DE1041080B - Frequenzstabiler Rechteckgenerator - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft einen frequenzstabilen frei schwingenden Rechteckgenerator unter Verwendung einer Multiarschaltung.

Al¹S Multiar wird ein Sperrschwinger mit einer Röhre bezeichnet, bei dem der Rückkopplungsweg durch einen Gleichrichter im Steuergitterkreis geöffnet und gesperrt wird. Es ist bekannt, mit dieser Schaltungsanordnung in einem gewünschten Moment während des Verlaufs einer ausgedrückten, in Negative abfallenden Spannung, z. B. einer Sägezahnspannung, einen Spannungsimpuls mit einer steilen Flanke zu erzeugen. Im Ruhezustand ist der Gleichrichter im Steuergitterkreis duröh eine einstellbare negative Vorspannung gesperrt. Der Rückkopplungsweg ist geöffnet, und die Multiarröhre führt konstanten Anodenstrom. Der Spannungsimpuls wird ausgelöst, sobald die abfallende Sägezähnspannung die Gleichrkhtervorspannung überwindet; in diesem Augenblick wird der Gleichrichter durchlässig, der Rückkopplungsweg wird geschlossen, und die Multiarröhre wird sofort stromlos. Besonders bemerkenswert ist die hohe Zeitgenauigkeit, mit der der Spannungsimpuls im Augenblick der Gleichheit der zeitlich veränderlichen und der festen Spannung ausgelöst wird. Die Multiarschaltung kann zum Vergleichen von Spannungsamplituden oder kürzesten Vorgängen, zum Auslösen variabel verzögerter Signale oder zur Herstellung von Impulsen veränderlicher Dauer verwendet werden.

Es ist weiterhin bekannt, die Multiarschaltung zur Umformung einer Sinusspannung in einer Rechteckspannung zu benutzen. Der Vorzug der Schaltung besteht darin, daß das Abschalten des Anodenstromes der Multiarröhre mit sehr hoher Genauigkeit im Nulldurchgang der ins Negative abfallenden steuernden Sinusspannung erfolgt, fast unabhängig von den Röhreneigenschaften und der Amplitude der Sinusspannung. An diesen Vorgang löhnt sich die Erfindung an; sie hat sich die Aufgabe gestellt, das Multiar, das bisher nur fremdgesiteuert betrieben wurde, als frei schwingenden Generator auszubilden.

Gemäß der Erfindung wird ein frequenzstabiler frei schwingender Rechteckgenerator dadurch erhalten, daß an Stelle der in der normalen Betriebsweise des Multiars vorhandenen Fremdsteuerspannung eine Spannung benutzt wird, die mit Hilfe eines zusätzlichen, einen Schwingkreis enthaltenden Rückkopplungsweges innerhalb der Schaltung erzeugt wird. Der Schwingkreis kann in der Kathoden- oder Anodenleitung der Multiarröhre liegen.

Der Generator gemäß der Erfindung liefert eine steilflankige Rechteckspannung, deren Frequenz weitgehend unabhängig von den Daten der Multiarröhre und von Betriebsspannungsschwankungen ist. Aus der Frequenzstabiler Rechteckgenerator

Anmelder:
Siemens & Halske Aktiengesellschaft,

Berlin und München,
München 2, Wittelsbacherplatz 2

Dipl.-Ing. Max Schlichte, München,
ist als Erfinder genannt worden

rechteckförmigen Ausgangsspannung können mittels pulsformender Netzwerke kurze Impulse erzeugt werden; außerdem kann am Schwingkreis eine sinusförmige Spannung abgegriffen werden. Der Rechteckgenerator läßt sich mit Hilfe einer impulsförmigen oder sinusförmigen Spannung leicht synchronisieren. Ist der Schwingkreis im Rückkopplungsweg auf eine Harmonische oder eine Subharmonische der Synchronisierfrequeinz abgestimmt, so erhält man einen Frequenzvervielfacher oder einen Frequenzteiler. Bei Abstimmung des Schwingkreises auf ein Vielfaches einer Subharmonischen der Synchronisierfrequenz ergibt sich ein durch einen rationalen Bruch darstellbares Frequenzverhältnis.

