DE1019002B

DE1019002B - Phasendiskriminator

Info

Publication number: DE1019002B
Application number: DEI7777A
Authority: DE
Inventors: Gus Stavis
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1950-03-19
Filing date: 1953-10-07
Publication date: 1957-11-07
Also published as: CH341868A; DE860505C; GB760015A; FR65437E; NL159883B; NL159884B; FR1034075A; FR1034074A; BE523337A; GB689355A; US2683215A

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf Schaltungen für Phasendiskriminatoren, insbesondere auf eine Schaltung zur Feststellung kleinster Phasenwinkeldifferenzen zwischen zwei Eingangssignalen gleicher Frequenz.

Es sind viele Anzeigesysteme bekannt, die aus der Phasendifferenz zweier Signale Informationen, ableiten, insbesondere werden derartige Anzeigasysteme in der Luftnavigation; verwendet. Hier kommt es besonders darauf an, kleine Änderungen, der Phasen, differenz festzustellen.

Es sind auch schon Schaltungen, bekannt, bed denen sehr kleine Änderungen der Phasendifferenz zweier gleichfrequenter Eingangs signale feistgestellt werden könnein. Bei dieser Schaltung werden die beiden Spannungen, deren gegensaitiger Phasenwinkel bestimmt werden soll, in Serie gegeneinandergeschaltet, so daß eine Differenz der Spannungen erzeugt wird. Zu diesem Zweck werden die beiden Spannungen, über Transformatoren und eine 90^o-Phasenbrücke an, die Gitter eines aus zwei Röhren bestehenden Gegentaktverstärkars gelegt, dessen Anodanspaniiiung die eine der beiden in der Phase zu vergleichenden Spannungen bildet. Die Phasendifferenz der beiden Eingangsspannungen wird mit Hilfe eines an den beiden Anoden des Gegentaktverstärker liegenden Meßinstrumentes angezeigt.

Es sind auch weiterhin Schaltunigen zur Bestimmung sehr kleiner Pbasendifferenizen zweier gleichifrequenter Spannungen bekannt, bei denen die in der Phase zu vergleichenden Spannungen, in zwei mit gleichrichtenden Gliedern versehene Schleifern eingespeist werden, von denen ein. Zweig beiden Schleifen gemeinsam ist. Die Phasendifferenz wird dann mit Hilfe eines an den parallel zur Schleife liegenden Arbeitswiderständan angeschalteten Meißinstrumentes angezeigt. Es kann bewiesen, werden, daß die Größe der gemessenen Spannung proportional dem Sinus des Phasenwinkels zwischen den beiden Spannungen ist. Es ist jedoch wünschenswert, gerade bei kleinen Phasendifferenzen eine Anzeige zu erhalten, die sich stärker ändert als der Sinus des Phasenwinkel s.

Es wird daher bei einem Phasendiskriminator zur Feststellung kleinster Phasenwinkel zwischen zwei sinusförmigen Wechselspannungen, bei dem je zwei den beiden Wechselspannungen proportionale Spannungen in zwei miteinander verkoppelte und ja einen Gleichrichter enthaltende Schleifen eingespeist sind, bei dem die je Schleife gleichgerichtete Spannung an, je einem von zwei in Serie geschalteten Widerständen liegt und parallel zu den beiden Widerständen ein Spannungsmesser geschaltet ist, der die Differenzspannung der über den beiden Widerständen liegenden Phasendiskriminator

Anmelder:

International Standard Electric
Corporation, New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Ciaessen, Patentanwalt,
Stuttgart-Zuffenhausen, Hellmuth-Hirth-Str. 42

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 8. Oktober 1952

Gus Stavis, Ossining, N. Y. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

Gleichspannung als Ma,ß für den Phasenwinkel anzeigt, erfindungsgemäß in die beiden Schleifen, außer den beiden genannten Spannungen ein dritte¹ Spannung eingespeist, die der ersten Wechselspannung proportional ist, jedoch im Betrag vergrößert, und auf dieser senkrecht steht, und in den beiden Schleifen je die Vekto-rsumme dieser drei Spannungen gebildet.

