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Verfahren und Vorrichtung zum
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Messen der Frequenzabhängigkeit Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Messen des Frequenzganges (frequency response) von Geräten, beispielsweise in
Tonbandgeräten, und zwar durch Messen der übertragenen Signale unter Einspeisen
eines bekannten Signals; ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen
des Verfahrens.
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Bei verschiedenen Geräten ist es häufig notwendig, den Frequenzgang
zu messen und gegebenenfalls einzustellen, d.h. die Abhängigkeit der Verstärkung
oder Abschwächung von der Frequenz des verstärkten, abgeschwächten oder übertragenen
Signals.
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Beispiele für derartige Geräte sind Tonbandgeräte, Verstärker, Dämpfungsglieder,
elektrische Leiter usw.
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Der Frequenzgang in Bandgeräten wird heutzutage derart justiert, daß
ein Referenzband mit autezeichneten Standardsignalen abgespielt wird, wobei das
übertragene Signal gemessen und registriert und sodann eine Aufzeichnung angefertigt
wird. Der erste Ton im Signal umfaßt den Standard für den Wiedergabelevel. Er hat
beispielsweise eine Frequenz von 1000 Hz und eine Dauer von 30 Sekunden. Auf dieses
Standardisierungssignal folgt eine Serie von Signalen mit Frequenzen von etwa 30
Hz bis 20 kHz, üblicherweise mit einer Dauer von jeweils 10 Sekunden. Der Level
des übertragenen Signales wird für jede Frequenz aufgezeichnet; sind alle Frequenzen
gleich, so ist der optimale Zustand erreicht, wobei man davon spricht, daß der Frequenzgang
gerade ist. Da dies üblicherweise nicht der Fall ist, müssen die Verstärkungen der
verschiedenen Frequenzen justiert werden, wobei das Band normalerweise eine Reihe
von Malen ablaufen muß, was recht zeitaufwendig sein kann.
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Eine vergleichbare Frequenzanalyse wird zum Zwecke des Abspielens
des Recorders vorgenommen, wobei die verschiedenen Frequenzen von einem externen
Frequenzgenerator eingespeist werden. Nach dem Wiedergeben werden die wiedergegebenen
Töne auf dem Band auf dieselbe Weise geprüft wie mit dem oben angegebenen Bezugsband.
Wenn das mit Aufzeichnungen versehene Band dasselbe übertragene Signal wie das Bezugsband
für die Jeweiligen Frequenzen abgibt, so ist die Wiedergabekurve geradlinig.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Messen
und Justieren von Frequenzçgängen zu schaffen, die wesentlich schneller arbeitet
und einfacher ist als vorbekannte Vorrichtungen, die außerdem wesentlich billiger
herstellbar ist, und die schließlich die Messungen und Einstellungen billiger durchzuführen
erlaubt.
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Die Erfindung wird durch die in den Ansprüchen wiedergegebenen Merkmale
gelöst. Dabei geht man davon aus, den Frequenz gang eines zu prüfenden Gegenstandes
oder Gerätes, wie z. B. eines Tonbandgerätes oder Recorders zu messen und anzuzeigen;
dabei wird die Frequenz direkt angezeigt, wie beispielsweise auf einem Oszilloskop,
einem x-y-Recorder, oder mit Hilfe der Datenverarbeitung in Tabellenform, in Form
von Histogrammen oder grafischen Darstellungen.
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Gemäß der Erfindung besteht das Testsignal, das das Eingangssignal
des Testobjektes darstellt, aus einem Sinusimpulszug verschiadener Teilsignale mit
ähnlicher Amplitude und mit vorbestimmten Frequenzen; die Teilsignale werden hierbei
kontinuierlich am Ausgang des Testobjektes erfaßt, und zwar mittels eines völlig
unabhängigen Detektors, der nach dem Vervollständigen eines jeden Teilsignales (partial
signal) ein Anfangssignal oder einen Spannungslevel aussendet, der die Frequenz
des übertragenen Signales wie auch ein zweites Signal oder Spannungslevel darstellt,
die Amplitude des übertragenen Signales wiedergeben; das erste bzw. das zweite Signal
werden der genannten Wiedergabevorrichtung eingegeben. Das ausgehende Testsignal
möge ein Sinusimpulszug sein. Es besteht beispielsweise aus Teilsignalen mit aufeinanderfolgenden
ansteigenden Frequenzen, beispielsweise 100 Hz, 200 Hz, 400 Hz, usw., wobei beispielsweise
die Amplitude ein mV beträgt. Am Ausgang des Testobjektes wird die Frequenz und
die Amplitude der aenannten Signale erfaßt; sodann wird die gegebene Information
einer Anzeigevorrichtung eingespeist, beispielsweise einem x-y-abgelenkten Oszilloskop.