Die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung ist für die Pulsmodulationstechnik besonders geeignet, wo für Zeitmultiplexsysteme sinus- und impulsförmige Spannungen verschiedener Frequenz benötigt werden, die phasenstarr miteinander verknüpft sind. Zur Umformung einer Sinusspannung in eine Rechteckspannung ist eine rückkopplungsfreie Schaltung mit einer Pentode oder Tetrode bekannt, bei der Anode und Steuergitter der Röhre über Widerstände an ein positives Potential gelegt sind und bei der zwischen Steuergitter und Kathode ein Gleichrichter in Durchlaßrichtung gesahaltet ist. Damit eine möglichst rechteckförmige Spannung mit steilen Flanken und gleich langen Halbwellen entsteht, sind besondere Maßnahmen notwendig. So ist zwischen den Kathoden des Gleichrichters und der Röhre ein auf die Frequenz der umzuformenden Sinusspannung abgestimmter Schwingkreis eingefügt, an dem eine der Steuerspannung entgegengesetzt gerichtete, regelbare Neutralisationsspannung abgegriffen und der Anode des Gleichrichters zugeführt wird. Außerdem erhält der Gleichrichter eine einstellbare positive Kathodenvorspannung. Bei dieser Schaltungsanordnung, die fremd

STO 65&/17O

gesteuert ist, dient der Schwingkreis völlig anderen Zwecken als bei der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung.

Es ist weiterhin ein Impulsgenerator bekanntgeworden, mit dem sich Impulse kurzer Dauer erzeugen lassen, die eine relativ hohe Impulsfolgefrequenz und eine außerordentlich hohe Phasen- und Frequenzstabilität aufweisen. Der Generator enthält eine Mehrgitterröhre, deren Kathode und deren zwei folgende Gitter das Elektrodensystem eines in Klasse C wirksamen, kristallgesteuerten Oszillators bilden, dessen Frequenz die Impulsfolgefrequenz bestimmt. In den Anodenkreis der Röhre ist ein auf eine gegenüber der Kristallfrequenz hohe Frequenz abgestimmter Resonanzkreis geschaltet, der die Dauer der erzeugten Impulse bestimmt. Infolge der Sperrschwingerwirkung schwingt der Resonanzkreis nur während ungefähr einer Periode seiner hohen Eigenfrequenz. Von Xachteil ist, daß die erzeugten Impulse keine Rechteckform haben und nachschwingen.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung an einigen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 die bekannte Multiarschaltung zur Umformung einer Sinusspannung in eine Rechteckspannung und die dabei auftretenden Spannungsformen,

Fig. 2 drei Grundschaltungen für einen frei schwingenden Rechteckgenerator gemäß der Erfindung,

Fig. 3 drei Grundschaltungen für einen synchronisierten Rechteckgenerator gemäß der Erfindung.

Fig. 4 die zeitlichen Vorgänge bei Verwendung einer sinusförmigen Synchronisierspannung.

Zum leichteren Verständnis der Wirkungsweise des frei schwingenden Rechteckgenerators gemäß der Erfindung soll zunächst die bekannte Multiarschaltung betrachtet werden, wie sie zur Umformung einer Sinusspannung in eine Rechteckspannung benutzt wird. In Fig. 1 sind neben der Schaltung die an den kenntlich gemachten Punkten α bis e auftretenden Spannungsformen dargestellt, die auch für den Rechteckgenerator gemäß der Erfindung gelten. Die Multiarschaltung besteht aus einer Röhre Rö. in deren Kathodenleitung ein differenzierender Rückkopplungsübertrager Ü liegt. Die steuernde Sinusschwingung Uii (Kurve a) wird in Reihe zur Sekundärwicklung eingeführt. Die so addierte Eingangs- und Rückkopplungsspannung (Kurve c) wird über einen Gleichrichter Gl dem Gitter zugeleitet. Dieses ist über einen hohen Widerstand Rl an ein positives Potential, z. B. an Anodenspannung, gelegt. Während der positiven Halbwellen der Eingangsspannung U_E sperrt der Gleichrichter Gl, und die Röhre führt etwa den Anodenstrom für die Gitterspannung Null (U_Gli^Q).

Beim Xulldurchgang von der positiven zur negativen Halbwelle der Spannung U_E wird der Gleichrichter Gl niederohmig und das Gitter der Röhre Rö negativ. Dadurch wird die Rückkopplung über den Rückkopplungsweg Kathode—Übertrager Ü—Gitter der Röhre Rö wirksam, und der Eingangsspannung U_E (Kurve a) wird über den Übertrager Ü ein negativer Sperrimpuls (Kurve b) überlagert. Durch die sich ergebende Summenspannung (Kurve c) wird die Röhre Rö beim Nulldurchgang von der positiven zur negativen Halbwelle von U_E sehr rasch gesperrt und bleibt auch gesperrt (Kurve d), solange U_E genügend negativ ist. Nähert sich U_E dem nächsten Nulldurchgang — Übergang von der negativen zur positiven HaIbwelle —, so wird die Röhre Rö entsprechend ihrer Kennlinie wieder stromführend. Durch die gleichzeitig einsetzende Rückkopplung (Kurve b) wird die Röhre Rö regenerativ entsperrt und der Gleichrichter Gl nach Ablauf des Entsperrungsvorgangs hochohmig (Kurven α, b, c). Dieser Zustand bleibt während der positiven Halbwelle von U_E bis zum nächstfolgenden entgegengesetzten Nulldurchgang erhalten. Es entsteht also eine rechteckförmige Anodenspannung (Kurve e), bei der insbesondere die ansteigende Rechteckflanke sehr genau mit dem Nulldurchgang von U^E

