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Verfahren zür Untersuchung des Frequenzganges frequenzabhängiger elektrischer
Ubertragungsglieder je mehr Einflußfaktoren in die Übertragungseigenschaften eines
elektrischen Gerätes eingehen, .desto wichtiger sind für den Abgleieh derartiger'
Geräte Meßeinrichtungen, die zuverlässige Untersuchungen ihres Frequenzganges und
seines Verlaufes im einzelnen ermöglichen. Bei der serienmäßigen Prüfung von. Verstärkern
und Empfängern ist dieses Problem von besonderer Bedeutung, da es hierbei darauf
ankommt, Verfahren anzuwenden, die einen möglichst einfachen und zeitsparenden Abgleich
der Geräte durchzuführen gestatten. Ob es sich nun etwa um den Verlauf der resultierenden
Bandfilterkurve eines Verstärkers oder etwa um die Charakteristik der Demodulationsstufe
eines Empfängers für frequenzmodulierte Wellen handelt, die zu lösende Aufgabe ist
in derartigen Fällen immer die gleiche: die Eigenschaften des Frequenzganges des
Gerätes bzw. einzelner Übertragungsglieder müssen für jede vorkommende Arbeitsfrequenz
unmittelbar möglichst anschaulich und eindeutig feststellbar sein.
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Die Erfindung ist auf ein für die Untersuchung ,der Übertragungseigenschaften
solcher. Glieder anwendbares Verfahren :gerichtet, ,das die vorstehen-,den Forderungen
in sehr weitgehendem Maße erfüllt. Das erfindungsgemäße Verfahren sei im nachstehenden
für den Fall -der Untersuchung von Empfängern für frequenzmodulierte Wellen, insbesondere
der Charakteristik von deren Demodulationsstufe, erläutert.
Unter
Frequenzmodulation versteht man im allgemeinen eine derartige Beeinflussung der
Frequenz eines Trägers, daß die Frequenzabweiehung der modulierten von der nicht
modulierten Trägerwelle der Modulation zeit- und :größengetreu proportional ist.
Bei der Demodulation kommt es zunächst darauf an, aus den Frequenzschwankungen des
Trägers die modulationsproportionale Beeinflussung seiner Amplitude abzuleiten,
so daß also amplitudenmodulierte Schwingungen entstehen.
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Diese Wandlung -der Trägerwelle wird in der Regel mittels stark frequenzabhängiger
Glieder vorgenommen, z. B. mittels Schwingungskreise und Siebketten. Die Charakteristik
eines .solchen Gliedes im Arbeitsfrequenzbereich sei im folgenden als Frequenzdemödulationskennlinie
bezeichnet. Diese kann etwa aufgenommen werden, indem man eine konstante Spannung
an den Eingang eines solchen Gliedes legt und .die Amplitude der Ausgangsspannun-
in Abhängigkeit von der Frequenz der Eingangsspannung ermittelt.
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Zur Erzielung einer in bezug auf das niederfrequente D@emodulationsprodukt
klirrfaktorfreien Wandlung muß .die Frequenzdemodulationskennlinie möglichst gerade
sein. Weitgehend gerade in ,diesem Sinne ist z. B: ein kleiner Frequenzbereich auf
den Flanken jeder normalen Resonanzkurve eines Schwingungskreises in der Nähe,der
Wendcpunkte. Da schon kleinste Abweichungen von der Geraden einen unzulässigen Klirrfaktor
hervorrufen, kann .die Kennlinie mit der erforderlichen Genauigkeit nur durch die
exakte Aufnahme vieler Linienpunkte ermittelt werden. Das ist aber besonders schwierig,
weil bei diesem Verfahren sowohl die Frequenz wie die Eingangs- und Ausgangsamplitude
mit großer Genauigkeit gemessen werden müssen.
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Es wurde deshalb versucht, die Frequenzdemodulationskennlinie mittels
eines Oszillographen unmittelbar sichtbar zu machen in ähnlicher Weise, wie man
auch bei der serienmäßigen Prüfung von Rundfunkempfängern z. B. :deren Dürchlaßkurve
nach oszillo.graphischer Anzeige einstellt. Die nach diesen Verfahren erzielbare
Genauigkeit reicht jedoch bei weitem nicht aus, um ,die Demodttlation.skennlinie
der Wandlerstufe von Empängern für frequenzmodulierte Wellen zu untersuchen.
