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Parametrischor Frequenzmultiplikator Die Erfindung betrifft eine Einrichtung,
um eine Frequenz mit der anderen zu multiplizieren, welche vom parametrischen Typ
ist, d.h., eine Schaltung, welche eine Ausgangsfrequenz liefert, deren numerischer
Wert gleich dem Produkt der numerischen Werte von zwei Eingangsfrequenzen ist, und
zwar bis auf eine Konstante. Sie betrifft ebenso die Anwendung der Basisschaltung
auf die Erzeugung bestimmter einfacher arithmetischer Funktionen, beispielsweise
die Erzeugung einer Frequenz, welche gleich dem Quadrat des numerischen Wertes einer
Frequenz ist, gleich der Quadratwurzel des numerischen Wertes einer Frequenz ist
oder gleich dem Inversen einer Frequenz ist und anderer analoger Funktionen, und
zwar ebenso wie Anwendungen dieser Funktionen auf MeB-oder Steuereinrichtungen.
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Die Basisschaltung umfaßt im wesentlichen eine Regeleinrichtung in
geschlossener Schleife einer Ausgangsfrequenz mit einer ersten Eingangsfrequenz,
mittels eines Phasendiskriminators, wobei die Schleife einen Teiler mit variabler
Ordnung aufweist, der in regelmäßigen Intervallen positioniert ist, die durch eine
Zeitbasis gemäß dem Mittelwert einer zweiten Eingangsfrequenz vorgegeben sind, und
zwar während des letzten abgelaufenen Intervalls.
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung
beschrieben; in dieser zeigt: Fig. 1 ein Schema einer iusführungsform der Basisschaltung,
welche eine Iusgangsfrequenz liefert, deren numerischer Wert dem Produkt von zwei
Eingangsfrequenzen proportional ist, Fig. 2 ein detaillierteres Schema eines Teils
des Schemas nach Fig. 1, Fig. 3 eine abgewandelte Ausführungsform des Schemas gemäß
Fig. 1, welche eine Iusgangsfrequenz liefert, die dem Quadrat des numerischen Wertes
einer Eingangsfrequenz proportional ist, Fig. 4 eine weitere Ausführungsform, welche
eine Frequenz liefert, die dem Inversen des numerischen Wertes einer Eingangsfrequenz
proportional ist, Fig. 5 eine weitere Ausführungsform, welche eine Frequenz liefert,
die der Quadratwurzel des numerischen Wertes einer Eingangsfrequenz proportional
ist, Fig. 6 ein Schema eines Anwendungsbeispiels der erfindungßgemäßen Schaltung
gemäß Fig. 1 auf ein flurchflußmeßgerät, Fig. 7 ein Schema eines Anwendungsbeispiels
der Schaltung gemäß Fig. 3 auf einen Transduktor und
Fig. 8 ein
Schema eines Anwendungsbeispiels einer Schaltung gemäß Fig. 3 auf eine Einrichtung
zur Messung des Abstandes zwischen zwei Gegenständen, insbesondere Elektroden eines
Kondensators.
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Die Basisschaltung umfaßt gemäß der Darstellung in der Fig.1 einen
Phasendiskriminator 10 mit zwei Eingängen 11 und 12, der auf einem ersten Eingang
11 eine Frequenz F1 empfängt, auf einem zweiten Eingang 12 eine Frequenz F3/N empfängt,
deren Herkunft unten erläutert wird. Der Phasendiskriminator 10 ist über ein Tiefpaßfilter
13 mit einem spannungsgeregelten Oszillator 14 verbunden (beispielsweise über eine
Diode mit variabler Kapazität, welche in den Schwingkreis eingeschaltet ist). Der
Oszillator 14 liefert an seinem Ausgang 15 eine Frequenz F3, welche an den Eingang
eines Teiler mit variabler Ordnung 16 geführt ist, wobei eine Einstellung auf eine
Zahl N vorgesehen ist. Der Ausgang des Teiler mit variabler Ordnung 16, der mit
dem zweiten Eingang 12 des Diskriminators 10 verbunden ist, führt demselben die
Frequenz F3 zu, welche durch N geteilt ist, d.h., F3/N.
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Eine Frequenz F2 wird über eine Klemme 20 an einen elektronischen
Zähler 18 geführt, und zwar über eine Formerschaltung 19. Der Zähler 18 zählt die
Perioden der Frequenz F2 während der aufeinanderfolgenden Intervalle der Dauer At,
die untereinander gleich sind, welche durch eine Zeitbasis 17 geregelt sind. Der
Zähler 18 positioniert den Frequenzteiler 16 gemäß dem Wert, den er am Ende jedes
Intervalls A t anzeigt. Mit anderen Worten, wenn der Zähler 18 N am Ende eines Zählintervalls
markiert, liefert der Teiler 16 am Ausgang einen Impuls jedesmal dann, wenn er von
der Klemme 15 N.F3 Eingangsimpulse empfangen hat, d.h., er legt an 12 eine Frequenz
gleich F3/N.
