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Nach dem Uberlagerungsprinzip arbeitender Anzeigeverstärker
Die Erfindung
bezieht sich auf eine Anzeigevorrichtung, die in einem sehr breiten Frequenzbereich
nur auf einen Strom oder eine Spannung einer gewünschten Frequenz anspricht.
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Beim Vornehmen von Messungen über einen sehr breiten Frequenzbereich
ist es oft notwendig, daß man über ein Gerät zum selektiven Anzeigen oder Messen
von auftretenden Spannungen oder Strömen verfügt.
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Dieser Anzeiger muß deshalb selektiv sein, um zu verhindern, daß
etwaige nicht gewünschte Spannungen oder Ströme einer andern Frequenz den Anzeiger
zum Ansprechen bringen.
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Es ist nämlich bei diesen Messungen, zumal wenn sie sich über einen
sehr breiten Frequenzbereich ausdehnen, sehr gut möglich, daß in der zu messenden
oder zu überprüfenden Apparatur auch Spannungen oder Ströme einer andern als der
gewünschten Frequenz auftreten. Wenn diese Spannungen oder Ströme an den Anzeiger
gelangen, wird die Zuverlässigkeit der Messung dadurch schwer beeinträchtigt.
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Bei Vorrichtungen an sich bekannter Bauart verwendet man einen Anzeiger,
der mit der Hand auf die gewünschte Frequenz eingestellt wird. Diese Handbedienung
verursacht viel Zeitverlust, wenn eine ganze Reihe von Messungen an mehreren Punkten
im ausgedehnten Frequenzbereich vorgenommen werden soll; anderenfalls ist eine zusätzliche
Bedienungsperson einzusetzen. Bekannt ist als Anzeiger ein überlagerungsempfänger
von Siemens Type 3 U 4I3 m.
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Die Selektivität dieser Empfänger reicht für den erfindungsgemäßen
Zweck nicht aus.
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Die Vorrichtung nach der Erfindung ist derart ausgebildet, daß der
Anzeiger, ungeachtet der Phase der zu messenden Spannung oder des zu messenden Stromes,
selbsttätig nur auf eine Spannung oder einen Strom der gewünschten Frequenz anspricht,
indem
ein Generator fester Frequenz zur Modulation unter Wiederzusetzen
der zu messenden Frequenz in der Demodulationsstufe Verwendung findet.
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Zur Erläuterung wird nun ein Beispiel eines von den vielen Anwendungsgebieten
einer solchen Vorrichtung behandelt. Hierfür ist eine Messung zum Feststellen der
Impedanz-Frequenz-Kennlinie eines passend abgeschlossenen Koaxialkabels gewählt.
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Bei einer solchen Messung kann das zu messende Kabel an eine Brücke,
z. B. eine Wheatstonesche Brücke, angeschlossen werden, wobei als Vergleichsimpedanz
meistens ein Widerstand von der Größe des Wellenwiderstandes des Kabels verwendet
wird.
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Dies wird nunmehr an Hand von Fig. I näher erläutert. Hier wird das
zu messende Kabel bei 3, die Vergleichsimpedanz bei 2 angeschlossen. Weiterhin ist
ein Oszillator erforderlich, der Spannungen der gewünschten Frequenz geben kann;
ferner wird ein bei 4 angeschlossener Indikator zum Anzeigen des Brückengleichgewichts
Die Aufstellung der Meßapparatur ist Fig. 2 zu entnehmen. In dieser Figur stellt
5 den Oszillator, 6 die Meßbrücke und 7 den Anzeiger dar. Das zu untersuchende Kabel
wird bei 8, die Vergleichsimpedanz bei g angeschlossen. Um einen Eindruck von der
großen Anzahl von Messungen zu bekommen, die innerhalb eines Frequenzbandes vorzunehmen
sind, kann die folgende Berechnung dienen.
