DE975657C

DE975657C - Anordnung zur linearen Demodulation frequenzmodulierter Schwingungen

Info

Publication number: DE975657C
Application number: DE1953P0010511
Authority: DE
Inventors: Hans Heinrich Dr Meinke
Original assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Current assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Priority date: 1953-09-24
Filing date: 1953-09-24
Publication date: 1964-11-30

Description

AUSGEGEBENAM 30. JANUAR 1964

P ίο Sn IXdI2i α⁴

Schwingungen

Die Demodulation frequenzmodulierter Schwingungen mittels frequenzabhängiger Widerstände mit parallel geschalteten Gleichrichtern ist an sich bekannt. Eine derartige grundsätzliche Schaltung zeigt die Abb. i. Eine Röhre E speist den Strom / konstanter Amplitude mit modulierter Frequenz in einem frequenzabhängigen Widerstand R, an dem nun eine amplitudenmodulierte Spannung entsteht, die durch den Gleichrichter Gl gleichgerichtet wird.

ίο Der frequenzabhängige Widerstand R kann aus einer Kombination von Wirk- und Blindwiderständen bestehen. Es ist bekannt, diese Kombination derart zusammenzustellen, daß mehrere Resonanzstellen entstehen, und den Arbeitspunkt auf dem Kurvenast zwischen einer Reihenresonanz auf einer Parallelresonanz zu wählen. Als Kurve ist hier die Auftragung des absoluten Betrages des Scheinwiderstandes über der Frequenz zu verstehen. Neben dieser Amplitudenkurve ist die Phasenkurve über der Frequenz von Wichtigkeit, welche sich zwischen den

Werten -J- — und bewegt.

Vor der Gewinnung der Kurve des Widerstandsbetrages geht man zweckmäßig von der Kurve des reinen Blindwiderstandsanteiles der Kombination über der Frequenz aus. Bei dieser Kurve folgen Nullstellen und Unendlichkeitsstellen, welche der Reihen- und der Parallelresonanz entsprechen, immer abwechselnd aufeinander. Diese Kurven zeigen deutlich, daß zwischen einer Nullstelle und einer der beiden

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benachbarten Unendlichkeitsstellen ein Wendepunkt liegt, der auch beim Auftragen der absoluten Beträge über der Frequenz als solcher erhalten bleibt. Es ist also bekannt, diesen Wendepunkt als Arbeitspunkt für die Demodulation von frequenzmodulierten Schwingungen zu nehmen.

Gemäß der Erfindung wird in der Nähe eines solchen

Wendepunktes durch Bedämpfung der benachbarten Unendlichkeitsstelle oder Nullstelle ein zweiter Wendepunkt gewonnen. Diese beiden Wendepunkte, zu denen unter Umständen weitere kommen können, lassen sich durch geeignete Wahl der Dämpfungen erfindungsgemäß so legen, daß ein möglichst großes, zur linearen Demodulation geeignetes Kurvenstück entsteht.

Es ist bereits bekannt, Resonanzkurven durch geeignete Bemessung von Dämpfungswiderständen zu beeinflussen, die Möglichkeit der Linearisierung durch Erzeugung eines benachbarten zweiten Wendepunktes der Resonanzkurve ist jedoch nicht bekannt.

Die einfachsten Kombinationen von Wirk- und Blindwiderständen, die sich für den vorliegenden Zweck eignen, und einige Kurven sind in den Abb. 2 bis 7 dargestellt. Zu ihrer Erläuterung sei ausgeführt: Grundsätzlich besteht immer die Möglichkeit, den Gleichrichter Gl nicht an den ganzen Widerstand R, wie in Abb. 1, sondern an einen Teil des Widerstandes R anzuschließen, beispielsweise an einen Teil der Widerstände der Kombination, aus denen R aufgebaut wird. Bei geeigneter Wahl der Teilschaltung ergeben sich ähnliche Eigenschaften der Schaltung, wie sie im folgenden für das ganze R beschrieben sind. Die Kurve der Absolutwerte \R | ist die Demodulationskurve der Schaltung, die möglichst linear sein soll. Da beim Wendepunkt der zweite Differentialquotient [2?|" = 0 wird, werden die Töne doppelter Frequenz hierdurch im wesentlichen verhindert. Bei sehr hohen Modulationsfrequenzen erfolgt daneben noch eine Obertonbildung auf »dynamischer« Basis. Diese dynamischen Effekte verschwinden, wenn die Phase des R extrem frequenzunabhängig ist. Es ist eine Reihe von Schaltungen bekannt, welche die geforderten Eigenschaften besitzen, also einen Wendepunkt und extrem konstante Phase des R aufweisen und somit auch für hohe Modulationsfrequenzen mit guter Linearität arbeiten. Diese Schaltungen sind Kombinationen extrem verlustarmer Blindwiderstände, wobei der Wendepunkt der Widerstandskurve in einem Bereich verlegt ist, der weit von den Eigenresonanzen der Schaltung entfernt ist. In diesem Bereich ist der Widerstand R der Kombination praktisch ein reiner Blindwiderstand, dessen Phase fast genau gleich 90⁰ ist.