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Die Regelung des Oszillators 14 durch den Phasendiskriminator 10 erfordert
es, daß dieser Oszillator eine Frequenz F3 liefert derart, daß die Frequenzen auf
den zwei Eingängen 11 und 12 gleich sind, wie es an sich bekannt ist. Die Regelung
liefert somit eine Relation: F1 I F3/N.
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Durch die Konstruktion erhält man jedoch N X k. F2, wobei k eine Konstante
ist, die insbesondere von der Dauer bt der Zählintervalle abhängt. Die Ausgangsfrequenz
F3 hat somit den Wert: F3 P k F1 F2.
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Die Fig. 2 zeigt eine Einrichtung zum Positionieren des Teilers mit
variabler Ordnung 16 gemäß dem durch den Zähler 18 angezeigten Wert.
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Es ist bekannt, vollständige Anordnungen 18-18' aufzubauen, welche
einen Zähler 18 und einen zugeordneten Speicher 18' aufweisen, welcher die Bits
bei jeder Zählung speichert und nur diejenigen Bits modifiziert, welche infolge
der Veränderung der zu zählenden Größe modifiziert werden müssen, im vorliegenden
Fall F2.
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Lediglich zur Erläuterung der Erfindung sei in einem vereinfachten
Beispiel angenommen, daß der Zähler 18 eine Kapazität von 64 mit sechs Binärkippstufen
aufweist. In diesem Falle wird der Teiler 16 ebenfalls aus einem Zähler mit sechs
Binärkippstufen bestehen, der einen Eingang 15 und einen Ausgang 12 aufweist (siehe
Fig.1). Die Verbindungen 16' symbolisieren eine Parallelübertragung der Bits, die
in dem Speicher 18' in den Kippstufen des Teilers 16 enthalten sind.
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Es können zwei Fälle eintreten:
1. Der Teiler 16 ist
vom Zähltyp: in diesem Fall wird, wenn der Speicher einen bestimmten Wert unterhalb
von 64 anzeigt, beispielsweise 41 (N), in den Teiler 16 parallel ein Zustand übertragen,
welcher seinem Zählzustand komplementär ist, beispielsweise 23 (64 - N) im gewählten
Beispiel. Der Teiler 16, welcher einen Ausgangsimpuls aussendet, wenn er auf Null
zurückkehrt (volle Kapazität), erzeugt somit effektiv eine Teilung durch N.
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2. Der Gealer 16 ist vom Abzähltyp: in diesem Falle wird, wenn der
Speicher den Wert N anzeigt, vom Speicher in den 26aler 16 parallel sein Zählzustand
N übertragen. Wie es oben der Fall war, liefert der Teiler N am Ausgang die Frequenz
F3/N.
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Die parallelen Ubertragungsoperationen eines in einem Speicher oder
einem Register angezeigten Wertes oder seines Komplements sind im Stand der Technik
bekannt und bedürfen keiner detaillierten Erläuterung.
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Offensichtlich kann dieselbe Funktion eines durch einen elektronischen
Zähler gesteuerten teiler auf beliebige Kapazitäten ausgedehnt werden.
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Es gibt andere Verfahren, um einen Teiler mit variabler Ordnung durch
einen Zähler zu steuern: beispielsweise ist es bekannt, die Kapazität eines Zählers
durch Reaktionen zwischen binären Kippstufe verschiedener Stufen zu vermindern.
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Derartige Reaktionen können durch Dioden oder Transistoren eingeschaltet
oder ausgeschaltet werden, deren durchlässiger oder nicht-durchlässiger Zustand
durch den auf dem Speicher 18' angezeigten Zustand gesteuert ist.
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Die Schaltung gemäß Fig.1 wird nachfolgend als Schaltung A bezeichnet,
welche die Klemmen 11, 20 und 15 aufweisen.
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Wenn gemäß der Darstellung in der Fig. 3 die Frequenz F1 zugleich
an die Klemme 11 und an die Klemme 20 der Schaltung A (Fig.1) angelegt wird, so
sieht man unmittelbar, daß man am Ausgang eine Frequenz F4 I k (F1)2 erhält.
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Eine derartige Schaltung wird nachfolgend als Schaltung B bezeichnet.
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Die Fig.4 umfaßt zwei Teiles 1. Eine Schaltung des obigen Typs A,
welcher eine Frequenz F1 auf ihrem Eingang 11 und eine Frequenz F5 auf ihrem Eingang
20 empfängt und durch Regelung bei 15 eine zu F1 F5 proportionale Frequenz f abgibt.