ίο zusammenfällt. Dabei ist die ansteigende Rechteckflanke, die dem Sperren der Röhre Rö entspricht, steiler als die abfallende Reohteckflanke beim Entsperren der Röhre Rö. Beim Sperren befindet sich nämlich die Röhre Rö mit Uqk^O Volt in einem Arbeitspunkt, der auf dem steilen Teil der Röhrenkennlinie liegt. Beim Entsperren der Röhre Rö befindet sich diese in dem flachen Teil ihrer Kennlinie, d. h. die Steilheit zu diesem Zeitpunkt ist klein. Die daraus sich ergebende Ringverstärkung der Röhre Rö ist damit beim jeweiligen Einsatz der Rückkopplung stark verschieden, so daß sich die Rechteckflanken in ihrer Steilheit unterscheiden. Die Zeitkonstante des Übertragers Ü ist so bemessen, daß einerseits beim Sperren der Röhre Rö eine Rückschaltung dadurch, daß das Steuergitter der Röhre Rö nach Ablauf des negativ erzeugten Sperrpulses (Kurve b) durch U_E noch nicht genügend negativ ist, mit Sicherheit vermieden wird und andererseits die Umschaltung beim Entsperren der Röhre Rö sicher erfolgt.

In den Fig. 2 a, 2 b und 2 c sind drei verschiedene Grundschaltungen des frei schwingenden Rechteckgenerators gemäß der Erfindung dargestellt. Der frequenzbestimmende Schwingkreis 1 und der differenzierende Rückkopplungsübertrager 2 können wahlweise in der Kathoden- oder Anodenleitung der Pentode 6 (oder Triode) liegen; dem Steuergitter ist ein Gleichrichter 3 vorgeschaltet. Der Gitterableitwiderstand 4 liegt vorzugsweise an einem gegenüber der Röhrenkathode positiven Potential.

Bei Inbetriebnahme hat das Steuergitter der Röhre 6 je nach der Größe des Gitterableitwiderstandes 4 und des in der Kathodenleitung liegenden Widerstandes ein geringes positives Potential von etwa 0,2VoIt; der Gleichrichter 3 ist also durchlässig. Es erregt sich eine durch den Schwingkreis 1 bestimmte Frequenz, die bei kleinen Amplituden noch nahezu sinusförmig ist. Überschreitet die an der Kathode des Gleichrichters 3 liegende positive Spannung den durch das Gitterpotential der Röhre bestimmten Wert, so trennt der gesperrte Gleichrichter 3 jeweils die positiven Halbwellen vom Gitter ab, so daß während dieser Zeit Röhre 6 konstanten Strom führt. Beim Beginn der negativen Halbwelle der am Schwingkreis 1 liegenden Wechselspannung wird Gleichrichter 3 wieder durchlässig. Das Steuergitter wird negativ und der Anodenstrom sinkt. Im Differenzierübertrager 2 wird hierbei eine zusätzliche negative Rückkopplungsspannung erzeugt, so daß die Röhre 6 durch die regenerative Wirkung sehr rasch sperrt.

Die am Schwingkreis 1 liegende Spannung ist nach Abklingen der differenzierten. Rückkopplungsspannung des Übertragers 2 noch negativ; erst kurz vor Beendigung der negativen Halbwelle beginnt die Röhre 6 wieder Strom zu führen. Der Stromanstieg wird jetzt durch die diesesmal positive Rückkopplungsspannung regenerativ versteuert. Man erhält somit einen sehr genau durch den Schwingkreis 1 in seiner Periode definierten, symmetrisch rechteckförmigen Verlauf des Anodenstromes. Die steilen Stromschaltflanken kann man durch Differenzieren oder mit

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Hilfe von Laufzeitgliedern oder anderen pulsformenden Netzwerken 5 zur Erzeugung von kurzen Impulsen mit steilen Flanken ausnützen. Außerdem kann am Schwingkreis 1 eine sinusförmige Spannung abgegriffen werden.