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Es ist auch schon vorgeschlagen worden, die genannte D emodulationskennliniedadurch
auf ihre. Linearität hin zu untersuchen, &ß der Wandlerstufe eine Prüfspannung
zugeleitet wird, deren Frequenz sinusförmig moduliert ist, und das aus .dieser Modulation
hinter der Wandlerstufe abgenommene Demodulationsprodukt auf seinen Klirrfaktor
hin analysiert wird. Bei diesem Verfahren ist es-jedoch außerordentlich schwierig,
eine wirklich klirrfaktörfreie Frequenzmodulation der Prüfspannung durchzuführen,
vor allen Dingen, wenn es sieh um Frequenzänderungendabei handelt, die nicht mehr
klein gegen die zu modulierende Frequenz der Prüf.spännung sind.
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Durch Idas erfindungsgemäße Verfahren werden die Nachteile der bekanntgewordenen
Untersuchungsmethoden vermieden. Es handelt sich auch bei diesem neuen Verfahren
um eine indirekte Meß- und Untersuchungsmethode, und zwar besteht diese darin, .daß
der Differentialquotient der funktionalen Beziehung zwischen der Ausgangsamplitude
und der Frequenz einer durch das zu untersuchende Glied übertragenen Wechselstromgröße
(Spannung bzw. Strom) von konstanter Eingangsamplitude elektrisch dargestellt wird.
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Die elektrische Darstellung dieses Differentialquotienten kann etwa
in der Anzeige der dem Differentialquotienten proportionalen Demodulationsspannung
aus einer durch das zu untersuchende Glied übertragenen Prüfwechselspannung bestehen,
die mit -einem Hub frequenzmoduliert ist, ider klein. ist gegenüber dem Arbeitsfrequenzbereich
des Glie-4es. Beträgt der Arbeitsfrequenzbereich ,des Übertragungsgliedes z. B.
o,q. MHz, so kann der kleine Hilfshub etwa q. kHz, das ist also i °/o, gewählt werden.
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Wird die Grundfrequenz f, %der Prüfwechselspannung innerhalb des Arbeitsfrequenzb-ereicher:
des zu untersuchenden Gliedes verändert, so erhält man für jede Augenblicksfrequenz
fp eine dem Differentialquotienten proportionale Demoduiationsspannung, aus deren
Größe auf den Verlauf des Frequenzganges im einzelnen geschlossen wer-,den kann.
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Werden die einzelnen Ausgangsspannungsbeträge .den Arbeitsfrequenzen
zugeordnet aufgetragen, so erhält man, :da der Hilfshub konstant bleibt, eine Kurve,
die die Ableitung der Frequenzdemodülationskennlinie darstellt. Der Vorteil des
Verfahrens möge an einem' Zahlenbeispiel klargemacht werden: wobei es sich um .die
Frequenzdemodulationskennlinie einesEmpfängers handelnsoll,dessenzwischenfrequenter
Arbeitsfrequenzbereich zwischen o,8 und i,2MHzliegt. ZurFrequenzdemodulation sollen
idie Frequenzen ,dieses Bandes auf einen stark gedämpften Resonanzkreis arbeiten,
dessen. Eigenfrequenz etwa bei 0,7 MHz liegt, so,daß der geradlinige Teil
der Flanke im Frequenzmaßstab zwischen o,8 und 1,s MHz liegt. .
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Im Bereich von o,9 bis i,i MHz (Fig. i) sei die Demodulationskennlinie
als vollständig gerade angenommen (Wendepunkt) ; zu beiden Seiten hin möge sich
die Steilheit um io °/o verringern. Nach .dem neuen Untersuchungsverfahren ergibt
sich also bei o,9 bzw. bei i,i MHz ein, Amplitudenunterschied der Demodulationsspannung
von, rö °/o. Wollte man die Abweichung der Frequenzgangkurve U(fp) von der Geraden
aus Messungen der Ausgangsspannung ermitteln ohne Anwendung der Hilfsfrequenzmodulation,
so könnte diese Abwe-.-chung erst bei einer Frequenz von 0,85 bzw. i; 15
MHz durch einen Unterschied von etwa i %
des Spannungsbetrages gegenüber dem
Soll festgestellt werden, was mit einem :guten Instrument kaum zu messen ist.
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Voraussetzung für Richtigkeit und Genauigkeit der Untersuchung nach
idem neu vorgeschlagenen Verfahren ist ein konstanter Hub der Hilfsfrequenzmodulation
bei jeder Grundfrequenz der
Priifw.ecliselspannung. Um eine ausreichende
Frequenzhubkonstanz sicherzustellen, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, ,die Prüffrequenz
nach dem Zwischenfrequenzverfahren (Fig. 2) herzustellen. Der Triodenteil der Mehrzweckenröhre
3 dient als Schwingungserzeuger der Frequenz f1 von z. B. fo MHz, um bei dem gleichen
Zahlenbeispiel zu bleiben. Der in der Dreipunktschaltung an den Triodenteil angeschlossene
Resonanzkreis ist mit i gekennzeichnet. An die Klemmen 2 wird eine weitere Wechselspannung
:gelegt, deren Frequenz von 8,8 bis 9,2 MHz variabel ist. Durch Mischung der beiden
Hochfrequenzspannungen entsteht im Anodenkreis der Röhre 3 unter anderem eine Wechselspannung
der Frequenz o,8 bis 1,2 MHz. Der Resonanzkreis 4. dient als Demodulationsglied;
an den Klemmen 5 wird die Ausgangsspannung abgenommen. Die Hilfsmodulation der Frequenz
f1 mit einem Hub von dfl = 4 kHz wird durch Veränderung der Induktivität des Schwingkreises
i, etwa mit Hilfe eines parallel geschalteten Reaktanzröhres, durchgeführt. Die
an die Klemmen 2 angelegte Meßsenderspannung wird in ihrer Frequenz f2 periodisch
geändert von 8,8 bis 9,Z) MHz. Die Periode -dieser Frequenzänderung betrage etwa
5o Hz. Durch Mischung der beiden Frequenzen f1 und f2 entsteht die zur Prüfung der
Frequenzdemodulationskennlinie erforderliche Prüfwechselspannung, deren Grundfrequenz
f, periodisch von o8, bis r,2 MHz schwankt und,darüber hinaus ebenfalls mit einem
Hub von dfn = 4 kHz moduliert ist. Die Frequenz f".1 dieser Modulation betrage etwa
iooo Hz, d. h. das Zofache der Wippfrequenz f-2-Der zeitliche Verlauf der bei obergenannten
Voraussetzungen auftretenden Frequenzen und Spannungen wird durch die Kurven der
Fig. 3 dargestellt. Der Frequenzverlauf der Prüfspannung f" ergibt sich aus den
Frequenzschwankungen der beiden zu mischenden Spannungen f1 und f2. Durch die Wandlung
des Demodulationsgliedes wird die Prüfwechselspannung amplitudenmoduliert, so daß
sich durch deren Gleichrichtung wieder die Modulationsspannungen ergeben. Die für
die Steilheit .der Demodulationskennlinie charakteristischeRichtspannung U hat die
Frequenz f-1, beim angenommenen Beispiel fooo Hz. Diese Spannung wird von anderen
Demodulationsprodukten getrennt und gegebenenfalls verstärkt. Es ergibt sich dann
eine Ausgangsspannung U(f-l) des dargestellten Verlaufes. Die Einhüllende .dieser
Verlaufskurve ist ein Diagrammbild der jeweiligen Steifheit der Demodulationskennlinie.
Durch Gleichrichtung der Spannung U(f-l) ergibt sich somit eine Richtspannung, deren
Größe unmittelbar die Steilheit und damit auch den Verlauf der Demodulationskennlinie
interpretiert.
