DE2606714C3 - Demodulator für frequenzmodulierte elektrische Hochfrequenzschwingungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eint.i Demodulator für frequenzmodulierte elektrische Hochfrequenzschwingungen, bei dem eingangsseitig e π piezoelektrischer Resonator und ein Kondensator parallelgeschaltet sind und bei dem an den Resonator und an den Kondensator je ein Amplitudendemodulator angeschaltet ist, derart, daß eine Differenzbildung der Demodulationgsprodukte entsteht, wodurch das resultierende Demodulationsprodukt gebildet wird.

Bei einem bekannten Demodulator für frequenzmodulierte elektrische Hochfrequenzschwingungen (DE-PS 6 62 456) werden die Schwingungen durch ein auf den Träger abgestimmtes Quarzfilter mit nicht neutralisierter Elektrodenkapazität und durch einen Kondensator geschickt, wobei die beiden Seitenbänder der modulierten Schwingung gegenüber dem Träger im gleichen Sinne um 90° in der Phase verschoben sowie die derart behandelten Schwingungen jeweils von Dioden erfaßt werden und wobei dann für eine Differenzbildung der Schwingungssignale gesorgt wird. Hierbei kann ein Abstimmenkreis vorstufenmäßig sowohl zum Quarzfilter, als auch zum Kondensator geschaltet sein.

Bekannt ist ferner ein Frequenzdiskriminator zur Frequenzstabilisierung (DE-PS 9 31 536), der mindestens zwei auf verschiedene Frequenzen abgestimmte Schwingkreise enthält, wobei die an jedem Schwingkreis liegende Spannung einzeln gleichgerichtet und die entstehenden Spannungen gegeneinander in Serie geschaltet sind. Hier wird die Speiseenergie dem einen Schwingkreis über einen Schwingkristall und dem anderen Schwingkreis durch kapazitive oder induktive Kopplung ohne einen Schwingkristall zugeführt, wobei die Resonanzfrequenz des Schwingkristalls zwischen den Resonanzfrequenzen der beiden Schwingkreise liegt.

Die bekannten Demodulator eignen sich nicht für einen selbsttätigen Frequenzsteuerkreis eines Fernsehgerätes oder zur Anpassung an integrierte Schaltungen, weil der den Resonator bildene Quarzkristall eine zu geringe Dielektrizitätskonstante und einen zu geringen elektromechanischen Kopplungsgrad besitzt, was eine hohe Impedanz des resultierenden Resonators und eine sehr enge Bandbreite des Demodulators mit sich bringt Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen ίο Demodulator der eingangs erwähnten Art zu schaffen, der ohne Schwierigkeit an integrierte Schaltungen anpaßbar und damit leistungsfähig bei sehr hohen Frequenzen, insbesondere in einem selbsttätigen Frequenzsteuerkreis eines Fernsehgerätes geeignet einsetzbar ist

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß als piezoelektrischer Resonator eine Bleititanat-Keramikplatte verwendet ist die mit einer Feldstärke von mehr als 50kV/cm in Richtung ihrer Dicke vorbehandelt ist und eine solche Dicke aufweist daß die in der Dickenausdehnungsschwingung der dritten Oberwelle der Mittenfrequenz der frequenzmoduiierten Schwingung schwingt und daß ein Amplitudenbegrenzer für das resultierende Demodulationsprodukt vorgesehen ist der die Amplituden in positiver und negativer Richtung begrenzt, derart daß die Wirkungen der Nebenwellen des Resonators in diesem Bereich ausgeschaltet sind.

Vorteilhafterweise weist die Zusammensetzung der Keramikplatte als Hauptkomponente PbTiO₃ und als Zusatzkomponente La^₃ O₃ und MnO2 auf.

