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Schaltungsanordnung zur Erzeugung getasteter Oszillatorschwingungen
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung getasteter Oszillatorschwingungen.
Mit ihr ist es möglich, auch einwandfrei getastete Oszillatorschwingungen hoher
Frequenz, z. B. 1000 MHz, zu erzeugen. Unter »einwandfrei getastete Oszillatorschwingungen«
soll folgendes verstanden werden: als Tastimpuls dient ein positiver Rechteckimpuls,
mit dessen Vorderflanke Oszillatorschwingungen ausgelöst werden, deren Phase, bezogen
auf die Vorderflanke des Tastimpulses, starr ist. Alle Oszillatorschwingungen, einschließlich
der ersten, haben die gleiche Amplitude. Mit dem Ende des Tastimpulses werden die
Oszillatorschwingungen im Bruchteil einer Periode vollständig unterdrückt.
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Die bisher bekannten Schaltungen erfüllen die obengenannten Bedingungen
nicht. Sie verwenden einen großen Rückkopplungsfaktor, um ein schnelles Anschwingen
des Oszillators zu erreichen. Die Schwingenergie ist vor der Tastung bereits als
potentielle Energie im Schwingkreis vorhanden. Bei hohen Frequenzen erfordert dieses
Prinzip deshalb sehr große Dauerströme und ist unwirtschaftlich. Das Problem, die
gespeicherte potentielle Energie im Augenblick der Vorderflanke des Tastimpulses
in Schwingenergie umzuwandeln, begrenzt zusammen mit der für höhere Oszillatorfrequenzen
notwendigen Energiespeicherung durch große Ströme die Anwendbarkeit dieser bekannten
Schaltungen.
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Eine andere bekannte Schaltung arbeitet nach dem Prinzip, mit einem
positiven Tastimpuls über einen Katodenverstärker den Oszillatorkreis zum Schwingen
anzustoßen und gleichzeitig den Oszillator einzuschalten. Der Katodenwiderstand
des während der Impulspause stromlosen Katodenverstärkers liegt als künstlicher
Dämpfungswiderstand im Oszillatorschwingkreis in Reihe mit der Kreiskapazität. Dadurch
wird der Kreis so stark bedämpft, daß der Oszillator nicht schwingt. Ein Rechteckimpuls
über den Katodenverstärker bewirkt an dessen Katodenwiderstand einen Spannungssprung,
wodurch der Kreis angestoßen wird, und gleichzeitig wird die Kreisdämpfung stark
herabgesetzt, weil sich dem Katodenwiderstand, der den Kreis bedämpft, der Widerstand
1/S des Katodenverstärkers parallel schaltet, so daß nunmehr auch ein Schwingen
des Oszillators möglich ist. Diese Schaltung hat jedoch den großen Nachteil, daß
sie bei höheren Oszillatorfrequenzen versagt. Die praktisch erreichbare Grenze liegt
bei 20 MHz. Eine nicht zu vernachlässigende Kapazität des Katodenverstärkers, liegt
parallel zu seinem Katodenwiderstand, so daß dieser bei höheren Frequenzen seine
Wirkung, den Kreis zu bedämpfen, verliert. Der Oszillator schwingt dann dauernd
und ändert mit dem Tastimpuls nur noch seine Frequenz.
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Die Nachteile der bekannten Schaltungsanordnungen werden dadurch beseitigt,
daß erfindungsgemäß Tastimpulse mit einer steilen Vorderflanke eine Oszillatorröhre
schalten, mit der steilen Vorderflanke von der Oszillatorröhre übertragen werden
und mit der steilen Vorderflanke einen über die Oszillatorröhre rückgekoppelten
Schwingkreis zum Schwingen anstoßen und dieser mit einem großen L/C-Verhältnis und
hoher Kreisgüte bemessen ist.
