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Einrichtung zur Erzeugung einer den Richtungssinn einer Frequenzabweichung
kennzeichnenden Regelspannung Es sind bereits Einrichtungen bekannt, die den Richtungssinn
der Frequenzabweichung einer elektrischen Schwingung veränderlicher Frequenz von
einer festen Frequenz anzeigen; hierbei wird also etwa eine positive Gleichspannung
erzeugt, wenn die Frequenz der Schwingung größer ist als die vorgegebene feste Frequenz,
während eine negative Gleichspannung erzeugt wird, wenn die Frequenz der Schwingung
kleiner ist als die feste Frequenz. Derartige Einrichtungen, die meist nach dem
sogenannten Rieggerschen Phasensprungverfahren arbeiten, dienen auch zur Frequenzkonstanthaltung
von Hochfrequenzsendern oder zur selbsttätigen Scharfabstimmung von Empfängern.
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Schwieriger ist die Aufgabe, bei Vorhandensein zweier elektrischer
Schwingungen, deren Frequenzen beliebig, und zwar unabhängig voneinander in einem
größeren Frequenzbereich liegen können, durch eine Einrichtung objektiv feststellen
zu lassen, ob die eine oder die andere Schwingung die höhere Frequenz hat. Diese
Aufgabe tritt praktisch z. B. bei der Fernabstimmung eines Oszillators durch eine
Steuerschwingung auf, wobei Oszillatorfrequenz und Steuerfrequenz beliebig veränderbar
in einem großen, durch normale Mitnahme nicht erfaßbaren Bereich, z. B. Kurzwellenbereich
von 12 bis 15 MHz entsprechend 25 bis 20 m, liegen können. Damit die Oszillatorfrequenz
sich möglichst schnell auf die Steuerfrequenz selbsttätig abstimmen kann, ist eine
Einrichtung zweckmäßig, die etwa eine positive Regelspannung erzeugt, wenn die Oszillatorfrequenz
höher ist als die Steuerfrequenz, eine negative Regelspannung im umgekehrten Falle.
Die
erwähnte Aufgabe- wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß gleichzeitig eine Einrichtung
zur Demodulation amplitudenmodulierter Schwingungen und eine Einrichtung zur Demodulation
phasenmodulierter Schwingungen vorgesehen wird. Jeder der beiden Demodulationseinrichtungen
werden beide Schwingungen zur Mischung derart zugeführt, daß an ihren Ausgängen
Differenzschwingungen, also Schwingungen der Differenzfrequenz, entstehen. Schließlich
sieht die Erfindung noch eine Phä.senvergleichseinrichtung für die beiden Differenzschwingungen
vor. Mit dieser Anordnung läßt sich eine Angabe darüber erzielen, welche von den
beiden ursprünglichen Schwingungen die höhere Frequenz hat, da die Phasendifferenz
zm ischen den beiden Differenzschwingungen vom Sinn der Frequenzabweichung abhängig
ist, und zwar bei Umkehrung dieses Sinnes um i8o° springt. Die Wirkungsweise wird
nachfolgend erklärt.
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Die Anordnung wird insbesondere entsprechend Abb. i ausgebildet, die
ein Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt. Die beiden Schwingungen, deren
Amplituden als wesentlich verschieden, sonst aber behei)ig angenommen sind; werden
einander etwa mittels des Transformators T überlagert. Das Kurvenbild der Gesamtschwingung
stellt dann, wie Abb. 2 a und 2b zeigen, eine Schwingung dar, deren Frequenz gleich
der Differenz der Frequenzen der beiden Schv ingungen ist. Diese Gesamtschwingung
wird einmal einem Organ, das die Amplitude nachzeichnet, d. h. einem gewöhnlichen
Gleichrichter G zugeführt. Gleichzeitig wird die Gesamtschwingung einer Einrichtung
zugeführt, welche nur die Phasenmodulation der Gesamtschwingung demoduliert. Diese
Einrichtung enthält zunächst ein Glied A; das die differenzfrequenten Amplitudenänderungen
der Gesamtschwingung unterdrückt (Amplitudenbegrenzer), sodann etwa in an sich bekannter
Weise ein Filter F mit frequenzlinearer ansteigender Durchlässigkeit, das die Frequenzmodulation
in eine Amphtudenmodulation umwandelt, sowie schließlich einen Gleichrichter G'.