Bekannt ist (»Taschenbuch für Hochfrequenztechnik«, Meinke-Grundlach, zweite Auflage, 1962, Seite 143), polykristallines Bleititanatzirkonat als Material für einen Resonator zu verwenden, da es durch einen hohen Curiepunkt (350°) für große Leistungen und eine hohe Umgebungstemperatur geeignet ist Auch ist es bekannt polykristallines Bleititanatzirkonat für einen Keramikfilter für ein FM-Rundfunkgerät zu verwenden. Die obere Betriebsgixsize eines solchen Keramikfilters liegt jedoch bei ungefähr 90 MHz, was einen Einsatz bei selbsttätigen Frequenzsteuerkreisen von Fernsehgeräter nicht möglich macht.

Der erfindungsgemäße Demodulator arbeitet stabil, und die vorbestimmte Frequenz, die die Trägerfrequenz für die Frequenzauflösung des Demodulators darstellt, kann selbst bei Schwankungen der Umgebungstemperatur und/oder der Frequenz des Eingangssignals stabil gehalten werden, selbst wenn die Keramikplatte r>o unerwünschte Frequenzgänge in Nähe der Resonanzfrequenz und bei Netzausschlägen erzeugt zwischen denen die Trägerfrequenz der Frequenzauflösung eingestellt ist.

Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnungen erläutert In letzteren sind

F i g. 1 ein Schaltbild, größtenteils im Blockschaltbild, einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Demodulators,

Fig.2 ein Schaltbild einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Demodulators,

F i g. 3 ein Diagramm, das die Ausgangskurven der

Frequenzauflösung zeigt, wie sie mit dem Demodulator

nach Fig.2 erhalten werden, wenn zwei Arten von

piezoelektrischen Keramikresonatoren verwendet werden, und

Fig.4 ein Diagramm, das das Verhältnis zwischen Temperaturkoeffizienten einer Trägerfrequenz für die Frequenzauflösung und Polfeldern zum Polen der

piezoelektrische Keramikplatte zeigt, die als Resonator in dem Demodulator nach F i g. 2 verwendet wird.

F i g. I zeigt eine Ausfübrungsform des erfindungsgemäßen Demodulators, der einen Vorverstärker 50, der ein elektrisches Eingangssignal verstärkt und dann einem piezoelektrischen Keramikresonator 102 und einem Vergleichskondensator 10 zuführt, ein Paar Amplitudendetektoren 60 und 70, durch die das elektrische Signale vom piezoelektrischen Keramikresonator 102, dar an der Impedanz 12 erscheint, bzw. das elektrische Signal vom Vergleichskondensator 10, das an der Impedanz U erscheint, erfaßt werden, und einen Differenzamplitudenbegrenzer 80 aufweist, der die Differenz aus den, den Amplitudendetektoren 60 und 70 zugeführten Signale bildet.

In F i g. 2 ist eine Ausführung des Demodulators wie in F i g. 1 dargestellt, wobei die g5eichen Bezugszeichen für gleiche Teile des Demodulators wie in F i g. 1 verwendet werden. Gemäß Fig.2 wird ein an eine Klemme 40 gelegtes elektrisches Signal in einer Vorverstärkerstufe verstärkt, die Transistoren 1, 2 und Widerständen 3,4,5 aufweist. Eine Gleichvorspannung wird an eine Klemme 41 geliefert und die 3asis des Transistors 2 wird über einen Kondensator 6 für ein Wechselstromsignal geerdet Die vorverstärkten Signale, die am piezoelektrischen Keramikresonator 102 und an dem Vergleichskondensator 10 erscheinen, werden durch einen ersten Gleichrichter (Diode) 14 bzw. einen zweiten Gleichrichter (Diode) 13 erfaßt Der erste Gleichrichter 14 und der zweite Gleichrichter t3 stellen die Hauptelemente des ersten bzw. des zweiten Amplitudendetektors 60 bzw. 70 dar. Ein Widerstand 17 und die Dioden 18, 19, 20, 21, 22, 23 führen einem Differenzamplitudenbegrenzer 80 eine geeignete Gleichvorspannung zu und ein Kondensator 25 eliminiert eine Wechselstromsignalkomponente. Da die Gleichrichter 13 und 14 umgekehrt zueinander geschaltet sind, d. h„ die Richtung der Gleichrichtung des ersten Gleichrichters 14 ist entgegengesetzt zu der des zweiten Gleichrichters 13, wird die Differenz der Signale am Kondensator 25 gebildet der eine Komponente des Differenzamplitudenbegrenzers 80 darstellt Die am Kondensator 25 erfaßten Signale werden in dem Differenzamplitudenbegrenzer 80 verstärkt, der Transistoren 31, 32, 33, Widerstände 38, 39, 34, eine Emitterverstärkerschaltung eines Transistors 27 und einen Widerstand 29 aufweist Eine Gleichstromkompensiition des Differenzamplitudenbegrenzers 80 wird durch Widerstände 15, 16, 11, 12, 24 und die Emitterverstärkerschaltung eines Transistors 28 sowie einen Widerstand 30 eingestellt Ein Kondensator 26 wird als Ableitkondensator für ein Wechselstromsignal verwendet. Eine Klemme 44 ist zwecks Anschluß an eine nicht dargestellte Gleichvorspannungsquelle vorgesehen. Das Ausgangssigna] des Frequenzdemodulator wird an einer Klemme 42 und/oder an einer Klemme 43 erhalten. Da die Polarität der Ausgangssignale an den Klemmen 42 und 43 zueinander entgegengesetzt sind, kann eine gewünschte Polarität des Ausgangssignals durch Auswahl der Klemmen 42 und 43 erzielt werden.