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Zur ausreichenden Trennung der Demodulationsspannung U,f",l) von der
durch den Wipphub (f-2 = So Hz) hervorgerufenen wird mit Vorteil ein fooo-Hz-Verstärker
benutzt, dessen Bandbreite etwa ± Zoo Hz beträgt. Durch Gleichrichtung der so verstärkten
Spannung ergibt sich die Richtspannung, die wie dargelegt, .der Steifheit der Frequenzdemodulationskennlinie
proportional ist. Wird die Wechselspannungskomponente dieser Richtspannung für sich
verstärkt, so erhält man eine Ausgangsspannung, deren Effektivwert proportional
der Steil'heitsänd-erung ist und als solche auch sehr vorteilhaft als Untersuchungs-
und Meßkriterium verwendet werden kann. In den Kurvenbildern der Fig. 3 ist die
verstärkte Wechselspannungskomponente mit LT', bezeichnet und ihr mathematischer
Wert mit
angegeben; in diesem Ausdruck ist A .eine Konstante (weggefallene Gleichspannungskomponente)
und B ein Proportionalitätsfaktor, der den Grad der Verstärkung der Wechselspannungskomponente
kennzeichnet.
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Der Steil'heitsverlauf kann nach geeigneter Verstärkung auch mittels
eines Oszillographen verfolgt werden. Besonders anschaulich wirkt dabei die gleichzeitige
Darstellung sowohl der Frequenzdemodulationskurve U(fp) als auch der Steilheit der
Kennlinie in einem Zweistrahloszillographen (Fit. 4).
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An eirein Beispiel möge noch die Meßgenauigkeit des Verfahrens überschlagen
werden. Es sei eine Steilheitsverminderung von. i °/o angenommen (das ist etwa ein
Zehntel der in Fig. i eingezeichneten Verminderung, mit gewöhnlichen Meßinstrumenten
also nicht mehr .meßbar). Der Wipphub von der Frequenz f-2 = 5o Hz sei ± Zoo 1<Hz.
Der Hub der Hilfsmodulation (f"1 = fooo Hz) betrage ± 4. kHz. Die 5o-Hz-Demodulationsspannung
betrage i Volt; dann ist die fooo-Hz-Ausigangsspannung 2o mV groß; sie ändert sich
durch die angenommene Steil'heitsverminderung sinngemäß um den Betrag von o,2 mV.
Nach Aussiebüng der 5o-Hz-Spannung und fooofacher Verstärkung der fooo-Hz-Spannung
ergibt sich für diese eine Ausgangsspannung von 2o Volt, die in den Gebieten der
kleineren Steilheit um o,2 Volt kleiner ist. Nach Gleichrichtung dieser Ausgangsspannung
und zoofacher Verstärkung der Richtspannung kann diese leicht mit einem Ventilvoltmeter
gemessen werden oder im Oszillographen angezeigt werden.
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Vorstehende Untersuchung erstreckte sich ausschließlich auf die amplitu:denmäßigenVerhältnisse;
der Phasengang blieb unberücksichtigt, der, wie genauere Nachprüfungen ergaben,
.die Überschlagsrechnung nicht maßgeblich beenflußt.
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Die an den genannten Verstärker für die iooo-Hz-Spannung zu stellenden
Anforderungen lassen sich wie folgt zusammenfassen: Als allgemeine Demodulationsspannung
U ergibt,sich eine 5o-Hz-Spannung, deren Amplitude i Volt beträgt, mit einigen Oberwellen,
ferner eine zooo-Hz-Spannung mit der Amplitude von o,o2 Volt mit Seitenbändern von
± 3oo Hz. Die zooo-Hz-Spannung muß mit ihren Seitenbändern durch zooofache Verstärkung
auf 2o Volt gebracht werden. Die 5o-Hz-Spannung und ihre Oberwellen sollen in dem
Endprodukt vernachlässigbar klein gegenüber der fooo-Hz-Spannung
sein,
etwa i % = o,o2 Volt. Demgemäß muß die Selektion des Verstärkers zwischen
700 Hz und etwa 25o Hz i : io ooo betragen. Diese Selektion kann mit einem
mehrstufigen abgestimmten Verstärker ohne weiteres erreicht werden.