DE755710C

DE755710C - Circuit arrangement for frequency multiplication

Info

Publication number: DE755710C
Application number: DES123107D
Authority: DE
Inventors: Roman Dipl-Ing Golicke
Original assignee: Siemens and Halske AG; Siemens AG
Current assignee: Siemens and Halske AG; Siemens AG
Priority date: 1936-06-23
Filing date: 1936-06-23
Publication date: 1953-09-07

Description

Schaltungsanordnung zur Frequenzvervielfachung In der Hochfrequenz- und Trägerstromtechnik besteht vielfach das Bedürfnis, eine vorgegebene Hochfrequenz genau, zu kennen oder konstant zu halten. Um die kostspieligen Frequenznormale, die immer nur für eine Frequenz gelten, günstig auszunutzen, sind verschiedene Frequenzvervielfachungsschaltungen bekanntgeworden. Mit gutem Wirkungsgrad konnte jedoch meist nur eine Verdopplung der Frequenz erzielt werden. Eine Vervielfachung dagegen in einem vorgegebenen beliebig hohen ganzzahligen Verhältnis war entweder nur durch Hintereinanderreihung einer großen Zahl von Vervielfältigungsstufen oder durch Heraussieben einer hohen Harmonischen aus einer verzerrten Grundschwingung möglich.Circuit arrangement for frequency multiplication In the high-frequency and carrier current technology, there is often a need for a given high frequency accurate, to know or to keep constant. To get the costly frequency standards, Which always only apply to one frequency, to be used favorably, are different frequency multiplication circuits known. With a good degree of efficiency, however, it was usually only possible to double it the frequency can be achieved. A multiplication, however, in a given arbitrary high integer ratio was either just by sequencing one large number of duplication levels or by sifting out a high harmonic possible from a distorted fundamental oscillation.

Eine Vervielfachung in einem ganzzahligen Verhältnis durch Heraussieben einer hohen Harmonischen aus einer verzerrten Grundschwingung wird durch eine bekannte Frequenzvervielfachungsanordnung mit Hilfe von Elektronenröhren erzielt, bei der dem Gitter eine so große negative Gittervorspannung gegeben wird, daß nur während eines Teils der positiven Halbwelle der Grundschwingung ein Spannungsstoß im Anodenkreis entsteht. Zur Heraussiebung höherer Harmonischen dienen dabei im Anodenkreis angeordnete abgestimmte Schwingkreise. Eine Rückwirkung der Anodenkreisspannungsstöße auf die Gitterspannung soll dadurch verhütet werden, daß ein Teil der auf diese Weise erzeugten Anodenspannung in geeigneter Weise auf den Gitterkreis zurückgekoppelt wird.A multiplication in an integer ratio by sieving out a high harmonic from a distorted fundamental is replaced by a known Frequency multiplication arrangement achieved with the help of electron tubes in which the grid has such a large negative grid bias is given that only during part of the positive half-wave of the fundamental oscillation a voltage surge arises in the anode circle. The im is used to screen out higher harmonics Tuned oscillating circuits arranged in the anode circuit. A retroactive effect of the anode circuit voltage surges on the grid tension is to be prevented that a part of the on this Way generated anode voltage is fed back to the grid circuit in a suitable manner will.

Die beiden genannten Frequenzvervielfacher besitzen jedoch Nachteile. Bei der mit gutem Wirkungsgrad erzielbaren Frequenzverdopplung wird bei hohen Vervielfältigungszahlen der Aufwand sehr groß. Bei Vervielfachung durch Aussieben einer hohen Harmonischen aus einer verzerrten Grundschwingung sinkt der Wirkungsgrad sehr schnell mit der Ordnungszahl der Harmonischen, so daß bei hohen Vervielfältigungszahlen gleichfalls Schwierigkeiten auftreten.However, the two frequency multipliers mentioned have disadvantages. In the case of frequency doubling, which can be achieved with good efficiency, with high multiplication numbers the effort is very great. When multiplied by sifting out a high harmonic from a distorted fundamental oscillation, the efficiency drops very quickly with the Ordinal number of the harmonics, so that also with high multiplication numbers Difficulties arise.

Demgegenüber gestattet die Erfindung eine Frequenzvervielfachung in einem beliebigen ganzzahligen Verhältnis, und es ist ohne weit-res möglich, Vervielfachungen im Verhältnis i:ioo oder sogar 1:5oo zu erzielen, weil trotz dieser hohen Vervielfachungszahlen noch eine ausreichende Amplitude gewährleistet ist.In contrast, the invention allows a frequency multiplication in any integer ratio, and it is easily possible to multiply in the ratio i: ioo or even 1: 5oo, because despite these high multiplication numbers a sufficient amplitude is still guaranteed.