Der Rechteckgenerator läßt sich leicht synchronisieren. Bringt man z. B. jeweils kurz vor dem Nulldurchgang der am Schwingkreis 1 liegenden sinusförmigen Spannung eine periodische Impulsfolge entsprechender Polarität und Amplitude an das Gitter der Röhre 6, so wird die Kippfrequenz der Anordnung durch diese Impulse synchronisiert. Die Anwendung negativer Impulse kurz vor der steilen, ansteigenden Rechteckflanke, also kurz vor Beendigung der positiven Halbwelle der am Schwingkreis 1 liegenden Spannung, ergibt hierbei die genauere Phasenbeziehung zwischen Synchronisiersignal und Kippvorgang.

Die Fig. 3 a, 3 b und 3 c zeigen drei verschiedene Grundschaltungen des synchronisierten Rechteckgenerators. In dem in Fig. 3 a dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Synchronisierimpulse über den Gleichrichter 11 an das Steuergitter der Röhre 6 gelegt; bei anderer Polung des Gleichrichters 11 könnten auch positive Synchronisierimpulse verwendet werden. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 b ist die Einspeisung der Synchronisierspannung am Fußpunkt der Gitterzuführung über das RC-Glied 12 gezeigt; hierbei sind nur negative Synchronisierimpulse möglich, da positive Impulse durch Sperrung des Gleichrichters 3 unwirksam wären. Von Vorteil ist hierbei, daß zwischen den Synchronisierimpulsen liegende Störimpulse während der Stromflußzeit der Röhre, in der der Gleichrichter 3 gesperrt ist, den Kippvorgang nicht beeinflussen können Bei der in Fig. 3 c dargestellten Schaltung erfolgt die Synchronisierung über das am Bremsgitter der Röhre 6 liegende RC-Glied 13. Diese Schaltung hat ähnliche Eigenschaften wie die nach Fig. 3 a.

Die Synchronisierung in einer Schaltung nach Fig. 3 b kann auch durch eine sinusförmige Synchronisierungsispannung erfolgen. In der Fig. 4 ist die Spannung am Schwingkreis 1 durch Kurve a, die Synohronisierspannung durch Kurve b und die hieraus resultierende S teuer spannung durch Kurve c dargestellt. Die beiden Pfeile 14 verweisen auf den Zeitpunkt des Kipp Vorganges. Die Phasendifferenz Δ γ zwischen der Synchronisierspannung b und der resultierenden Steuerspannung c ist um so kleiner, je größer die Amplitude der Synchronisierspannung und je geringer die Differenz zwischen der Synchronisierfrequenz und der etwas tieferen Resonanzfrequenz des Schwingkreises 1 ist.

Die Schaltungen nach den Fig. 3 a bis 3 c gelten auch für die Anwendung des Rechteckgenerators zur Teilung und Vervielfachung von Frequenzen. Beispielsweise werden zur Teilung oder Vervielfachung einer Impulsfolgefrequenz die Eingangsimpulse an Stelle der Syndhronisierimpulse zugeführt und die Ausgangsimpulse am pulsformenden Netzwerk (PEN) abgenommen, wobei — wie schon erwähnt — das Frequenzverhältnis durch die Abstimmung des ίο Schwingkreises 1 gegeben ist.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Frequenzstabiler frei schwingender Rechteckgenerator unter Verwendung einer Multiarschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle der in der normalen Betriebsweise des Multiars vorhandenen Fremdsteuerspannung eine Spannung benutzt wird, die mit Hilfe eines zusätzlichen, einen Schwingkreis enthaltenden Rückkopplungsweges innerhalb der Schaltung erzeugt wird.

2. Rechteckgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkreis in der Kathodenleitung der Multiarröhre liegt.

3. Rechteckgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkreis in der Anodenleitung der Multiarröhre liegt.

4. Rechteckgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Möglichkeit einer Synchronisierung der Schaltung vorgesehen ist.

5. Rechteckgenerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Synchronisierung impulsförmige oder sinusförmige Spannungen verwendet werden.

6. Generator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß aus den rechteckförmigen Ausgangssignalen mittels pulsformender Netzwerke kurze Impulse erzeugt werden und gegebenenfalls an dem Schwingkreis gleichzeitig eine sinusförmige Spannung abgegriffen wird.

7. Anwendung der Schaltung nach den Ansprüchen 4, 5 und 6 zur Teilung und Vervielfachung von Frequenzen.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 827 970, 884 674, 901795;

britische Patentschriften Nr. 583 553, 666 813;

Puekle, »Time Bases«, Chapman and Hall Ltd, London, 1951, S. 356 ff.;

B. Chance, V. Hughes u. a., »Waveforms«, McGraw-Hill-Book Co., New York, 1949, S. 343ff.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen