DE1274200B - Frequenzteiler - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H03b

Deutsche Kl.: 21 a4-6/01

Nummer: 1274 200

Aktenzeichen: P 12 74 200.6-35 (W 30842)

Anmeldetag: 6. Oktober 1961

Auslegetag: 1. August 1968

Die Erfindung bezieht sich auf einen Frequenzteiler, bei dem ein abgeglichener Modulator mit zwei Eingangskreisen und einem Ausgangskreis vorgesehen ist, wobei der Ausgangskreis an die Basis-Emitter-Strecke eines Transistors angekoppelt ist und bei dem ferner ein Transformator primärwicklungsseitig mit einer eine Sperrvorspannung an die Kollektor-Basis-Strecke des Transistors liefernden Spannungsquelle in Serie geschaltet sowie sekundärwicklungsseitig an einen der Modulatoreingangskreise gekoppelt ist.

Es sind verschiedene Frequenzteiler mit Rückkopplungsmodulation bekannt. Grundsätzlich kann ein derartiger Frequenzteiler einen abgeglichenen Modulator aufweisen, der ein in der Frequenz zu teilendes Signal mit einem zweiten, innerhalb des Frequenzteilers erhältlichen Signal moduliert, ferner ein Filternetzwerk, das nur das untere Seitenbandsignal zum Modulatorausgang durchläßt, einen Verstärker, der das untere Seitenbandsignal verstärkt, und schließlich einen Frequenzvervielfacher, der die Frequenz des verstärkten unteren Seitenbandsignals vervielfacht, das seinerseits als das zweite Signal dem Modulator zugeführt wird. Wie bei Oszillatoren erzeugen Schaltungsrauschen und Einschwingvorgänge, die beim Einschalten entstehen, die notwendigen inneren Signale zum Ingangsetzen des Frequenzteilers. Der Ausgang des Frequenzteilers ist das untere Seitenbandsignal, dessen Frequenz ein Bruchteil der zu teilenden Frequenz ist.

Offensichtlich ist es zum Ändern des Teilungsverhältnisses eines Frequenzteilers dieser Art notwendig, ein Filter mit einem anderen Durchlaßband und einen Frequenzvervielfacher mit einem anderen Multiplikationsfaktor vorzusehen. Wenn dies auch bei zahlreichen Anwendungen zulässig sein kann, so ist es doch oftmals erwünscht, das Teilungsverhältnis leichter ändern zu können.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Frequenzteilung durch Rückkopplungsmodulation zu erhalten, ohne daß hierzu der Einsatz eines Oszillatorschwingkreises erforderlich ist und ohne daß Filternetzwerke und Frequenzvervielfacher verwendet werden müßten, die jedesmal geändert werden müssen, wenn das Teilungsverhältnis geändert werden soll.

Die Lösung dieser Aufgabe ist für einen Frequenzteiler der einleitend beschriebenen Art erfindungsgemäß gekennzeichnet durch einen Vorspannkreis zum Steuern der Emitter-Basis-Vorspannung des Transistors derart, daß die am Modulatorausgangskreis erscheinenden Signale den Transistor in Sätti-Frequenzteiler

Anmelder:

Western Electric Company Incorporated,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,

6200 Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Als Erfinder benannt:

Joseph Francis Panicello, Dover, N. J. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 12. Oktober 1960
(62146)

gung bringen und im Transistor eine Filterfunktion ausgeübt wird.

Hierdurch erhält man einen Frequenzteiler, ohne daß hierzu der Einsatz eines Oszillatorschwingkreises oder eines abgestimmten Filters erforderlich ist. Während bisher die Filterungsfunktion grundsätzlich von einem Oszillatorschwingkreis übernommen wurde, ist bei der erfindungsgemäßen Schaltung kein abgestimmter Oszillatorschwingkreis vorgesehen, und es findet die Abstimmfilterfunktion innerhalb des Transistors selbst statt. Diese Filterwirkung wird durch einen Betrieb des Transistors im Sättigungsbereich erreicht und ist ein vollständig unerwartetes Resultat. Ein weiterer Unterschied in der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Schaltung gegenüber dem Bekannten liegt in der Art und Weise, wie das Teilungsverhältnis geändert werden kann. Wie erwähnt, war es bisher grundsätzlich notwendig, hierzu die Resonanzfrequenz der abgestimmten Oszillatorschwingschaltung zu ändern, beispielsweise durch Ändern der Kapazität des im Schwingkreis liegenden Kondensators. Bei der erfindungsgemäßen Schaltung wird dagegen die Frequenz durch Ändern der Transistorvorspannung geändert.

