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Verfahren zur Stabilisierung von Frequenzen Gegenstand der Erfindung
ist die Weiterbildung eines Verfahrens zur Stabilisierung von Frequenzen, bei dem
mit Hilfe weniger Quarze eine große Anzahl von Frequenzen oder auch alle Frequenzen
innerhalb eines bestimmten Bandes stabilisiert werden können. Bei diesem Verfahren
wird aus einer Quarzschwingung ein formantartiges Spektrum von Frequenzen hoher
Konstanz erzeugt, dessen Schwerpunkt im Bereich der zu stabilisierenden Schwingung
liegt. Die Erzeugung dieses Spektrums geschieht dadurch, daß die Schwingung eines
in der Nähe der zu stabilisierenden Frequenz schwingenden Oszillators im Takte der
0uarzschwingung unterbrochen wird. Das dabei entstehende Frequenzspektrum wird mit
der zu stabilisierenden Frequenz gemischt, eine der dabei entstehenden Differenzfrequenzen
ausgesiebt und über einen Umwandler einer Gleichrichterstufe zugeführt. Weicht die
Differenzfrequenz von der Mittelfrequenz des Umwandlers ab, so entsteht hinter der
Gleichrichterstufe eine Gleichspannung, die dazu benutzt wird, die Frequenz des
zu stabilisierenden Oszillators mit Hilfe eines Schieberohres so einzustellen, daß
die Differenzfrequenz aus der Oszillatorschwingung und der zur Stabilisierung herangezogenen
Oberwelle mit der Mittelfrequenz des Umwandlers übereinstimmt. In einer bereits
vorgeschlagenen Ausführungsform dieses Verfahrens wird zur Erzeugung der Schiebespannung
die tiefste Differenzfrequenz herangezogen. Es
lassen sich aber,
und das ist der Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch höhere Differenzen benutzen.
Bei gleichbleibender absoluter Breite des Umwandlers kann dann seine relative Breite
verringert werden. Abb. i zeigt an einem Beispiel die Verhältnisse bei Verwendung
der zweitniedrigsten Differenzfrequenz. Die Flanke des Umwandlers würde in diesem
Falle etwa zwischen i io und i30 kHz liegen. Die gestrichelten Bereiche gehören
zu der Vergleichsfrequenz ¢ MHz. Zur Stabilisierung sämtlicher Frequenzen in einem
weiten Bereich können zwei Quarze in Verbindung mit einem abstimmbaren Umwandler
verwendet werden. Nach Umschaltung auf den zweiten Quarz liegen dessen Oberwellen
in den Zwischenräumen der Harmonischen, die der erste Quarz erzeugt hatte. Die Nachteile
dieser Anordnung bestehen darin, daß die Oberwellen des zweiten Quarzes nur in einem
wenn auch weiten, so doch begrenzten Bereich an der gewünschten Stelle zwischen
je zwei Harmonischen des ersten Quarzes liegen und daß die Frequenzen dieser Oberwellen
keine glatten Werte besitzen.