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2. Die Frequenz f wird einem Eingang 31 eines Phasendiskriminators
30 zugeführt, welcher auf seinem anderen Eingang 32 eine Frequenz fo empfängt, die
durch einen festen und stabilen Oszillator 36 geliefert wird, die eventuell in einem
Organ 37 multipliziert oder dividiert ist. Das Ausgangssignal des Phasendiskriminators
30 wird über ein Tiefpaßfilter 33 einem spannungsgeregelten Oszillator 34 zugeführt,
der auf seinem Ausgang 35 die Frequenz F5 liefert.
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Der zweite Teil der Einrichtung hat zur Wirkung, daß der Frequenz
f ein konstanter Wert f - fo (bis auf eine Konstante) überlagert wird.
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Die Regelbedingungen der Einrichtung zeigen, daß die Frequenz F5,
auf welche der Oszillator 34 geregelt ist, exakterweise nur die-Jenige sein kann,
welche bei 15 die Frequenz f I F1 F5 liefert (bis auf eine Konstante).
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Man erhält somit F5 - k/F1, wobei k eine Konstante ist, die hauptsächlich
von der Frequenz fo abhängt.
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Die Fig.5 umfaßt zwei Teile: 1. Eine Schaltung vom Typ B, welche
auf den Eingängen 11 und 20 eine selbe Frequenz F6 empfängt.
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2. Der Ausgang 15 der Schaltung B ist mit dem Eingang 41 eines Phasendiskriminators
40 verbunden, dessen anderer Eingang 42 von außen eine Frequenz F1 empfängt. Der
Ausgang des Phasendiskriminators 40 ist über ein Tiefpaßfilter 43 mit einem spannungsgeregelten
Oszillator 44 verbunden, welcher bei 45 eine Frequenz F6 liefert, die an zwei Eingänge
11 und 20 der Schaltung B geführt ist.
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Die Frequenz f', welche bei 41 angelegt ist, ist gleich (F6)2, und
zwar gemäß der Arbeitsweise der Schaltung B. Diese Frequenz wird durch das Schließen
der Schleife 45-20 gleich (oder proportional) F1 gemacht~.
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Man erhält somit die Relation (F6)2 k Pl, bzw.
(wobei k einen beliebigen konstanten Wert annehmen kann).
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Die Fig. 6 veranschaulicht eine der vielen möglichen Anwendungsmöglichkeiten
der Erfindung auf ein industrielles Durchflußmeßgerät, wobei beispielsweise der
Durchfluß eines Förderbandes ermittelt wird. Der momentane Wert eines solchen Durchflusses
ist gleich dem Produkt der auf einer bestimmten Länge des Bandes gemessenen Lasten
und der Geschwindigkeit des Bandes.
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Es ist bekannt, derartige Messungen in Form von elektrischen Frequenzen
mit Hilfe von geeigneten Aufnehmern durchzuführen.
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Die Messung der Geschwindigkeit kann in Frequenzform erfolgen, und
zwar mittels eines tachometrischen Wechselstromgenerators von bekannter Art.
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Die Lasten- oder Gewichtsmessung in frequentieller Form kann beispielsweise
erreicht waren, indem ein Obertrager mit
vibrierenden Schnüren verwendet
wird. Es lassen sich derartige übertrager mit einer geringen Temperaturdrift bauen,
und zwar aufgrund der Verwendung einer geeigneten Legierung für die vibrierenden
Schnüre. Es läßt sich zeigen, daß ein derartiger Ubertrager eine Nullpunktsstabilität
und eine beachtliche Driftstabilität aufweist, die besser ist als die entsprechenden
Eigenschaften der Aufnehmer, beispielsweise von Widerstandsfühlern.
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Eine Schaltung vom Typ A empfängt auf ihrer Klemme 11 eine Frequenz,
die bei 51 durch einen Rohgewichtsaufnehmer geliefert wird, korrigiert in einem
Mischer 54 einen Term, der durch einen anderen Mischer 55 geliefert wird, der bei
52 eine Tarakorrektur empfängt und bei 53 eine Temperaturkorrektur beispielsweise,
wobei diese zwei Korrekturen durch geeignete Aufnehmer bekannter Art geliefert werden.
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Ein tachometrischer Wechselstromgenerator 56 legt bei 20 eine der
Geschwindigkeit proportionale Frequenz an.
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Man erhält bei 15 eine dem Durchfluß proportionale Frequenz, die in
einem Zähler oder einem Integrator 58 aufgenommen werden kann, nachdem sie eventuell
durch einen Teiler oder Nultiplikator 57 hindurchgegangen ist.
