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Schaltung zur Multiplikation der Frequenz einer Spannung, insbesondere
für einen PAL-Coder in einem Farbrernsehzerät In der Technik tritt oft die aufgabe
auf, die Frequenz einer Spannung mit einem bestimmten Faktor zu multiplizieron,
Dieser Faktor kann zur Frequenzerhöhung größer als eins und zur Frequenzherabsetzung
kleiner als eins sein. Diese Aufgabe besteht z.B. beim Farbfernsehen. Bei allen
Farbfernsehsysternen sind nämlich die Farbträgerfrequenz und die Zeilenfrequenz
fest miteinander verkoppelt. Dabei ist es bekannt, die Farbträgerfrequenz in einem
freischwingenden Oszillator zu erzeugen und daraus die Zeilenfrequenz durch Frequenæteilung
abzuleiten.
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In einer solchen Schaltung werden dann Stufen benötigt, die die Farbträgerfrequenz
mehrfach um bestimmte Faktoren multiplizieren.
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Eine derartige Frequenzumsetzung ist z.B. in Schaltungen mit Phasenregelschleifen
möglich. Solche Schaltungen sind aber in der Phase relativ unstabil. Insbesondere
bei der beschriebenen Verkopplung zwischen Farbträgerfrequenz und Zeilenfrequenz
kommt es aber auf eine gute Phasenstabilität an.
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Zur Frequenzteilung ist es auch bekannt, die in der Frequenz zu teilende
Spannung einem Zähler zuzuführen, der jeweils eine bestimmte Zahl von Perioden zählt
und dann einen Impuls abgibt. Mit einem solchen Zähler läßt sich aber die Frequenz
nur um ein ganzzahliges Vielfaches herabsetzen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Schaltung
zu schaffen, mit der die Frequenz einer Spannung bei guter Phasenstabilität allgemein
mit einem Faktor n/m multipliziert werden kann, wobei der Faktor n/m auch eine gebrochene,
also nicht ganze Zahl sein kann, z.B. 1,01.
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Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 beschriebene Erfindung
gelöst. Vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße Schaltung gestattet also eine Frequenzvervielfachung
um einen beliebigen Faktor n/m, wobei n und m beliebig ganze Zahlen sind. Der Faktor
n/m kann auch in der Nähe von eins liegen, so daß sehr geringe Frequenzänderungen
erreichbar sind. Da die Schaltung ohne Phasenregeischleifen arbeitet, wird eine
gute Phasenstabilität zwischen der in der Frequenz zu multiplizierenden Spannung
und der in der Frequenz multiplizierten Spannung erreicht. Die erfindungsgemäße
Lösung beruht im wesentlichen auf dem Prinzip, daß durch eine besondere Schaltung
ein Frequenzspektrum erzeugt wird, das u.a. die gewünschte, mit dem Faktor n/m multiplizierte
Frequenz enthält, die dann mit einem Filter selektiv ausgewertet werden kann.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung an mehreren Ausführungsbeispielen
erläutert. Darin zeigen Figur 1 ein Prinzipschaltbild der Erfindung, Figur 2 das
zugehörige Frequenzspektrum, Figur 3 eine Ausführungsform des Modulators, Figur
4 ein Schaltungsbeispiel für den Modulator gemäß Figur 3,
Figur
5,6 die erzeugten Frequenzspektren für verschiedene Werte von m, Figur 7 ein Ausführungsbeispiel
einer Weiterbildung der Erfindung, Figur 8 Kurven zur Erläuterung der Wirkungsweise
der Figur 7 und Figur 9 ein Ausführungsbeispiel der Schaltung nach Figur 7.
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In Figur 1 wird eine sinusförmige Spannung U1 mit der Frequenz f1
von einer Klemme 1 einem Impulsformer 2 zugeführt, der eine Rechteckspannung 3 mit
der Frequenz f1 und einem Tastverhd.-.ltnis 1:1 erzeugt. Die Spannung 3 wird dem
Eingang 6 eines Modulators 4 zugeführt. Die Spannung 3 gelangt außerdem an einen
Frequenzteiler 5, der die Frequenz der Spannung 3 um die ganze Zahl m teilt. Die
dadurch gewonnene Ausgangsspannung f2 = f1/m ist ebenfalls rechteckförmig mit einem
Tastverhältnis 1:1 und gelangt an einen Modulationseingang 7 des Modulators 4.
