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Verfahren zur Synchronisierung von Wechselspannungen
Nach bekannten Synchronisierungsverfahren wird durch Vergleich zweier Wechselspannungen eine Regelspannung erzeugt, welche der Frequenzdifferenz dieser Wechselspannungen entspricht.
Durch Frequenzsteuerung mindestens der einen Wechselspannung in Abhängigkeit von dieser Regelspannung wird die Frequenzdifferenz automatisch auf ein Minimum reduziert. Ein absoluter Synchronismus wird jedoch bei solchen Einrichtungen nicht erzielt, da zur Bildung der Regelspannung, welche die ursprüngliche Frequenzabweichung zu vermindern hat, eine gewisse dauernde Differenz beider Frequenzen nötig ist.
Bei anderen bekannten Einrichtungen wird eine Regelspannung erzeugt, welche dem Phasenunterschied beider Wechselspannungen entspricht.
Durch Frequenzsteuerung mindestens der einen Wechselspannung in Abhängigkeit von dieser Regelspannung werden die Phasenabweichungen beider Wechselspannungen stets auf einem Minimum gehalten, so dass eine einmal eingetretene
Frequenzgleichheit dauernd aufrechterhalten bleibt. Bei ungleicher Frequenz beider Wechsel- spannungen würde die Regelspannung im Takte der Schwebungsfrequenz um den Nullpunkt schwanken oder bei hinreichender Abflachung dauernd den Wert Null behalten. Eine Regelung ist also erst möglich, wenn beide Wechsel- spannungen wenigstens während einer gewissen
Zeit gleiche Frequenz aufweisen. Zudem wird diese Regelung auf phasengleichen Synchronismus durch jedes Aussertrittfallen beider Wechsel- spannungen dauernd unterbrochen.
Schliesslich sind Synchronisierungsverfahren be- kannt, nach denen der Generator, welcher die eine Wechselspannung erzeugt, durch die andere
Wechselspannung unter Ausnutzung des Mit- nahmeeffektes mitgenommen wird, so dass eben- falls Frequenzgleichheit beider Wechsel- spannungen bei wenig veränderlichem Phasen- unterschied erzielt wird. In solcher Weise werden gewöhnlich die Kippspannungserzeuger der Fern- sehtechnik synchronisiert, wobei die Wechsel- spannungen sägezahnförmigen Verlauf (Kipp- spannung) bzw. impulsförmigen Verlauf (Syn- chronisierungsspannung) aufweisen. Ein Nachteil solcher Einrichtungen liegt darin, dass der Syn- chronismus bei zeitweisem Ausbleiben der Syn- chronisierungsspannung sofort gestört wird, oder dass die Schwingungserzeugung in solchen Fällen überhaupt aussetzt.
Die Nachteile dieser bekannten Verfahren werden nach der Erfindung vermieden, indem eine der beiden zu synchronisierenden Wechselspannungen durch eine frequenzsteuernde Regelgrösse beeinflusst wird, welche vom Frequenzunterschied der zu synchronisierenden Spannungen abhängig ist, wobei die Einrichtung so getroffen ist, dass bei kleinem, insbesondere bei verschwindendem Frequenzunterschied (Synchronismus) die frequenzsteuernde Regelgrösse vom Phasenunterschied der zu synchronisierenden
Spannungen nach Grösse und Vorzeichen abhängig ist. Auf diese Weise wird der ursprünglich grosse Frequenzunterschied beider Wechsel- spannungen anfänglich auf ein Minimum gebracht.
Hierauf erfolgt durch die nunmehr von den lang- samen Phasenänderungen abhängige Regel- spannung eine weitere Beeinflussung der einen
Wechselspannung im Sinne einer Regelung auf konstanten Phasenunterschied. So wird Syn- chronismus herbeigeführt und aufrechterhalten.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun an Hand der Fig. 1-9 erläutert.
Bei der Einrichtung nach Fig. 1 muss die
Wechselspannung e2 des Generators G mit einer
Steuerspannung el synchronisiert werden. Wenn es sich um Sinusspannungen mit den Fre- quenzen WI bzw. Widen Phasenwinkeln bl bzw. b2 und den Amplituden EI bzw. E2 handelt, so können diese Wechselspannungen wie folgt beschrieben werden :
EMI1.1
In einem Phasendreher PI wird die Spannung e2 um 900 in der Phase gedreht, so dass eine phasenverschobene Spannung e3 entsteht :
EMI1.2
Die Modulationsschaltungen Mi und M2, welche beispielsweise aus Ringmodulatoren aufgebaut sind, dienen zur Erzeugung der Modulationsprcdukte aus diesen Spannungen.
Bei der Modulation entstehen bekanntlich Differenz- und Summenfrequenzen. Letztere
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werden durch die Kopplungskreise oder durch nicht besonders gezeichnete Tiefpassfilter unterdrückt. So verbleiben die Modulationsprodukte u, und u2 :
EMI2.1
wobei kl, k2 und Ku K2 Konstanten bzw. neue Amplituden sind. Da negative Frequenzen keinen Sinn haben, gelten die oberen bzw. die unteren Vorzeichen, je nachdem W2 grösser oder kleiner als wl ist.
Bei P2 ist ein weiterer Phasendreher dargestellt, durch den alle über einem Minimalwert liegenden Frequenzen von Mi um wenigstens annähernd 90" gedreht werden, während die Phasendrehung für kleinere Frequenzen kleiner wird und sich bei Null nähernder Frequenz dem Wert Null nähert. Diese Eigenschaft weist z. B. die eingezeichnete Serienschaltung des Widerstandes R2 mit der Kapazität C2 auf, wobei für die Phasendrehung a bekanntlich gilt :
EMI2.2
So entsteht aus Mi die phasengedrehte Spannung
EMI2.3
EMI2.4
EMI2.5
gegenseitigen Phasenlage zwischen U2 und Mg abhängt. Afg kann eine Modulationsschaltung sein, mit der das Modulationsprodukt aus u2 und U J gebildet wird.
