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Einrichtung zur genauen Anzeige der Empfangsfrequenz in einem kommerziellen
Uberlagerungsempfänger Bei kommerziellen Überlagerungsempfängern zum Empfang von
Nachrichten muß' die Frequenzkonstanz des Oszillators sehr viel höher als bei Rundfunkempfängern
sein, weil die Absti.mmskala so genau geeicht sein muß, daß der auf Grund der Skala
eingestellte Sender mit Sicherheit empfangen wird." Die Einstellung muß unabhängig
davon sein, ob der Sender gerade in Betrieb ist oder nicht. Wird also der Empfänger
auf den gewünschten Sender abgestimmt, wenn der Sender gerade nicht in Betrieb ist,
so muß er bei seiner Inbetriebnahme mit Sicherheit im Empfänger erscheinen. Man
bezeichnet diese Eigenschaft des Empfängers als Treffsicherheit.
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Der hierfür erforderliche Aufwand ist außerordentlich groß, weil im
allgemeinen Quarze zur Frequenzstabilisierung des Oszillators benötigt werden. Dann
m@uß der Zwischenfrequenzteil stetig abstimmbar gemacht werden, .und hieraus ergibt
sich wiederum die Notwendigkeit einer zweimaligen Überlagerung, um die nötige Trennschärfe
mit fest abgestimmten Filtern zu erhalten. Es wäre also erwünscht, mit einem geringeren
Aufwand auszukommen und dabei die Quarze entbehrlich zu machen.
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Deshalb wird ein kommerzieller Überlagerungsempfänger mit einem stetig
abstimmharen Oszillator vorausgesetzt, dessen Frequenzkonstanz oder dessen Skalenlänge
für die verlangte absolute Genauigkeit der Abstimmskala, z. B. z oder 2 kHz, nicht
ausreicht.
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Es ist bekannt, die letzten Dekaden der Oszillatorfrequenz eines Überlagerungsempfängers
(und damit auch die der Empfangsfrequenz) mit einer
Eichfrequenz
zu vergleichen, die durch Aussieben aus einem Spektrum von äquidistanten Normalfrequenzen
(Oberschwingungen einer konstanten Frequenz) erhalten wird. Die Differenzfrequenz
kann auf einer Skala oder auf einem Zählwerk dauernd abgelesen werden, also auch
während des Empfanges. Nachteilig ist bei dieser Meßeinrichtung, daß der Aufwand
wegen der Filter für die auszusiebende Normalfrequenz relativ hoch ist ,und daß
eine zusätzliche Bedienungsvorschrift erfüllt werden muß, nämlich das Auswählen
der jeweils passenden Normalfrequenz aus dem Normalfrequenzspektrum.
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Die Erfindung, die ebenfalls ein Spektrum von äquidistanten Normalfrequenzen
und eine direkte Anzeige der Differenzfrequenz zw=ischen einer Normalfrequenz und
der Oszillatorfrequenz des Empfängers verwendet, besteht in der Anwendung der folgenden
vier Mittel: i. Die Oszillatorfrequenz wird mit dem ganzen Spektrum der Normalfrequenzen
statt nur mit einer ausgewählten Normalfrequenz gemischt.
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z. Der Frequenzbereich des Frequenzmessers ist halb so groß wie- der
Abstand der Normalfrequenzen.
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3. Der Frequenzmesser hat zwei übereinanderliegende Skalen, von denen
die eine für die Differenzfrequenz zwischen der Oszillatorfrequenz und der tiefer
gelegenen Normalfrequenz und die andere für die Differenzfrequenz zwischen der Oszillatorfrequenz
und der höher gelegenen Normalfrequenz bestimmt ist.
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q.. In dem Bereich der Differenzfrequenz, in dem die mit der höheren
Normalfrequenz und die mit der tieferen Normalfrequenz gebildete Differenzfrequenz
annähernd gleich groß sind und deshalb nicht mehr durch Filter voneinander getrennt
werden können und beide gleichzeitig zum Frequenzmesser gelangen und dort infolge
Schwebungsbildung eine falsche Anzeige bewirken würden, sind selbsttätigeMittel
wirksam, die denFrequenzmesser unabhängig von der tatsächlich vorhandenen richtigen
Differenzfrequenz auf die der Mitte zwischen den beiden Normalfrequenzen entsprechende
Differenzfrequenz bringen, und der Bereich der Ungenauigkeit der Frequenzanzeige
ist kleiner als die verlangte Ablesegenau.igkeit (Abb. 5).
