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Anordnung zur Erzeugung und Messung von Frequenzen I)ie Erfindung
bezieht sich auf eine ,Anordnung zur I lerstellung lrelieltig einstellbarer Vrequenzen
aus festen Normalfrequenzen und deren VerNvendung zur Messung unbekannter Frequenzen.
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Zur lrlrerdecknng Irreiter Frequenzgebiete mit Not-nialfrelltteirzE#n
sind -Anordnungen bekannt, (5.-ans einer quarzgestettertenGrundfrequenz einoiberwellenshektrum
herstellen. Werden einzelne Oberwellen benötigt, so müssen diese durch Filter aus
dein Sllektruin atisgcsiel>t werden. Bei Oberwellen hoher Ordnungszahl entstehen
jedoch Schwierigl;eiten, da genügend selektive Filter einen unwirtschaftlic'lt hohen
_"\tlftvand erfordern, vor allem, wenn die Abstimmung variabe:1 gemacht werden soll.
Es ist eine Anordnung 1>@kanntgeworden, bei der diese Schwierigkeiten dadurch teilweise
verinic,den werden, daß einzeln ausgesiebte Oberwellen von dekadisch gestuften Grundfrequenzen
in Fretl1lellzultisetzern, die in Kaskade geschaltet sind, nacheinander addiert
«erden. Um die Anforderungett a11 die Selektionsmittel gering zu halten, wird bei
dieser bekannten Anordnung die aus der tiefsten Grundfrequenz gewonnene Oberwelle
der nächst-Ililieren Grundfrequenz mit dieser selbst in einem Vortimsetzer addiert.
Dadurch wird erreicht, daß die Selektion in den Frequenzumsetzern nicht wesentlich
höher sein muß als in den Filtern zur Aussie.-bung der Oherwellen aus dem Grundfrequenzspektrum.
Trotz der mit dieser Anordnung gegebenen Möglichkeit, beliebige Frequenzabereich.e
mit beliehig feingestuften Normalfrequenzen zu ürberdecken, hat der große Aufwand
an Siebmitteln, vor allem zur Herstellung der umschaltbaren Oberwellen, die Verwendung
solcher Anordnungen sehr behindert.
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Eine andere bekannte Anordnung zur Hersbellung einzelner Frequenzen
aus einem dichten Ober-Nvellenspektrum verwendet einen synchronisierbaren
Generator
mit einer Nachstimmschaltung, dessen Frequenz in einer Phasenineßanordnung, z. B.
einem Gleichrichter, mit dem Oberwellenspektrum der Quarzfrequenz überlagert wird.
Eine aus dem Phasenvergleich resultierende Spannung wird als Regelspannung auf den
synchronisierbaren Sender gegeben, so daß die Senderfrequenz, nach dieser 1?instellung
auf eine Normalfrequenzoberwelle, in einem gewissen Synchronisierl>ereicli auf dieser
festgehaltcri wird. y Bei der Aussiebung einzelner Oberwellen aus sehr dichten Spektren
mit diesem Verfahren besteht die Schwierigkeit, ;daß die zulässige Breite der Synchreanisierbereiche
zu klein wird, so daß bei längerem Betrieb ein Intrittbleiben der Synchronisierung
nicht unbedingt gewährleistet ist, wenn nicht ein großer Aufwand zur Konstanthaltung
der Sesvdeschw-ingkreise und Betriebsspannungesi getrieben wird. Außerdem ist das
Aufsuchen einer bestimmten Oberwelle in einem sehr dichten Spektrum ünistän.dlich
und unsicher, Ida beim Abzählen der Oberwellen leicht Irrtümer entstehen.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist, die Nachteile der bekannten Lösungen
zu vermeid-°,n und eine Anordaiun;g zu schaffen, die die Vorteile der stufenweisen
Addition von Oberwellen mit z. B. dekadisch gestuften Grundfrequenzen bezüglich
der Einfachheit der Bedienung mit den Vorteilen der synchronisierten Sender bezüglich
der Einfachheit des Aufl>au,s vereint. Dies wird erfindung=sgemäß dadurch erreicht,
daß diese Oberwellen aus dein Spektruin der jeweiligen Grundfrequenz durch einen
mit bekannten Mitteln auf den einzelnen Oberwellen synchronisierbaren Osziillator
gewonnen werden. Nachstehend sei das Prinzip der Erfindung näher erläutert.
