DE925179C

DE925179C - Modulator arrangement

Info

Publication number: DE925179C
Application number: DESCH10665A
Authority: DE
Inventors: Peter Huhn; Artur Schomandl
Original assignee: Artur Schomandl K G
Current assignee: Artur Schomandl K G
Priority date: 1952-10-05
Filing date: 1952-10-05
Publication date: 1955-03-14

Description

Modulatoranordnung In der elektrischen Nadh,richben- und Meßtechnik besteht in vielen Fällen Bedarf für eine- ModulatoT-anordnung mit sehr guter Trägerunterdrückung. Es ist bekannt, zu :diesem Zweck den ModulatoT als Gegentakt- oder Brückenschaltung von paarweise gleichen Modulatorelementen derart aufzubauen, daß die zugeführte Trägger@spannlung am Ausgang kompensiert wird. Nach dem derzeitigen Stand, der Technik sind Modulator:en dieser Art mit allen bekannten Modulatorelementen aufgebaut wordfen, aJiso mit allen reellen oder komplexen Widerständen, die einen nicht linearen Zusammenhang zwischen Strom und Spannung aufweisen, wie ElektronenrähTen, Gleichrichter, Kondensatoren mit spannungsabhängiger Kapazität, Eilsenkernspulen mit stromabhängiger Induktivi.tät usw. Ein gemeinsames Kennzeichen aller dieser Anordnungen ist jedoch, daß der Grad der T.rägeru:nteTdirückung davon abhängt, mit welcher Genauigkeit die verwendeten Elemente paarweise in ihren elektrischen Kennwerten übereinstimmen. Diese Übereinstimmurig kann bei einer bestimmten Trägeramplitude und bei einer bestimmten Temperatur sehr genau eingestellt werden; sie verschlechtert ,sich jedoch erfahrungsgemäß, wenn sich die Betriebsbediingungen nur geringfügig ändern, ebenso auch,durch die Alterung der Elemente.Modulator arrangement in electrical needles and measurement technology In many cases there is a need for a modulator arrangement with very good carrier suppression. It is known, for this purpose, to use the ModulatoT as a push-pull or bridge circuit of identical pairs of modulator elements to be built in such a way that the supplied Carrier voltage at the output is compensated. According to the current state of the art, the technology modulator: s of this type have been built with all known modulator elements, aJiso with all real or complex resistances that have a non-linear relationship between current and voltage, such as electron wires, rectifiers, capacitors with voltage-dependent capacitance, fast core coils with current-dependent inductivity etc. However, a common characteristic of all of these arrangements is that the degree the offset depends on the accuracy with which the used Elements match in their electrical characteristics in pairs. This Consistent can be very high at a certain carrier amplitude and at a certain temperature be precisely adjusted; it worsens, but experience has shown that if the operating conditions change only slightly, also due to aging of the elements.

Besonders otärend wirkt sich dies aus, wenn die Anordnung Tals Eingamgsmodulator für Glerichspannun@gsverstä@rker nach dem Träg erfrequenzprinzip verwendet werden soll, da hierbei die -erzielbare Konstanz des Verstärkers allein von einer zuverlässigen Trägerunterdrückung im Eingangsmodulator abhängt.This is particularly otärend if the arrangement is as an input modulator can be used for equal voltage amplifiers based on the carrier frequency principle should, since here the achievable constancy of the amplifier depends solely on a reliable one Depends on carrier suppression in the input modulator.

