DE685095C

DE685095C - Frequenzanalysator mit unmittelbarer Anzeige ueber das gesamte zu untersuchende Frequenzspektrum durch eine oszillographische Vorrichtung

Info

Publication number: DE685095C
Application number: DES119402A
Authority: DE
Inventors: Dr Fritz Bath; Dipl-Ing Erich Freystedt
Original assignee: Siemens and Halske AG; Siemens AG
Current assignee: Siemens and Halske AG; Siemens AG
Priority date: 1935-08-14
Filing date: 1935-08-14
Publication date: 1939-12-11
Also published as: GB471632A; US2159790A; FR813410A

Description

Frequenzanalysator mit unmittelbarer Anzeige über das gesamte zu untersuchende Frequenzspektrum durch eine oszillographische Vorrichtung Die Untersuchung von Frequenzgemischen und die Messung der Frequenzabhängigkeit des Übertragungslmaßes sind stets wiederkehrende Aufgaben bei der Entwicklung von Einrichtungen zur elektrischen Sprachübertragung. Es interessiert z. B. die Untersuchung von Sprache und Musik oder die zusammensetzung eines Knalls, Motoren-oder sonstigen Geräusches aus einzelnen Linien- oder Bandfrequenzspektren, weiter aber auch die Frequenzkurve der einzelnen Organe einer elektro-akustischen Apparatur, wie Verstärker, Mikrophon, Lautsprecher usw., für sich genommen und auch die resultierende Frequenzkurve der gesamten Einrichtung im betn.ebsmäßigen Zustande. Es sind Verfahren bekanntgeworden, derartige Frequenzen punktweise aufzunehmen. Man benutzt Idabei für Ein- und Ausgangswechselspannungen integrierende Spannungsmesser, die den Effektivwert messen, und verbindet die einzelnen Meßpunkte durch eine stetige Kurve.
Statt dieses sehr mühevollen und zeitraubenden Verfahrens ist es auch bekanntgeworden, die Frequenzkurve mit einer automat schen Registriervorrichtung aufzunehmen, bei welcher die Meßfrequenz den ganzen zu untersuchenden Tonbereich stetig durchläuft und die Meßwerte durch das Anzeigeinstrument gleich mit aufgeschrieben werden. Auch dieses Verfahren hat jedoch einen prinzipilellen Nachteil. Es ist nämlich nötig, die Geschwindigkeit der Frequenz änderung so klein zu halten, daß das Anzeigeinstrument genügend Zeit hat, um den Schwankungen des Übertragungsmaßes zu folgen. Zeitlich konstante Vorgänge lassen sich auf diese Weise gut analysieren. Anders verhält es sich aber bei Geräuschen von nur verhältnismäßig kurzer Dauer oder schwankender Intensität oder Zusammensetzung. Bei dem bekannten Verfahren wind für die Erzeugung einer Kurve eine Zeit von 1j2 bis etwa 5 Minuten benötigt.
Knall, Sprachgeräusche o. dgl. hiermit zu analysieren ist also praktisch un, möglich.
Hier schafft die Erfindung Abhilfe. Durch sie ist ein Frequenzanalysator geschaffen, der bei unmittelbarer, insbesondere optischer Anzeigte über das gesamte zu analysierende Frequenzspektrum eine so hohe Analysiergeschwindigkeit erzielt, daß das gesamte Frequenzspektrum mindestens einmal in der Se kunde durchlaufen wind. Es lassen sich. doch auch noch bedeutend höhere Anal geschwindigkeiten erzielen.
Die Erfindung ibetrifft einen Frequenz analysator mit unmittelbarer Anzeige über das gesamte zu untersuchende Frequenzspektrum durch eine oszillographische Vorrichtung, insbesondere eine Braunsche Röhre. Die Anwendung von oszillographischen Vorrichtungen, insbesondere von Braunschen Röhren, zur Frequenzanalyse ist bekannt. Die Erfindung macht Gebrauch von der bekannten Maßnahme der Unterteilung des zu untersuchenden Frequenzspektrums in eine Reihe von Teilkanälen durch parallel geschaltete Filter.
