-
Schaltungsanordnung zur Synchronisierung einer sinusförmigen Spannung
mittels Impulsen, insbesondere für oszillographische Zwecke oder Mehrfachnachrichtenübertragung
In
der Technik tritt auf verschiedenen Gebieten die Aufgabe auf, die von einem Generator,
welcher eine sinusförmige Spannung erzeugt, gelieferte Spannungskurve mittels kurzer
Impulse zu synchronisieren. Wenn man z. B. auf dem leuchtschirm einer Braunschen
Röhre eine sogenannte Kreilsablenkung hervorrufen will, d. h. eine Leuchtspur von
kreisförmiger Gestalt erzeugen will, benötigt man zwei um 900 gegeneinander phasen
verschobene Sinuskurven, die an den beiden Ablenkplattenpaaren oder in den beiden
Ablenkspulenpaaren wirksam sein müssen. Diese kreisförmige Ablenkung muß dabei mit
einer gegebenen Spannung synchromsiert werden können, damit man den Zeitabstand
irgendwelcher elektrischer Vorgänge, welche den Radius der Leuchtfleckbewegung heu
in flussen, von einem bestimmten Anfangspunkt des Kreises nachmessen kann. Außer
für oszillographische Zwecke kann eine derartige synchronisierte Krei sablenkung
auch beispielsweise noch für die gleichzeitige Übertragung einer Mehrzahl von Nachrichten,
z. B. von Fernlgesprächen, über einen einzigen Übertragungskanal notwendig sein.
Man benutzt in diesem letzteren Fall auf der Sendeseite einen Kathodenstrahlschalter
bzw. eine Braunsche Röhre, ordnet am Umfang des Kreises eine Anzahl
von
Kontakten bzzv. Photozellen an, welche den einzelnen Nachrichten zugeordnet sind,
und über trägt nacheinander eine Reihe von Impulsen auf dem erwähnten Obertrag,ungslcanal,
wobei jeder Impuls einer anderen Nachricht zugeordnet ist. Die Umlauf frequenz des
Kathodenstrahls muß höher gewählt werden als die höchste in den einzelnen Nachtrichten
enthaltene zu übertragende Frequenz, und so werden dann von dem Spannungsverlauf,
der jeder einzelnen Nachricht zugeordnet ist, so viele Augenblickswerte übertragen,
daß empfangsseitig aus den ankommenden einzelnen Impulsen der ursprüngliche senderseitige
Nachrichtenspanr nunfgsnrerlauf wieder hergestellt werden kann. Am Empfänger muß
sich ebenfalls ein Kathodenstrahlschalter mit einer Anzahl von Kontakten oder eine
Braunsche Röhre mit einer Anzahl von Photozellen befinden. Die einzelnen Nachrichtenempfänger
werden dann an die einzelnen Kontakte des Kathodenstrahlschalters oder die einzelnen
Photozellen angeschlossen und enthalten je einen Detektor zur Herstellung des senderseitigen
Spannungsverlaufs aus den fernübertragenen Impulsen, eine oder mehrere Verstärkerröhren
und die Wiedergabegeräte für die betreffende Nachricht. Der empfangssieitige Kathodenstrahl
im Schalter oder der Braunschen Röhre muß nun durch fernübertragene Impulse synchronisiert
werden können, um eine richtige Zuordnung der Sender und Empfänger für die einzelnen
Nachrichten sicherzustellen.
-
Gemäß. Wider Erfindung wird zur Synchronisierung der Sinusspannung
mittels Impulsen -die sinusförmige Spannung zunächst derart in eine Trapezkurve
umgeformt, daß nur die in unmittelbarer Nähe des Nulldurchgangs liegenden Sinuskurventeile
erhalten bleiben, die anderen Teile jedoch abgeflacht werden, und diese Trapezkurve
oder aus ihr durch Differentiation abgeleitete Impulse, die phasengleich mit den
erhalten gebliebenen Teilen der Sinuskurve sind, zusammen mit den zur Synchronisierung
zur Verfügung stehenden kurzen Impulsen einer multiplikatis wirkenden Einrichtung
zugeführt werden und ein mit deren Ausgangsspannung zu- und ahnehmender Regeleinfluß
auf die Frequenz des Sinusgenerators ausgeübt wird.