Bei einer ebenfalls bekanntgewordenen Anordnung werden diefse Schwierigkeiten vermieden, indem Eiisendresseln durch Wechselströme his in das Sättigungsgebiet ausgesteuert werden. Bei Überlagerung mit einem Gleichstrom ,ergeben sich geradzahlige Harmonische der Frequenz des beaufschlagenden Wechselstroms. Diese Harmonischuen hängen in Betrag und Phase vom Be trag und Vomz-ei-chen des überlagerten Gleichstroms ab. Dies.eAnordnungen sind jedoch wogend es niedrigen Wicklungswiders-tandes für eine Modulation durch Spannungen aus hochohrigen Generatoren nicht geeignet, ,außerdem sind sie nur im Gebiet der tieferen Frequenzen, verwendbar.These difficulties arise with an arrangement which has also become known avoided by ironing fish by alternating currents up to the saturation area be controlled. When superimposed with a direct current, even-numbered ones result Harmonics of the frequency of the applied alternating current. These harmonies depend in amount and phase on the amount and character of the superimposed direct current away. These arrangements are, however, because of their low winding resistance modulation by voltages from high-ear generators is not suitable, as well they can only be used in the area of lower frequencies.

Ziel der Erfindung is.t eine Modulatogranordnung, bei der .einerseits .der Grad der TrägPirun@teT-drückung nicht vom augenblicklichen Zustand Paarweise, zusammengestellter -Elemente abhängt, anderpriseits aber die ModulieTspannung leistungs-los zugeführt werden kann. Dies soll :gemäß der , Erfindung dadurch erreicht werden, daß die @ @ Modulation :in Kondensatoren mit spannungs,afbbhängiger Kapazität, deren Kapazitäts-Spannungs-Kenn.linie,sym@metrisch zur Vorspannung Null verläuft, vorgenommen wird und die Beaufschlägung dex Anordnung nicht mit der gewünschten Ausgangsträ:ggerfrequenz, sondern mit d-er haIiben odIer geradcahlig geteilten- Trägerfrequenz erfolgt. Die gewünschte Wirkung entsteht auf Grund folgender Vorgänge.The aim of the invention is.t a Modulatogranordnung wherein .einerseits .the degree of TrägPirun not tet @ suppression of instantaneous state pairs, depends collated elements, but the anderpriseits ModulieTspannung performance can be los supplied. According to the invention, this is to be achieved in that the @ @ modulation: is carried out in capacitors with voltage, dependent capacitance whose capacitance-voltage characteristic curve runs symmetrically to the bias voltage zero, and the application of the dex arrangement is not with the desired output carrier frequency, but with the half or evenly divided carrier frequency. The desired effect arises from the following processes.

Wird ein Kondensator mit ispannungsabhängiger Kapazität und' symmetrieeher Kennlinie durch dune Wechselspannung Ibis in das Gebiet seiner Kennli#nienkrümmung ausgesteuert, so wird der durch den. Kondensator fließende Strom verzerrt, enthält jedoch wegen der Symmetrie der Kennlinde nur unb-eradzahliige Harmoniische.Becomes a capacitor with voltage-dependent capacitance and symmetry Characteristic curve through the ac voltage Ibis in the area of its characteristic curve curvature controlled by the. Contains capacitor flowing current distorted however, because of the symmetry of the characteristic curve, only odd harmonics.

Erst wenn dieser Wechselspannung noch eine-Gleichspannung überlagert wird, entstehen gerad zaflige Harmonische, welche in Betrag und Phase vom Betrag und Vorzeichen der überlagerten Gleichspannung abhängen. Die zweite oder jede andere entstehende geradzahlige Harmonische der awsisteuernden Frequenz kann daher als unterdrückter Träger einer modulierten Ausgangsspannung angesehen werden, wobei die erwähnte überlagerte Gleichspannung als Modulierspannung wirkt.Only when a DC voltage is superimposed on this alternating voltage even harmonics arise, which in amount and phase depend on the amount and the sign of the superimposed DC voltage depend. The second or any other resulting even harmonics of the awsi-controlling frequency can therefore be used as suppressed carrier of a modulated output voltage, where the above-mentioned superimposed direct voltage acts as a modulating voltage.

