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Phasenme#einrichtung Die Erfindung betrifft Shasenmeßeinrichtungen.
Derartige Schaltungen haben ein großes Anwendungsgebiet bei der Phasenmessung von
Empfangssignalen und beruhen darauf, daß von einem überaus stabilen Oszillator ein
Zeitmaßstab vorgegeben wird. solche Phasenmessungen werden beispielsweise in mit
sehr niedriger Frequenz arbeitenden Funk-Navigationssystemen vorgenommen. An derartige
Schaltungen wird die Forderung gestellt, daß sie in hohem Maße phasenstabil und
für Anwendungen im Flugzeug von geringem Gewicht und handlicher Form sein müssen.
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Bekannte Phasenmeßeinrichtungen zur Phasenmessung in Niederfrequenzsystemen
weisen mechanische Hilfseinrlchtungen auf, die bei Phasenänderungen die Abgleichung
vornehmen. Derartige mechanische Hilfseinrichtungen neigen zur Unzuverlässigkeit.
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Zweck der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Phasenmeßeinrichtung
zur Phasenmessung in Niederfrequenzsystemen mit erhöhter Betriebssicherheit.
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Demgemäß geht die Erfindung von einer Phasenmeßeinrichtung mit einem
synchronisierten Empfänger aus, die gemäß der Erfindung durch eine Vergleichssignalquelle,
welche über eine, die Oszillatorsignale in Signale mit niedrigerer Grundwellenfrequenz
umformende brequenzteilerkette mit dem synchronisierten Empfänger verbunden ist,
weiter durch einen die Empfängerausgangssignale integrierenden bummationsfilterkreis,
ferner durch Impulsgeneratoren, welche abhängig von gegenüber einem Schwellenwert
größeren bzw. kleineren Äusgangsimpulsen des Summationskreises an einem Punkt der
Frequenzteilerkette Impulse hinzufügen bzw. den Durchgang für erzeugte Impulse sperren
bzw. umgekehrt, sowie durch ein den Unterschied zwischen der Anzahl der hinzugefügten
und der Anzahl der gesperrten Impulse speicherndes Zählwerk gekennzeichnet ist.
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Im folgenden soll die erfindung durch beispielsweise Beschreibung
einer bevorzugten Ausführungsform anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert
werden, in welchen Figur 1 ein Blockschaltbild eines Phasenvergleichers nach der
Erfindung zeigt, während figur 2 eine erfindungsgemäße Abwandlung eines Teiles der
in Figur 1 gezeigten Schaltung darstellt.
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In Bigur 1 der Zeichnungen ist eine Antenne 1 angedeutet, welche
mit einem Breitbandverstärker 2 verbunden ist. Der Ausgang dieses dreitbandverstärkers
2 ist an einen synchronisierten Empfänger 3 geführt, in welchem das verstärkte Smpfangssignal
im wesentlichen mit dem Ausgangssignal eines Impulsumformers 4 multipliziert wird.
Das Ausgangssignal des synchronisierten Empfängers wird in einem Summationsfilterkreis
integriert, der aus einem von Widerständen und Kondensatoren gebildeten Filterkreis
5 mit einer Zeitkonstante von annähernd 10 Sekunden besteht. Der Ausgang des Filterkreises
5 wird von einem Zerhacker 6 ungefähr 10 mal in der Sekunde getastet und das so
erzeugte Signal wird zwei Generatoren 7 und 8 zur Erzeugung von Schwellenwertimpulsen
zugeleitet.
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Diese Generatoren können beispielsweise Schmidt'sche Triggerkreise
enthalten. Der Generator 7 sei als "negativer" Schwollenwertinpulsgenerator bezeichnet
und gibt einen Impuls ab, wenn die von dem Zerhacker 6 getastete Ausgangsspannung
des Filterkreises 5 gegenüber einer Bezugsspannung beispielsweise dem Erdpotential
negativ ist, während der Generator 8 als "positiver" Schwellenwertimpulsgenerator
bezeichnet sei und dann einen Impuls abgibt, wenn die von dem Zerhacker 6 getastete
Ausgangsspannung des Filterkreises 5 gegenüber der genannten Bezugsspannung einen
positiven Wert hat. Die Bezugsspannung wird vorzugsweise so gewählt, daß sie zwischen
den am Filterkreis 5 auftretenden größten positiven und größten negativen Spannungswerten
liegt.
