DE862174C

DE862174C - Quartz-stabilized vibration generator with a large frequency range

Info

Publication number: DE862174C
Application number: DET2541D
Authority: DE
Inventors: Franz Dipl-Ing Schoefer
Original assignee: Telefunken AG
Current assignee: Telefunken AG
Priority date: 1942-10-14
Filing date: 1942-10-14
Publication date: 1953-01-08

Description

Quarzstabilisierter Schwingungserzeuger mit großem Frequenzbereich In der Hochfrequenztechnik und besonders in der Hochfrequenzmeßtechnik besteht häufig die Forderung nach hoher Frequenzkonstanz bei gleichzeitiger Möglichkeit, die Frequenz in einem großen lückenlosen Bereich ändern zu können. In den meisten Fällen ist eine Frequenzkonstanz von i.io-6 über 24 Stunden ausreichend.Quartz stabilized vibration generator with a large frequency range In high-frequency technology and especially in high-frequency measurement technology, there is often the requirement for high frequency constancy with the simultaneous possibility of changing the frequency to be able to change in a large gapless area. In most cases it is a constant frequency of i.io-6 over 24 hours is sufficient.

Ein Sender ohne Quarz, der den Vorteil der lückenlosen Frequenzänderung über praktisch unbegrenzte Bereiche hat, scheidet aus, da man damit auch bei größtem Aufwand kaum eine höhere Frequenzkonstanz als i.io-5 erreichen würde. Quarzgesteuerte Sender aber erfordern eine sehr große Anzahl von Quarzen, da die Quarzfrequenz nur in kleinen Grenzen änderbar ist. Eine solche Änderung ist bekanntlich mittels eines zum Quarz parallel oder in Reihe geschalteten regelbaren Blindwiderstandes durchführbar (Patent 560 366). Als bekannt sei noch vorausgesetzt, daß die Serienresonanz eines Quarzkristalls mit einer Toleranz von i.io-" hergestellt werden kann.A transmitter without a crystal, which has the advantage of seamless frequency changes over practically unlimited ranges, is ruled out because it would hardly achieve a higher frequency constancy than i.io-5 even with the greatest effort. Quartz-controlled transmitters, however, require a very large number of crystals, since the crystal frequency can only be changed within small limits. As is known, such a change can be carried out by means of a controllable reactance connected in parallel or in series with the quartz (patent 560 366). As known, it is also assumed that the series resonance of a quartz crystal can be produced with a tolerance of i.io- ".

Die Erfindung macht von einer bekannten Senderanordnung Gebrauch, bei der die Differenzfrequenz zweier quarzstabilisierter Frequenzen erzeugt wird (Patent 531818). Erteilt man der einen dieser beiden Frequenzen eine bestimmte Frequenzänderung, so erhält die Ausgangsfrequenz bekanntlich dieselbe absolute Änderung und somit eine gesteigerte relative Änderung. Die Erfindung besteht darin, daß die andere Frequenz stufenweise durch Umsthalten auf einen anderen Quarz so einstellbar ist, daß die stetig von der Differenzfrequenz überstrichenen Bereiche aneinanderstoßen, und daß Oberwellen der Differenzfrequenz gebildet werden, die so niedrig bemessen ist, daß sich der verlangte, stetig überstrichene Frequenzbereich lückenlos aus mehreren Oberwellenbereichen zusammensetzt, und daß das Verhältnis der urprüng-Echen Frequenzen zu der Differenzfrequenz nur so groß gewählt ist, daß der Frequenzkonstanzverlust noch tragbar ist. 1 An- sich ist es bekannt, den Frequenzbereich eines Meßsenders durch Ausnutzung der oberen, lückenlos sich aneinanderschließenden Oberwellenbereiche zu vergrößern (TFT 1937, S. 2o9 oben). Die Erfindung beste demgegenüber in der gleichzeitigen Anwendung mehrerer umschaltbarer Quarze, der erwähnten Differenzbildung und Ausnutzung der Oberwellen, sowie in der bestimmten Bemessung der ursprünglichen Frequenzen mit Rücksicht auf einen geringen Verlust an Frequenzkonstanz. Der Sinn aller dieser Maßnahmen wird aus der folgenden Beschreibung ersichtlich.The invention makes use of a known transmitter arrangement in which the difference frequency of two quartz-stabilized frequencies is generated (patent 531818). If a certain frequency change is given to one of these two frequencies, the output frequency is known to have the same absolute change and thus an increased relative change. The invention consists in the fact that the other frequency can be adjusted in steps by switching to another crystal so that the areas continuously swept over by the difference frequency collide, and that harmonics of the difference frequency are formed which is so low that the required one is steadily The swept frequency range is composed of several harmonic ranges without gaps, and that the ratio of the original-Echen frequencies to the difference frequency is only chosen so large that the loss of frequency constancy is still acceptable. 1 As such, it is known to enlarge the frequency range of a measuring transmitter by utilizing the upper, seamlessly contiguous harmonic ranges (TFT 1937, p. 209 above). In contrast, the invention is best in the simultaneous use of several switchable crystals, the mentioned subtraction and utilization of the harmonics, as well as in the specific dimensioning of the original frequencies with regard to a slight loss of frequency constancy. The sense of all of these measures will become apparent from the following description.

