DE945458C - Anordnung zur Frequenzteilung und Frequenzvervielfachtung - Google Patents

Description

Die Erfindung hat ein Verfahren zum Gegenstand, welches die Herstellung von Frequenzen ermöglicht, die ein Vielfaches oder ein Teiler einer gegebenen Frequenz sind.

Bekanntlich wird, um eine gegebene Frequenz F₀ durch η zu teilen, einem Modulator einerseits diese Frequenz F₀ und andererseits die Harmonische der

Ordnung η — ι der herzustellenden Frequenz F — —-

zugeführt. Man erhält so durch Interferenz an den Ausgangsklemmen des Modulators eine Frequenz

Bei den bekannten Verfahren wird die so verwendete Hilfsharmonische (n — 1) F im allgemeinen durch Vervielfachung der gewünschten Frequenz F erzeugt.

Bei der Ingangsetzung des Gerätes wird jedoch die Frequenz F noch nicht in normaler Weise erzeugt, und sie rindet sich nur unter anderen störenden Frequenzen der Anlage und mit einer sehr geringen Amplitude. Der Vervielfacher, welcher die Herstellung ihrer Harmonischen (n — 1) gestattet, ist nämlich ein nicht lineares Organ, welches nur arbeitet, wenn es eine einen gewissen Pegel übersteigende Spannung erhält, und das insbesondere nicht bei der zu geringen Anfangsspannung der Frequenz F anspricht.

Bei den Geräten dieser Art muß daher zur Erzeugung der Hilfsfrequenz ein zusätzlicher Oszillator mit der Frequenz (n — 1) F benutzt werden, welcher im

Augenblick des Anlaufes der Anlage in Tätigkeit gesetzt und dann, von Hand oder automatisch, ausgeschaltet wird, wenn sich die Spannung F mit einer ausreichenden Amplitude ausgebildet hat. Die Erfindung hat ein Verfahren zum Gegenstand, welches die Verwendung eines solchen zusätzlichen Oszillators vermeidet. Sie ist im übrigen allgemeiner anwendbar und gestattet die Herstellung einer gewissen Anzahl von Frequenzen F in einem festen rationalen ίο Verhältnis zu der gegebenen Frequenz.

Die durch die Erfindung geschaffene Anordnung zur Erregung und Unterhaltung von Frequenzen in einem einfachen Teilverhältnis zu einer gegebenen Frequenz P₀ kennzeichnet sich dadurch, daß ein thermionischer Verstärker und zwei in dessen Eingangskreis bzw. Ausgangskreis liegende Gruppen von Modulatoren vorgesehen sind, wobei alle Modulatoren der Eingangsgruppe von der Frequenz F₀ gesteuert werden und als Modulationsergebnisse der zweiten Ordnung Frequenzen liefern, von welchen nach Verstärkung und Trennung in im Ausgangskreis des Verstärkers angeordneten selektiven Kreisen die eine zur Steuerung der Modulatoren der Ausgangsgruppe, die anderen zur Speisung dieser Modulatoren dienen, und daß die Ausgangskreise der- letzteren, welche Modulationsergebnisse der zweiten Ordnung liefern, mit den Eingangsklemmen der Modulatoren der Gruppe, gegebenenfalls über Siebglieder, welche unerwünschte Ergebnisse ausschalten, verbunden ' sind, so daß die Frequenzen am Eingang der Modulatoren der Gruppe nach zwei in der einen bzw. anderen Modulatorgruppe durchgeführten Frequenzumsetzungen wiederhergestellt werden und die Bedingungen, welche die Erhaltung der Frequenzen in dem Umwandlungszyklus ausdrücken, in eindeutiger Weise den Wert dieser Frequenzen als Funktion vonF₀ bestimmen.

Genauer gesagt wählt man, wenn man aus einer" gegebenen Frequenz F₀ eine gewisse Anzahl φ Frequenzen F der Form F_s = K_s F₀ (s = 1, 2 ... φ) herstellen will (wobei die Koeffizienten K_s ganze Zahlen oder Bruchzahlen sind), mit Hilfe von Resonanzkreisen oder Siebnetzwerken aus den Frequenzen des Geräuschspektrums einer oder mehrerer Verstärkerröhren eine Gruppe von m Hilfsfrequenzen f in den Anodenkreisen dieser Röhren aus, kombiniert diese Frequenzen f in einem oder mehreren Modulatoren a, so daß eine Gruppe von η Frequenzen ψ hergestellt wird und die gewünschten Frequenzen in den Gruppen der Frequenzen f oder ψ liegen; man führt diese letzteren Frequenzen ψ den Eingangskreisen eines oder mehrerer Modulatoren b zu, die andererseits von der gegebenen Frequenz -F₀ gespeist werden, so daß die Gesamtheit der Frequenzen f, die sich an den Ausgangsklemmen der Modulatoren b wiederfinden, in die Gitterkreise der verschiedenen Röhren zurückgeschickt und jede Frequenz f an die Röhre zurückgeschickt wird, in deren Anodenkreis sie ausgewählt worden ist. Wenn dies nicht zutrifft, können abweichende Frequenzen, die den gewünschten Frequenzen nahekommen, sich aufrechterhalten in den Grenzen, die durch die Auswahlsiebnetze zugelassen werden, ebenso wie durch die Filter, welche eingeschaltet sind, um die durch den Betrieb der Modulatoren eingeführten unbrauchbaren Frequenzeil auszuschalten. Man kann Modulatoren behebiger Art benutzen.

Es ist insbesondere durch die deutsche Patentschrift 662 391 eine Anordnung bekannt, bei welcher Ringmodulatoren rückwirkend mit dem Eingangskreis und mit dem Ausgangskreis des Verstärkers gekoppelt und selektive Kreise vorgesehen sind, um gewisse gewünschte Frequenzen aus einem Frequenzband auszuwählen. Diese bekannte Anordnung gestattet es jedoch nicht, die Höhe der erzeugten Frequenz durch die (höhere oder niedrigere) Ursprungsfrequenz zu erzeugen, da die erhaltenen Frequenzen von den Charakteristiken der selektiven Kreise (Filter) abhängen.

Dieser Nachteil wird bei der Anordnung der Erfindung vermieden,-bei welcher die erhaltenen Frequenzen sich ausschließlich aus den in den Modulatoren erfolgenden Kombinationen ergeben, während die selektiven Kreise (Filter) lediglich zur Ausschaltung der unerwünschten Frequenzen dienen.

Ferner sind Frequenzteiler bekannt (vgl. den Aufsatz von R. L. Miller ;;Fractional-Frequency Generators Utilizing Regenerative Modulation« in »Proceedings of the IRE«, 1939, S. 446 ff.), welche erne Kaskadenschaltung mit mehreren Stufen von rückgekoppelten Modulatoren aufweisen und welche dem gleichen Zweck wie die gemäß der Erfindung ausgebildete Anordnung dienen. Soweit bei dieser bekannten Anordnung für Frequenzteiler mit dem Teilungsverhältnis 2 ausschließlich Modulatoren zweiter Ordnung, d. h. Modulatoren verwendet werden, welche nur Modulationsprodukte der zweiten Ordnung liefern, haben sie den Vorteil, daß sie keines besonderen Anfachoszillators bedürfen, weil die Anfachung bereits durch stets vorhandene Rauschspannungen hervorgerufen wird. Bei den bekannten Anordnungen werden jedoch bei den Schaltungen, bei denen ein Frequenzteilerverhältnis erzielt wird, das größer als 2 ist, nicht ausschließlich von Modulatoren zweiter Ordnung Gebrauch gemacht, sondern stets ein Modulator höherer Ordnung bzw. eine Frequenzvervielfacherschaltung angewendet, so daß der genannte Vorteil hierbei nicht ausgenutzt werden kann.

Demgegenüber wird durch die Erfindung die Möglichkeit geschaffen, die Vorteile der ausschließlichen Anwendung von Modulatoren zweiter Ordnung auch in den Fällen einer Frequenzteilung mit einem beliebigen Teilungsverhältnis, ohne Beschränkung auf die Zahlen der Reihe 2", auszunutzen.

Es ist erforderlich, daß die Beziehungen, welche einerseits in den Modulatoren α zwischen den Frequenzen f und φ und andererseits in den Modulatoren δ zwischen der Frequenz F₀ und den Frequenzen f und φ hergestellt sind, ausreichen, um die Frequenzgruppen f- und φ vollständig zu bestimmen.

Die Gruppe der Modulatoren α ergibt eine Gesamtheit (A) von η Beziehungen zwischen den Frequenzen φ und den Frequenzen f von der Form

fc-1

h (i = 1» 2 ... n) (A),

wobei die Koeffizienten a₃· _h ganze positive oder negative Zahlen oder Null sind.

Die Gruppe der Modulatoren b ergibt eine Gesamtheit (B) von m Beziehungen zwischen der Frequenz F₀ und den Frequenzen f und ψ folgender Form:

±F₀=_Vi± h = Σ «ί.Λ ± f*. (B)

s = l

wobei die gleiche Frequenz j in zwei Beziehungen erscheinen kann, wenn man zugleich die Frequenzen F₀ + φ₃, F₀ — φ j verwendet.

ίο Die Beziehungen (B) sollen die Frequenzen f in ausschließlicher Weise bestimmen, was erfordert, daß die mit ihren Koeffizienten von f gebildete Determinante von Null verschieden ist.

In dem Fall, wo die herzustellenden Frequenzen kleiner als F₀ sind und dasselbe für die Frequenzen f und φ zutrifft, ist klar, daß die Modulatoren b die Frequenzen f nur in der Form F₀ — φ wiederherstellen können. Die φ und die f sind dann in der Zahl gleich m.

Die Gruppe der Beziehungen (A) wird

h = m

<Pi = Έ ^aih ft (i = i, 2 ... m) (A'),

und durch eine geeignete Schreibweise der φ schreibt sich die Gruppe (B):

Gleichungen, deren Determinante ist:

	«11	+	I	«12	. . .	«Im
Dn =	«21			«22	+ 1	«2 m
	«ml			«m2		amm T *

Zur Herstellung der alleinigen gewünschten Frequenzen muß daher D_7n φ Ο sein.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung.

Die Fig. ι und 2 beziehen sich auf den Fall, daß

eine gegebene Frequenz durch fünf geteilt wird.

Fig. 3 und 4 zeigen schematische Anordnungen,

mit welchen mit Hilfe von nur zwei Modulatoren eine gegebene. Frequenz durch 2n oder 2n + 1 geteilt werden kann.

In Fig. ι bezeichnen a_lt «₂, b_x, δ₂ Modulatoren, 5 eine Verstärkerröhre, 6 und 7 zwei auf die Hilfsfrequenzen abgestimmte Kreise, 8 und 9 zwei Siebnetzwerke, 10 und 10' die Eingangsklemmen der zu teilenden Frequenz F₀, 11 und 11' die Ausgangsklemmen der Frequenz F= f = —-.

Die Frequenz F₀ wird an den Mittelpunkten der Modulatoren O₁ und b₂ in Kombination mit der

Frequenz 3 f in dem Modulator O₁ und der Frequenz 4 f

in dem Modulator δ₂ zugeführt. Die Hilfsfrequenzen f und 2 f werden dem Gitter der Röhre 5 zugeführt, und durch die abgestimmten Kreise 6 und 7 können diese verstärkten Frequenzen f bzw. 2 f getrennt sowie die geringen Spannungen mit diesen Frequenzen erzeugt werden, die für die Anfachung erforderlich sind.

In dem Modulator a_x wird die Frequenz f + 2 /" = 3 f erzeugt und in dem Modulator a₂ die Frequenzen 3f+f = 4f-

Die Frequenzen 3 f und 4/" werden den Modulatoren b₁ bzw. b₂₎ wie oben angegeben, über Siebnetzwerke 8 und 9 zugeführt. Mit f₁ bis f_i werden die Frequenzen bezeichnet, welche den Frequenzen f, 2 f, 3 f und 4 f nahekommen und durch den Betrieb der Einrichtungen erzeugt werden können.

Die Modulatoren
Beziehungen:

bzw. a₂ ergeben folgende

und die Modulatoren b_x und b₂ :

Ti — / 2«-ι / 2«— 2 >

/2 — / 2M-I f Sn-S>

In — l ⁼⁼ / 2« — 1 In ·

(A)

(B) F₀= SF = K+ U j ^{ '

Indem man in (B) f_s und f_i durch ihre aus (A) entnommenen Werte ersetzt, ergibt sich

Fig. 2 zeigt ein weiteres Schema unter Verwendung von F und 3 F als Hilfsfrequenzen. Für die Auswahl dieser Frequenzen sind Filter S₁ und S₃ an Stelle der abgestimmten Kreise des vorhergehenden Beispiels vorgesehen.

Ein einziger Modulator α liefert durch Kombination zwischen f und 3 f die Frequenzen 4 f und 2 f. Der Modulator b stellt die Frequenzen f bzw. 3 f durch Differenz zwischen F₀ einerseits und 4 f und 2 f andererseits wieder her. In diesem Beispiel kann man ebenfalls erkennen, daß die durch die Modulatoren gegebenen Beziehungen ausreichen, um die gesuchte Frequenz in ausschließlicher Weise zu bestimmen.

Fig. 3 zeigt ein Beispiel einer Anordnung gemäß der Erfindung für den Fall, daß eine Teilung durch eine gerade Zahl 2» erzielt werden soll.

Als Hilfsfrequenzen nimmt man dann die Vielfachen η, η + χ ... 2% — ι der gewünschten Frequenz.

Sn, Sm + ι... S₂»-i bezeichnen auf diese Frequenzen abgestimmte Filter. Der an seinen mittleren Punkten durch die Frequenz 2% — 1 gesteuerte Modulator α empfängt am Eingang die Frequenzen n, η + ι ... zn — i, und man entnimmt an seinen Ausgangsklemmen die Frequenzen x, 2 ... η — ι. Die Frequenz η wird direkt zu dem Eingang des Modulators b zurückgeschickt. Die durch die Modulation eingeführten Frequenzen, welche über 2 μ — ι hegen, werden durch das Netzwerk R gesperrt.

Bezeichnet man allgemein mit f_k die zu kf benachbarte Frequenz, welche durch den Betrieb des Systems erzeugt werden kann, so sieht man, daß die Gruppe von Beziehungen zwischen den Frequenzen am Eingang und am Ausgang des Modulators a die folgende ist:

Die Beziehungen zwischen den von dem Modulator b empfangenen und wiederhergestellten Frequenzen sind die folgenden:

■znf = f_x + f₂n-i>

(B)

Die letztere Beziehung ergibt f_n = nf. Diese Frequenz spielt eine vorherrschende Rolle bei der Anfachung.

Ersetzt man f_v f_z ... f_n-_x durch ihre aus (A) entnommenen Werte, so ergibt sich:

znf =

Znf =

f271-2. /2»-3>

Man hat daher η —■ ι Beziehungen, um _m+1 fn+2··· /Vto-i ^zu bestimmen, wobei f_m bekannt ist.

Die Determinante D_n _ _x dieser linearen Gleichungen ist

O	—I	O	O		. O	η	O	O	... —ι	. O
T	I	—-I . .	O	... I	. O	T	T	1	I	. . O
I	O	I . . .		. . . O	. . O	I	O	I	..... O	O
T	O	O		•—-I	T	O	O		1
I	O	O	I	I	O	O	I

= n.

Die Arbeitsweise ist somit gewährleistet.

Fig. 4 zeigt ein Beispiel einer Anordnung gemäß der Erfindung zur Anwendung in dem Falle, wo man eine Teilung durch eine ungerade Zahl zn -f- 1 erzielen wiU.

Als Hilfsfrequenzen nimmt man dann die Viel-

* fachen η + χ der gewünschten Frequenz der Ordnung η, η + ι ... zn — ι, zn, von denen ausgehend der Modulator, welcher durch die Frequenz zn an seinen Mittelpunkten und durch die Gesamtheit der anderen Frequenzen an seinem Eingang gespeist wird, am Ausgang die Frequenzen der Ordnung 1... η wiederherstellt. Außerdem wird die Frequenz η + ι direkt an den Eingang von b zurückgeschickt. Bezeichnet man wieder mit f _s die durch den Betrieb des Systems erzeugte Frequenz, welche nahe an hf liegt, bei ίφ», so muß man hier unterscheiden zwischen der Hilfsfrequenz fn und der Frequenz fn', welche von dem Modulator α aus fn erzeugt wird.

Die Gleichungen der Gruppe (A) schreiben sich dann:

/l — /2m" / 2«-l> / a ⁼ /2« tin - 2 j

Tn-I ⁼⁼ /2» tn + Tn ⁼ Tin Tn

(A)

und die Gleichungen (B)

{zn+ x)f =

x)f=f_n+1+ f_n.

(B) Der Vergleich der beiden letzten Beziehungen (B) zeigt, daß fn' = fn, so daß die letzte Beziehung (A) wird:

fn = f₂n — fn oder f_2n — 2/„ = 0.

Ersetzt man in (B) /Ί, f₂ ... f_n-x durch ihre aus (A) entnommenen Werte, so ergibt sich:

{ + )ff + f f

{Zn+ Χ) f = fzn + fn + 2 fn + 1-

Ersetzt man fn durch fzn — fn in der Beziehung {zn + χ) f = f_n + fn+i, so erhält man

{ + )ff_2n + f_n+1 f_n _

Fügt man die gefundene Beziehung fzn — zfn hinzu, so erhält man η + χ Beziehungen zur Bestimmung von fn,fn + x... fzn. Man sieht ohne weiteres, daß die Determinante dieser Gleichungen gleich — (2» + 1) ist, wodurch die richtige Teilung der gegebenen Frequenz gewährleistet wird.

Bei den gegebenen Beispielen erhält man die ganze

Reihe der Vielfachen von

oder

die unter

2» ZiI -J- I

F₀ liegen.

Diese Besonderheit kann in gewissen Fällen ausgenutzt werden, z. B. bei Generatoren von Eichfrequenzen, wie sie in Frequenzmessern benutzt werden. Da in diesen Geräten vorzugsweise eine Teilung durch 10 verwendet wird, ermöglicht die Erfindung in einer einzigen Operation die Erzeugung der harmonischen Serie

F zF gF

10 ' 10 ' ' ' 10

In diesem Falle beträgt die Anzahl der erforderlichen Modulationen 9.

Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung kann man jedoch, wenn man nur die Frequenz f = —-

sucht, durch eine geeignete Wahl der Hilfsfrequenzen die Anzahl der Modulationen vermindern.

Die Zahl der Hilfsfrequenzen wird zwischen ι und

— gewählt, wenn η eine ganze Zahl ist, oder zwischen

Ji Ii

ι und —, wenn η = ■— (wobei k und ι untereinander

2 2 ^

Primzahlen sind), um die größtmögliche Wirtschaftlichkeit hinsichtlich der Anzahl der Elemente (Modulatoren, abgestimmte Kreise, Röhren) zu erreichen. Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung führt man, da die bei der Ingangsetzung entwickelten Spannungen im allgemeinen nicht ausreichen, um für die Gleichrichter eine passende Polarisation zu ergeben, zwischen mittleren Punkten eine feste Polarisation ein, welche die Anfachung ermöglicht, indem sie den Arbeitspunkt der Gleichrichter in den linearen Bereich ihrer Charakteristik verlegt, und die man ohne jeden Nachteil und ohne Gefahr eines Irrtums aufrechterhalten kann, nachdem die Anfachung einmal erreicht ist.

Man kann, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, Modulatoren außer den Vervielfachern in dem Falle verwenden, wo man eine Frequenzvervielfachung durchführen will. Der im Falle der Teilung erzielte Vorteil ist auch im Falle der Vervielfachung durch den Wegfall der gesättigten Stufen wichtig, welche verhältnismäßig hohe Pegel bedingen.

Die Erfindung bietet noch einen wichtigen Vorteil,

der für die Teilung und die Vervielfachung gemeinsam ist: Durch den Wegfall der gesättigten Stufen wird die Verriegelung zwischen den Phasen der verschiedenen Frequenzen erreicht. Die Phasenbeziehungen werden nicht durch eine Amplitudenänderung der Spannung F₀ oder der Speisespannungen gestört.
Andererseits kann man, wie bei den drei letzten Beispielen dargelegt wurde, die Anzahl der Modulatoren vermindern, indem man denselben Modulator für mehrere Modulationen benutzt. Auf Grund der linearen Wirkungsweise des symmetrischen und gut ausgeglichenen Modulators ergibt sich keine schädliche Kreuzmodulation.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH:

   Anordnung zur Erregung und Unterhaltung von Frequenzen in einem einfachen Teilverhältnis zu einer gegebenen Frequenz F₀, dadurch gekennzeichnet, daß ein thermionischer Verstärker und zwei in dessen Eingangskreis bzw. Ausgangskreis liegende Gruppen von Modulatoren vorgesehen sind, wobei alle Modulatoren der Eingangsgruppe (δ) von der Frequenz F₀ gesteuert werden und als Modulationsergebnisse der zweiten Ordnung Frequenzen liefern, von welchen nach Verstärkung und Trennung in im Ausgangskreis des Verstärkers angeordneten selektiven Kreisen die eine zur Steuerung der Modulatoren der Ausgangsgruppe (a), die anderen zur Speisung dieser Modulatoren dienen, und daß die Ausgangskreise der letzteren, welche Modulationsergebnisse der zweiten Ordnung liefern, mit den Eingangsklemmen der Modulatoren der Gruppe (δ), gegebenenfalls über Siebglieder, welche unerwünschte Ergebnisse ausschalten, verbunden sind, so daß die Frequenzen am Eingang der Modulatoren der Gruppe (δ) nach zwei in der einen bzw. anderen Modulatorgruppe durchgeführten Frequenzumsetzungen wiederhergestellt werden, und die Bedingungen, welche die Erhaltung der Frequenzen in dem Umwandlungszyklus ausdrücken, in eindeutiger Weise den Wert dieser Frequenzen als Funktion von F₀ bestimmen.

   Angezogene Druckschriften:
   Deutsche Patentschrift Nr. 662 391,
   Proceedings of the IRE, Juli 1939, S. 446 und 447.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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