Gemäß der Erfindung werden bei einem derartigen Frequenzanalysator in den Filterausgängen Gleichrichter und Speichermittel angeordnet und die Teilkanäle in raschem Wechsel einer Modulationsanordnung zugeführt, wo sie eine feste Trägerfrequenz modulieren. Die so gesteuerte Trägerfrequenz bewirkt die Ablenkung in der Amplitudenrichtung, während die Ablenkung in der Frequenzrichtung synchron mit der Abtastung der Teilkanäle erfolgt. Der Modulatorausgang wird insbesondere gleichgerichtet und damit die Ablenkung in der Frequenzrichtung durch eine Gleichspannung gesteuert.
Fig. I zeigt eine Ausführungsform der Erfindung.
Das zu analysierende Frequenzgemisch wird den Klemmen E zugeführt und über einen Verstärker Vt auf die parallel geschalteten Filter P1, F2 usw. bis Fn gegeben. Diese Filter sind als Bandpässe ausgebildet und zweckmäßig logarithmisch über den zu analysieren, den Frequenzbereich verteilt. Mittels eines mechanischen Schalters 5a werden die Ausgangsspannungen, der Filter nach Gleichrichtung und Passieren eines Kondensators zur SpeicherungC in schneller Folge abgetastet und einem Modulator III zugeführt.
Dieser erhält von dem Generator G die Trägerwelle. Die modulierte Frequenz wird nun durch einen Bandpaß B über einen Verstärker V2 und den Gleichrichter D der Anzeigevorrichtung zugeführt.
Zur optischen Anzeige der Ausgangsspannungen kann man zweckmäßigerweise ein Kathodenstrahlrohr verwenden. Die Ausgangsspannuug hinter dem Gleichrichter D wird dann dem einen Ablenkplattenpaar des Kathodenstrahlrohres Br zugeführt.
Zufolge weiterer Erfindung ist es möglich, eine gleichzeitige Anzeige sämtlicher Filterspannungen in Form eines Amplitudenspektrums zu erzielen. Wurde die Meßspannung dem Vertikalablenkplattenpaar des Kathodenstrahlosziliographen zugeführt, so kann man eine synchrone Zeitablenkung in horizontaler Richtung mittels des anderen Plattenpaares -rzielen. Zu diesem Zweck wird auf das Horizontalplattenpaar A2 eine Gleichspannung aufgedrückt, die in ihrer Größe synchron mit der Umschaltung der Filter F1-Fn verändert wird durch einen mit dem Schalterm, gleichlaufenden SchalterSb, der z. B. mit diesem zwangsgekoppelt ist. Man erhält folglich ein Spektrum der einzelnen Ausgangsspannungen der Filter f1-Fn, wobei die einzelnen den Filterdurchlaßbereichen entsprechenden Frequenzen als vertikale Linlien nebeneinander auf einer Grundlinie erscheinen.
Erfolgt nun die Abtastung sämtlicher Filter so rasch, daß ein bleibender Lichteindruck im Auge entsteht, also z. B. 20mal pro Sekunde, so ergibt sich ein Frequenzspektruin nach Art der Lichtzerlegung durch ein Prisma.
