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Frequenzanalysator Es sind Verfahren der Frequenzanalyse von Schwingungen
verschiedener Frequenzen bekannt, die entweder mit ein- oder mehrfachen Resonanzkreisen,
die auf die gesuchten Frequenzen abgestimmt werden, oder nach dem Suchtonverfahren
in Verbindung mit einem fest eingestellten Tief- oder Hochpaß für die Differenz-
oder Summenfrequenz der zum Suchen dienenden und der gesuchten Frequenz arbeiten.
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Bei der Analyse von Gemischen von diskreten Teilfrequenzen mit sehr
verschiedenen und insbesondere telegraphiegetasteten oder schwankenden Amplituden
oder bei der genauen Bestimmung der Frequenz eines Senders ist der einkreisige Wellenmesser
unvollkommen wegen unzureichender Trennschärfe auch bei sehr geringer Dämpfung (breite
Ausläufer der Resonanzkurve). Wird die Dämpfung dagegen so klein gemacht, wie es
für die Trennschärfe an sich notwendig ist, so ergeben sich Einschwingzeiten des
Resonanzkreises, die groß sind im Verhältnis zur Zeitdauer eines Telegraphierzeichens,
so daß die geringe Dämpfung nicht ausgenutzt werden kann. Das Entsprechende gilt
auch für die Zweikreisabstimmung. Hier ist zwar das Verhältnis von Halbwertbreite
der Resonanzkurve und z. B. Zehntelwertbreite größer, so daß eine von der Resonanzfrequenz
stark abweichende Frequenz bei gleicher Einschwingzeit weniger stört als beim Einkreiser.
Der erforderliche Aufwand ist jedoch mehr als das Doppelte des Aufwandes für den
Einkreiser, da die beiden Schwingkreise aufeinander abgestimmt werden müssen, Beim
Suchtonverfahren ist die Abstimmschärfe, absolut genommen, konstant, entsprechend
der Bandbreite des Tiefpasses bzw.
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Hochpasses. Relativ zur gesuchten Frequenz
ist daher
die Abstimmschärfe verschieden, und zwar um so größer, je höher die gesuchte Frequenz
liegt. Bei hinreichender Trennschärfe für die niedrigen Frequenzen wird daher die
Abstimmschärfe für die hohen Frequenzen zu groß, so daß das Auffindne einer hohen
Frequenz Schwierigkeiten macht. Andererseits wird mit Rücksicht auf die tiefen Frequenzen
eine außerordentlich geringe Bandbreite erforderlich, deren Herstellung schwierig
ist.
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Es ist ferner bekannt, zwei Schwingungen verschiedener Frequenz dadurch
aufeinander abzugleichen, daß man sie den Ablenkelementen einer Braunschen Röhre
zuführt. Stehen die Frequenzen der Schwingungen in einem ganzzahligen Verhältnis
zueinander, so zeichnet der Strahl der Braunschen Röhre eine Lissajousche Figur
auf, die in dem Fall, daß beide Schwingungen genau gleiche Frequenz haben, einen
Kreis, einen Strich oder eine Ellipse bildet. Da dieses Frequenzabgleichverfahren
außerordentlich genau ist, könnte man es zur Abstimmanzeige in den beschriebenen
Frequenzanalysatoren benutzen. Beispielsweise wäre beim Suchtonanalysator die zu
untersuchende Schwingung an das eine, die Schwingung mit der Suchfrequenz an das
andere Ablenkelement zu legen, und es wäre die Suchfrequenz so abzustimment, daß
Lissajoushce Figuren erkennbar sind. Dieses Verfahren ist aber für höhere Frequenzen
viel zu selektiv, da bei einer Differenz von etwa 25 Hz zwischen Suchfrequenz und
Empfangsfrequenz bereits der Eindruck einer leuchtenden Fläche entsteht an Stelle
von Lissajouschein Figuren, die sich in ihrer Form mit dieser Differenz ändern;
man würde also, wenn man mit der Suchfrequenz die gesuchte passiert, die Lissajousche
Figur überhaupt nicht wahrnehmen, da der Eindruck dieser Figur sofort von einer
leuchtenden Fläche überdeckt würde. Bei Sendern, die eine Schwingung z. B. von etwa
100 000Hz aussenden. würde der Abstimmbereich höcchstens 1/4 3 eines Suchbereiches
von 100 000Hz betragen: und selbst bei höheren akustischen Schwingungen von z. B.
