DE914398C - Schaltung zur Frequenzdemodulation und/oder zur Erzeugung einer von Frequenzaenderungen abhaengigen Regelgroesse - Google Patents

Description

Zur Demodulation einer frequenzmodulierten Schwingung wird diese bekanntlich im allgemeinen in eine amplitudenmodulierte Schwingung umgewandelt, worauf die Demodulation beispielsweise durch einen Gleichrichtungsvorgang erfolgen kann. Dabei haben sich wegen ihrer geringen Eigenverzerrungen besonders Anordnungen mit Gegentaktgleichrichtung bewährt. Das gemeinsame Prinzip solcher Anordnungen besteht darin, daß aus der frequenzmodulierten Schwingung durch den Modulationswandler zwei von der Frequenz in verschiedener Weise amplitudenabhängige Teilspannungen bzw. Ströme erzeugt, getrennt gleichgerichtet und derartig zusammengesetzt werden, daß am Ausgang die Differenz der gleichgerichteten Beträge zur Wirkung kommt. Die Modulationswandler der bekannten Schaltungen sind gewöhnlich als zweikreisige, induktiv gekoppelte Bandfilter aufgebaut; ein Ende oder eine Anzapfung des Pfimärkreiaes ist mit der Mitte der Sekundärkreisspule verbunden, so daß die Summe und die Differenz der ganzen oder geteilten Primärspannung und der halben Sekundärspannung den beiden Gleichrichtern zugeführt wird, aus deren Ausgangsspannungen die Differenz gebildet wird.

Es sind auch Anordnungen mit Serienresonanzkreisen als Modulationswandler bekannt. Die einfachste von ihnen benutzt einen auf die mittlere Frequenz abgestimmten Serienresonanzkreis, an dessen Enden die zu demodulierende Schwingung zugeführt wird, in der Weise, daß die am Kondensator und an der Spule vorhandenen Spannungen getrennt gleichgerichtet und nach der Gleichrichtung gegeneinandergeschaltet werden. Infolge der

mit der Frequenz linearen Spamumgsänderung an der Spule und der hyperbolischen am Kondensator ist die der Differenz beider Abhängigkeiten entsprechende Änderung der Ausgangsspannung mit der Frequenz bei dieser Anordnung nicht linear verknüpft; auch ist ihre Empfindlichkeit für die meisten Anwendungsfälle nicht ausreichend.

Es ist auch bereits bekannt, die an einem auf die mittlere Frequenz abgestimmten Serienresonanzkreis ίο erzeugte Spannung und eine von der zu demodulierenden Schwingung mit 90⁰ Phasenverschiebung abgeleitete Spannung in einer Modulationseinrichtung miteinander zu mischen und dadurch eine Frequenzdemodulation zu bewirken.

Alle erwähnten bekannten Schaltungen können auch zur Erzeugung einer von Frequenzänderungen abhängigen Regelspannung dienen, mit deren Hilfe beispielsweise die Frequenznjachregelung eines Röhrengenerators bewirkt werden kann. Die Schaltung nach der Erfindung unterscheidet sich von einem Teil der bekannten Schaltungen durch ihren besonders einfachen Aufhaü und von den übrigen durch ihre bessere Wirkungsweise. Diese vorteilhaften Eigenschaften werden erfindungsgemäß dadurch erzielt, daß der Eingangskreis des Modulationswandlerteiles als auf die mittlere Frequenz abgestimmter Reihenkreis, an dessen Enden die Eingangsspannung zugeführt wird, mindestens einen Kondensator und eine mit diesem in Reihe geschaltete Spule enthält, an welche, gegebenenfalls über Zwischenglieder, die beiden Gleichrichterstrecken angeschlossen sind, und daß zu der genannten Spule vorzugsweise ein weiterer Kondensator parallel geschaltet ist, der mit der Spule zusammen einen auf eine höhere als die mittlere Frequenz abgestimmten Piarallelschwingungskreis bildet. Die Schaltung nach der Erfindung bildet demnach eine Vereinfachung gegenüber den Anordnungen, welche zwei vollständige Piarallelresonanzkreise verwenden und außerdem im allgemeinen eine induktive Kopplung zwischen den beiden Spulen benötigen. Gegenüber der erwähnten bekannten einfachen Anordnung mit Serienresonanzkreis besteht der Vorteil darin, daß die beiden von der Frequenz in verschiedener Weise amplitudenäbhängigen Teilspannungen sich in der Schaltung nach der Erfindung innerhalb eines hinreichend breitein Frequenzbereiches zu einer annähernd linear mit der Frequenz veränderlichen Ausgangsspannung zusammensetzen lassen.