Besondere Aufmerksamkeit ist der Dimensionierung der Filter zu widmen. Um eine möglichst genaue Frequenzanalyse zu erhalten, ist es wünschenswert, möglichst viele Filter, d. h. möglichst viele Einzelbereiche, zu verwenden. Jedoch steigert sich hierdurch der Aufwand sehr beträchtlich, da, abgesehen von der Zahl der Filter, auch ihre Flankensteilheit bedeutend erhöht wenden muß. Für den praktischen Betrieb genügt es in den meisten Fällen, etwa drei Filter pro Oktave anzuordnen, da im allgemeinen nur ein Frequenzbereich von 30 bis 5000 Hz interessiert, wofür man dann etwa 22 Filter erhält. In Spezialfällen kann jedoch auch eine weitgehenxdere Unterteilung von Nutzen sein, wenn z. B. ein ganz enges Frequenzband einer genauesten Untersuchung unterzogen werden soll. Nach oben läßt sich der Frequenzbereich beliebig erweitern. Durch die Parallelschaltung der Filter ist erreicht, daß alle Filter gleichzeitig einschwingen können und damit die schädliche Einschwingzeit für das gesamte Spektrum nur noch gegeben ist durch die Einschwingzeit des schmalsten Filters. Hat dieses z. B. eine Breite von 10 Hz, so beträgt die Einschwingzeit für das gesamte Spektrum etwa 1/10 Sekunde.
Um bei möglichst kleinem Aufwand an Schaltelementen eine hinreichend große Trennschärfe zu erlangen, werden vorteilhaft Filter verwendet, wie sie in Fig. 2 dargestellt sind. Ein solches Filter besteht aus zwei gekoppelten Resonanzkreisen in günstigster Ankopplung. Jeder dieser Kreise enthält eine Induktivität L, eine Kapazität C und einen Ohmschen Widerstand R. Die Ankopplung erfolgt durch einen Abgriff der Induktivität des ersten Kreises. Man erhält so Durchlaßkurven von hinreichender Steilheit. Je zwei benachbarte Filter werden am vorteilhaftesten so angeordnet, daß für einen Ton bestimmter Amplitude die Effektivwertsumme der angezeigten Linien möglichst unabhängig von der relativen Frequenziage des Tones bleibt. Man erreicht dies, wenn die Durchlaßkurven zweier benachbarter Filter sich in etwa 0,7 ihrer Maximalhöhe überschneilden.
Durch, die Anordnung, wie sie in Fifg. I gezeigt ist, erreicht man auf dem Fluoreszenzschirm der Braunschen Röhre einen Amplitudenmaßstab, der den aufgedrückten Spannungen direkt proportional ist. Durch Einführen eines nicht linearen Zwischengliedes kann die Amplitudenskala statt linear auch für einen gewissen Bereich lolgarithmisch gestaltet werden. Dies kann besonders dann wichtig sein, wenn eine Analyse von Frequenzgemischen sehr verschiedener Amplitude vor, genommen werden soll.
An den Filterausgängen sind auch noch Speicherkondensatore, in Fog. I durch C1-Cn angedeutet, vorgesehen. Diese laden sich auf den jeweiligen Spitzenwert der Ausgangswechsel spannung auf. Zufolge weiterer Erfindung können dieselben durch Umschaltung so vergrößert werden, daß ihre Entladung wesentlich verlangsamt wird. Hierdurch gelingt es, ein nur kurze Zeit vorhandenes Spektrum längere Zeit für die Beobachtung festzuhalten. Auch bei schnell veränderlichen Frequenzspektren sind solche vergrößerte Speicherkondensatoren unter Umständen von besonderem Wert, da mit ihnen eine zeitliche Mittelwertsbildung ermöglicht wird.
Da die erfindungsgemäße Einrichtung einen bleiibenden Lichteindruck entstehen läßt, ist es auch möglich, die Vorgänge mit Hilfe einer photographischen Einrichtung festzuhalten.
Dies empfiehlt sich besonders bei schnell veränderlichen Vorgängen. Da es ohne weiteres möglich ist, die Einschwingzeit für das gesainte Spektrum auf lilo Sek. oder weniger zu bringen, können zur vollen Ausnutzung der Leistungsfähigkeit des Frequenzanalysators z. B. pro Sekunde zehn Aufnahmen gemacht werden. Besonders zweckmäßig ist der Zusammenbau des Frequenzanalysators mit einer Filmkamera, z. B. einer Schmalfilmkamera, die eine automatische Registrierung der zu untersuchenden Vorgänge gestattet.