8oo Hz entstehen hier schon Schwierigkeiten der Einstellung.
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Die Nachteile des Suchton- und des Resonanzkreisverfahrens werden
nun durch eine Kombination beider Verfahren mit Hilfe eines Frequenzanalysators
beseitigt, der sich im Gegensatz zu den bekannten Anordnungen zur Untersuchung von
elektrishcen, gegebenenfalls durch Umwandlung aus andersartigen. etwa akustischen
Schwingungen entstandenen Schwingungen diskreter Frequenz eines insbesondere hohe
Frequenzen umfassenden Bereichs eignet und bei dem nach der Xtergleichsmetílode
die Schwingungen zwei den Elektronenstrahl in verschiedenen, vorzugsweise zueinauder
senkrechten Richtungen ablenkeden Ablenkelementen, insbesondere Plattenpaaren, einer
Braunschen Röhre zugeführt werden Xach der Erfindung enthält ein Frequenzanalysator
einen auf die zu unter suchende Scnwingung einstellbaren Resonanzkreis und einen
veränderlichen Oszillatorkreis, die ihre Schwingungen je einem Ablenkelement der
Braunschen Röhre mitteilen; hierbei sind die beiden Kreise derart miteinander gekoppelt,
daß bei jeder Einsteilung des Resonanzkreises der oszillatrokreis genau oder nahezu
mit einem ganzzahligen Vielfachen der Eigenfrequenz des Resonanzkreises schwingt.
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In Abb. 1 ist ein Analysator gemäß der Erfindung in zum Teil schematischer
Form beispielsweise dargestellt.
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Der in der Abb. I beschriebene Analysator dient zur UTntersuchung
von Gemischen von unterwasserschallwellen, dern Wellenlänge in höherem Gebiet liegen
oder Überschallwellen entsprechen kann. Gerade auch für diesen Zweck ist der Analysator
besonders geeignet. Mit 1 ist das Mikrophon des Empfängers bezeichnet, daß die akustischen
Schwingungen in elektrische umwandelt, die in einem dreistufigen, linearen Breitbandverstärker
2 verstärkt werden. Die verstärkten Mikrophonspannungen werden dem aus einem Drehluftkondensator
3 und einer der Massekern- oder Isopermkernspulen 4 bestehender Resonanzkreis zugeführt.
Die verschieden bemessenen Spulen 4 können mit dem Bereichumschalter 5 wahlweise
eingeschaltet werden.
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Gleichzeitig werden dabei mit dem beispielsweise auf gleicher Welle
sitzenden Schalter 6 die Spulen 7 umgeschaltet, die mit dem Drehkondensator 8 den
durch die Schwingröhre 9 selbsteregten Oszillatorkres bilend. Die Kondensatoren
3 und 8 sitzen ebenfalls auf gleicher Welle oder erhalten auf andere Weise-Zwangsgleichlauf,
derart, daß durch die beschriebene Kopplung zwischen Resonanz-und Oszillatorkreis
der letztere genau mit der Eigenfrequenz des Resonanzkreises schwingt. Die Ankopplung
der Nusgangsspannung kann auch zweckmäßigerweise an einem Teilabgriff der Spulen
4 vorgenommen werden, der mit Schalter 5 und 6 gleichzeitig mit umgeschaltet wird.
lm Ausgang des Re sonanzkreises liegt vorzugsweise eien weitere Verstärkerstufe
10. Die verstärkte Resonaznkreisspanniung wird dem Ordinatenablenkplattenpaar 12
der Braunschen Röhre 1 1 zu -gefüllt und die zwischen Schirmgitter und Anode der
Penthode 9 verstärkte Oszillatorspannung an das Abszissenablenkplattenpaar 13 gelegt.
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Falls die Kopplung zwischen Resonanz- und
Oszillatorlireis
so beschaffen ist, daß beide Kreise bei jeder Einstellung nicht stets genau dieselbe
Frequenz haben, sondern geringe Abweichungen in ihrer Frequenz zeigen, so ist es
zweckmäßig, den Oszillatorkreis mit Abstimmitteln zu versehen, die seine Frequenz
unabhängig von der Kopplung mit dem Resonanzkreis auf die Eigenfrequenz des letzteren
abzugleichen gestatten.