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Sodann erhält man auf dem Schirm des Oszilloskopes eine poligonale
Welle, die die Frequenz des Testobjektes wiedergibt.
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Bei aufeinanderfolgender Wiederholung des Testsignales ohne nennenswerte
Intervalle verhält man eine wiederkehrende Aufzeichnung der Frequenzkurve auf dem
Schirm des Oszilloskops.
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Weiterhin kann gemäß der Erfindung das Testsignal entweder mit Hilfe
eines elektronischen Testsignalemitters erzeugt werden oder durch Abspielen eines
Bandes, auf welches frühere Teatsignale aufgezeichnet wurden; dies ist besonders
geeignet zum Testen der Frequenz eines Bandwiedergabegerätes.
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Gemäß der Erfindung wird das Signal am Ausgang des Testobjektes gemessen,
und zwar bezüglich seiner Frequenz als auch bezüglich seiner Amplitude; man macht
dies kontinuierlich während einer halben oder einer vollen Schwingungsperiode; dabei
ist es praktisch völlig unerheblich, wie dieses Testsignal zusammengesetzt ist.
Dieses kann aus kontinuierlich ansteigenden oder abfallenden Frequenzen bestehen
oder sogar eine willkürlich schwankende Frequenz aufweisen, solange nur die Amplitude
konstant ist und die Frequenzfluktuationen keine Sprungstelle in der abgeleiteten
Funktion haben.
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Besteht das Testsignal beispielsweise aus einem völlig kontinuierlichen
Impulszug (pulse train) von abwechselnd ansteigenden und abfallenden Frequenzen,
so springt die Frequenzkurve die ganze Zeit zwischen dem höchsten und dem niedrigsten
Frequenzwert hin und her.
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Im Gegensatz zu vorbekannten Lösungen braucht die Zeitspanne der verschiedenen
Partialfrequenzsignale bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht groß
zu sein. Die Zeitspanne, die ein Teilsignal gemäß der Erfindung laufen muß, beträgt
lediglich eine halbe Periode. Bei einer Frequenz von 200 Hz genUgt es, daß das Teilsignal
oder Partialsignal eine Zeitdauer von 2,5 Millisekunden hat. Auf diese Weise dauert
das überstreichen der Frequenz im gesamten hörbaren Bereich lediglich etwa 1/10
Sekunde. Nichts hindert einen jedoch daran, die Dauer der Partialsignale willkürlich
lange zu wählen.
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Bei einer Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens gemäß der Erfindung
wird das Testsignal an den Eingang des Testobjektes
angeschlossen,
während der Ausgang des Testobjektes an eine Detektoreinheit angeschlossen ist,
die aus einem Frequenzdetektor und einem Amplitudendetektor besteht, und die ihrerseits
wiederum an eine Wiedergabe- oder Anzeigevorrichtung (display) angeschlossen ist.
Der Frequenzdetektor und der Amplitudendetektor messen jede Sekunde, alternativ
jede halbe Sekunde, die Frequenz und die Amplitude des Signales.
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Der Frequenzdetektor besteht vorzugsweise aus einem Nullcrossingdetektor
(zero crossing detector), der an einen Rampgenerator sowie an einen Sample-Hold-Kreis
angeschlossen ist, dem der Ausgang des Rampgenerators eingegeben wird. Der Ausgang
des Sample-Hold-Kreises kann beispielsweise an einen logarithmischen Verstärker
angeschlossen sein, dessen Ausgang seinerseits an den Frequenzeingang der Anzeigevorrichtung
(display) angeschlossen ist, beispielsweise an den x-Eingang eines x/y-Schreibers.
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Gemäß der Erfindung kann es zweckmäßig sein, daß der Amplitudendetektor,
der an den Eingang des Testobjektes angeschlossen ist, aus einem Vollwellengleichrichter
besteht (full wave rectifier), wobei der Ausgang an einen sogenannten Peak-Hold-Kreis
angeschlossen ist, der seinerseits an den Eingang eines zweiten logarithmischen
Verstärkers angeschlossen ist. Dieser zweite logarithmische Verstärker ist mit seinem
Ausgang an den Amplitudeneingang der Anzeigevorrichtung angeschlossen, ferner an
einen Null-crossingdetektor zum zwecke des Herstellens eines Peak-Hold-Kreises.
Der Nulldurchgangsdetektor kann entweder aus einem solchen Detektor bestehen, der
Teil des Frequenzdetektors ist, oder er kann eine getrennte Einheit sein.