-
Eine Aus führungs form der Erfindung ist in Abb. I der Zeichnung
dargestellt, in welcher als Generator für die sinusförmige Spannung ein Röhrengenerator
verwendet wird. Die Schwingröhre ist mit 10 bezeichnet, der feste Kondensator des
Schwinguhgskreises mit 11, und seine Drosselspule mit I2. Zur Rückkopplung dient
die Spule I3.
-
Parallel zum Kondensator II liegt eine sogenannte Blindröhre, d. h.
eine Verstärkerröhre I4, zwischen deren Anode unid Kathode sich die Reihen schaltung
eines Kondensators 15 und eines Widerstandes I6 befindet, wobei der Verbindungspunkt
dieses Kondensators und dieses Widerstandes an das Steuergitter der Röhre 14 angeschlossen
ist. Derartige Blindröhrenschaltungen sind an sich bekannt und verhalten sich wie
eine Kapazität, dia nämlich bei geeigneter Bemessung von 15 und I6 der Spannungsabfall
an 16 praktisch go0 mit der Spannung zwischein Anode und Kathode einschließt und
der Strom in der Röhre 14 daher um go0 der Spannung an ihrer Anode voreilt. Dies
ist aber das Kennzeichen eines Kondensators, an welchem eine Wechselspannung liegt.
Mit einer derartigen Blindröhrenschaltung kann man die Frequenz, mit welcher der
Röhrengenerator I0 bis 13 schwingt, durch eine Gleichspannung verändern. Wenn man
an das Gitter der Röhre 14 eine Gleichspannung anschließt und diese zunehmen läßt,
so gelangt der Arbeitspunkt auf der Kennlinie von 14 in Gebiete größerer Steilheit,
d. h. es wird bei gleicher Spannung zwischen Anode und Kathode ein größerer Strom
durch die Röhre 14 fließen. Mit zunehmender Gleichspannung am Steuergitter von 14
wird also die scheinbare Kapazität, welche zum Koudensator I I parallel liegt, vergrößert,
die Periodendauer der Schwingung des Röhrengenerators also ebenfalls vergrößert
und die Frequenz gesenkt.
-
Abhängig von der Spannung u am Steuergitter von 14 zeigt die Frequenz
also etwa den in Abb. 2 dargestellten Verlauf. Mit der Drosselspule 12 des Röhrengenerators
ist eine weitere Drossel I7 magnetisch gekoppelt, welche über einen Verstärker I8
einerseits zum Verbraucher 43 für die Sinusspannung, also jbeispielsweise ein Ablenkplattenpaar
einer Braunschen Röhre führt und andererseits zu dem ersten Steuergitter und der
Kathode einer Sechspolröhre I9. Dem Steuergitter ist dabei noch ein hoher Widerstand
20 vorgeschaltet. Am anderen Steuergitter, welches eine konstante negative Vorspannung
haben möge, liegen mit positiver Polarität die gegebenen Impulse, welche den Sinusgenerator
synchronisieren sollen. Mit 21 ist ein Koppelkondensator bezeichnet und mit 22 ein
Gitterableitwiderstand, dessen unteres Ende auf konstantem negativem Potential gegenüber
Kathode liegt. Der Anodenkreis der Röhre 19 enthält die Parallelschaltung eines
Kondensators 23 und eines Widerstandes 24. Die Zeitkonstante dieses Parallelgliedes
kann einstweilen also etwas größer als die Periodendauer Ti der gegebenen Synchronisierimpulse
angenommen werden.