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Die Lusgangssignale der Schwellenwertimpulsgeneratoren 7 und 8 werden
Jeweils zwei verschiedenen Klemmen eines reversiblen Zählwerkes 9 zugeführt. Außerdem
ist der Ausgang des "negativen" Schwellenwertimpulsgenerators 7 mit einem Sperrgatter
10 verbunden, während der Ausgang des positiven" Schwellenwertimpulsgenerators mit
einem Koinzidenzgatter 11 in Verbindung steht. Solange keine Impulse zugeführt werden,
ist das Sperrgatter 10 normalerweise durchlässig, während das Koinzidenzgatter normalerweise
gesperrt ist.
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Ein überaus stabiler Oszillator 12 erzeugt Schwingungen
von
beispielsweise 10 MHz. Diese Schwingungen werden in einen Frequenzteiler 13 eingespeist,
dessen Ausgangssignale eine Wiederholungsfrequenz von 5 MHz aufweisen. Der Ausgang
des Frequenzteilers 13 ist an das Koinzidenzgatterll und an das Sperrgatter 10 gelegt.
Das Ausgangssignal des Eoinzidenzgatters 11 wiederum wird über eine Verzögerungsstrecke
14 an einen Xombinationskreis 15 geführt, in welchem es mit dem Ausgangssignal des
Sperrgatters 10 zusammengesetzt wird. Der Ausgang des Kombinationskreises 15 ist
mit einem weiteren Frequenzteiler 16 zusammengeschaltet, der als Ausgangssignal
einen Impuls auf jeweils fünfzig Singangsimpulse abgibt.
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Diese erzeugten Impulse werden in einem Impulsumformer 4 in Impulse
mit Rechteckwellenform umgebildetO Außerdem steh-t der Ausgang des weiteren Frequenzteilers
16 über einen zusätzlichen Frequenzteiler 17 mit dem Zerhacker 6 in Verbindung,
wodurch dieser einmal auf jeweils zehntausend Ausgangsimpulse des weiteren Frequenzteilers
16 erregt wird.
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Im folgenden soll nun die Wirkungsweise der oben beschriebenen Schaltung
unter Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung erläutert werden.
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Der Frequenzteiler 13 erzeugt Impulse mit einer Wiederholungsfrequenz
von 5 MHz, d. h. er erzeugt Impulse mit der halben Frequenz des Oszillators 12.
Diese Impulse gelangen
normalerweise über das Sperrgatter 10 und
den Eombinationskreis 15 zu dem weiteren Frequenzteiler 16. Hier wird die Wiederholungsfrequenz
um den Faktor fünfzig verringert, so daß am Ausgang des weiteren Frequenzteilers
16 normalerweise hunderttausend Impulse Je Sekunde auftreten Der Impulsumformer
4 erzeugt aus diesen Impulsen eine Spannung mit Rechteckwellenform, welche eine
Grundwellenfrequenz von beispielsweise 16 kHz aufweist. Der bisher beschriebene
Teil der Schaltung ist so abgestimmt, daß das zwischen der Grundwellenfrequenz am
Ausgang des Impulsumformers 4 und der Frequenz am Ausgang des stabilen Oszillators
12 herrschende Frequenzverhältnis konstant ist.
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Das Ausgangssignal des Impulsumformers 4 wird dem synchronisierten
Empfänger 3 zugeführt, wo es mit dem Ausgangssignal des Breitbandverstärkers 2 multipliziert
wird. Es sei nun angenommen, daß von der Antenne 1 ein Signal mit der Frequenz von
16 kHz empfangen und im Breitbandverstärker 2 verstärkt wird.
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Dieses Signal stimmt dann im wesentlichen mit dem Ausgangssignal des
Impulsumformers 4 überein. Der synchronisierte Empfänger 3 erzeugt nun ein Ausgangssignal,
welches hinsichtlich seiner Amplitude und seines Vorzeichens von der Phasendifferenz
zwischen dem empfangenen Signal und der Grundwelle des Rechteckwellensignales am
Ausgang des Impulsumformers 4
abhängig ist. Der Summationsfilterkreis
5 welcher eine große Zeitkonstante aufweist, summiert das Ausgangssignal des synchronisierten
Empfängers und erzeugt so im wesentlichen eine Gleichspannung, deren Größe und deren
Vorzeichen von der relativen Phasenlage der beiden, den synchronisierten Empfänger
3 erreichenden Signale ist. Gleichzeitig siebt Jedoch der Filterkreis 5 andere,
über die Antenne 1 empfangene Signale aus, deren Frequenz von der Ausgangsfrequenz
des Impulsumformers 4 verschieden ist, weil die dem Ausgang des synchronißierten
Empfängers 3 in diesem Balle überlagerten Signale, verglichen mit der Zeitkonstanten
des Filterkreises 5, eine sehr kurze Periode aufweisen.