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Sofern die Amplitude des übertragenen Signals des Testobjektes mit
der Frequenz stark schwankt, so ist es zweckmäßig, den Nullcrossingdetektor im Frequenzdetektor
an den Ausgang des Testobjektes über einen Konstantlevelregler zu schalten. Dies
vermindert die Gefahr von Fehlanzeigen bei entsprechenden Frequenzberechnungsfehlern.
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Gemäß der Erfindung ist es zweckmäßig, das Testsignal durch Anordnen
eines Testsignalgebers zu erzeugen. Ein solcher Testsignalgeber kann entweder direkt
an den Eingang des Testobjektes elektrisch angeschlossen werden oder, falls das
Testobjekt ein Tonbandgerät ist, von einem bespielten Band ausgehen.
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Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt
Fig. 1 eine typische Ausführungsform der Erfindung in Gestalt eines Blockschaltbildes.
Fig. 2 veranschaulicht das Prinzip, gemäß welchem ein Testsignal gemäß der Erfindung
aufgebaut sein kann. Fig. 3 zeigt eine haltung zum Durchführen des Verfahrens gemäß
der Erfindung.
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Fig. 1 zeigt die Erfindung in Gestalt eines Blockschaltbildes.
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Der Eingang eines Testobjektes, beispielsweise eines Transmitters,
eines Bandspielgerätes, eines Audioverstärkers oder dergleichen, mit 1 bezeichnet,
ist an einen Testsignalgeber 6 angeschlossen, während der Ausgang an eine Detektoreinheit
5 angeschlossen ist, die ihrerseits an ein Wiedergabegerät 2 angeschlossen ist.
Die Detektoreinheit 5 besteht im Prinzip aus zwei Einheiten, nämlich einem Frequenzdetektor
4 und einem Amplitudendetektor 5. Diese beiden Einheiten erfassen augenblicklich
die Frequenz und die Amplitude eines Signales U am Ausgang des Testobjektes 1, und
geben dessen Meßwerte an das Wiedergabegerät 2; dieses zeichnet beispielsweise eine
Frequenzkurve auf oder gibt den Frequenzgang in Gestalt von Tabellen oder Diagrammen
wieder. Die Bedingungen dafür, daß die Frequenz und die Amplitude genau gemessen
werden, bestehen darin, daß das dem Testobjekt eingespeiste Signal eine konstante
Amplitude hat, die von der Frequenz unabhängig ist. Ob dies der Fall ist, läßt sich
leicht dadurch überprüfen, daß der Ausgang des Testsignaltransmitters 6 mit Signal
S direkt an den Eingang der Detektoreinheit 5 angeschlossen wird und daß man die
Wiedergabevorrichtung (display) 2 abliest.
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Es ist keine elektrische Verbindung oder sonstige Kommunikation zwischen
dem Testsignaltransmitter und der Detektoreinheit mit der Anzeigevorrichtung 2 erforderlich.
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Deshalb läßt sich eine Frequenzcharakteristik sehr schnell erstellen,
obgleich die Anzahl der Testfrequenzen sehr hoch ist. Auch braucht die Detektorseite
keinerlei Informationen darüber, wie die eintretenden Frequenzen angeordnet sind,
solange sie dieselbe Amplitude haben.
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Fig. 2 zeigt im Prinzip, wie ein typisches Testsignal zusammengesetzt
sein kann. Im Falle des gegebenen Ausführungsbeispieles wurde eine vollständige
Periode jeder der dargestellten Partialsignale D1, D2, D3 und D4 gewählt. Im Prinzip
bedarf es jedoch nur einer halben Periode eines jeden Partialsignales. Natürlich
gibt es kein Maximallimit der Länge der verschiedenen Partialsignale. In Fig. 2
fluktuiert die Frequenz des Signales zwischen einem Maximum F und einem Minimum
f in kontinuierlich ansteigenden bzw. abfallenden Sequenzen; dies muß jedoch nicht
notwendigerweise so sein. Häufig ist es jedoch praktisch, die Frequenz auf diese
Art verlaufen zu lassen.
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Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild zur Veranschaulichtung einer Vorrichtung
zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Hier ist im einzelnen dargestellt, auf welche Weise die Detektoreinheit
3, die aus dem Amplitudendetektor 5 und dem Frequenzdetektor 4 besteht, aufgebaut
sein kann, während die Anzeigevorrichtung 2 und das Testobjekt 1 nur angedeutet
sind.
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Der Testsignaltransmitter 6 erscheint hier überhaupt nicht.
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Die in Fig. 3 wiedergegebene Vorrichtung stellt eine bevorzugte Ausführungsform
eines Frequenzdetektors dar, wobei der Signaleingang an den Ausgang des Testobjektes
1 angeschlossen ist. Der Signaleingang besteht hierbei aus dem Eingang eines Null-crossing-detektors
7, dem möglicherweise ein Konstantlevelregler 12 vorausgeht. Der Ausgang des Null#crossing#detektors
7 ist zum Teil angeschlossen an einen Trigger-Eingang bei einem
Rampengenerator
8, zum Teil an den Trigger-Eingang bei einem sogenannten Sample-Hold-Kreis 9. Der
Ausgang des Rampenfunktions-Generators 8 ist einerseits an den Signaleingang des
Sample-Hold-Kreises 9 angeschlossen. Die Schaltung arbeitet sodann wie folgt: Erreicht
das Signal aus dem Testobjekt den Wert Null, so gibt der Null-crossingdetektor 7
einen Trigger-Impuls ab, der den Rampenfunktionsgenerator 8 auf Null stellt und
gleichzeitig eine neue Rampe startet. Es wird der Wert der Rampe zu jedem Zeitpunkt
gelesen, wenn der Trigger-Impuls durch den Null-crossingdetektor 7 gegeben wird,
und zwar durch Verwenden des Sample-Hold-Kreises 9, der gleichzeitig ein Trigger-Signal
erhielt, das den Prozess in Gang bringt.
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Der von dem Sample-Hold-Kreis erfaßte Wert bleibt so lange erhalten,
bis ein neuer Trigger-Impuls aus dem Null-crossingdetektor den Befehl gibt, eine
neue Ablesung des augenblicklichen Spannungswertes des Rampenfunktionsgenerators
vorzunehmen. Während jener Zeitspanne, die zwischen den beiden Trigger-Impulssignalen
verstreicht, die durch den Null-crossingdetektor gegeben werden, hat die Spannung
der Rampe genügend Zeit, einen Wert zu erreichen, der der Periode des Signales aus
dem Testobjekt 1 direkt proportional ist, d.h. umgekehrt proportional zur Frequenz
im Intervall zwischen den Null-crossing.
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Das übertragene Signal aus dem Sample-Hold-Kreis 9 wird dann einem
logarithmischen Verstärker 10 eingespeist, der seinerseits an den Frequenzeingang
der Anzeigevorrichtung 2 angeschlossen ist.
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Der in Fig. 3 dargestellte Amplitudendetektor 5 besteht vorzugsweise
aus einem Vollwellen-Gleichrichter 14 (full wave rectifier), an den das Signal aus
dem Ausgang des Testobjekts 1 angeschlossen ist. Der Ausgang des Vollwellen-Rectifiers
ist an einen Peak-Hold-Kreis 15 angeschlossen, der beim Ausgang ein Signal abgibt,
das gleich der höchsten Spannung ist, die in jeglichem
Augenblick
seit dem vorausgegangenen Nulleinstellen ist. Das Nulleinstellen des Peak-Hold-Kreises
15 wird mit Hilfe des Signales aus dem Null-crossing-detektor erreicht, vorzugsweise
mit jenem im Frequenzdetektor innerhalb des Nullcrossing- detektors 7. Das Signal
aus dem Peak-#Hold-Kreis 15 wird sodann einem weiteren logarithmischen Verstärker
16 eingespeist, dessen Ausgang seinerseits an den Amplituden-Eingang der Anzeigevorrichtung
2 angeschlossen ist.
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Falls die Anzeigevorrichtung 2 aus einem Oszilloskop besteht, kann
ein geeigneter x-Deflektor an den Ausgang des Frequenz-Deflektors angeschlossen
sein; der y-Deflektor kann an den Ausgang des Amplituden-Detektors angeschlossen
sein. Durch Überstreichen der Frequenz des Testsignales auf und ab zwischen einem
Minimum f und einem Maximum F, beispielsweise zehn Mal pro Sekunde während des Justierens
der Frequenz des Testobjektes, erkennt man sofort, in welcher Weise die Frequenzgangkurve
durch die Justierung verändert wird. Der Detektorkreis 5 kann außer an ein Oszilloskop
auch an einen Schreiber, Drucker oder an eine ähnliche Einheit angeschlossen werden,
die bei abgeschlossener Justierung ein Frequenzdiagramm, Tabellen oder dergleichen
wiedergibt. Es ist sogar möglich, ein herkömmliches Fernsehgerät als Wiedergabevorrichtung
zu benutzen. Dies kann insbesondere dann interessant sein, wenn die Frequenz des
Tonbereiches des Empfängers einzustellen oder zu überprüfen ist.
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Die Erfindung ist nicht beschränkt auf eine bestimmte Frequenzstufe
oder auf eine bestimmte Reihenfolge zwischen den Teilfrequenzen des Testsignales.
Deshalb ist es beispielsweise möglich, die Frequenz in bestimmten Frequenzbereichen
bei größerer Frequenzauflösung zu messen, als in anderen, weniger interessierenden
Bereichen.