In den Zeichnungen zeigt Abb. 1 ein teilweise vereinfachtes Schaltbild eines Ausführungsbeispieles der Schaltung nach der Erfindung. Mit r ist die letzte Röhre des Zwischenfrequenzverstärkers in einer Empfangsschaltung bezeichnet. In ihrem Anodenkreis liegt ein Hochfrequenzwiderstand geeigneter Größe, der im Beispiel durch die Parallelschaltung des Kondensators 2 und der Spule 3 gebildet wird. Diese beiden Parallelglieder können so bemessen sein, daß der Kreis bei oder in der Nähe der mittleren Bandfrequenz in Resonanz ist, jedoch soll die Dämpfung so groß sein, daß die Resonanzstelle für das Verhalten der Anordnung innerhalb der Breite des Modulationsbandes nicht von wesentlicher Bedeutung ist. Die am Kreis 2, 3 stehende Ausgangsspannung wird der Reihenschaltung der Kondensatoren 4, 6 und der Spule 5 zugeführt, welche zusammen den Eingangskreis des Modulationswandlerteiles bilden und auf die mittlere Bandfrequenz abgestimmt sind. Zu der Spule 5 ist ein Kondensator 7 parallel geschaltet, der so bemessen ist, daß die Spule mit ihm zusammen einen auf eine höhere als die mittlere Frequenz abgestimmten Parallelresonanzkreis bildet. An die Enden der Spule 5 sind die Gleichrichterstrecken 8 und 9 angeschlossen, welche 'die an den Punkten b und c vorhandenen Hochfrequenzspannungen in Gegentiakt gleichrichten. Die gleichgerichteten Spannungen liegen an den Widerständen ι ο und 11 ; sie sind gegeneinander in Reihe geschaltet, so daß am Punkt d der Schaltung die Differenz der gleichgerichteten Ausgangs spannungen abgenommen werden kann.

In Abb. 2 ist in einer Kurvendarstellung die Abhängigkeit von der Frequenz für die Spannungen an den Schaltungspunkten a, b, c und d der Abb. 1 angegeben. Es seien zunächst nur die mit vollen (nicht unterbrochenen) Linien gezeichneten Kurven berücksichtigt. Die Kurvet zeigt den Spannungsverlauf am Punkt α beiderseits der mittleren Fre- quenz f_m bei Frequenzabweichungen ^Af. Der Verlauf erklärt sich aus der Serienresonanz der Elemente 4, 5 und 6, durch deren Wirkung der Blindwiderstand bei der Frequenz f_m verschwindet und der Eingangskreis sich wie ein verhältnismäßig kleiner Wirkwiderstand verhält. Während die Spannung bei f_m ein Minimum [aufweist, hat djer Strom durch die Reihenelemente an der gleichen Stelle ein Maximum. Dieses Strommaximum ist die Ursache für die Spannungsmaxima der Kurven B und C, welche den Spannungsverlauf an den Schaltungspunkten b und c wiedergeben. Die Verschiebung der beiden Spannungsmaxima gegenüber f_m ist auf den entgegengesetzten Charakter der zwischen dem Bezugspunkt & bzw. c und Erde liegenden Blindwiderstände zurückzuführen; der Blindwiderstand zwischen b und Erde ist nämlich resultierend induktiv, der zwischen c und Erde kapazitiv. Es ergeben sich so die beiden in verschiedener Weise von der Frequenz ,amplitudenabhängigen Teilspannungen, ,die sich nach der Gleichrichtung zu einem Verlauf der an der Reihenschaltung am Punkt d abgenommenen Ausgangsspannung gemäß Kurve D zusammenfassen lassen. Die Kurve D hat für den in Betracht kommenden Arbeitsfrequenzbereich einen praktisch linearen Verlauf, da die Krümmungen der Kurven .ß und C sich im mittleren Gebiet bei der Bildung der Differenz der gleichgerichteten Spannungen annährend gegenseitig aufheben.