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Bei Verwendung von beispielsweise drei Quarzen lassen sich diese Nachteile
vermeiden. Abb. 2 zeigt ein Anordnungsbeispiel. Bei dieser Anordnung wird
das vom Vervielfacher 2 gelieferte-_formantartige Oberwellenspektrum der
Frequenz des Quarzgenerators i in der Mischstufe 14 wahlweise mit den Frequenzen
der Quarzgeneratoren 1s oder 16 gemischt. Die Frequenzen der Quarze 15 und 16 liegen
unterhalb des vom Vervielfacher erzeugten. Spektrums. Über den Hochpaß 17 werden
sämtliche Summenfrequenzen dieser Überlagerung der ischstufe 3 zugeleitet. Die an
das Mischrohr agegebenen Summenfrequenzen sind ein getreues Abbild des vom Vervielfacher
2 erzeugten Spektrums. Dieses ist lediglich um die Frequenz des Generators 15 oder
16 nach hohen Frequenzen hin verschoben. Legt man die Frequenzen der Quarze 16 und
15 höher als die zu stabilisierenden Frequenzen, so verwendet man zweckmäßig statt
der Summenfrequenzen die Differenzfrequenzen. Der Hochpaß 17 ist dann durch einen
Tiefpaß zu ersetzen. In der Mischstufe 3 wird das so erhaltene Spektrum von Frequenzen
hoher Konstanz mit der Frequenz des freien Oszillators 4 gemischt, eine oberhalb
der tiefsten liegende Differenzfrequenz durch das Filter 6 ausgesiebt und über den
Verstärker 7 dem Umwandler ä zugeführt. Dieser Umwandler, der mit einer Frequenzanzeige
9 versehen ist, bildet in Zusammenwirken mit der Gleichrichterstufe io eine Gleichspannung,
deren Größe von der Frequenz am Umwandler abhängig ist. Diese Gleichspannung wird
über den Schalter i2 und die Sekundärwicklung des Transformators 13 dem Schieberohr
5 zugeführt, das die Frequenz des Öszillators 4 so lange verschiebt, bis sich ein
Gleichgewichtszustand eingestellt hat und das Anzeigeinstrument 9 einen ganz bestimmten
Wert anzeigt. Zur Einstellung einer bestimmten Frequenz öffnet man im allgemeinen
zunächst den Schalter 12, stellt nach Eichung und Anzeige 9 die gewünschte Frequenz
ein und setzt dann die Stabilisierung durch Schließen des Schalters 12 in Funktion.
Abb. 3 zeigt an Hand eines Beispiels die entstehenden Frequenzspektren, wenn der
Quarz i eine Frequenz von ioo kHz, Quarz 15 und 76 eine solche von i5oo bzw.
1525 kHz erzeugen und der Vervielfacheroszillator auf 250o kHz schwingt. Die beiden
bei 4000 kHz liegenden Spektren dienen zur Stabilisierung. Die einzelnen Frequenzen
des zweiten Spektrums liegen jeweils genau 25 kHz über der nächstbenachbarten Oberwelle
des anderen Spektrums, so daß sich in beiden Fällen glatte Werte ergeben. Abb. 4
zeigt im vergrößerten Maßstab die Frequenzverhältnisse bei dem betrachteten Beispiel.
Die Breite des Umwandlers ist io kHz. Er ist veränderlich im Bereich zwischen 5
und 45 kHz. Seine Mittelfrequenz ist demnach um 3o kHz verschiebbar im Bereich von
io bis 4o kHz. Wie aus Abb. 4 hervorgeht, kann also durch Umschalten zwischen Spektrum
i und 2 und Abstimmen des Umwandlers jede beliebige Frequenz innerhalb eines breiten
Bandes stabilisiert werden.
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Benutzt man die Anordnung gemäß der Erfindung als Generator einer
frequenzmodulierteri Schwingung, so läßt sich eine Anzeige des Frequenzhubes auf
einfache Weise dadurch erzielen, daß man die bei Frequenzmodulation hinter dem Gleichrichter
io entstehende Wechselspannung z. B. durch ein Instrument oder ein Braunsches Rohr
anzeigt. Die abgelesene Wechselspannung ist ein Maß für den Frequenzhub. Will man
das Anzeigegerät nach Frequenzhub eichen, so ist es zweckmäßig, den Verstärker 7
als Arnplitudenbegrenzer auszubilden. Dadurch wird die angezeigte Spannung unabhängig
von der Amplitude der zur Gleichrichtung gelangenden Differenzfrequenz.
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In den Fällen, bei denen es auf möglichst geringen Aufwand ankommt,
ist es zweckmäßig, als Umwandler einen gewöhnlichen Abstimmkreis zu verwenden, dessen
eine Res onanzkur venflanke zur Umwandlung benutzt wird. Abb. 5 zeigt ein besonders
einfaches Anordnungsbeispiel. Die aus einer Quarzoberwelle und der zu stabilisierenden
Frequenz erzeugte Differenzfrequenz gelangt auf das Gitter der Röhre. In der Anode
liegt ein Abstimmkreis, dessen Spannung durch ein Diodensystem gleichgerichtet «wird.
Die gleichgerichtete Spannung wird dem Schieberohr zugeführt.
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Abb. 6 veranschaulicht die Wirkungsweise der Schaltung. Die Schiebespannung
US setzt sich zusammen aus der positiven Kathodenspannung Ujz und der bei der Abstimmung
des Kreises auftretenden negativen Diodenspannung Ud. Die Anlaufspannung sei vernachlässigt.
Liegt die Differenzfrequenz aus der zu stabilisierenden Frequenz und einer Quarzoberwelle
bei einer Frequenz f 1 unterhalb der Frequenz fo, für die die Schiebespannung US
verschwindet, so erhält das Schieberohr eine positive Spannung, die die Frequenz
f1 erhöht. Für f2 entsteht eine negative Spannung, die f2 erniedrigt. f1 und f2
werden also in die Umgebung der Mittelfrequenz fo hineingezogen und somit stabilisiert.
Besonders
geeignet ist (las angegebene Verfahren zur Frequenzstabilisierung für die Verstimmungstastung
von Sendern, bei der bekanntlich die Sendefrequenz im Rhythmus des Zeichens um einen
bestimmten Betrag hin und her geschoben wird. Diese Frequenzumtastung läßt sich
bei dem vorliegenden Verfahren auf sehr einfache Weise dadurch erreichen, daß man
die Mittelfrequenz des Umwandlers im Takte des Zeichens um den gewünschten Frequenzhub
verändert. Man hat zu diesem Zweck den Umwandler beispielsweise nur mit einer Zusatzkapazität
zu versehen, die im Takte des Zeichens an- und abgeschaltet wird. Abb. 7 zeigt als
Beispiel eine Anordnung, bei der als Umwandler ein Abstimmkreis verwendet wird.
Die An- und Abschaltung der Zusatzkapazität kann beispielsweise durch ein Relais
erfolgen.
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Um Überlastungen des Schieberohres zu vermeiden, ist eine Begrenzung
der Schiebespannung zweckmäßig. Durch diese Maßnahme wird gleichzeitig verhindert,
daß die zu stabilisierende Frequenz über einen zu großen Bereich mitgenommen wird.
Abb. 8 zeigt die Kennlinie einer Nachstimmeinrichtung, wie sie beispielsweise bei
Verwendung eines zweikreisigen Umwandlers entsteht. In Abhängigkeit von der im Mischrohr
entstehenden Zwischenfrequenz f, sind aufgetragen die Schiebespannung US, die hinter
dem Umwandler der Gleichrichtung gewonnen wird, und der mit dieser Schiebespannung
erzielbare Frequenzhub A f, der angenähert proportional zu US angenommen
werden kann. Für eine Frequenz f1 des zu stabilisierenden Oszillators (Abb. 9),
die bei abgeschalteter Nachstimmeinrichtung innerhalb des Bereiches a um
A f, über der Mittelfrequenz f" des Bereiches liege, sei die Stabilisation
erfolgt, d. h. es hat sich nach Abb. 8 eine Schiebespannung US eingestellt, die
die Frequenz d f i nach d f 1 st verschoben hat. Die stabilisierte
Frequenz fast ist damit nur noch d fast von der Mittelfrequenz f. entfernt, entsprechend
dem als Regelhub bezeichneten Verhältnis 4flst/fl. Wird nun bei erfolgter Stabilisierung
die Abstimmung des Oszillators so verstellt, daß sich bei abgeschalteter Nachstimmeinrichtung
eine Frequenz f2 außerhalb des Bereiches a ergeben würde, so stellt sich nach Abb.
8 entsprechend d f2 eine Schiebespannung US ein, die f2 nach flst schiebt.