Es ist bereits eine Anordnung zur Frequenzteilung oder -vervielfachung bekannt, welche einen selbsterregten Röhrengenerator enthält, wobei eine gegenseitige Beeinflussung zwischen Grundschwingungsgenerator und selbsterregten Röhrengenerator dadurch verhindert wird, daß in den Gitterkreis des selbsterregten Röhrengenerators in Reihe mit der Rückkopplung ein veränderbarer Widerstand, vorzugsweise eine Elektronenröhre gelegt wird. Die Grundfrequenz wird dabei dem Gitter dieser Röhre zugeführt. Durch den veränderbaren @V iderstand wird eine Regelung der Rückkopp-hing in Abhängigkeit von der Grundfrequenz bewirkt. Bei einer anderen bekannten Anordnung zur Frequenzvervielfachung oder -teilung im rationalen Verhältnis wird die umzuwandelnde Frequenz dem Gitter der Röhre zugeführt und der Anodenkreis auf die gewünschte Frequenz abgestimmt. Die Gittervorspannung wird an einem aus Widerstand und Parallelkondensator bestehenden Schaltelement durch den Gittergleichstrom erzeugt.It is already an arrangement for frequency division or multiplication known, which contains a self-excited tube generator, with a mutual Influence between the fundamental generator and the self-excited tube generator this prevents it from entering the lattice circuit of the self-excited tube generator in series with the feedback a variable resistor, preferably an electron tube is placed. The fundamental frequency is fed to the grid of this tube. By the changeable resistance is a regulation of the feedback-hang in dependence caused by the fundamental frequency. In another known arrangement for frequency multiplication or division in the rational ratio becomes the frequency to be converted to the grating fed to the tube and the anode circuit tuned to the desired frequency. The grid bias is applied to a resistor and parallel capacitor Switching element generated by the grid direct current.

Demgegenüber enthält die Schaltungsanordnung zur Frequenzvervielfachung nach der Erfindung einen Hilfsoszillator, dessen Sch-,vingkreis annähernd auf die gewünschte Frequenz abgestimmt ist und der durch eine Modulationsanordnung zum Ein- und Ausschwingen gebracht wird. Die Modulation erfolgt dabei derart, daß der Anstoß des Einschwingvorganges mit Hilfe der Grundfrequenz in solcher Weise vorgenommen wird, daß im Hilfsoszillator untereinander und in ihrer Lage zu jeder Grundfrequenzperiode gleiche Schwingungsvorgänge entstehen.In contrast, the circuit arrangement contains frequency multiplication according to the invention an auxiliary oscillator, the loop, vingkreis approximately to the desired frequency is tuned and the modulation arrangement for input and swing is brought about. The modulation takes place in such a way that the trigger of the transient process with the help of the fundamental frequency made in such a way that in the local oscillator with each other and in their position for each fundamental frequency period the same oscillation processes arise.

Während bei der zuletzt genannten bekannten Anordnung eine von der Grundfrequenz gesteuerte Hilfsschwingung dauernd vorhanden ist, wird also der Hilfsoszillator bei der Schaltungsanordnung nach der Erfindung bei jeder Grundfrequenzperiode zum Ein- und Ausschwingen gebracht. Die Amplitude der Hilfsschwingung steigt somit bei jeder Periode der Grundfrequenz von dem Wert o auf ihren Höchstwert an, so daß bei diesen Einschwingvorgängen bereits geringe Steuerspannungen genügen, um eine einwandfreie Festlegung des Schwingungsbeginns der Hilfsschwingung zu erhalten. Selbst bei sehr hohen Vervielfachungszahlen sind dadurch die Einschwingvorgänge nicht nur untereinander gleich, sondern auch in ihrem zeitlichen Abstand vom Nulldurchgang einer jeden Grundfrequenzperiode.While in the last-mentioned known arrangement one of the Fundamental frequency-controlled auxiliary oscillation is permanently present, so it becomes the auxiliary oscillator in the circuit arrangement according to the invention at each fundamental frequency period to Brought in and out swing. The amplitude of the auxiliary oscillation thus increases every period of the fundamental frequency from the value o to its maximum value, so that at Even low control voltages are sufficient for these transient processes to achieve a flawless To obtain determination of the beginning of the oscillation of the auxiliary oscillation. Even with very With a high multiplication number, the transient processes are not only among each other equal, but also in their time interval from the zero crossing of each fundamental frequency period.