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Die Abstimmung des Resonanzkreises auf einen beliebigen Sender prägt
sich auf dem Leuchtschirm der Braunschen Röhre gleichzeitig in doppelter Weise aus:
einmal im Anwachsen der Länge eines sich in die Ablenkrichtung des Plattenpaares
12 erstreckenden leuchtenden Bandes, dessen Breite von der Amplitude der Oszillatorfrequenz
bestimmt wird nach Maßgabe der Resonanzkurve des einkreisigen Welienmessers, und
zweitens bei großer Annäherung der Oszillatorfrequenz an die Senderfrequenz in einem
Übergang des Schirmbildes von der Form eines leuchtenden Bandes in die Form einer
Lissajouschen Figur, die je nach der noch vorhandenen restlichen Frequenzabweichung
zwischen Sender und Oszillator mehr oder weniger schnell ihre verschiedenen Phasenzustände
durchläuft. Man kann dann leicht völligen Synchronismus, also stehende Lissajousche
Figuren, einstellen und hat damit die maximal denkbare Abstimmschärfe.
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Wenn durch den auf dem Schirm der Braunschen Röhre erkennbaren optischen
Prequenzabgleich ein schwacher Sender festgestellt werden soll, der durch den Empfang
eines stärkeren Senders von mehr oder weniger abweichender Frequenz derart überdeckt
wird, daß die Amplitude selbst hinter dem Resonanzkreis noch gleich oder größer
ist als die des gesuchten schwachen Senders bei Resonaniabstimmung, so ergeben sich
die im folgenden beschriebenen Leuchtschirmbilder bei der Abstimmung. Abb. 2 zeigt
zunächst die Verhältnisse, wenn allein der gesuchte Sender empfangen wird. 14 gibt
ein Leuchtschirmbild wieder, wie es bei Empfang eines Dauerstriches eines einzelnen
Senders erhalten wird, wenn der Resonanzkreis merklich gegen die Senderfrequenz
verstimmt ist.
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I5 und 16 zeigen das entsprechende Bild bei Annäherung der Resonanzfrequenz
an die Senderfrequenz. Es zeigen sich dann leuchtende Rechtecke bzw. Bänder mit
Höhen, die in dem Maße wachsen, wie sich Resonanz-und Senderfrequenz einander nähern.
Bei weiterer Annäherung an die Abstimmungerkennt man einzelne der unter I7 bis 2I
dargestellten Lissajouschen Figuren, die rasch ineinander übergehen. Die weitere
Einstellung erfolgt dann nicht mehr nach der Amplitude, sondern so, daß die Wechsel
frequenz der Lissajouschen Figuren ein Minimum wird. In Abb. 3 sind unter 22 bis
29 die Leuchtschirmbilder bei den gleichen Frequenzen von gesuchtem Sender und Resonanzkreis
bzw. Oszillator dargestellt, und zwar gegenüber Abb. 2 mit dem Unterschied, daß
der gesuchte Sender schwächer ist als ein weiterer Sender von anderer Frequenz unl
solcher Stärke, der hinter dem Resonanzkreis noch die doppelte Amplitude wie der
gesuchte erstgenannte Sender hervorruft. Die Einstellung auf Resonanz durch Amplitudenbeobachtung
ist, wie man aus Bild 22 bis 24 erkennt, weitgehend gestört, dagegen ist der Phasenabgleich
25 bis 29 in voller Empfindlichkeit vorhanden, und zwar in der Form daß die betreffende
Lissajousche Figur als obere und untere Begrenzungskurve einer durch den störenden
Sender hervorgerufenen leuchtenden Fläche in Erscheinung tritt.
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Entsprechende Leuchtschirmbilder nur mit den,-bekannten Lissajouschen
Figuren höherer Ordnung erhält man, wenn die Oszillatorfrequenz nicht gleich der
Resonanzfrequenz selbst, sondern gleich einem ganzzahligen Vielfachen oder gleich
einem ganzzahligen Bruchteil davon gemacht wird. Eine solche Schaltung kann Vorteile
haben in Hinsicht auf Vergrößerung oder Verkleinerung der scheinbaren Wanderungsgeschwindigkeit
der Lissajouschen Figur bei einem bestimmten Frequenzunterschied zwischen Oszillatorfrequenz
und gesuchter Frequenz.