Die fünf Quarzkristalle Q, bis Q, in Abb. i mit den Frequenzen f, bis f, können durch den Umschalter U wahlweise in einer Schwingschaltung in Serienresonanz angeregt werden, z. B. der bekannten Heegner-Schaltung nach Abb. 2 ohne die Teile Zk. In einer zweiten Schwingschaltung wird der Quarz Q" mit der Frequenz f, der mit einem Ziehkreis Zk ausgestattet ist, angeregt. Ein Schaltbeispiel ist in Abb. 2 dargestellt. Der Ziehkreis Zk besteht in diesem Beispiel aus einem Serienresonanzkreis, dessen Eigenfrequenz auf größere oder kleinere Werte als die Quarzserienresonanzfrequenz eingestellt werden kann. Die Frequenzen von Q, bis Q" seien z. B. fl 5o kHz + io Hz, f, 5o k-Hz + 3o Hz, f, 5o kHz + 50 Hz, f4 50 kHz + 7o Hz und f5 50 kHz + go Hz. Die Frequenz von Q" sei f, = 6o kHz. Der Ziehkreis.Zk gestatte eine Frequenzänderung von ± io Hz. Die in der Mischstufe M entstehende Differenzfrequenz fm von etwa io kHz läßt, sich also mittels des Ziehkreises Zk und durch Wahl eines der fünf QuarzkristaRe Q, bis Qr, lückenlos um A f = ioo Hz ändern. Diese änderbare Differenzfrequenz fm wird nun einem Verzerrer V, z. B. einer Röhre mit hoher negativer Vorm spannung, zugeführt. Die Oberwellen von fm sind dann nach der Formel fm /J f = n, im vorliegenden Falle io ooo/ioo = ioo, d. h. -nach der hundertsten Oberwelle, also oberhalb ioo - io kHz = iooo kHz, lückenlos. Die obere Grenze des Frequenzbereiches ist jeweüs durch die Amplitude der Oberwellen gegeben, da mit zunehmender Ordnungszahl der Oberwellen die Amplitude abnimmt.The five quartz crystals Q, to Q, in Fig. F i with the frequencies, to f, can be selectively excited in a resonant circuit in series resonance by the changeover switch U, z. B. the known Heegner circuit according to Fig. 2 without the parts Zk. In a second oscillating circuit, the quartz Q " is excited with the frequency f, which is equipped with a drawing circuit Zk. An example circuit is shown in Fig. 2. The drawing circuit Zk in this example consists of a series resonance circuit whose natural frequency is set to larger or smaller Values as the crystal series resonance frequency can be set. The frequencies from Q 1 to Q ″ are e.g. B. fl 5o kHz + io Hz, f, 5o kHz + 3o Hz, f, 5o kHz + 50 Hz, 50 kHz f4 + f5 7o Hz and 50 kHz + go Hz. The frequency of Q 'is f, = 60 kHz. The draw circle.Zk allows a frequency change of ± io Hz. The difference frequency fm of about io kHz that arises in the mixer M can be, i.e., by means of the draw circle Zk and by selecting one of the five quartz crystals Q to Qr, without gaps by A f = ioo Hz change. This changeable difference frequency will now fm a distortion V, eg. a tube with high negative Vorm voltage supplied. the harmonics of fm are then according to the formula fm / J f = n, in the present case io ooo / ioo = ioo, i.e. after the hundredth harmonic , i.e. above ioo - io kHz = iooo kHz, without gaps. The upper limit of the frequency range is given by the amplitude of the harmonics, since the amplitude increases with the order number of the harmonics decreases.