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Ein Oszillator a in Abb. i speist einen Hauptmodulator b und einen
Hilf smodulator c. Im Hauptniodulator b wird die Summe bzw. gegebenenfalls die Differenz
mit der Frequenz fe, die aus der nächstniedrigeren Stufe kommt, gebildet. Die Aussieburig
der gewünschten Summenfrequenz geschieht in einem Filter d hinter dem Modulator
b. Im Hilfsmodulator c .wird die Oszillatorfrequenz mit dem Oberwellenspektrum der
Quarzgrundfrequenz f, überlagert. Die gebildete Differenzfrequenz fd wird auf die
Nachstimmvorrichtung e des Oszillators a gegeben. Die Einstellung des Svnchronisierbereichs,
der kleiner als die halbe Grundfrequenz sein muß, um eine eindeutige Frequenzeinstellung
zu gewährleisten, geschieht au!f bekannte Weise z. B. durch entsprechende Wahl der
Zeitkonstante des Regelkreises. Die Eingangsfrequenz f e des Modulators b kann eine
mit bekannten Mitteln hergestellte Norm@alfrequenzoberwelle sein oder die Ausgangsfrequenz
aus einer vorhergehenden gleichen Anordnung mit niedrigerer Frequenzstufe fo.
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Durch eine geeignete Wahl der Frequenz des Senders a kann die Ausgangsfrequenz
hinter dem Filter d so hoch gemacht werden, daß die Selektionsforderungen an das
Ausgangsfilter d' (Abb. 2) einer gleichartigen in Kaskade geschalteten Stufe gering
sind, und daß somit auf die weitere Umsetzung der Eingangsfrequenz f,' des Modulators
b' verzichtet werden kann, die bei der erwähnten bekannten Anordnung notwendig ist.
Damit ist aber ein wesentlicher Vorteil gewonnen, da in jeder Stufe der Aufwand
für die umschaltbaren Oberwellen und den Vorumsetzer zugleich wegfällt. Andererseits
vermeidet man durch die angegelyene Kombination von Frequenzumsetzern und synchronisierten
Oszillatoren die angegebenen Nachteile, die der Herstellung von feingestuften Quarzoberwellen
mit einem einzigen synchronisierten Generator anhaften. Je nach der Wahl der vom
Oszillat@or a gelieferten hrequcnz kann im Filter d'
der nachfolgenden Stufe
ein festes oder ein mit der Abstimmung des Oszillators a' mitlaufendes Filter verwendet
werden. Bei der Verwendung eines festen Filters muß die Frequenz des Oszillators
a immer größer sein als der Frequenzbetrag der Variation des Senders a'. Im * Falle
der Verwendung eines mit ä mitlaufenden Filters d' ist es zweckmäßig,
die Frequenz von a' so zu wählen, daß ein Gleichlauf mit Dreipunktabgleich zwischen
Oszillator-und Filterabstimmung mit den aus der Rundfunktechnik bekannten Mitteln
möglich ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß bei einer Kaskadenscha.ltung
mehrerer solcher Anordnungen ein Oszillator einer Einzelstufe nach Abschaltung seiner
Synchronisierung als stetig veränderbarer Suchoszillator verwendet werden kann,
wobei die absolute Frequenzlage des Variationsbereichs durch ,die nachfolgenden
Stufen festgelegt wird. Eine derartige Variationsmöglichkeit besteht bei der Aussiebung
einzelner Oberwellen mit Filtern überhaupt nicht. Bei der Verwendung eines einzigen
Senders, der mit einem sehr engen Spektrum synchronisiert wird, besteht der Nachteil,
daß nach Abschaltung der Synchronisierung die volle Ungenauigkeit und Inkonstanz
des frei schwingenden Senders wirksam werden, auch wenn man nur kleine stetige Veränderungen
der Frequenz vorzunehmen beabsichtigt. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung hingegen
geht dieUngenauigkeitdesjeweiligennicht synchronisierten Senders nur im Verhältnis
seiner Frequenz zur Ausgangsfrequenz der Gesamtanordnung ein. Dies macht die vorgeschlagene
Anordnung zu einer schnellen Frequenzmessung mit hoher Genauigkeit besonders geeignet.
-Man überlagert dazu die zu messende Frequenz in einem Modulator oder Empfänger
mit der Ausgangsfrequenz der letzten Stufe.