Die Empfindlichkeit dieser Schaltung gegenüber den bekannten Schaltungen für Phasiendiskriminatoren ist bedeutend größer, insbesondere bei sehr kleinen Phasenänderungen in der Nähe von Phasenwinkeln Null, da die Anzeige sich in der Nähe des Nullpunktes stärker als sinusförmig ändert.
Die Erfindung wird an Hand von Schaltungsbeispielen und Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt das Schaltbild eines bisher gebräuchlichen Phasendiskriminators;

Fig. 2 zeigt das zu Fig. 1 gehörige Vektordia,-gramm;

Fig. 3 zeigt das Schaltbild eines Phasendiskriminators gemäß der Erfindung;

Fig. 4 zeigt das zu Fig. 3 gehörige Vektordia,-gramm;

Fig. 5 zeigt eine Schaltungsmodifikation; des Phasendiskriminators;

Fig. 6 zeigt das zu Fig. 5 gehörige Vektordiagramm ;

Fig. 7 zeigt eine weitere Modifikation des Phasen,-So diskriminators, und

Fig. 8 zeigt eine andere Schaltung, bei dar die kleinen Spannungsdifferenzen vor ihrem Vergleich, im eigentlichen Phasendiskriminator noch verstärkt werden.

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In Fig. 1 ist die Schaltung eines der bisher üblichen. Phasendiskriminatoren dargestellt. e_x und C₂ sind die Eingangssignale gleicher Frequenz., die in ihrer Phase miteinander verglichen werden sollen.. Die Spannungen e_x und e.-, sind über die 'Transformatoren 2 und 3 an die Schaltung des Phasendiskriminators 1 angekoppelt. Die Schaltung des Phasendiskrimina,-tors 1 besteht aus den Schleifen 4 und 5. Die Schleife 4 enthält einen Teil 2 a der Sekundärwicklung des Tranformators 2, ein gleichrichtenides Element 6. ζ. Β. ίο einen Kristallgleichrichter oder eine Diode, einen Belastungswidersta.nd 7 und die Sekundärwicklung 3 σ des Transformators 3. Die Schleife 5 enthält einen Teil 2 & der Sekundärwicklung des Transformators 2. ein gleichrichtendes Element 8, einen Lastwiderstand 9 und die Sekundärwicklung 3 α des Transformators 3. Die gemeinsame Leitung der Schleifen 4 und 5, die den Mittelpunkt der Sekundärwicklung des Transformators 2 und den Mittelpunkt der beiden Belastungswiderstände 7 und 9 miteinander verbindet. enthält die Sekundärwicklung 3 a des Transformators 3. Das Anzeigegerät 10 für die Phasenmessung enthält ein Gleichspannungsvoltmeter., das über die Belastungswiderstände 7 und 9 angeschlossen ist. Entsprechend dem Wicklungssinn der Transformatoreu 2 und 3 soll der Strom i_x in Schleife 4 im Uhrzeigersinn fließen, während der Strom J₂ in Schleife 5 entgegen dem Uhrzeigersinn fließt. D~ie Beziehung zwischen der Ausgangsgleichspannung V₀ an den beiden Belastungswiderständen 7 und 9 und der Phasendifferenz Θ zwischen den beiden Eingangs-Signalen e_x und c-, kann dem Vektordiagramm der Fig. 2 entnommen werden. Die resultierende Größe R₁ der Schleifenspannung 4 ist gleich der vektoriellen Summe der Eingangsspannung e_x, die in der Sekundärwicklung des Transformators 2, und der Eingangsspannung e₂, die in der Sekundärwicklung des Transformators 3 induziert wird. Die resultierende Größe R_a der Schleifenspannung 5 ist gleich der vektoriellen Differenz der Eingangsspannung t\,, die in der Sekundärwicklung des Transformators 3. und der Eingangsspannung C₁, die in der Sekundärwicklung des Transformators 2 induziert wird. Die Ausgangsgleichspannung ist dann gleich der algebraischen Differenz der Größen R₁ und R₂, multipliziert mit einer Konstante. Diese Differenz ist eine Funktion der Phasendifferenz Θ der beiden Eingangssignale C₁ und e_a. Aus dem Vektorbild der Fig. 2 ist zu erkennen, daß R₁ = R₂ bzw. Ti₁-^₂ = O wird, wenn 0 = 0 wird, d. h., es entsteht keine Spannungsdifferenz, wenn der Phasenwinkel Θ XuIl ist. Wächst hingegen die Phasendifferenz 0, so nimmt die Differenz der Größen R₁ und R., nach einer Sinusfunktion des Winkels Θ zu. Diese Beziehung gilt auch für kleine Winkel, und es kann gezeigt werden, daß für Winkel kleiner als 45° der Fehler weniger als 10% beträgt. Es ist einzusehen, daß die Empfindlichkeit einer solchen Phasendiskriminatorschaltung am Nullpunkt, wo C₁ = c-, ist, dem Sinus des Winkels Θ entspricht. Die Empfindlichkeit der Schaltung, die als Differeuiialquotient der Ausgangs spannung und des Phas;n dV

