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Verfahren und Anordnung zum Messen wählbarer, vorzugsweise sehr kurzer
Zeitabschnitte von periodischen Spannungsverläufen beliebiger Frequenz
Das Darstellen
und Messen von periodischen Spannungsänderungen geschieht bekanntlich in- der Weise,
daß z. B. an, das eine Plattenpaar einer Braunschen Röhre die zu. messende Signalspannung
und an. das andere Plattenpaar eine sägezahn förmige Zeitablenkspannung mit zeitproportionalem
Spannungsanstieg gegeben wird.
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Die Zeitablenkspannung - kurz Kippspannung genannt - muß mit der
Signalspannung synchronisiert werden Ein ruhig stehen. des, auswertbares Oszillogramm
wird nur dann erhaltene wenn die Kippfrequenz sich als gleiche oder subharmonische
Frequenz zur Signalfrequenz ergibt.
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Diese Synchronisilerung bei Schaltanordnungen, die eine periodisch
kippende Ablenkspannung erzeugen, gelingt besonders bei großen Tastverhältnissen
von. Impulsfolgezeit zur Impulsdauer meist nur unvollkommen. Sie wurde bei bisher
bekannten Geräten für weite Frequenzbereiche nicht mit solcher Konstanz erreicht,
daß man für jede Betriebsfrequen eine absolute, über längere Beobachtungszeit konstante
Synchronisierung aufweisen konnte; es sei denn, daß für spezielle Signalfrequenzen,
wie z. B. die Zeilen, frequenz beim Fernsehen, besondere
Anordnungen
benutzt wurden, die den Nachteil haben, nur für solche spezielle Frequenzen ausgelegt
werden zu können, und erheblichen Aufwand an Schaltmitteln benötigen.
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Eine Darstellung von Teilabschnitten, einer Signalperiode ist mit
einer einfachen, periodisch kippende, Ablenkspannung nicht möglich.
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Es sind jedoch zusätzliche Anordnungen bei Schaltungen für eine periodisch
kippende Abienkspannung bekanntgeworden, mit denen Teilabschnitte einer Signalperiode
dargestellt werden können. Hierbei werden Teile des zeitproportionalen Spannungsanstiegs
»gedehnt«, d. h., es wird ihnen eine schnellere Anstiegszeit zugeordnet.
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Eine meßtechnisch auswertbare Darstellung extrem kurzzeitiger Spannungsänderungen
im Verhältnis zur Periodendauer der Signalspannung ist mit diesen Verfahren jedoch,
wegen der diesen Anordnungen eigenen zeitlichen Inkonstanz nichlt mehr möglich.
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Erst die Verwendung von Zeitverschiebungsgliedern und aperiodisch
arbeitenden Kippspannungerzeugern, mit denen wählbare Ablaenkzeiten geschrieben.
werden,, ermöglichte die Be obachtung sehr kurzer Zeitabschnitte der Signalperiode.
Für eine bekannte Signalfrequenz läßt sich eine derartige Anordnung mit Zeitverschiebungsgliedern
in Form von Phasenschiebern relativ einfach verwirklichen. Ist die Signalfrequenz
jedoch. auch innerhalb vorgegebener Grenzen -unbekannt, so ist die Verwendung von.
Phasenschiebern kaum noch möglich, da vor allem eine sinusförmige oder sinus ähnliche
Spannung aus dem Signal geformt werden muß, des weite'ren. aber auch eine Eichung
der Phasenschieber sehr schwer rig ist.
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Diesem Umstand Rechnung tragend, sind Anordnungen, entstanden, die
beliebige Signalfrequenzen innerhalb vorgegebener Grenzen in der Form verarbeiten,
daß mit Multivibratorschaltungen, die durh das Singal selbst gesteuert werden, für
jede Signalfrequenz eine Phasenverschiebung des Beginns der Zeitabienkung über mehr
als die ganze Signalperiode ermöglicht wird. Dieses Verfahren gestattet daher die
Darstellung von einem beliebig wählbaren, Zeitabschnitt und die Messung innerhalb
des dargestellten Abschnittes einer Signalfrequenzperiode beliebiger Frequenz. Als
Nachteil ist von. diesen Anordnungen aber bekannt, daß die Zeitverschiebung nicht
exakt eichbar ist und weiter eine zeitliche Inkonstanz der Zeitverschiebung vorhanden
ist - bedingt durch die Art der Schaltung und durch im Material liegende Eigenschaften,
wie Röhrenrauschen und. dergleichen -, die es unmöglich macht, extrem kleine Zeitabschnitte
noch als lesbares Oszillogramm zu schreiben.