Es gilt dann :
EMI2.6
Bei grossen Frequenzunterschieden (w2-w1) wird die letztere Komponente Vu, deren Frequenz + (W2-Wl) ist, durch die für höhere Frequenzen nicht durchlässigen Verbindungsmittel der Schaltung oder nötigenfalls durch besondere Tiefpassfilter unterdrückt, so dass in diesem Falle nur die Gleichstromkomponente va verbleibt :
EMI2.7
wobei das obere Vorzeichen wieder für positive Frequenzdifferenzen (W2-Wl) und das untere Vorzeichen für negative Frequenzdifferenzen
EMI2.8
zeichenrichtig an und kann somit in der angedeuteten Weise als Frequenzregelspannung dem Generator G zugeführt werden, dessen Frequenzabweichung gegenüber der Steuerspannung e, dadurch auf ein Minimum reduziert wird.
Sobald dagegen die Frequenzen Mj : und Wl übereinstimmen, so verschwindet die erste Komponente v1 von v0 gemäss (6) und (8). Dafür ergibt die zweite Komponente eine Gleichspannung :
VO (fv, =-. sin [2 (b2-b1) ] 10) Diese neue Regelspannung entspricht also kleinen Phasenunterschieden (b-bi) der zu synchronisierenden Spannungen e2 und e1 nach Grösse und Vorzeichen. Durch Beeinflussung des Generators G bewirkt sie eine vorüt gehende minimale Frequenzänderung von e2, welche sich in einer Änderung des Phasenwinkels b2 äussert, bis ein bestimmter Minimalwert des Phasenunterschiedes (b2-b1) erreicht wird.
EMI2.9
Fig. 2 ab : Die Frequenz W2 sei z. B. anfangs zu gross.
Die Regelspannung vo ist dann gemäss (9) negativ und bewirkt eine Frequenzverminderung.
Mit abnehmender Frequenzabweichung nimmt auch die Komponente V1 der Regelspannung v0 ab. Anderseits wird die im Takte der Schwebung veränderliche Komponente v2 bei abnehmender Schwebungsfrequenz in zunehmendem Masse bemerkbar. Die Frequenzen können schliesslich als übereinstimmend betrachtet werden bei vorerst veränderlichen Phasenwinkel b2 von e2. D. h. es gilt die Beziehung (10), und der Generator G wird bei positivem Phasenunter-
EMI2.10
dieser Phasenunterschied sich nur mehr wenig ändert und schliesslich einen stationären Wert annimmt. Ein vollständiger frequenz-und phasenrichtiger Synchronismus ist dann erreicht.
Es ist leicht ersichtlich, dass der Phasendreher ? i in Fig. l auch zwischen den Generator G und den Modulator Mi geschaltet werden kann, oder dass sowohl zwischen Generator G und Mi wie auch zwischen Generator G und M2 solche Phasendreher vorgesehen werden können, deren Phasendrehungen sich um annähernd 90 unterscheiden. Diese Phasendreher können aber auch im Übertragungsweg der Steuerspannung e1 vor den Modulator Mi bzw. M2 geschaltet werden. Ferner lässt sich der Phasendreher P2 in den Kanal der Spannung U2 verlegen oder in zwei sich um 90 unterscheidende Kreise aufteilen, die in den Kanälen von ul bzw. U2 liegen.
Die Spannungen Mi und U2 bilden ein elektrisches Drehfeld, dessen Drehsinn vom Vorzeichen der Frequenzabweichung (w2-w1) abhängt. Bei Frequenzgleichheit von ei und e2 wird dieses Drehfeld stationär und es entsteht ein stationärer Feldvektor, dessen Richtung den Phasenunterschied zwischen el und e2 angibt. Mit den Kreisen P2 2 und M 3 wird dabei die vom Drehsinn und damit von der Frequenzabweichung abhängige Regelspannung erzeugt. Es sind auch andere Schaltungen zur Erzeugung einer vom Drehfeld abhängigen Kontrollspannung, welche sich zu Synchronisierungszwecken eignet,
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bekannt, so z. B. die Schaltungen Fig. 3, 4, 5 des britischen Patentes Nr. 441793. Solche Schaltungen lassen sich an Stelle des Modulators Mg ebenfalls zur Durchführung der Erfindung verwenden.
Der Fortschritt gegenüber den bekannten Synchronisierungsverfahren liegt dabei stets darin, dass die durch Phasenvergleich gebildete Regelgrösse bei Frequenzgleichheit der zu vergleichenden Spannungen el und e2 nicht verschwindet,, sondern einen Wert annimmt, welcher dem Phasenunterschied zwischen diesen Spannungen entspricht. Zu diesem Zwecke müssen die Kanäle für die Spannungen Mi und us im Gegensatz zu bekannten Einrichtungen gleichstromdurchlässig gemacht werden. Bei stillstehendem Drehfeldvektor der Spannungen el und e2 nimmt dann die Regelspannung einen Wert an, der von der Richtung dieses Vektors abhängt, so dass eine automatische Regelung auf einen bestimmten Phasenunterschied zwischen e1 und e2 möglich wird.
In vielen Fällen ist es erwünscht, dass eine Frequenzsteuerung des Generators G eintritt, wenn der Frequenzunterschied (w2-w1) zwischen el und eg einen bestimmten Betrag Wo nicht mehr überschreitet. Zu diesem Zwecke können gemäss Fig. 3 die Tiefpassfilter Fi und F2 im Kanal der Spannungen Mi und U2 vorgesehen werden, durch welche diese Spannungen erst übertragen werden, wenn deren Frequenz
EMI3.1
aufzubauen, damit keine zusätzlichen Phasenunterschiede zwischen u1 und U2 entstehen.
Auf diese Weise werden unerwünschte Einflüsse störender Komponenten von el oder e2 auf die Frequenzsteuerung vermieden, wenn die Schwebungsfrequenz grösser ist als die Grenzfrequenz wo.
EMI3.2
kann der Regelvorgang ebenfalls beeinflusst werden. Wenn F 3 ein Beruhigungskreis oder ein Tiefpassfilter mit sehr niedriger Grenzfrequenz ist, so werden nur die langsam ver- änderlichen Komponenten von v0 nebst der Gleichstromkomponente übertragen, d. h. es
EMI3.3
Frequenzdifferenz (wr-wl) so klein ist, dass die Schwebungen zwischen @ e1 und e2 eine sehr langsam veränderliche Regelspannungskomponente V2 ergeben, welche dann über F 3. im Sinne einer Phasenregelung auf den Generator G wirkt.