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Wie die vorstehenden Ausführungen zeigen, besitzt der erfindungsgemäße
Analysator den großen Vorteil, daß man ihn mit größter Abstimmschärfe auf die zu
bestimmenden Frequenzen einstellen kann, ohne daß sich beim Einstellen und Suchen
irgendwelche Schwierigkeiten ergeben. Die Einstellung erfolgt so einfach wie bei
einem gewöhnlichen Resonanzkreis, und die nicht zu hohe Abstimuischärfe eines solchen
Kreises sorgt dafür, daß dem Analysator beim DurchN-andern des zu untersuchenden
Frequenzbereiches mit der Resonanzfrequenz keine der gesuchte Frequenzen entgeht.
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Ein weiterer Vorteil der Frequenzabgleichung gemäß der Erfindung
liegt in der LTnabhängigkeit der Abstimmung von der Empfangsamplitude des gesuchten
Senders. In diesem Fall würde beispielsweise die Abstimmung allein mit einem Resonanzkreis
auf größte Schwierigkeiten stoßen, da doch die Abstimmung durch Einstellung dieses
Kreises auf maximale Amplitude der empfangenen Schwingung erfolgen muß, während
diese Amplitude an sich raschen Schwankungen unterworfen ist. Diese Schwierigkeit
tritt auch beim Suchtonverfahren auf. Beim Analysator gemäß der Erfindung erkennt
man
dagegen sicher die beste Einstellung des Resonanzkreises vor
der Scharfeinstellung auf Lissajousche Figuren an der maximalen Länge eines in dieser
Länge pulsierenden Bandes.
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Liegen in dem soeben betrachteten Falle die Senderfrequenzen im Hörbereich,
so ist es von Vorteil, zusätzlich zur Abstimmanzeige einen Lautsprecher oder ein
Telephon hinter dem Resonanzkreis einzuschalten Man kann dann mit dem Lautsprecher
zunächst auf Resonanz abgleichen, was zur Grobeinstellung des Resonanzkreises sehr
einfach ist, alsdann mit der genaueren optischen Abstimmnnzeige auf maximale Länge
des Leuchtbandes auf dem Leuchtschirm der Braunschen Röhre einstellen, weiterhin
mit Hilfe des Lautsprechers, mit dem man verschiedene Frequenzen, wenn sie nidlt
zu nahe zusammenliegen an ihrer Tonhöhe unterscheiden kann, noch schärfer auf Resonanz
mit dem gesuchten Sender abgleichen, ferner alsdann einen noch schärferen akustischen
Schwebungsabgleich mit überlagerter Oszillatorfrequenz und schließlich die genaueste
optische Abstimmung mit Hilfe der Lissajouschen Figuren herbeiführen. Mit einer
derartigen Methode kann man allen Anforderungen an Trennschärfe und Einfachheit
des Abgleids- genügen. Zu den einzelnen Schritten, die diese Methode verschreibt,
ist noch zu bemerken, daß die optische Abstimmung auf maximale Länge des Leuchtbandes
insofern der akustischein überlegen ist, weil bei dieser letzteren die logarithmische
Empfindlichkeit des Ohrs die Genauigkeit des akustischen Abgleichs vermindert. Andererseits
ist das Ohr dem Resonanzkreis an sich überlegen, da es verschiedene Frequenzen wahrnehmen
und unterscheiden kann, so daß man akustisch auf maximale Lautstärke einer bestimmten
Frequenz einstellen kann. So ergibt sich die Reihenfolge der Abgleichverfahren in
der soeben beschriebenen Methode.
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Der Abgleich mit Hilfe der Lissajouschen Figur läßt auch erkennen,
ob der gesuchte Sender beispielsweise phasentren getastet wird. In diesem Fall müssen
als Bestätigung des genauen Abgleichs die Lissajouschen Figuren unverändert bleiben.
Selbst wenn die Amplitude des Senders schwankt, bleibt der Phasenabgleich an der
Ähnlichkeit der Lissajouschen Figuren erkennbar.
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Es ist ersichtlich, daß zur Abstimmung