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Quarzstabilisierter Schwingungserzeuger mit großem Frequenzbereich
In der Hochfrequenztechnik und besonders in der Hochfrequenzmeßtechnik besteht häufig
die Forderung nach hoher Frequenzkonstanz bei gleichzeitiger Möglichkeit, die Frequenz
in einem großen lückenlosen Bereich ändern zu können. In den meisten Fällen ist
eine Frequenzkonstanz von i.io-6 über 24 Stunden ausreichend.
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Ein Sender ohne Quarz, der den Vorteil der lückenlosen Frequenzänderung
über praktisch unbegrenzte Bereiche hat, scheidet aus, da man damit auch bei größtem
Aufwand kaum eine höhere Frequenzkonstanz als i.io-5 erreichen würde. Quarzgesteuerte
Sender aber erfordern eine sehr große Anzahl von Quarzen, da die Quarzfrequenz nur
in kleinen Grenzen änderbar ist. Eine solche Änderung ist bekanntlich mittels eines
zum Quarz parallel oder in Reihe geschalteten regelbaren Blindwiderstandes durchführbar
(Patent 560 366). Als bekannt sei noch vorausgesetzt, daß die Serienresonanz
eines Quarzkristalls mit einer Toleranz von i.io-" hergestellt werden kann.
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Die Erfindung macht von einer bekannten Senderanordnung Gebrauch,
bei der die Differenzfrequenz zweier quarzstabilisierter Frequenzen erzeugt wird
(Patent 531818). Erteilt man der einen dieser beiden Frequenzen eine bestimmte Frequenzänderung,
so erhält die Ausgangsfrequenz bekanntlich dieselbe absolute Änderung und somit
eine gesteigerte relative Änderung. Die Erfindung besteht darin, daß die
andere
Frequenz stufenweise durch Umsthalten auf einen anderen Quarz so einstellbar ist,
daß die stetig von der Differenzfrequenz überstrichenen Bereiche aneinanderstoßen,
und daß Oberwellen der Differenzfrequenz gebildet werden, die so niedrig bemessen
ist, daß sich der verlangte, stetig überstrichene Frequenzbereich lückenlos aus
mehreren Oberwellenbereichen zusammensetzt, und daß das Verhältnis der urprüng-Echen
Frequenzen zu der Differenzfrequenz nur so groß gewählt ist, daß der Frequenzkonstanzverlust
noch tragbar ist. 1
An- sich ist es bekannt, den Frequenzbereich eines Meßsenders
durch Ausnutzung der oberen, lückenlos sich aneinanderschließenden Oberwellenbereiche
zu vergrößern (TFT 1937, S. 2o9 oben). Die Erfindung beste demgegenüber in
der gleichzeitigen Anwendung mehrerer umschaltbarer Quarze, der erwähnten Differenzbildung
und Ausnutzung der Oberwellen, sowie in der bestimmten Bemessung der ursprünglichen
Frequenzen mit Rücksicht auf einen geringen Verlust an Frequenzkonstanz. Der Sinn
aller dieser Maßnahmen wird aus der folgenden Beschreibung ersichtlich.
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Die fünf Quarzkristalle Q, bis Q, in Abb. i mit den
Frequenzen f, bis f, können durch den Umschalter U
wahlweise in einer
Schwingschaltung in Serienresonanz angeregt werden, z. B. der bekannten Heegner-Schaltung
nach Abb. 2 ohne die Teile Zk. In einer zweiten Schwingschaltung wird der Quarz
Q" mit der Frequenz f, der mit einem Ziehkreis Zk ausgestattet ist, angeregt.
Ein Schaltbeispiel ist in Abb. 2 dargestellt. Der Ziehkreis Zk besteht in diesem
Beispiel aus einem Serienresonanzkreis, dessen Eigenfrequenz auf größere oder kleinere
Werte als die Quarzserienresonanzfrequenz eingestellt werden kann. Die Frequenzen
von Q, bis Q" seien z. B. fl 5o kHz + io Hz, f, 5o k-Hz
+ 3o Hz, f, 5o kHz + 50 Hz, f4 50 kHz + 7o Hz
und f5 50 kHz + go Hz. Die Frequenz von Q" sei f, = 6o kHz.
Der Ziehkreis.Zk gestatte eine Frequenzänderung von ± io Hz. Die in der Mischstufe
M entstehende Differenzfrequenz fm von etwa io kHz läßt, sich also mittels des Ziehkreises
Zk und durch Wahl eines der fünf QuarzkristaRe Q, bis Qr, lückenlos
um A f = ioo Hz ändern. Diese änderbare Differenzfrequenz fm wird
nun einem Verzerrer V, z. B. einer Röhre mit hoher negativer Vorm spannung, zugeführt.
Die Oberwellen von fm sind dann nach der Formel fm /J f = n, im vorliegenden
Falle io ooo/ioo = ioo, d. h. -nach der hundertsten Oberwelle, also
oberhalb ioo - io kHz = iooo kHz, lückenlos. Die obere Grenze des
Frequenzbereiches ist jeweüs durch die Amplitude der Oberwellen gegeben, da mit
zunehmender Ordnungszahl der Oberwellen die Amplitude abnimmt.
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Es erscheint zunächst widersinnig, die Frequenzen erst durch Differenzbüdung
herabzusetzen und dann durch OberweUenbildung wieder zu erhöhen. Die Herabsetzung
der Frequenz ist jedoch aus zwei Gründen erforderlich. Erstens wird dadurch die
Zahl der Quarze vermindert, weil. sich, wie oben gesagt, der relative EinsteRbereich
erhöht, zweitens muß die Grundfrequenz, von der die Oberwellen gebildet werden,
genügend klein gegenüber den Frequenzen des verlangten Frequenzbereiches sein, damit
dieser Bereich lückenlos ist.
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Die mit der erfindungsgemäßen Einrichtung erzielbare Frequenzkonstanz
ist bestimmt durch die Frequenzkonstanz der verwendeten Ouarzoszillatoren und den
durch die Differenzbüdung eintretenden Konstanzverhist. Die Frequeiizkonstanz eines
Quarzoszillators setzt sich zusammen aus dem Temperaturcinfluß auf den Quarz und
den verschiedenen Einflüssen der Schaltung auf die Quarzfrequenz. Es ist heute ohne
Schwierigkeiten möglich, Quarzkristalle mit einem Temperaturkoeffizient für die
Quarzfrequenz kleiner als i.io-6/' C herzustellen. Bei Verwendung eines Thermostaten
mit einem Durchgriff von i: ioo wird der Temperaturkoeffizient für die Quarzfrequenz
kleüieralsi.io-'/'CAußentemperaturschwankung.Der Gesamteinfluß der Schaltung auf
die Frequcnzkonstanz kann über 24 Stunden kleiner als 5.io-8 gehalten werden. Damit
ist für eine Außentemperaturschwankung von z, B. 5' C die Konstanz eines
Quarzoszillators besser als 1.,0-7 über etwa 24 Stunden. Dies bedeutet für die Frequenzen
der erfindungsgcrnäßen Einrichtung bei einem Konstanzverlust von io: i eine Konstanz
von i.io--'. Der durch die Differenzbildung zweier Quarzoszillatoren - entstehende
Konstanzverlust wird um so kleiner, je kleiner das Verhältnis von Quarzfrequenz
zu Differenzfrequenz gehalten wird. Daher wird gemäß einem wesentlichen Merkmal
der Erfindung dieses Verhältnis möglichst klein gewählt. Die erzielbare Frequenzkonstanz
wäre also kleiner, wenn man in Abb. i die Differenzfrequenz fm = io
kHz mittels Frequenzen von iio und ioo kHz statt 6o und 5o kHz herstellen würde.
Allerdings würde dann auch die Zahl der erforderlichen Quarze kleiner. Die Anzahl
der Quarzkristalle und die zu wählenden Quarzfrequenzen sind bestimmt durch die
geforderte Frequenzkonstanz sowie durch. die Größe des zu ändernden Frequenzbereiches.
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Die Frequenzkonstanz errechnet sich in dem oben angegebenen Zahlenbeispiel
wie folgt: Der Konstanzverlust durch Differenzbüdung aus zwei Quarzoszülatoren beträgt
2 : i, bezogen auf die Quarzfrequenz von 50 kHz, weil. sich
die Frequenzschwankungen der beiden Quarze addieren, und io: i, bezogen auf die
Differenzfrequenz von io kHz, weil. die absoluten Frequenzschwankungen bei io kHz
dieselben wie bei 5o kHz sind, jedoch bei io kHz relativ fünfmal größer sind. Somit
wird unter der Annahme einer Frequenzkonstanz von i.io-7 bei einer Außentemperaturschwankung
von 5' C über 24 Stunden für die Quarzoszillatoren die Frequenzkonstanz der
in großem Bereich änderbaren Frequenz i.io-6.
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Wählt man dagegen beispielsweise fm = 5 kHz statt io
kHz, dann wird der änderbare Frequenzbereich schon ab 25o kHz statt iooo kHz lückenlos,.
und zwar bei einer Frequenzkonstanz von z.io-6 unter gleichen Voraussetzungen, also
der halben Frequenzkonstanz gegenüber i.io-11.
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In einem weiteren, in Abb. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel
werden die zur. Differenzbüdung erforderlichen Frequenzen durch Frequenzteilung
in den Teilerstufen T, und T, aus quarzstabilisierten höheren Frequenzen erzeugt,
die m-mal größer sind
als die zur Differenzbildung dienenden Frequenzen.
Diese Schaltung gestattet die Verwendung von Quarzkristallen höherer Frequenzen,
die nach dem heutigen Stande der Quarztechnik für höchste Frequenzkonstanz leichter
herstellbar sind.
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Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung kann man für Meßzwecke jede
gt-wünschte Bezugsfrequenz hoher Konstanz erzeugen. Mit einer Eichung oder tonfrequenten
Meßeinrichtung besteht auch die Mög-
lichkeit der direkten Hochfrequenzmessung
(Wellenmesser). Bei Verwendung als Steuerstufe für Sender kann die Frequenz bei
hoher Konstanz in großem Bereich geändert und als konstante oder veränderliche Frequenz
ausgestrahlt werden. Die nicht gewünschten Oberwellen müssen dann ausgesiebt werden.
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Der erfindungsgemäße Schwingungserzeuger ist auch zur Durchführung
einer Frequenzmodulation eines quarzstabilisierten Senders mit großem Frequenzhub
anwendbar, weil eine Frequenzmodulation eine stetige Frequenzänderung, und zwar
im Takte der Modulationsfrequenz, darstellt. Zu diesem Zweck muß die Änderung des
Scheinwiderstandes des ZichkrcisesZk in Abb. i oder ähnlicher, zusätzlicher, in
Reihe geschalteter Ziehkreise im Takte der Modulationsfrequenz erfolgen. Hierzu
können an sich bekannte Mittel angewendet werden, z. B. eine als Kapazität geschaltete
Röhre, deren Kapazität durch Änderung der Gittervorspannung veränderbar ist. Da
es dann erwünscht ist, daß der Zichkreis einpolig geerdet ist, kann hierzu die Schaltung
nach Abb. 4 verwendet werden, in der der Quarz Q" ebenfalls in seiner Serienresonanz
schwingt.