Die Schaltung hat zahlreiche Vorteile, sie ist einfach im Aufbau und erfordert keinen abgestimmten Schwingkreis. Die Schaltung ist wesentlich leichter

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justierbar, da es wesentlich einfacher ist, eine Vor- teilende Signal, das die Frequenz /₀ aufweist, an den

spannung zu ändern als die Kapazität oder die Induk- anderen Eingang des Modulators 10 angelegt wird.

tivität eines Schwingkreises. Schaltungsrauschen und andere Einschwingvor-

Nach der Erfindung wird also eine Erscheinung gänge, die beim Einschalten des Teilers der F i g. 1 ausgenutzt, die beim Zuführen eines Impulszuges an 5 entstehen, erzeugen die notwendigen Signale in der eine Verstärkungseinrichtung auftritt, welche eine Schaltung, um diese in Gang zu setzen. Im Betrieb dynamische Eingangssignal-Ausgangssignal-Übertra- hat der Ausgang des Frequenzvervielfachers 14 eine gungskennlinie von exponentieller Form aufweist. Frequenz rf_v wobei der Modulator 10 unter anderem Insbesondere wurde gefunden, daß die Hüllkurve der ein unteres Seitenbandsignal mit einer Frequenz Maximalamplituden der durch eine derartige Einrich- io /₀—r/_x erzeugt. Das Filternetzwerk 11 ist so aufgetung erzeugten Harmonischen des Ausgangsimpuls- baut, daß nur dieses Signal durchgelassen wird, das zugs die Form einer abnehmenden Kosinuswelle hat. seinerseits durch den Verstärker 12 verstärkt und Weiterhin wurde gefunden, daß durch Regeln der dessen Frequenz durch den Vervielfacher 14 um exponentiellen Form der Übertragungskennlinie be- einen Faktor r vervielfacht wird. Für den Betrieb der wirkt werden kann, daß die Maximalamplituden der 15 Schaltung muß offenbar Z₀-Tf₁ gleichZ₁ sein, während Harmonischen sich so zueinander ändern, daß sich das Teilungsverhältnis der Anordnung gleich r +1 ihre Hüllkurve entweder ausdehnt oder zusammen- ist. Um zu bewirken, daß der Teiler mit einem andezieht. Wenn z. B. ein Impulszug von zehn Impulsen ren Teilungsverhältnis arbeitet, ist es daher notwenje Sekunde einem Transistor zugeführt wird, der so dig, daß das Filternetzwerk 11 so geändert wird, daß vorgespannt ist, daß er in Sättigung getrieben wird, 20 Signale mit der gewünschten Ausgangsfrequenz treten die maximal in der sinusförmigen Hüllkurve durchgelassen werden und daß der Frequenzvervielder Amplituden der Ausgangsharmonischen bei 40, fächer 14 so geändert wird, daß der notwendige Ver-80, 120, 160 Hertz usw. auf. Bei einer anderen Vor- vielfachungsfaktor zur Erzeugung des gewünschten spannungseinstellung, die ebenfalls den Transistor in Teilungsverhältnisses entsteht. Sättigung treibt, treten dann die Maxima der sinus- 25 Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführung der förmigen Hüllkurve bei 50, 100, 150 Hertz usw. auf. Erfindung erscheint der Ausgang eines herkömmlichen Wieder andere Vorspannungseinstellungen bewirken, abgeglichenen Modulators 15 an den beiden Klemdaß die Maxima der Amplituden bei anderen, jedoch _men 16 und 17. Die Klemme 16 ist über einen ähnlichen Frequenzkombinationen auftreten. Kondensator 18 mit der Basiselektrode eines Tran-

Es kann also das Teilungsverhältnis einfach dadurch 30 sistors 19 verbunden, während die Klemme 17 mit geändert werden, daß die exponentielle Form der einem Punkt mit Erdpotential verbunden ist. Eine Übertragungskennlinie der Einrichtung geregelt wird, Vorspannungsanordnung, die aus dem festen Wideranstatt die Komponenten der Schaltung zu ändern. stand 20 und dem in Reihe liegenden veränderlichen

Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Widerstand 21 besteht, liegt zwischen einer Spanabgeglichener Modulator dazu verwendet, sinusför- 35 nungsquelle 22 und dem Punkt mit Erdpotential, mige Eingangssignale mit Impulsen zu moduieren, wobei der Verbindungspunkt zwischen den in Reihe die innerhalb der Schaltung erhalten werden. Das liegenden Widerständen 20 und 21 mit der Basis-Ausgangssignal des Modulators hat ebenfalls Impuls- elektrode des Transistors 19 verbunden ist. Eine form, es wird der Basis eines Transistors zugeführt, weitere Vorspannung wird in herkömmlicher Weise der so vorgespannt ist, daß die Impulse ihn in Sätti- 40 durch einen Widerstand 23 erzielt, der zwischen der gung bringen. Das Ausgangssignal des Transistors, Emitterelektrode des Transistors 19 und dem Punkt das ebenfalls Impulsform hat, wird sowohl als Aus- mit Erdpotential liegt. Beide Vorspannungsanordgangssignal als auch als Impulseingang für den nungen bestimmen die Basis-Emitter-Vorspannung Modulator verwendet. Es ist eine veränderliche Vor- des Transistors 19. Ein Wechselstromüberbrückungsspannungsanordnung vorgesehen, um die Vorspan- 45 kondensator 24 liegt parallel zum Widerstand 23. Der == nung am Transistor zu regem, die ihrerseits das Kollektor des Transistors 19 ist über die Primärwick-Teilungsverhältnis regelt. lung eines Transformators 25 mit einer Spannungs-

Im folgenden ist die Erfindung an Hand eines in quelle 26 verbunden. Der Transformator 25 enthält der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels zwei Sekundärwicklungen. Eine dieser Wicklungen erläutert; es zeigt 50 liegt zwischen einer Ausgangsklemme 27 und dem

Fig. 1 das Blockschema eines bekannten Punkt mit Erdpotential, während die andere Sekun-Frequenzteilers mit Rückkopplungsmodulation, därwicHung mit Hilfe der beiden Leiter 28 und 29

F i g. 2 das Schaltbild des Ausführungsbeispiels, mit den beiden Eingangsklemmen 30 und 31 des

F i g. 3 eine Kurve zur Erläuterung der Eigen- Modulators 15 verbunden ist. Die in ihrer Frequenz schäften des Transistors in der Schaltung nach F ig. 2 55 zu teilende sinusförmige Eingangsschwingung wird und zwischen den anderen Eingangsklemmen J^Lund 33

F i g. 4 die Hüllkurven einiger mit der Schaltung des Modulators 15 angelegt, nach F i g. 2 erhältlicher Kennlinien. Wie beim Frequenzteiler bisheriger Art der F i g. 1

Der schematisch in Fig. 1 dargestellte bekannte wird die in Fig. 2 dargestellte Ausführung der ErFrequenzteiler mit Rückkopplungsmodulation enthält 60 findung durch Kreisrauschen und Einschwingvoreinen abgeglichenen Modulator 10, dessen Ausgang gange in Gang gesetzt, die entstehen, wenn die einem Filternetzwerk 11 zugeführt wird. Der Aus- Schaltung eingeschaltet wird. Im Betrieb liefert die gang des letzteren wird einem Verstärker 12 züge- Ausführung der Fig. 1 einen Impulszug aus vorführt. Der Ausgang des Verstärkers 12 geht sowohl herrschend positiven Impulsen mit einer Wiederholzu einer Ausgangsklemme 13 als auch zu einem 65 frequenz Z₁ an den Modulator 15 zurück. Sämtliche Frequenzvervielfacher 14. Der Ausgang des Frequenz- Harmonischen des Rückkopplungsimpulszuges wervervielfachers 14 wird einem der Eingänge des abge- den im Modulator 15 mit dem zu teilenden sinusförglichenen Modulators 10 zugeführt, während das zu migen Signal kombiniert. Der Ausgang des Modula-

tors 15 ist ein Impulszug aus vorherrschend negativen Impulsen mit einer Wiederholfrequenz Z₁. Durch den nichtlinearen Betrieb des Transistors 19 wird offenbar der harmonische Inhalt dieses negativen Impulszuges neue geordnet, derart, daß in dem positiven Impulszug der harmonische Inhalt entsteht, der in Kombination mit dem sinusförmigen Signal notwendig ist, um den negativen Impulszug zu erzeugen. Der nachfolgende Abschnitt enthält eine eingehendere Erklärung der Vorgänge, die offenbar im Transistor 19 stattfinden. Bei der Ausgangsklemme 27 befindet sich eine Skizze, welche die Ausgangsschwingung darstellt, die entsteht, wenn das sinusförmige Eingangssignal durch fünf geteilt wird. Diese Skizze zeigt das sich wiederholdende Bild eines positiven Impulses und dann vier negative Impulse mit verhältnismäßig kleiner Amplitude. Die positiven Impulse treten in fünf Periodenintervallen des sinusförmigen Eingangssignals auf, während der negative Impuls bei jeder restlichen Periode auftritt. Der positive Impulszug hat daher eine Wiederholfrequenz, die gleich einem Fünftel der Frequenz des sinusförmigen Eingangssignals ist.

Die folgende Schilderung bezieht sich auf die Vorgänge, die offenbar im Transistor 19 stattfinden. F i g. 3 zeigt die typische r_c-^-Kennlinie eines Transistors. Da der obere Teil dieser Kurve nicht linear ist, kann der Kollektorstrom, wenn der Transistor in die Sättigung gebracht wird, wie folgt ausgedrückt werden:

[l-e

-kl.

(1)

wobei k eine Konstante ist, die von der Lage des Ruhepunktes P auf der Kurve abhängt, und i_sb der durch den Ausdruck I_sbcos luft gegebene Signalstrom an der Basis. Wenn man annimmt, daß / stetig ist, kann die Gleichung (1) erweitert und für ein Maximum und ein Minimum gelöst werden, so daß der folgende Ausdruck entsteht:

2nt

-cos

(2)

Dieser Ausdruck gibt an, daß die Maximalwerte der Harmonischen des Kollektorstroms nicht nur gleich sind, sondern eine Hüllkurve haben, die sich wie eine Kosinusfunktion ändert. Weiterhin gibt dieser Ausdruck an, daß die Frequenzen, bei denen die maximalen harmonischen Ströme auftreten, sich als Funktion des Eingangssignals und der Lage des Punktes P auf der Kurve ändern. Diese Theorie wurde im Laboratorium geprüft, indem der Kondensator 18 von der Klemme 16 getrennt und ein negativer Impulszug von zehn Impulsen je Sekunde an die Basis des Transistors 19 in Fig. 2 angelegt wurde. Dieser Impulszug weist einen harmonischen Inhalt bis zu wenigstens 250 Hertz auf. Für die Vorspannungseinstellung am Transistor 19, welche bewirkt, daß der Teiler mit einem Faktor 5 teilt, hatten die Maximalströme der Harmonischen in den Ausgangsimpulsen, welche im Kollektorkreis des Transistors 19 erschienen, eine Hüllkurve, wie sie durch die gestrichelte Linie in Fig. 4 dargestellt ist. Die Kosinusänderung der Hüllkurve der Maximalamplituden der harmonischen Ströme läßt sich leicht in dieser Figur erkennen. Weiterhin ist zu bemerken, daß die Spitzen mit 40-Hertz-Intervallen auftreten.

Die Vorspannung des Transistors 19 wurde dann so verstellt, daß bei normaler Arbeitsweise die Schaltung durch vier teilte, und der Impulszug von zehn Impulsen je Sekunde wurde wiederum in der oben beschriebenen Weise angelegt. Die Maximalamplituden der in den Ausgangsimpulsen erscheinenden harmonischen Ströme hatten eine Hüllkurve, die durch die ausgezogene Linie der F i g. 4 dargestellt ist. Man wird merken, daß die Maximalamplituden in 50-Hertz-Intervallen auftreten. Diese Versuche scheinen die oben beschriebene Theorie experimentell zu bestätigen, daß durch die nichtlineare Arbeitsweise des Transistors 19 der harmonische Inhalt neu geordnet wird und daß bei einem Eingangssignal mit konstantem Pegel die Neuordnung des harmonischen Inhalts eine Funktion des Ruhepunkts des Transistors ist.

Um die obige Theorie der Arbeitsweise weiter zu bestätigen, wurden Versuche durchgeführt, um die Möglichkeit auszuschließen, daß die Frequenzteilung von einem oder mehreren induktiven oder kapazitiven Elementen in der Ausführung der Fig. 2 abhängt. Die Kondensatoren 18 und 24 wurden einzeln um einen Faktor von etwa 40 vergrößert, wobei die einzig feststellbare Änderung darin bestand, daß die Schaltung mehrere Minuten erforderte, um in Gang zu kommen, und zwar infolge der Zeit, die zum Aufladen der größeren Kondensatoren notwendig ist. Nach der Aufladung arbeitet die Schaltung jedoch in gleicher Weise wie vor der Änderung. Es trat keine Änderung des Teilungsverhältnisses auf, wenn eine Spule mit der doppelten Induktivität der Primärwicklung des Transformators 25 in Reihe mit dieser Wicklung geschaltet wurde. Weiterhin traten keine Änderungen auf, wenn an Stelle des Transformators 25 Transformatoren mit im wesentlichen dem gleichen Windungsverhältnis, jedoch mit anderer Induktivität und anderer verteilter Kapazität benutzt wurden. Die Teilung scheint daher nicht von irgendeinem der induktiven oder kapazitiven Elemente abhängig zu sein.

Ausführungen der vorliegenden Erfindung weisen einen hohen Stabilitätsgrad auf, da kleine Änderrungen des Pegels, bei denen eine Sättigung des Transistors auftritt, den Teilungsfaktor wegen der Rückkopplungswirkung nicht ändern. Kieme Änderungen der Versorgungsspannung, der Temperatur oder des Eingangssignalpegels beeinflussen daher das Teilungsverhältnis nicht.

Die in Fig. 2 dargestellte Ausführung der Erfindung wurde mit den Ruhepunkt P im oberen Teil der in F i g. 3 gezeichneten Kurve beschrieben. Man hat festgestellt, daß eine Frequenzteilung ebenfalls durchgeführt werden kann, indem die Schaltung so betrieben wird, daß sich der Ruhepunkt P im unteren nichtlinearen Teil der Kurve befindet, d. h. dichter am Sperrpunkt liegt.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Frequenzteiler, bei dem ein abgeglichener Modulator mit zwei Eingangskreisen und einem Ausgangskreis vorgesehen ist, wobei der Ausgangskreis an die Basis-Emitter-Strecke eines Transistors angekoppelt ist und bei dem ferner ein Transformator primärwicklungsseitig mit einer eine Sperrvorspannung an die Kollektor-Basis-Strecke des Transistors liefernden Spannungs-

quelle in Serie geschaltet sowie sekundärwicklungsseitig an einen der Modulatoreingangskreise gekoppelt ist, gekennzeichnet durch einen Vorspannkreis (21, 22,23, 24) zum Steuern der Emitter-Basis-Vorspannung des Transistors (19), derart, daß die am Modulatorausgangskreis (16-17) erscheinenden Signale den Transistor (19) in Sättigung bringen und im Transistor (19) erne Filterfunktion ausgeübt wird.

2. Frequenzteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorspannkreis einstell-

bar ist (bei 21) und daß die Größe der bewirkten Frequenzteilung proportional zur Vorspannungseinstellung ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 959 022; britische Patentschrift Nr. 670 363; H. Bartels, »Grundlagen der Verstärker-Technik«, Stuttgart 1954, S. 52;

»Proceedings of the IRE«, Juli 1939, S. 446 bis 457.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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