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Die erfindungsgemäße Schaltung gestattet die einwandfreie Tastung
höchster Oszillatorfrequenzen und vereinigt darüber hinaus in sich folgende vorteilhaften
Eigenschaften: 1. Das Einschalten des Oszillators erfolgt mit einer positiven und
das Ausschalten mit einer negativen Flanke des Tastimpulses.
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2. Impulsdauer und Impulsfolge des Tastimpulses sind nicht beschränkt.
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3. Der Übergang von einer Oszillatorfrequenz auf eine andere erfolgt
mit einer sehr einfachen Umschaltung. Zum Beispiel wird bei einer Umschaltung der
Oszillatorfrequenz von 100 Hz auf 100 MHz nur der Oszillatorkreis mit zwei Umschaltkontakten
aus der Gesamtschaltung herausgelöst bzw. eingefügt.
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4. Die Frequenzkonstanz des Oszillators ist hoch, da erfindungsgemäß
Kreise hoher Güte verwendet werden und der Rückkopplungsfaktor nur wenig größer
als eins ist.
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5. Die Schaltung läßt sich so auslegen, daß die Oszillatoramplitude
schon in ihrer ersten Halbwelle die volle Größe erreicht, während der ganzen Einschaltdauer
konstant bleibt und
danach spontan abgeschaltet wird; d,. h. im
Bruchteil einer Oszillatorperiode den Wert Null erreicht.
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6. Die bei weniger steilen Flanken der Tastimpulse auftretenden Tastverzögerungen
sind konstant: 7. Die Verzögerung der ersten Halbwelle der erzeugten Oszillatorschwingung
gegenüber der Flanke des Tastimpulses kann beliebig klein gehalten werden. ' B.
Die Tastung sehr hoher Oszillatorfrequenzen wie z. B. 1000 MHz.
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9. Die Schaltungsanordnung liefert bei überschwingfreiem Rechtecktastimpuls
einen entsprechend überschwingfreien Ausgangsimpuls, dem die amplitudenkonstanten
Oszillatorschwingungen überlagert sind.
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Die Zusammenstellung dieser sehr vorteilhaften Eigenschaften unter
1 bis 9 läßt erkennen, daß die Hauptanwendung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
auf dem Gebiet der Nanosekundenmeßtechnik liegt.
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An Hand eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnungen soll der Gegenstand
der Erfindung näher beschrieben werden. Es zeigt Fig. 1 die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
zur Erzeugung getasteter Oszillatorschwingungen als Zeitmarkengenerator in einem
Impulsoszillographen, Fig. 2 a einen Tastimpuls, wie er am Eingang der Schaltungsanordnung
zur Verfügung steht, Fig.2b einen Impuls an der Anode der Schaltröhre 4 ohne Berücksichtigung
des schwingenden Oszillators, Fig. 2 c den Impulsverlauf an der Anode der Oszillatorröhre
6 bei schwingendem Oszillator, Fig. 2 d den Impulsverlauf an der Anode der Endröhre
13 bei schwingendem Oszillator.
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Für die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 dient als Tastimpuls ein
positiver Rechteckimpuls, wie er z. B. in Fig. 2 a dargestellt ist, der vom Zeitablenkteil
des Impulsoszillographen geliefert wird.
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Die Impulsdauer des Tastimpulses entspricht der Anstiegszeit der Zeitablenkspännung.
Gemäß Fig. 1 gelangt dieser Tastimpuls über einen kapazitiv überbrückten frequenzunabhängigen
Spannungsteiler, bestehend aus den Widerständen 1 und 3, dem Kondensator 2 und der
nicht gezeichneten Röhreneingangskapazität; an das Steuergitter einer Schaltröhre
4. Um die Verzögerungszeit vom Beginn der Zeitablenkung bis zur Auslösung der Zeitmarken
klein zu halten, soll der Tastimpuls hinreichend groß und die Gittervorspannung
der Schaltröhre 4 so eingestellt sein, daß am Fußpunkt des Tastimpulses die Schaltröhre
4 gerade gesperrt ist und nur ein Teil der Impulsflanke durchlaufen werden muß,
bis Gitterstrombegrenzung einsetzt. Die Schaltröhre 4 hat in der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung gleichzeitig zwei Aufgaben zu erfüllen: erstens die Anstiegsflanke
des Tastimpulses zu versteilern und zweitens mit dieser versteilerten Flanke den
Oszillator einzuschalten. Die Flankenversteilerung in der Schaltröhre 4 erfolgt
nach folgendem bekannten Prinzip: während der Impulspause ist die Schaltröhre 4
gesperrt. Die in Fig. 1 nicht gezeichnete Kapazität Ca, die von der Anode
der Schaltröhre 4 nach ihrer Katode bzw. nach Masse liegend zu denken ist und zum
größten Teil aus der Röhrenausgangskapazität der Schaltröhre 4 besteht, ist über
einen Widerstand 5 auf die Spannung + U2 aufgeladen. Mit der positiven Flanke des
Tastimpulses fließt ein Anodenstrom 1ä durch die Schaltröhre 4, der Ca entlädt
und dadurch an der Anode eine negative Impulsflanke mit der Flankensteilheit
1 a/Ca erzeugt. Der Anodenstrom und damit die Flankensteilheit sind am größten,
wenn gerade die Gitterstrombegrenzung in der Schaltröhre 4 einsetzt, vorausgesetzt,
daß die Spannung an Ca noch nicht unter die Knickspannung der Schaltröhre
4 gesunken ist. Mit der Schaltröhre 4, die erfindungsgemäß zugleich als Flankenversteilerungsröhre
arbeitet, werden so große Flankensteilheiten erzeugt, daß z. B. noch Oszillatorschwingungen
über 100 MHz einwandfrei getastet werden können. Für die Tastung noch höherer Oszillatorfrequenzen,
z. B: 1000 MHz, ist es zweckmäßig, der Schaltröhre 4 eine zusätzliche Flankenversteilerungsröhren
parallel zu schalten, die mit dem differenzierten Tastimpuls gesteuert wird. Der
von dieser Flankenversteilerungsröhre gelieferte sehr steile Nadelimpuls überlagert
sich der von der Schaltröhre 4 erzeugten negativen Impulsflanke, so daß eine extrem
steile Flanke entsteht. Mit der versteilerten negativen Impulsflanke des Anodenspannungsimpulses
der Schaltröhre 4 (vgl. Fig. 2b) wird nun die Oszillatorröhre 6 eingeschaltet bzw.
getastet. Ihr Katodenpotential, das während der Impulspause auf +U2 lag, wird beim
Auftreten der versteilerten Impulsflanke plötzlich verringert und erreicht das über
einen Spannungsteiler mit den Widerständen 12, 8 und 7 eingestellte Gitterpotential.
Dieses Gitterpotential ist so festgelegt, daß das Einschalten der Oszillatorröhre
6 mit dem steilsten Teil der von der Schaltröhre 4 gelieferten negativen Impulsflanke
erfolgt. Die Oszflatorröhre 6 hat nun die Aufgabe, diesen steilsten Teil der Impulsflanke
zu übertragen, damit einen über die Schalterkontakte 24 und 25 angeschlossenen
Schwingkreis anzustoßen, mit einem relativ kleinen Rückkopplungsfaktor die Oszillatorschwingung
während der Dauer des Tastimpulses aufrechtzuerhalten und am Ende des Tastimpulses
mit Hilfe einer Doppeldiode 10 die Oszillatorschwingungen sofort zu unterdrücken.