Mittels des erfindungsgemäß gebauten Frequenzanialysators ist auch noch eine für die Praxis besonders wertvolle, außerordentlich rasche Untersuchung von Leitungen oder anderen Übertragungsvierpolen, wie Transformatoren, möglich. Diesen zu untersuchenden C,bjekten wird ein kontinuierliches Frequenzband oder ein Linienspektrum bekannter Zusammensetzung und Amplitudenverteilung auf, gedrückt und das Meßobjekt ausgangsseitig an den Analysator angeschlossen. In dem Untersuchungsohjekt aufgetretene fre-- quenzabhängige Dämpfungen, Nichtlinearitäten usw. lassen sich dann unmittelbar erkennen und können so leichter beseitigt werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Frequenzanalysator mit unmittelbarer Anzeige über das gesamte zu untersuchende Frequenzspektrum durch eine oszillographische Vorrichtung, insbesondere eine Braunsche Röhre, dadurch gekennzeichnet, daß, bei an sich bekannter Unterteilung des Frequenzspektrums in eine Reihe von Teilkanälen dadurch parallel geschaltete Filter, in den Filterausgängen Gleichrichter und Speicherm, ittel angeordnet sind und daß die Teilkanäle in raschem Wechsel eine feste Trägerfrequenz modulieren, die so die Ablenkung in der Amplitudenrichtung steuert, während die Ablenkung in der Frequenzrichtung synchron mit der Abtastung der Teilkanäle erfolgt.
2. Frequenzanalysator nach Anspruch I, gekennzeichnet durch eine Gleichrichteranordnung, Idie die modulierte Trägerfrequenz den Ablenkmitteln für die Amplitudenrichtung zuführt.
3. Frequenzanalysator nach Anspruch I und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherkondensatoren an den Filterausgängen so umschaltbar sind, daß ihre Entladung wesentlich verzögert wird.
4. Frequenzanalysator nach Anspruch I und folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastung der Ausgangsspannungen der Kanäle durch einen rotierenden Schalter erfolgt.
5. Frequenzanalysator nach Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Abszissenablenkung des Oszillographen mittels eines rotierenden Schalters erfolgt, der mit dem Schalter für die Abtastung der Kanäle zwangsgekoppelt ist.
6. Frequenzanalysator nach Anspruch I und folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe (der Analysiergeschwinídilgkeit durch die Einschwingzeit des schmalsten Filters bestimmt ist.
7. Frequenzanalysator nach Anspruch I und folgenden, gekennzeichnet durch eine solche Unterteilung, des Frequenzbandes, daß drei Filter auf jede Oktave kommen.
S. Frequenzanalysator nach Anspruch I und folgenden, gekennzeichnet durch eine Unterteilung in logarithmischem Maßstabe.
9. Frequenzanalysator nach Anspruch I und folgeniden, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlaßkurven zweier benachbarter Filter sich so überschneiden, daß für einen Ton bestimmter Amplitude die Effektivwertsumme der angezeigten Linien möglichst unabhängig von der relativen Frequenziage des Tones bleibt.
IO. Frequenzanalysator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurven der Durchlaßbereiche zweier benachbarter Filter sich in etwa 0,7 ihrer Maximalhöhe überschneiden.
11. Frequenzanalysator nach Anspruch 1 und folgenden, gekennzeichnet durch Verwendung eines nicht linearen, die Amplituden für einen gewissen Bereich nicht linear und insbesondere logarithmisch gestaltenden Zwischengliedes.
12. Frequenzanalysator nach Anspruch I und folgenden mit einer photographischen Registriereinrichtung, insbesonderte einer Filmkamera, zum Festhalten schnell veränderlicher oder nicht reproduzierbarer Vorgänge.
13. Die Verwendung des Frequenzanalysators nach Anspruch I und folgenden zur Untersuchung von Nichtlinearitäten, frequenzabhängigen Dämpfungen o. dgl. beliebiger Vierpole unter Benutzung eines ein kontinuierliches Frequenzband oder ein Linienspektrum erzeugenden Generators.