-
Zur Erläuterungtder Wirkungsweise der Schaltung nach Abb. I sei auf
die Abb. 3 Bezug genommen, in welcher die Sinuskurve, wie sie am Ausgang des Verstärkers
auftritt, mit 25 bezeichnet ist. Der Aussteuerbereich der Röhre 19 am ersten Gitter
ist durch den senkrechten Abstand der beiden waagerechten Linien 0 und s1 angedeutet.
Der Anodenstrom ruder Röhre 19 würde daher, wenn das obere Steuergitter dauernd
mit der Kathode verbunden wäre, die Form haben, wie sie in Abb. 3, Rechteckkurve
26, dargestellt ist. Die oberen waagerechten Teile wider Kurve 26 entsprechen dem
konstanten Potential, welches am unteren Steuergitter während des größten Teils
der positiven Sinushaibwellen herrscht, da der Spannungsabfall, welchen der Gitterstrom
im Widerstand 20 erzeugt, das Gitterpotential dort konstant hält. Die Unterbrechung
des Anodenstromes während des größten Teils der negativen Spannungshalbwellen rührt
daher, daß wegen wider großen Amplitude der Kurve 25 und
des verhältnismäßig
kleinen Aussteuerbereiches der Röhre 19 der Anodenstrom fast während der ganzen
negativen Hafbperiode gesperrt ist. Mit 27 ist nun in Abb. 3 die impulsförmige Spannung
bezeichnet, welche am oberen Steuergitter der Röhre 19 wirkt.
-
Wenn nun die augenblickliche Phasenlage der Impulse zu der Spannung
25 so ist, wie durch die Impulskurve 27a dargestellt, so erzeugt jeder Impuls von
27a einen Anodenstrom in der Röhre 19 da er in die positive Halbwelle der Sinusspannung
25 hineinfällt, in welcher das untere Steuergitter einen Anodenstrom zuläßt. Ist
dagegen die Phasenlage der Impulse zur Sinusspannung 25 so, wie durch die Kurve
27b dargestellt, so tritt überhaupt nie ein Anodenstrom in der Röhre 19 auf, da
während der negativen Sinushalbwellen die Röhre 19 am unteren Steuergitter vollständig
gesperrt wird. Wenn dagegen ein synchronisierender Impuls teilweise mit dem Stromübergang
von einem endlichen Anodlenstromxnnert auf o in der Kurve 26 zusammenfällt, so fließt
ein Anodenstrom in der Röhre, der zwischen dem Wert o und dem durch einen Impuls
der Reihe 27u erzeugten Anodenstrom liegt. Das Potential an der Anode der Röhre
19 ist also am höchsten bei der Phasenlage gemäß Kurve 27b, am niedrigsten bei der
Phasenlage gemäß Kurve 27' und hat beim Zusammenfallen des Impulses mit dem Stromübergang
in der Kurve 26 einen mittleren Wert, dessen Größe davon abhängt, ein wie großer
Bruchteil des Impulses auf die steile Ubergangsflanke in der Kurve 26 fällt. Wenn
ein Syncbronisierimpuls dilese steile Übergangsflanke also gewissermaßen berührt,
während er vorher in der positiven Sinushalbwelle lag, steigt dasAnodenpotential
von 19 an, die Frequenz des Röhrenenerators sinkt nach d!en an Hand der Abb. 2 getroffenen
Feststellungen, und die Periodendauer der Sinuskurve wird also vergrößert.
-
Somit liegt in der nächsten Sinusperiode der Syncbronisierimpnls
zu einem wieder etwas kleineren Teil auf der steilen Übergangsfianke und es kommt
ein wieder etwas niedrigeres Potential an der Anode der Röhre 19 zustande, so daß
die Frequenzänderung des Röhrengenerators wieder rüclgängig gemacht wird und der
Nulldurchgang der Sinuskurve infolgedessen immer an der Stelle auftritt, an welcher
die synchronisierenden Impulse liegen. Hiermit ist die Aufgabe, die Sinuskurve so
zu beeinflussen, daß dieselbe mit den Impulsen in Synchronismus ist, gelöst.