Die Schaltung gemäß der Erfindung erlaubt es auch, von den besonderen Eigenschaften piezoelektrischer Resonatoren für eine Erhöhung der Frequenzempfindlichkeit Gebrauch zu machen. Abb. 3 zeigt eine Schaltung, welche der Schaltung nach Abb. ι gleicht, mit der Ausnahme, daß parallel zu der Spule S ein piezoelektrischer Resonator 12, vor-

zugsweise ein Quarzkristall, eingeschaltet ist. Dieser ist mit seiner Serienresonjanz ebenfalls auf die mittlere Bandfrequenz abgestimmt. Er verhält sich demnach wie ein Serienresonanzkreis entsprechend geringer Dämpfung, der zu der Spule 5 des Eingangskreises parallel liegt und bei der Bandmittenfrequenz einen sehr kleinen Wirkwiderstand bildet. Die Kurven der Abb. 2 werden durch die Wirkung des Quarzes in der Weise verändert, wie dies durch die unterbrochenen Linien dargestellt ist. Besonders wird der Verlauf der Kurve D\ im Arbeitsfrequenzbereich wesentlich steiler, wobei ihr Nullpunkt durch die Serienresonanz des Quarzes exakt bestimmt ist und infolge der weitgehenden Unveränderlichkeit des Quarzes auch konstant gehalten wird. Die natürliche Parallelkapazität des Kristalls liegt der Spule S parallel und kann einen wesentlichen Teil des Kondensators 7 der Abb. 1 bilden.

In den dargestellten Ausführungsbeispielen nach ao den Abb. 1 und 3 ist der im Eingiangsreihenkreis des Modulationswandlers liegende Kondensator in zwei vorzugsweise gleich große, zu beiden Seiten der Spule liegende Kondensatoren aufgeteilt. Die nicht mit der Spule verbundene Belegung des einen Reihenkondensators ist geerdet bzw. mit dem Schaltungsnullpunkt verbunden, während an der entsprechenden Belegung des anderen Reihenkondensators die Eingangsspannung zugeführt wird. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß durch die Bemessung der beiden Reihenkondensätoren sowohl die Verschiebung der beiden Kurven B und C gegeneinander als auch die Ankopplung des Eingangsreihenkreises an den Ausgangskreis der vorhergehenden Röhrenstufe zweckentsprechend gewählt werden können.

Mit besonderem Vorteil kann die Schaltung nach der Erfindung in der beschriebenen Ausführungsform mit Ergänzung durch einen piezoelektrischen Resonator dazu verwendet werden, durch die piezoelektrische Serienresonanz gleichzeitig die von einem Röhrenoszillator erzeugte Frequenz zu stabilisieren. Der Eingangskreis des Modulationswandlerteiles ist dann in zweckentsprechender Weise mit dem Schwingungskreis des Röhrengenerators verbunden bzw. an diesen angekoppelt, und zwar vorzugsweise derartig, d|aß auf der Seite des Generatorkreises die elektrische Ersatzschaltung des piezoelektrischen Resonators in eine dazu inverse Schaltung transformiert erscheint und insbesondere die Serienresonanzsteile des piezoelektrischen Körpers an der Generatorseite wie eine Parallelresonanzstelle wirksam wird. In der Au'sführungsform der beschriebenen Schaltung, welche in Abb. 4 dargestellt ist, werden die Eigenschaften des Quarzkristalls 12 in doppelter Weise für die Stabilisierung der von der Generatorröhre mit dem Schwingungskreis 14, 15, 16 erzeugten Frequenz ausgenutzt. Wie in den vorher beschriebenen Schaltungen wird am Punkt d eine von Frequenzänderungen bestimmte Regelspannung erzeugt, deren Nullstelle gemäß Abb. 2, Kurve D durch die Serienresonanz des Quarzkristalls bestimmt ist, wobei geeignete Ausbildung und richtiger Abgleich des Modulationswandlerteiles vorauszusetzen sind. Die Steilheit der Regelspannungskennlinie ist in der Umgebung ihrer NuLLstelle im wesentlichen durch die Resonanzeigenschaften des Q'uazzkristalls bestimmt und infolge der geringen Dämpfung entsprechend groß. Die mittels der beiden Gleichrichterstrecken am Ausgangspunkt d erzeugte Regelspannung wird der als regelbarer Blindwiderstand geschalteten Entladungsröhre 17 zugeführt, welche rückwirkend, d. h. in der Wirkungsweise einer Rückwärtsregelung die Eigenfrequenz des genannten Schwingungskreises des Röhrengenerators derartig beeinflußt, daß außer der frequenzstabilisierenden Wirkung durch die in den Schwingungskreis 14, 15, 16 hineintransformiert erscheinende piezoelektrische Resonanz die verbleibenden Abweichungen der erzeugten Frequenz von der Frequenz der Regelspannungsnullstelle verringert werden.

Die Schaltung nach Abb. 4 kann besonders auch in einer Anordnung zur Frequenzmodulation des bezüglich seiner mittleren Frequenz durch den piezoelektrischen Resonator stabilisierten Röhrengene- 8g rators verwendet werden. In diesem Fall kann die Modulationsspannung ebenfalls einer als regelbarer Blindwiderstand geschalteten Entladungsröhre zugeführt werden, welche die Eigenfrequenz des gleichen Schwingungskreises 14, 15, 16 des Röhrengenerators 13 beeinflußt; die Modulationsspannung kann aber auch der gleichen Blindwiderstandsröhre 17 zugeführt werden, an welcher auch die Regelspannung wirksam wird. Die Regelspannung und die Modulationsspannung können miteinander in Reihe zugeführt werden. In Abb. 4 soll die Modulationsspannung an der Klemme 18 gegen Erde angelegt sein. Die frequenzstabilisierende Wirkung des Quarzkristalls auf die Frequenz des Röhrengenerators 13 mit dem Schwingungskreis 14, 15, 16 kann durch die Wahl der Größe der Kondensatoren 4 und 6 geeignet bemessen werden, d. h. es kann eine Einstellung der Kopplung gefunden werden, bei welcher «eine hinreichende ModuHerbarkeit ohne Verzicht auf ein gewisses Maß von Stabilisierungswirkung vorhanden ist. Da aber 'doch eine Verringerung der stabilisierenden Wirkung notwendigerweise hingenommen werden muß, um eine Frequenzänderung durch die bei 18 zugeführte Modulationsspannung zu erzielen, soll die mittels der Gleich- richterstrecken 8, 9 unter Ausnutzung der Serienresonanz des gleichen Quarzkristalls erzeugte Regelspannung die unerwünschten Änderungen der mittleren Frequenz durch einen rückwärts wirkenden Regelvorgang verringern. Es wird also der gleiche Quarzkristall in seiner Eigenschaft als frequenzstabiler Serienresonanzkreis doppelt ausgenutzt. Bei richtigem Abgleich des Regelspannungserzeugers auf symmetrische Arbeitsweise und geeigneter Ankopplung des den Quarz enthaltenden Schaltungsteiles an den Röhrengenerator 13 sind daher die beiden für die Stabilisierung der mittleren Frequenz wirksamen Einflüsse beide auf die Einhaltung der gleichen Frequenz, nämlich der Serienresonanzfrequenz des Quarzes, gerichtet. Wenn der Generatior bei fehlender Modulationsspannung auf diese

Frequenz eingeschwungen ist, so ist die Phasenbilanz der Rückkopplung für die Röhre 13 erfüllt und gleichzeitig die Regelspannmig gleich Null.

In die Regelspannungsleitung zwischen dem Ausgang des Regelspannungserzeugers und der von der Regelspannung beeinflußten Blindwiderstandsröhre 17 ist in Abb. 4 ein Filterglied eingeschaltet, welches aus den Längswiderständen 19 und 22 sowie den hinter den Längswiderständen zwischen der Regelspannungsleitung und dem Schaltungsnulleiter eingeschalteten Kondensatoren 20 und 21 besteht. Die Zeitkonstante des Filters kann derartig bemessen .sein, daß alle oder ein wesentlicher Teil der Modulationsfrequenzen nicht bis zur geregelten Blindwiderstandsröhre durchgelassen werden, damit eine Verringerung der Modulationswirkung für diesen Bereich der nicht durchgelassenen Frequenzen nicht eintritt. Die Zeitkonstante kann aber auch so klein bemessen sein, daß, die Regelung auch den höheren Modulationsfrequenzen noch zu folgen vermag und dadurch eine Modulationsgegenkopplung mit den an sich bekannten Vorzügen einer Linearisierung der Modulationskennlinie bewirkt wird.

Soll die Schaltung nach den Abb. 1 oder 3 als Verhältnisgleichrichter wirken und .amplitudenausgleichende Eigenschaften erhalten, so sind dazu nur geringe Veränderungen nötig, die im wesentlichen in einer Umpolung eines der beiden Gleichrichter und einer Bemessung des Gleichrichterausgangskreises für eine große Zeitkonstante sowie einer veränderten Abnahme des Demodulationsergebnisses auf der Ausgangsseite bestehen. Derartige Anordnungen sind an sich hinreichend bekannt, so daß auf die Beschreibung eines Ausführungsbeispieles derartiger Schaltungen hier verzichtet werden kann. Das in Abb. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel verwendet eine Blindwiderstandsröhre 17, welche als regelbare Kapazität geschaltet ist. Soll eine als Induktivität wirkende Regelröhre verwendet werden, so läßt sich die dann erforderliche Umkehrung der Regelspannungskennlinie durch die Vertauschung des Erdungspunktes und des Anschlusses der Regelspannungsleitung am Ausgang der beiden Gleichrichterkreise bewirken.

Claims (14)

1. Patentansprüche:

   i. Schaltung zur Frequenzdemodulation und/ oder zur Erzeugung einer von Frequenzänderungen abhängigen Regelgröße, in welcher mittels eines Modulationswandlers zwei von der Frequenz in verschiedener Weise amplitudenabhängige Teilspannungen bzw. Ströme erzeugt, getrennt gleichgerichtet und derartig zusammengesetzt werden, daß am Ausgang die Differenz der gleichgerichteten Beträge zur Wirkung kommt, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangskreis des Modulationswandlerteiles als auf die mittlere Frequenz abgestimmter Reihenkreis, an

