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Frequenzwandler Die Erfindung betrifft einen Frequenzwandler, welcher
eine erste Impulsfolge mit einer ersten variablen Frequenz in eine zweite Impulsfolge
mit einer Frequenz, die zur ersten Frequenz in einer vorbestimmten Beziehung steht,
umwandelt. Es ist häufig erforderlich, Impuisfolgen einer Frequenz in eine Impulsfolge
anderer Frequenz umzuwandeln, wobei die Frequenz der Eingangsimpuisfolge variabel
ist und die Frequenz der Ausgangsimpulsfolge in einem bestimmten Verhältnis zur
Eingangsimpulsfolge stehen soll. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
einen Frequenzwandler zu schaffen, der sich durch eine hohe Genauigkeit auszeichnet
und mit dem das Verhältnis von Eingangs- zu Ausgangsfrequenz frei wählbar ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die beiden
Impulsfolgen einem Impulsformer zugeführt sind, der für jeden Impuls der zweiten
Impulsfolge einen Impuls mit definierter Amplitude und mit einer Dauer, die gleich
einem Vielfachen der Periodendauer der ersten Impulsfolge ist, an einen Tiefpaß
abgibt, dessen Ausgangsspannung zusammen mit einer Vergleichsspannung einem die
zweite Impulsfolge erzeugenden Spannungs-Frequenz-Umformer zugeführt ist.
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Ist ein linearer Zusammenhang zwischen Eingangs- und Ausgangsfrequenz
verlangt, dann ist sowohl die Amplitude der Ausgangsimpulse des Impulsformers als
auch die Vergleichsspannung konstant. Zweckmäßig sind in einem solchen Falle diese
beiden Spannungen von ein und derselben Spannung abgeleitet,
vorteilhaft
in einer Spannangsteilerschaltung.
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Durch Verändern der Vergleichsspannung gegenüber der Ausgangsspaimung
des Tiefpasses kann das Verhältnis von Eingangs- zu Ausgangsfrequenz verändert und
damit auf den gewünschten Wert eingestellt werden.
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Anhand der Zeichnung, in der das Prinzipschaltbild eines Ausführungsbeispiels
dargestellt ist, werden im folgenden die Erfindung sowie weitere Vorteile und Ergänzungen
näher beschrieben und erläutert.
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Der als Ausführungsbeispiel gewählte Frequenzwandler besteht im wesentlichen
aus einem Impulsformer IF, einem Tiefpaß TP und einem Spannungs-Frequenz-Umformer
SFU. Der letztgenannte wird von einem Verstärker V1 angesteuert, der als Differenzverstärker
betrieben wird und dem die Ausgangsspannung des Tiefpasses TP und die Spannung am
Abgriff eines Potentiometers P zugeführt wird. Als Spannungs-Frequenz-Umformer kann
im Prinzip jeder bekannte Typ eingesetzt werden. Der Spannungs-Frequenz-Umformer
SFU nach dem Ausführungsbeispiel arbeitet nach dem sogenannten Ladungsmengenkompensationsverfahren.
Ein Miller-Integrator mit einem Verstärker V2 und einem Integrationskondensator
Ci integriert die Ausgangsspannung des Verstärkers VI auf. Übersteigt die Ausgangs
spannung einen bestimmten Wert, so spricht ein Diskriminator DIS an, der einerseits
einen Ausgangsimpuls abgibt und andererseits einen Generator LG ansteuert, der aus
dem Ausgangsimpuls des Diskriminators DIS einen Impuls konstanter Ladungsmenge erzeugt.
Mit diesem Impuls wird der Kondensator Ci entladen. Danach beginnt der Aufladungsvorgang
von neuem.
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Je höher die Ausgangsspannung des Verstärkers V1 ist, um so höher
ist die Frequenz der Ausgangsimpulse des Diskriminators DIS.
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Diese Impulse werden einerseits über eine Ausgangsklemme A nach außen
abgegeben und andererseits dem Impulsformer IF zugeführt, in dem sie mittels eines
Differenziergliedes C2, R2 differenziert werden. Die bei der Differentiation entstehenden
negativen Impulse gelangen über eine Diode D2 und ein nicht bezeichnetes ODE atter
auf eine bistabile Kippstufe BK1, die umgeschaltet wird. Damit wird eine Torschaltung
T1 für Impulse freigegeben, die über einen Eingang B dem Impulsformer IF zugeführt
werden und deren Folgefrequenz umgeformt werden soll. Mit dem Umschalten der bistabilen
Kippstufe BKI wird eine zweite bistabile Kippstufe BK2 vorbereitet, deren Schalteingang
an die Torschaltung T1 angeschlossen ist. Mit dem als nächsten über den Eingang
E eintreffenden Impuls wird dann die bistabile Kippstufe BK2 gesetzt.
