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Schaltung zur Messung des Frequenzhubes einer frequenzmodulierten
Schwingung
Die Erfindung'hezieht sich auf eine Schaltung zur Messung des Frequenzhubes
bzw. des Modulationsgrades einer frequenzmodulierten Schwingung.
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Zu diesem Zweck kann man die frequenzmodulierte Schwingung einem
Filter oder einem einfachen Resonanzkreis zuführen und die Abstimmung so wählen,
daß von den Frequenzänderungen ein geneigtes Kurvenstück der Filterkennlinie bzw.
der Resonanzkurve durchlaufen wird. Die Ausgangsspannung weist dann eine zusätzliche
Amplitudenmodulation auf, welche nach einer Gleichrichtung als Maß für den Frequenzhub
oder den Modulationsgrad dienen kann.
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Wesentlich ist bei diesem Verfahren, daß ein Zwischenglied zur Einführung
einer zusätzlichen Amplitudenmodulation, ein Modulationsumformer, erforderlich ist.
Die Erfindung befaßt sich speziell mit der Verbesserung eines Modulationsumformers
für die Messung des Frequenzhubes bzw. des Modulationsgrades.
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Die bekannten Modulationsumformer genügen den an eine derartige Meßanordnung
zu stellenden Forderungen nicht, besonders wenn eine betriebsmäßige Messung oder
Daueranzeige wie bei einem frequenzmodulierten Sender gewünscht wird. Diese bekannten
Anordnungen mit Modulationsumformern verwendeten für die Erzeugung einer geneigten
Frequenzcharakteristik Parallelresonanzkreise entweder in einfacher oder ion symmetrischer
(Gegentakt-) Anordnung.
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Man hat Parallelresonanzkreise bevorzugt als diejenige der gebotenen
Möglichkeiten, welche ohne weiteres eine günstige Anpassung an die Innenwiderstände
normaler Verstärkerröhren ergab. Dabei war es möglich, den Parallelresonanzkreis
unmittelbar in den Anodenkreis zu legen, wobei sich günstige Verstärkungsziffern
ergaben und außerdem die Gleichstromspeisung der Anode über die Schwingkreisspule
geführt werden konnte. Diese offen zutage liegenden
Vorteile haben
die Fachwelt bewogen, bei der Verwendung von Parallelresonanzkreisen an dieser Stelle
zu beharren.
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Es hat sich nun ergeben, daß mit der Verwendung von Parallelkreisen
wesentliche Nachteile verbunden sind. Zunächst ist es für die Bemessung des Modulationswandlers
sehr hinderlich, daß die Blindwiderstandskurve in Abhängigkeit von der Frequenz
für einen Parallelresonanzkreis zwei Umkehrpunkte in einem Abstand p v = i I von
der Resonanzfrequenz aufweist, wobei p die Kreisgüte und v die Verstimmung ist.
Zwischen diesen beiden Umkehrpunkten liegt der maximal ausnutzbare Arbeitsbereich,
der jedoch, wenn Ansprüche hinsichtlich der Linearität gestellt werden, noch wesentlich
verkleinert ist.
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Praktisch bedeutet dies, daß für die Erfassung eines vorgegebenen
Bereiches von Frequenzänderungen die Kreisgüte entsprechend festgelegt ist; je breiter
der Bereich, desto geringer muß die Kreisgüte gewählt werden, um so flacher verlaufen
aber auch die Kurven der Blindwiderstände mit der Frequenz und um so weniger genau
ist die Nullstelle der Blindwiderstandskurve definiert. Diese Nullstelle als derjenige
Punkt der Kurve, für deren zugeordnete Frequenz die AusgangsspannungNull werden
soll, bildet aber, wie später noch genauer erläutert wird, den Nullpunkt der Skala
auf dem Anzeigegerät, und an ihre Unveränderlichkeit sind daher die höchsten Ansprüche
zu stellen.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß sich wesentliche Verbesserungen
durch Verwendung eines Serienresonanzkreises ergeben. An einer Schaltung zur Messung
des Frequenzhubes mit einem Modulationsumformer soll daher erfindungsgemäß ein Filter
mit einem auf die mittlere Frequenz der Trägerschwingung abgestimmten Serienresonanzkreis
als Querglied vorgesehen sein, welcher durch einen piezoelektrischen Körper, vorzugsweise
einen Quarzkristall, in seiner Serienresonanz gebildet wird.