Der Grundgedanke der Erfindung soll im folgenden und an Hand von Fig. i näher erläutert werden. Geht man von einer Grundschwingung aus, die nachstehend mit f1 bezeichnet sein soll, und nimmt ferner an, daß die gewünschte Frequenz das a-fache Vielfache von f1 ist, so kann man eine Frequenzvervielfachung dadurch erzielen, daß ein Hilfssender, der angenähert auf a - f l ab- gestimmt ist, im Takte von f1 unterbrochen wird. Wie diese Unterbrechung durchgeführt wird, ist zunächst belanglos. Es entsteht dabei eine periodisch wiederholte gedämpfte Schwingung, wie in Fig. i in Abhängigkeit von der Zeit angegeben. Der Abstand zwischen je zwei Anfängen der gedämpften Schwingungen ist rlfl, die Schwingungsfrequenz der gedämpften Schwingung selbst sei fa..The basic idea of the invention is to be explained in more detail below and with reference to FIG. If one assumes a fundamental oscillation, which is to be denoted by f1 in the following, and also assumes that the desired frequency is a multiple of f1, then a frequency multiplication can be achieved by using an auxiliary transmitter, which approximates to a - f l is coordinated , is interrupted in the cycle of f1. How this interruption is carried out is initially irrelevant. This creates a periodically repeated damped oscillation, as indicated in FIG. I as a function of time. The distance between each two beginnings of the damped oscillations is rlfl, the oscillation frequency of the damped oscillation itself is fa ..

In Fig, a ist das Frequenzspektrum dieser gedämpften Schwingung dargestellt, Da voraussetzungsgemäß der Schwingungsvorgang nach der Zeit ilf sich genau wiederholen soll, können in dem Spektrum nur ganzzahlige Vielfache der Grundperiode f1 auftreten. Die in Fig. i ersichtliche, ausgezeichnete Rolle der Frequenz fa drückt sich im Frequenzspektrum so aus, daß die Harmonischen der Grundfrequenz, die in die Nähe der Frequenz fa fallen, zu beträchtlichen Amplituden anwachsen, wie die Fig. a zeigt. Man erhält also in der Nähe der Eigenfrequenz des Hilfssenders eine Reihe von Frequenzlinien mit großen Amplituden, die Vielfache von f1 sind und untereinander den Abstand f 1 haben. Es ist nun leicht möglich, etwa durch vorherige Eichung des Hilfssenders, der veränderlich ausgebildet sein kann, für jede vorgegebene Zahl a große Amplituden von afl zu erzeugen, d. h. ein beliebiges Frequenzvervielfachungsverhältnis zu erzielen.In Fig, a the frequency spectrum of this damped oscillation is shown, Since, according to the prerequisite, the oscillation process repeats itself exactly after the time ilf should, only integer multiples of the basic period f1 can occur in the spectrum. The excellent role of the frequency fa shown in FIG. I is expressed in the Frequency spectrum so that the harmonics of the fundamental frequency, which are in the vicinity the frequency fa fall, grow to considerable amplitudes, as Fig. a shows. A series of frequency lines is thus obtained in the vicinity of the natural frequency of the auxiliary transmitter with large amplitudes that are multiples of f1 and the distance f between them 1 have. It is now easily possible, for example by first calibrating the auxiliary transmitter, the changeable can be configured for any given number a to generate large amplitudes of afl, d. H. any frequency multiplication ratio to achieve.