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Die erfindungsgemäße Lösung ist nicht nur dann anwendbar, wenn ein
neuer Empfänger gebaut wird, sondern sie ermöglicht sogar, bereits vorhandenenEmpfängern
mit ungenügenderFrequenzkonstanz nachträglich eine größere Treffsicherheit zu geben.
In diesem Fall kann man die erfindungsgemäße Einrichtung in Form eines Zusatzgerätes
aufbauen, welchem aus dem Empfänger lediglich die Oszillatorschwingungen zugeführt
zu werden brauchen.
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An Hand der Abbildungen, die Beispiele darstellen, wird die Erfindung
nachstehend näher erklärt.
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In Abb. i ist ein einfaches Beispiel der erfindungsgemäßen" Meßanordnung
dargestellt, bei der die Messung der dem Empfänger entnommenen Osziil-latorfrequen:z
fo durch Messung der Differenz zwischen dieser Oszillatorfrequenz fo und einer Normalfrequenz
fNerfolgt. Diese Normalfrequenz fN wird in einem Ouarzgenerator Q erzeugt und mit
der Oszillatorfrequenz fo in einer Mischstufe M gemischt.. Die dabei entstehende
Differenzfrequenz fo-f,v wird durch einen Tiefpaß TP geleitet, damit die beiden
ursprünglichen Frequenzen und die Summenfrequenz sowie Oberschwingungen zurückgehalten
werden. Die gesiebte Differenzfrequenz wird dann einem Frequenzmesser FM zugeführt.
Der Frequenzmesser kann z. B. nach dem folgenden Prinzip arbeiten. Die zu messende
Schwingung wird durch Gleichrichtung und Begrenzung in Impulse umgewandelt, deren
Breite von der Frequenz unabhängig ist. Diese Impulse werden einem Widerstandskondensatorglited
zugeführt, dessen Zeitkonstante groß gegen die Periodendauer der zu messenden Schwingung
is,t. Die Gleichspannung, die sich an diesem RG-Glied aufbaut, ist linear abhängig
von der Zahl der Impulise je Zeiltei.nhedt und deren Flächeninhalt. Die Gleichspannung
ist also direkt der Frequenz proportional, so daß es möglieh ist, einen angeschalteten
Gleichspannungsmesiser,i,n zu eichen.
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Man kann aber auch z. B. an sich bekannte zählende Frequenzmesser
verwenden, die dieHalbschwingungen der zu messenden Schwingung in einem bestimmten,
sehr genau konstant gehaltenen Zeitraum abzählen und diese Zahl zur Anzeige bringen.
Diese Abzählung wird automatisch dauernd wiederholt. Das Meßergebnis wird durch
Instrumente, Glimmlampen oder Anzeigeröhren angezeigt.
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Der Meßbereich der in Abb. i gezeigten Anordnung ist durch die höchste
Differenzfrequenz begrenzt, die der Frequenzmesser zusammen mit seinem vorgeschaltetenTiefpaß
messen kann. Wenn also beispielsweise der Frequ.enzmesser einen Bereich von o bis
5o kHz überstreicht, kann ein Oszillator-Frequenzbereich von -I- 5o bis - 5o kHz
gemessen werden. Man muß dann allerdings jeweils fests!tellen, ob die Oszillatorfrequenz
fo oberhalb oder unterhalb der Normalfrequenz fN liegt. Dies kann einfach durch
eine geringe Änderung der Oszi.llatorfrequenz f o geschehen. Wenn nämlich die Oszillatorfrequenz
durch Herausdrehen des Drehkondensators des Oszillators des Empfängers erhöht wird
und dann die vom Frequenzmesser FM
angezeigte Differenzfrequenz zunimmt, so
liegt die Oszillatorfrequenz oberhalb derNormalfrequenz fN. Nimmt jedoch bei einer
Erhöhung der Oszillatorfrequenz f0 die gemessene Differenzfrequenz ab, so liegt
die Oszillatorfrequenz ,unterhalb der Normalfrequenz.