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Man nimmt dann die Synchronisierung des Oszillators der letzten Stufe
weg, stellt die übrigen Oszillatoren, die synchronisiert bleiben, auf den niedrigsten
Wert und stellt durch Variation des frei schwingenden Oszililators Schwebungsnull
mit der zu messenden Frequenz her. Darin synchronisiert man diesen Oszillator auf
der nächstgelegenen Quarzoberwelle. Dann nimmt man die Synchronisierung des Oszillators
der vorhergehenden Stufe weg und variiert diesen so lange, bis Schwebungsnull eintritt,
und synchronisiert diesen Oszill-ator d>enfalls auf der nächstgelegenen Quarzoberwelle.
Dieses
Verfahren wird mit den weiteren vorhergelienden Stufen sinngemäß wiederholt. Die
nach Sviicliroiiisieruttg des Oszillators der untersten Stufe bestehendeDifferenzfrequenz
kanngegebenenfalls mit bekannten Verfahren gemessen werden. Der Vorteil dieses Verfahrens
besteht in der völligelt I?indeutigkeit des Meßergebnitsses und der schnellen Durchführbarkeit
sehr genauer Messtingett.
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Naclisteliend sollen nun noch zwei Ausführungsbeispiele für die erfindungsgemäße
Anordnung und ein Vergleich mit dein Stand der Technik gegeben und an 1-land dieser
Beispiele der besondere Fortschritt aufgezeigt werden. Das erste Beispiel wird den
Fall eines festen Filters, das zweite die Anwendung eines durchlaufenden Filters
zur Trennutig der \Iodulationsprodukte behandeln.
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Die notwendige Bedingung zur Ermöglichung eines festen Filters (1
ist, daß die angebotene Frequenz f,. Höher ist als der Betrag f" der Variation des
Senders a, mit der im Modulator b die Mischung erfolgt. Um wieviel f, höher als
die \'ariation des Senders a sein muß, wird durch die Flankensteilheit des Filters
c1 bestimmt. Bei diesem sei der Abstand zwischen der höchsten Betriebssperrfrequenz
und der niedrigsten Betriebsdurchlaßfrequenz gleich ff. Dann muß f, = f"
+ ff sein, um eine einwandfreie Aussiebung des erwimschten olleren Seitenbandes
(Summenfrequenz) zu ermöglichen. An störenden \Iodulationsprodukten (niedriger Ordnung),
die in den Durchlaßbereich des Filters (1 fallen können, kommen außer dem Träger
f" selbst praktisch nur noch die Summen von f" mit Oberwellen von f,, in Betracht,
insbesondere mit 2(,. Ninitnt inan den Durchlaßbereich des Filters d nicht größer,
als für die Gesamtvariation der Summenfrequenz nötig ist, dann ist durch die angegelxne
Walil von f, auch erreicht, daß f" + 2 f, nicht tnelir in den Durchlaßbeneich
des Filters fallen kann.
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Im Filterd der Abb.3 ist der Abstand fe-f,. gleich 20o kIIz bei einer
unteren Betriebsfrequenz voll 13ookHz, was mit einfachen Siebmitteln erreicht werden
kann, zumal die Durchlaßbreite des Filters in der gleichen Größenordnung wie ff
ist. Aus den angegebenen Frequenzen sieht man, daß die Stimme von f" mit der doppelten
Eingangsfrequenz 2f, ebenfalls genügend weit außerhalb des Durchlaf:lbereiclis
des Filters fällt, so claß auch an dieser Stelle keine besonderen Anforderungen
an die Flankensteilheit des Filters zu stellen sind. Die gleichen Gesichtspunkte
gelten für das Filter d'. Dabei ist noch zu berücksichtigen, daß die Selektiotisforderungen
für die Frequenz fä + 2 fe we-
sentlich geringer als für f"' selbst
zu sein brauchen, da die höheren \,1ocltrl-,ttioiisl)rodukte durch geringe .lussteuerung
mit fe praktisch sehr klein gehalten werden können. Will man die am Ausgang der
beschriebenen Anordnung abgegebeneFrequenz von dooo bis 511okHz mit einer bekannten
Anordnung erzeugen, so müssen, wenn die gleichen Frequenzen verwendet werden und
man mit möglichst wenig variablen Filtern auskommen will, zusätzlich folgende Selektionsmittel
aufgewendet werden, die in Abb. d angegeben sind.