-
Man kann nun leicht zeigen, daß die Synchronimpulse auf dem Stromübergang
von o auf einen endlichen Wert der Kurve 26 nicht liegen können, da dort kein stabiler
Betrieb möglich ist. Dies braucht jedoch nicht näher ausgeführt zu werden, da eine
Schaltungsanordnung nach Abb. 1 sich selbsttätig stets auf einen stabilen Arbeitspunkt
einstellt.
-
Die Ausführungsform nach Abb. I läßt bereits erkennen, daß mit der
Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung nicht nur eine außerordentlich phasenstarre
Synchronisierung erzeugt werden kann, sondern daß man, sofern die Anforderungen
an die Phasenstarrheit einmal gesteigert werden, auch diese erhöhten Anforderungen
ohne weiteres befriedigen kann. Die Phasenstarrheit der Synchronisierung hängt nämlich
nur davon ab, wie hoch die Amplitude der Spannungskurve 23 in Abb. 3 gewählt wird.
Je größer man diese Amplitude wählt, desto steiler ist der Stromübergang in der
Kurve 26 und desto geringer der Phasenunterschien zwischen einem Synchronisierimpuls
und dem Stromübergang in Kurve 26, der eine Stromänderung in der Röhre 19 von o
auf den maximal möglichen Anodenstrom hervorruft. Die erfindungsgemäß Schaltungsanordnung
erlaubt es ferner. außerordentlich billige Sender ohne Stabilisierunbsmittel wie
Stimmgabeln oder Quarze zu verwenden und auch ohne kostspielige teinperaturkonstante
Kondensatoren u. dgl. auszukommen. Es ist ferner möglich, die phasenstarre Synchronisierung
auch dann vorzunehmen, wenn in dem Verstärker 18 etwa eine konstante Phasenverschiebung
auftritt. da die Frequenzeegelung des Generators ja derart stattfindet, daß an dem
Verbraucher die Sinusspannung phasenstarr zu den Impulsen gehalten wird. Auch Veränderungen
des Phasenverschichungswinkels sind in dem Verstärker 18 ohne weiteres auszuregeln,
so daß also innerhalb einer Zeitspanne, in der am Verbraucher keine Phaseuschwankung
auftritt, am Röhre generator selbst erhebliche Phasendifferenzen auftreten können.
-
Versuche mit einer Schaltungsanordnung I haben gezeigt, daß die Zeitkonstante
des RC-Gliedes 23, 24 am günstigsten etwas kürzer als eine Periodendauer der Sinuskurve
gewählt wird, da bei einer längeren Zeitkonstante stets mehrere Perioden ablaufen
müssen, bis der Regeleinfluß am Röhre generator sich bemerkbar macht und in dieser
Zeit größere Phasendifferenzen zwischen den Impulsen und der Sinusspannung auftreten
können. Bei kürzerer Zeitkonstante wird dagegen die Dauer jeder einzelnen Periode
der Sinusspannung nach dem Ergebnis des Phasenvergleiches, welcher in der Röhre
19 stattfindet, beeinflußt, und größere Phasendifferenzen können nicht mehr entstehen.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die in Abb. 4
dargestellt ist, wird aus der Sinusspannung mittels einer differenzierenden Schaltungsanordnung
ein Vorgang kurzer Dauer hergestellt, der dann mit dem synchronisierenden Impuls
in ähnlicher Weise verglichen wird. wie an Hand der Abb. I und 3 beschrieben. In
Abb. 4 ist ein Röhrengenerator, welcher ähnlich aufgebaut werden kann wie in Abb.