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Es sei vorausgesetzt, daß das Frequenzband, in dem das Kabel überprüft
werden soll, sich bis 5 MHz ausdehnt. Um in die Unregelmäßigkeiten des Kabels eine
Einsicht zu bekommen, hat es sich als notwendig erwiesen, daß die Zwischenräume
nicht größer als 20 kHz genommen werden. Es müssen dann 520 = 250 Messungen vorgenommen
werden. Der 20 Anzeiger muß also zweihundertfünfzigmal eingestellt werden. Dies
ist entweder sehr zeitspielig oder erfordert eine zusätzliche Bedienungsperson.
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Bei der Vorrichtung nach der Erfindung erfolgt diese Einstellung
automatisch.
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Es folgt nun eine Betrachtung der Gesichtspunkte, nach denen die
Vorrichtung auszubilden ist.
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Fig. 3 gibt eine schematische Darstellung der Anzeigevorrichtung
13 bis 19. Die Ausgangsspannung der Brücke 11 mit der Frequenz f (I2) wird einem
ersten Modulator I3- mit einer vom eingebauten Oszillator 14 herrührenden Frequenz
von etwa I000 Hz, in Amplitude moduliert, zugeführt. Am Ausgang dieses Modulators
treten Spannungen mit Frequenzen f, f + 1000 und f-rooo auf. Falls auch Spannungen
mit einer Frequenz von I000 Hz mit etwaigen Harmonischen auftreten, so sind diese
leicht auszufiltern.
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Dieses Gemisch wird dann einem Demodulator I5 zugeführt und mit der
Frequenz f vom Eingang der Brücke 10 moduliert. Es entstehen dadurch unter anderem
Spannungen mit Frequenzen (2f + I000) und 1000. Diese werden durch ein Filter I6
geführt, das nur die Frequenz von I000 Hz durchläßt. Diese Frequenz wird selektiv
bei I7 verstärkt und mittels eines Meßgeräts I8 sichtbar oder mittels eines Lautsprechers
oder eines Kopfhörers 19 hörbar gemacht.
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Daß eine solche Vorrichtung fiir die Frequenz f selektiv ist, ist
unmittelbar einzusehen.
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Eine Störspannung mit Frequenz fst im Kabel gelangt auch an den Anzeiger
und wird auch um IOOO Hz nach (fst + IOOO) verschoben. Im zweiten Modulator entstehen
dann Frequenzen (fst i IOOO) i f; diese Frequenzen werden im allgemeinen nicht gleich
IOOO Hz sein.
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Die eine auftretende Frequenz (fot 1 1000) + f verursacht gar keine
Schwierigkeiten. Die Frequenz (fst # 1000) - f aber kann Schwierigkeiten verursachen,
wenn die Störfrequenz wenig von der gewünschten Frequenz differiert.
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Ist z B. fst - f = 100 Hz, so treten Frequenzen von 1100 bzw. 900
Hz auf. Diese Frequenzen können aber leicht unterdrückt werden. Mit einfachen Mitteln
kann nämlich eine Bandbreite von weniger als 100 Hz erzielt werden.
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Dieser Schaltung haftet aber eine Schwierigkeit an, und zwar, daß
der Anzeiger Nullspannung angeben kann, während der Ausgang der Brücke doch Spannung
führt. Wie dies möglich ist, wird nunmehr erklärt: Setzt man die Brückeneingangsspannung
c cos @ die Brückenausgangsspannung ê2 cos (co t + o) und die Modulationsspannung
der ersten Modulationû cos µ t, wobei die Meßfrequenz f = #/2# und die ModulationsfrequenzIooo
= f ist, so findet man für die Ausgangsspannungen: ê1 ê2 û cos # t cos (#t + #)
cos µ t = ½ ê1 ê2 û2 cos {cos # + cos (2 # t + #)}.
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Das gewünschte Glied hierin ist @µ = I/2 ê1 ê2 û cos # cos µt.
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Wenn p schwankt (es tritt unter anderem in der Nähe der Nullstellung
eine #-Schwenkung von 1800 auf), so kann die Amplitude von eµ = ½ ê1 ê2 û cos gleich
Null werden, ohne daß die Brücke in Gleichgewicht ist, und zwar dadurch, daß cos
p = = o wird für ? = 900. Dabei kann p auch außerhalb der Nullstellung 900 sein.
Dies ist also ein grundsätzlicher Nachteil der besagten Schaltung.
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Diesem Nachteil kann in Weiterbildung der Erfindung völlig abgeholfen
werden, daß z. B. durch Einführung von Einseitenbandmodelung eines der zwei # Seitenbänder
im ersten Modulator unterdrückt wird, wie nunmehr an Hand von Fig. 4 gezeigt wird.
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Der Oszillator ist mit 20 bezeichnet; er liefert eine Spannung el
cos al t mit Frequenz f, die der Brücke 21 und dem Demodulator 29 zugeführt wird.
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Vom Ausgang der Brücke her wird eine Spannung e2 cos (av t + #) zwei
reinen Phasenverschiebungsnetzwerken 22 und 23 zugeführt, die über ein breites Band
eine Phasenverschiebung von 900 aufweisen. Diese Einseitenbandmodelung ist schon
seit längerer Zeit bekannt; neuzeitliche Entwicklungen auf dem Gebiete von Filtern
und Filterschaltungen
haben es aber nun erst möglich gemacht, diese
Kenntnis weitgehend zu benutzen. So ist es möglich, Filter zu bauen, die innerhalb
eines sehr breiten Frequenzbandes einen konstanten Unterschied der Phasenverschiebungen
von 900 aufweisen.
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Die Spannung am Netzwerk 22, die beispielsweise ê2 . sin (o t + )
sein mag, wird in der Mischröhre 26 mit einer Spannung ?s cos t t zusammengebracht.
28 stellt einen Iooo-Hz-Oszillator dar; die beiden Netzwerke ç bewerkstelligen einen
Phasenunterschied von 900.
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Die Spannung am Netzwerk 23, die beispielsweise sein mag: e, cos
(cv t + ), wird in einer Mischröhre 27 mit einer Spannung û sin ,u.t zusammengebracht.
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Am Ausgang treten dann Spannungen mit Kreisfrequenzen # und (# +
,tt) auf. Diese werden zusammen mit der Eingangsspannung der Brücke dem Demodulator
29 zugeführt.
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Hinter dem Modulator tritt eine Spannung mit der Kreisfrequenz ,u
auf. Der Filter 30 unterdrückt die übrigen anwesenden Frequenzen. Die besagte Spannung
wird im Verstärker 3I selektiv verstärkt und vom Meßgerät angezeigt oder vom Lautsprecher
hörbar gemacht. Die Spannung am Lautsprecher ist nun aus der Gleichung ê1 ê2 û {sin
(# t + #) cos µ t + cos (# t + #) sin µ t} cos # t, = ê1 ê2 û sin {(# + µ) t + #}
cos # t = ½ ê1 ê2. û [sin {(2 # + /) t + q)} + sin ( t + f)] zu berechnen.
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Das gewünschte Glied hierin ist: 1, Tel e2 X sin (t t + ) .
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Hieraus ersieht man, daß eine Schwankung von nun die Amplitude der
Ausgangsspannung nicht mehr beeinflußt.
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In bezug auf die soeben beschriebenen Schaltungen ist noch folgendes
auszuführen: Aus dem ersten Modulator kommen Spannungen mit Frequenzen (f + 1000)
und f. Wenn diese Spannungen dem Demodulator zugeführt werden, können sie bei einer
bestimmten Einstellung der Demodulatorröhre, in der Krümmung der Kennlinie bei einem
hohen Pegel der beiden Spannungen, am Ausgang des Demodulators eine Spannung mit
I000 Hz hervorrufen, selbst wenn die Modulationsspannung des Brückeneingangs nicht
anwesend ist. Dies ist nicht schwierig, wenn es sich um eine Spannung mit der gewünschten
Frequenz f handelt, denn bei Brückengleichgewicht senkt sich der Pegel der beiden
Spannungen von selbst.
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Rühren die beiden Spannungen aber von einer Störspannung her, so
haben sie die Frequenzen (fst + 1000) und fst. Es bleibt dann ein Ton von IOOO Hz
hörbar, auch bei Brückengleichgewicht. Um diesem Übel vorzubeugen, ist die Verstärkung
vor dem Demodulator, sofern dies mit Rücksicht auf das Geräusch zulässig ist, so
klein wie möglich zu halten. Eine noch bessere Lösung dieser Schwierigkeit bietet
die Anwendung von Gegentaktmodelung im ersten Modulator. Bei diesem Modulationsverfahren
erscheint die Trägerfrequenz oder Zentralfrequenz stark reduziert am Ausgang des
Modulators, so daß das besagte Übel nicht mehr auftreten kann.
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Eine solche Vorrichtung ist in Fig. 5 durch ein Blockschema angegeben.
In Fig. 6 ist das Grundsätzliche weiter ausgearbeitet.
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In Fig. 5 stellt 32 den Oszillator dar. 33 ist die Meßbrücke, 34
ein Gegentaktmodulator und 35 ein Einseitenbanddemodulator. f ist ein Filter; zwei
dieser Filter verursachen zusammen einen Phasenunterschied von 90°; 36 ist ein Filter,
das nur I000 Hz durchläßt, während 37 ein Verstärker für diese I000 Hz ist.
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In Fig. 6 ist die Ausgangsspannung der Brücke dem Eingangstransformator
T1 zugeführt. Die Eingangsspannung der Brücke wird an die mit A bezeichneten Klemmen
gelegt. Auf eine Verstärkerstufe 38 folgt ein Gegentaktmodulator 39 und dann ein
Hochpaßfilter 40. Darauf folgt ein Einseitenbanddemodulator 4I und zwei Filter 42,
43, die nur für die I000 Hz eine Phasenverschiebung von 90° hervorrufen.
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Dann folgt ein selektiver Verstärker für die I000 Hz (44).
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Um dem Übelstand, daß die Frequenz o> an das Gitter der Demodulatorröhre
gelangen kann, abzuhelfen, kann man auch die Modulatoren von Fig. + durch Gegentaktmodulatoren
ersetzen.
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Eine weitere Anwendungsmöglichkeit der Vorrichtung nach der Erfindung
ist z. B. noch die Anwendung als selektives Röhrenvoltmeter für einen weiten Frequenzbereich.
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Um den Anzeiger völlig selbsttätig auszubilden, ist eine selbsttätige
Pegelregelung mit einem Schwellwert vorzusehen. Wenn die Brücke nämlich stark außer
Gleichgewicht ist, so wird ohne Pegelregelung der Demodulator übersteuert, was das
Aufsuchen des Brückengleichgewichts nahezu unmöglich macht.
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Dieser Schwellwert ist notwendig, um die Empfindlichkeit in der Nähe
des Gleichgewichts nicht zu vermindern.
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In einer Anzahl Anwendungen, wie im gegebenen Beispiel der Kabelimpedanzmessung,
wobei die Brückenempfindlichkeit stark frequenzabhängig ist, kann es nützlich sein,
die Empfindlichkeit des Anzeigers in solcher Weise frequenzabhängig zu machen, daß
die Empfindlichkeitskurven des Anzeigers und der Brücke komplementär sind. Dies
kann mit einer frequenzabhängigen Vorverstärkung erzielt werden.
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Um die Empfindlichkeit des Anzeigers für Harmonische der Meßfrequenz
zu verringern, kann man dem Gitter des Demodulators oder der Demodulatoren, an das
die Überlagerungsfrequenz gelegt wird, eine negative Spannung geben und die Spannung
der Oberlagerungsfrequenz genügend klein wählen. Um aber in der Wahl der Brückenspeisespannung
frei zu bleiben und doch Handbedienung des Anzeigers zu vermeiden, kann man den
Schaltfrequenzeingang mit einem nicht verzerrenden Spannungsbegrenzer mit z. B.
Glühlampen oder Thermistoren versehen.
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Wenn schließlich eine direkte Registrierung mittels eines schreibenden
Instruments irgendeiner Meßgröße als Funktion der Frequenz erfolgen und diese Meß-
größe
selektiv gemessen werden soll, so ist die automatische Ausbildung des Anzeigegeräts
unentbehrlich.
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Es geht aus obigem hervor, daß die Vorrichtung nach der Erfindung
auf einem sehr ausgedehnten Gebiet Anwendung finden kann.