Es erscheint zunächst widersinnig, die Frequenzen erst durch Differenzbüdung herabzusetzen und dann durch OberweUenbildung wieder zu erhöhen. Die Herabsetzung der Frequenz ist jedoch aus zwei Gründen erforderlich. Erstens wird dadurch die Zahl der Quarze vermindert, weil. sich, wie oben gesagt, der relative EinsteRbereich erhöht, zweitens muß die Grundfrequenz, von der die Oberwellen gebildet werden, genügend klein gegenüber den Frequenzen des verlangten Frequenzbereiches sein, damit dieser Bereich lückenlos ist.At first it seems absurd, the frequencies only through differential formation and then to increase it again by overburden formation. The degradation however, the frequency is required for two reasons. First, it makes the Number of crystals decreased because. As mentioned above, the relative adjustment range secondly, the fundamental frequency from which the harmonics are formed must be sufficiently small compared to the frequencies of the required frequency range so that this area is complete.

Die mit der erfindungsgemäßen Einrichtung erzielbare Frequenzkonstanz ist bestimmt durch die Frequenzkonstanz der verwendeten Ouarzoszillatoren und den durch die Differenzbüdung eintretenden Konstanzverhist. Die Frequeiizkonstanz eines Quarzoszillators setzt sich zusammen aus dem Temperaturcinfluß auf den Quarz und den verschiedenen Einflüssen der Schaltung auf die Quarzfrequenz. Es ist heute ohne Schwierigkeiten möglich, Quarzkristalle mit einem Temperaturkoeffizient für die Quarzfrequenz kleiner als i.io-6/' C herzustellen. Bei Verwendung eines Thermostaten mit einem Durchgriff von i: ioo wird der Temperaturkoeffizient für die Quarzfrequenz kleüieralsi.io-'/'CAußentemperaturschwankung.Der Gesamteinfluß der Schaltung auf die Frequcnzkonstanz kann über 24 Stunden kleiner als 5.io-8 gehalten werden. Damit ist für eine Außentemperaturschwankung von z, B. 5' C die Konstanz eines Quarzoszillators besser als 1.,0-7 über etwa 24 Stunden. Dies bedeutet für die Frequenzen der erfindungsgcrnäßen Einrichtung bei einem Konstanzverlust von io: i eine Konstanz von i.io--'. Der durch die Differenzbildung zweier Quarzoszillatoren - entstehende Konstanzverlust wird um so kleiner, je kleiner das Verhältnis von Quarzfrequenz zu Differenzfrequenz gehalten wird. Daher wird gemäß einem wesentlichen Merkmal der Erfindung dieses Verhältnis möglichst klein gewählt. Die erzielbare Frequenzkonstanz wäre also kleiner, wenn man in Abb. i die Differenzfrequenz fm = io kHz mittels Frequenzen von iio und ioo kHz statt 6o und 5o kHz herstellen würde. Allerdings würde dann auch die Zahl der erforderlichen Quarze kleiner. Die Anzahl der Quarzkristalle und die zu wählenden Quarzfrequenzen sind bestimmt durch die geforderte Frequenzkonstanz sowie durch. die Größe des zu ändernden Frequenzbereiches.The frequency constancy that can be achieved with the device according to the invention is determined by the frequency constancy of the quartz oscillators used and the constancy ratio occurring as a result of the difference. The frequency constancy of a crystal oscillator is made up of the temperature influence on the crystal and the various influences of the circuit on the crystal frequency. Today it is possible without difficulties to produce quartz crystals with a temperature coefficient for the quartz frequency smaller than i.io-6 / ' C. When using a thermostat with a penetration of i: ioo, the temperature coefficient for the quartz frequency is smaller than 5.io-8. Thus, for an outside temperature fluctuation of, for example, 5 ° C, the constancy of a quartz oscillator is better than 1., 0-7 over about 24 hours. For the frequencies of the device according to the invention, with a loss of constancy of io: i, this means a constancy of i.io-- '. The loss of constancy caused by forming the difference between two crystal oscillators - becomes smaller, the smaller the ratio of crystal frequency to difference frequency is kept. Therefore, according to an essential feature of the invention, this ratio is chosen to be as small as possible. The achievable frequency constancy would be smaller if one were to produce the difference frequency fm = 10 kHz in Fig. I using frequencies of 10 and 100 kHz instead of 60 and 50 kHz. However, the number of crystals required would then also be smaller. The number of quartz crystals and the quartz frequencies to be selected are determined by the required frequency constancy and by. the size of the frequency range to be changed.