winkeis -—■ definiert ist, kann nur durch Vergrößerung der Werte ^₁ und e_o vergrößert werden. Die Größen e_x und C₂ können allerdings nur bis zu einem solchen Wert vergrößert werden, wie es für die übrigen Komponenten der Schaltung tragbar ist.

Fig. 3 zeigt die Phasendiskriminatorschaltung gemäß der Erfindung. Eine Begrenzung der Vergrößert*.::^ der Eingangssignal werte fällt bei dieser Schallung weg. Es kann somit eine größere Empfindlichkeit als bei der früheren Schaltung erreicht werden. Dabei werden zwei Signale A · C₁ und B · c, benutzt, deren Größen proportional den Eingangssignalen e_x und e₉ sind. Diese beiden Signale größerer Spannung werden gegeneinandergeschaltet, um eine kleine Differenzspannung zu erhalten, die dann mit der Eingangsspannung C₁ in der Phase verglichen wird. Das Eingangssignal C₁ ist an die Primärwicklung des Transformators 11 gekoppelt. Eine zweite Eingangsspannung A · C₁ wird in der Sekundärwicklung des Transformators 12 induziert. Die Spannung A · C₁ ist gegenüber der Eingangsspannung C₁ um —90° in der Phase gedreht. Diese Phasendrehung wird durch den Phasenschieber 13 bewirkt, der vor die Primärwicklung des Transformators 12 geschaltet ist. Die Erhöhung der Spannung e_x um den Faktor A wird auf Grund de;> Übersetzungsverhältnisses des Transformators 12 erreicht. Eine dritte Eingangsspannung B ■ C₂, die gegenüber der Eingangsspannung c, um den Faktor B vergrößert ist, wird in der Sekundärwicklung des Transformators 14 induziert. Die Größe der Konstanten A und B soll ungefähr gleich sein. Der in Fig. 3 gezeigte Phaseudiskriminator besteht somit aus zwei Schleifen 15 und 16, ähnlich wie die Schaltung der Fig. 1. Die Schleife 15 enthält einen Teil der Sekundärwicklung des Transformators 11, ein gleichrichtendes Element 17, einen Belastungswiderstand 18 und die Sekundärwicklungen der Transformatoren 12 und 14. Der Stromfluß in dieser Schleife (V₁') soll im Uhrzeigersinn verlaufen. Die Schleife 16 enthält den Restteil der Sekundärwicklung des Transformator* 11, das gleichrichtende Element 19, den Belastungswiderstand 20 und die Sekundärwicklungen der Transformatoren 12 und 14. Die Ausgangsgleichspannung, die mit Hilfe des Instrumentes 21 an den Belastungswiderständen 18 und 20 angezeigt wird, ist proportional der Phasendifferenz zwischen den Eingangsspannungen C₁ und C₁.