Es tritt auch außerhalb des Bereiches a eine Stabilisierung über den ganzen Bereich
b ein, wenn die Stabilisation einmal erfolgt ist. Der Bereich b kann sich dabei
über mehrere Quarzoberwellen erstrecken. Es kann also vorkommen, daß mit einer ganz
anderen Oberwelle stabilisiert wird, als die Abstimmskala anzeigt. Außerdem können
dabei unzulässig hohe Spannungen an das Gitter des Nachstimmrohres gelangen. Es
ist daher zweckmäßig, eine Nachstimmkennlinie zu erzeugen, wie sie in Abb. 8 dick
eingezeichnet ist. Der Frequenzhub kann nur so groß werden, wie es für eine Stabilisierung
innerhalb des Bereiches a notwendig ist. Bei Verwendung einer solchen Kennlinie
springt bei Verdrehung der Abstimmskala die Stabilisation von selbst von dem einen
Bereich a in den anderen, so daß stets die richtige Oherwelle angezeigt wird. Man
kann auf diese Weise den Synchronisierschalter sparen.
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Zur Erreichung der in Abb. 8 dick eingezeichneten Isennlinie kann
mau beispielsweise eine Schaltung nach Abb. io verwenden. Dabei wird die \Tachstimmspannung
begrenzt durch Gleichrichter, für die man zweckmäßig HF-Trockengleichrichter benutzen
kann. Durch diese Begrenzung der Schiebespannung wird auch das Auftreten unzulässig
hoher Spannungen am Gitter des Schieberohres verhindert. In den Fällen, in denen
es nicht auf äußerste Genauigkeit der Frequenz ankommt, läßt sich zur Erzeugung
der Schiebespannung anstatt eines Umwandlers mit nachgeschaltetem Gleichrichter
eine Periodenzählanordnung verwenden. Abb. i i -zeigt ein Ausführungsbeispiel. Die
durch einen Tiefpaß ausgesiebte tiefste Differenzfrequenz wird dein Gitter des Rohres
zugeführt und dort begrenzt. Die dadurch entstehende Rechteckspannung lädt den kleinen
Kondensator C1 entsprechend der kleinen Zeitkonstanten R1, Cl in sehr kurzer Zeit
auf (R3, R1 und C3, Cl). Der Ladestrom fließt über den Gleichrichter G, und lädt
dabei auch den großen Kondensator C,. Die Zeitkonstante R2, C, ist groß gegen Rl,
Cl. Die Entladung von Cl geschieht wieder in sehr kurzer Zeit über den Gleichrichter
G1 und den Widerstand R1. Abb. 12 zeigt im oberen Diagramm die am Außenwiderstand
bei idealer Begrenzung entstehende Spannung U" und darunter IL, den Lade-
bzw. Entladestrom vom Cl. Die am Kondensator C2 auftretende Gleichspannung UZ ist
proportional der Anzahl der Ladestromimpulse und damit proportional der Frequenz
gemäß Abb. 13. Durch Überlagerung einer regelbaren Gleichspannung UV läßt
sich die für die Schiebespannung US maßgebende Abzissenachse verschieben, und damit
läßt sich auch der für die Stabilisierung maßgebende Schnittpunkt bei f0 dieser
Achse mit der Geraden U auf jede beliebige Frequenz innerhalb des Zwischenfrequenzbereiches
einstellen. Ausgenommen davon sind nur je ein ganz schmales Band um o kHz von etwa
i % des Gesamtbereiches. Der kritische Bereich um 5o kHz, der durch das Auftreten
zweier dicht benachbarter Zwischenfrequenzen bedingt ist, läßt sich vermeiden durch
Benutzung der zweiten Quarzoberwelle zur Vervielfachung. Die Vorspannung
UV
wird nach Abb. i i durch die Widerstände R3 und R4 eingestellt. Wichtig
ist eine gute Stabilisierung von UV.
Verschiebt man bei abgeschalteter Nachstimmung
die zu stabilisierende Frequenz über das vom Vervielfacher erzeugte Oberwellenspektrum
gemäß Abb. 14a, so entstehen Differenzfrequenzen FZ, von denen der Verlauf der tiefsten
in Abhängigkeit von der verschobenen Frequenz in Abb. i.4b und rq.c dargestellt
ist. Proportional zu f, ist die Spannung UZ, die am Kondensator C, der Abb.
i i liegt. Für eine Frequenz fi in Abb. 14b, wie sie sich ohne Nachstimmung einstellen
würde, entstehe eine positive Schiebespannung. Diese habe die Eigenschaft, die Frequenz
zu erniedrigen. Schaltet man
die Nachstimmung ein, so wird f,' nach
f i geschoben. Für die Frequenz f2' entsteht ebenfalls eine positive Schiebespannung,
die wiederum die Frequenz erniedrigt und f,' nach f, in die Nähe des
Stabilisierungspunktes bei 3,9 MHz verschiebt. Eine Stabilisierung in dem Punkte
unterhalb ¢ MHz wäre also unmöglich. Auf der Abstimmskala wäre infolge der Einstellung
von f2 jedoch die Oberwelle 4. MHz abzulesen und somit eine Fehlanzeige entstanden.
Will man fg' im Punkte unterhalb 4 MHz stabilisieren, so hat man gemäß Abb. 14c
sowohl die am Kondensator C, liegende Spannung UL als auch die Vorspannung zu kommutieren.
In diesem Falle wird dann fi im verkehrten Punkte stabilisiert. Der Kommutierungsschalter
ist also je nach Lage der zu stabilisierenden Frequenz auf die Flanke oberhalb oder
unterhalb der benutzten Oberwelle einzustellen.
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Bei der oben beschriebenen Anordnung nach dem Periodenzählprinzip
kann es durch Inkonstanz irgendwelcher Betriebsspannungen, z. B. der Heizspannung
der Röhre, vorkommen, daß auch die Spannung UL am Kondensator C, nicht konstant
ist. Bei guter Konstanz der Vorspannung UV würde sich damit der Stabilisierungspunkt
und damit auch die stabilisierte Frequenz verschieben. Diese Schwierigkeit läßt
sich umgehen, wenn man die Vorspannung UV durch dieselbe Röhre erzeugt wie UL. Abb.
15 zeigt ein Schaltungsbeispiel. Die Anordnung zur Vorspannungserzeugung besteht
aus C3, R3, G3, G4, C4 und R4. Das Glied R3, C3 besteht aus einem großen
Kondensator und einem Widerstand, der den Scheinwiderstand dieses Gliedes dem Blindwiderstand
des Kondensators C, anpaßt. Die von der Röhre gelieferte Rechteckspannung lädt über
C3, R3 und den Gleichrichter G3 den großen Kondensator C4. Da C3 eine große Kapazität
besitzt, ist die entstehende Richtspannung unabhängig von der Frequenz. Sie ist
nur abhängig von der Amplitude der entstehenden Rechteckspannung. Ändert sich diese
aus irgendeinem Grunde, so ändert sich mit der Spannung UL auch in gleichem Maße
die Vorspannung Uy, so daß der Stabilisierungspunkt seine Frequenzlage beibehält
und somit die stabilisierte Frequenz von den Betriebsspannungen weitgehend unabhängig
ist. Der besondere Vorteil der Anordnung nach Abb. ir und 15 liegt darin, daß in
beiden Fällen eine Fernbedienung des Gerätes möglich ist, da der in Frequenzen eichbare
Widerstand R4 über eine Leitung angeschlossen werden kann. Auf diese Weise lassen
sich also z. B. bei einem stabilisierten Sender kleine Frequenzabweichungen von
einer Zentrale aus vornehmen. Außerdem läßt sich die Spannung UL durch ein in Frequenzen
geeichtes Instrument anzeigen, gegebenenfalls auch wieder über eine Leitung.