I, nur durch ein Rechteck 28 dargestellt, und die von seinen Ausgangsklemmen 29
gelieferte sinusförmige Spannung wird über einen C;ittervorwiderstand 30 dem Steuergitter
einer Schirmgittelrröhre 3I zugeleitet, in deren Anodenkreis sich eine Drosselspule
32 befindet. Der Anodenstrom der Röhre 3I verläuft also ebenso wie die Kurve 26
in Abb. 3, und an der Anode von 31 tritt eine Spannung auf, welche aus abwechselnd
positiven und negativen kurzen Impulsen, die mit
den steilen Stromübergängen
in Kurve 26 zusammenfallen, besteht. Diese Impulse liegen über ein Kopplungsglied
33, 34 am ersten Steuergitter der Sechspolröhre 19, in deren Anodenkreis sich ein
Wi'derstand 24 befindet. Dem zweiten Steuergitter der Sechspolröhre wird über ein
Kopplungsglied 35, 36 die Folge der Syuchronisierimpulse zugeführt.
-
An der Anode der Röhre 19 liegt ein Verzögerungsglied, das aus einem
Widerstand 37 und einem Kondensator 38 besteht, an welches seinerseits die Regeiklemme
des Röhrengenerators 28 über eine Kompensationsbatterie, welche den Gleichspannungsunterschied
zwischen der Anode von 19 und dem zur Regelung bestimmten Steuergitter ausgleicht,
angeschlossen ist.
-
Die Wirkungsweise der Schaltung nach Abb. 4 soll zunächst unter der
Annahme erläutert werden, daß die Impulse, welche von der Anode der Röhre 3I an
das erste Steuergitter der Röhre 19 kommenj positiv sind und daß auch die Synchronisierimpulse,
welche dem zweiten Steuergitter zugeleitet werden, positive Polarität haben. Die
differenzierten Impulse am ersten Steuergitter von 19 sind in Abb. 5 mit 39 bezeichnet
und die positiven Synchronimpulse mit 40. Durch die punktierte, waagerechte Linie
ist bei beiden Impulsen derjenige Potentialwert angedeutet, bei welchem das betreffende
Steuergitter Anodenstrom passieren läßt, wenn die Impuls amplitude positiver ist,
und den Anodenstrom sperrt, wenn der Augenblickswert gdes Impulses einen negativeren
Betr-ag hat. Man kann nun leicht zeigen, daß die rechte absteigende Flanke des Impulses
39 in die linke aufsteigende Flanke des Impulses 40 eintauchen muß, um einen stabilen
Betrieb zu erzeugen. Solange nämlich die beiden Impulse eine so große Phasendifferenz
haben, daß sie in keinem Zeitpunkt gleichzeitig positiv sind, ist der Anodenstrom
der Röhre 19 dauernd gesperrt und das Potential an der Anode dieser Röhre dauernd
gleich dem Potential an der positiven Anodenspannun'gsklemme. Wenn jedoch die beiden
Impulse 39 und 40 sich teilweise überdecken, fließt für die Zeitdauer dieser Überdeckung
Strom in der Röhre I9 und ,im Widerstand 24. Das Anodenpotential sinkt also gegenüber
dem Zustand, wo keine Überdeckung der beiden Impulse stattfindet.
-
Mit einer Absenkung des Anodenpotentials an 19 ist aber, wie die Abb.
2 zeigt, eine Frequenz erhöhung verbunden, so daß also die Periodendauer der Sinusschwingungen
sich verkürzt und der Impuls 39 infolgedessen wieder nach links wandert, so daß
die Zeitdauer der Überdeckung wieder vermindert wird. Die Frequenz des Röhrengenerators
wird ebenso, wie bei der Schaltung nach Abb. I bei einem mittleren Wert der Spannung
an der Anode 19 auf die gewünschte Frequenz der synchronisierenden Impulse eingestellt,
und die beschriebenen Regelvorgänge machen dann Abweichungen von diesem mittleren
Wert wieder zu o.