Von den mit Bezug auf Fig.2 beschriebenen elektrischen Schaltelementen können alle, bis auf den piezoelektrischen Keramikresonator 102, die Kondensatoren 6, 8, 10, 25, 26 und die Induktivität 7 leicht zu einem Teilstück von zu einer Baugruppe zusammengefaßten Schaltelementen zusammengebaut werden. Folglich können der Vorverstärker, der erste und der zweite Amplitudendetektor und der pifferenzamplitudenbegrenzer im wesentlichen leicht in Form von zu einer Baueinheit zusammengesetzten Schaltelementen vorgesehen werden. Die Zahl der getrennten elektrischer, Komponenten kann somit beträchtlich verringert werden.

Der aus der Induktivität 7 und dem Kondensator 8 zusammengesetzte Abstimmkreis kann vorzugsweise ein Breitbandabstimmkreis derart sein, daß eine

ίο Unsymmetrie einer Ausgangskurve der Frequenzauflösung ausgeglichen wird, d. h., daß eine Symmetrie der Ausgangskurve der Frequenzauflösung in bezug auf die Trägerfrequenz des Demodulators erzielt wird.

Bei einem Frequenzdemodulator für einen Kanalwäh-

ler eines Fernsehgerätes ist die vorgeschriebene Trägerfrequenz für die Frequenz verschieden. Der Frequenzbereich der Trägerfrequenz liegt aber immer zwischen ungefähr 40 MHz und ungefähr 60 MHz. Die Empfindlichkeitskurve eines Frequenzauflösungsaus gangs bei dem erfindungsgemäßen Demodulator wird durch den piezoelektrischen Keramikresonator 102 beeinflußt. Folglich sind piezoelektrische Keramikresonatoren als Resonator 102 in F i g. 2 erwünscht, die im Frequenzbereich zwischen 40 und 60 MHz betreibbar sind.

In F i g. 3 stellen eine gestrichelte Kurve 202 und eine ausgezogene Kurve 204 den Ausgang des Demodulators eines selbsttätigen Frequenzsteuerkreises nach Fig.2 dar, wenn ein sogenannter energiehaltender Resonator bzw. ein sogenannter energieverlustbehafteter Resonator (ein Resonator mit unerwünschter wahlloser Dämpfung) verwendet wird. Ein Energie haltender oder Energie speichernder Resoantor weist eine piezoelektrische Bleititanat-Keramikplatte mit einem Paar Elektroden auf, die jeweils auf einer geeignet begrenzten Fläche jeder der größeren Oberflächen der Platte vorgesehen sind. Die Länge jeder Elektrode ist gewöhnlich ungefähr 3- bis 6-mal so lang wie die Dicke der Platte, und die Kante der Elektrode ist für gewöhnlich von der Kan<e der größeren Oberfläche der Platte um eine Strecke entfernt angeordnet, die länger als die zweifache Länge der Elektrode ist. Bei Messungen zur Erzielung der Kurve gemäß F i g. 3 wurde die Dicke der Keramikplat te so gewählt, daß eine Schwingung der dritten harmonischen Oberwelle in Dickenausdehnung bei einer vorgewählten Frequenz induziert wird, wenn ein elektrisches Signal an das Paar Elektroden gelegt wird. Es hat sich gezeigt daß der Energie haltende Resonator unerwünschte Resonanzanschläge aufweist, die in der Kurve 202 mit f_s und f_s' gekennzeichnet sind. Diese unerwünschten Resonanzausschläge bewirken einen sogenannten pseudoartigen Mitnahmeeffekt auf ein Eingangssignal bei Frequenzen dieser unerwünschten Resonanzen. Als Ergebnis geht ein Farbsignal eines Farbfernseherempfängers infolge der Frequenzen des pseudoartigen Mitnahmeeffektes verloren. Ein Energie haltender Resonator ist daher für den Frequenzdemodulator nicht geeignet Ein energieverlustbehafteter Resonator weist »ine piezoelektrische Bleititanat-Keramikplatte mit einem Paar Elektroden auf, die im wesentlichen ganzflächig auf den größeren Oberflächen der Platte vorgesehen sind. Die Keramikplatte ist vorzugsweise quadratisch. Die Seitenflächen der Platte sind wunschgemäß rau (d. h., sie weisen rauhe Kanten auf) und das Rauht citsausmaß ist für gewöhnlich größer als ein Viertel der Wellenlänge einer gewünschten Schwingung in Richtung der Dickenausdehnung. Aus

der US-PS 37 17 778 geht eine Ausführungsform eines energieverlustbehafteten Keramikresonators hervor. Bei Messungen zur Erzielung der Kurve nach F i g. 3. wird die Dicke der Platte so gewählt, daß eine Schwingung der dritten harmonischen Oberwelle in Dickenausdehnung bei einer vorgewählten Frequenz induziert wird, wenn ein elektrisches Signal an das Paar Elektroden gelegt wird. Aus der Kurve 204 der F i g. 3 ist ablesbar, daß die unerwünschten Resonanzausschläge /"„ f,', die im Fall der Verwendung eines Energie haltenden Resonators beobachtet sind, bei Verwendung eines energieverlustbehafteten Resonators nicht auftreten. Genau genommen, weist der cnergieverlustbehaflete Resonator manchmal unerwünschte kleine Resonanzausschläge nahe der Resonanzfrequenz und der Anti-Resonanzfrequenz der Schwingung der dritten harmonischen Oberwelle in Dickenausdehnung auf. Es hat sich herausgestellt, daß diese kleinen, unerwünschten Resonanzausschläge durch den Amplitudenbegrenzungseffekt des Differenzamplitudenbegrenzers unterdrückt werden können. Folglich ist die geforderte Größe der Amplitudenbegrenzung durch den Differenzamplitudenbegrenzer derart, daß unerwünschte Ausschläge in zwei Frequenzbereichen, von denen einer die Resonanzfrequenz und der andere die Antiresonanzfrequenz umfaßt, d. h., in der Nähe jeweils der Resonanz und der Antiresonanzfrequenz des Keramikresonators unterdrückt werden. Für gewöhnlich tritt ein unerwünschtes Verhalten in einem kleinen Frequenzbereich jeweils nahe der Resonanzfrequenz und der Antiresonanzfrequenz auf, und es hat sich herausgestellt, daß der erforderliche minimale Betrag der Amplitudenbegrenzung in Zahlen ausgedrückt ungefähr 5 dB in einer Impedanz-Frequenz-Kurve des Keramikresonators beträgt. Gemäß der Erfindung wird es bevorzugt, daß in der Impedanz-Frequenz Kurve des Keramikresonators (dritte harmonische Oberwelle) der Impedanzwert der Resonanzfrequenz, der die geringste Impedanz der Impedanz-Frequenz-Kurve der dritten harmonischen Oberwelle des Keramikresonators darstellt, durch den naitipiiiuucnuc^rcriZCr der

begrenzt 7*"rd

daß die Impedanz, die zumindest 5 dB höher als die Impedanz bei Resonanzfrequenz ist, die minimale Impedanz der tmpedanz-Frequenz-Kurve wird, und daß der Impedanzwert bei der Antiresonanzfrequenz, die die höchste Impedanz der Impedanz-Frequenz-Kurve ist, durch den Differenzamplitudenbegrenzer derart begrenzt wird, daß die Impedanz, die mindestens 5 dB geringer als die Impedanz bei der Antiresonanzfrequenz ist, zur maximalen Impedanz der Impedanz-Frequenz-Kurve der dritten harmonischen Oberwelle des Keramikresonators wird. Auf der anderen Seite wird die obere Grenze der durch den Amplitudenbegrenzer bewirkbaren Amplitudenbegrenzung durch das Minimum des Einzugsfrequenzbereiches bestimmt, den ein Kanalwähler eines Fernsehgerätes notwendigerweise aufweisen muß. Unter diesem Gesichtspunkt hat es sich als praktikabel erwiesen, zu bevorzugen, daß in einer Impedanz-Frequenz-Kurve des Keramikresonators die Differenz zwischen den resultierenden minimalen und maximalen Impedanzen der Impedanz-Frequenz-Kurve mindestens ungefähr 10 dB beträgt Dieser Amplitudenbegrenzungseffekt wird durch die ebenen Abschnitte a und feder Kurve 204 dargestellt.

In F i g. 3 stellt eine Frequenz f_o am Schnittpunkt der Kurve 2G2 (204) und der Grundlinie einer genormten Gleichspannung E₀ eine Bandmittenfrequenz des erfindungsgemäßen Demodulators dar. Die Stabilität der Bandmittenfrequenz f„ ist besonders bei Schwankungen der Umgebungstemperatur für einen Frequenzdemodulator für eine selbsttätige Frequenzsteuerung in einem Kanalwähler eines Fernsehgerätes von Bedeutung, da die Farbempfindlichkeit eines Farbbildes auf dem Bildschirm eines Farbfernseherempfängers durch die Bandmittenfrequenz f_o gesteuert wird. Als angemessenes Kriterium für die Bandmitten- oder Trägerfrequenz f„ wird für gewöhnlich angenommen, daß der Tempera turkoeffizient der Trägerfrequenz f„ nicht kleiner als 20 ppm/" C sein sollte.

In Fig.4 ist eine Kurve 205 dargestellt, die eine Temperaturempfindlichkeitskurve darstellt, d. h.. die Beziehung zwischen Temperaturkoeffizienten der Trägerfrequenz f_o und dem Polfeld, das zum Polen der piezoelektrischen Bleititanat-Keramikplatte in einem Resonator 102 verwendet wird. Es hat sich herausgestellt, daß der TemperaitirVöeirizieni von '„ beträchtlich auf einen sehr kleinen Wert (- 5ppm/°C in Fig.4) herabgedrückt werden kann, wenn die piezoelektrische Bleititanat-Keramikplatte in einem Polfeld mit einer Feldstärke von nicht weniger als 50 kV/cm gepolt wird. Bei den Versuchen zur Erzielung der Kurve 205. betrugen die Poltemperatur 200⁰C und die Polzeit 10 Minuten. Bei anderen Versuchen, bei denen verschiedene Polungstemperaturen und Polungszeiten verwendet wurdev?, hat ein Polfeld mit einer Feldstärke von nicht weniger als 50kV/cm einen deutlichen Effekt der Unterdrückung des Temperaturkoeffizienten von f_o gezeigt. Dies ist ftiner der Gründe, warum eine feine Frequenzeinstellung in der Schaltkreiseinheit des erfindungsgemäßen Frequenzdemodulators nicht erforderlich ist, und warum die Technik der Verwendung von zu einer Baueinheit zusammengesetzten Schaltelemen ten für den erfindungsgemäßen Frequenzdemodulator wirksam verwendet werden kann. Es besteht im wesentlichen keine obere Grenze für die Feldstärke des Polfeldes. Einige Platten können jedoch in Abhängigkeit von der Art der Keramikplatten beim Aussetzen der

Polung mit einem elektrischen Feld zu hoher Feldstärke

zerbrecher!. Da? elektn«··»«· Feld, das die Durchschlae spannung einer Keramikplatte bildet, ist die obere

Grenze für die Keramikplatte. Weiterhin hat sich bei Versuchen, bei denen an Stelle

des Vergleichskondensators 10 ein Temperaturausgleichskondensator verwendet wurde, dessen Temperaturkoeffizient in einem Bereich von 0 bis — 2000 ppm/° C variiert werden kann, herausgestellt, daß der Temperaturkoeffizient der Trägerfrequenz f_o der Frequenz- auflösung nur bis zu 10% bei Veränderung des Temperaturkoeffizienten des Vergleichskondensators im Bereich von 0 bis -200OpPnV⁰C variiert Das ist einer der Gründe, warum eine feine Frequenzeinstellung in der Schaltkreiseinheit bei dem Frequenzdema dulator gemäß der Erfindung nicht erforderlich ist unc warum wirkungsvoll die Technik von zu einei Baueinheit zusammengefaßten Schaltelementen zurr Tragen kommt

Die piezoelektrische Bleititanatkeramik-Platte zui

Verwendung als piezoelektrischer Keramikresonator ir dem erfindungsgemäßen Frequenzdemodulator stell eine keramische Platte dar, bei der Bleititanat der Hauptbestandteil bildet und die nicht bricht wenn sie mit einem Polungsfeld einer Feldstärke von 50 kV/cn gepolt wird. Jede Bleititanat-Keramikplatte, die der oben dargelegten Forderungen genügt kann verwende' werden. Z. B. weist eine Keramikplatte eine Zusammen Setzung auf, bei der PbTiO₃ den Hauptbestandteil unc

La₂/3 Ο, sowie MnO₁ Zusatzkomponenten bilden und bei der 95,0 Mo!-% PbTiO,, 4,0 Mol-% La₂/, O₃,1,0 Mol-% MnO₂ oder 96,5 Mol-% PbTiO₃,2,5 Mol-% La_2/3 O₃,1,0 Mol-% MnO₂ oder andere Zusammensetzungen verwendet werden können.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Demodulator für frequenzmodulierte elektrische Hochfrequenzschwingungen bei dem eingangsseitig ein piezoelektrischer Resonator und ein Kondensator parallelgeschaltet sind und bei dem an den Resonator und an den Kondensator je ein Amplitudendemodulator angeschaltet ist, derart, daß eine Differenzbildung der Demodulationsprodukte entsteht, wodurch das resultierende Demodulationsprodukt gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß als piezoelektrischer Resonator (102) eine Bleititanat-Keramikplatte verwendet ist, die mit einer Feldstärke von mehr als 50 kV/cm in Richtung ihrer Dicke vorbehandelt ist und eine solche Dicke aufweist, daß sie in der Dickenausdehnungsschwingung der dritten Oberwelle der Mittenfrequenz der frequenzmodulierten Schwingung schwingt und daß ein Amplitudenbegrenzer für das resultierende Demodulationsprodukt vorgesehen ist, der die Amplituden in positiver und negativer Richtung begrenzt, derart, daß die Wirkungen der Nebenwellen des Resonators (102) in diesem Bereich ausgeschaltet sind.

2. Demodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung der Keramikplatte als Hauptkomponente PbTiO3 und als Zusatzkomponenten La^ O₃ und MnO₂ aufweist