Es lassen sich nur zwei Schaltungen aus nur drei Blindwiderständen aufbauen, die einen solchen Wendepunkt besitzen. Diese sind in Abb. 2 und 3 dargestellt. Abb. 4 zeigt die dazugehörige Kurve X des entstehenden Blindwiderstandes jX mit dem Wendepunkt W in Abhängigkeit von der Frequenz /. Die Lage des Wendepunktes einer gegebenen Schaltung läßt sich durch Nullsetzen des zweiten Differentialquotienten leicht bestimmen. Eine einfache Berechnungsform dafür gibt es nicht.

Weitere Schaltungen mit den erforderlichen Eigenschaften lassen sich aus vier verlustarmen Blindwiderständen aufbauen. Auch diese haben einen Wendepunkt, der allerdings eine andere Lage einnehmen kann. Unter diesen Schaltungen kann man zwei Gruppen unterscheiden, von denen die eine für Gleichstrom durchlässig ist, die andere nicht. In Abb. 5 a bis 5f ist eine Anzahl von möglichen Widerstandskombinationen dargestellt, die keinen Gleichstromdurchgang aufweisen. Die entstehende X-Kurve zeigt Abb. 6. Man sieht, daß bei diesen Schaltungen der Wendepunkt wie bei den aus nur drei Blindwiderständen aufgebauten Kombinationen zwischen der Frequenz Null und der Parallelresonanzfrequenz liegt. In den Abb. 7 a bis 7d ist eine Anzahl von Widerstandskombinationen aus vier Blindwiderständen dargestellt, die Gleichstromdurchgang aufweisen. Wie Abb. 8 zeigt, liegt bei diesen Schaltungen der Wendepunkt W zwischen den beiden Parallelresonanzpunkten. Es lassen sich auch Schaltungen mit mehr als vier Blindwiderständen aufbauen. Diese besitzen Wendepunkte wie in Abb. 6 oder solche wie in Abb. 8, können aber auch beide gleichzeitig enthalten.

Besonders vorteilhaft sind die Schaltungen der Abb. 7, und zwar aus folgenden Gründen: Da sie für Gleichstrom durchlässig sind, kann man die erforderlichen Gleichspannungen für die Röhre und den Gleichrichter ohne besondere Maßnahmen anlegen. Weiter kann die X-Kurve zwischen den beiden Parallelresonanzen durch Annäherung der Unendlichkeitsstellen aneinander sehr steil gemacht werden. Dies ergibt eine besonders hohe Demodulationssteilheit. Außerdem ist der Wert von X für Frequenzen, die einem Vielfachen der Modulationsfrequenz entsprechen — also weit oberhalb der zweiten Parallelresonanz — sehr klein, so daß keine störende Demodulation der im Amplitudenbegrenzer entstehenden Oberwellen eintritt.

Als besonders vorteilhaft hat sich die Schaltung nach Abb. 7 c erwiesen, weil sie auch bei sehr hohen Frequenzen verwendbar ist. Betrachtet man die Abb. i, so ergibt sich, daß die Eigenkapazitäten der Röhre E und des Gleichrichters Gl parallel zu R liegen. Die Widerstandskombination nach Abb. 7 c besitzt eine Kapazität C₂ zwischen den Klemmen 1 und 2. Die genannten Eigenkapazitäten gehen in dieses C₂ ein und werden dadurch unschädlich. Haben ferner der aus C₁ und L₁ gebildete Kreis und der aus C₂ und Z₂ bei Abwesenheit von C₁ und L₁ gebildete Kreis die gleiche Resonanzfrequenz, so ist X im Wendepunkt klein, und es treten keine Störungen durch unvollkommene Begrenzung im Amplitudenbegrenzer ein.

Die bisher beschriebenen Netzwerke bilden nicht Gegenstände der vorliegenden Erfindung.

