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Verfahren zur Phasenmessung In der Hochfrequenztechnik spielt die
Bestimmung der Phase zwischen zwei Vorgängen gleicher Frequenz bei der Wellenübertragung
über Netzwerke, Verstärker, Kabel sowie bei der Wellenverbreitung und dem Empfang
eine große Rolle.
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Besonders bei den experimentellen Untersuchungen von Fernsehübertragungssystemen,
bei denen die durch die nichtlineare Frequenzabhängigkeit des Phasenmaßes auf dem
übertragungsweg hervorgerufenen Phasenvetzerrungen die Bildgüte erheblich beeinflussen,
gewinnen Phasenmeßgeräte steigende Bedeutung.
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Es sind bereits mehrere Verfahren und Geräte zur Phasenmessung bekanntgeworden.
F. Vii b i g gibt in seinem Werk »Hochfrequenzmeßtechnik«, I953, einen zusammenfassenden
überblick über den gesamten Stand der Technik auf diesem Gebiet.
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Meßverfahren und Meßgeräte zur Phasenmessung mit Braunscher Röhre
als Anzeigegerät und sogenanntem Nullimpulsgenerntor sind außerdem in der Zeitschrift
ATM (Archiv für technisches Messen), März I953, unterden Nummern V 3631 - 1 bis
4, insbesondere V 363I -3, eingehend behandelt und beschrieben.
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Fast alle diese bekannten Verfahren und Anordnungen sind aber offensichtlich
nur für spezielle Zwecke entwickelt worden und jeweils nur für eine Frequenz oder
nur für einen bestimmten, verhält-
nismäß ig kleinen Frequenzbereich
brauchbar. Außerdem läßt sich bei den meisten dieser Verfahren und Anordnungen das
Ergebnis der Messung nicht unmittelbar angeben oder ablesen, sondern muß erst durch
mehr oder minder umständliche Berechnungen aus den Meßwerten ermittelt werden, wobei
das Vorzeichen derPhasendifferenz meist erst durch weitere Messungen oder Überlegungen
festgestellt werden muß. 'Ferner setzen die meisten der bekannten Verfahren Amplitudengleichheit
der miteinander zu vergleichenden Schwingungen am Meßobjekt voraus. Zur Herstellung
der Amplitudengleichheit; am Meßobjekt werden daher KorrekturgLieder, wie Eichleitungen
oder Verstärker, benötigt; dere, Phasenfehler' aber in die Messung mit eingehen,
wodurch die Meßgenauigkeit dieser Anordnungen erheblich heraibgesetzt wird. Meßverfahren
mit Braunscher Röhre zur direkten Anzeige sind von den Amplituden der Meßspannungen
dadurch unabhängig, dnß ein sogenanntes Nullimpulsgerät beim Nulldurchgang der ihm
zugeführten Spannungen einen scharfen Impuls erzeugt und dieser als Zacken auf einer
kreisförmig abgebildeten Zeitbasis markiert wird. Ein solches Impuisgerät erzeugt
in mindestens drei Röhrenstufen aus den sinusförmigen Eingangsspannungen die Impulszacken.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Phasenmessung, bei
dem der Zeitunterschied der Nulldurchgänge zweier oder mehrerer gleiahfrequenter
Schwingungsvorgänge durch Nullimpulse bestimmt wird. Erfindungsgemäß werden die
Nullimpulse mittels einer Strahlablenkröhre ohne Bildschirm erzeugt, bei der ein
mit nur einem Ablenkplattenpaar senkrecht zu-seiner Ebene abgelenkter bandförmiger
Elektronenstrahl nur im Nulldurchgang der Ablenkspannung durch einen Schlitz in
einer vor der Anode angeordneten Elektrode auf die Anode treffen kann.
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In Abb. I ist eine solche Röhre schematiseh im Querschnitt dargestellt.
Ihre Wirkungsweise ist folgende: Die Elektronen, die von der Kathode K ausgehen,
werden von den zwei miteinander verbundenen Elektroden g1 und den geschlitzten Elek-
-troden g2 und g3 gebündelt, so daß ein bandförmiger Elektronenstrahl entsteht.
Die Elektrodengl steuern außerdem den Röhrenstrom, während die Elektrode g2 erforderlichenfalls
zur Unterdrückung des Elektronenstrahls verwendet werden kann. Die geschlitzte Elektrode
g4 fängt den Strahl ab, wenn eine Ablenkspannung an die Platten d gelegt wird; Die
Röhre enthält ferner ein Fanggitter g, das die auf die Anode a auftreffenden Elektronen
sowie frei werdende Sekundärelektronen davon abhält, zum Schirmgitter g4 zurückzukehren.
Wenn nun der Elektronenstrahl durch eine Wechselspannung an d rasch über den Schlitz
der Elektrodeg4 geführt wird, kann nur während eines sehr kurzen Augenblicks ein
Strom zur Anode fließen. Bei symmetrischer Ablenkung wird daher von einer sinusförmigen
Ablenkspannung bei jedem Nulldurchgang ein scharfer Impuls erzeugt. Die Zeitdauer
desselben hängt außer von der Frequenz auch von der Amplitude der ablenkenden Spannung
ab, da bei gleicher Frequenz das Zeitintervall; in dem der Strahl zur Anode gelangen
kann, mit zunehmender Amplitudeimmer kleiner wird.
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In an sich bekannter Weise werden dieser Röhre nun die beiden in
der Phase zu vergleichenden Schwingungen abwechselnd zugeführt und aus ihnen bei
den jeweiligen Nulldurchgängen kurze Zeitimpulse herausgeschnitten, die auf der
auf einer Braunschen Röhre abgebildeten Zeitbasis entsprechende Helligkeitssteuerungen
hervorrufen. Die Abstände dieser Hellsteuerung liefern im Winkelmaß direkt den Wert
des zu bestimmenden Phasenunterschiedes.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung wird nachstehend' an Hand der Zeichnung
im einzelnen näher beschrieben - und erläutert. Abb. 2 zeigt schematisch die zur
Anwendung des neuen Verfahrens erforderliche Meßanordnung. In dieser ist mit M das
Meßobjekt bezeichnet, dessen Phasengang untersucht werden soll. Die zu vergleichenden
Meßspannungen werden in bekannter Weise nach dem tSberlagerungsprinzip in eine relativ
niedrigeFrequenzlage umgesetzt. Die erforderlichen Wechselspannungen für Signal
und Träger liefert der Sendeteil S in einer Schaltung, die ohne Gleiohlauffehler'
die Signalspannung über einen weiten Frequenzbereich zu verändern gestattet. Zwei
quarzgesteuerte Sender G1, G2 mit einem Frequenzunterschied, der der späteren Zwischenfrequenz
ZF entspricht, liefern Hochfrequenzschwingungen an die -Mischstufen SMt bzw. SM2,
denen außerdem die Frequenz eines stetig veränderbaren Generators G zugeführt wird.
Nach der Umsetzung, Siebung und Verstärkung wird aus fv-fi die im weiten Frequenzbereich
veränderliche Signalspannung Si und aus fv-J2 die sich von Si. stets nur um die
Zwischenfrequenz ZF unterscheidende Trägersp annung 'lr gewonnen. Die Signalspannung
Si durchläuft nun einerseits das Meßobjekt N und verläßt dieses nach einer Phasenverschiebung
als So, die iii der Empfängermischstufe EM1 mit derTrägerspannung Tr zu ZF umgesetzt
wird. Andererseits wird sie einer zweiten Mischstufe EM2 zugeführt und mit demselben
Träger Tr in die Zwischenfrequenz ZF' umgesetzt. ZF und ZF' unterscheiden sich um
die durch das Meß objekt erzeugte Phasenverschiebung und Dämpfung.
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Die Meßan(zeige auf dem Bildschirm der Braunschen Röhre ist, wie
bereits erwähnt, unabhängig vom Pegelunterschied der Eingangsspannungen.
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Um jedoch für Messungen, bei denen es erforderlich ist, auch die absolute
Größe der Eingangsspannungen zu kennen und meßbar auf gleiche Werte einstellen zu
können, sind an den Modulatoreingängen Tastköpfe T1, T2 mit praktisch phasenrein
arbeitenden kapazitiven Spannungsteilern vorgesehen.
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Auf die Mischstufen folgt ein Umschalter U, der im raschen Wechsel
ZF und ZF' üb'er BandfilterBF und Verstärker V an die Impulsstufe gibt, die die
beschriebeneStrahlablenkröhre enthält. Die Impulsstufe erzeugt nun bei jedem Nulldurchgang
der abwechselnd ankommenden Sinusschwingungen
einen Stromstoß, der
verstärkt wird. Diese Impulse steuern die Bildröhre und tasten sie in den ihrer
Phasenlage entsprechenden Zeitpunkten hell.
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Die Zeitbasis für die Phasenmessung auf der Braunschen Röhre ist
kreisförmig. Die Strahlablenkspannungen werden in der üblichen go °-Schaltung aus
der Meßspannung gewonnen. In der beschriebenen Anordnung entstehen für die beiden
Spannungen A und- B zwei konzentrische Kreise, da für die Zeitspanne, in der der
Umschalter am KontalrtB liegt, die Ausgangsspannung des B-Zweiges zusätzlich durch
den Eingang des Impulsverstärkerzweiges belastet wird und damit etwas absinkt. Auf
die Möglichkeit einer Kompensation dieses Effektes wurde bewußt verzichtet, denn
es wird so - wie in Abb. 3 veranschaulicht - a:uf dem äußeren Kreis stets die Phase
der Spannung durch einen hellen Punkt markiert und auf einem zweiten, etwas kleineren
Kreis eine entsprechende Marke für die Spannung B.