Die Frequenzkonstanz errechnet sich in dem oben angegebenen Zahlenbeispiel wie folgt: Der Konstanzverlust durch Differenzbüdung aus zwei Quarzoszülatoren beträgt 2 : i, bezogen auf die Quarzfrequenz von 50 kHz, weil. sich die Frequenzschwankungen der beiden Quarze addieren, und io: i, bezogen auf die Differenzfrequenz von io kHz, weil. die absoluten Frequenzschwankungen bei io kHz dieselben wie bei 5o kHz sind, jedoch bei io kHz relativ fünfmal größer sind. Somit wird unter der Annahme einer Frequenzkonstanz von i.io-7 bei einer Außentemperaturschwankung von 5' C über 24 Stunden für die Quarzoszillatoren die Frequenzkonstanz der in großem Bereich änderbaren Frequenz i.io-6.The frequency constancy is calculated in the numerical example given above as follows: The constancy loss due to difference formation from two crystal oscillators is 2: i, based on the crystal frequency of 50 kHz, because. the frequency fluctuations of the two crystals add up, and io: i, based on the difference frequency of io kHz, because. the absolute frequency fluctuations at 10 kHz are the same as at 50 kHz, but are relatively five times greater at 10 kHz. Thus, assuming a frequency constancy of i.io-7 with an outside temperature fluctuation of 5 ° C over 24 hours for the crystal oscillators, the frequency constancy of the frequency that can be changed in a large range is i.io-6.

Wählt man dagegen beispielsweise fm = 5 kHz statt io kHz, dann wird der änderbare Frequenzbereich schon ab 25o kHz statt iooo kHz lückenlos,. und zwar bei einer Frequenzkonstanz von z.io-6 unter gleichen Voraussetzungen, also der halben Frequenzkonstanz gegenüber i.io-11.If, on the other hand, you choose fm = 5 kHz instead of 10 kHz, then the changeable frequency range will be seamless from 25o kHz instead of 100 kHz. namely with a frequency constancy of z.io-6 under the same conditions, i.e. half the frequency constancy compared to i.io-11.