Das Vektordiagramm der Fig. 4 zeigt die Beziehungen der einzelnen Spannungen im Diskriminator der Fig. 3. Die Eingangsspannung C₁ eilt der induzierten Spannung A

um 90° voraus. Die

Phasendifferenz zwischen C₁ und c, betrage Θ. die Größen A · C₁ und B · c, sind annähernd einander gleich. Wenn der Phasenwinkel Θ außerdem sehr klein ist, ist die vektorielle Summe 7? der Spannungen A ■ C₁ und B ■ t'., annähernd gleich der Eingangsspannung C₁. Wenn also die resultierende Spannung R mit C₁ vergleichbar ist, entspricht die Wirkungsweise der Schaltung der Fig. 3 der der Fig. 1. Ebenso sind die Vektordiagramme der Fig. 2 und 4 vergleichbar, mit der einzigen Ausnahme, daß die Empfindlichkeit wesentlich erhöht wird, d. h., für kleine Änderungen

äV des Phasenwinkel 0 ist der Differentialquotient -—~

für Winkel 0 in der Xähe von XuIl bedeutend größer. Ist die Phasendifferenz 0 zwischen den Eingangsspannungen C_x und C₂ XuIl und B₂ angenähert gleich A · C_x. so ist die Ausgangsgleichspannung F₀ gleich XuIl und bleibt so lange XuIl, wie θ XuIl ist. unabhängig davon, ob A · C₁ = B ■ c_y ist.

Es ist einzusehen, daß die Empfindlichkeit der Schaltung nach Fig. 3 größer ist als die der üblichen Schaltung nach Fig. 1, wenn man annimmt, daß vergleichsweise C₁ = c, ist, und gleichzeitig die Arbeitsspannungen der Kristallgleichrichter oder Dioden 17 und 19 sehr klein sind, weil A · C₁ und B · c, annähernd gleich, jedoch entgegengesetzt gerichtet sind. Diese hier gemachten Angaben sind die üblichen

Arbeitsbedingungen für Phasenvergleichsschaltungen. Für große Winkel Θ kann die vektorielle Summe der Spannungen A ■ e_x und B · e₂ so groß werden, daß der Diskriminator im Sättigungsgebiet arbeitet und daher unempfindlich wird. Es ist daher empfehlenswert, wenn die Gleichrichter für alle vorkommenden Phasendifferenzwerte arbeiten sollen, den Schalter 12 α (Fig. 3) zu schließen und damit einen Begrenzer 14a über die Transformatoren 12 und 14 wirksam werden zu lassen, so daß die Summe der an den Wicklungen der beiden Transformatoren erzeugten Spannungen nicht allzu groß wird. Dadurch wird verhindert, daß die Gleichrichter 17 und 19 ins Sättigungsgebiet gesteuert werden. Dieser Begrenzer 14a beeinflußt die Wirkungsweise der Gleichrichter 17 und 19 nicht, wenn kleine Phasenwinkel zwischen den Spannungen vorliegen.

Eine modifizierte Ausführung des Phasendiskriminators gemäß der Erfindung zeigt Fig. 5, bei dem Phasendifferenzen ohne Übersteuerung der Diskriminatorschaltung bestimmt werden können. Die Schaltung enthält zwei Schleifen 22 und 23. In der Schleife 22 liegen die Sekundärwicklung desTransformators 24, das gleichrichtende Element 25, der Belastungswiderstand 26 und die Sekundärwicklung des Transformators 27. Die Schleife 23 enthält die Sekundärwicklung des Transformators 28, das gleichrichtende Element 29, den Belastungswiderstand 30 und die Sekundärwicklung des Transformators 27. In der Sekundärwicklung des Transformators 27 wird eine Spannung induziert, die der in der Sekundärwicklung des Transformators 14 der Fig. 3 gleich, aber entgegengesetzt gerichtet ist. Diese Spannung wird mit — B · e₂ bezeichnet und hat gegenüber der Eingangsspannung C₁ den Phasenwinkel Θ. Die Spannung e_x liegt über die Phasenschieber 31 und 32 und über die Transformatoren 24 und 28 an den Schleifen 22 und 23. Die Spannung an der Sekundärwicklung des Transformators 24 sei A · e_x" und ist mit dem Phasenwinkel Φ behaftet, die Spannung an der Sekundärwicklung des Transformators 28 betrage A ■

mit

dem Phasenwinkel — Φ. Die der Spannung e_x durch die Phasenschieber 31 und 32 zugeordneten Winkel Φ und — Φ sind so eingestellt, daß die Spannung A · e_x" mit dem Phasenwinkel Φ gleich der Vekiorsumme von C_x und A-e_x (s. Fig. 4), während die Spannung A · e_x" mit dem Phasenwinkel — Φ gleich der Vektorsumme von —e_x und A ■ e_x ist. Aus dem Vektordiagramm der Fig. 6 ist ersichtlich, daß der Vektor A ■ e_x" mit dem Phasenwinkel φ in die Vektoren e_x und A · e/ der Fig. 4, während A

mit dem

Winkel — Φ in die Vektoren —e_x und A · e_x der Fig. 4 transformiert werden können. Die Schaltung nach Fig. 5 arbeitet somit, wie dem Vektordiagramm der Fig. 6 zu entnehmen ist. ähnlich wie die Schaltung nach Fig. 3 und Vektordiagramm der Fig. 4.

Fig. 7 zeigt eine andere Schaltungsmodifikation des Phasendiskriminators nach Fig. 5, bei welcher der Eingangstransformator zwei Sekundärwicklungen hat. Der Transformator 33 mit den Sekundärwicklungen 33 a und 33 b ist durch die veränderbaren Kondensatoren 34 und 35 oberhalb und unterhalb der Resonanz abgestimmt, so daß die resultierenden Spannungen, die in den Sekundärwicklungen des Transformators 33 induziert werden, gleich denen der Sekundärwicklungen der Transformatoren 24 und 28 in Fig. 5 sind. Die Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 7 ist im weiteren der der Fig. 5 identisch. Dies gilt für alle Phasenwinkel Θ zwischen den beiden Eingangsspannungen (?j und ε.-,.

In den soeben besprochenen Anordnungen für Phasendiskriminatoren gemäß der Erfindung brauchen die Spannungen A · e_x und B ■ c₉ nicht sehr groß zu sein, da es nur auf die Differenz der Spannungen ankommt.

Fig. 8 zeigt eine Anordnung, bei der die Differenz der gegenüber den Eingangsspannungen e_x und e_o erhöhten Spannungen A · e_x und B · e₂ einen relativ kleinen Wert hat und dann verstärkt wird. Die Eingangsspannung e.-, wird einer Elektronenröhre 35 und dem Koppeltransformator 36 zugeführt. In der Sekundärwicklung dieses Transformators entsteht die Spannung e_x. Die Eingangsspannung e_x ist außerdem über einen Phasenschieber 37, der eine Phasennacheilung von 90° bewirkt, an die Primärwicklung des Transformators 38 gelegt. Die Eingangsspannung e.-, speist die Primärwicklung des Transformators 39. Auf Grund des Übersetzungsverhältnisses der Transformatoren 38 und 39 werden in ihren Sekundärwicklungen die Spannungen e_x mit dem Phasenwinkel

— 90° und — e₂ mit dem Phasenwinkel Θ erzeugt und dem Gitter einer Elektronenröhre 40 zugeführt, in der sie verstärkt werden. Im Anodenkreis dieser Röhre liegt die Primärwicklung des Transformators 41. In der Sekundärwicklung dieses Transformators wird die Spannungsdifferenz A ■ e_x (Phasenwinkel —90°)

— B · e₂ (Phasenwinkel Θ) induziert und dem Mittelpunkt der Sekundärwicklung des Transformators 36 zugeführt. Zwischen dem Mittelpunkt der Sekundärwicklung des Transformators 36 und dem Mittelpunkt der beiden Belastungswiderstände 42 und 43 befindet sich also die gleiche Spannung wie im gemeinsamen Zweig der beiden Schleifen 15 und 16 der Fig. 3. Da die Differenz der Spannungen A · e_x und B · e₂ gebildet wird und diese immer verhältnismäßig klein ist, braucht die Spannung selbst von vornherein nicht hoch zu sein. Die Differenz der beiden Spannungen wird ja entsprechend verstärkt und dann erst der Diskriminatorschaltung zugeführt. Da die Verstärkung der Spannungen e_x mit dem Phasenwinkel —90° und —e₉ mit dem Phasenwinkel Θ in dem gemeinsamen Verstärker 40 erfolgt, sind in diesem Falle die Faktoren A und B einander gleich.

Die Erfindung wurde zwar an Hand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Dies stellt jedoch keine Beschränkung ihres Wesens und ihrer Anwendbarkeit im Rahmen der Erfindung dar.

Claims

PATENTANSPBfCHR

1. Phasendiskriminator zur Feststellung kleinster Phasenwinkel zwischen zwei sinusförmigen Wechselspannungen, bei dem je zwei den beiden Wechselspannungen proportionale Spannungen in zwei miteinander verkoppelte und je einen Gleichrichter enthaltende Schleifen eingespeist sind, bei dem die je Schleife gleichgerichtete Spannung an je einem von zwei in Serie geschalteten Widerständen liegt und parallel zu den beiden Widerständen ein Spannungsmesser geschaltet ist, der die Differenzspannung der über den beiden Widerständen liegenden Gleichspannung als Maß für den Phasenwinkel anzeigt, dadurch gekennzeichnet, daß in die beiden Schleifen außer den beiden genannten Spannungen eine dritte Spannung eingespeist ist, die der ersten Wechselspannung proportional, jedoch im Betrag vergrößert ist und auf dieser senkrecht steht, und daß in den beiden Schleifen je die Vektorsumme dieser drei Spannungen gebildet ist.

2. Phasendiskriminator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einkopplung der Spannungen in jede Schleife Transformatoren vorgesehen sind.

3. Phasendiskriminator nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungen in der gemeinsamen Schleifenleitung begrenzt werden.

4. Phasendiskriminator nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die in die gemeinsame Schleifenleitung eingekoppelten Spannungen als auch eine der sinusförmigen Wechselspannungen über Röhrenverstärker verstärkt werden.

5. Phasendiskriminator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die beiden Schleifen gemeinsam eine der sinusförmigen Wechselspannungen eingekoppelt ist und in die eine Schleife zusätzlich eine aus der zweiten sinusförmigen Wechselspannung abgeleitete Spannung höheren Betrages und in die andere Schleife zusätzlich eine Spannung eingeführt ist, die sich aus der Vektordifferenz zwischen der aus der zweiten sinusförmigen Wechselspannung abgeleiteten Spannung höheren Betrages und einer der beiden sinusförmigen Wechselspannungen ergibt.

6. Phasendiskriminator nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die in die eine Schleife eingekoppelte Spannung der zweiten sinusförmigen Wechselspannung, aus der sie abgeleitet ist, um 90° nacheilt und daß die in die zweite Schleife eingekoppelte Spannung dieser sinusförmigen Wechselspannung um 90° voreilt.

7. Phasendiskriminator nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einkopplung der Spannungen in die beiden Schleifen ein Transformator vorgesehen ist, der zwei Sekundärwicklungen besitzt, die mit Hilfe von Kondensatoren auf Resonanz abstimmbar sind, wobei der eine Resonanzpunkt oberhalb der Frequenz der zu messenden zweiten sinusförmigen Wechselspannung, der andere Resonanzpunkt unterhalb der Frequenz der zu messenden zweiten sinusförmigen Wechselspannung liegt, und dabei die in der ersten Schleife auftretende Spannung der Summe der aus der zweiten sinusförmigen Wechselspannung abgeleiteten Spannung höheren Betrages und der ersten sinusförmigen Wechselspannung und die in der zweiten Schleife auftretende Spannung der Differenz dieser beiden Spannungen entspricht.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 807 826;
USA.-Patentschriften Nr. 2 225 348, 2 282 101.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen