vervielfachen von 10 MKz um 49 gewonnen« Pie Auegangsfrequenz ?_χ wird nun durch die Gleichung 11 beschrieben, und kann wie folgt tabellarisch dargestellt werden» wobei alle Werte in MKz aind:

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Erwünschte Frequenz f„

Sf.

10 000	20 · 500	0 ·· 10
10 010	n	1 · 10
10 020	it	2 · 10
10 030	It	3 ΊΟ

10 100 10 110 10 120

η	10	•10
It	11	ΊΟ
η	12	ΊΟ

10 190 10 200 10 210

It	19	ΊΟ
It	20	•10
η	21	•10

10 300

30

Wenn auf der zwanzigsten Harmonischen gearbeitet wird, ist der Faktor X gleich 20 und N wird von 20 bis 50 verändert, wenn die Ausgangs frequenz in 10 MHz -Schritten von 10 000 MHz bis IO 300 MHz gestuft wird. Wenn es nunmehr erwünscht ist, Frequenzen von 9500 MHz bis 9300 MHz in 10 MHz-Schritten zu erzeugen, wird X auf 19 geändert und N wird nunmehr von 19 bis 49 geänderte

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Die unterbrochene Linie 10 in der Zeichnung wurde dazu verwendet, um schematlsch irgendwelche bekannte Steuervorrichtungen anzuzeigen» die die jeweiligen ersten und zweiten Teller 2 und 4 betätigen können, damit die Gleichung 7 erfüllt ist. Sine mechanische Steuerverbindung zwischen den einstellbaren Elementen 8 und 9 ist nicht erforderlich« well Tabellen oder logische Anordnungen wie das oben erwähnte Beispiel verwendet werden können, um die Bedienungsperson bei der Einstellung der passenden Werte von f_Q und f zusammen mit den erforderlichen Werten von X und S zu unterstützen. Für diesen Zweok sind die j

Funktionen der Frequenzteiler 2 und 4 erfüllende Digitalzähler in der Technik gut bekannt, die aus monostabilen Multivibratoren bestehen und einfache Gattermittel verwenden und eine große Reihe von Tellungsfaktoren oder Modulwerten verwirklichen. Beispielsweise sind derartige Zähler erhältlich, die entsprechend der Einstellung äußerer Schalter programmierbar sind, um irgendein ganzzahliges Teilungsmodul von 1 bis 16 mit lediglich vier monostabilen Multivibratorelementen zu liefern« Das Modul wird im allgemeinen lediglich durch Anlegen des Sechzehner-Komplements des erwünschten Moduls zur Steuerung des Gatterbetriebe ausgewählt. Eine Vielzahl derartiger bis 16 zählender Zähler kann zusammen verwendet werden, um ein System zu { schaffen, dessen Modul beispielsweise von 1 bis 256 veränderlich ist. Andere bekannte Teilerschaltungen einer in ähnlicher Weise programmierbaren Art sind in einer Form erhältlich, die die Halbweg-Additionsteohnik verwendet.

Es ist außerdem zu erkennen, daß die Schalter zur Steuerung der Modulwerte Halbleiterschalter sein können, deren Einstellungen in einfacher Welse entsprechend einem beispielsweise auf einem gelochten Papierstreifen oder einer Karte mit Hilfe gut bekannter Mittel aufgezeichneten Sohema

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oder Code festgelegt werden können. Derartige Änderungen der Schaltereinstellungen können genau so gut durch ein gesteuertes Auslesen eines in anderen Arten von Speicherelementen wie magnetischen Trommeln oder magnetischen Speichermatrizen von universellen oder anderen digitalen Verarbeitungsvorrichtungen gespeicherten Schemas oder Code festgelegt werden. Das Auslesen kann von der Bedienungsperson oder durch ein gespeichertes Programm in gut bekannter Welse gesteuert werden. Die unterbrochene Linie soll daher derartige bekannte Mechanismen zur Steuerung der relativen Einstellung der Elemente 8 und 9 darstellen.

Der Frequenz-Differenzdetektor 3 1st als eine einfache bekannte Schaltung zur Erzeugung einer endlichen Fehlersteuerspannung In Analogform dargestellt« wenn die Ihr als Eingang zugeführten Signale mit der Frequenz f_e und f nioht synchron in Phase sind. Es ist durch die Erfindung nahegelegt _t die Brauchbarkeit des erflndungsgemäSen Signalgenerators durch Verwendung anderer bekannter Schaltungen zur Erzeugung der für die Steuerung des spannungsabstimmbaren Oszillators 6 erforderlichen Spannung auszudehnen. Beispielsweise können bekannte Doppeldiskriminatortechniken unter Verwendung von parallelen Fein- und Grobkanälen verwendet werden» um eine verbesserte Auflösung des Steuersystems zu ermöglichen« während dieses über einen relativ breiten Frequenzbereich arbeitet. Beispielsweise könnte der Feln-Kanal eine übliche Phasen- oder Frequenzdetektoranordnung umfassen, während der Grob-Kanal verwendet wird, um den Oszillator 6 in den Fangbereich des Feln-Detektors abzustimmen.

Es ist aus dem Vorstehenden zu ersehen, daß der erflndungsgemäfie Signalgenerator als vielseitige Quelle für stabile

1Ο985 2/Λ1/7Ο

Signale zur Anwendung bei Oeneratorsystemen für kohärente Frequenzsignale verwendet werden kann, wobei die Erfindung einfache Mittel zur Frequenzumwandlung und zur Erzielung einer Vielzahl von einzeln auswählbaren Signalen mit stabiler Frequenz aufweist· Die Lieferung von Erregung»- Signalen über Frequenztellernetzwerke mit Mitteln für eine Weitbereichs-Einstellung ihrer Teilermoduln in einem vorgegebenen Schema erübrigt im wesentlichen die Notwendigkeit komplizierter elektronischer Elemente, wie sie bei bekannten Generatoren mit Frequenzsynthese erforderlich J

sind. Komplizierte Anordnungen von Filtern, wie sie bei bekannten Vorrichtungen erforderlich sind, werden nicht mehr benötigt. Insbesondere kann eine Signalfrequenzerzeugung durch einfaches Schalten einseitig gerichteter Spannungen mit manueller oder digitaler Verarbeitungssteuerung durchgeführt werden und das Schalten von Signalen mit hoher Hochfrequenz erübrigt sich« Komplizierte Anordnungen, die bei bisher in der Technik bekannten Wegen erforderlich waren, entfallen in gleicher Weise.

Patentansprüche

Claims (1)

1. Hoohfrequenz-Signalgenerator mit Frequenzsynthese rait einer geschlossenen

   Schleife rait in H#ihe geschalteten Element; ©η _a die spsmmngsabgestimmte Oßsillatorraittel; Frequensraischermittel, erste Frequenz teilermit ttl und Frequenz-Di f f©^©nzdstektorsiiltt ©1 zur Steuerung der Betriebsfrequenz der apammingsabgestiffim» ten Oszillatormittel einschließen, dadurch gelcinn zeichnet, daß Mittel (8) zur Einstellung des Teilermodul N der ersten-Frequenzteilermittel (2), zweite Frequenzteilermittsl (4) mit Mitteln (9) zur Einstellung ihres Teilermodul X zur Lieferung eines Eingangs an die Frequenz-Differeiazdettktonnittel (J) und Bezugsfrequenz-Quellenraittel (5) z\w Lieferung von Signalen mit stabiler Frequenz an dis Frsquenzmisehermittel (l) und an den zweiten Frequenzteiler (4) mit d©m Modul X vorgesehen 3ind, wobei die Mittel (8) sur Einstellung der ersten Fraquenztellermittel (2) mit dem Modul N und die Mittel (9) zur Einstellung der zweiten Frequensteilerniittel (4) mit dem Modul X so betatigbar sindi daß die Größe N-X eine ganze Zahl unter Einschluß von Mull ist ο

   2ο Signalgenerator nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t ,. daß harmonische Generatormittel (7) mit dem Ausgang der spannungsabgestimmten Oszillatormittel f£| verbunden sind ο

   Signalgenerator nach Anspruch 1 oder 2, da-

   BAD

   lifiis/ffff -.

   Frequenzteilermittel (2) ZShlerteilermlttel einschließen, die Schaltungsmittel zur programmierten Steuerung des Modul N der ZShlerteilerraittel aufweisen.

   4. Signalgenerator nach Anspruch j5, dadurch

   g ek ennz eich η e t, daß die zweiten Frequenzteilermittel (4) ZShlerteilermittel umfassen, die Schaltungsmittel zur programmierten Steuerung des Modul X der ZShlerteilermittel aufweisen.

   5« Signalgenerator nach Anspruch 4, dadurch

   gekennzeichnet , daß der Frequenz-Di f f erenzdetektor O) den ZHhlungsunt ersohl ed der ersten und zweiten ZShlerteilermittel in eine Analogspannung zur Steuerung der spannungsabgestiimnten Oszillatormittel (6) umwandelt.

   6. Signalgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß das von den Bezugsfrequenz-Quellenmitteln (5) den Frequenzmischermitteln (1) zugeführte Signal eine Frequenz aufweist, die gleich der Differenz zwischen der niedrigstmögliehen Frequenz der spannungsabgestimmten Oszillator- ' mittel (6) und der Frequenz des Signals ist, die den zweiten Frequenztellermitteln (4) von den Bezugsfrequenz-Quellenmitteln (5) zugeführt wird«

   7ο Signalgenerator nach Anspruch 2, dadurch

   gekennze ic h net , daß die Frequenz f_x des Ausgangssignals durch die Gleichung

   f„ « Xf_Λ + Sf, ,

   - - "-' -d Si ϊΐ Ο '- "■■■..

   •A

   10985^/1170

   - - 16 ~

   bestimmt ist_a wobei f_Q die niedrigst mögliche Frequenz des spannungsabgegtimmten Oszillators (6) und f_ die Frequenz des den zweiten Frequenzteilermitteln (4) von den Bezugefrequenz-Quellenmitteln (5) zugeführten Signals ist·

   109852/1170

   BAD ORfGJNAL