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Verfahren zur Frequenzmessung hochfrequenter elektrischer Schwingungen
Zur genauen Messung der Frequenz hochfrequenter elektrischer Schwingungen bedient
man sich bekanntlich vor allem solcher Verfahren, bei welchen mit Hilfe von Abstimmitteln
eine Erfassung der zu messenden Frequenz vollzogen wird. Als Abstimmittel finden
dabei . entweder Resonanzschwingkreise oder solche Vergleichsfrequenzen Verwendung,
die von Generatoren mit exakt festliegendem Frequenzverlauf geliefert werden. Bei
der Durchführung der nach diesen Methoden vollzogenen Messungen ergeben sich immer
dann erhebliche Schwierigkeiten, wenn die zu messende hochfrequente Schwingung nicht
oberwellenfrei ist. Nur durch eine Reihe von Einzelmessungen der Frequenz der Harmonischen
oder ihres Amplitudenwertes gelingt es dann nämlich, sich Gew ißheit darüber zu
verschaffen, ob es sich bei der Frequenz einer einzelnen Schwingung um die Grundfrequenz
oder um eine Harmonische höherer Ordnung handelt. Sieht man bei diesen bekannten
Verfahren also von solchen Reihenmessungen ab, so gelingt es nicht, eine eindeutige
Frequenzmessung der betreffenden, nicht oberwellenfreien Schwingung durchzuführen,
denn bei fehlender Vergleichsmbglichkeit mit den Frequenzen oder Amplitudenwerten
der vorhandenen
Harmonischen ist es ausgeschlossen, die Ordnungszahl
der gemessenen Harmonischen zu identifizieren.
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Die Oberwellen der bei dem Meßvorgang vorliegenden Schwingung können
entweder außerhalb des Meßgerätes oder auch in ihm selbst entstanden sein. Letzteres
ist in besonders starkem Maße dann der Fall, wenn die zu messende Schwingung ohne
Vorselektion mit starker Amplitude in das Gerät gelangt. Die Amplitude der entstehenden
Oberwelle steigt dabei mit der Eingangsspannung um so mehr an, je höher ihre Ordnungszahl
ist.
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Bei demjenigen bereits erwähnten bekannten Verfahren, bei welchem
die zu messende Frequenz mit Hilfe einer Vergleichsschwingung bestimmt wird (Interferenzmethode),
ergeben sich weitere Schwierigkeiten für eine eindeutige Messung. Auch hierbei werden
nämlich durch das Einwirken der Vergleichsschwingung auf fas Meßgerät, insbesondere
in der Mischstufe, Oberwellen erzeugt, die mit den Harmonischen der zu messenden
Frequenz die Vieldeutigkeit des Meßergebnisses noch vergrößern.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung der Frequenz
hochfrequenter elektrischer Schwingungen, bei dem eine Abstimmung auf die zu messende
Frequenz vorgenommen wird. Bei diesem Verfahren wird eine Eindeutigkeit der Frequenzbestimmung
trotz der zahlreichen vorhandenen Oberwellen ohne die erwähnte umständliche Vergleichung
mit den Frequenzen bzw. Amplitudenwerten der Harmonischen erfindungsgemäß durch
eine so weit gehende, selbsttätige Herabsetzung der Spannungsempfindlichkeit der
Meßanordnung in Abhängigkeit von der Amplitude der zu messenden Frequenz zustande
gebracht, daß über einen weiten Amplitudenbereich nur der Anzeigewert für die zu
messende Frequenz oberhalb, der für ihre Harmonischen bzw. die Harmonischen einer
Vergleichsfrequenz jedoch unterhalb der Ansprechschwelle der Anzeigevorrichtung
liegt. Wird das Meßverfahren in dieser Weise ausgebildet, so bringt es die Einstellung
der Spannungsempfindlichkeit der Meßanordnung von selbst mit sich, daß sich .die
Oberwellen neben der Grundfrequenz der zu messenden Schwingung nicht auswirken können
und somit durch die Abstimmung allein die Grundfrequenz eindeutig und genant bestimmt
wird. In besonderer Ausgestaltung der Erfindung kann die Spannungsempfindlichkeit
der Meßanordnung durch Gleichrichtung der Meßspannung und Regelung des Verstärkungsgrades
einer oder mehrerer Stufen erfölgen, die im Zuge des Meßkanals liegen oder aber
auch ein von der Meßspannung gesteuerter Spannungsteiler im Zuge des Meßkanals angeordnet
sein.