Die einfachste Anordnung nach _diesem Prinzip besteht aus einer Serienischultung folgender Elemente: Spannungsquelle für die-, beauischlagende Wechselspannung miit der halben Trägerfrequenz, Spannungsquelle für diie Modulierspanmung, spannunrnsabhängiger Kondens;ato@r und Verbraucherwiderstand, an :dem die dem gewünschten Modulationsprodukt entsprechenden Ströme als Spannungen auftreten können, die aus der Schaltung ausgekoppelt werden können. Der technische Fortschritt dieser Anordnung besteht darin, @daß einerseits die Trägerunterdrückung durch die physikalis,ch gegebene Symmetrie der Kapazitäts-Spannungs-Kennilinie .dies Kondensators erzielt wird und somit keine Symmetrierung von Einzelheiten erforderlich ist, am@demnseits die Modullenspannung von einem hochohrigen Generator geliefert werden kann, da dieser -keine Leistung an die Modülatoranord nung Ii@efern ruß.The simplest arrangement based on this principle consists of series training the following elements: Voltage source for the applied alternating voltage with half the carrier frequency, voltage source for the modulating voltage, more voltage-independent Condens; ato @ r and consumer resistance at: which the desired modulation product corresponding currents can occur as voltages that are decoupled from the circuit can be. The technical progress of this arrangement consists in @ that on the one hand the carrier suppression by the physically given symmetry of the capacitance-voltage curve .this capacitor is achieved and therefore no balancing of details is required is, on the @ then the module voltage is supplied by a high-eared generator can be, as this -no power to the modulator arrangement Ii @ efern soot.

Bei der beschriebenen einfachen Serienschaltung der eievelnen Elemente müßte gefordert werden, .daß die be@aufsdhlag!ende Wechselspannung selbst keine gerad'zehligen Harmonischen enthält. Obwohl dieser Forderung durch Einschaltung entsprechender Filter )stets entsprochen werden könnte, wird man es. dennoch vorziehen, die Modulatorischaltung im Gegentakt aufzubauen, um damit den Einfluß dieser Harmonischen des Generators noch weiter zu verringern.With the described simple series connection of the individual elements it would have to be demanded that the contacting alternating voltage itself does not contains even harmonics. Although this requirement through engagement corresponding filter) could always be met, one will. still prefer to build the modulator circuit in push-pull, in order to reduce the influence of these harmonics of the generator even further.

Eine der vielen möglichen Ausführungen ist die in Abb. i dargestellte, die ,so aufgebaut ist, daß am Ausgang bei nichtriger Symmetri:erung der Brückenzweige nur die in den Kondensato-,ren entstehenden# Harmonischen und nicht die vom Generator erzeugten auftreten können. Ein Generator i, welcher vorzugsweise die halbe Trägerfrequenz erzeugt, gibt seine Spannung Über dien Übertrager 2 an die Reihenschaltung von zwei .-spannungsabhängigen Kapazitäten 3 ab. Diese Kapazitäten werden .durch die über den Eingang 4 zugeführte Modülienspannung vorgespannt, und es entstehen indem über den Kondensator 5 und der Wicklung 6 geschlossienen Wechselstromkreis geradizahlige Harmoniische, hauptsächlich jedoch die zweite. Diese wird in dem Kreis 7 @msges.iebt und dien nachfolgenden Verstärker zugeführt. Falls beim Generator i keinerlei Maßnahmen zur Unterdrückung der geradzahnligen Harmonischen getroffen wurden, ist eine Symmetrirerung durch die Zuis,atzkon@de@n@s@atoren ä erforderlich.One of the many possible designs is the one shown in Fig. I, which is constructed in such a way that at the output with no symmetry of the bridge branches only the harmonics created in the capacitors and not those from the generator generated can occur. A generator i, which preferably has half the carrier frequency generates its voltage via the transformer 2 to the series connection of two .-voltage-dependent capacitances 3 from. These capacities are .by the over the input 4 supplied module voltage is biased, and it arise by over the capacitor 5 and the winding 6 closed AC circuit even-numbered Harmonic, but mainly the second. This is sieved in the circle 7 @ msges and fed to the subsequent amplifier. If no measures are taken for generator i to suppress the straight-tooth harmonics is a symmetrization by the Zuis, atzkon @ de @ n @ s @ atoren ä required.