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Der Zerhacker 6 wird durch das Ausgangssignal des zusätzlichen Frequenzteilers
17 normalerweise zehnmal in der Sekunde, d. h. mit einem Zehntausendstel der Wiederholungsfrequenz
des Ausgangssignales des weiteren Frequenzteilers 16, in'2ätigkeit gesetzt und leitet
die Ausgangsspannung des Filterkreises 5 an die Schwellenwertimpulsgeneratoren 7
und 8 weiter. Ist die von dem Zerhacker 6 getastete Ausgangsspannung des Filterkreises
5 im Vergleich zu einer den Schwellenwertimpulsgeneratoren 7 und 8 vorgegebenen
Bezugsspannung stärker negativ, so erzeugt-nur -der "negative" Schwellenwertimpulsgenerator
7 einen Impuls.
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Dieser Impuls hat eine solche Länge, daß er auch noch während der
Zeit des jeweils nächsten, von dem Frequenzteiler 13 eintreffenden
Impulses
wirksam ist und dessen Durchgang durch das Sperrgatter 10 verhindert. Aus diesem
Grunde wird das Ausgangssignal des Impulsumformers 4 um O,2,asec verzögert.
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Dem entspricht bei einer Frequenz von 16 kHz eine Phasenverschiebung
von 1,152 elektrischen Graden. Außerdem wird der von dem "negativen" Schwellenwertimpulsgenerator
erzeugte Impuls dem reversiblen Zählwerk 9 zugeführt, wodurch dessen Zählerstand
um eine Einheit vermindert wird. Dieser Verminderung um eine Einheit entspricht
also, wenn das von der Antenne 1 empfangene signal eine Frequenz von 16 kHz aufweist,
in dem durch den stabilen Oszillator 12 errichteten Zeitmaßstab eine Phasenverzögerung
um 1,152 elektrische Grade. Ist jedoch umgekehrt das von dem Zerhacker 6 getastete
Ausgangssignal des Filterkreises 5 im Vergleich zu einer in den Schwellenwertimpulsgeneratoren
7 und 8 vorgegebenen Bezugsspannung stärker positiv, so erzeugt nur der"positive"Schwellenwertimpulsgenerator
8 einen Impuls. Dieser Impuls wird dem Eoinzidenzgatter 11 zugeführt und weist eine
derartige länge auf, daß er auch noch zu der Zeit des Jeweils nächsten, von dem
Frequenz teiler 13 eintreffenden Impulses wirksam ist. Dieser nächste Impuls kann
daher das Koinzidenzgatter durchlaufen. Er wird in der Verzögerungsstrecke 14 um
annähernd 0 /£ sec verzögert und in der Zeit zwischen zwei über das Sperrgatter
10 herbeigeführten Impulsen über den Kombinationskreis 15 an den weiteren
Frequenzteiler
16 geleitet. Dieser wird daher durch einen zusätzlichen Impuls erregt, wodurch der
Ausgang des-Impulsumformers 4 um 0,2 µsec vorverschoben wird. Außerdem wird der
von dem positiven chwellenwertimpulsgenerator 8 erzeugte Impuls dem reversiblen
Zählwerk 9 zugeführt, dessen ZBhlerstand dadurch wiederum um eine Einheit vermehrt
wird, was einer Vorverschiebung der Phase des durch die Antenne 1 empfangenen 16-kHz-bignals
um 1,152 elektrische Grade in dem durch den stabilen Oszillator 12 errichteten Zeitmaßstab
entspricht.
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Beim zinschalten des Phasenvergleichers wird das Ausgangssignal des
Impulsumformers 4 normalerweise mit dem über die Antenne 1 empfangenen signal der
entsprechenden H'requenz nicht synchron laufen. In diesem Falle werden die am Ausgang
des Filterkreises 5 getasteten Spannungen Werte haben, die bewirken, daß eine ganze
Anzahl von Impulsen durch den "negativen" Schwellenwertimpulsgenerator 7 und das
Sperrgatter 10 daran gehindert werden, den weiteren Frequenzteiler 16 zu erreichen
oder es wird eine ganze Anzahl zusätzlicher Impulse durch den positiven'' Schwellenwertimpulsgenerator
M und das Koinzidenzgatter 11 an den weiteren Frequenzteiler 16 geliefert. Dieser
Vorgang wird so lange andauern, bis die Phasenlage zwischen den beiden, in den synchronisierten
Empfänger 3 eingespeisten
Signalen so ist, daß die Ausgangsspannung
des Filterkreises 5 ungefähr mit der in den Schwellenwertimpulsgeneratoren 7 und
8 vorgegebenen Bezugsspannung übereinstimmt. Ist dieser Zustand erreicht, so bleiben
entweder die chwellenwertimpulsgeneratoren unerregt oder sie senden abwechslungsweise
Impulse aus, so daß die Schaltung um einen Gleichgewichtszustand herum pendelt.
Wenn dieser Gleichgewichtszustand möglichst weitgehend erreicht ist, so wird das
reversible Zählwerk auf Null oder auf einen anderen gewünschten Wert eingestellt,
worauf die Phasenlage des über die Antenne 1 empfangenen Signales in bezug auf den
Ausgang des Impulsumiormers 4 durch das reversible Zählwerk 9 fortwährend überwacht
wird.
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Gemäß der oben beschriebenen Schaltung überwacht das reversible Zählwerk
9 die Phasenlage des über die Antenne ? empfangenen signales anhand des von dem
uszillator 12 errichteten Zeitmaßstabes. Das reversible Zählwerk kann jedoch selbstverständlich
auch dazu verwendet werden, die Phasenlage des Oszillators 12 anhand eines Zeitmaßstabes
zu überwachen, welcher von dem über die Antenne 1 empfangenen Signal dargestellt
wird.
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Die obigen uusführungen stellen selbstverständlich nur eine beispielsweise
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dar und dienen lediglich
der beispielsweisen
ErlOuterung des Erfindungsgedankens. Dem Fachmann
bietet sich eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten an. So können beispielsweise
die Verbindungsleitungen zwischen dem "negativen" Schwellenwertimpulsgenerator 7,
dem Sperrgatter 10 und dem reversiblen Zählwerk 9 einerseits mit den Verbindungsleitungen
zwischen dem "positiven" Schwellenwertimpulsgenerator 8, dem Xoinzidenzgatter 11
und dem reversiblen Zählwerk 9 andererseits vertauscht sein. Außerdem können der
Zerhacker 6 und die Schwellenwertimpulsgeneratoren 7 und 8 durch eine Schaltung
ersetzt werden, welche in der Literatur als "Goto-Doppelkreist'bezeichnet wird und
im wesentlichen aus zwei in Serie geschalteten "Esaki"- oder Tunneldioden besteht.
Für die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung weist der"Goto-Doppelkreis" einen
einzigen Eingang auf, über welchen die Verbindungsleitung zwischen den beiden Tunneldioden
mit dem Filterkreis 5 verbunden ist. sie Schaltung wird durch entsprechende Ausgangssignale
des zusätzlichen Frequenzteilers 17 in Gegenphase über die zwei Tunneldioden erregt.
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Sinne Anwendung eines"Goto-Doppelkreises"in einer Schaltung nach
der Erfindung ist in Figur 2 der fleichnungen dargestellt. figur 2 der Zeichnungen
zeigt einen Transistor Q zur Phasenaufspaltung, welcher normalerweise nichtleitend
ist. Die Basis des Transistors Q steht mit dem Ausgang des zusätzlichen Frequenzteilers
17 (Figur 1) über einen Kondensator Cl in
Verbindung. Der Kollektor
des Transistors Q ist mit der Anode der einen Tunneldiode D1 über die Reihenschaltung
eines Kondensators C2 und eines widerstandes R1 verbunden. Der Emitter des Transistors
Q ist schließlich über die Reihenschaltung eines Kondensators C3 und eines Widerstandes
R2 an die Kathode der anderen Tunneldiode D2 angeschlossen. die Verbindungsleitung
zwischen der Kathode der einen Tunneldiode Dl und der Anode der anderen Tunneldiode
D2 ist an die Ausgangsklemme des Filterkreises 5 (Figur 1) angeschlossen. Außerdem
sind Leitungen von dem Verbindungspunkt zwischen den Tunneldioden D1 und D2 zu den
Gattern 10 und 11 sowie zu dem reversiblen Zählwerk 9 gelegt.