Das Amplituden-und Phasenübertragungsmass des Netzwerkes F 3 kann unter Beachtung bekannter Regeln und durch Versuche auch so festgelegt werden, dass eine möglichst rasche Frequenzsteuerung unter Vermeidung von Pendelungserscheinungen der Regeleinrichtung erzielt wird.
Gemäss Fig. 4 können auch verschiedene Phasendreher und Filter vorgesehen werden, die wahlweise zur Einschaltung kommen, je nach Grösse und Absolutwert von (W2-WI)'Die Phasendrehung in P2 mit Rg, C2 beträgt z. B. 90 und diejenige von Pg wenigstens annähernd 0 oder 180 . Bei grossen Frequenzabweichungen (w2-w1) ist Ps eingeschaltet, so dass dann wegen a = #/2 gemäss (9) eine Regelspannung p == v1 = #K4 entsteht, deren Vorzeichen vom Vorzeichen der Frequenzabweichung (w2-w1) abhängt.
Bei sehr kleinen Frequenzabweichungen (ji-t) erfolgt die Umschaltung der Phasendreher mittels s3, Wegen a = o wird dann die Komponente pi von v0 gleich Null, und es verbleibt die Komponente v2 gemäss (10), welche den Phasengleichlauf von ei und e2 herbeiführt.
Durch die Abflachung im Netzwerk F3, welches bei grossem Frequenzunterschied eingeschaltet ist, wird die Regelung anfänglich von der rasch veränderlichen Komponente unabhängig gemacht, bis ein bestimmter minimaler Frequenzunterschied (w2-w1) erreicht ist. Erst dann erfolgt die Umschaltung mittels s1, s2 und die vorerst noch veränderliche Komponente Va wird nun ungeschwächt und unverzögert übertragen, wodurch die zur Erreichung des Phasengleichlaufes erwünschte rasche Beeinflussung des
Generators möglich wird.
Zur automatischen Betätigung der Umschalter kann die Spannung Mi über die Hoch-und Tiefpassfilter F 5 und F6 und die Gleich-
EMI3.4
bzw. S6 eines Relais mit den Wechselkontakten sl, s2, s. zugeführt werden. Die Umschaltung erfolgt dann in dem Augenblick, wo die Frequenzabweichung (wasp) mit der Grenzfrequenz der elektrischen Weiche F5, F6 übereinstimmt.
Bei der Einrichtung Fig. 1 ist ein stabiles
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spannung auf. Dieselben sind aber nicht stabil, weil jede kleine Abweichung gegenüber diesem Phasenunterschied eine Regelspannung zur Folge hat, die im Sinne einer Vergrösserung dieser Abweichung auf die Generatorfrequenz wirkt, bis der erwähnte stationäre Zustand erreicht ist. Bei anderer Anordnung der Phasendreher können die Phasenunterschiede im stationären Zustand andere Werte aufweisen. Die Einrichtung Fig. 3 ergibt beispielsweise ein stabiles Minimum der Regelgrösse bei (br-bi) = 90".
In vielen Fällen ist ein einziges stabiles Minimum der Regelgrösse erwünscht, das nur bei (bs-bl) = 00 auftritt. Dies wird erreicht mit der Schaltung Fig. 5. Der Phasendreher P2 weist wieder 90 0 Phasendrehung auf. Das Amplitudenübertragungsverhältnis wird jedoch bei verschwindender Frequenz gleich Null. Dies ist beispielsweise der Fall bei der eingezeichneten Serienschaltung des Kondensators CI und des Widerstandes Ra. Die Spannung u2 wird zudem über das Tiefpassfilter oder den Beruhigungskreis F4 direkt zum Regelkreis geführt, so dass sich die Regelspannung v"aus den wenig ver-
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änderlichen Komponenten von "8 und dem Modulationsprodukt aus Mt, Mg zusammensetzt.
Bei grossem Frequenzunterschied (-n) zwischen ea und e, findet wegen zu hoher Frequenz von up keine Übertragung über das Filter F4 statt. Für das Modulationsprodukt gilt die Beziehung (8), und die Regelspannung vo entspricht dann gemäss (9) in Vorzeichen wieder dem Vorzeichen der Frequenzabweichung, so dass diese Abweichung durch die automatische
EMI4.1
Modulationsprodukt k4, Mi. Mg schliesslich verschwindet.
Dafür wird nun die nur langsam veränderliche Spannung M ; ; über F4 übertragen, und für die Regelspannung gilt dann :
EMI4.2
Ein stationäres Minimum dieser Regelspannung tritt nur bei (b2-bi) = 00 auf, weil kleine Abweichungen gegenüber einem unter Umständen zufälligerweise eingetretenen Phasenunterschied (b2-b1) = 180 stets eine Vergrösserung dieser Abweichungen bis zum Eintritt des stationären Phasenunterschiedes (b2-bl) = 0 zur Folge haben.
Die Beeinflussung des Generators G durch die Regelspannung vo kann in bekannter Weise erfolgen, z. B. indem diese Regelspannung direkt ein spannungsabhängiges Abstimmelement steuert, oder indem mechanisch veränderbare Abstimmmittel unter Zwischenschaltung elektromechanischer Steuerungsmittel betätigt werden. Wenn G ein mechanisch korrigierter Generator ist, so wird die Drehzahl des Regelmotors durch die Regelspannung vu direkt oder indirekt gesteuert. Dies kann beispielsweise durch entsprechende Beeinflussung der Erregung des Regelmotors oder durch eine andere Drehzahlregelung, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung von Verstärkern oder Relais, geschehen.
Eine mechanische Frequenzbeeinnüssung ist möglich, indem ein frequenz-oder drehzahlbestimmendes Element des Generators bzw. der Antriebsmaschine in Abhängigkeit von der Regelspannung mechanisch verstellt wird.
Es werden nun noch einige praktische An- wendungsbeispiele beschrieben.
Die frequenz-und phasenrichtige Syn- chronisierung ist beispielsweise beim Homodyne-
Radioempfang anzuwenden. Die empfangenen und gegebenenfalls verstärkten und in der
Frequenz durch Überlagerung verschobenen
Schwingungen e1 in Fig. 1 seien dabei mit dem
Niederfrequenzsignal s = S. sin (Wt) amplituden- moduliert, d. h. es sei :
EMI4.3
Durch Modulation mit der frequenz-und phasen- gleichen Hilfsspannung e, deren Amplitude E2 konstant ist, erhält man die Niederfrequenzspannung :
EMI4.4
Das durch Amplitudenmodulation dei Hochfrequenzschwingung übertragene Niederfrequenzsignal s kann also direkt bei der Klemme 2 der Fig. 1 entnommen werden.