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Figur 2 zeigt das durch die Modulation am Ausgang 8 des Modulators
4 entstehende Frequenzspektrum. Die Spektrallinien haben einen Abstand von f2 =
~1/ru, wobei wegen der symmetrischen Spannung am Modulationseingang 7 die Frequenz
f1 und alle geradzahligen Harmonischen entfallen. Dagegen entstehen Spektrallinien
jeweils bei den ungeradzahligen Harmonischen, also bei ungeradzahligen Vielfachen
von f1/m im Abstand von der Frequenz fl. Mit einem Filter 9 wird nun gemäß Figur
1 die gewünschte Spektrallinie ausgewertet. Wenn z.B. die Spektrallinie 10, also
das untere Seitenband USB, mit dem Filter 9 ausgewertet wird, so wird dadurch die
Frequenz f1 -f1/m = f1 . (1 - l/m) = f1 . m-l gewonnen. Bezeichnet man m - 1 als
n, so entsteht eine Prequenz ~1 . n/m. Wenn z.B.
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m = 101 gewählt wird, so wird die Frequenz f1 mit dem Faktor 100/101
multipliziert. Bei Auswertung des oberen Seitenbandes OSB würde in diesem Fall eine
Multiplikation mit dem Faktor
n/m = 102/101 auftreten. Durch Auswahl
anderer Spektrallinien, z.B. der Linien m - 3 oder m + 3 lassen sich entsprechend
andere Werte für den Faktor n/m erreichen. Der Wert m wird also durch den Teiler
5 und der Wert n durch die Abstimmung des Filters 9 festgelegt. An einer Ausgangsklemme
11 des Filters 9 steht somit eine Spannung mit der Frequenz f1 . n/m zur Verfügung.
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Durch die Modulation mit der symmetrischen Spannung entfallen die
geradzahligen Harmonischen. Das hat den Vorteil, daß die selektive Auswahl der gewünschten
Frequenz mit dem Filter 9 erleichtert wird, also das Filter 9 nicht extrem schmalbandig
zu sein braucht und nur eine geringe oder mittlere Güte aufweisen muß. Die Durchlaßkennlinie
des Filters ist in Figur 2 symbolisch durch die Linie 12 angedeutet. In der Praxis
werden die geradzahligen Harmonischen nicht vollständig verschwinden. Doch ist bei
diesen Frequenzen die Spektrallinie so klein und die Dämpfung des Filters 9 berge
es so groß, daß sie in der Praxis bereits ausreichend stark gegenüber der gewünschten
Frequenz gedämpft sind.
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Figur 3 zeigt eine Ausbildung des Modulators 4 gemäß Figur 1.
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Mit einem 1800 Phasendreher wird die Spannung 3 mit entgegengesetzter
Polarität einem Umschalter 14 zugeführt, der von dem Steuereingang 7 durch die vom
Teiler 5 kommende Spannung periodisch umgeschaltet wird. Der Modulator 4 be-0 wirkt
also eine periodische 180 Phasenumschaltung der zugeführten Spannung 3. Dadurch
wird das Frequenzspektrum gemäß Figur 2 erreicht.
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Figur 4 zeigt eine praktische Ausführung der Schaltung nach Figur
1 mit einem Modulator gemäß Figur 3. Die an der Klemme 1 stehende Spannung mit der
Frequenz f1 wird in zwei Komperatoren 15,16 in zwei gegenphasige Rechteckspannungen
mit dem Tastverhältnis 1:1 umgewandelt. Drei NAND-Stufen 17,18,
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wirken insgesamt als Umschalter 14 gemäß Figur 3. Die Spannung 3 für den Teiler
5 wird von dem Ausgang des Komparators 16 abgenommen. Der Teiler besteht aus dem
eigentlichen Frequenzteiler 5 und einem Flip-Flop 23, das an zwei gegenphasigen
Ausgängen Q und Q Schaltspannungen für die NAND-Stufen 17,18 liefert. Es ist also
jeweils während einer Halbwelle die Stufe 17 und während der nächsten Halbwelle
die Stufe 18 durchlässig, so daß abwechselnd die Spannung mit unterschiedlicher
Polarität zu der als Addierstufe wirkenden NAND-Stufe 19 gelangt. Das Flip-Flop
hat im wesentlichen den Zweck, eine Rechteckspannung mit einem TastverhÕltnis von
1*1 zu erzeugen, wie es für die beschriebene symmetrische Modulation notwendig ist.
Der Modulator 4 gemäß F gur 1,3 wird also in Figur 4 durch die Stufen 47,i#8,19
go bildet.
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Figur 5 zeigt noch einmal den Teiler 5 für eine gerade Zahl m. Bei
bekannten Teilern mit einer geraden Z hl m läßt sich eine Rechteckspannung mit dem
Tastverhaltnis # 1:1 erzeugen, so daß das dargestellte Frequenzspektrum entsteht,
bei dem in erwünschter Weise die Frequenz f1 und die geradzahligen Harmonischen
verschwinden.
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Figur 6 zeigt den Teiler 5, wobei jedoch m ungerade ist. Bekannte
Teiler dieser Art erzeugen eine unsymmetrische Rechteckspannung, deren Tastverhältnis
von 1:1 abweicht. Wenn in dem Modulator 4 mit dieser Spannung moduliert wird, so
ent stehen gemäß dem dargestellten Frequenzspektrum auch Spektrallinien bei dem
geradzahligen Vielfachen der Frequenz fi, Dadurch wird die Aussiebung der gewünschten
Frequenz mit dem Filter 9 erschwert, weil nunmehr das Filter 9 eine höhere Selektivität
und Güte haben müßte.
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Figur 7 zeigt eine Schaltung, bei der auch bei einem ungeraden Wert
von m eine Rechteckspannung mit dem Tastverhältnis 1: 1 erzeugt werden kann. Die
Schaltung enthält einen 1800
Phasendreher 20, einen Umschalter 21,
einen Zähler 22 und ein Flip-Flop 23.
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Anhand der Figur 8 wird die Wirkungsweise erläutert. Es sei angenommen,
daß der Zähler 22 jeweils vier Perioden der zugeführten Spannung zählt. Der Schalter
21 befindet sich in der dargestellten Stellung. Im Zeitpunkt t0 beginnt die Zahlung,
wobei der Zähler 22 immer auf die abfallende Flanke der Spannung 3 anspricht. Nach
vier Perioden entsteht somit am Ausgang 24 des Zählers 22 ein Impuls 25, der das
Flip-Flop ?3 umstößt, so daß sich dessen Ausgangsspannung ändert. Dadurch wird gleichzeitig
der Phasenumschalter 21 betätigt, so daß sich die Phase der Spannung 3 am Eingang
des Zählers 22 um 0 180 ändert. Der Zähler 22 beginnt jetzt erneut vier Perioden,
also vier abfallende Flanken der Spannung 3 zu zählen. Die vierte abfallende Flanke
erzeugt somit einen erneuten Impuls 25' an der Klemme 24. Es ist ersichtlich, daß
durch die Phasenurnschaltung mit dem Phasenumschalter 21 die Impulse 25, 25' nicht
einen Abstand von 4, sondern von 3,5 Perioden cn, Die Spannung 3 wird also durch
die Schaltung nicht um den Faktor 4, sondern um den Faktor 3,5 geteilt. Da das lip-Flop
23 die Frequenz halbiert, hat die Spannung am Ausgang des Flip-Flop 23 die Frequenz
f1/7. Außerdem ist zwangsluig die Ausgangsspannung des Flip-Flop 23 symmetrisch,
hat also ein Tastverhältnis 1:1. Mit dieser Schaltung wird also trotz des ungeradzahligen
Teilerfaktors m = 7 eine symmetrische Rechteckspannung mit dem Tastverhältnis 1:1
erzeugt, die gemäß den Figuren 1-4 zur Modulation der Spannung 3 verwendet werden
kann. Die Schaltung gemäß Figur 7 ermöglicht außerdem eine Frequenzteilung allgemein
um einen Faktor k + 0,5, wobei k eine ganze Zahl ist. Mit dieser Schaltung kann
also eine Frequenz um Werte wie z B. 3,5 oder 5,5 oder 7,5 oder auch weit höhere
Werte geteilt werden.
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Figur 9 zeigt eine Schaltung, die im Prinzip die Schaltungen gemäß
Figur 1,3,4,7 in sich vereinigt. Der Frequenzteiler 5 wirkt als Zähler 22 gemäß
Figur 7 und erzeugt jeweils nach (m + 1/2) Eingangsimpulsen ein Ausgangsimpuls,
wobei m eine ungerade Zahl ist. Gemäß Figur 7,8 ist aber aufgrund der Phasenumschaltung
durch das Flip-F}op 23 die wirksame Frequenz teilung = m+1 2 1 m/2. Das Flip-Flop
23 erzeugt wie in 2 2 = Figur 7 an den Ausgängen Q und Q zwei gegenphasige Rechteckspannungen
mit dem Tastverhältnis 1:1 und der Frequenz f3 f1/m, da es die Frequenz der zugeführten
Spannung verdoppelt.
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Die Stufen 17,18,19 bilden wieder den Modulator 4. Diese Schaltung
erfüllt gleichzeitig zwei Aufgaben.
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Einmal entsteht an der Klemme 8 das Frequenzspektrum gemäß Figur 2,
aus dem mit dem Filter 9 an der Klemme Ii die Spannung mit der gewünschten Frequenz
f1 ~ n/m gewonnen werden kann. Außerdem kann an der Klemme 24 eine Spannung abgenommen
werden, die um die ungerade Zahl m"2 geteilt ist. Wenn z.B.
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m = 101 ist, so kann an der Klemme 11 eine Spannung mit der Frequenz
f1. 100/101 abgenommen werden und an der Klemme 24 eine Spannung mit der Frequenz
f1/50,5. Solche Teilerfaktoren werden z.B. bei Farbfernsehgeräten zur Erzielung
der Frequenz kopplung zwischen Farbträgerfrequenz und Zeilenfrequenz benötigt.