   6ü dessen Enden die Eingangsspannung zugeführt wird, mindestens einen Kondensator (6) und eine mit diesem in Reihe geschaltete Spule (5) enthält, an welche, gegebenenfalls über Zwischenglieder, die beiden Gleichrichterstrecken (8, 9) angeschlossen sind, und daß die genannte Spule zusammen mit einer Parallelkapazität, vorzugsweise zusammen mit einem parallel geschalteten Kondensator (7), einen auf eine höhere als die mittlere Frequenz abgestimmten Parallelschwingungskreis bildet.
2. 2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu der genannten Spule (5) ein mit seiner Serienresonanz ebenfalls auf die mittlere Frequenz abgestimmter piezoelektrischer Resonator, beispielsweise ein Quarzkristall (12), eingeschaltet ist, dessen natürliche Parallelkapazität vorzugsweise einen wesentlichen Teil des zu der Spule (5) parallel liegenden Kondensators (7) bildet.
3. 3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der im genannten Reihenkreis liegende Kondensator in zwei vorzugsweise gleich große, zu beiden Seiten der Spule liegende Kondensatoren (4, 6) aufgeteilt ist.
4. 4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß. die nicht mit der Spule verbundene Belegung des einen Reihenkondensators (6) geerdet bzw. mit dem Schaltungsnullpunkt verbunden ist, während an der entsprechenden Belegung des anderen Reihenkondensators (4) die Eingangsspannung zugeführt wird.
5. 5. Schaltung nach den Ansprüchen 1 und 2 oder 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Eingangskreis derartig mit dem Schwingungskreis (14, 15, 16) eines Röhrengenerators (13) verbunden bzw. an diesen angekoppelt ist, daß die mittlere Frequenz der erzeugten Schwingung vorwiegend durch die Serienresonanzfrequenz des piezoelektrischen Resonators (12) bestimmt ist.
6. 6. Schaltung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch derartige Ankopplung des genannten Eingangskreises an den Schwingungskreis des Röhrengenerators, vorzugsweise durch derartige Bemessung des Reihenkondensators bzw. der Reihenkondensatoren (4, 6), daß auf der Seite des Generatorkreises die elektrische Ersatzschaltung des piezoelektrischen Resonators in eine dazu inverse Schaltung transformiert erscheint, insbesondere die Serienresonanzsteile des piezoelektrischen Körpers an der Generatorseite wie eine Parallelresonanzstelle wirksam wird.
7. 7. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Gleichrichterstrecken (8, 9) derartig an den den piezoelektrischen Resonator (12) enthaltenden Modulationswandlerteil . angeschlossen sind und daß dieser derartig ausgebildet und abgeglichen ist, daß die Nullstelle der Demodulations- bzw. iao Regelspannungskennlinie im wesentlichen durch ■die Serienresonanzsteile des piezoelektrischen Körpers bestimmt ist.
8. 8. Schaltung nach Anspruch/, dadurch gekennzeichnet, daß die Steilheit der Demodulations- bzw. Regelspannungskennlinie in der

   Umgebung ihrer Nullstelle im wesentlichen durch die Resonanzeigenschaften des piezoelektrischen Körpers bestimmt ist.
9. 9. Schaltung nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die am Ausgang erzeugte Regelspannung einer als regelbarer Blindwiderstand geschalteten Entladungsröhre (17) zugeführt wird, welche rückwirkend die Eigenfrequenz des genannten Schwingungskreises (14, 15, 16) des Röhrengenerators derartig beeinflußt, daß außer der frequenzstabilisierenden Wirkung durch die in den Schwingungskreis hineintransformiert erscheinende piezoelektrische Resonanz die verbleibenden Abweichungen der erzeugten Frequenz von der Frequenz derRegelspannungsnullstelle verringert werden.
10. ι o. Schaltung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch ihre Verwendung in einer Anordnung zur Frequenzmodulation des bezüglich seiner mittleren Frequenz durch den piezoelektrischen Resonator stabilisierten Röhrengenerators.
11. 11. Schaltung nach den Ansprüchen 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationsspannung ebenfalls einer als regelbarer Blind- widerstand geschalteten Entladungsröhre zugeführt wird, welche die Eigenfrequenz des genannten Schwingungskreises des Röhrengenerators beeinflußt, vorzugsweise der gleichen Blindwiderstandsröhre (17), welcher auch die Regelspannung zugeführt wird.
12. 12. Schaltung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daßi in die Regelspannungsleitung zwischen dem Ausgang des Regelspannungserzeugers und der von der Regelspannung beeinflußten Blindwiderstandsröhre mindestens ein Filterglied eingeschaltet ist, welches vorzugsweise aus einem Längswiderstand (22) und einem hinter dem Längswiderstand zwischen der Regelspannungsleitung und dem Schaltungsnulleiter eingeschalteten Kondensator (21) besteht.
13. 13. Schaltung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch derartige Bemessung der Zeitkonstanten des Filtergliedes bzw. der Filterglieder, daß alle oder ein wesentlicher Teil der Modulationsfrequenzen nicht bis zur geregelten Blindwiderstandsröhre durchgelassen werden.
14. 14. Schaltung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkonstante des Regelvorganges so klein bemessen ist, daß die Regelung auch den höheren Modulationsfrequenzen noch zu folgen vermag.

    Angezogene Druckschriften:

    USA.-Patentschriften Nr. 2 413 913, 2265744; französische Patentschrift Nr. 961 639.

    Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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