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Die Betrachtung der Verhältnisse beim Serienresonanzkreis ergibt
zunächst, daß die Blindwiderstandskurve keine Umkehrpunkte aufweist wie beim Parallelkreis,
so daß die Güte des Kreises nicht durch die Breite des zu erfassenden Frequenzbereiches
nach oben hin begrenzt ist. Die Kreisgüte p kann grundsätzlich beliebig hoch gewählt
werden, so daß besonders von den Vorzügen der piezoelektrischen Körper an dieser
Stelle Gebrauch gemacht werden kann. Dies kommt insbesondere der Unveränderlichkeit
der Nullstelle in mehrfacher Weise zugute.
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Bei einem Parallelresonanzkreis verstimmt jede zufällige Änderung
der Kapazität der angeschlossenen Schaltung die Nullstelle der Blindwiderstandskurve
durch eine Verlagerung der Resonanz. Beim Serienresonanzkreis ist die Nullstelle
durch die Serienresonanz eindeutig festgelegt. Änderungen der Schaltkapazität parallel
zu seinen Klemmen bewirken keine Verlagerung der Nullstelle. Sie verändern nur die
Lage der Parallelresonanzstelle, welche sich bekanntlich in einem gewissen Abstand
neben der Serienresonanz durch Zusammenwirken der Parallelkapazität mit dem für
diese Frequenz induktiven Blindwiderstand des Serienkreises ergibt. Dies bewirkt
eine Veränderung der Blindwiderstandskurve in einem gewissen Abstand von der Serienresonanz,
so daß der Einfluß auf den Kurvenverlauf in der Nähe der Nullstelle durch zweckmäßige
Dimensionierung klein gehalten werden kann.
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Ferner erlaubt die Freiheit hinsichtlich der Wahl der Kreisgüte die
Verwendung sehr schwach gedämpfter Kreise, wie sie durch piezoelektrische Körper
realisiert werden können. Sowohl die hohe Kreisgüte wie die durch keine anderen
Anordnungen zu übertreffende Konstanz derartiger Schwingkörper kommen der Unveränderlichkeit
der Nullstelle zugute, so daß mit Hilfe des Erfindungsgedankens ein Modulationswandler
von ausreichender Konstanz für eine Daueranzeige des Frequenzhubes auf einem direkt
zeigenden Instrument mit geeichter Skala hergestellt werden kanfi.
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Es sei nun ein Ausführungsbeispiel der Schaltung nach der Erfindung
an Hand der Zeichnung näher erläutert. In Abb. 1 wird an der Klemme 1 dem Steuergitter
der Röhre 2 die frequenzmodulierte Schwingung zugeführt, deren Frequenzhub bzw.
Modulationsgrad gemessen werden soll. Der Anodenkreis 3 ist auf die mittlere Trägerfrequenz
abgestimmt und derartig gedämpft, daß die an ihm von dem Anodenwechselstrom der
Röhre 2 erzeugte Spannung Ul innerhalb des von dem nachfolgenden Filter zu verarbeitenden
Frequenzbereiches als praktisch konstant angesehen werden kann. Hierzu trägt die
lose Ankopplung des im Mittelteil der Abbildung dargestellten Filters über den kleinen
einstellbaren Kondensator Ck bei. In dem Filter sind L,, Co und Ro die zu dem piezoelektrischen
Körper in seiner Serienresonanz gehörenden Schwingkreiselemente. Cp' ist die dem
piezoelektrischen Körper bzw. Quarzkristall parallel liegende Kapazität. Die innerhalb
der gestrichelten Linie liegenden Teile stellen also das elektrische Ersatzschaltbild
des Quarzes dar.
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Bekanntlich hat nun ein Quarz nicht nur eine Serienresonanz, sondern
infolge der unvermeidlichen Parallelkapazität auch eine Parallelresonanz in der
Nähe der Serienresonanz. Dadurch ist der Verlauf der Blindwiderstandskurve in der
Umgebung der Serienresonanz nicht mehr symmetrisch. Um diese Symmetrie herzustellen
und auch den Abstand zwischen Serien- und Parallelresonanz zu vergrößern, wird die
Parallelkapazität Cp' durch eine parallel geschaltete Induktivität Lp ergänzt und
gegebenenfalls durch eine Parallelkapazität Cp" vergrößert. Die Summe von Cp' und
Cp ist die gesamte Parallelkapazität Cp. Beiderseits der Serienresonanz liegt jetzt
eine Parallelresonanz, und zwar ist deren Verstimmung gegen die Serienresonanz Vo
= 1/ Co/Cp Durch entsprechende Bemessung von Cp kann man V0 auf einen geeigneten
Wert bringen, so daß in dem Bereich der Modulationsverstimmungen die Blindwiderstandskurve
praktisch einen linearen Verlauf aufweist. Dies bedeutet, daß die Amplitude der
Ausgangsspannung praktisch linear mit der Frequenzänderung zusammenhängt, wobei
die Gerade, welche diese Abhängigkeit der Ausgangsspannung von der Frequenz darstellt,
bei der mittlerenTrägerfrequenz fo
auf welche die Serienresonanz
des Quarzes abgestimmt ist, durch Null geht.
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Die Bedeutung der Teile Ms und Cs, welche mit dem Quarz in Reihe
geschaltet sind, sowie des Spannungsteilers Cx, Cy und der Teile Ls, Rs wird später
noch erörtert. Die Ausgangsspannung U2 wird von einer Anzapfung der Spule Lp abgenommen,
die eine Spannungsverminderung ergibt, so daß der Filterausgang möglichst wenig
belastet wird.
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Die zusätzlich amplitudenmodulierte Ausgangsspannung gelangt über
die obere Verbindung des dargestellten Schalters auf das Steuergitter der Röhre
4, durch welche sie verstärkt wird. Für die Bemessung des Anodenkreises 5 gelten
die gleichen Überlegungen wie für den Kreis 3. Er soll das in Betracht kommende
Band ohne störende Frequenzabhängigkeit über die Spule 6 auf die Diode 7 übertragen,
welche eine praktisch lineare Gleichrichtung bewirkt. Der Kondensator 8 und die
Reihenschaltung der Widerstände 9 und I0, von denen der letztere einstellbar ist,
ergeben eine hinreichende Zeitkonstante, um die Anzeige an dem Drehspulzeigerinstrument
II von den raschen Schwankungen des Modulationsgrades unabhängig zu machen.
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Für die richtige Anzeige ist es erforderlich, die Quarzfrequenz mit
der Bandmittenfrequenz möglichst genau in Übereinstimmung zu bringen. Wenn das nicht
der Fall ist, liegt die Bandmittenfrequenz wo nicht auf der Nullstelle der Blindwiderstandskurve
des Quarzkreises, und im unmodulierten Zustand ist U2 nicht gleich Null. Dies bedeutet,
daß am Anzeigeinstrument 11 der Ausschlag nicht auf Null geht, wenn die Modulation
abgeschaltet wird. Die Eichkurve des Instrumentes kann dann nicht linear sein, sondern
sie zeigt besonders in der Nähe des Nullpunktes Abweichungen von der Linearität.
Bekanntlich kann ein piezoelektrischer Kristall, also im vorliegenden Falle besonders
ein Quarz, nicht genau für eine bestimmte Sollfrequenz geschliffen werden. Der Blindwiderstand
" in Reihe mit dem Kristall dient daher in an sich bekannter Weise zum Ziehen der
Kristallresonanz auf die Sollfrequenz. Rv kann durch einen einstellbaren Kondensator
oder einen aus Spule und Kondensator bestehenden Reihenkreis gebildet werden, von
deren Bestandteilen wenigstens einer einstellbar ausgebildet ist, damit auch im
Betrieb noch kleine Korrekturen der Frequenz möglich sind.