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Wenn jedoch ein größerer Bereich gemessen werden soll, wird man mehrere
Normalfrequenzen fN verwenden, die in dem obigen Zahlenbeispiel für den Frequenzbereich
des Freduenzmessers um ioo kHz gegeneinander versetzt sind. Man kann hierzu das
Oberschwingungsspektrum einer Grundschwingung von ioo kHz 'verwenden. Man mißt
also
dann den Frequenzabstand der unbekannten Oszillatorschwingung gegen die nächste
Frequenz des Spektrums. Ein solches Frequenzspektrum ist in Abb. 2 durch Striche
i bis 5 angedeutet. Die OszilIatorfrequene foi möge zwischen den Frequenzen 3 und,
4 liegen. Es bilden sich dann zwei Differenzfrequenzen, nämlich eine kleine Differenzfrequenz
a zusammen mit der Normalfrequenz 3 und eine große Differenzfrequenz b mit der Normalfrequenz
4. Man muß nun dafür sorgen, daß nur die kleine Differenzfrequenz a zum Frequenzmesser
gelangt, um eine richtige Anzeige zu erhalten. Wie im Beispiel der Abb. i ist es
dann lediglich noch erforderlich, daß festgestellt wird, ob die Oszillatorfreqwenz
fo oberhalb der Normaltfrequenz 3 oder unterhalb dieser Normalfrequenz liegt. Im
letzteren Fall ist die Oszillatorfrequenz durch die gestrichzlte Linie f03 in Abb.
2 dargestellt.
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Abb.3 zeigt ein Blockschaltbild, welches zu Abb.2 gehört. Diese Schaltung
unterscheidet sich von der Schaltung nach Abb. i lediglich dadurch, daß zwischen
den Quarzgenerator Q, der die Grundfrequenz fG von z. B. ioo kHz liefert, und die
Mischstufe 3.1 ein Verzerrer V geschaltet ist.
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Abb. 4 zeigt, wie die Skala des Frequenzmessers in Abb. 3 beschriftet
werden kann. Oben sind die Frequenzen o bis 5o kHz und unten in umgekehrter Richtung
die Frequenzen von 5o bis ioo kHz dargestellt. Die obere Skala gilt z. B. für den
Frequenzbereich zwischen der Normalfrequenz 3 in Abb. 2 und der Frequenz m, die
in der Mitte zwischen den Normalfrequenzen 3 und 4 liegt. Die untere Skala gilt
dagegen für den Bereich zwischen den Frequenzen na und 4. Diese Anordnung
der Skalen .ergibt sich da-.durch, d,aß bei. zunehmender Frequenz f Dl die Differenzfrequenz
gegenüber der Normalfrequenz 3 zunimmt, bis die Oszillatorfrequenz die mittlere
Frequenz in. erreicht hat. Anschließend wird nur die Differenzfrequenz gegenüber
der Normalfrequenz 4 angezeigt, die bei zunehmender Oszillatorfrequenz abnimmt.
Für den Bereich zwischen den Frequenzen m und 4 gilt dann also die untere Skala
in Abb. 4. Mit der oberen Skala kann z. B. die Frequenz fol und mit der unteren
Skala die Frequenz f02 gemessen werden.
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Die' beschriebenen Verfahren haben in dieser Form noch "einen Nachteil.
Oben wurde erwähnt, daß der Tiefpaß TP in Abb. i und 3 so bemessen sein muß, daß
nur die tiefen Differenzfrequenzen bis zum halben Frequenzunterschied der Normalfrequenzen
durchgelassen werden. Dies hat zur Folge, daß in der Nähe der Grenzfrequenz des
Tiefpasses zwei Differenzfrequenzen durchgelassen werden, nämlich die mit der oberen
.und mit der unteren Normalfrequenz gebildeten Differenzfrequenzen, denn die Flanke
der Frequenzkurve des Tiefpasses kann nicht so steil bemessen werden, daß immer
nur die eine Frequenz durchgelassen wird. Es ist aber möglich, die Flanke so steil
zu bemessen, daß der Bereich, in dem zwei Differenzfrequenzen durchgelassen werden,
nur sehr klein ist. Beträgt die eine Differenzfrequenz 48 kHz und die andere 52
kHz, so ist noch eine saubere Trennung möglich. Wenn aber z. B. die eine Frequenz
49,5 kHz und die andere 50,5 kHz beträgt, so läßt sich nicht vermeiden, daß
beide Frequenzen durch daß Tiefpaßfilter hindurchkommen. Diese beiden Schwingungen
überlagern sich, so daß sich in bekannter Weise Schwebungen ergeben. Bei gleichen
Amplituden ist dann die Summenfrequenz mit der Differenzfrequenz hundertprozentig
moduliert. Man sollte annehmen, daß der Frequenzmesser die mittlere Frequenz aus
den beiden ursprünglichen Schwingungen anzeigt, also 5o kHz. Dies tut er aber nicht,
weil bei großem Modulationsgrad, z. B. hundertprozentiger Modulation der erwähnten
Schwebungen, immer Halbschwingungen vorkommen,-deren Amplituden sehr klein sind.