In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens dargestellt. Die Steuerung im Takte der Grundfrequenz ist hier durch eine Modulationsanordnung erreicht, wobei der Modulationsgrad größer als iooo/o gemacht wird. Ein derartiger Modulationsvorgang bedeutet praktisch ein vollständiges Aussetzen der Schwingungen, so daß, sich ein Vorgang wie in Fig. i ergibt. Zur Erzielung einer einwandfreien Modulation ist in dem Ausführungsbeispiel der Fig.3 ein Mehrgitterrohr, insbesondere eine Hexode, verwendet, doch kann selbstverständlich auch jedes andere Rohr hierzu verwendet werden. Zwischen Kathode K und Anode A befinden sich vier Gitter G1 bis G4, von denen die Gitter G2 und G4 miteinander verbunden und an Schirmgitterpotentiäl geführt sind. Dem Gitter G3 wird die modulierende Frequenz f1 zugeführt. Das Gitter GI liegt an einem Schwingungskreis (C1 L1) der über die Spule L2 rückgekoppelt ist und die Hilfsfrequenz f a, erzeugt, solange die Spannung an G3 dies gestattet. Die Hilfsfrequenz kann dabei mit Hilfe des Drehkondensators C1 und des Spulenschalters S in einem weiten Bereich verändert werden. Im Anodenkreis (bei B) entsteht dann die in Fig. i dargestellte, periodisch wiederholte gedämpfte Schwingung.In Fig. 3, an embodiment of the inventive concept is shown. The control in the cycle of the fundamental frequency is achieved here by a modulation arrangement, the degree of modulation being made greater than 100,000. Such a modulation process means practically a complete suspension of the oscillations, so that a process as in FIG. I results. To achieve a perfect modulation, a multi-lattice tube, in particular a hexode, is used in the exemplary embodiment in FIG. 3, but any other tube can of course also be used for this purpose. Between the cathode K and anode A there are four grids G1 to G4, of which the grids G2 and G4 are connected to one another and connected to the screen grid potential. The modulating frequency f1 is fed to the grating G3. The grid GI is connected to an oscillating circuit (C1 L1) which is fed back via the coil L2 and generates the auxiliary frequency fa , as long as the voltage at G3 allows this. The auxiliary frequency can be varied over a wide range with the aid of the variable capacitor C1 and the coil switch S. The periodically repeated damped oscillation shown in FIG. I then arises in the anode circuit (at B).

Für die vorstehenden Ausführungen ist es zunächst belanglos, wie die Grundschwingung f1 erzielt wurde, für die praktische Anwendung aber, insbesondere auf dem Gebiete der Meßtechnik, ist es.von großem Wert, auch diese in einem gewissen Bereich veränderlich machen zu können und trotzdem möglichste zeitliche Konstanz zu erzielen. Gemäß weiterer Erfindung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, zu diesem Zweck eine Kippschwingung zu verwenden, die in an sich bekannter Weise erzeugt werden kann. Um nun dieser Kippschwingung eine möglichste Stabilität zu geben, wird sie vorteilhaft mit einem Steuersender synchronisiert. Es ist dabei nicht erforderlich, . daß Kippeigenfrequenz und Steuersenderfrequenz genau übereinstimmen, da sich eine Kippschwingung in einem gewissen Bereich synchronisieren läßt, auch dann noch, wenn nicht mit der Kippfrequenz selbst, sondern mit einem Vielfachen davon synchronisiert wird. Für viele Zwecke erweist es sich als besonders brauchbar, daß der Steuersender ein angenähertes Vielfaches der Kippfrequenz liefert, so daß eine einmalige oder mehrfache Frequenzteilung erzielt wird.For the above, it is initially irrelevant how the Fundamental oscillation f1 was achieved, but for practical use, in particular in the field of metrology, it is of great value, also in a certain sense To be able to make the area changeable and still be as temporal constancy as possible to achieve. According to a further invention, it has proven advantageous to this Purpose of using a tilting oscillation that is generated in a manner known per se can. In order to give this tilting oscillation the greatest possible stability, it becomes advantageously synchronized with a exciter. It is not necessary to . that tilt natural frequency and exciter frequency match exactly, as there is a Can synchronize tilting oscillation in a certain range, even if not synchronized with the sweep frequency itself, but with a multiple of it will. For many purposes it proves to be particularly useful that the tax transmitter supplies an approximate multiple of the toggle frequency, so that a one-time or multiple frequency division is achieved.

Die vorstehend geschilderte Anordnung hat durch die große Variationsmöglichkeit nicht nur Bedeutung für die Trägerstromtechnik, sondern darüber hinaus auch ein sehr weites Anwendungsgebiet. So ist es z. B. möglich, aus einer vorgegebenen Netzfrequenz, die zwischen 4o und 6o Perioden liegen kann, eine hohe Frequenz für irgendwelche hTachrichtenübermittlungs- oder Steuerzwecke herzuleiten. Besonders vorteilhaft aber ist die Anwendung der Frequenzv ervielfachungsschaltung für die Zwecke der Frequenz-Messung.The arrangement described above can be varied widely due to the large number of variations not only of importance for carrier current technology, but also a very wide area of application. So it is z. B. possible from a given network frequency, which can be between 40 and 60 periods, a high frequency for any h to derive messaging or control purposes. Particularly beneficial but is the application of the frequency multiplier circuit for the purposes of Frequency measurement.