Wenn die Hochfrequenzschwingung dageg mit dem Signal s phasenmoduliert ist, so gilt :
EMI4.5
Durch Modulation von el und e3 entsteht dann :
EMI4.6
Bei kleinem Phasenhub B kann gesetzt werden :
EMI4.7
d. h. an der Klemme 3 kann direkt das durch Phasenmodulation der Hochfrequenzschwingung übertragene Niederfrequenzsignal s entnommen werden.
Gemäss Fig. 6 kann bei Überlagerungsempfang auch der Überlagerungsgenerator Gj durch die Regelspannung gesteuert werden. In diesem Falle wird also die Frequenz WI von el bei konstanter Hilfsfrequenz W2 von e2 im Sinne einer Verminderung der Frequenzabweichung (w2-w1) und der Phasenabweichung (b2-) gesteuert.
Gewisse Schwierigkeiten entstehen beim Homodyne-Empfang von modulierten Hochfrequenzschwingungen mit unterdrücktem Träger, weil dann die Spannungen : und U2 im Takte der übertragenen Signale ihr Vorzeichen wechseln.
Hier empfiehlt sich eine Schaltung gemäss Fig. 7.
Die fremden Schwingungen el werden wieder in Mi und M2 mit einer Hilfsschwingung e2 des Generators G moduliert. Die Phasendrehung des Kreises Pi beträgt jedoch 900 In, wobei n eine gerade Zahl, beispielsweise 2 ist. Für die Modulationsprodukte gilt dann :
EMI4.8
Durch Di, D2 sind Frequenzvervielfacher dargestellt, die in bekannter Weise beispielsweise aus Gleichrichtern aufgebaut sind. Die Frequenzen werden um den Faktor n erhöht, d. h. es entstehen die Spannungen :
EMI4.9
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Durch Phasendrehung im Kreis Pa entsteht aus u. :
EMI5.1
wobei für den Phasenwinkel a wieder die Beziehung (6) gelten möge.
Im Modulationskreis M3 wird dann das Modulationsprodukt Mo gebildet :
EMI5.2
Während die Koeffizienten K4, K5 in (18), (19) ihr Vorzeichen entsprechend den Signalwerten s wechseln, behalten die Koeffizienten K6 (s), K7 (s) und damit auch K8(s), K9(s) bei geradem n stets ihr positives Vorzeichen. Die Komponenten vl, V2 von v0 sind somit wohl in dns Amplitude nicht aber in ihrem Vorzeichen von den übertragenen Signalen s abhängig, und die Regelspannung v0 kann deshalb in gezeigter Weise ohne weiteres zur Synchronisierung des Hilfsspannungserzeugers G benutzt werden.
Die zum Empfang von phasenmodulierten Schwingungen brauchbaren Einrichtungen lassen sich auch für den Empfang von frequenzmodulierten Schwingungen benutzen, wenn der Frequenzhub der empfangenen Wellen vorerst durch Frequenzteilung mit bekannten Mitteln soweit vermindert wird, dass die Phasenschwankungen der Schwingung el bei maximaler Signalamplitude die Beträge db nicht überschreiten.
Bei den beschriebenen Schaltungen zum Homodyne-Empfang amplituden-oder phasenmodulierter Schwingungen sind die Zeitkonstanten der Beruhigungsmittel so gewählt, dass die im Takte der Niederfrequenzsignale erfolgenden Amplituden-bzw. Phasenschwankungen ohne Einfluss auf die Generatorfrequenz bleiben. D. h. die Regelung erfolgt entsprechend dem mittleren Amplituden-und Phasenwert der empfangenen Schwingungen.
Durch geeignete Bemessung der Zeitkonstanten kann dagegen auch eine sehr rasche Frequenz- steuerung erzielt werden, so dass die Generator- frequenz auch bei stärkeren Frequenz- schwankungen der empfangenen Schwingungen stets der Momentanfrequenz dieser Schwingungen folgt, wobei jeweils nur kleine Phasenänderungen zwischen e1 und es auftreten. Dadurch wird ein Homodyne-Empfang amplitudenmodulierter
Schwingungen möglich, deren Frequenz aus- irgendwelchen Gründen im Rhythmus der über- tragenen Signale oder in anderer Weise raschen
Schwankungen unterworfen ist. Beim Empfang frequenzmodulierter Schwingungen ändert sich der Phasenunterschied zwischen e1 und e2 eben- falls nur um kleine Beträge, die der momentanen
Abweichung der Empfangsfrequenz von einer bestimmten Mittelfrequenz entsprechen.
Durch
Modulation von ud Cg können somit direkt die niederfrequenten Signale s gewonnen werden, welche durch Frequenzmodulation übertragen wurden.
EMI5.3
periodische Vorgänge wie Impulszeichen usw. handeln. Bei der Einrichtung Fig. 8 wird beispielsweise die sägezahnförmige Ablenkspannung sss eines Fernsehempfängers mit den impulsförmigen Synchronisierungszeichen Cl in Synchronismus gebracht. Der Generator G besteht dabei beispielsweise aus einet. 1 Kippspannungserzeuger mit Gasentladungsröhren, wobei die Kippfrequenz durch die Regelspannung v. z. B. dadurch gesteuert wird, dass diese Spannung einem Röhrengitter als Vorspannung zugeführt wird.
Für die Synchronisierungsimpulse el gilt die Beziehung :
EMI5.4
und für die Ablenkspannung e2 kann gesetzt werden :
EMI5.5
Durch Phasendrehung aller Komponenten um 90 entsteht daraus :
EMI5.6
EMI5.7
stehen die Modulationsprodukte :
EMI5.8
Durch Phasendrehung in P2 erhält man aus U2 schliesslich :
EMI5.9
welche Spannung bei verschwindender Frequenzdifferenz (W2-Wi) gleich Null wird, weil der Phasendreher Pg, wie bei Fig. 5, gleichstromundurchlässig ist. Das in M3 gebildete Modu- lationsprodukt vl aus u1 und U3 ist :
EMI5.10
EMI5.11
der Gleichstromkomponenten bezeichnet ist, welche jeweils aus frequenzgleichen Komponenten von i.