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Die Erfindung macht es sich zur Aufgabe, auch noch extrem kleine
Teilabshcnitte der Signalperiode unter Benutzung eines neuartigen Zeitverschiebungsgliedes
exakt auszumessen.
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Hierbei sollen die bekannten Mängel bisher bei kannter Anordnungen
nicht auftreten. Die Signalfrequenz sollte in weiten Grenzen veränderlich sein dürfen,
und hierbei sollte trotzdem eine feste Synchronisierung und exakte Eichbarkeit der
Zeitverschiebung gegeben seine Die Erfindung geht von der neuen Erkenntnis aus,
daß die bekannten Eigenschaften eines Oszillators mit einem durch Spule und. Kondenr
sator gebildeten Schwingkreis, die in bezug auf gute Frequenzkonstanz und exakte
Eichbarkeit gegeben sind, sich auch für die Anforderungen, die die gestellte Aufgabe
an ein aperiodisch arbeiten des Zeitverschieb.ungsglied richtet, ausnutzen lassen.
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Die genannten Nachteile bisher bekannter Anordnungen werden bei einem
Verfahren zum Messen wählbarer, vorzugsweise sehr kurzer Zeitab schnitte von periodischen
Spannungsverläufen beliebiger Frequenz unter Verwendung einer Braunschen Röhre mit
doppelt elektrostatischer Ablenkung, bei der auf das eine Plattenpar die zu untersuchende
Signalspannung und auf das andere Plattenpaar eine zeitproportionale mit der zu
untersuchenden Signalspannung phasenstarr synchronisierte Zeitablenkspannung eines
aperiodischen Zeitabvlenkgenerators gegeben wird, erfind.ungsgemäß dadurch vermieden,
daß der zeitliche Einsatz der Zeitablenkung durch die Frequenzverstimmung einer
Sinusschwingung eines von der Sigalfrequenz oder deren Subharmonischen getasteten
Oszillators dadurch verschiebbar ist, daß der zweite oder durch Frequenzteilung
beliebig später folgende Nulldurchgang der Sinusschwingungen, über einen Verstärker
oder Multivibrator zu steilen Schaltimpulsen umgewandelt, den zeitlichen Einsatz
der Zeitablenkung bestimmt und daß die Oszillatorfrequenz und der Grad. der Oszillatorfrequenzteilung
ein Maß für die Zeitverschiebung bildet.
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Durch die Eichung der Oszillato, llatorfrequenzverstimmung in Zeiteinheiten
ist nun eine direkt in Mikro, sekunden oder Millisekunden geeichte scheinbare Signalverschiebung
möglich..
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Ist nun eine gegen die Signalperiodend<Luer kurze Zeitablenkung
gewählt und durch eine Rechteckspannung die Braunsche Röhre im Intervall zwischen.
den. Abienkzeiten dunkelgetastet, so wird durch Verstimmen der vorab in Zeiteinheiten
geeichten O.szillatorfrequenz eine exakt geeichte Verschiebung einer zeitlichen
»Lupe« innerhalb der zu untersuchen. den. Signalperiode möglich.
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In Weiterbildung der Erfindung ist, vorzugsweise über an sich bekannte
frequenzunabhängige Frequenzteiler, der die Zeitverschiebung des Einsatzes der Ablenkspannung
bewirkende Oszillator in subharmonischer Folge zur Signalfrequenz für die Dauer
von mehreren Signalperioden aufgetastet. wodurch über Verstärker oder/und Multivibratoren
die Ableitung von steilen Schaltflanken, welche zeitlich mit der Frequenzverstimmung
der Sinusschwingung des Oszillators verschiebbar sind, von der Sinusschwingung oder,
über weitere frequenzunabhängige Frequenzteiler, von Subharmonåschen der Sinusschwingung
im Intervall von mehreren
Signalfrequenzperioden, ermöglicht wird,
was über eine bistabile Multivibratorschaltung, die eine Schaltflankenselektion
in der Weise vornimmt, daß nur eine zeitlich mit der Oszillatorfrequenz verschiebbare
Schaltfanke in der Tastperiode des Oszilators zur Steuerung des Einsatzes der Ablenkspannung
des Zeitablenkgenerators verwandt wird, dazu dient, daß durch die Änderung der Oszillatorfrequenz
der zeitliche Einsatz der Ablenkspannung stets über mehr als eine Singalperiode
verschiebbar ist.