Sobald diese unter die Mindestansprechspannung des Frequenzmessers kommen, zeigt
dieser eine zu tiefe Frequenz an, weil er in der Zeiteinheit weniger Halbschwingungen
erhält.
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Praktisch zeigt sich .das folgendermaßen: Bei einer derartigen Richtung
der Abstimmungsänderung des Empfängers an irgendeiner Stelle der Hauptskala, daß
auf der Skala des Frequenzmessers die Frequenz zunimmt, steigt die Anzeige z. B.
bis 49,5 kHz richtig linear mit der Frequenz an. Plötzlich aber fällt der Frequenzmesser
z. B. auf 47 kHz zurück, obwohl die Frequenz bei 49,8 kHz liegt. Wenn dann kurz
darauf der Unterschied der beiden Frequenzen sehr klein wird, ist die Schwebung
durch eine entsprechende Schwankung des Zeigers des Frequenzmessers sichtbar. Man
kann also deswegen die richtige Frequenz, die sehr nahe bei 50 kHz liegt,
nicht ablesen. Das stört aber weniger als das erwähnte Zurückfallen des Zeigers,
da es auch bei ruhender Abstimmung des Empfängers sofort erkennbar ist. Beim Weiterdrehen
in derselben Richtung steigt der Frequenzmesser plötzlich wieder auf 49,5 kHz an
und zeigt von da ab wieder richtig.
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Man kann den geschilderten Nachteil auf Grund der folgenden Überlegung
beseitigen: Die Meßgenauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens ist durch die Genauigkeit
der Normalfrequenzen und durch dhe Anzeigegenauigkeit des Frequenzmessers begrenzt.
Letztere liegt bei normalem Aufwand bei etwa 10/9 und kann bei gelegentlicher
Nacheichung auch besser sein. Der oben beschriebene gestörte Meßbereich muß durch
Verwendung einer so großen Steilheit der Flanke der Frequenzkurve des Tiefpasses
so eingeengt werden, daß seine Breite kleiner als die Meßunsicherheit infolge der
erwähnten Ungenauigkeiten ist. Es ist dann nur erforderlich, den Frequenzmesser,
wenn die anzuzeigende Frequenz innerhalb dieses Bereiches der Meßungenauigkeit liegt,
selbsttätig so umzuschalten, daß er unabhängig von den geführten Schwingungen auf
den Endausschlag, also im vorletzten Zahlenbeispiel auf 5o kHz, zeigt. Das bedeutet,
daß der Frequenzmesser bereits 5o kHz anzeigt, sobald die Differenzfrequenz 49=5
kHz übersteigt. Die Anzeige ist dadurch nur bis auf ± 0,5 kHz genau. Das genügt
aber, wenn
der Fehler aus anderen Gründen, z. B. Temperaturabhängigkeit
der Frequenz des Normalquarzes oder Anzeigefehler des Frequenzmessers, größer ist.
Das hier angeführte Zahlenbeispiel bezieht sich auf eineMeßeinrichtung für denKurzwellenbereich
von 3 bis 30 MHz. Für andere Bereiche muß die verlangte Genauigkeit entsprechend
dem Senderabstand auf diesen Bereichen gewählt werden.
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Die Spannung für die erwähnte selbsttätige Umschaltung des Frequenzmessers
muß aus dem Frequenzabstand der beiden sich symmetrisch an 5o kHz annähernden Differenzfrequenzen
gewonnen verdien. Dies geschieht gemäß Abb. 5 folgendermaßen: Am Ausgang des Tiefpasses
TP erscheinen z. B. die beiden Differenzfrequenzen von 49.5 ,und 5o,5 kHz, die miteinander
Schwebungen bilden. Über den Bandpaß BP, der nur den Bereich von 49 bis 51
kHz durchläßt, wird die Schw ebung, die eine mit i kHz amplitudenmodulierte Schwingung
darstellt, einem Demodulator D zugeführt. Dieser liefert eine Wechselspannung von
i kHz über den folgenden Tiefpaß T, der den Bereich von o bis i kHz durchläßt, an
den Gleichrichter G. Die in diesem erzeugte Gleichspannung betätigt nach Verstärkung
in einem Verstärker VR ein Relais R, das den Frequenzmesser auf einen Generator
Ge umschaltet, der genau 5o kHz erzeugt. Dadurch zeigt derFrequenzmesser5okHzan.
DerUngenauigkeitsbereich ist in diesem Zahlenbeispiel ± o,5 kHz.
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Die Umschaltung des Frequenzmessers auf den 5o-kHz-Generator wurde
im Beispiel der Abb.5 lediglich zur Erhöhung der Verständlichkeit gewählt. Einfacher
ist es, den Frequenzmesser gleichstromseitig an eine feste Gleichspannung anzuschalten,
die den Endausschlag »5o kHz« erzeugt.
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Wenn bei dem beschriebenen Verfahren beachtet wird, daß die der Anordnung
zugeführten Amplituden einen Mindestwert überschreiten, tritt niemals eine Abhängigkeit
von der Amplitude auf. Die selbsttätige Umschaltung des Frequenzmessers ist dann
nur durch die Grenzfrequenz ,und die Flankensteilheit der Frequenzkurve des Tiefpasses
T (o bis i kHz) bestimmt. Der vorgeschaltete Bandpaß BP (es genügt dafür
ein einfacher Schwingungskreis) hat auf die selbsttätige Umschaltung keinen Einfluß.
Es ist nur notwendig, daß sein Durchlaßbereich mindestens so groß wie der vom Tiefpaß
T durchgelassene Frequenzbereich ist. Er dient dazu, unerwünschte Niederfrequenzen
von o bis i kHz zurückzuhalten.
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Bei dem oben an Hand der Abb.2 bis 5 beschriebenen Meßv erfahren besteht
noch der Nachteil, daß die Zwischenfrequenz ein ganzzahliges Vielfaches der Zahl
ioo betragen muß, wenn der Frequenzmesser nur die beiden letzten Dekaden der Empfangsfrequenz
anzeigen soll. Dies ist aus folgendem Zahlenbeispiel ersichtlich: Bei einer Empfangsfrequenz
von ioMHz und einer Zwischenfrequenz von 50o kHz ist die Oszillatorfrequenz fo
= 10,500 MHz. Ini der Mischstufe 11T in Abb.3 wird diese Oszillatorfrequenz
mit den Oberschwingungen des Ouarzgenerators Q gemischt. Die nächstliegende Oberschwingung
ist die Frequenz von io,5oo MHz, die mit der Oszillatorfrequenz fo übereins,timmt.
Es entsteht also keine Differenzfrequenz, die durch den Tiefpaß TP gelangen könnte,
so daß der Frequenzmesser FJU den Wert o anzeigt. Diese Anzeige ist richtig, weil
die beiden letzten Dekaden der Empfangsfrequenz von io MHz = ioooo kHz gleich o
sind. Würde dagegen die Zwischenfrequenz z. B. 525 kHz betragen, so würde eine Differenzfrequenz
von 25 kHz durch den Tiefpaß TP zum Frequenz -messer FM gelangen, so daß dort 25
kHz angezeigt würden. Dieser Wert ist offenbar falsch, denn er würde z. B. nur dann
zutreffen, wenn die Empfangsfrequenz = ioo25 kHz. betragen hätte. Es gibt jedoch
trotz dieser Erscheinung eine Möglichkeit, die Zwischenfrequenz beliebig wählen
zu können. Man transponiert nämlich das ganze Frequenzspektrum durch Aufmod,ulation
auf eine stabilisierte, entsprechend bemessene Frequenz so, daß die äqu.idistanten
Normalfrequenzen den zu der gewählten Zwischenfrequenz passenden Wert haben. Dies
soll an Hand der Abb. 6 gezeigt werden.
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Die vom Verzerret Tl in Abb. 6 gelieferten Oberschwingungen werden
nicht wie in Abb.3 unmittelbar zur Mischstufe M geführt, sondern werden in der Mischstufe
M1 mit der vom Quarzgenerator Q1 gelieferten Frequenz von 15,525 MHz gemischt. Deshalb
sind alle von der Mischstufe Ml gelieferten Oberschwingungen um 25 kHz gegenüber
dem Spektrum in Abb.2 verschoben. Die Zwischenfrequenz des Empfängers kann also
nun z. B. 525 oder 625 kHz @usw. betragen. Als Beispiel sei eine Zwischenfrequenz
von 525 kHz angenommen. Beträgt dieEmpfangsfrequenz z.B. ioMHz, so ist dieeugehörige
Oszillatorfrequenz fo = I0.525 MHz. Die zugehörige, der Mischstufe M zugeführte
Normalfrequenz müßte also ebenfalls 10,525 MHz sein, wenn der Frequenzmesser auf
o zeigen soll. Diese Frequenz von 10,525 MHz ergibt sich durch Mischung der
vom. Quarzgenerator Q1 gelieferten Frequenz von i5,525 MHz mit der vom Verzerret
V unter anderen gelieferten Frequenz von 5 MHz = 5ooo kHz. Würde die vom Quarzgenerator
Q1gelieferte Frequenz z. B. = I5,025 MHz betragen, so würde sich die verlangte Normalfrequenz
von 10,525 MHz durch Mischung mit einer vom Verzerret V gelieferten Frequenz von
450o kHz ergeben.
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In Abb. 4 wurde ein Beispiel für die Skala des Frequenzmessers angegeben,
die aus einer oberen Skala von o bis 5o kHz und einer unteren Skala von ioo bis
5o kHz besteht. Wegen dieser doppelten Skala ist die Anzeige nicht eindeutig. Welche
Skala abgelesen werden muß, kann man in folgenderWeise entscheiden. Das Normalfrequenzspektrum
wird kurzzeitig um einen kleinen Frequenzbetrag verschoben. Dies kann z. B. dadurch
geschehen, daß der für 15,525 MHz geschliffene Quarz des Generators Q1 in Abb. 6
durch Ziehen in bekannter Weise für eine kurze Zeit um einen geringen Betrag in
seiner Frequenz erhöht wird. Diese Frequenzverlagerung kann z. B. durch Betätigen
einer
Prüftaste ausgelöst werden. Je nachdem, ob der Zeiger des
Frequenzmessers dann ansteigt oder absinkt, ist die obere oder untere Skala gültig,
wie dies bereits bei Abb. i erwähnt wurde.
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Die Frequenzverlagerung kann aber auch kurzzeitig periodisch durch
eine Automatik erfolgen. Dann ändert sich auch der dem Anzeigeinstrument zugeführte
Strom in gleicher Weise. Es entstehen also entweder positive oder negative Impulse.
Die Impulse sind negativ, wenn die Frequenz zwischen o und 5o kHz liegt, weil in
Abb. 2 bei einer Erhähung der Normalfrequenz 3 der Abstand a zur Os:zi,llotorfrequenz
foi kleiner wird. S-ind die Impulse positiv, so liegt die zu messende Differenzfrequenz
zwischen Sound ioo kHz. Dieser Fall trifft in Abb. 2 für die Oszillatorfrequenz
f o, zu, da sich bei einer Erhöhung der Normalfrequenz 4 dse Differenzfrequenz
zwischen den. Frequenzen f02 und 4 vergrößert. Die Impulse werden dann nach Verstärkung
entweder auf ein Haftrelais oder ein polarisiertes Relais, einen Multivibrator oder
eine analoge bistabile Einrichtung gegeben. Derartige Einrichtungen müssen nur die
Eigenschaft haben, durch Impulse mit gleichen Vorzeichen immer in die gleiche Lage
geworfen zu werden. Damit kann man z. B. eine von zwei -Lampen, die sich
neben den Skalen befinden, zum Aufleuchten bringen, so daß nur die jeweils abzulesende
Skala beleuchtet wird. Die Lampen können auch durch Farben anzeigen,- welche der
Skalen abgelesen werden muß: