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Anordnung zur Bestimmung des Vorzeichens der Differenz zwischen zwei
Frequenzen
Die Messung einer unbekannten Frequenz mit einer Normalfrequenz erfolgt
meist so, daß die beiden Frequenzen in einem Modulator gemischt und die so entstehende
Differenzfrequenz mit einem direkt zeigenden Frequenzmesser oder auf ähnliche Weise
gemessen wird. Dadurch läßt sich die unbekannte Frequenz um so genauer messen, je
kleiner die Differenzfrequenz im Verhältnis zur Normalfrequenz ist. Bei diesen Messungen
tritt nun die Schwierigkeit auf, daß man nicht weiß, ob die unbekannte Frequenz
um den Betrag der Differenzfrequenz höher oder tiefer liegt als die Normalfrequenz.
Zur Beseitigung dieses Nachteils an dem Meßverfahren sind zahlreiche Möglichkeiten
bekannt. Am einfachsten läßt sich die Frage dann lösen, wenn man eine der beiden
Frequenzen in bekannter Richtung nach oben oder unten etwas verstimmen kann. Je
nachdem ob die Differenzfrequenz dadurch größer oder kleiner wird, läßt sich ihr
Vorzeichen bestimmen. Wenn keine der beiden Frequenzen veränderbar ist, läßt sich
dieses Verfahren nicht anwenden. In diesem Fall wird meist eine Frequenzmeßbrücke
(Diskriminator od. a.) verwendet, die auf die Normalfrequenz (oder eine aus ihr
durch Umsetzung erzeugte Frequenz) abgeglichen ist. Die unbekannte Frequenz (oder
die um den gleichen Betrag wie die Normalfrequenz versetzte) wird auf die Frequenzmeßbrücke
gegeben, bei der die Phasenlage der im Nullzweig entstehenden Spannung vom Vorzeichen
der
Verstimmung gegenüber der Brückenabgleichsfrequenz abhängt, man kann dadurch feststellen,
ob. die unbekannte Frequenz höher oder tiefer als die Normalfrequenz liegt. Dieses
Verfahren versagt aber bei sehr kleinen Differenzfrequenzen, weil es erstens nicht
möglich. ist, die Brücke beliebig genau über längere Zeiten auf der Normalfrequenz
abgeglichen zu halten, zweitens weil bei kleiner werdender Differenzfrequenz die
Ausgangsspannung der Brücke immer mehr abnimmt. Bei Gleichlaufregelung von Gleichwellensendern,
bei der nur sehr kleine Frequenzabweichungen vorkommen, ist es gebräuchlich, die
Phase der Frequenzen in einer Gleichrichterbrücke oder einer anderen Phasenmeßanordnung
zu vergleichen. Wird durch eine genügende Regelung der verglichenen Frequenz verhindert,
daß im Mittel keine größeren gegenseitigen Phasenabweichungen als + 90° auftreten,
so gibt das Vorzeichen der Phase zwischen den beiden Frequenzen die Tendenz der
Frequenzabweichung an und kann über ein Regelglied zur Nachstimmung der verglichenen
Frequenz verwendet werden. Diese Methode hat den Nachteil, daß sie nur bei kleinen
vorübergehenden Frequenzabweichungen anwendbar ist, wobei außerdem noch beim Einschalten
der Regelung die Phase der verglichenen Frequenz höchstens $ wo" -von der Nullstellung
der Regelung abweichen darf, damit die richtige Regeltendenz ausgelöst wird.
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Ziel der Erfindung war, eine Anordnung zu schaffen, die die Nachteile
der bekannten Meßverfahren vermeidet und eine bei allen Differenzfrequenzen absolut
sichere Anzeige des Vorzeichens der Frequenzabweichung gestattet. Es ist bekannt,
daß sich bei der Umsetzung einer Frequenz in einem Modulator die Phase der ursprünglichen
Frequenz in der umgesetzten Frequenz nach Größe und Vorzeichen abbildet. Diese Erscheinung
wird erfindungsgemäß zur Anzeige des Vorzeichens einer Differenzfrequenz folgendermaßen
verwendet. Die eine (Normal-)Frequenz f sei gegeben in ihrem Zeitverlauf durch den
Ausdruck sin 2 X f t.
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Durch einen Phasenschieber bekannter Art I wird sie um den Winkel
ç o oder I80") mit festliegender Richtung vor- oder nachgedreht. Die andere verglichene
sei um p Hertz höher oder tiefer als die Normalfrequenz. Diese Frequenz wird in
je einem eigenen Modulator 2 und 3 mit der ursprünglichen Normalfrequenz und mit
der phasengedrehten Normalfrequenz gemischt und die Differenzfrequenz ausgesiebt,
die ohnehin zur Frequenzmessung verwendet wird. Je nachdem db das Vorzeichen von
p positiv oder negativ ist, d. h. die unbekannte Frequenz höher oder tiefer als
die Normalfrequenz ist, erscheinen die Differenzfrequenzen gegeneinander um den
positiven oder negativen Phasenwinkel ? verschoben. Mißt man nun die Phase zwischen
den beiden Differenzfrequenzen mit einer bekannten Anordnung zur Messung von Phasenwinkeln
4, die eine Anzeige von Vor- und Nacheilung gestattet, so kann man, je nachdem ob
man den Phasenwinkel zwischen den Differenzfrequenzen als Vor- oder Nacheilung mißt,
feststellen, ob die verglichene Frequenz tiefer oder höher als die Normalfrequenz
liegt. Natürlich kann man die Phasendrehung auch bei der unbekannten Frequenz vornehmen
oder bei beiden Frequenzen, was unter Umständen lediglich die Zuordnung von Vor-
und Nacheilung zur positiven oder negativen Frequenzabweichung umkehrt.
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Die Zuordnung des Vorzeichens der Phasenverschiebung zwischen den
Differenzfrequenzen zum Vorzeichen der Differenz zwischen den verglichenen Frequenzen
läßt sich rechnerisch oder durch Eichung der ausgeführten Anordnung mit einer bekannten
Frequenz bestimmen.
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Der Vorteil der vorgeschlagenen Anordnung gegenüber den bekannten
Anordnungen, die das Vorzeichen einer Frequenzabweichung zu bestimmen gestatten,
liegt vor allem im einwandfreien Arbeiten bei allen Beträgen der Differenzfrequenz,
bei denen eine Phasenmessung überhaupt möglich ist. Bekanntlich arbeiten Frequenzmeßbrücken
oder sog. Diskriminatoren abhängig vom Betrag der Frequenzabweichung, da sie gleichzeitig.
zur Anzeige dieses Betrags verwendet werden. Sie sind also bei kleinen Frequenzabweichungen
nicht brauchbar. Bei kleinen Beträgen der Frequenzabweichung ist es meist gebräuchlich,
mit einer der verglichenen Frequenzen das Kippgerät eines Oszillographen zu synchronisieren
und auf der so gewonnenen Zeitbasis die andere Frequenz zu oszillographieren. Je
nachdem ob das auf dem Schirm des Oszillographen erscheinende Bild nach rechts oder
links läuft, kann man feststellen, ob die eine Frequenz schneller oder langsamer
als die andere ist.
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Dieses Verfahren versagt aber bei größeren Beträgen der Differenzfrequenz,
weil die auf dem Oszillographenschirm schnell laufenden Bilder dem Auge verschwommen
erscheinen. Die genannten Nachteile werden durch die vorgeschlagene Anordnung vermieden.
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In der praktischen Ausführung der Anordnung können höchstens Schwierigkeiten
auftreten, wenn bei sehr kleinen Differenzfrequenzen die bekannten Anordnungen zur
Phasenmessung nicht mehr einwandfrei arbeiten sollten. Dieser Fall kann vor allem
eintreten, wenn die angegebene Anordnung bei der Steuerung von Gleichwellensendern
od. ä. verwendet wird, wo Differenzfrequenzen von einigen Stunden Periodendauer
möglich sind. Wenn hierbei Schwierigkeiten auftreten, wird in Ausgestaltung der
Erfindung für die Phasenmessung folgende Relaisanordnung vorgeschlagen. Jede der
beiden Differenzfrequenzen steuert je ein polarisiertes Relais A und B mit den zugehörigen
Kontaktsätzen al, a2 und b. Das Relais A ist sehr empfindlich eingestellt und legt
seine Zunge kurz nach dem Nulldurchgang des Stromes der Differenzfrequenz (A-Strom)
um, der seine Wicklung durchfließt. Das Relais B ist so unempfindlich eingestellt,
daß es erst schaltet, kurz bevor der Strom der anderen Differenzfrequenz (B-Strom)
seinen positiven oder negativen Höchstwert erreicht. Stellt man nun den Phasenwinkel
zwischen den Normalfrequenzen, also auch zwischen den Differenzfrequenzen, auf etwa
900 ein, so wird erreicht, daß der positive oder negative Höchstwert der einen Differenzfrequenz
mit einem Nulldurchgang der anderen gerade zusammenfällt. Die gegenseitige Vor-
oder Nacheilung der beiden Differenzfrequenzen ist daran erkenntlich, ob z. B. einem
Nulldurchgang des B-Stroms in aufsteigender Nicht
tung (von negativen
nach positiven Werten) ein positiver oder negativer Höchstwert des A-Stromes entspricht.
Dies wird mit Hilfe der beiden polarisierten Relais dadurch festgestellt, daß das
Relais B nur Kontakt macht, wenn es z. B. auf die Seite b umgelegt hat, die dem
negativen Wert seines Stromes entspricht.
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Relais B macht also während der in Fig. 3 stark gezeichneten Werte
seines steuernden Stromes Kontakt. Während dieser Zeit findet der Nulldurchgang
seines Stromes in positiver Richtung statt. Relais A legt kurz nach dem Nulldurchgang
seines steuernden Stromes die Kontaktzunge auf Kontakt al oder a2 um und schließt
den Stromkreis über einen der beiden Kontakte, aber nur wenn Relais B angelegt hat.
Ob nun Kontakt al oder a2 von A hierbei anliegt, hängt davon ab, ob der A-Strom
gegenüber dem B-Strom go" vor- oder nacheilt. Um zu vermeiden, daß während der etwa
gleichzeitigen Schaltvorgänge des A- und B-Relais der Stromkreis über den falschen
Weg geschlossen wird, kann mit dem unpolarisierten C-Relais, das im Erregerkreis
des B-Relais liegt und während der positiven und negativen Höchstwerte des B-Stromes
einen Ruhekontakt abhebt, der Stromkreis unterbrochen werden. Wenn das C-Relais
gerade so empfindlich eingestellt wird, daß es während der Schaltvorgänge des A-
und B-Relais unterbricht (die ja nahe beim Nulldurchgang des A-Stromes und dem Höchstwert
des B-Stromes stattfinden), so kann eine fehlerhafte Schließung des Stromkreises
über einen a1- oder a2-Kontakt nicht stattfinden. In Reihe mit den zwei Kontakten
al und a2 liegen je ein Anzeigeglied, die je nachdem, welches von beiden der Strom
des gesteuerten Stromkreises durchfließt, die Vor- oder Nacheilung der beiden Differenzfrequenzen
anzeigen.
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Soll diese Anordnung zur Frequenzregelung eines Senders dienen, so
kann mit diesen Anzeigegliedern die Regeltendenz völlig eindeutig festgelegt werden,
was zur Durchführung einer astatischen Regelung bereits ausreichen würde. Will man
eine der Differenzfrequenz proportionale Regelgröße gewinnen, so wird vorgeschlagen,
in jeden der Anzeigezweige ein Schrittschaltwerk oder ähnliches zu legen, von denen
ein frequenzbestimmendes Element des Senders bei jeder Periode der Differenzfrequenz
mit der richtigen Regeltendenz um einen bestimmten Wert verstellt wird.
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Auf diese Weise wird die Frequenz des Senders asymptotisch auf verschwindende
Differenzfrequenz hin geregelt, und zwar um so genauer, je feiner die Stufung der
Verstimmungsvorrichtung ist. Diese Art der Regelung hat den Vorteil, daß sie um
so schneller erfolgt, je größer die Differenzfrequenz ist. In der Praxis ist diesem
Regelverfahren nur durch die Trägheit der Relais und sonstiger mechanischer Teile
der Verstimmungsvorrichtung eine Grenze gesetzt.