Wie im folgenden gezeigt werden soll, ist diese Frequenzvervielfachungsschaltung in der Lage, ein beliebig großes Frequenzgebiet einer genauen Frequenzmessung zugänglich zu machen, wobei der gesamte Bereich kontinuierlich überstrichen wird. So ist es ohne weiteres möglich, einen Frequenzmesser herzustellen, der bei einer Genauigkeit von i - io-s ein Frequenzgebiet von ioo kHz bis 25 MHz überstreicht. Um mit der Schaltung gemäß der Erfindung nun die vorstehenden Anforderungen zu erfüllen, ist es zweckmäßig, die den Modulationsvorgang bewirkende Kippschwingung in Stufen veränderbar zu machen, die in einem ganzzahligen Verhältnis zueinander stehen, also etwa 1 :2:5:10 oder dergleichen.As will be shown below, this is a frequency multiplying circuit able to access an arbitrarily large frequency range for an accurate frequency measurement to make, with the entire area is continuously swept over. That's the way it is easily possible to manufacture a frequency meter with an accuracy of from i - io-s covers a frequency range from 100 kHz to 25 MHz. To deal with the Circuit according to the invention now to meet the above requirements is it is expedient to change the tilting oscillation causing the modulation process in steps that are in an integer ratio to each other, i.e. about 1: 2: 5: 10 or similar.

Wie bereits angedeutet, ist es nicht erforderlich, die Kippschwingung selbst mit dem Steuersender zu synchronisieren, sondern dazu läßt sich auch eine Harmonische der Kippschwingungen verwenden (Frequenzteilung). Man kann also die obengenannte Frequenzreihe der Kippschwingungen mit einer einzigen Steuerfrequenz synchronisieren, wobei diese mit der 10., 5., 2. Oberwelle der jeweiligen Kippfrequenz. bzw. mit dieser selbst zusammenfällt. Die Kippschwingung wird nun durch die in Fig. 3 dargestellte Schaltung vervielfacht, vorzugsweise im Verhältnis 1:50 bis 1:125. Macht man nun den Steuersender um einen geringen Betrag (± i Oh) veränderbar, so kann durch die vervielfachte Steuerfrequenz der gesamte Frequenzbereich kontinuierlich überstrichen werden. Der Steuersender ist dabei möglichst unabhängig von Temperatur- und Betriebsspannungsschwankungen aufgebaut. Es liegt im Rahmen der Verwendung des Erfindungsgedankens als Frequenzmeßgerät, diesen Steuersender nun durch einen Quarzkristall frequenzmäßig zu überwachen.As already indicated, it is not necessary to synchronize the breakover oscillation itself with the control transmitter, but a harmonic of the breakdown oscillations can also be used for this purpose (frequency division). One can therefore synchronize the above-mentioned frequency series of the tilting vibrations with a single control frequency, this with the 10th, 5th, and 2nd harmonic of the respective tilting frequency. or coincides with this itself. The tilting oscillation is now multiplied by the circuit shown in FIG. 3, preferably in a ratio of 1:50 to 1: 125. If the exciter can now be changed by a small amount (± i Oh) , the entire frequency range can be continuously swept over by the multiplied control frequency. The control transmitter is designed to be as independent as possible from fluctuations in temperature and operating voltage. It is within the scope of the use of the inventive concept as a frequency measuring device to monitor the frequency of this control transmitter by means of a quartz crystal.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Circuit arrangement for frequency multiplication, where the desired frequency is obtained as an integer multiple of a basic frequency is, using an auxiliary oscillator, its resonant circuit approximately the desired Frequency is matched, indicated by a Modulation arrangement, by means of which the oscillator starts up in the cycle of the fundamental frequency and oscillation is brought and in which the initiation of the transient process with the fundamental frequency takes place in such a way that in the auxiliary oscillator with each other and in their Position equal oscillation processes (Fig. I) arise for each fundamental frequency period.

2. Circuit arrangement according to claim i, characterized in that the duration of the Settling process includes the duration of several periods of the oscillator frequency.

3. Circuit arrangement according to Claim 1 or 2, characterized in that the fundamental frequency, which controls the modulation process, supplied by a relaxation oscillation arrangement will.

4. Circuit arrangement according to claims i to 3, in particular in their Use for frequency measurement, characterized in that with fixed tuning of the local oscillator, the fundamental frequency can be changed and that of the harmonics a higher than z. B. the So. Ordinal number the entire frequency range continuously is paintable.

5. Circuit arrangement according to claims 3 and 4, in particular in its use for frequency measurement, characterized in that the natural frequency of the modulating breakover oscillation can be changed in steps which are in an integer ratio to one another. To distinguish the subject matter of the invention from the state of the art, the following publications were taken into account in the granting procedure: German Patent Nos. 569512, 573633, 594400, 5958o7, 619184, 635 972; French Patent No. 770 241; USA. Patent Nos. 1 996 4o3, 2 ooo 685, 2 O78 o36.