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Die Wirkungsweise der in Figur 2 der Zeichnungen dargestellten Schaltung
ist folgende: Normalerweise ist der Transistor Q gesperrt und die Spannen gen an
den Tunneldioden D1 und D2 haben den Wert Null. Trifft nun von dem zusätzlichen
Frequenzteiler 17 (Figur 1) ein positives Signal ein, so wird der Transistor Q leitend
und erzeugt dadurch einen Spannungsstoß an den Tunneldioden D1 und D2. Hierdurch
entsteht an der Verbindungsleitung zwischen den Dioden D1 und D2 ein positiver oder
ein negativer Impuls, je nachdem, ob die Ausgangsspannung am Filterkreis 5 (Figur
1) im Vergleich zu
der Bezugsspannung (diese ist im vorliegenden
Falle ungefähr Null) jeweils einen positiven oder einen negativen Wert hat.
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Lurch einen positiven Impuls wird das Koinzidenzgatter 11 leitend
und dem Zählerstand des reversiblen Zählwerkes 9 eine Einheit hinzugefügt, während
durch einen negativen Impuls das Sperrgatter 10 nichtleitend wird und der Lählerstand
des reversiblen Zählwerkes 9 um eine Einheit erniedrigt wird.
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Aus der obigen Beschreibung der Figur 2 der Zeichnungen ist ersichtlich,
daß der "Goto-Doppelkreis für sich allein die Funktion des Zerhackers 6 sowie der
Schwellenwertimpulsgeneratoren 7 und 8 ausführt.
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Als weitere Abwandlungsmöglichkeit der in Figur 1 der Zeichnungen
dargestellten Schaltung bietet es sich z. B. an, den zusätzlichen Frequenzteiler
17 aus der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vollständig
wegzulassen und den Zerhacker 6 oder eine ähnliche Einrichtung durch ein Ausgangssignal
des Impulsumformers 4 zu betätigen, wenn hierfür geeignete Impulsformen zur Verfügung
stehen. Außerdem kann der Zerhacker 6 oder eine ähnliche Einrichtung von einem gesonderten,
unabhängigen Oszillator, zum Beispiel einem Multivibrator, erregt werden, in welchem
Fall dann die Ausgangsimpulse der behwellenwertimpulsgeneratoren 7 und 8 oder ihnen
ähnlicher Einrichtungen Jeweils so abgestimmt werden müssen,
daß
sie die Gatter 10 und /11 Jeweils in entsprechender Weise betätigen. In diesem Falle
werden die Schwellenwertimpulsgeneratoren 7 und 8 jeweils mit einem von zwei speichernden
Triggerkreisen verbunden, die ihrerseits wiederum jeweils die Gatter 10 und 11 steuern.
Durch einen Ausgangsimpuls eines entsprechenden Schwellenwertimpulsgenerators wird
der Jeweilige speichernde Triggerkreis in Tätigkeit gesetzt und schaltet das mit
ihm verbundene Gatter, worauf er von dem Jeweils folgenden, durch den Frequenzteiler
13 erzeugten Impuls rückgestellt wird.
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Ist das Empfangssignal entsprechend stark, so kann auberdem der Breitbandverstärker
2, der keinen wesentlichen Bestandteil der erfindungsgemäßen Schaltung bildet, weggelassen
werden.
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Außerdem können selbstverständlich die Gatter 10 und'1'1 mit den zugehörigen
Schaltkreisen zur Sperrung und Hinzufügung von Impulsen an Jedem beliebigen Punkt
der Frequenzteilerkette 13, 16 angeordnet werden, wenn die Betätigungszeiten der
Gatter'iO und 11 entsprechend gesteuert werden. Hierdurch würde lediglich der durch
die Sperrung oder die Hinzufügung einzelner Impulse verursachte Betrag einer Phasenverschiebung
verändert werden.