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Der bei dem geschilderten Verfahren auftretende Nachteil einer geringeren
Steilheit der Nachstimmspannungskurve läßt sich durch eine besonders empfindliche
Schiebeeinrichtung wieder wettmachen. Abb. 16 zeigt ein Beispiel für eine derartige
Anordnung. Das als Transitron geschaltete Schwingrohr V, erzeugt am Kreis
K die zu stabilisierende Frequenz. Diese wird über die Kopplungskondensatoren
CK den beiden Gittern des Gegentaktrohres V, erdsymmetrisch zugeführt. An den Außenwiderständen
Ra werden die verstärkten Spannungen abgenommen und durch kapazitive Belastung mit
den Kondensatoren Ca und Cg mit je 9o° Phasenverschiebung an das Gitter von h, gelegt.
Normalerweise tritt an C, keine Wechselspannung auf, da die beiden um z8o° verschobenen
Anodenwechselspannungen sich kompensieren. Gelangt an die Gitter von V, eine symmetrische
Schiebespannung US, so wird die Verstärkung des einen Systems vergrößert und die
des anderen geschwächt, so daß je nach Polarität der Schiebespannung am Gitter von
Vi eine um -I- 9o° bzw. -9o° verschobene Spannung entsteht, die die Frequenz des
Schieberohres entweder vergrößert oder verkleinert. Die hohe Empfindlichkeit dieser
Schiebeanordnung beruht darauf, daß die zur Verstimmung benutzte Hochfrequenz erst
im Rohr Vz verstärkt wird, bevor man sie dem Gitter von V, wieder zuführt.
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In Abb. 17 ist eine Anordnung der Erzeugung einer erdsymmetrischen
Schiebespannung dargestellt, deren Wirkungsweise ohne weiteres aus Abb. 17 hervorgeht.
Im allgemeinen wird man auf die Stabilisierung der Frequenzen in unmittelbarer Nähe
einer Quarzoberwelle und in der Mitte zwischen zwei Oberwellen aus Gründen der Einfachheit
des Gerätes verzichten können. In diesem Falle kommt man mit einem einzigen Quarz
und einem abstimmbaren Umwandler aus. Will man jedoch das gesamte Band lückenlos
überstreichen, so kann man das Gerät durch die in Abb. 18 dargestellte Anordnung
erweitern. Diese besteht aus einer Mischstufe M, der die stabilisierte Frequenz
fo zugeführt wird. Die Frequenz fo ist innerhalb des Bereiches a verschiebbar. Sie
wird gemischt mit der vom Oszillator Ü erzeugten Frequenz von beispielsweise 2r2,5
kHz. Durch den veränderlichen Bandpaß BP wird entweder die Summenfrequenz
oder die Differenz ausgesiebt und über die Trennstufe Ti -abgenommen. Verschiebt
man nach Abb. z9 die Frequenz fo innerhalb des Bereiches a, so verschieben sich
ihre Seitenbänder fD und fs innerhalb der Bereiche b und c. Da man fo in jeden beliebigen
Bereich d legen kann, läßt sich mit den Seitenbandfrequenzen lückenlos das gesamte
Band erfassen. Es ist zweckmäßig, eine Modulation zu verwenden, bei der der Träger
fo wegfällt, da dann die Aussiebung von fD oder fs mit geringem Aufwand an Siebmitteln
möglich ist.
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Für die beschriebene Anordnung ergeben sich je nach Ausführung des
zur Erzeugung der Überlagerungsamplitude verwendeten Oszillators die verschiedensten
Anwendungsmöglichkeiten. Benötigt man höchste Genauigkeit, so kann zur Erzeugung
von fü ein Quarzoszillator benutzt werden. Bei Frequenzumtastung verwendet man beispielsweise
einen Oszillator mit zwei Quarzen, zwischen deren beiden Frequenzen umgetastet wird.
Für Freque-nzmodulation wird ein frequenzmodulierter Oszillator
benutzt.
Bei Einseitenbandbetrieb besteht Ü aus einem Gerät, in dem die Modulationsfrequenz
beispielsweise zunächst um 12,5 kHz verschoben wird. Eines der bei dieser Modulation
entstehenden Seitenbänder wird ausgesiebt und um Zoo kHz verschoben. Von den beiden
entstehenden Seitenbändern wird wiederum eines ausgesiebt und der Mischstufe M zugeführt.