In einem weiteren, in Abb. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel werden die zur. Differenzbüdung erforderlichen Frequenzen durch Frequenzteilung in den Teilerstufen T, und T, aus quarzstabilisierten höheren Frequenzen erzeugt, die m-mal größer sind als die zur Differenzbildung dienenden Frequenzen. Diese Schaltung gestattet die Verwendung von Quarzkristallen höherer Frequenzen, die nach dem heutigen Stande der Quarztechnik für höchste Frequenzkonstanz leichter herstellbar sind.In a further embodiment shown in Fig. 3 , the for. Difference formation required frequencies generated by frequency division in the divider stages T, and T, from quartz-stabilized higher frequencies, which are m times greater than the frequencies used to form the difference. This circuit allows the use of quartz crystals of higher frequencies, which are easier to manufacture according to the current state of quartz technology for the highest frequency constancy.

Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung kann man für Meßzwecke jede gt-wünschte Bezugsfrequenz hoher Konstanz erzeugen. Mit einer Eichung oder tonfrequenten Meßeinrichtung besteht auch die Mög- lichkeit der direkten Hochfrequenzmessung (Wellenmesser). Bei Verwendung als Steuerstufe für Sender kann die Frequenz bei hoher Konstanz in großem Bereich geändert und als konstante oder veränderliche Frequenz ausgestrahlt werden. Die nicht gewünschten Oberwellen müssen dann ausgesiebt werden.With the device according to the invention, any gt-desired reference frequency of high constancy can be generated for measurement purposes. With a calibration or audio-frequency measuring device is also the possibility of direct high-frequency measurement (shaft diameter). When used as a control stage for transmitters, the frequency can be changed over a wide range with a high level of constancy and broadcast as a constant or variable frequency. The unwanted harmonics then have to be filtered out.

Der erfindungsgemäße Schwingungserzeuger ist auch zur Durchführung einer Frequenzmodulation eines quarzstabilisierten Senders mit großem Frequenzhub anwendbar, weil eine Frequenzmodulation eine stetige Frequenzänderung, und zwar im Takte der Modulationsfrequenz, darstellt. Zu diesem Zweck muß die Änderung des Scheinwiderstandes des ZichkrcisesZk in Abb. i oder ähnlicher, zusätzlicher, in Reihe geschalteter Ziehkreise im Takte der Modulationsfrequenz erfolgen. Hierzu können an sich bekannte Mittel angewendet werden, z. B. eine als Kapazität geschaltete Röhre, deren Kapazität durch Änderung der Gittervorspannung veränderbar ist. Da es dann erwünscht ist, daß der Zichkreis einpolig geerdet ist, kann hierzu die Schaltung nach Abb. 4 verwendet werden, in der der Quarz Q" ebenfalls in seiner Serienresonanz schwingt.The vibration generator according to the invention can also be implemented a frequency modulation of a quartz-stabilized transmitter with a large frequency deviation applicable because frequency modulation is a constant change in frequency, namely at the rate of the modulation frequency. To do this, changing the Impedance of the ZichkrcisesZk in Fig. I or similar, additional, in Series of connected drawing circles take place in the cycle of the modulation frequency. For this means known per se can be used, e.g. B. a switched as a capacitance Tube, the capacity of which can be changed by changing the grid bias. There it is then desired that the drawing circuit is unipolarly earthed, the circuit can do this can be used according to Fig. 4, in which the quartz Q "also in its series resonance swings.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Vibration generator using the difference frequency of two crystal-stabilized tube oscillators, one of which is continuously variable within small limits, characterized in that the other frequency can be set in stages by switching to another crystal so that the areas over which the difference frequency constantly swept collide, and that harmonics of the difference frequency are formed, which is dimensioned so low that the required, constantly swept frequency range is made up of several harmonic ranges without gaps, and that the ratio of the original frequencies to the difference frequency is only chosen so large that the loss of frequency constancy is still acceptable.

2. Modification of the vibration generator according to claim i, characterized in that the frequencies required to form the difference are generated by frequency division of quartz-stabilized higher frequencies (Fig. 3). 3. Vibration generator according to claim i and 2, characterized in that the constant variability of one frequency takes place in the cycle of a modulation frequency to achieve a frequency modulation.