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In der Anwendung der Erfindung ist somit ein Meßoszillograph zu erstellen,
der - mit relativ einfachen Mitteln ausgestattet - für weite Frequenzbereiche in
jeder Signalperiode die Messung von Zeitabschnitten beliebiger Dauer durch direktes
Ablesen an einer in der Zeiteinheit geechten. Skala für die scheinbare 5 ignalverschiebung
erlaubt. Hierbei tritt durch. die bekannte hohe Frequenzkonstanz des Oszillators
keine zeitliche Inkcnstanz der Verschiebung hervor, wie sie bei bekannten Verfahren
vorliegt. Zusätzlich bringt bei dem Verfahren. der Erfindung auch die Synchronisierung
der Zeitablenkfrequenz mit der Signalfrequenz keine Unstabilität, da die Folgezeit
der Zeitablenkung durch. vorteilhaft zu verwendende frequenzunabhängige Frequenzteiler
direkt von der Sinalfrequenz abgeleitet wird.
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Die Eruindung soll an Hand der Abbildungen, die ein Ausführungsbeispiel
für einen universell verwendbaren Meß oszillographen darstellen näher erläutert
werden.
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In diesen Abbildungen ist Abb. I das Blockschema eines nach dem Verfahren
der Erfindung aufgebauten Oszillographen, Abb. 2 eine Darstellung von Spannungskurven,
wie sie an vershciedenen Stellen der Anordnung nach Abb. I auftreten können, Abb.
3 eine Reihe verschiedener Sehirmbilder, wie sie auf dem Bildschirm der Braunschen
Röhre bei der Anwendung des Verfahrens der Erfindung nach der Anordnung der Abb.
I entstehen können.
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In. der folgenden Erläuterung wird. die Wirkungsweise der Anordnung
bei Abb. I unter Zuhilfenahme der Oszillogrammreihen 20I bis 223 der Ahb. 2 und
unter der Angabe der Entstehung der Schirmbilder 30I bis 306 der Abb. 3 beschrieben.
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In der Abb. 1 ist IOI der Anschluß für die Signalspannung. Als Signal
wurde in diesem Beispiel die Kurvenform der Reinhe 201 gewählt. Sie gelangt auf
die Braunsche Röhre 113 zur senkrechten Auslenkung des Elektronenstrahles und auf
einen frequenzunabhängigen binären Frequenzteiler 102, der in. bekannter Weise aus
einem bistabilen ; Multivibrator bestehen kann. Dieser teilt die Signalfrequenz
also im Verhältnis zwei zu eins und liefert die Rechteckwelle 202, die einen weiteren
frequenzunabhängigen binären Teiler 103 steuert, wodurch dieser die Kurvenform der
Reihe 203 abgibt. Die Recbteckwellen der Frequenzteiler werden der Stufe 104 zur
Erzeugung der Wellenform 204 zugeführt. Diese Stufe kann z.B. in der als Koinzidenzschaltung
bekannten Ausführung unter Verwendung einer Mehrgitterröhre gegeben sein. Wie aus
der Abb. 2 zu ersehen ist, schließt eine Halbwelle der Reihe 204 drei und die andere
Halbwelle eine Signalperiode ein. Für die Dauer von drei Signalperioden wird mit
der Wellenform 204 nun ein Oszillator 106 aufgetastet. Dieser Oszillator erzeugt
eine veränderbare Frequenz, was bei der höchsten Frequenz im gewählten Beispiel
die Schwingungsanzahj nach der Reihe 206, bei tiefsterOsziliatorfrequenz die der
Reihe 211 ergibt.
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Frequenzunabhängige binäre Frequenzteiler, wie in diesem Beispiel
die Stufen 107, 108, IO9 und IIO, teilen nun die jeweilige OSzillatorfrequzne nach
Abb. 2 in. Subharmonische der Oszillatorfrequenz, und zwar gibt die Stufe 107 die
Reihe 207 oder 2I2. 108 die Reihe 208 oder 213, Io9 die Reihe 209 oder 214, 110
die Reihe2Io oder 215 bei höchster und tiefster Oszillatorfrequenz ab.