Mg entstehen, während durch Mm sämtliche übrige Komponenten höherer Frequenz des Modulationsproduktes dargestellt sind, welche durch die für höhere Frequenzen undurchlässigen Übertragungskanäle der Schaltung oder durch besondere Tiefpassfilter unterdrückt werden.
EMI5.12
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entspricht das Vorzeichen ihrer Gleichstromkomponente U, dem Vorzeichen der Frequenz-
EMI6.1
die Frequenzunterschiede zwischen der Kippspannung und der Impulsspannung vermindert.
Bei sehr kleinem Frequenzunterschied (wohl) wird ein Teil der Spannung Ut als zweite Komponente vs der Regelspannung vo über das Tiefpassfilter Fi übertragen :
EMI6.2
Die Regelspannung vo'setzt sich somit wieder aus zwei Komponenten vs und V2 zusammen, wovon die erste grössere Frequenzabweichung vorzeichenrichtig angibt und bei Frequenzgleichheit von eu e2 verschwindet, während die zweite erst bei annähernd gleicher Frequenz von el und e2 auftritt und dann von den Phasenabweichungen b2 der Kippspannung abhängt.
Ein besonderes Merkmal der Einrichtung besteht
EMI6.3
von b2 aufweist, weil dann annähernd gesetzt werden kann :
EMI6.4
während die Abhängigkeit bei grösserem Phasen-
EMI6.5
bereits bei sehr geringen Phasenfehlern b2 extreme Werte an und bewirkt dadurch nach erreichter Frequenzgleichheit von und eine sehr genaue Phasenregelung der Ablenkspannung ssg.
Die Einrichtung Fig. 8 zur Synchronisierung der Fernseh-Ablenkspannung unterscheidet sich von einer im schweizerischen Patent Nr. 201785 beschriebenen bekannten Synchronisierungseinrichtung dadurch, dass eine Synchronisierung auch bei ursprünglich grossem Frequenzunterschied zwischen Ablenkspannung und Synchronisierungszeichen zustande kommt, weil durch die Regelspannungskomponente ! vorerst beide Spannungen auf gleiche Frequenz gebracht werden.
Eine weitere Anwendungsmöglichkeit des Verfahrens liegt in der Synchronisierung elektrischer Wechsel-oder Drehspannungsnetze. Es kann z. B. eine Schaltung gemäss Fig. 1 vorgesehen werden, wobei der Wechselspannungsgenerator G mit der Spannung el eines Wechselspannungsnetzes synchronisiert werden muss. Nach dem Erreichen des Isochronismus beider Wechselspannungen werden beide Spannungen durch automatische oder handbetätigte Schalter parallel geschaltet.
Wenn es sich um die Synchronisierung mehrphasiger Netze handelt, so empfiehlt sich eine
Einrichtung gemäss Fig. 9. Aus der beispiels- weise dreiphasigen Steuerspannung e werden mit Hilfe'der Vorrichtungen Tu T2 die um 900 phasenverschobenen Spannungen , ge-
EMI6.6
wonnen. Durch Modulation in MI'MI entstehen die Modulationsprodukte ul, uz gemäss (4), (5), welche in der an Hand von Fig. 5 beschriebenen Weise zur Synchronisierung des Drehstromgenerators G dienen. Die Parallelschaltung kann automatisch erfolgen, sobald ul während eines gewissen Zeitintervalls hinreichend klein ist. Zu diesem Zwecke ist die Kontrollvorrichtung Sp vorgesehen, welche bei verschwindenden Mi den Schalter N betätigt.
Unter Beachtung der gegebenen Erläuterungen lassen sich noch zahlreiche Einrichtungen argeben, bei welchen die Erfindung in einer dem jeweiligen Verwendungszweck entsprechenden Form angewendet sind.
Von besonderer Bedeutung sind die Anwendungen der Erfindung, wenn es sich um den Empfang oder Nachweis verzerrter oder ge- störter Signale handelt : Beim Empfang amplitudenmodulierter Schwingungen veränderlicher Frequenz können die von der momentanen Empfangsfrequenz verschiedenen Störfrequenzen unterdrückt werden, und beim Empfang von frequenzoder phasenmodulierten Schwingungen kommen die Einflüsse frequenzverschiedener Störschwingungen ebenfalls in Wegfall, wenn der Phasenunterschied der empfangenen und der lokal erzeugten Schwingungen durch hinreichend kleine Beruhigungszeiten klein gehalten wird.
In diesem Falle können die übertragenen Signale durch Frequenz-Demodulation der frequenzgesteuerten Hilfsschwingung gewonnen werden, deren Amplitude konstant ist, so dass auch
Amplitudenschwankungen der Übertragung ohne
Einfluss auf die demodulierten Zeichen sind.
In solcher Weise ist auch eine genaue Fern- messung mit messwertgesteuerten Frequenzen trotz gestörter Übertragung möglich.
PATENTANSPRÜCHE : l. Verfahren zur Synchronisierung von
Wechselspannungen, wobei eine der zu syn- chronisierenden Spannungen durch eine frequenzsteuernde Regelgrösse beeinflusst wird, welche vom Frequenzunterschied der zu synchronisierenden Spannungen abhängig ist, dadurch gekennzeichnet, dass bei kleinem, insbesondere verschwindendem Frequenzunterschied der zu synchronisierenden Spannungen die frequenzsteuernde Regelgrösse vom Phasenunter- schied dieser Spannungen nach Grösse und Vorzeichen abhängig ist.
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Method for synchronizing alternating voltages
According to known synchronization methods, by comparing two alternating voltages, a control voltage is generated which corresponds to the frequency difference between these alternating voltages.
By frequency control of at least one alternating voltage as a function of this control voltage, the frequency difference is automatically reduced to a minimum. Absolute synchronism is not achieved with such devices, however, since a certain permanent difference between the two frequencies is necessary to form the control voltage, which has to reduce the original frequency deviation.
In other known devices, a control voltage is generated which corresponds to the phase difference between the two alternating voltages.
By frequency control of at least one alternating voltage as a function of this control voltage, the phase deviations of the two alternating voltages are always kept to a minimum, so that one that occurs once
Frequency equality is permanently maintained. If the frequency of the two alternating voltages were not the same, the control voltage would fluctuate around the zero point at the rate of the beat frequency or, if it was sufficiently flattened, it would permanently retain the value zero. Regulation is therefore only possible if both AC voltages at least during a certain
Time have the same frequency. In addition, this regulation of in-phase synchronism is permanently interrupted by each dropping out of both AC voltages.
Finally, synchronization processes are known, according to which the generator, which generates one alternating voltage, runs through the other
AC voltage is taken along using the entrainment effect, so that the frequency equality of both AC voltages is also achieved with little variable phase difference. The breakover voltage generators in television technology are usually synchronized in this way, with the alternating voltages having a sawtooth curve (breakover voltage) or pulse-shaped curve (synchronization voltage). A disadvantage of such devices is that the synchronization is immediately disturbed if the synchronization voltage is temporarily absent, or that the generation of vibrations stops at all in such cases.
The disadvantages of these known methods are avoided according to the invention in that one of the two alternating voltages to be synchronized is influenced by a frequency-controlling controlled variable which is dependent on the frequency difference of the voltages to be synchronized, the device being designed so that with a small, in particular with vanishing frequency difference (Synchronism) the frequency-controlling controlled variable from the phase difference of the one to be synchronized
Stresses is dependent on magnitude and sign. In this way, the originally large frequency difference between the two alternating voltages is initially reduced to a minimum.
The control voltage, which is now dependent on the slow phase changes, then has a further influence on one of them
AC voltage in the sense of a regulation on constant phase difference. This is how synchronism is brought about and maintained.
Embodiments of the invention will now be explained with reference to FIGS. 1-9.
In the device according to Fig. 1, the
AC voltage e2 of the generator G with a
Control voltage el are synchronized. When it comes to sinusoidal voltages with the frequencies WI or Widen phase angles bl or b2 and the amplitudes EI or E2, these alternating voltages can be described as follows:
EMI1.1
In a phase rotator PI, the voltage e2 is rotated in phase by 900, so that a phase-shifted voltage e3 arises:
EMI1.2
The modulation circuits Mi and M2, which are made up of ring modulators, for example, are used to generate the modulation products from these voltages.
As is well known, modulation produces difference and sum frequencies. Latter
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are suppressed by the coupling circuits or by low-pass filters that are not specially drawn. This leaves the modulation products u, and u2:
EMI2.1
where kl, k2 and Ku K2 are constants and new amplitudes, respectively. Since negative frequencies have no meaning, the upper or lower signs apply, depending on whether W2 is greater or less than wl.
A further phase rotator is shown at P2, by means of which all frequencies of Mi above a minimum value are rotated by at least approximately 90 ″, while the phase rotation becomes smaller for lower frequencies and approaches the value zero when the frequency approaches zero. B. the drawn series connection of the resistor R2 with the capacitance C2, where for the phase rotation a is known:
EMI2.2
This is how the phase-shifted tension arises from Mi
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mutual phase position between U2 and Mg depends. Afg can be a modulation circuit with which the modulation product of u2 and U J is formed.
The following then applies:
EMI2.6
In the case of large frequency differences (w2-w1), the latter component Vu, the frequency of which is + (W2-Wl), is suppressed by the connecting means of the circuit that are not permeable to higher frequencies or, if necessary, by special low-pass filters, so that in this case only the direct current component va remains:
EMI2.7
the upper sign again for positive frequency differences (W2-Wl) and the lower sign for negative frequency differences
EMI2.8
with the correct character and can thus be fed as a frequency control voltage to the generator G in the manner indicated, the frequency deviation of which compared to the control voltage e is thereby reduced to a minimum.
As soon as the frequencies Mj: and Wl match, however, the first component v1 of v0 disappears according to (6) and (8). The second component results in a direct voltage:
VO (fv, = -. Sin [2 (b2-b1)] 10) This new control voltage therefore corresponds to small phase differences (b-bi) of the voltages e2 and e1 to be synchronized in terms of magnitude and sign. By influencing the generator G, it causes a temporary minimum frequency change of e2, which is expressed in a change in the phase angle b2 until a certain minimum value of the phase difference (b2-b1) is reached.
EMI2.9
Fig. 2 from: The frequency W2 is z. B. initially too big.
The control voltage vo is then negative according to (9) and causes a frequency reduction.
As the frequency deviation decreases, the component V1 of the control voltage v0 also decreases. On the other hand, the component v2, which changes in the beat of the beat, becomes increasingly noticeable as the beat frequency decreases. Finally, the frequencies can be regarded as coincident with the initially variable phase angle b2 of e2. I.e. the relation (10) applies, and the generator G is given a positive phase difference
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this phase difference changes only little and finally assumes a stationary value. Complete synchronism with the correct frequency and phase is then achieved.
It is easy to see that the phase rotator? i in FIG. 1 can also be switched between the generator G and the modulator Mi, or that phase rotators whose phase rotations differ by approximately 90 can be provided both between generator G and Mi and between generator G and M2. However, these phase rotators can also be switched in the transmission path of the control voltage e1 upstream of the modulator Mi or M2. Furthermore, the phase rotator P2 can be laid in the channel of the voltage U2 or divided into two circles which differ by 90 and which lie in the channels of ul and U2.
The voltages Mi and U2 form an electric rotating field, the direction of which depends on the sign of the frequency deviation (w2-w1). If ei and e2 have the same frequency, this rotating field becomes stationary and a stationary field vector is created, the direction of which indicates the phase difference between el and e2. The control voltage dependent on the direction of rotation and thus on the frequency deviation is generated with the circles P2 2 and M 3. There are also other circuits for generating a control voltage dependent on the rotating field, which is suitable for synchronization purposes,
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known, so z. 3, 4, 5 of British Patent No. 441793. Such circuits can also be used in place of the modulator Mg for carrying out the invention.
The advance compared to the known synchronization method is always that the controlled variable formed by phase comparison does not disappear when the voltages el and e2 to be compared have the same frequency, but instead assumes a value which corresponds to the phase difference between these voltages. For this purpose, in contrast to known devices, the channels for the voltages Mi and us must be made permeable to direct current. When the rotating field vector of the voltages el and e2 is stationary, the control voltage then assumes a value that depends on the direction of this vector, so that automatic control to a specific phase difference between e1 and e2 is possible.
In many cases it is desirable for the generator G to be controlled when the frequency difference (w2-w1) between el and eg no longer exceeds a certain amount Wo. For this purpose, according to FIG. 3, the low-pass filters Fi and F2 can be provided in the channel of the voltages Mi and U2, through which these voltages are only transmitted when their frequency
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so that no additional phase differences arise between u1 and U2.
In this way, undesired influences of interfering components of el or e2 on the frequency control are avoided if the beat frequency is greater than the cutoff frequency wo.
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the control process can also be influenced. If F 3 is a calming circuit or a low-pass filter with a very low cut-off frequency, only the slowly changing components of v0 plus the direct current component are transmitted, i.e. H. it
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Frequency difference (wr-wl) is so small that the beats between @ e1 and e2 result in a very slowly changing control voltage component V2, which then acts on generator G via F3.
The amplitude and phase transmission factor of the network F 3 can also be determined by observing known rules and through experiments so that the fastest possible frequency control is achieved while avoiding oscillation phenomena of the control device.
According to FIG. 4, different phase rotators and filters can be provided, which can be switched on as required, depending on the size and absolute value of (W2-WI) '. The phase rotation in P2 with Rg, C2 is z. B. 90 and that of Pg at least approximately 0 or 180. In the case of large frequency deviations (w2-w1), Ps is switched on, so that a control voltage p == v1 = # K4 is created because of a = # / 2 according to (9), the sign of which depends on the sign of the frequency deviation (w2-w1).
In the case of very small frequency deviations (ji-t), the phase rotator is switched using s3, because a = o, the component pi of v0 then becomes zero, and the component v2 remains as per (10), which brings about the phase synchronization of ei and e2 .
As a result of the flattening in network F3, which is switched on when there is a large frequency difference, the control is initially made independent of the rapidly changing component until a certain minimum frequency difference (w2-w1) is reached. Only then does the switchover take place by means of s1, s2 and the component Va, which is still variable for the time being, is now transmitted without being weakened and without delay, whereby the rapid influencing of the desired to achieve phase synchronization
Generator becomes possible.
For automatic actuation of the changeover switch, the voltage Mi can be switched via the high and low pass filters F 5 and F6 and the
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or S6 of a relay with changeover contacts sl, s2, s. are fed. The switch then takes place at the moment when the frequency deviation (wasp) corresponds to the limit frequency of the electrical switch F5, F6.
In the device Fig. 1 is a stable one
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tension on. They are not stable, however, because every small deviation from this phase difference results in a control voltage which acts to increase this deviation on the generator frequency until the aforementioned steady state is reached. If the phase rotators are arranged differently, the phase differences in the steady state can have different values. The device in FIG. 3 yields, for example, a stable minimum of the controlled variable at (br-bi) = 90 ".
In many cases a single stable minimum of the controlled variable is desired, which only occurs when (bs-bl) = 00. This is achieved with the circuit of FIG. 5. The phase rotator P2 again has 90 0 phase rotation. However, the amplitude transmission ratio becomes zero as the frequency decreases. This is the case, for example, with the series connection of the capacitor CI and the resistor Ra shown. The voltage u2 is also fed directly to the control loop via the low-pass filter or the calming circuit F4, so that the control voltage v "is derived from the little
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variable components of "8 and the modulation product of Mt, Mg.
If there is a large frequency difference (-n) between ea and e, there is no transmission via filter F4 because the frequency of up is too high. The equation (8) applies to the modulation product, and the sign of the control voltage vo then corresponds to the sign of the frequency deviation according to (9), so that this deviation is caused by the automatic
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Modulation product k4, Mi. Mg finally disappears.
Instead, the only slowly changing voltage M; ; transferred via F4, and the following then applies to the control voltage:
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A stationary minimum of this control voltage only occurs at (b2-bi) = 00, because small deviations compared to a phase difference that may have occurred accidentally (b2-b1) = 180 always result in an increase in these deviations until the stationary phase difference occurs (b2-bl) = 0 result.
The generator G can be influenced by the control voltage vo in a known manner, e.g. B. by this control voltage directly controls a voltage-dependent tuning element, or by mechanically variable tuning means are operated with the interposition of electromechanical control means. If G is a mechanically corrected generator, the speed of the control motor is controlled directly or indirectly by the control voltage vu. This can be done, for example, by appropriately influencing the excitation of the control motor or by some other speed control, possibly with the interposition of amplifiers or relays.
It is possible to influence the frequency mechanically by mechanically adjusting an element of the generator or of the drive machine that determines the frequency or speed as a function of the control voltage.
Some practical application examples will now be described.
Synchronization with the correct frequency and phase is, for example, in homodyne
To apply radio reception. The received and possibly reinforced and in the
Frequency shifted by superposition
Vibrations e1 in Fig. 1 are with the
Low frequency signal s = S. sin (Wt) amplitude modulated, d. H. let it be:
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By modulating with the auxiliary voltage e with the same frequency and phase, the amplitude E2 of which is constant, the low-frequency voltage is obtained:
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The low-frequency signal s transmitted by amplitude modulation of the high-frequency oscillation can therefore be taken directly from terminal 2 of FIG.
If, on the other hand, the high-frequency oscillation is phase-modulated with the signal s, then the following applies:
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Modulation of el and e3 then results in:
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With a small phase deviation B, the following can be set:
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d. H. The low-frequency signal s transmitted by phase modulation of the high-frequency oscillation can be taken directly from terminal 3.
According to FIG. 6, the superposition generator Gj can also be controlled by the control voltage when receiving superimpositions. In this case, the frequency WI is controlled by el with a constant auxiliary frequency W2 by e2 in the sense of reducing the frequency deviation (w2-w1) and the phase deviation (b2-).
Certain difficulties arise with the homodyne reception of modulated high-frequency oscillations with a suppressed carrier, because then the voltages: and U2 change their sign in the cycle of the transmitted signals.
A circuit according to FIG. 7 is recommended here.
The external vibrations el are again modulated in Mi and M2 with an auxiliary oscillation e2 of the generator G. However, the phase rotation of the circle Pi is 900 In, where n is an even number, for example 2. The following then applies to the modulation products:
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Frequency multipliers are represented by Di, D2, which are constructed in a known manner, for example from rectifiers. The frequencies are increased by the factor n, i. H. the tensions arise:
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Phase rotation in circle Pa results in u. :
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where the relationship (6) may again apply for the phase angle α.
The modulation product Mo is then formed in the modulation circuit M3:
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While the coefficients K4, K5 in (18), (19) change their sign according to the signal values s, the coefficients K6 (s), K7 (s) and thus also K8 (s), K9 (s) always retain the same value for even n their positive sign. The components vl, V2 of v0 are therefore dependent on the transmitted signals s in terms of their amplitude, but not in their sign, and the control voltage v0 can therefore be used to synchronize the auxiliary voltage generator G without further ado in the manner shown.
The devices that can be used to receive phase-modulated oscillations can also be used to receive frequency-modulated oscillations if the frequency deviation of the received waves is initially reduced by frequency division with known means to such an extent that the phase fluctuations of the oscillation el at maximum signal amplitude do not exceed the amounts db.
In the circuits described for homodyne reception of amplitude- or phase-modulated oscillations, the time constants of the tranquilizers are selected so that the amplitude or amplitude signals occurring in time with the low-frequency signals. Phase fluctuations have no influence on the generator frequency. I.e. the regulation takes place according to the mean amplitude and phase value of the received vibrations.
By suitably dimensioning the time constants, on the other hand, very rapid frequency control can be achieved so that the generator frequency always follows the instantaneous frequency of these oscillations even with stronger frequency fluctuations of the received oscillations, with only small phase changes occurring between e1 and es. As a result, homodyne reception is amplitude-modulated
Vibrations are possible, the frequency of which, for whatever reason, is rapid in the rhythm of the transmitted signals or in some other way
Is subject to fluctuations. When receiving frequency-modulated oscillations, the phase difference between e1 and e2 also only changes by small amounts, that of the instantaneous
Deviation of the reception frequency from a certain center frequency correspond.
By
Modulation of ud Cg, the low-frequency signals s which were transmitted by frequency modulation can thus be obtained directly.
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act periodic processes like impulse signals etc. In the device of FIG. 8, for example, the sawtooth-shaped deflection voltage sss of a television receiver is brought into synchronism with the pulse-shaped synchronization characters C1. The generator G consists for example of one. 1 breakover voltage generator with gas discharge tubes, the breakover frequency being determined by the control voltage v. z. B. is controlled in that this voltage is fed to a tubular grid as a bias voltage.
The following relationship applies to the synchronization pulses el:
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and for the deflection voltage e2 can be set:
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Phase rotation of all components by 90 results in:
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are the modulation products:
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By shifting the phase in P2 one finally obtains from U2:
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which voltage becomes equal to zero with a vanishing frequency difference (W2-Wi), because the phase rotator Pg, as in FIG. 5, is impermeable to direct current. The modulation product vl formed in M3 from u1 and U3 is:
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of the direct current components, each consisting of components of the same frequency from i.
Mg arise, while Mm represents all other components of the higher frequency of the modulation product, which are suppressed by the transmission channels of the circuit that are impermeable to higher frequencies or by special low-pass filters.
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corresponds to the sign of its direct current component U, the sign of the frequency
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the frequency differences between the breakover voltage and the pulse voltage are reduced.
With a very small frequency difference (probably) part of the voltage Ut is transmitted as a second component vs the control voltage vo via the low-pass filter Fi:
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The control voltage vo is thus again composed of two components vs and V2, of which the first larger frequency deviation indicates with the correct sign and disappears when the frequency eu e2 is equal, while the second only occurs at approximately the same frequency of el and e2 and then from the phase deviations b2 the breakdown voltage depends.
There is a special feature of the facility
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of b2, because then we can approximately set:
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while the dependency with larger phase
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extreme values even with very small phase errors b2 and thus, after the frequency equality of and has been achieved, a very precise phase regulation of the deflection voltage ssg.
The device Fig. 8 for synchronizing the television deflection voltage differs from a known synchronization device described in the Swiss patent no. 201785 in that a synchronization occurs even with an originally large frequency difference between the deflection voltage and the synchronization symbol, because the control voltage component! initially both voltages are brought to the same frequency.
Another possible application of the method is the synchronization of electrical alternating or three-phase voltage networks. It can e.g. B. a circuit according to FIG. 1 can be provided, wherein the alternating voltage generator G must be synchronized with the voltage el of an alternating voltage network. After the isochronism of both AC voltages has been reached, both voltages are switched in parallel by automatic or manually operated switches.
If it is a question of the synchronization of multi-phase networks, then one is recommended
Device according to FIG. 9. From the three-phase control voltage e, for example, the voltages, phase-shifted by 900, are generated with the aid of the devices Tu T2.
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won. The modulation products ul, uz according to (4), (5), which are used to synchronize the three-phase generator G in the manner described with reference to FIG. The parallel connection can take place automatically as soon as ul is sufficiently small during a certain time interval. For this purpose the control device Sp is provided, which actuates the switch N when Mi disappears.
Taking into account the explanations given, numerous devices can be specified in which the invention is applied in a form corresponding to the respective purpose.
The applications of the invention are of particular importance when it comes to the reception or detection of distorted or disturbed signals: When receiving amplitude-modulated oscillations of variable frequency, the interference frequencies different from the instantaneous reception frequency can be suppressed, and when receiving frequency or phase-modulated oscillations the influences of frequency-different interfering oscillations are also eliminated if the phase difference between the received and locally generated oscillations is kept small by sufficiently short settling times.
In this case, the transmitted signals can be obtained by frequency demodulation of the frequency-controlled auxiliary oscillation, the amplitude of which is constant, so that also
Amplitude fluctuations in the transmission without
Influence on the demodulated characters are.
In this way, precise remote measurement with measured-value-controlled frequencies is also possible despite disturbed transmission.
PATENT CLAIMS: l. Procedure for synchronizing
AC voltages, one of the voltages to be synchronized being influenced by a frequency-controlling controlled variable which is dependent on the frequency difference of the voltages to be synchronized, characterized in that with a small, in particular vanishing frequency difference of the voltages to be synchronized, the frequency-controlling controlled variable depends on the phase difference between these voltages depends on size and sign.