Diese Funktionen der Oszillatorröhre 6 sollen nun näher erläutert werden. Es ist
bekannt, daß man in einem Schwingkreis, der ein großes L/C-Verhältnis aufweist,
mit wenig Energie eine große Schwingamplitude anstoßen bzw. leicht wieder unterdrücken
kann. Aus diesem Grunde wurde als Oszillatorkreis ein az-Kreis gewählt, weil mit
ihm die kleinstmöglichen Kreiskapazitäten erreichbar sind. Für die Erzeugung hoher
Oszillatorlrequenzen entfällt die zusätzliche zur Induktivität 26 parallel geschaltete
Kapazität 27, und als Kreiskapazität wirken nur die äußeren unvermeidlichen Schaltkapazitäten
und die inneren Röhrenkapazitäten der Oszillatorröhre 6, die sich zum Teil noch
in Reihe schalten. Ferner ist bekannt, daß für eine gute Frequenzkonstanz eines
Oszillators unter anderem eine hohe Kreisgüte und ein kleiner Rückkopplungsfaktor
erforderlich sind. Es wurden deshalb Kreise hoher Güte vorgesehen. Die Widerstände
7, 8; 11, 14 und 16 wurden so groß gewählt und der Widerstand 12 an eine solche
Anzapfung der Kreisspule 26 gelegt, daß dadurch die Bedämpfung des Oszillatorkreises
klein bleibt. Die Rückkopplung stellt sich über die inneren Röhrenkapazitäten der
Oszillatorröhre 6 ein (Kapazität von Anode nach Katode und Kapazität vom Steuergitter
nach Katode) und kann nötigenfalls durch Zuschalten äußerer Kapazitäten verändert
werden. Der Spannungsteiler
zum Einstellen des Gitterpotentials
für die Oszillatorröhre 6, bestehend aus den Widerständen 12, 8 und 7, enthält einen
kapazitiv überbrückten Widerstand B. Dieser Widerstand 8 ist mit einer so bemessenen
Kapazität 9 überbrückt, daß der Rückkopplungszweig vom Oszillatorkreis nach dem
Steuergitter der Oszillatorröhre frequenzunabhängig wird und bei Frequenzwechsel
nicht verändert zu werden braucht. Während der Impulspausen fließt unter anderem
ein Strom von -I- U 3 über den Widerstand 11 und die beiden Diodenstrecken der Röhre
10 nach -I- U 2. Durch die leitenden Diodenstrecken wird der Oszillatorkreis aperiodisch
bedämpft. Der von der Schaltröhre 4 gelieferte und zum Teil von der Oszillatorröhre
6 übertragene Rechtecktastimpuls mit der steilen negativen Vorderflanke erscheint
am Widerstand 12 wieder als negativer Impuls, der eine sofortige Sperrung der beiden
Diodenstrecken in Röhre 10 bewirkt, so daß die konstante Bedämpfung des Oszillatorkreises
durch diese Dioden während der Impulsdauer entfällt. Gleichzeitig stößt die steile
Flanke den Oszillatorkreis an, so daß die Oszillatorschwingung an der Anode der
Oszillatorröhre 6 mit einer negativen Halbwelle und am Steuergitter der Oszillatorröhre
entsprechend den Rückkopplungsbedingungen mit einer positiven Halbwelle eingeleitet
wird. Bei der erfindungsgemäßen Ausführung der Schaltung wird schon in der ersten
Halbwelle der Oszillatorschwingungen der Amplitudenendwert erreicht, auf den alle
nachfolgenden Schwingungen durch die Röhre 10 begrenzt werden (vgl. hierzu Fig.
2c). Der Wert, auf den die Oszillatoramplitude begrenzt wird, ergibt sich aus dem
Anodenstrom der Oszill:atorröhre 6, der einen entsprechenden Spannungsabfall am
Widerstand 12 erzeugt und damit die beiden Diodenstrecken der Röhre 10 negativ vorspannt.
Am Ende des Tastimpulses wird die Oszillatorröhre 6 gesperrt. Die negative Vorspannung
der beiden Diodenstrecken verschwindet mit dem Anodenstrom der Oszillatorröhre.