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An die Torschaltung T1 kann ferner, wie gestrichelt angedeutet, eine
Untersetzerschaltung US angeschlossen sein.
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Es sei vorerst angenommen, daß eine solche nicht vorhanden ist. Damit
wird der die bistabile Kippstufen BK2 schaltende Impuls über ein Differenzierglied
C7, R1 und eine Diode D1 auf die bistabile Kippstufe BK7 gegeben, so daß diese zurückgeschaltet
wird. Der nächste über den Eingang E eintreffende Impuls schaltet dann die Kippstufe
BK2 wieder zurück, so daß diese während einer Periodendauer der Eingangsimpulse
umgeschaltet war und während derselben Zeit einen Differenzverstärker mit den Transistoren
Tsl und Ts2 ansteuert. Ist die Untersetzerschaltung eingefügt, so hat dies zur Folge,
daß die Dauer des Ausgangsimpulses der bistabilen Kippstufe BK2 nicht nur eine Periodendauer
lang ist, sondern ein Vielfaches davon, wobei das Vielfache durch das Untersetzerverhältnis
bestimmt ist. Ist das Untersetzerverhältnis sehr groß, so kann auf die Kippstufe
BK2 verzichtet werden und der Differenzverstärker unmittelbar mit der bistabilen
Kippstufe BK1 angesteuert werden.
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Der Impulsformer IF hat die Aufgabe, Impulse konstanter Ladungsmenge
abzugeben. Da die Ausgangsimpulse der Kippstufe BK2, wie erläutert, konstante Dauer
haben, müssen diese Impulse noch auf konstante Amplitude gebracht werden, damit
sie konstanten Ladungsinhalt haben. Hierzu steuert der Differenzverstärker mit den
Transistoren Tsl und Ts2 einen Schalter mit den Feldeffekttransistoren Ts3 und Ts4
an, von denen der Transistor Ts3 während der Pulsdauer und der Transistor Ts4 während
der Pulspause durchgeschaltet ist. Wählt man den Belastungswiderstand dieses Transistorschalters
hinreichend groß im Verhältnis zum Durchlaßwiderstand des Transistors Ts3, so wird
praktisch die volle Spannung +UO zum Tiefpaß TP durchgeschaltet. Es werden damit
Impulse erzeugt, deren Dauer n t1 und deren Amplitude +UO beträgt, wobei n das Untersetzungsverhältnis
des Untersetzers US und t1 die Periodendauer der Eingangsimpulsfolge ist. In dem
Tiefpaß TP mit dem Widerstand R3 und dem Kondensator C3 wird eine Spannung U gebildet,
die gleich dem Mittelwert dieser Impulse ist. Wird die Ausgangsfrequenz des Spannungs-Frequenz-Umformers
SFU mit f2 bezeichnet, so beträgt die Ausgangsspannung des Tiefpasses TP : U = n
tI U0 f2. Diese Spannung wird dem invertierenden Eingang des Verstärkers V1 zugeführt.
Der nichtinvertierende Eingang liegt am Abgriff des Potentiometers P, das mit der
Spannung UO gespeist wird. Beträgt das Spannungsteilerverhältnis p, so ist die dem
nichtinvertierenden Eingang zugeführte Spannung Up = p . UO. Die dem Spannungs-Frequenz-Umformer
SFU zugeführte Spannung beträgt dann, wenn der Verstärkungsgrad des Verstärkers
V1 v1 ist: (U - Up) V1 = v1 UO (n t1f2 - P) Ist die Umformerkonstante des Spannungs-Frequenz-Umformers
k, so ergibt sich für dessen Ausgangsfrequenz die Beziehung: 2 = k. v1 U0 (n t1
f2 - P) oder f2/(k . v1UO) = n f2/f1 - p wobei f1 die Frequenz der Eingangsimpulfolge
ist. Da der Verstärkungsgrad v1 des Verstärkers V1, wie bei gebräuchlichen Operationsverstärkern
üblich, sehr groß ist, ist
der links neben dem Gleichheitszeichen
stehende Ausdruck praktisch Null, so daß man für das Verhältnis von Ausgangs- zu
Eingangsfrequenz die Beziehung erhält: f2/f1 = p/n.
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Das Teilerverhältnis n wird auf digitale Weise gewonnen, so daß dieses
konstant ist. Damit ist die Genauigkeit der Frequenzumwandlung lediglich abhängig
von der Einstellgenauigkeit des Potentiometers P.
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5 Patentansprüche 1 Figur