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In jeder Dekade wird je ein umschaltbares Filter g, g', g" benötigt,
das die gewünschten Oberwellen aus dem Spektrum der Verzerrer h, h', lt"
aussiebt. Da an diese umschaltbaren Filter nicht zu hohe Selektionsforderungen gestellt
werden könnten, ist die Ordnungszahl n der verwendeten Oberwetllen beschränkt. In
Abb. q wurde maximal n = 20 vorgesehen. Um auf die relativ 'hohen Frequenzen fe,
f" und fä zu kommen, ist eine weitere Umsetzung in den Modulatoren i, i', i"
nötig, in denen die Summe mit einer festen Normalfrequenzoberwel'le gdbitdet wird,
die ihrerseits wieder in einem Frequenzvervielfacher mit Selektionsgliedern hergestellt
wird. An die auf die Modulatoren i, i', i" folgenden Filter 1, l', l"
sind bezüglich der Trennung von Trägerfrequenz und oberem Seitenband (Summenfrequenz)
teils etwas schärfere Forderungen gestellt als an die Filter d und
d' (z. B. Filter l). Eine einwandfreie Trennung von einem entstehenden
Seitenband 2. Ordnung würde aber voraussetzen, daß die Filter 1, l', L" zumindest
in zwei Stufen mit den zugehörigen Filtern g, g', g" umgeschaltet werden. Die eingeklammerten
Werte in Abb.:I neben den Filtern geben die Werte dc s Trägers und des oberen Seitenbandes
2. Ordnung an, dessen untere Grenze je-
weils mit der oberen Grenze fe; f",
fä zusammenfällt oder darunterfällt.
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In der erfindungsgemäßen Anordnung nach Abb. 3 sind ,gegenüber der
Anordnung nach Abb. .I also je Dekade drei Filter (davon zwei umschaltbare) eingespart
worden, wobei noch der Vorteil erreicht ist, daß ein synchronisierter Generator
ein praktisch ideal arbeitendes Filter darstellt, so daß mit der erfindungsgemäßen
Anordnung eine-wesentliche Verbesserung der Nebenwellenfreiheit erzielbar ist. Dieser
Vorteil ist besonders bei der Verwendung der vorgeschlagenen Anordnung zur Sendersteuerung
von Bedeutung. Daß ein Vorteil gegenüber einer bekannten Anordnung besteht, in der
ein einziger Generator von z. B. 4000 bis 5 1 io kHz mit i-, io- und ioo-kHz-Oberwellen
synchronisiert wird, wurde bereits eingangs erwähnt.
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In Fällen, in denen die relative Variation der Ausgangsfrequenz groß
sein soll, kann es zweckmäßig sein, die Filter d, d' variabel abstimmbar
zu machen und mit den zugehörigen Generatoren a, ä der Abb. 5 in Gleichlauf zu bringen.
Um einen genügenden Gleichlauf zu ermöglichen, ist es nötig, daß f, bzw. f,' gegenüber
f" bzw. fä nicht zu hoch ist. Andererseits darf f, (fe) ,gegenüber f" (fä) nicht
zu klein sein, damit die Selektionsforderungen an das Filter d (d') nicht
zu hoch werden, Abb. 5 zeigt eine Wahl der verwendeten Frequenzen, die für die Filter
d (d') die Gleichlauf-und Selektionsforderungen ergibt; wie sie etwa für
die Eingangskreise eines Superhets bestünde, dessen Zwischenfrequenz gleich f, (f,'),
dessen Oszillatorfrequenz gleich f' (f") und dessen Empfangsfrequenz gleich
f" (f") ist. Man kommt in der angegebenen Schaltung für a (d) und
d (d') zusammen mit je einem Vierfachdrehkondensator aus, insbesondere
wenn
man in b (b') eine Trägerunterdrückung für die Frequenz fa (fä) vorsieht.
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Eine Ausfühfung der Schaltung nach Abb. 5 ahne die Verwendung von
synchronisierten Generatoren in den einzelnen Stufen würde einen ähnlichen Aufwand
an zusätzlichen Siebemitteln wie die Schaltung nach Abb.4 gegenüber der nach Abb.3
erfordern.
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Es ist zu bemerken, daß in den Umsetzerfiltern d (d') etwa die gleichen
Selektionsforderungen auftreten, unabhängig davon, ob man die Schaltung nach dem
Stand der Technik oder nach den vorliegenden Schutzansprüchen ausführt.
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leer Fortschritt der erfindungsgemäßen Anor.dnung besteht darin, daß
man in jeder Stufe einen synchronisierten Generator mit einem einzigen Schwingkreis
und trotzid em hervorragenden Selektionseigenschaften verwendet an Stelle der umschalbbaren
Oberwellensiebe g, g', der Vorumsetzer i, i', i" mit dien Filtern
1, l', L" und den l-' re(ltieitzvervielfacherti k, k', k" in der vorbekannten
Anordnung.