-
Für die Zeitkonstante des RC-Gliedes 23, 24 in Abb. I einerseits
und die Zeitkonstante des Verzögerungsgliedes 37, 38 in Abb. 4 ,andererseits gelten
ähnliche Überlegungen. Wird die Zeitkonstante sehr groß gemacht, so macht sich der
regelnde Einfluß langsam bemerkbar und es treten unter Umständen mehrere Sinusperioden
auf, bei denen die Phasentibereinsimmung mit den steuernden Impulsen nicht sehr
gut ist. Macht man die Zeitkonstante zu klein, d. h. läßt man in Abb. 4 das Verzögerungsglied
fort, so ist die Regelspannung an der Eingangsklemme ,des Generators 28 in außerordentlich
kurzer Zeit abgelaufen und die Kapazität des Röhrengenerators wird zwar verändert,
aber nur für eine so kurze Zeit, daß die Periodendauer Jeder Schwingungen nicht
wesentlich beçinfiußt wird. Daher wird das Verzögerungsglied 37, 38 auf eine Zeitkonstante,
die etwas kürzer ist als die Periodendauer der Sinuskurve, eingestellt, so daß eine
Überdeckung ,der Impulse 39 und 40 praktisch nur die nächste ablaufende Sinusschwingung
beeinflußt, aber nicht mehr die darauf folgenden.
-
In ähnlicher Weise, wie es an Hand der Abb. 5 geschehen ist, kann
man zeigen, daß, wenn die Impulse am oberen Steuergitter der Röhre 19 negativ sind,
diese Impulse länger sein müssen als die am ersten Steuergitter der Röhre 19 wirkenden
positiven Impulse und daß der stabile Betrieb darin besteht, daß die absteigende
Flanke der Impulse 41 am ersten Steuergitter der Röhre 19 die aufsteigende Flanke
der Impulse 42, welche am oberen Steuergitter der Röhre 19 liegen, gerade berühren
muß, um einen stabilen Betrieb zu erzeugen. Die stabile Phasenlage der beiden Impulse
gegeneinander ist also etwa so wie in Abb. 6 dargestellt.
-
Allgemein ist bezüglich der Frage der Polarität der Synchronisierimpulse
einerseits und der aus der Sinuskurve abgeleiteten Impulse (auch die Stromkurve
26 in Abb. 3 ist als eine Impulsfolge zu betrachten) folgendes zu sagen: Wenn die
Synchronimpulse positiv sind und die aus der Sinuskurve asbgeleiteten Impulse, im
folgenden kurz Sinusimpulse genannt, negativ, so müssen die Sinusimpulse länger
sein als die Synchronimpulse; nur dann kann nämlich in der Röhre 19 der Fall vollkommener
Koinzidenz beider Impulse, d. h. der FEall einer vollkommen stromlosen Röhre, auftreten,
der nicht nur erstrebenswert ist, weil dann die steilste Kennlinie für die Regelung
erreicht wird, sondern auch deshalb, weil durch eine geringe Veränderung der Röhreneigenschaften
dann die Wirkweise der Regelung nicht gefährdet wird.
-
Sind die Synchronimpulse positiv und die Sinusimpulse ebenfalls positiv,
so brauchen an die Länge ,der Impulse keine besond'eren Anforderungen gestellt zu
werden. Dieser Fall war bereits bei Abb. 5 vorausgesetzt worden.
-
Sind sowohl die Synchronimpulse als auch die Sinusimpulse negativ,
so erhält man eine außerordentlich flache Regelkennlinie, die für den praktischen
Betrieb so gut wie unbrauchbar ist.
-
Sind die Synchronimpulse negativ und die Sinusimpulse positiv, so
müssen die Sinusimpulse kürzer s-ein als die Synchronimpulse, um die gleiche Wirkung,
die beispielsweise an Hand von Abb I und 4
beschrieben ist, zu erreichen,
d. h. um den Sinus phasenstarr synchronisieren zu können.