Am Ausgang jeder der beiden Demodulationseinrichtungen, also an den Ausgängen von
G und G', entsteht dann je eine neue Schwingung, deren Frequenz gleich der Differenz
der ursprünglichen Schwingungen ist. Diese beiden differenzfrequenten Schwingungen
sind nur gleichphasig, wenn die ursprüngliche Schwingung mit der kleineren Amplitude
die höhere Frequenz besaß. Sie besitzen hingegen die entgegengesetzte Phase, wenn
diese ursprüngliche Schv ingung von niedrigerer Frequen7 war als die Schwingung
mit der größeren Amplitude. Eine Phasenvergleichsvorrichtung, wie sie z. B. in Abb.
i dargestellt ist, kann dann etwa eine je nach dem Sinn der Frequenz abweichung
positive oder negative Regelspannung erzeugen.
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Daß die Phasendifferenz der Ausgangsschwingungen der Demodulatoren
je nach dem Sinn der Frequenzabweichung o bzw. i8o° beträgt, ergibt sich aus folgender
Überlegung an Hand von Abb.3. Die beiden (ursprünglichen) Schwingungen, deren mathematischer
Ausdruck A 1 = A 1o sin colt, A 2 = A 2, sin (oo2t + 99) sein möge, wobei
Alo » Aw angenommen' sei, sind in Abb. 3 a als mit den Winkelgeschwindigkeiten co,
bzw. I co2 umlaufende Sektoren in einem feststehenden Koordinatensystem dargestellt.
In einem mit der Winkelgeschwindigkeit w1 umlaufenden Koordinatensystem steht, wie
Abb. 3b zeigt, A1 fest, während A2 mit der Winkelgeschwindigkeit co, - co, umläuft.
A2 läuft im positiven Sinne (rechts) herum für w2 > (»l, dagegen im negativen Sinne
(links) herum für (o2 < col. Der Endpunkt des resultierenden Vektors B - A1 -f-
A2 durchläuft also, wie Abb. 3 c für verschiedene Phasenlagen zeigt, im umlaufenden
Koordinatensystem einen Kreis. Die Amplitude des Vektors B, also der Gesamtschwingung,
beträgt im Mittel Al., schwankt jedoch annähernd sinusförmig zwischen den Werten
Alo + A2, und Alo - A2,, und zwar im Takte der Differenzfrequenz co, - c01. Die
Winkelgeschwindigkeit des Vektors B ist in dem umlaufenden .Koordinatensystem im
Mittel Null und schwankt ebenfalls annähernd sinusförmig und im Takte der Differenzfrequenz
zwischen den Werten co2 - w1 und (0l - c)2, während sie im raumfesten Koordinatensystem
im Mittel col beträgt und zwischen den Werten co, und 2 co, - co, schwankt. Da die
Winkelgeschwindigkeit c), zeitlich mit dem Amplitudenwert Alo -E- Aso zusammenfällt,
fällt das Maximum der Amplitude für co, > co, mit dem Maximum der Winkelgeschwindigkeit,
d. i. der Kreisfrequenz, für co, < co, dagegen mit dem Minimum der Winkelgeschwindigkeit
bzw. Kreisfrequenz zusammen. Mit anderen Worten: hat die kleinere der beiden einander
überlagerten Schwingungen die höhere Frequenz, so sind die Amplitudenmodulation
und die Phasenmodulation der Gesamtschwingung gleichphasig, wie Abb. 2 a schematisch
zeigt, im anderen Falle gegenphasig zueinander (Abb. 2b). Das gleiche gilt von den
differenzfrequenten Ausgangsschwingungen des Amplitudendemodulators und des Frequenzdemodulators,
falls dieser zunächst durch Unterdrückung der Am- i plitudenmodulation die reine
Frequenzmodulation isoliert (vgl. Abb. 3 d), diese in eine gleichphasige Amplitudenmodulation
umwandelt und diese wiederum gleichrichtet.
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Man kann die Schwingung mit der größeren Amplitude als den Träger
und die Schwingung mit der kleineren Amplitude als das Seitenband einer mit der
Differenzfrequenz modulierten Schwingung auffassen, bei der das andere Seitenband
unterdrückt ist. Gleichphasigkeit von Amplituden- und Frequenzmodulation besteht
dann im Falle der Einseitenbandschwingung mit oberem Seitenband, Gegenphasigkeit
,bei unterem Seitenband.
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Bei der Anordnung nach Abb: i dient die erfindungsgemäße Anordnung
zur Fernsteuerung eines schematisch dargestellten Überlagerungsempfängers E mit
dem örtlichen Oszillator 0 durch einen in der Ferne befindlichen Steueroszillator,
dessen' ' Schwingung dem Empfänger E drahtlos oder, wie dargestellt, über ein Kabel
K zugeführt wird. Steueroszillator und örtlicher Oszillator sind über den gleichen
Bereich, z. B. 20 bis 25 m, abstimmbar. Der örtliche Oszillator soll sich
nun bei beliebiger Anfangsstellung auf dem kürzesten Wege selbsttätig auf die Steuerfrequenz
abstimmen, so daß also seine Frequenz gleich der des' Steueroszillators wird. Die
Amplitude der örtlichen Oszillatorschwingung
möge etwa io V betragen
und im Abstimmbereich zwischen 9 und ii V schwanken. Die Amplitude der über das
Kabel übertragenen Steuerschwingung wird im selbsttätig geregelten Verstärker V
auf etwa o,i bis i V gebracht. Gegebenenfalls genügt auch ein Amplitudenbegrenzer,
der die Amplitude den Wert von i V nicht überschreiten läßt und dadurch auf jeden
Fall klein gegen die Amplitude der örtlichen Oszillatorschwingung hält. Zwischen
örtlichem Oszillator 0 und dem zur Überlagerung der beiden Schwingungen dienenden
Transformator T kann auch eine Verstärkerstufe zwecks besserer Entkopplung des örtlichen
Oszillators von den Demodulatoren und der Steuerschwingung eingeschaltet werden.
Der z. B. als vorgespannte Diode ausgebildete Amplitudenbegrenzer A begrenzt die
Spannung auf 7 bis 8 V, so daß die im Takte der Differenzfrequenz erfolgenden Amplitudenschwankungen
unterdrückt werden. Natürlich kann auch eine übersteuerte Verstärkerröhre oder ein
selbsttätig verstärkungsgeregelter Verstärker hinreichend kleiner Regelzeitkonstante
verwendet werden. Das Filter F besitzt eine Durchlässigkeitskurve, die im Abstimmbereich
(i2 bis 15 MHz) von Null bzw. einem kleinen Wert angenähert gradlinig auf einen
großen Maximalwert ansteigt. Der Gleichrichter G' kann wie der Gleichrichter G als
Diode oder Audion ausgebildet sein. Die Phasenvergleichsvorrichtung enthält zwei
weitere Gleichrichter, z. B. Dioden G1 und G2. Diese sind eingangsseitig an den
GleichrichterG im Gegentakt, an den Gleichrichter G' im Gleichtakt angeschlossen.
Sind nun die differenzfrequenten Ausgangsschwingungen von G und G' gleichphasig,
so werden sich etwa die an G1 liegenden Wechselspannungen amplitudenmäßig addieren,
die an G2 liegenden subtrahieren. Im Gegentaktausgang entsteht dann an der Kathode
von G1 eine gegenüber der geerdeten Kathode von G2 positive Gleichspannung. Kehrt
sich der Sinn der Frequenzabweichung der ursprünglichen Schwingungen und damit die
Phase der Ausgangsschwingungen von G' um, so wird die Gleichspannung negativ. Im
vorliegenden Falle dient die Gleichspannung als Regelspannung für den umsteuerbaren
Motor M, gegebenenfalls über ein Differentialrelais, der den Abstimmdrehkondensator
des örtlichen Oszillators 0 und die mit diesem gekuppelten übrigen Abstimmkondensatoren
des Empfängers so lange nachstimmt, bis die Oszillatorfrequenz gleich der Steuerfrequenz
geworden ist. (Das Nullwerden der Regelspannung wird nur dann nicht genau mit dem
Gleichwerden der Regelspannung zusammenfallen, wenn an den Ausgängen der Demodulatoren
Oberwellen der Differenzfrequenz mit merklichen Amplituden auftreten würden. Dies
wird aber praktisch völlig vermieden, wenn das Amplitudenverhältnis der ursprünglichen
Schwingungen etwa i : 5 nicht überschreitet, da der Klirrfaktor angenähert gleich
dem vierten Teil des Amplitudenverhältnisses ist).
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An Stelle der in Abb. i angenommenen Demodulatoren können auch andere,
z. B. multiplikative Demodulatoren treten, d. h. Mehrgitterröhren mit zwei durch
ein Schirmgitter getrennten Steuergittern, denen die zu mischenden Schwingungen
getrennt zugeführt werden (normalerweise dem einen Steuergitter der Träger und dem
anderen Steuergitter die Gesamtschwingung oder nur das Seitenband). Im vorliegeng
d rd entsprechend Abb. 4 bei jedem der er n modulatoren F w Dl und D2 dem
einen, etwa dem kathodenseitigen Steuergitter, die Steuerschwingung, dem anderen
Steuergitter die örtliche Oszillatorschwingung zugeführt. Jedoch muß die momentane
Phasendifferenz zwischen den beiden Schwingungen an dem einen Demodulator ständig
um 9o° gegenüber der entsprechenden Phasendifferenz an dem anderen Demodulator verschoben
sein. Zu diesem Zwecke wird die eine Schwingung, etwa die Steuerschwingung, den
beiden Demodulatoren unmittelbar, d. h. gleichphasig, zugeführt, während die andere
Schwingung den Demodulatoren in zwei um 9o° gegeneinander phasenverschobenen Anteilen
zugeführt wird, was durch den Phasenschieber P1 erreicht wird. Faßt man die Schwingungen
an dem einen Demodulator Dl wieder als Träger und Seitenband einer einseitenbandmodulierten
Gesamtschwingung auf, so demoduliert dieser Demodulator die Amplitudenmodulation,
der andere Demodulator D2 infolge der 9o°-Verschiebung die Phasenmodulation der
Gesamtschwingung. Die differenzfrequenten Ausgangsschwingungen der Demodulatoren
haben gegeneinander eine Phasenverschiebung von ebenfalls 9o°, und zwar eilt die
Ausgangsschwingung des Demodulators um 9o° vor, an dem die Eingangsschwingung höherer
Frequenz um 9o° voreilt (bzw. die Eingangsschwingung tieferer Frequenz um 9o° nacheilt).
Je nach dem Sinn der Frequenzabweicbung eilt also entweder die Ausgangsschwingung
des Demodulators Dl oder die des Demodulators D2 um 9o° vor. Dieses Verhalten entspricht
der 9o° betragenden Phasenvoreilung bzw. -nacheilung der Phasenmodulation der Gesamtschwingung
gegenüber der Amphtudenmodulation, wie sich aus Abb. 3 ersehen läßt.
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Will man die Phasenvergleichsvorrichtung P ähnlich der in Abb. i dargestellten
ausbilden, so muß man in den Ausgang eines der Demodulatoren, etwa D2, einen weiteren
Phasenschieber P2 einschalten, der die differenzfrequenten Ausgangsschwingungen
um weitere 9o° verschiebt, so daß sie je nach dem Sinn der Frequenzabweichung gleichphasig
oder gegenphasig werden.
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An sich kann die Phasenverschiebung der ursprünglichen Schwingungen
am Eingang der Demodulatoren, wie sie bei Abb. ¢ durch P1 bewirkt wird, statt 9o°
einen beliebigen von o und 18o° verschiedenen Wert a besitzen. Je nach dem Sinn
der Frequenzabweichung beträgt dann die Phasenverschiebung der differenzfrequenten
Ausgangsschwingungen -f- a oder - a. Nimmt man ausgangsseitig eine weitere Phasenverschiebung
um ß vor, etwa durch P2, so kann man immer eine Phasenvergleichsvorrichtung entsprechend
Abb. i verwenden. Die erzeugten Gleichspannungen sind jedoch am größten, wenn die
resultierenden Phasendifferenzen ß + a und ß - a die Werte o und i8o°, d.
h. ß und a die Werte 9o bzw. -9o° annehmen.
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Die gleiche Anordnung ist in der gleichen Weise wirksam, wenn man
die beiden Schwingungen statt multiplikativ additiv mischt, d. h. wenn man die Schwingungen
einmal unmittelbar, einmal mit der
entsprechenden Phasenverschiebung
zur Überlagerung bringt und die beiden Gesamtschwingungen je einem üblichen Gleichrichter
zuführt. Der Vorteil all dieser an Hand von Abb.3 geschilderten Anordnungen besteht
darin, äaß die Amplituden der Gesamtschwingungen keinerlei Beschränkungen unterliegen,
der Sinn der erzeugten Gleichspannung ist nur vom Sinn der Frequenzabweichung abhängig,
nicht davon, ob die eine oder die andere Schwingung die größere Amplitude hat. Die
Anordnung nach Abb. i, bei der eine derartige Amplitudenbedingung besteht und entsprechende
Amplitudenregler vorgesehen sein müssen, benötigt hingegen nicht die Phasenschieber
P1 und P2 und ist insbesondere dann vorteilhaft anzuwenden, wenn die beiden Schwingungen
von vornherein in einander überlagertem Zustande vorliegen.
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Soll die erfindungsgemäße Anordnung zur Anzeige des Sinnes der Frequenzabweichung
mittels eines Meßinstruments dienen, so kann man die Anordnung so ausbilden, daß
gleichzeitig die absolute Größe der Frequenzabweichung angezeigt wird, da z. B.
bei der Anordnung nach Abb. i der Frequenzhub der Gesamtschwingung und damit die
Amplitude der differenzfrequenten Ausgangsschwingung am Gleichrichter G' mit wachsender
Frequenzdifferenz ansteigt. Damit eine absolute Eichung möglich ist, müssen hierbei
die Amplituden der beiden Schwingungen konstant gehalten werden, wobei es vor allem
auf die kleinere Amplitude ankommt, oder es muß ein Quotienten anzeigendes Instrument,
z. B. Kreuzspulinstrument, verwendet werden.