Für Anwendungen zur Frequenzmodulation von Oszi.llatoiren wird gemäß der weiteren Erfindung vorgeschlagen (Abb.2), die Frequenz eines Oszillators 9 :durch einen Frequenzteiler io vorzugsweise auf die halbe Frequenz zu teilen und damit die Mo,dulato@rs&altung zu bieaufsah,lagen. Die wieder freqnenzverdoppelte Ausgangs:sp:ung des Modulatoms wird entsprechend verstärkt (i i) u.id mit einneu Phasendrehung von 9o° in .den Oszillatorschwing-,krdis 12 eingekoppelt. Die somit rückgekoppelte Energieast je nach dem Vorzeichen der ModulationGspannung entweder kapazitiv oder induktiv; bei Modulationsspannung Null schwingt der O@sziillatom auf 6einer natürlirhen Frequenz, da ihm keinerlei Fremdenergie zugeführt wird. Somit sind die durch die üblichem Nachstimmschaltungen entstehenden Frequenzunstabilitäten vermieden, außerdem läßt sich eine sehr lineare Modulation erzielen.For applications for frequency modulation of oscillators according to the further invention proposed (Fig.2), the frequency of an oscillator 9: by to divide a frequency divider io preferably to half the frequency and thus the Mo, dulato @ rs & altung zu biaufsah, lay. The frequency doubled output: voltage: ung of the modulus atom is amplified accordingly (i i) u.id with a new phase rotation of 9o ° in .den oscillator swing, krdis 12 coupled. The thus fed back energy branch depending on the sign of the modulation voltage either capacitive or inductive; at zero modulation voltage, the oscillation atom oscillates at a natural frequency, since it is not supplied with any external energy. Thus, they are through the usual Retuning circuits avoiding frequency instabilities, also leaves a very linear modulation can be achieved.

Infolge,der physikalisch bedingten Trägerunterdrückung in d er erfindungsgemäßen Anordnung ist es möglich, @diese Anordnung auch als Eingangsmodulatom für TrägerfrequenzverstIrker zu verwenden, vorzüglich zur Verstärkung von äußerst niederfrequenten Spannungen und von Gleichspannungen.As a result of the physically caused carrier suppression in the invention It is possible to arrange this arrangement as an input module atom for carrier frequency amplifiers to be used, especially for amplifying extremely low-frequency voltages and of direct voltages.