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Die Fig.? bezieht sich auf die Anwendung der Schaltung vom Typ B auf
die Linearisierung eines Ubertragers mit vibrierenden Schnüren, wobei das Gerät
hinsichtlich der Genauigkeit, der Nullpunktsstabilität und der Unempfindlichkeit
gegen Störungen beachtliche Eigenschaften aufweist.
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Ein derartiger Ubertrager, der einer Kraft T unterworfen wird, liefert
eine Frequenz, welche der Quadratwurzel der Kraft T proportional ist. Indem diese
Spannung ins Quadrat erhoben wird, erhält man am Ausgang eine Frequenz, die sich
mit der Kraft ändert.
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In der Fig.7 weist der tbertrager mit vibrierenden Schnüren eine Meßschnur
61 auf, die einer Kraft T unterworfen wird, welche gemessen werden soll, weiterhin
eine Bezugsschnur 62, einen Erregungskopf 63 und einen Aufnehmerkopf 64. Dieser
letztere ist mit einem Verstärker 65 verbunden, und zwar in Serie mit einem Eingang
eines Phasendiskriminators 66, der seinerseits mit einem Tiefpaßfilter 67 und einem
spannungsgesteuerten Oszillator 68 in Serie liegt. Die Ausgang frequenz von 68 Fm
wird einerseits einem Abschwächer 69 zugeführt, der mit dem Erregungskopf 63 verbunden
ist, und andererseits mit dem Phasendiskriminator 66 ebenso wie mit einem Eingang
11 einer Schaltung B, welche am Ausgang eine Frequenz F7 liefert, die dem Quadrat
von Fm proportional ist, d.h., der Kraft T proportional ist, die auf die Schnur
61 angewandt wird.
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Andererseits ist der ibschwächer 69, der mit dem Oszillator 68 und
der Erregerspule 63 in Reihe liegt, in der Weise aufgebaut, daß diejenige Abschwächung
oder Dämpfung exakt kompensiert wird, welche der in Vibration befindlichen Schnur
eigen ist.
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Die Amplitude der Vibration der Schnur 61 wird somit konstant gehalten.
Es ist offensichtlich, daß dasselbe Resultat durch andere Verfahren erreichbar ist.
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Eine absolut identische Anordnung, deren Bezugszeichen 73.....79 in
bezug auf die Bezugazeichen der Anordnung 63.....69 gemäß der obigen Beschreibung
jeweils um 10 angehoben sind, liefert eine Frequenz Fr, die ins Quadrat erhoben
ist, in eine Anoranung B', welche mit B identisch ist. Die Frequenz F8, weLche der
auf die Bezugaschaur ausgeübten Kraft proportional ist, kann eine korrektur 71 in
einem Mischer 71' erfahren, und die korrigierte Frequenz 78 kann von der Frequenz
77 in einet Mischer 72 subtrahiert werden, der am Ausgang eine Frequenz 79 liefert,
welche der Kraft T genau proportional ist
Die Fig.8 zeigt die Anwendung
einer erfindungsgemäßen Schaltung vom Typ B auf die Erzeugung einer Ausgangsfrequenz
Fc, welche dem Abstand zwischen den Platten eines Kondensators proportional ist,
oder es kann in allgemeinerer Form der Abstand zwischen zwei Kondensatorelektroden
auf den Abstand zwischen zwei beliebigen Objekten geregelt werden, beispielsweise
durch mechanische Verfestigung.
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In der Fig.8 liefert ein Oszillator 80 von beliebigem Typ, n LC oder
RC, eine Frequenz Pl, welche nach einem wohlbekannten Gesetz der Quadratwurzel der
Kapazität C umgekehrt proportional ist, d.h., in bestimmten Grenzen dem Abstand
e zwischen den Elektroden eines ebenen variablen Kondensators 81 proportional ist.
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Es läßt sich also schreiben:
Wenn die Frequenz Pl an den Eingang 11 einer Schaltung gemäß der Erfindung vom Typ
B geführt wird, erhält man am Ausgang eine Frequenz Fc s k (p1)2 s k e, wobei k
wie oben die Bedeutung einer Konstanten vom beliebigen Wert hat.
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Die Frequenz Fc ist dem Abstand e proportional. Sie kann gemessen
werden, registriert werden oder in allgemeiner Weise durch beliebige bekannte Einrichtungen
verarbeitet werden.
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Diese Einrichtung liefert somit durch einfache und zuverlästige Mittel
eine Frequenz, die einem Abstand zwischen zwei Objekten proportional ist, wie sie
für viele praktische inwendungsfälle geeignet ist.
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- Patentansprüche -