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Wegen der hohen Güte des durch den Quarz dargestellten Serienresonanzkreises
ist die im Resonanzfalle an dem entsprechend kleinen Widerstand Ro stehende Spannung
zwar ebenfalls klein. Sie bewirkt aber, daß bei abgeschalteter Modulation der Ausschlag
des Meßinstrumentes II nicht genau gleich Null ist und außerdem eine parabolische
Verzerrung der Eichkurve im Anfangsbereich auftritt. Man kann diesen Fehler kompensieren.
Zu diesem Zweck ist der Kondensator Cs vorgesehen, aa dem über die zweifache Spannungsteilung
Cx, Cy und L5, R5, C, eine Spannung erzeugt wird, die von gleichem Betrag, aber
entgegengesetzter Phase ist wie die Spannung an R,. Dabei ist unter Ro der durch
den Einfluß der Ziehimpedanz modifizierte Realwiderstand des Quarzkomplexes im Resonanzfalle
zu verstehen, so daß mit Hilfe der an C5 liegenden Spannung die ganze Wirkkomponente
der Spannung am Filter im Resonanzfalle kompensiert wird. Auf diese Weise wird U2
dann exakt gleich Null. Die resultierende Widerstandskurve des Seriengliedes im
Filter erhält dann die ideale Form mit einer Nullstelle bei der Bandmittenfrequenz
und praktisch linearem, beiderseits der Mitte symmetrischem Anstieg innerhalb des
Arbeitsfrequenzbereiches.
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Das als Modulationswandler benutzte Quarzfllter liefert also an seinen
Ausgangsklemmen eine Amplitudenmodulation mit unterdrücktem Träger, und die Amplitude
ist dem Frequenzhub streng proportional.
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Dementsprechend ergibt sich für das Anzeigeinstrument eine von Null
beginnende lineare Skala, welche direkt in kHz Frequenzhub, oder unter Bezugnahme
auf einen bestimmten Frequenzhub, der gleich roo0/, gesetzt wird, direkt in Prozenten
de; Modulationsgrades geeicht werden kann.
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Die praktische Erprobung einer Schaltung nach der Erfindung ergab
die in Abb. 2 dargestellte Eichkurve für das Hubanzeigeinstrument II. Man erkennt
die ausgezeichnete Linearität der Kurve, deren Ordinatenwerte den Strom im Instrument
und deren Abszissenwerte den Modulationsgrad in Prozent angeben.
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Es ist ersichtlich, daß der Skala des Instrumentes nun noch ein fester
Eichpunkt gegeben werden muß.
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Zu diesem Zweck muß einmal der Modulationsgrad des Senders, zweckmäßig
IooO/,, in einer Absolutmessung bestimmt werden. Dann wird die Ankopplung des Qüarzkreises
durch den Kondensator Ck so eingestellt, daß sich am Instrument der Ausschlag ergibt,
welcher Io0°/o Modulationsgrad entspricht.
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Eine feine Nachregelung ist auch mittels des Widerstandes IO möglich.
Da durch Alterungserscheinungen an den Röhren, Betriebsspannungsänderungen u. dgl.
sich eine Änderung der Anzeige ergeben kann, ist eine Vorrichtung zur Nachprüfung
der Eichung zweckmäßig.
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Die einfachste Kontrolle erhält man durch Messung von U1 über den
gleichen Verstärker und Gleichrichter. Zu diesem Zweck ist in Abb. I die Spannung
U1 durch die Kondensatoren Kx und Ky im Verhältnis Ilx, beispielsweise 1/20, geteilt.
Die Spannung Ul/x kann über die untere Verbindung des dargestellten Schalters wahlweise
mit U2 auf das Eingangsgitter der Röhre 4 gegeben werden. Ul/x kann so gewählt werden,
daß sich bei 1000!o Modulation der gleiche Ausschlag ergibt wie bei der Umschaltung
auf U2. Treten im Betrieb Schwankungen der Empfindlichkeit des Meßverstärkers 4
und der nachfolgenden Teile auf, so ist durch Hin- und Herschalten zwischen Ul/x
und U2 eine Änderung des Ausschlages am Instrument II feststellbar, welche durch
Verändern des Widerstandes IO zu Null gemacht werden kann. Ist dies erreicht, so
ist auch die Anzeige des Instrumentes wieder richtig.