Es wird hierbei gemäß der weiteren Erfindung °n@tspne@chend Abb.3 die Ausgangsispannung des Modulatoms in einem auf die Trägerfrequenz abgestimmten Verstärker 13 verstärkt und der Modu. lator entsprechend mit der halben (od leir geradzahlig getei.l:ten) Trägerfrequenz beaufschlagt. Durch einen getrennten Frequenzvervielfacher 14 wird ebenfalls eine Trägerfrequenzspannung erzeugt und zusammen mit :der Ausgangs.span:nung des Verstärkers auf den plhasenempfindliehen Gleichrichter 15 geschaltet, der tsomit an. ,seinem Ausgang 16 die demodulierte Verstärkerausgangsspannung abgibt. Es isst für viele Anwendungen von Trägerfrequenzverstärkern, besonders bei solchen für biologische Zwecke, vorteilhaft, dass Meßo:bjekt, also: im vorliegenden Falle ,den Generator für die Modulier@spannung, an einen V erstärkeireinigang ohne je-,gliche Erdverbindung anschließen zu können. Vorliegende Modulatorschaltung ermöglicht dies ohne weiteres, da sowohl Ein- wie Auskopplung induktiv erfolgen können. Gemäß der weiteren Erfindung wird hierbei die gesamte Modulatoranordnung statisch abgeschirmt, wobei man die Abschirmung 17 entweder erden oder mit einem Punkt des Meßobjekts verbinden kann. Sofern geringste Kapazität der gesamten Anordnung gegen Erde gewünscht isst, wird gemäß der weiteren Erfindung die Abschirmung an den Ausgang einer Ka.tho,d@enve,rstärlee:rröll!re angesch!lo,ssen, deren @hochohmiger Eingang an einen Punkt des Meßobjekts angeschlossen wird. Dadurch wird erreicht, d'aß dioe Ladeströme. der Kapazität Abschirmung-Masse vom Kathodenverstärker geliefert werden und die Abschirmung allen Potentialschwanikungen das Meßobjekts gegen Masse folgt, so daß zwischen Modu lato,rschaItung und Ab- schirmung keine Potentialdifferenzen auftreten können u d :diese Schaltung daher, vom Meßobjekt aus betrachtet, keine nennenswerte Erdkapazität aufweist.According to the further invention, the output voltage of the modulus atom is amplified in an amplifier 13 tuned to the carrier frequency, and the modulus is amplified. half the (or evenly divided) carrier frequency is applied accordingly. A carrier frequency voltage is also generated by a separate frequency multiplier 14 and, together with: the output voltage of the amplifier, is switched to the phase-sensitive rectifier 15, which is thus switched on. , its output 16 emits the demodulated amplifier output voltage. For many applications of carrier frequency amplifiers, especially those for biological purposes, it is advantageous that the measuring object, i.e. in the present case the generator for the modulating voltage, can be connected to an amplification input without any earth connection. The present modulator circuit makes this possible without further ado, since both coupling-in and coupling-out can take place inductively. According to the further invention, the entire modulator arrangement is statically shielded, and shielding 17 can either be grounded or connected to a point on the test object. If the lowest capacitance of the entire arrangement to earth is desired, according to the further invention the shielding is connected to the output of a Ka.tho, d @ enve, rstarklee: rröll! Re, whose @high-resistance input to a point on the test object is connected. This achieves that the charging currents. the capacity of shielding ground are supplied from the cathode amplifier and the shield all Potentialschwanikungen follows the DUT to ground, so that no potential differences occur between modu lato, rschaItung and shielding ud: this circuit, therefore, viewed from the object to be measured from, has no significant ground capacitance .

Claims

PATENT CLAIMS: i. Modulator arrangement with one or more Capacitors with voltage-dependent capacitance whose capacitance-voltage characteristic is symmetrical runs to zero bias, characterized in that the arrangement in addition to the Modulating voltage half or even: divided carrier frequency instead of Carrier frequency, self-supplied.

2. Arrangement according to claim i when using as a frequency modulator: characterized in that the frequency of a 0sz.ill-ators divided into an even number and the modulator; rano @ r: dnung is supplied, and is characterized by that the output voltage: of the modulato, rs with a go ° difference: eb: ung the oscillating circuit .The oscillator is supplied.

3. Arrangement according to claim i when used as Input modulator for carrier frequency amplifiers, characterized in that the The output frequency of the modulator is amplified and in a plh: a, sensensens @ en equation vchrichte @ r is demodulated-, with this rectifier the otherwise obtained Carrier frequency is supplied for phase comparison.

4. Arrangement according to claim i and 3, characterized in that the module axor arrangement does not have any galvanic obstruction with the rest of the device and you have a static shield from this and further characterized in that: this static shield either grounded or else: directly or via a cathode amplifier with: the generator ! the modulating voltage is connected. Printed publications: French patent specifications No. 954 754, 902 866; British Patent No. 669,223; V i 11 ig, textbook of the Hochfrequenztechntik, 1944 Vol. II, p.245; Swiss Patent No. 202 347; German patent specification No. 82o oi8.