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Elektronischer Frequenzteiler mit astabilem Multivibrator im Ausgangskreis
und einem an den Multivibrator angeschlossenen Kondensator als Quelle einer die
Ausgangsfrequenz bestimmenden Referenzspannung Die Erfindung betrifft einen elektronischen
Frequenzteiler mit astabilem Multivibrator als Erzeuger der Ausgangsfrequenz, außerdem
mit einem an den Multivibrator angeschlossenen Kondensator als Quelle einer die
Ausgangsfrequenz bestimmenden Referenzspannung und mit einem an die Quelle der Eingangsfrequenz
angeschlossenen und an den Multivibrator rückgekoppelten Phasenkomparator, dessen
Ausgang mit dem Kondensator in Verbindung steht und den Ladungszustand des Kondensators
abhängig von der Phasenlage der Eingangs- zur Ausgangsfrequenz bestimmt. Der Begriff
»Frequenzteiler« soll an dieser Stelle auch den Begriff »Frequenzvervielfältiger«
umfassen, da beide Begriffe lediglich entgegengesetzte Aufgabenstellungen zum Ausdruck
bringen, die mit Hilfe von nach gleichen Bauprinzipien aufgebauten Einrichtungen
gelöst werden können.
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Ein Frequenzvervielfacher der obengenannten Bauart ist bereits bekanntgeworden
(USA.-Patent 2 824 229). Dieser bekannte Frequenzvervielfacher hat aber den Nachteil,
daß sein Frequenzkomparator verhältnismäßig kompliziert aufgebaut ist und sich nicht
für den Vergleich der Frequenzen von Sinusschwingungen mit denen binärer Impulse
eignet und daß sich die gesamte Schaltung keinesfalls integrieren ließe, selbst
wenn die Elektronenröhren durch Halbleiterelemente ersetzt würden.
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Es ist auch schon vorgeschlagen worden (deutsche Auslegeschrift 1246
031), eine Kippschaltung als Frequenzteiler mit einem Teilungsverhältnis größer
als 2 zu verwenden und bei dieser Kippschaltung die relative Bandbreite des Teilungsverhältnisses
durch zusätzliche, von den für die Gleichstromkopplung vorgesehenen Spannungsteilern
entkoppelte Widerstände vorzusehen. Die entkoppelten Widerstände sollen vorschlagsgemäß
die richtige Funktion der RC-Glieder stabilisieren, die die Phasenlänge der Ausgangsfrequenz
und damit gleichzeitig das Frequenzteilungsverhältnis mitbestimmen.
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Ganz abgesehen davon, daß die vorgeschlagene Frequenzteilerschaltung
sehr viel Energie verbrauchen würde, hat sie außerdem den Nachteil, daß die Betriebsspannung
für die Schaltung sehr konstant gehalten sein muß, weil die Betriebsspannung neben
der Dimensionierung der RC-Glieder entscheidend die Ausgangsfrequenz beeinfiußt.
Ein zusätzlicher Nachteil der vorgeschlagenen Frequenzteilerschaltung besteht schließlich
darin, daß diese voraussichtlich nur bei geringen Teilungsverhältnissen zuverlässig
arbeitet und bei konstanter Eingangsfrequenz und hohem Frequenzteilungsverhältnis
am Ausgang ein ganzes Frequenzband erzeugen würde. Der vorliegenden Erfindung liegt
demgegenüber die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile zu überwinden und einen
auf kleinstem Raum integrierbaren Frequenzteiler zu schaffen, der bei besonders
kleinem Energieverbrauch zuverlässig arbeitet.
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Ausgehend von der Schaltung des bekannten Frequenzvervielfachers mit
bistabilem Multivibrator als Erzeuger der Ausgangsfrequenz, außerdem mit einem an
den Multivibrator angeschlossenen Kondensator als Quelle einer die Ausgangsfrequenz
bestimmenden Referenzspannung und mit einem an die Quelle der Eingangsfrequenz angeschlossenen
und an den Multivibrator rückgekoppelten Phasenkomparator, dessen Ausgang mit dem
Kondensator in Verbindung steht und den Ladungszustand des Kondensators abhängig
von der Phasenlage der Eingangs- zur Ausgangsfrequenz bestimmt, besteht die Lösung
der Aufgabe erfindungsgemäß in einer Triode, vorzugsweise einem Transistor im Phasenkomparator,
deren Eingang mit dem Ausgang des Multivibrators und deren Ausgang mit der Quelle
der Eingangsfrequenz einerseits und mit dem genannten Kondensator andererseits in
Verbindung steht. Am Eingang dieser Triode des Phasenkomparators kann sich im Rahmen
der Erfindung ein RC-Glied in der das Eingangssignal an der Triode zeitlich begrenzenden
Schaltung befinden.
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Es ist zwar auch schon ein Multivibrator bekanntgeworden, der als
Oszillator insbesondere rechteckförmige Schwingungen erzeugen soll. Bei diesem bekannten
Multivibrator ist ein Transistor vorgesehen,
der an den Ausgang
des Multivibrators angeschlossen ist und eine Referenzspannung an einem Kondensator
steuert. Die Referenzspannung soll das Gleichgewicht zwischen den Amplituden der
einander entgegengesetzten Signale des Multivibrators herstellen, so daß die bekannte
Schaltung zur Erzeugung niederer Frequenzen geeignet ist.
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Der genannte Transistor der bekannten Schaltung gehört also nicht
einem Phasenkomparator an, und es besteht auch keine Kopplung zwischen diesem Transistor
und einer Eingangsfrequenz. Die bekannte Schaltung eignet sich demgemäß nicht als
Frequenzteiler oder Frequenzvervielfacher.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend mit Hilfe der
Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen stellt
dar F i g. 1 ein Prinzipschema der Schaltung, F i g. 2 ein Diagramm, welches das
Funktionieren der in F i g. 1 dargestellten Schaltung erklärt, und F i g. 3 bis
6 vier verschiedene Ausführungsbeispiele im Detail.
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Die in F i g. 1 gezeigte Schaltung weist einen astabilen Multivibrator
M auf, der ein periodisches Signal u2 liefert. Die Frequenz F2 dieses Signals ist
einstellbar mit Hilfe einer in einem Kondensator C gespeicherten Regelspannung u,.
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Ein elektronischer Schalter I, der in jeder Periode des Signals u2
während eines kurzen Zeitraums geschlossen wird, verbindet die den Innenwiderstand
R1 aufweisende Quelle des periodischen Eingangssignals u1, das die Frequenz F1 besitzt,
mit den Klemmen des Kondensators C. Dies bewirkt, daß letzterer auf eine Spannung
u3 geladen wird, die abhängig ist von der relativen Phase der Signale u1 und u2.
Anders ausgedrückt ist die Spannung u3 bei Gleichgewicht gleich dem Wert von ui
in den Zeitpunkten, in denen das Signal u2 eine genau bestimmte Phase durchläuft,
in dem in F i g. 2 gezeigten Fall in den Zeitpunkten, in denen der Multivibrator
vom einen in den anderen Zustand kippt. Der mittlere Teil in F i g. 2 gibt die Stellung
des Schalters 1 an. Bei 0 ist der Schalter offen, bei F ist er geschlossen. In den
drei Teilen der F i g. 2 bezeichnet t die Zeitachse.
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Bei geeigneter Dimensionierung ist es möglich, die Ausgangsfrequenz
F2 auf ein Unter-Vielfaches der Eingangsfrequenz F1 zu koppeln. Die beiden Frequenzen
bleiben in bestimmten Grenzen gekoppelt, wenn die Frequenz F1 langsam verändert
wird. In der Tat bewirkt eine Änderung von F1 eine Änderung der relativen Phasen
der Signale ui und u2, also eine Änderung des Regelsignals u2. Dieses Signal wirkt
auf die Frequenz F2 des Signals u2, so daß F2 den Änderungen von F1 folgt.
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Im Fall der F i g. 2 beträgt das Verhältnis n der Frequenzen F:,/F2
drei.
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Die Schaltung gestattet, Verhältnissen von mehreren Hundert zu erreichen.
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F i g. 3 zeigt das Detailschema einer ersten Ausführungsform.
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Der Multivibrator Ma weist zwei Transistoren T"" T3, des Typs
NPN auf, wobei die Basis des einen Transistors über einen Kondensator 1 a mit dem
Kollektor des zweiten Transistors und die Basis des zweiten Transistors über einen
Kondensator 2a mit dem Kollektor des ersten Transistors verbunden ist. Die Emitter
der beiden Transistoren sind mit dem Minus-Pol einer Spannungsquelle verbunden,
während die Kollektoren über Widerstände 3 a bzw. 4 a mit der positiven Spannungsquelle
verbunden sind.
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Aus der Theorie des Multivibrators ist bekannt, daß dessen Frequenz
dadurch geändert werden kann, indem die Spannung u3 a geändert wird.
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Der Schalter I a weist einen Transistor T1 a des Typs PNP auf, dessen
Basis mit einem Stromkreis Rda-Cda verbunden ist, welcher gestattet, daß an der
Basis von T1 a Stromimpulse erhalten werden, die abgeleitet sind von den am Kollektor
von T", erscheinenden Rechteckimpulsen. Die Quelle des Eingangssignals ui a ist
mit einer Klemme des Kondensators Ca
und dem Kollektor von T1 a verbunden,
die andere Klemme des Kondensators Ca und der Emitter von T1 a sind mit dem
Plus-Pol der erwähnten Spannungsquelle verbunden.
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Die Schaltung arbeitet wie folgt: Der Multivibrator Ma erzeugt
Rechteckimpulse, deren Wiederholungsfrequenzen von der Spannung u", abhängig sind.
Der Schaltkreis Cda-Rda liefert einen kurzen Stromimpuls an die Basis des Transistors
T1 a, der aus diesem Grund leitend wird und die Quelle des Eingangssignals ui a
mit den Klemmen des Kondensators Ca verbindet, welcher sich auf eine Spannung
u. auflädt, die gegen den Augenblickswert von u1 a im Moment der Impulsgabe tendiert.
Diese Spannung u", welche bis zum Erscheinen des nächsten differenzierten Impulses
gespeichert wird, wird dem Verbindungspunkt der Widerstände an der Basis der Transistoren
T2 a und T3 a zugeführt und steuert auf diese Weise die Frequenz des Multivibrators.
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In den folgenden Ausführungsbeispielen weisen gleiche Elemente wie
in F i g. 3 zur Abkürzung der Beschreibung gleiche Bezugszeichen auf, jedoch anstatt
des Index »a« den Index »b« für F i g. 4, den Index »c« für F i g. 5 und
»d« für F i g. 6.
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Die in F i g. 4 gezeigte Schaltung unterscheidet sich von der vorstehend
beschriebenen dadurch, daß sie nur Transistoren des gleichen Typs NPN aufweist.
Aus diesen Grund ist ein Umkehrstromkreis I v vorgesehen, der einen Transistor T¢
b und zwei Widerstände 7 b und 8 b aufweist und der zwischen den Multivibrator
Mb und das Differentierglied Cdb-Rdb des Schalters I b geschaltet ist, wobei
der Kollektor des Transistors T1 b über eine Diode 10 b gespeist wird. Die
Quelle des Eingangssignals ui b ist mit dem Minus-Pol der Speisequelle, der die
Erde bildet, und dem Verbindungskondensator 9 b verbunden. Unabhängig von der Verwendung
von Transistoren des gleichen Typs weist diese Ausführungsform den Vorteil auf,
daß eine Quelle des Eingangssignals u1 b
benutzt werden kann, deren einer
Pol auf Erde liegt.
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Beim Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 5 wurden in den Multivibrator
Mc zwei Widerstände 11 c und 12 c und zwei Dioden 13 c und 14 c geschaltet, um seine
Frequenz gegen Veränderungen der Speisespannung oder der Temperatur zu stabilisieren.
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Die dargestellten Modifikationen gestatten die Einsparung des Umkehr-Transistors
T4 b der F i g. 4. Dagegen wird die Klemmenspannung des Kondensators Cc dem
Multivibrator mittels eines zusätzlichen Transistors T., zugeführt, was gestattet,
eine Quelle von ui C mit hohem Innenwiderstand und eine kleine Kapazität Cc zu verwenden.
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Ein viertes Ausführungsbeispiel ist in F i g. 6 dargestellt. Der Stromkreis
in der Basis des Umkehrtransistors T$ d wurde verbessert, so daß ein Signal
mit noch steilerer positiver Flanke am Kollektor und
damit ein genaueres
Maß erhalten wird, wie es erforderlich ist für eine hohe Eingangsfrequenz. Diese
Verbesserung besteht darin, daß in der erwähnten Basis eine Parallelschaltung eines
Widerstandes 7d, einer Diode 15 d und eines Kondensators 16 d vorgesehen
wird.
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Die Verwendung einer gewöhnlichen Ausgangs-Verstärkerstufe
T5 d gestattet mit einem erhöhten Innenwiderstand R1 d der Quelle
u1 d und mit einer kleinen Kapazität 9 d zu arbeiten, mit dem Vorteil gegenüber
der Schaltung nach F i g. 5, daß das mittlere Niveau des Steuersignals us
d nicht abgesenkt wird, was sehr wichtig ist, wenn die Schaltung mit niedriger
Speisespannung arbeiten muß. Es wird dadurch gleichzeitig eine Kompensation der
Auswirkungen von Temperatur- und Speisespannungsschwankungen erreicht.
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Die Speisung des Kollektors des Transistors T1 d
erfolgt mittels
eines Spannungsteilers 17 d, 18 d, diejenige des Transistors T5 d über zwei
Widerstände 19 d und 20 d.