Der Strom von -i- U 3 über den Widerstand 11 und die Diodenstrecken nach -t- U 2
macht die Diodenstrecken wieder leitend. Der Oszillatorkreis wird dadurch aperiodisch
bedämpft, so daß die Oszillatorschwingungen im Bruchteil einer Periode unterdrückt
werden und nicht als gedämpfte Schwingung abklingen (Fig. 2c). Die konstante Diodendämpfung
schaltet sich also mit dem Anodenstrom der Oszillatorröhre automatisch während der
Dauer des Tastimpulses aus und am Ende des Tastimpulses wieder ein. Mit der Amplitudenbegrenzung
durch die Diodenstrecken wird erreicht, daß die Amplitude für alle Oszillatorschwingungen
konstant ist und ein allmählicher Amplitudenanstieg entsprechend der Steuergitterzeitkonstanten
verhindert wird.
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Durch die Diodenbegrenzung entsteht eine Kurvenverformung, die für
das vorliegende Schaltungsbeispiel als Zeitmarkengenerator durchaus erwünscht ist.
Um sauber begrenzte Zeitmarken mit gleichmäßiger Strichstärke zu erhalten, muß die
Katodenstrahlröhre 20 z. B. am Steuergitter mit einer einseitig verzerrten, d. h.
einseitig abgeflachten Sinuskurve gesteuert werden. Diese gewünschte Kurvenverformung
liefert eine in bekannter C-Einstellung betriebene Endröhre 13 (Fig. 2d).
An ihr Steuergitter gelangen über einen kapazitiv überbrückten ohmschen Spannungsteiler,
bestehend aus den Widerständen 14 und 16, dem Kondensator 15 und der nicht gezeichneten
Eingangskapazität der Endröhre 13, von der Anode der Oszillatorröhre 6 negative
Rechteckimpulse, denen die Oszillatorschwingungen überlagert sind (Fig. 2c). Die
Größe des Kondensators 15 ist so gewählt, daß der Spannungsteiler frequenzunabhängig
ist und Rechteckirnpulse auch mit niedriger Impulsfolgefrequenz und großer Impulsdauer
über ihn unverzerrt an das Steuergitter der Endröhre 13 gelangen können. Aus dem
gleichen Grund ist auch der Spannungsteiler zwischen der Endröhre 13 und der Katodenstrahlröhre
20, bestehend aus den Widerständen 17 und 19, dem Kondensator 18 und der nicht gezeichneten
Eingangskapazität der Katodenstrahlröhre 20, als frequenzunabhängiger Spannungsteiler
ausgeführt. Damit die in der Endröhre 13 erreichten Kurvenverformungen erhalten
bleiben, ist es vorteilhaft, wegen der schädlichen Kapazitäten den ohmschen Außenwiderstand
21 hinreichend klein zu halten. Zur übertragung der höchsten Oszillatorfrequenz
auf das Steuergitter der Katodenstrahlröhre 20 dient als Außenwiderstand ein n-Kreis,
der aus der Induktivität 22, der nicht gezeichneten Ausgangskapazität der Endröhre
13 und der ebenfalls nicht gezeichneten Eingangskapazität der Katodenstrahlröhre
20 besteht. Für die zweithöchste Oszillatorfrequenz dient als Außenwiderstand
ein durch den ohmschen Widerstand 21 stark gedämpfter Parallelresonanzkreis, bestehend
aus der Induktivität 23 und der Ausgangskapazität der Röhre 13 und der Eingangskapazität
der Röhre 20. Beide Resonanzkreise werden möglichst auf die 2. Harmonische der jeweiligen
Oszillatorfrequenz abgestimmt, um die erreichten Kurvenverformungen für die beiden
höchsten Oszillatorfrequenzen zu erhalten. Es sei noch erwähnt, daß zwischen die
Schalterkontakte 24 und 25 und die Spannung +U2 eine Widerstandskombination
statt eines Oszillatorkreises geschaltet werden kann, wenn die Katodenstrahlröhre
mit den Tastimpulsen ohne Zeitmarken nur hell getastet werden soll.