DE898157C

DE898157C - Arrangement for division and multiplication of frequencies and frequency bands

Info

Publication number: DE898157C
Application number: DEW3413A
Authority: DE
Inventors: Herbert Wuestner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1950-08-31
Filing date: 1950-08-31
Publication date: 1953-11-26

Description

Anordnung zur Teilung und Vervielfachung von Frequenzen und Frequenzbändern Zur Teilung und Vervielfachung von Frequenzen sind bisher folgende Verfahren bekannt. Zur Teilung von Frequenzen benutzt man ein Widerstandskondensatorglied passender Zeitkonstante, das mit einer Elektronenröhre oder einem Thyratron zu einer selbständigen oder unselbständigen Kippschaltung zusammengeschaltet ist, oder einen selbständigen Röhrengenerator mit Schwingkreis, die bzw. der von der zu teilenden Frequenz synchronisiert wird. Der Nachteil dieser Anordnungen besteht darin, daß damit nur eine einzige, zeitlich nur in sehr geringen Grenzen schwankende Frequenz geteilt werden kann, wobei die Ausgangsspannung bei Verwendung einer Kippschaltung noch dazu mit starken Verzerrungen durch Oberwellen behaftet ist. Eine Teilung eines Frequenzbandes, d. h. mehrerer gleichzeitig vorhandener Frequenzen, ist nicht möglich, da eine Kippschaltung bzw. ein selbständiger Röhrengenerator nur mit einer einzigen Frequenz schwingen kann, nämlich mit der, für die die Rückkopplungsbedingung erfüllt ist.Arrangement for dividing and multiplying frequencies and frequency bands The following methods are previously known for dividing and multiplying frequencies. A resistor capacitor element is used to divide frequencies Time constant that becomes independent with an electron tube or a thyratron or dependent toggle switch is interconnected, or an independent Tube generator with oscillating circuit that synchronizes with the frequency to be divided will. The disadvantage of these arrangements is that only one Frequency that fluctuates over time can only be divided within very small limits, the output voltage when using a flip-flop with strong Is affected by harmonic distortion. A division of a frequency band, i. H. multiple frequencies present at the same time is not possible because a toggle switch or an independent tube generator only vibrate with a single frequency can, namely with the one for which the feedback condition is met.

Zur Vervielfachung von Frequenzen und Frequenzbändern benutzt man Schaltelemente mit nichtlinearer Widerstandskennlinie, wodurch sich unmittelbar die höheren Harmonischen der Steuerfrequenz ergeben. Der Nachteil dieser Anordnungen besteht darin, daß die Ausgangs- Spannung mit starken Verzerrungen behaftet ist, da in ihr außer den gewünschten vervielfachten Frequenzen noch neue Frequenzen (Oberschwingungen und Kombinationstöne) vorhanden sind.One uses to multiply frequencies and frequency bands Switching elements with non-linear resistance characteristics, which means that they are directly result in the higher harmonics of the control frequency. The disadvantage of these arrangements consists in the fact that the starting Tension with strong distortions is afflicted because it contains new frequencies in addition to the desired, multiplied frequencies Frequencies (harmonics and combination tones) are present.

Zusammenfassend ist also festzustellen, daß eine verzerrungsarme Teilung oder Vervielfachung von Frequenzen und Frequenzbändern mit den bisher bekannten Anordnungen nicht möglich ist. Ein weiterer gemeinsamer Nachteil aller bekannten Anordnungen ist es, daß die Größe der Ausgangsspannung; das ist die Spannung, die die geteilten bzw. vervielfachten Frequenzen enthält, in keinem festen Verhältnis zur Größe der Steuerspannung steht. Die Größe der Ausgangsspannung als Funktion der Größe der Steuerspannung sei im folgenden als Übertragungskennlinie bezeichnet. Diese übertragungskennlinie ist also bei allen bisher bekannten Anordnungen keine gerade, durch den Nullpunkt des Koordinatensystems gehende Linie.In summary, it can be stated that a low-distortion division or multiplication of frequencies and frequency bands with the previously known Arrangements is not possible. Another common disadvantage of all known Arrangements is that the magnitude of the output voltage; that's the tension that contains the divided or multiplied frequencies, in no fixed ratio the size of the control voltage. The magnitude of the output voltage as a function the size of the control voltage is referred to below as the transfer characteristic. This transfer characteristic is therefore not in any of the previously known arrangements straight line going through the zero point of the coordinate system.

Der Zweck der hier beschriebenen Erfindung ist es, einzelne Frequenzen und ganze Frequenzbänder, auch mit mehreren gleichzeitig vorhandenen, in diesem Band liegenden Frequenzen-zu teilen oder zu vervielfachen, ohne daß störende Verzerrungen (Oberschwingungen und Kombinationstöne) auftreten. Gleichzeitig soll die übertragungskennlinie eine gerade, durch den Nullpunkt des Koordinatensystems gehende Linie sein.The purpose of the invention described here is to single frequencies and entire frequency bands, even if several are present at the same time, in this one Band-lying frequencies-to divide or multiply without causing disturbing distortion (Harmonics and combination tones) occur. At the same time, the transmission characteristic should be a straight line passing through the zero point of the coordinate system.

Die Wirkungsweise der hier beschriebenen Erfindung beruht darauf, daß das zu teilende bzw. zu vervielfachende Frequenzband, gegebenenfalls nach Transponierung in ein höheres Frequenzgebiet, wo das Verhältnis von oberer zu unterer Grenzfrequenz nur noch wenig von i verschieden ist, über ein nichtlineares Glied (Gleichrichter, Elektronenröhre, Kristall od. ä.) oder über ein steuerbares Glied (Relais, Elektronenröhre, Kristallverstärker od. ä.) einem Schwingkreis beispielsweise zugeführt wird, dessen Eigenfrequenz ein Bruchteil oder ein Vielfaches einer im zu teilenden bzw. zu vervielfachenden Frequenzband oder dicht danebenliegenden Frequenz beträgt. Dann wird dieser Schwingkreis zu Schwingungen angeregt, die synchron sind mit dem entsprechenden, in der Nähe seiner Eigenfrequenz liegenden Bruchteil oder Vielfachen der Steuerfrequenz bzw. der Steuerfrequenzen, und deren Stärke eine feste Funktion der Stärke der Steuerspannung ist.The mode of operation of the invention described here is based on that the frequency band to be divided or multiplied, possibly after transposition in a higher frequency range, where the ratio of the upper to the lower limit frequency is only slightly different from i, via a non-linear element (rectifier, Electron tube, crystal or similar) or via a controllable element (relay, electron tube, Crystal amplifier od. Ä.) A resonant circuit is supplied, for example, whose Natural frequency a fraction or a multiple of one to be divided or multiplied Frequency band or frequency close to it. Then this oscillating circuit becomes excited to vibrations that are synchronous with the corresponding one nearby its natural frequency is a fraction or a multiple of the control frequency or of the control frequencies, and their strength a fixed function of the strength of the control voltage is.

Zur Erklärung der Wirkungsweise diene Abb. i. Wird der Schwingkreis i auf ein Vielfaches der Steuerfrequenz abgestimmt, so erhält man eine gebräuchliche Anordnung zur Frequenzvervielfachung, die auf der Erzeugung höherer Harmonischer mittels nichtlinearer Kennlinie beruht. Wird der Schwingkreis dagegen zwecks Frequenzteilung beispielsweise auf die halbe Steuerfrequenz abgestimmt, so wird er während des Zeitwertes der Steuerspannung, während der der Gleichrichter 2 durchlässig ist, angestoßen werden und zunächst mit seiner Eigenfrequenz Weiterschwingen. Während der nächsten Periode .der Steuerspannung, während der der Gleichrichter durch die Steuerspannung wieder leitend wird, schwingt der Schwingkreis mit entgegengesetzter Polarität, wodurch der Gleichrichter nicht so weit geöffnet wird wie bei der zuerst betrachteten Anfangspolarität, so daß die Schwingungen von der halben Steuerfrequenz in dem Schwingkreis nicht völlig durch die Steuerfrequenz vernichtet werden. Da die Steuerspannung größer- ist als die Schwingspannung, wird der Öffnungsrhythmus des Gleichrichters von der Steuerspannung bestimmt; dadurch kann der Schwingkreis nicht mit seiner Eigenfrequenz Weiterschwingen, sondern wird in Synchronismus mit der halben Steuerfrequenz ge-. zw ungen.To explain the mode of operation, Fig. I. Becomes the oscillating circuit i tuned to a multiple of the control frequency, a common one is obtained Arrangement for frequency multiplication based on the generation of higher harmonics based on a non-linear characteristic. On the other hand, if the oscillating circuit is used for the purpose of frequency division for example, matched to half the control frequency, it is then adjusted during the time value the control voltage, during which the rectifier 2 is conductive, triggered and initially continue to oscillate at its natural frequency. During the next Period of the control voltage during which the rectifier supplies the control voltage becomes conductive again, the resonant circuit oscillates with opposite polarity, whereby the rectifier is not opened as wide as in the case of the first considered Initial polarity so that the oscillations of half the control frequency in the resonant circuit cannot be completely destroyed by the control frequency. Since the control voltage is greater is than the oscillation voltage, the opening rhythm of the rectifier depends on the Control voltage determined; as a result, the resonant circuit cannot operate at its natural frequency Continuing to oscillate, but is synchronized with half the control frequency. compulsions.

Zur Verbesserung wird nach Abb. 2 vorgeschlagen, ein Widerstandskondensatorglied 3 mit entsprechend bemessener Zeitkonstante in Serie zum Gleichrichter zu schalten.To improve it is proposed according to Fig. 2, a resistor capacitor element 3 to be connected in series with the rectifier with an appropriately dimensioned time constant.

Zur Steigerung des Übertragungswirkungsgrades, worunter hier und im folgenden das Verhältnis der Größe der Ausgangsspannung zur Größe der Steuerspannung verstanden werden soll, wird nach Abb.3 der Gleichrichter durch eine mit Gittersteuerung arbeitende Elektronenröhre 4 ersetzt, die durch die geteilte bzw. vervielfachte Frequenz gesteuert wird.To increase the transmission efficiency, including here and in the following is the ratio of the size of the output voltage to the size of the control voltage should be understood, according to Fig.3 the rectifier is controlled by a grid working electron tube 4 replaced by the divided or multiplied Frequency is controlled.

Eine andere Möglichkeit besteht nach Abb. 4 und 5 darin, den Schwingkreis mit einer Röhre 4 zu entdämpfen, deren Arbeitspunkte so eingestellt werden, daß die Schwingungen nur bei Vorhandensein einer Steuerspannung synchron mit dem entsprechenden Bruchteil bzw. Vielfachen der Steuerfrequenz auftreten: Diese Anordnung erzielt die neue technische Wirkung, daß die Größe der Ausgangsspannung eine feste Funktion der Größe der Steuerspannung ist, während bei der bekannten Anordnung mit gesteuertem -Röhrengenerator die Größe der Ausgangsspannung nahezu unabhängig von der Größe der Steuerspannung ist.Another possibility is, according to Fig. 4 and 5, the resonant circuit to de-attenuate with a tube 4, the operating points of which are set so that the oscillations only when a control voltage is present synchronous with the corresponding one Fraction or multiples of the control frequency occur: This arrangement is achieved the new technical effect that the size of the output voltage is a fixed function the size of the control voltage, while in the known arrangement with controlled -Tube generator the size of the output voltage almost independent of the size the control voltage is.

Die beste Möglichkeit dürfte Abb. 6 zeigen, wo der Schwingkreis i mit der Röhre 4 zu einer Schwingschaltung zusammengeschaltet ist, wobei die Röhre die Steuerspannung als Anodenspannung zugeführt bekommt.- Auch hier schwingt der Schwingkreis synchron mit dem entsprechenden, in der Nähe seiner Eigenfrequenz liegenden Bruchteil bzw. Vielfachen der Steuerfrequenz. Diese Schaltung entsteht aus der Schaltung nach Abb. 3, wenn der vor dem Gitter liegende Widerstand, der zur Vermeidung eines Kurzschlusses des Schwingkreises über die Gitter-Kathoden-Strecke der Röhre notwendig ist, durch einen Kondensator überbrückt wird, wodurch eine weitere Steigerung des Übertragungswirkungsgrades auf etwa 30 °/o erzielt wird.The best possibility should be shown in Fig. 6, where the resonant circuit i is connected to the tube 4 to form a resonant circuit, whereby the tube receives the control voltage as anode voltage. Here, too, the resonant circuit oscillates synchronously with the corresponding, close to its natural frequency Fraction or multiple of the control frequency. This circuit arises from the circuit according to Fig. 3, when the resistor in front of the grid, which is necessary to avoid a short circuit of the resonant circuit via the grid-cathode section of the tube, is bridged by a capacitor, which further increases the transmission efficiency to about 30 ° / o is achieved.

Da in dem Schwingkreis noch eine Komponente der Steuerfrequenz enthalten ist, empfiehlt es sich nach Abb. 7, die Schwingspannung an einem weiteren Kreis 5 abzunehmen, der mit dem Schwingkreis i gekoppelt ist. Durch günstige Einstellung der Kopplung und der Abstimmung dieses weiteren Kreises kann die übertragungskennlinie verlängert und verbessert werden. Diese technische Wirkung ist neu, da der entsprechende Kreis bei den bekannten Anordnungen nur zur Aussiebung der gewünschten Harmonischen dient und auf diese abgestimmt wird.Because the resonant circuit still contains a component of the control frequency is, it is recommended according to Fig. 7, the oscillation voltage on another circle 5, which is coupled to the resonant circuit i. With a favorable attitude the coupling and the coordination of this further circuit can be the transmission characteristic be extended and improved. This technical effect is new since the corresponding one Circle among the well-known Arrangements only to screen out the desired Serves harmonics and is coordinated with them.

Zur weiteren Steigerung des übertragungswirkungsgrades kann bei allen bisher beschriebenen Anordnungen die Steuerspannung für das steuerbare Glied über einen weiteren Schwingkreis 6 gesiebt werden, wie es Abb. & in einem Beispiel zeigt, wobei jedoch durch entsprechende Kopplung auf die Phasenbedingung geachtet werden muß.To further increase the transmission efficiency, all arrangements described so far over the control voltage for the controllable member another oscillating circuit 6 can be screened, as shown in Fig. & in an example shows, but attention is paid to the phase condition by appropriate coupling must become.

Bei allen oben beschriebenen Anordnungen sind Variationen möglich, derart, daß die als Beispiel gewählte Schwingschaltung durch eine andere bekannte Schwingschaltung, z. B. Meißner-Schaltung, Schirmgitterrückkopplung od. dgl., ersetzt wird oder daß die Spannung statt einer Anzapfung des Schwingkreises einer besonderen Kopplungsspule zugeführt wird usw.Variations are possible in all of the arrangements described above, such that the oscillating circuit chosen as an example by another known Oscillating circuit, e.g. B. Meissner circuit, screen grid feedback or the like., Replaced is or that the voltage instead of tapping the resonant circuit of a special Coupling coil is fed, etc.

Man sieht also, daß bei allen hier beschriebenen Anordnungen ein Übergang von der Frequenzteilung zur Frequenzvervielfachung nur durch eine Maßänderung, nämlich durch die Anstimmung des Schwingkreises, möglich ist.So you can see that there is a transition in all the arrangements described here from frequency division to frequency multiplication only through a change in dimension, namely by tuning the resonant circuit is possible.

Versuche haben das Ergebnis gezeitigt, daß z. B. bei einer Schaltung nach Abb. 7 eine lineare Abhängigkeit zwischen Steuerspannung und Schwingspannung in einem Bereich von 4o db erzielt wurde, ein Dynamikwert, der für die Übertragung, z. B. für Sprache, schon genügt, sich aber bei sorgfältiger Durchentwicklung noch steigern lassen dürfte. Infolge der linearen Kennlinie treten keine störenden Obertöne oder Kombinationstöne auf, was durch Untersuchungen bestätigt wurde. Die Aufgabe der Erfindung ist damit voll gelöst.Experiments have shown that z. B. in a circuit according to Fig. 7 there is a linear relationship between control voltage and oscillation voltage was achieved in a range of 4o db, a dynamic value that is necessary for the transmission, z. B. for language, that's enough, but with careful development should increase. Due to the linear characteristic there are no disturbing overtones or combination tones, which has been confirmed by research. The task the invention is thus fully achieved.

Durch diese Erfindung können viele Probleme der Technik, die bisher unlösbar waren, jetzt gelöst werden, während andere Aufgaben mit geringerem Aufwand als bisher lösbar sind. Hervorzuheben ist auch die große Stabilität der angegebenen Anordnung, insbesondere im Vergleich zu den bisher bekannten Anordnungen zur Frequenzteilung. Von den möglichen Anwendungsgebieten der Erfindung seien genannt: die Teilung und Vervielfachung von Frequenzen für Steuerungszwecke z. B. zweier räumlich entfernter Röhrengeneratoren, die synchron schwingen sollen, die Teilung von mittels Quarzgenerator erzeugter Frequenzen, die ein mechanisches Uhrwerk steuern sollen, die Teilung von Impulsfolgen z. B. bei Messungen mit dem Geiger-Zählrohr sowie in der Elektronik zum Zählen von Gegenständen, z. B. bei Fließbandfertigung, Anwendung in elektronischen Musikinstrumenten usw. Die größte wirtschaftliche Bedeutung liegt in der Möglichkeit, mit Hilfe dieser Erfindung erstmalig Nachrichtenkanäle, z. B. das beim Fernsprechen erforderliche Frequenzband von rund 3 kHz, auf einen Bruchteil ihrer ursprünglichen Breite zu verkleinern und nach Passieren des Übertragungsweges (Fernleitung usw.) wieder auf ihre ursprüngliche Breite zu bringen. Da die Fernleitung der teuerste Teil jeder Fernverbindung ist, andererseits über jede Leitung aber nur eine bestimmte Frequenzbandbreite übertragen werden kann, ergibt die Möglichkeit, mit Hilfe dieser Erfindung die Anzahl der zu übertragenden Nachrichtenkanäle bei gegebener Fernleitung auf ein Vielfaches des bisher möglichen Wertes zu erhöhen, eine erhebliche Verbilligung des Fernmeldewesens.Through this invention, many problems of the art that hitherto existed were unsolvable, can now be solved, while other tasks can be solved with less effort than can be solved up to now. The great stability of the specified should also be emphasized Arrangement, especially in comparison to the previously known arrangements for frequency division. The possible fields of application of the invention include: the division and Multiplication of frequencies for control purposes e.g. B. two spatially distant Tube generators that are supposed to vibrate synchronously, the division of by means of a quartz generator generated frequencies that are to control a mechanical clockwork, the division of Pulse trains z. B. for measurements with the Geiger counter tube as well as in electronics for counting objects, e.g. B. in assembly line production, application in electronic Musical instruments, etc. The greatest economic importance lies in the possibility of with the help of this invention for the first time message channels, e.g. B. when telephoning required frequency band of around 3 kHz, down to a fraction of their original To reduce the width and after passing the transmission path (long-distance line, etc.) to bring it back to its original width. Since the pipeline is the most expensive Is part of every long-distance connection, but on the other hand only a specific one over each line Frequency bandwidth can be transmitted, the possibility arises with the help of this Invention the number of communication channels to be transmitted for a given trunk line To increase it to a multiple of the previously possible value, a considerable reduction in price of telecommunications.

Claims

PATENT CLAIMS: r. Arrangement for dividing and multiplying frequencies and frequency bands using a non-linear element (rectifier, Electron tube, crystal or similar) or a controllable element (relay, electron tube, Crystal amplifier od. Ä.), Characterized in that a vibratory structure (Oscillating circuit, filter, quartz or the like), which is based on an integer fraction or an integral multiple of the control frequency or an adjacent frequency or to an integer fraction or an integer multiple of an im or frequency lying next to the control frequency band is tuned and that at Division via a non-linear element or, in the case of division and multiplication, via a controllable element, that of the divided or multiplied frequency or frequencies is controlled, is coupled to the control voltage, is excited to oscillate, which are synchronous with the corresponding, close to the natural frequency of the vibratable Formed lying fraction or multiple of the control frequency or the control frequencies.

2. Arrangement according to claim z, characterized in that the serving for coupling controllable element is a relay (electron tube, crystal amplifier or the like), which the vibratory structure undamped in such a way that this is done by applying the control voltage the relay is excited to vibrations that are synchronous with the corresponding, fraction lying in the vicinity of the natural frequency of the vibrating structure or multiples of the control frequency or the control frequencies, the strength of the excited vibrations is a fixed function of the strength of the control voltage.

3. Arrangement according to claim r, characterized in that the one used for coupling controllable element is a relay (electron tube, crystal amplifier or the like), which interconnected with the oscillatable structure to form an oscillating circuit which takes its energy directly from the control source.

4. Arrangement according to claim r, 2 or 3, characterized in that a resistor capacitor element in series with the coupling element appropriate time constant is switched.

5. Arrangement according to claim 4, characterized in that that the energy of the oscillatable structure via another oscillating circuit, Filter, etc. is removed, the or that to achieve a favorable transfer characteristic corresponding coupled (magnetic, capacitive, via a separator tube, etc.) and tuned.

6th Arrangement according to claim 5, characterized in that the control voltage for the controllable coupling element or for the interconnected with the vibratory structure Relay is specially screened via another resonant circuit, filter, etc., the or coupled accordingly to achieve a favorable transfer characteristic and is voted. Cited publications: German Patent No. 580440; U.S. Patent Nos. 2,427: 204 and 1821,004; ".Radio and sound" No. 7, (i95 r), P. 374 hiss 3-76.