Man kann nun die Linearität der Demodulation dadurch noch weiter steigern, daß man dafür sorgt, daß auch der dritte Differentialquotient \R\'" des >R' sehr klein wird. Dies kann man gemäß vorliegender Erfindung dadurch erreichen, daß man eine Schaltung benutzt, die zwei dicht nebeneinanderliegende Wendepunkte besitzt. Zwischen diesen Wendepunkten liegt dann stets eine Frequenz mit Ii?!'" = 0; in der Um-

gebung dieser Frequenz sind dann R '" und R " sehr klein. Diese Eigenschaften einer Blindwiderstandskombination kann man dadurch erreichen, daß man in den bereits angeführten Schaltungen einen der Blindwiderstände durch einen passenden Wirkwiderstand bedämpft. In Abb. 9 ist die Wirkung einer solchen Maßnahme dargestellt, die den Verlauf der Kurven mit und ohne zusätzliche Bedämpfung im Bereich zwischen der ersten und zweiten Parallelresonanz — entsprechend Abb. 8 — zeigt. Gestrichelt ist die Kurve des R für den verlustfreien Fall, die gleich der Kurve des X aus Abb. 8, jedoch ohne die Vorzeichen der negativen Bereiche ist. Die Dämpfung verhindert das Ansteigen der X-Werte ins Unendliche und biegt die Kurve in der Umgebung der Parallelresonanzen zu einer Kuppe um, wie es bei Resonanzkurven üblich ist (ausgezogene Kurve in Abb. 9).

Dabei entsteht ein zusätzlicher Wendepunkt Wi, dessen Abstand von W durch passende Wahl des zusätzlichen Wirkwiderstandes eingestellt werden kann. Dieser Wirkwiderstand könnte zum Beispiel bei einer Schaltung nach Abb. yc zwischen den Klemmen 1 und 2 liegen, wodurch auch die Berechnung der Schaltung relativ einfach wird. Der Wirkwiderstand kann jedoch auch parallel oder in Serie zu jedem anderen Blindwiderstand der erwähnten Schaltungen liegen. Durch die Bedämpfung entsteht zwar ein gewisser dynamischer Klirrfaktor, weil der Phasenwinkel des R frequenzabhängig wird. Diese Frequenzabhängigkeit hat jedoch in der Umgebung des Punktes W ein Minimum, so daß das dynamische Klirren sehr klein bleibt und bei nicht extrem hohen Modulationsfrequenzen zu vernachlässigen ist.

Infolge der Zusatzdämpfung erreicht das X im Serienresonanzpunkt auch nicht mehr den Wert Null, sondern die Kurve R kehrt wieder um, wie es die ausgezogene Kurve in Abb. 9 zeigt. Dadurch entsteht ein weiterer Wendepunkt Wu, der die Linearität der Kurve weiter verbessert. Wenn man in die Schaltung zwei passend gewählte Wirkwiderstände einsetzt, kann man die Abstände der Wendepunkte Wi und Wu von W in gewissem Umfang einstellen und erreichen, daß in der Nähe des Punktes W auch noch der vierte Differentialquotient der Kurve zu Null wird. Man erhält dann eine Demodulationsschaltung, deren Linearität in der Praxis allen Anforderungen gerecht wird.

Es kann nun auch noch der Fall eintreten, daß der Gleichrichter Gl in der Abb. 1 nicht genau linear gleichgerichtet, sondern seinerseits einen kleinen Klirrfaktor erzeugt. Diesen Klirrfaktor kann man dadurch ausgleichen, daß man einen der in der Wider-Standskombination befindlichen Kondensatoren als Trimmer ausbildet. Durch geringfügige Veränderung dieses Kondensators kann man dann der [R₁ -Kurve eine kleine Gegenkrümmung geben, welche die Nichtlinearität des Gleichrichters annähernd kompensiert.

Innerhalb des Rahmens der Erfindung sind eine ganze Reihe von Widerstandskombinationen möglich, wobei die Lösung der jeweiligen Aufgabenstellung angepaßt werden kann. Am einfachsten können die entsprechenden Gleichungen auf graphischem Wege gelöst werden.

Die bevorzugte Schaltung (Abb. 7c) wird zweckmäßig mit kleinem Frequenzabstand der Unendlichkeitsstellen benutzt. Die beste Dimensionierung erfolgt mit Hilfe einer Zahl K, die folgende Gleichungen bestimmt (in der Abb. 10 ist K = 25 als Beispiel gewählt):

L.

Si

= K.

Bei der mittleren Betriebsfrequenz f₀ ist

T-

T -

Ohne Bedämpfungswiderstand R gibt der Absolutwert Z die Kurve I der Abb. 10. Die Frequenzdifferenz Δ f wird definiert durch

der Serienresonanzpunkt liegt dann etwa bei

Af ι

zk '

der Parallelresonanzpunkt etwa bei

^AL ₌ _ -L ■ h 2 fx '

der Wendepunkt W etwa bei

AL ₌ .J.. . /Ό 5 κ

Als Dämpfungswiderstand wählt man zweckmäßig

= X_R· {/Κ.

Die Kurve II der Abb. 10 gibt den Absolutwert jZ, mit diesem Dämpfungswiderstand. Der Wendepunkte rückt dann nach W₁ etwa bei

Ferner entsteht ein zweiter Wendepunkt FF₂. Zwischen den Wendepunkten ist das Kurvenstück II wesentlich weniger gekrümmt als Kurve I und nahezu linear. Je kleiner K, desto größer der Abstand der Unendlichkeitsstellen, desto kleiner die Demodulationssteilheit, desto kleiner der Klirrfaktor.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

i. Anordnung zur linearen Demodulation frequenzmodulierter Schwingungen, bestehend aus einer Blindwiderstandskombination aus mehr als zwei Blindwiderständen mit parallel geschaltetem Gleichrichter, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände so gewählt werden, daß die Widerstandskurve in dem zur Demodulation ausgenutzten Bereich mindestens zwei Wendepunkte besitzt, von denen der eine bereits in der verlustfreien Schaltung zwischen zwei benachbarten Unendlichkeitsstellen liegt und der andere durch Bedämpfung derjenigen Unendlichkeitsstelle entsteht, die dem ersten Wendepunkt benachbart ist.
2. Anordnung nach Anspruch ι, dadurch gekennzeichnet, daß die Wendepunkte zwischen der Frequenz Null und der Resonanzfrequenz der ersten Parallelresonanz liegen.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wendepunkte zwischen zwei aufeinanderfolgenden Parallelresonanzen liegen.
4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Demodulationskurve in an sich bekannter Weise durch Ausbildung eines der in der Widerstandskombination befindlichen Kondensatoren als Trimmer eine Gegenkrümmung gegeben wird, welche die Nichtlinearität des Gleichrichters annähernd kompensiert.
5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Blindwiderstandskombination einen odermehrerezusätzlicheBedämpfungswiderstände aufweist.
6. Anordnung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Dämpfungswiderstand der gesamten Widerstandskombination parallel gelegt ist.
7. Anordnung nach Anspruch 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die zusätzlichen Dämpfungswiderstände einem Teil der gesamten Widerstandskombination parallel gelegt sind.
8. Anordnung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Kapazitäten der Widerstandskombination veränderbar ist.
9. Anordnung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandskombination aus der Serienschaltung einer Kapazität und eines Parallelresonanzkreises besteht (Abb. 2).
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandskombination aus der Parallelschaltung einer Kapazität und eines Serienresonanzkreises besteht (Abb. 3).
11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandskombination aus der Serienschaltung eines Serien- und eines Parallelresonanzkreises besteht (Abb. 5 a).
12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandskombination aus der Serienschaltung einer Induktivität mit der Parallelschaltung einer Kapazität und eines Serienresonanzkreises besteht (Abb. 5b).
13. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandskombination aus der Parallelschaltung zweier Serienresonanzkreise besteht (Abb. 5 c).
14. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandskombination aus der Serienschaltung einer Kapazität mit der Parallelschaltung einer Induktivität und eines Serienresonanzkreises besteht (Abb. 5d).
15. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandskombination aus der Serienschaltung einer Kapazität mit der Parallelschaltung einer Kapazität und eines Serienresonanzkreises besteht (Abb.5e).
16. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandskombination aus der Parallelschaltung einer Kapazität mit der Serienschaltung einer Kapazität und eines Parallelkreises besteht (Abb. 5f).
17. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandskombination aus der Serienschaltung zweier Parallelresonanzkreise besteht.
18. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandskombination aus der Parallelschaltung eines Serien- und eines Parallelresonanzkreises besteht (Abb. 7b).
19. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandskombination aus der Parallelschaltung einer Kapazität mit der Serienschaltung einer Induktivität und eines Parallelresonanzkreises besteht (Abb. 7 c).
20. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandskombination aus der Parallelschaltung einer Induktivität mit der Serienschaltung einer Kapazität und eines Parallelresonanzkreises besteht (Abb. 7d).

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 681530, 684 802, 871909, 874615;
USA.-Patentschrift Nr. 2561149;
französische Patentschrift Nr. 947 946;
Auszüge deutscher Patentanmeldungen 1948, Bd. 2, S. 723.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

© 509 696/347 2.56 (309 804/3 1.64)