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Als Anzeigevorrichtung kann bei der Erfindung jedes dafür in Betracht
kommende Gerät Verwendung finden, also z. B. ein Spannungsmesser. Für die Interferenzmethode
kann auch ein elektroakustischer Wandler (z. B. Kopfhörer) oder ein nach dem Kondensatorladeprinzip
arbeitender Frequenzzeiger benutzt werden. Alle diese Geräte weisen an sich schon
eine bestimmte Ansprechschwelle auf, die durch ihren Aufbau bedingt ist. Dieser
Schwelle kann man sich bei dem Verfahren nach der Erfindung bedienen. Man kann aber
darüber hinaus die Ansprechschwelle durch besondere Maßnahmen auch noch derartig
verlagern, daß schon eine nur geringe Überschreitung durch den Anzeigewert eine
ausgeprägte Anzeige herbeiführt.
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Weitere Ausgestaltungsformen der Erfindung sind aus der nachstehenden
Beschreibung an Hand der Zeichnung erläutert. Darin sind verschiedene Ausführungsbeispiele
dafür dargestellt. Die Fig. i zeigt das Schaltschema eines Resonanzfrequenzmessers,
mit dem die Eindeutigkeit der Frequenzmessung durch eine besondere Begrenzung der
Kurvenform der zu messenden Schwingung erzielt wird. In der Fig.2 ist das Schaltschema
eines Resonanzfrequenzmessers wiedergegeben, bei dem ein besonderer Vorverstärker
mit Begrenzungscharakter vorgesehen ist. Die Fg. 3 läßt wiederum das Schaltschema
eines Resonanzfrequenzme.ssers erkennen. bei dem die Spannungsempfindlichkeit der
Meßanordnung durch eine Gleichrichtung der Meßspannung und eine Regelung des Verstärkungsgraues
einer Verstärkerstufe erfolgt. Die Fig. q. gibt das Schaltschema einer Anordnung
wieder, die auf dem Interferenzprinzip beruht und bei der ebenfalls eine Steuerung
der Spannungsempfindlichkeit stattfindet sowie eine Verlagerung der Ansprechschwelle
,der Anzeigevorrichtung durch ein elektromagnetisches Relais vermittelt ist. Die
Fig. 5 bis 7 zeigen Schaltschemata für solche Vorrichtungen, mit denen ebenfalls
Verlagerungen der Ansprechschwelle des Anzeigegerätes herbeigeführt werden können.
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Nach Fig. i wird die hochfrequente Schwingung x, deren Frequenz gemessen
werden soll, zunächst dem breitbandigen Begrenzer i zugeführt. Er läßt Eingangsschwingungen
kleiner Spannung urverformt hindurchtreten. Eingangsschwingungen größerer Spannung
werden durch ihn jedoch symmetrisch abgekappt, wodurch sich Schwingungen von trapezförmiger
Kurvenform ergeben. Hierdurch wird erreicht, daß die in der Ausgangsspannung des
Begrenzers i enthaltene erste Harmonische einen bestimmten maximalen Amplitudenwert
nicht überschreitet. Bei symmetrischer Kurvenform bleibt bekanntlich die dritte
Harmonische unterhalb eines Drittels der Grundwellenamplitude, während die zweite
Harmonische verschwindet. Von der Ausgangsspannung des Begrenzers i wird der Anzeigevorrichtung
z diejenige Komponente zugeführt, auf die der geeichte Schwingkreis 3 abgestimmt
ist. Liegt die Amplitude dieser Komponente unterhalb der Ansprechschwelle der Anzeigevorrichtung
2, so kommt sie hier nicht zur Wirkung. Zur Erzielung einer eindeutigen Messung
ist es also nur erforderlich, die Ansprechschwelle der Anzeigevorrichtung 2 derart
einzustellen, daß sie sich zwischen dem durch die erwähnte Abkappung festgelegten
Maximalwert der dritten Harmonischen und der Grundwelle befindet.
Es
kommt also bei beliebiger Abstimmung des Schwingkreises 3 nur an einer Stelle eine
Anzeige an der Vorrichtung 2 zustande, ohne daß dabei für den Maximalwert der Eingangsspannung
irgendwelche Voraussetzungen erfüllt sein müssen. Durch Ablesung der eingestellten
Abstimmung ist es bei Ansprechen der Anzeigevorrichtung möglich, die zu messende
Frequenz x in ihrer Größe eindeutig zu bestimmen.
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Nach Fig.2 ist dem Begrenzer i .und dem Schwingkreis 3, von dem aus
diejenige Frequenz, auf die er abgestimmt ist, wiederum zu der Anzeigevorrichtung
2 gelangt, der Vorverstärker 4 mit dem Begrenzer 5 vorgeschaltet. Ihm wird die zu
messende Schwingung x' zugeführt. Durch den Verstärker 4 gelingt es, die Anordnung
für kleinere Eingangsspannungen nutzbar zu machen, als sie mit der Anordnung nach
Fig. i gemessen werden können. Der Begrenzer 5 sorgt erforderlichenfalls dafür,
daß bei höheren Eingangsspannungen deren Kurvenform trapezartig ausgebildet ist.
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Nach Fig. 3 wird die zu messende Schwingung x" über die Leitung 6
dem Regelverstärker 7 und über die Leitung 8 dem Gleichrichter 9 zugeführt. Durch
die dabei erzielte Gleichspannung wird der Regelverstärker 7 gesteuert und außerdem
die Ansprechschwelle der Anzeigevorrichtung io in gewünschter Weise dadurch verlagert,
daß der zur Umformung des Anzeigewertes dienende Gleichrichter i i in Sperrichtung
vorgespannt wird. Es ist jedoch auch möglich, eine feste, d. h. von der Meßspannung
unabhängige, Vorspannung vorzusehen. Durch Abstimmung des Schwingkreises 12 kann
auch hierbei an seiner Skala derjenige Frequenzwert abgelesen «erden, der einen
Ausschlag an der Anzeigevorrichtung io bewirkt. Die Eindeutigkeit der Messung wird
hierbei dadurch erzielt, daß die Verstärkung des Verstärkers 7 etwa umgekehrt proportional
zu seiner Eingangsspannung gehalten wird. In diesem Fall ergibt sich am Schwingkreis
12 eine konstante Grundwellenamplitude. Liegt die Ansprechschwelle der Anzeigevorrichtung
1o dann infolge der geschilderten Verlagerung nahe unterhalb des Amplitudenwertes
der Grundwelle, so können die Oberwellen auch hierbei nicht eur Wirkung kommen,
so daß die Eindeutigkeit der Messung gewährleistet ist. Sollen mit der Anordnung
nach Fig.3 auch Schwingungen großer Eingangsspannung gemessen werden, so empfiehlt.
es sich, vor dem Regelverstärker 7 wiederum einen Spannungsbegrenzer vorzusehen,
wie er z. B. als Schaltelement i bei der .Anordnung nach Fig. i vorhanden ist.
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Nach Fig.4 wird die zu messende Schwingung x ... über
die Leitung 13 dem selbsttätig gesteuerten Spannungsteiler 14 und über die Leitung
15 und den Verstärker 16 dem Gleichrichter 17 zugeführt. In der Mischstufe 18 wird
die aus dem Spannungsteiler 14 austretende Schwingung nach dem Interferenzprinzip
mit der über die Leitung i9 zugeführten Vergleichsfrequenz verglichen. Als Mischstufe
wird eine solche mit großem linearem Aussteuerbereich verwendet, vorzugsweise eine
Röhre mit wenigstens zwei Steuergittern, von denen dasjenige mit dem größeren Aussteuerbereich
mit der zu messenden Frequenz beaufschlagt und bei der über ein oder beide Gitter
der Verstärkungsgrad selbsttätig geregelt wird. Die Differenzfrequenz wird im Tiefpaß
2o ausgesiebt und kommt nach Durchlaufen des Regelverstärkers 2i in dem Frequenzzeiger
22 zur Anzeige, der nach dem Kondensatorladeprinzip aufgebaut ist.
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Die aus dem Gleichrichter 17 austretende Gleichspannung gelangt über
.das nichtlineare Schaltelement 23 mittels der Leitung 24 zu dem Spannungsteiler
14, der Mischstufe 18 und dem Regelverstärker 21. Diese Schaltelemente werden dadurch
in der Weise beeinflußt, daß hinter dem Regelverstärker 21 ein möglichst eingangsspannungsunabhängiger,
knapp oberhalb der Ansprechschwelle liegender Anzeigewert auftritt. Dies kann auch
durch eine zusätzliche oder alleinige Einwirkung der Austrittsspannung vom Schaltelement
23 auf die Amplitude der bei i9 zugeführten Vergleichsspannung bewirkt werden. Durch
Abschaltung des Anzeigeinstruments 25 vom Frequenzzeiger 22 mittels des Relais 26
bei Unterschreitung der Anspre.chschwelle wird dann wieder erreicht, daß die Oberwellen
nicht zur Wirkung kommen können und demzufolge eine eindeutige Messung der. Frequenz
der Eingangsschwingung x""* erzielt wird. Durch das Relais 26 wird gleichzeitig
erreicht, daß der Frequenzzeiger 22 nur dann in Tätigkeit tritt, wenn seine Eingangsspannung
für eine richtige Anzeige ausreicht. Das Relais 26 kann dabei als Gleichstromrelais
ausgebildet und über Gleichrichter und Verstärker gesteuert sein.
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Die Regelung auf konstanten Anzeigewert kann über die Leitung 24 auch
allein auf den Spannungsteiler 14 stattfinden. Dabei kann dieser entweder elektromechanisch
gesteuert oder als fremd geheizter Heißleiter ausgebildet sein. Der Heißleiter kann
aber auch ohne Einstellung der Regelung unmittelbar von der Eingangsspannung gesteuert
sein.
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Die durch die Schaltelemente 16 bis 23 vermittelte Regelung kann auch
bei den Resonanzfrequenzmessern nach den Fig. i bis 3 Anwendung finden. Umgekehrt
läßt sich bei Vermeidung einer Regelung, wie sie an Hand der Fig. 4 beschrieben
wurde, der Spannungsteiler 14 auch durch das Schaltelement i nach Fig. i oder die
Schaltelemente i, 4 und 5 nach Fig. 2 ersetzen.
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Einrichtungen zur Verlagerung der Ansprechschwelle der Anzeigevorrichtung,
wie eine solche beispielsweise durch das Relais 26 im Zusammenwirken mit dem Frequenzzeiger
22 beschrieben wurde, lassen sich auch auf die Anordnungen nach den Fig. i bis 3
zur Anwendung bringen.
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Eine Verlagerung der Ansprechschwelle der Anzeigevorrichtung kann
auch durch eine in den Zug des Anzeigekreises geschaltete Anordnung mit nichtlinearem
Übertragungsmaß erreicht werden. Dafür kann eine Röhrenkippschaltung nach Fig. 5
oder eine Gleichrichteranordnung nach Fig. 6 bzw. ein Heißleiterelement nach Fig.
7 Verwendung finden.
Diese Schaltelemente mit nichtlinearem IJberträgungsmaß
werden bei Anwendung auf eine Anordnung nach Fig. q. vorteilhaft zwischen dem Regelverstärker
21 und dem Frequenzzeiger 22 eingeschaltet. Diese Schaltelemente mit nichtlinearem
Übertragungsmaß haben sämtlich die Eigenschaften, daß sie kleine Amplituden nicht
hindurchtreten lassen oder zum mindesten stark schwächen, während große Amplituden
im Gegensatz dazu nahezu ungeschwächt übertragen werden.
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Bei der Röhrenkippschaltung nach Fig 5 wird die angeführte Wirkung
dadurch erreicht, daß in Abhängigkeit von der Gitterspannung der Röhre 27 wegen
der Verkoppelung mit Gitter und Kathode der Röhre 28 nur jeweils eire der beiden
Röhren 27 bzw. 28 Strom führt. Der während des Überganges von dem einen zum anderen
stabilen Zustand stattfindende Kippvorgang wird erst bei einer bestimmten Mindeständerung
der Gitterspannung der Röhre 27 gelöst, so daß kleine Amplituden nicht übertragen
werden. Beim Durchkippen wird durch die Aussteuerung jedoch eine nahezu konstante
Ausgangsspannung erzwungen.
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Die Gleichrichteranordnung nach Fig. 6 läßt die kleinen Amplituden
deshalb nicht zur Wirkung kommen, weil die Gleichrichter a9 und 3o hierfür auch
in der Sperrichtung noch niederohmig gegen den Widerstand 3 1 sind.
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Der Heißleiter 32 nach Fig. 7 verringert seinen Widerstand durch die
Erwärmung selbsttätig bei steigender Eingangsspannung und erzeugt dadurch eine amplitudenabhängige
Spannungsteilung im Zusammenwirken mit dem konstanten ohmschen Widerstand 33.
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Das beschriebene Verfahren verhindert nicht nur Fehlmessungen durch
Harmonische der Meßfrequenz, sondern auch durch beliebige andere der Meßspannung
überlagerte Störfrequenzen. Es ist nämlich immer nur der stärksten Frequenzkomponente
eines am Eingang liegenden Gemisches möglich, die Anzeigevorrichtung zum Ansprechen
zu bringen.
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In einer Abwandlung der Erfindung läßt sich das Verfahren auch dann
anwenden, wenn eine Meßfrequenz nach dem Interferenzverfahren mit einem zum Vergleich
dienenden Frequenzspektrum bestimmt werden soll. Das Spektrum wird in diesem Fall
z. B. der Anordnung nach Fig. q. am Eingang i9 zugeführt. Dann ergibt sich die Differenzfrequenz
Null stets dann, wenn die Eingangsfrequenz x' mit einer Komponente des Spektrums
übereinstimmt. Das beanspruchte Verfahren verhindert dabei, daß bei anderen .als
diesen gewünschten Meßpunkten, z. B. in der Mitte zwischen zwei solchen, ebenfalls
eine störende Anzeige auftritt.