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Über einen Schalter is eine Wahl der Subharmonischen der Oszillatorfreqnuenz
für die Steuerung der Stufe III möglich. Abb. 2 läßt erkennen., daß alle ans der
Oszillatorfrequenz abgeleiteten Rechteckwellen im Zeitpunkt t1 mit der negativen
Flanke beginnen. Dieses kann. für alle Teiler, zum Beispiel bei der Verwendung von
bistabilen Multivibratoren als binäre Teiler, dadurch erreicht werden, daß nacht
dem Ablauf der Oszillatorschwingungen innerhalb der ersten drei Signalperioden zwischen
den Zeitpunkten t4 und t5 eine Rückstellung der Multivibratoren in eine Startbereitschaft
erfolgt, welche die gewünschte gleichartige Phasenlage aller Teiler beim Einsatz
der Ossillatorschwingungen im Zeitpunkt tS entsprechend t1 bewirkt. Einen Rückstellimpuls
hierfür zeigt die Reihe 205. Dieser Impuls wird aus der Wellenform 204 von der positiven
Flanke im Zeitpunkt t4 über die Stufe 105. die ein Zeitverzögerungsglied oder einen
Multivibrator enthält, abgeleitet. Im gewählten Beispiel ist für die jeweils gezeichnete
Schwingungszahl der Oszillatorfrequenz eine Rückstellung, die durch die Zuleitung
des Rückstellimpullses 205 von der Stufe 105 auf die Teiler 107, 108 und 100 geschieht,
nur beim Teiler 108, Reihe 208 und 2I3 und beim Teiler I IO, Reihe 215 erfolgt.
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Es ist aus Abb. 2 jedoch ersichtlich, daß beim Durchstimmen des Oszillators
für jeden Teiler dann die Rückstellung erforderlich ist und durch den Impuls der
Reihe 205 erfolgt, wenn die letzte Flanke vor dem Zeitpunkt t4 negativ gerichtet
ist.
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Für die Stufe 111 kann wiederum ein bistabiler Multivibrator verwendet
werden Diese Stufe hat eine Flankenselektion derart vorzunehmen, daß nur die erste
positiv gerichtete Flanke der Frequenzteiler-Rechted<welle von der Stufe III
auf die Stufe 112 übertragen wird. Um dieses zu erreichen, ist auch hier eine zeitlich
gesteuerte Ansprechempfindlichkeit auf die positiven Flanken der Teiler-Rechteckwellen
nötig. Die Wellenform der Reihe 204 weist im Zeitpunkt t1 eine negative Flanke auf.
Diese wird zur Tastung der Ansprechenmpfindlichkeit der Stufe 111 von der Stufe
104 zugeführt.
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Die Stufe 112 ist ein aperiodisch arbeitender Zeitablenkspanungserzeuger,
kurz Kippteil genannt. Das Startzeichen für den zeitlichen Einsatz der Zeitablenkung
erhält das Kippteil von: der Stufe III durch die positiv gerichtete Flanke der Reihe
216, 217, 218 odre 219.
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Die Wellenform 216 wird von der Stufe I I I dann abgegeben, wenn
der Schalter die Welle 207 von dem Teiler 107 entnimmt; Reihe 217 entsteht bei der
gleichen Schaltung, wenn der Teiler 107 die Wellenform 212 abgibt. Entsprechend
entsteht auch die Wellenform 218 oder 219 dann, wenn die Flankenselektionnsstufe
111 vom Teiler 109 mit der Welle 209 oder 214 gesteuert wird. Ist nun - wie in Abb.
2 gezeigt - eine zur Signalperiodendauer kurze Zeitablenkungsdaueer gewählt und
diese, nest einer Tastspannung für den Wehneltzylinder zur Dunkeltastung des Elektronenstrahls
im Zeitraum zwischen zwei Ablenkzeitabschnitten, vom Kippteil 112 auf die Zeitablenkplatten
der Braunschen Röhre II3 geschaltet, so ist durch eine geeignete Auswahl der Subharmonischen
der Oszillatorfrequenz mit der Verstimmung der Oszillatorfre0 quenz die Zeitablenkung
in ihre Phase zur Signalfrequenz über mehr als die ganze Signalperiodendauer verschiebbar.
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Das Schirmbild 301 der Abb. 3 zeigt die negative Flanke der Signalspannung
als Zeitabschnitt der Signalperiode, was mit der Zeitablenkung der Reihe 220 erreicht
wird. Die gezeichnete Lage der Zeitablenkung zur Signalperiode wird gemäß der Ableitung
der Reihe 220 über 2I6 und 207 von der höchsten OSzillatorfrequenz 206 bestimmt.
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Beim Verändern der Oszillatorfrequenz bis zur tiefsten Frequenz nach
der Reihe 211 ist die Lage der Zeitablenkung, wie in Reihe 220 angedeutet, in der
Richtung t2 verschiebbar bis zur Lage der Zeitablenkung, die in der Reihe 221 gezeigt
ist Diese ergibt das Schirmbild 302 bei Ablb. 3. Ist nun die Oszillatorfrequenzverstimmung
in Zeiteinheiten geeicht, so ist der Verlauf der langsam an.steigenr den Spannung
nach der negativen Flanke in der Signalperiode durch die jeweilig auf dem Schirmhild
geschriebene Spannung exakt zu. messen Die Reihe 22 zeigt eine Zeitablenkung, deren
zeitliche Lage zur Signaloperiode wiederum von der höchsten Oszillatorfrequzne bestimmt
wird.
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Hiermit wird das Schirmbild 303 der Abb.3 geschrieben, das die positiv
ansteigende Flanke der Signalspannung zeigt, die zum Messeu des Abstandes der Flanken
der Signalperiode mittels der Oszillatorverstimmung den Schirmbildmittelpunkt durchläuft.
Da die Ablenkdauer der Zeitablenkung bekannt ist, im übrigen auch stets durch die
in Zeiteinheiten geeichte scheinbare Signalverschiebung der Oszillatorfrequenzverstimmung
gemessen werden kann, ist eine genaue Messung der Eine schwingfrequenz, die auf
dem positiven »Dach« des Signals zu erkennen ist, mit dem Schirmbild 303 möglich.
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Das Schirnmbild 304 zeigt wieder die negative Flanke des Signals,
aber gegenüber Bild 301 bei einer Verstimmung der Oszillatorfrequcnz, bei der die
Zeitablenkung der Riehe 222 in Richtung t3 verschoben wurde, bis die negative Flanke
genau dne Schirmbildmittelpunkt durchläuft. Die in Zeiteinheiten geeichte Verstimmung
gibt mit diesem Bild dann unmittelbar den zeitlichen Abstand der negativen Flanke
Bild 304 von der positiven Flanke Bild 303 im Nulldurchgang der Signalspannung an.
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Eine weitere Abstandmessung von der negativen Flanke bis zum kleineren
positiven Sprung der Signalspannung ist bein weiteren Verschieben der Ablenkung
in Richtung ts wieder möglich, wenn der fixierte Zeitpunkt von der Signalspannung
-wie im Schirmbild 305 gezeigt # im Mittelpunkt des Schirmbildes erscheint und die
Zeitverschiebung wieder an der Skala der Oszilfatorfrequenzverstimmung abgelesen
wird.
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Auch zur Messung der bis hierhin noch unbekannten Dauer vom kleinen
positiven Sprung bis zum positiven großen Sprung der nachfolgenden Periode ist eine
weitere Verstimmung der Oszillatorfrequenz und somit die Verschiebung der Ablenkung
der-Reihe 222 möglich. Es ist also hierzu wieder die Zeitverschiebung, die zwischen
Bild 305 und 306 erfolgt ist, an der Skala der Oszillatorverstimmung abzulesen.
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Aus der Reihe 222 und 223 ist zu ersehen, daß beim Durchstimmen der
oszillatorfrequenz die ganze Signalpereiode mit beliebig großer zeitlicher Auflösung
abgetastet werden kann.
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Dieses kann bei der in der Abb. 2 gezeigten Verstimmung auch noch
für wesentlich. höhere oder tiefere Signalfrequenczen erfolgen. Insbesondere kann
eine einzige Kondensator-Spulen-ANordnung des Oszillatorschwingkereises für alle
zu verarbeitenden. Signalfrequenzen verwendet werden, wenn durch genügend viele
Frequenzteiler da, für gesorgt ist, daß auch bei der tiefsten Signalfrequenz noch
die Phasenverschiebung der Zeitablenkung über die ganze Signalpheriode möglich ist.