DE2501313A1

DE2501313A1 - Network for generation two voltages - produces voltages with constant amplitude and mutual phase shift, from single input voltage

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Publication number: DE2501313A1
Application number: DE19752501313
Authority: DE
Inventors: Sigismund Dr Ing Entleutner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-01-15
Filing date: 1975-01-15
Publication date: 1976-07-22

Abstract

The two output voltages (UA1, UA2) are derived from a single input voltage (2UE) which has a frequency (f) which lies within a wide frequency range. The input voltage (2UE) is applied to two circuits which are connected in parallel, each circuit consisting of two elements which are connected in series. The resistors are different in each circuit, but corresponding resistors in the two circuits have the same values. The phase shifted voltages (UA1, UA2) are collected from junction points (H, V) between the two elements in each circuit, and the second terminal for both voltages is the centre point (M) of the input voltage.

Description

Elektrisches Netzwerk zur Erzeugung von zwei elektrischen Spannungen mit konstanter gegenseitiger Phasenverschiebung und konstanter Amplitude aus einem Eingangssignal in einem großen Frequenzbereich.Electrical network for generating two electrical voltages with constant mutual phase shift and constant amplitude from one Input signal in a wide frequency range.

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Netzwerk zur Erzeugung von zwei elektrischen Spannungen mit konstanter gegenseitiger Phasenverschiebung und konstanter Amplitude aus einem Eingangssignal in einem großen Frequenzbereich.The invention relates to an electrical network for generating two electrical voltages with constant mutual phase shift and constant amplitude from an input signal in a wide frequency range.

Das Netzwerk kann auf verschiedenen Gebieten verwendet werde, z.B.: 1. In Einseitenbandmodulationssystemen nach der Phasenmethode oder nach der sogenannten "dritten Methode" nach Weaver. Hier wird das Modulationssignal und das Trägersignal in 2 Signale mit 900 Phasenverschiebung aufgespalten auf Modulatoren gegeben und summiert. Vorteil: Keine Filter zur Abtrennung von Einseitenbandsignal. GUnstig für tiefe Modulationsfrequenzen, Einfache Erzeugung von unteren oder oberen Seitenband in der Endfrequenzlage. Wird das Netzwerk auch für den Träger verwendet so ist leichter Frequenzwechsel möglich.The network can be used in different areas, e.g .: 1. In single sideband modulation systems according to the phase method or according to the so-called "third method" according to Weaver. Here is the modulation signal and the carrier signal split into 2 signals with 900 phase shift given to modulators and summed up. Advantage: No filters to separate single sideband signals. Cheap for low modulation frequencies, simple generation of lower or upper sideband in the final frequency position. If the network is also used for the carrier it is easier Frequency change possible.

2. Zur Frequenzumsetzung von Signalen nach oben oder unten, gleiche Methoden wie bei 1., Vorteil: Unterdrückung der Spiegelfrequenz ohne Filter. Umsetzung über großen Frequenzbereich möglich.2. For frequency conversion of signals up or down, same Methods as in 1., advantage: suppression of the image frequency without a filter. implementation possible over a wide frequency range.

3. Umsetzung von HF-Signalen in die Niederfrequenzlage (direct conversion receiver) gleiche Methode wie bei 1., Vorteil: Spiegelfrequenzunterdrckung ohne Filter, gut geeignet für Transceiver.3. Conversion of HF signals into the low frequency range (direct conversion receiver) same method as in 1., advantage: image frequency suppression without Filters, well suited for transceivers.

4. Zur Phasenmodulation. Das eine Ausgangssignal eines 900 Netzwerkes wird von der Modulationsfrequenz amplitudenmoduliert und mit dem anderen unmodulierten Ausgangssignal zu einem phasenmodulierten Signal addiert.4. For phase modulation. The one output signal of a 900 network is amplitude-modulated by the modulation frequency and unmodulated with the other Output signal added to a phase-modulated signal.

5. In Zweiphasenresolvern, bei denen die Phasenverschiebung des Ausgangssignals die Winkelverdrehung des Rotors anzeigt.5. In two-phase resolvers, where the phase shift of the output signal indicates the angular rotation of the rotor.

6. Zur Erzeugung der Dopplerfrequenz eines Resolvers mit umlaufendem Rotor. Die Frequenzverschiebung hängt von der Umdrehungszahl und die Richtung der Dopplerverschiebung von der Richtung der Umdrehung ab.6. To generate the Doppler frequency of a resolver with a rotating Rotor. The frequency shift depends on the number of revolutions and the direction of the Doppler shift depends on the direction of rotation.

Netzwerke zur Phasenverschiebung werden meist als Allpässe in Brückenschaltung mit Spulen, übertragern und Kondensatoren aufgebaut. Nachteilig ist die Verwendung von Spulen, Ubertragern, da sie groß, verlustbehaftet, schlecht veränderbar und schwer integrierbar sind. Bei Brückenschaltungen sind außerdem 2 exakt gleiche Elementegruppen notwendig. Es werden mindestens 2 verschiedene Allpässe, deren gegenseitige Phasenkurven um einen konstanten Winkel verschoben sind, gebraucht. Die Berechnung der Elemente ist schwierig, da verlustbehaftete Bauelemente verwendet werden. Bei Frequenzbereichswechsel sind alle Elemente zu verändern.Networks for phase shifting are mostly used as all-passes in a bridge circuit constructed with coils, transformers and capacitors. Use is disadvantageous of coils, transformers, because they are large, lossy, difficult to change and are difficult to integrate. In the case of bridge circuits, there are also 2 exactly the same element groups necessary. There will be at least 2 different all-passes, their mutual phase curves are shifted by a constant angle. The calculation of the elements is difficult because lossy components are used. When changing frequency range all elements have to be changed.

Literaturstellen mit Anwendungsfällen und Realisierungen solcher Netzwerke: 1. Phasenmethode, K.Steinbuch, W.Rupprecht, Nachrichtentechnik 1967, S. 293 2. Erzeugung einer Einseitenbandschwingung, H.Meinke,W.Gundlach, Taschenbuch der HF-Technik 1968, S. 1323 - 1327 Phasenmodulation durch AM, S.1380 3. Passive Synchrodynschaltung für kompatiblen Einseitenbandempfang, G.Hentschel, Funkschau 1973/H7, S. 623 - 625 4. A New Single-Side-Band Carrier System. B.E.Lenehan, Electrical Engineering Juni 1947, S.549 - 552 5. Empfänger für Einseitenband-Rundfunk, Karl Langecker, Radio mentor 1972/6/S. 284 - 286 6. Phase Splitter Network, John Markus, Electronic circuit manual, New York Mc Graw Hill 1969, S. 240 cascaded Phase-Splitter, S. 242 7. All-Pass Filters Accurately Split The Phase, C.C.Routh, Electronic design, Jan. 1965/18, S. 38 - 43 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfach zu realisierende Schaltung zu finden, welche in einem breiten Frequenzbereich aus einem Eingangssignal zwei elektrische Spannungen mit möglichst konstanter gegenseitiger Phasenverschiebung und konstanter Amplitude erzeugt.References with use cases and realizations of such networks: 1. Phase method, K. Steinbuch, W. Rupprecht, Telekommunikation 1967, p. 293 2. Generation a single sideband oscillation, H. Meinke, W. Gundlach, Taschenbuch der HF-Technik 1968, P. 1323 - 1327 Phase modulation by AM, P. 1380 3. Passive synchronous circuit for compatible single sideband reception, G.Hentschel, Funkschau 1973 / H7, pp. 623 - 625 4. A New Single-Side-Band Carrier System. B.E. Lenehan, Electrical Engineering June 1947, pp.549 - 552 5. Receiver for single sideband radio, Karl Langecker, Radio mentor 1972/6 / S. 284-286 6th phase Splitter Network, John Markus, Electronic circuit manual, New York Mc Graw Hill 1969, p. 240 cascaded phase splitter, p. 242 7. All-Pass Filters Accurately Split The Phase, C.C. Routh, Electronic design, Jan. 1965/18, Pp. 38 - 43 The invention is based on the object of a simple To find the circuit to be implemented, which is made in a wide frequency range an input signal two electrical voltages with a mutual constant that is as constant as possible Phase shift and constant amplitude generated.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch folgendes Netzwerk bestehend aus vier verschiedenen Netzwerkelementen gleicher Struktur gelöst. Die von dieser Stelle an als Netzwerkelement bezeichnete Bauelementekombination ist die Parallelschaltung eines ohmschen Widerstandes mit der Serienschaltung eines Kondensators und eines ohmschen Widerstandes (Fig.1). Jeweils zwei Netzwerkelemente sind in Serie geschaltet und liegen mit einer zweiten Serienschaltung von wiederum 2 Netzwerkelementen parallel an der.Eingangsspannung 2 UE der Frequenz f. Die beiden gegeneinander phasenverschobenen Ausgangsspannungen UA1, UA2 werden zwischen den Verbindungspunkten H und V der beiden jeweils zwei in Serie geschalteten Netzwerkelemente und dem elektrischen Mittelpunkt M der Eingangs spannung 2 UE abgegriffen (Fig.1). Die sich entsprechenden ohmschen Widerstände der jeweils parallelliegenden zwei in Serie geschalteten Netzwerkelemente haben gleiche Größe; also 4 Paare gleicher ohmscher Widerstände 2xR/2cR/2xR/2xR. Die YLondensatoren sind voneinander verschieden C1/C2/C3/C4 (Fig.1).According to the invention, this task consists of the following network solved from four different network elements of the same structure. The one from this one Instead of the component combination referred to as a network element, there is the parallel connection an ohmic resistor with the series connection of a capacitor and a ohmic resistance (Fig. 1). Two network elements are connected in series and are in parallel with a second series connection of again 2 network elements at the input voltage 2 UE of the frequency f. The two mutually phase-shifted Output voltages UA1, UA2 are between the connection points H and V of the two two network elements connected in series and the electrical center point M of the input voltage 2 UE tapped (Fig. 1). The corresponding ohmic Resistances of the two parallel network elements connected in series have the same size; i.e. 4 pairs of the same ohmic resistors 2xR / 2cR / 2xR / 2xR. The Y capacitors are different from each other C1 / C2 / C3 / C4 (Fig. 1).

Erläuterung der Wirkungsweise des Netzwerkes gemäß der Erfindung: Es soll zuerst die Erzeugung der ersten Ausgangsspannung UAl erläutert werden. Die Eingangsspannung 2 UE liegt über der Serienschaltung von zwei Netzwerkelementen bestehend aus R1/R2/C1 und R3/R4/Cz (Fig.2). UAl ist die Spannung, die zwischen dem Verbindungspunkt H der beiden Netzwerkelemente der ersten Serienschaltung bestehend aus R1/R2/C1 und R3/R4/C2 und dem elektrischen Mittelpunkt M der Eingangsspannung 2 UE liegt. Die Spannung über dem einen Netzwerkelement bestehend aus R1/R2/C1 wird mit U bezeichnet. Bei variabler Frequenz der Eingangsspannung 2 UE bewegt sich die Spitze H des Spannungszeigers U auf einem Kreis (Fig.3). Bei geeigneter Dimensionierung der Bauelemente liegt der Mittelpunkt dieses Kreises auf der Spitze des halben Eingangsspannungszeigers, gleich UE, gleich dem elektrischen Mittelpunkt M. Da UA1 der Potentialunterschied zwischen den Potentialen der Punkte H und M ist, entspricht der Betrag der Spannung UA1 dem Radius des Kreises und ist somit bei variabler Frequenz der Eingangsspannung konstant (Fig.3). Der Phasenwinkel 1 der Ausgangsspannung UA1 gegenüber UE ist dagegen eine Funktion der Frequenz f. Es ergibt sich ein Phasengang #1 = f<f) (Fig.4). Die zweite Serienschaltung zweier Netzwerkelemente liefert in der gleichen Weise die zweite Ausgangsspannung UA2 zwischen dem Verbindungspunkt V der beiden Netzwerkelemente und M (Fig.1). Diese beiden Netzwerkelemente sind in den ohmschen Widerständen den vorhergehenden Netzwerkelementen gleich, also auch R1/R2/R3/R4, aber in den Kapazitäten verschieden, also C3/C4 (Fig.1). Es ergibt sich dadurch ein Phasengang #2 =f(f),der gegenüber dem ersten Phasengang #1 =f(f) verschoben ist (Fig.4). Es ist leicht zu ersehen, daß bei der Frequenz f=0 und f gleich unendlich die beiden Serienschaltungen von je 2 Netzwerken in den Impedanzwerten rein ohmisch und gleich sind.Explanation of the mode of operation of the network according to the invention: The generation of the first output voltage UAl will first be explained. the Input voltage 2 UE is above the series connection of two network elements consisting of R1 / R2 / C1 and R3 / R4 / Cz (Fig. 2). UAl is the voltage between the connection point H of the two network elements of the first series circuit from R1 / R2 / C1 and R3 / R4 / C2 and the electrical center point M of the input voltage 2 units. The voltage across the one network element consisting of R1 / R2 / C1 becomes marked with U. If the frequency of the input voltage 2 UE is variable, the Tip H of the voltage vector U on a circle (Fig. 3). With suitable dimensioning of the components, the center of this circle is on the tip of half the input voltage vector, equal to UE, equal to the electrical one Center point M. Da UA1 is the potential difference is between the potentials of the points H and M, the amount corresponds to the voltage UA1 is the radius of the circle and is therefore the input voltage at a variable frequency constant (Fig. 3). The phase angle 1 of the output voltage UA1 with respect to UE is on the other hand a function of the frequency f. The result is a phase response # 1 = f <f) (FIG. 4). The second series connection of two network elements delivers in the same way the second output voltage UA2 between the connection point V of the two network elements and M (Fig.1). These two network elements are in the ohmic resistors the same as previous network elements, i.e. also R1 / R2 / R3 / R4, but in terms of capacities different, i.e. C3 / C4 (Fig. 1). This results in a phase response # 2 = f (f), the compared to the first phase response # 1 = f (f) is shifted (Fig. 4). It's easy to see that at the frequency f = 0 and f equals infinity, the two series connections of every 2 networks in the impedance values are purely ohmic and the same.

Dies weist darauf hin, daß in diesen Frequenzpunkten die Ausgangsspannungen UA1 und UA2 in Phase mit UE und gleich groß sind. Durch geeignete Dimensionierung der Bauelemente ist es möglich, über einen relativ großen Frequenzbereich fMin bis fMaX die Winkeldifferenz # der Ausgangsspannungen nahezu konstant bei konstanten gleich großen Amplituden zu halten.This indicates that in these frequency points the output voltages UA1 and UA2 are in phase with UE and are of the same size. Through suitable dimensioning of the components, it is possible over a relatively large frequency range fMin to fMaX is the angle difference # of the output voltages almost constant at constant to keep amplitudes of the same size.

Mittenfrequenz (Fig.4). Es ergibt sich ein Winkelfehler ##=#2-(#1+#)=#2-#1-#. Wird die Winkelabweichung ## vom gewünschten Phasenunterschied g über der Frequenz f aufgetragen (Fig.5), so ergibt sich eine schlangenförmige Kurve mit maximal 4 Nullpunkten und drei Maximas (=##Max). Die Frequenzgrenzen Min und fMax sind erreicht, wenn bei niedrigen und hohen Frequenzen ebenfalls##Max erreicht wird.Center frequency (Fig. 4). The result is an angle error ## = # 2 - (# 1 + #) = # 2- # 1- #. If the angular deviation ## from the desired phase difference g is plotted against the frequency f (Fig. 5), a serpentine curve with a maximum of 4 zero points and three maximums (= ## Max) results. The frequency limits Min and fMax are reached when ## Max is also reached at low and high frequencies.

Das Netzwerk gemäß der Erfindung hat folgende Vorteile: 1. Geringe Winkelabweichung über großen Frequenzbereich, z.B. bei 900-Netzwerk: 1,350 maximale Abweichung bei Frequenzbereich fMin:fMax=1:12 5,54° maximale Abweichung bei Frequenzbereich f :f= 1:50 2. Relativ einfache Schaltung mit 4 Paaren gleicher ohmscher Widerstände. Nur vier Kondensatoren. Keine Spulen, Ubertra ger, daher klein, gut trimmbar und integrierbar. Keine verlustbehafteten Elemente; deshalb gut berechenbare Elemente und Phasenkurven. Sehr gut verwendbar für sehr tiefe Frequenzen. Gleiche, symmetrische Eingangsspannungen UE gegen Mitte oder Erde. Bei Frequenzbereichswechsel mUssen entweder nur die 4 Kondensatoren ausgetauscht oder die Widerstände verändert werden. Kein Allpaß mit 2 gleichen Zweigen, die schwer abzugleichen sind.The network according to the invention has the following advantages: 1. Low Angular deviation over a large frequency range, e.g. for a 900 network: 1.350 maximum Deviation in frequency range fMin: fMax = 1: 12 5.54 ° maximum deviation in frequency range f: f = 1:50 2. Relatively simple circuit with 4 pairs of the same ohmic resistors. Only four capacitors. No coils, transmitters, therefore small, easy to trim and integrable. No lossy elements; therefore easily predictable Elements and phase curves. Very useful for very low frequencies. Same, symmetrical input voltages UE against center or earth. When changing frequency range Either only the 4 capacitors have to be replaced or the resistors have to be changed will. No all-pass with 2 identical branches that are difficult to match.

3. Wird bei der Dimensionierung der Elemente auf konstante Ausgangsspannungen verzichtet, also ein Amplitudenfehler AUAl'2 zugelassen, so ergibt sich ein noch geringeres ##Max Im allgemeinsten Fall sind dann alle Netzwerkelemente auch in den ohmschen Widerständen voneinander verschieden, R1 bis 8' bis 4 (Fig.10).3. Is used when dimensioning the elements to constant output voltages waived, that is, an amplitude error AUAl'2 is allowed, then a still results lower ## Max In the most general case, all network elements are then also in the Ohmic resistances different from one another, R1 to 8 'to 4 (Fig. 10).

Die folgenden drei speziellen Beispiele mit der Dimensionierung von 900-Netzwerken dienen zur weiteren Erläuterung der Erfindung, ohne die Erfindung zu begrenzen: Die ohmschen Widerstände R1/R2/R3/R4 sind auf R1 normiert, ebenso die Blindwiderstände X1/X2/X3/X4 der Kondensatoren C1/C2/C3/ 1 C4 bei fo. Also z.B. X1 = . (Fig.1).The following three specific examples with the dimensioning of 900 networks serve to further explain the invention without the invention to be limited: The ohmic resistances R1 / R2 / R3 / R4 are normalized to R1, as well the reactances X1 / X2 / X3 / X4 of the capacitors C1 / C2 / C3 / 1 C4 at fo. So e.g. X1 =. (Fig.1).

1.Beispiel: R1=1/R2=3,5/R3=1,5/R4=5,25/X1=7,78/X2=2,8775/X3= 2,3457/X4=0,08676. Diese Werte ergeben ein Verhältnis der Ausgangsspannungen zur Eingangsspannung UA1,2:UE von 0,2:1 bei einem ##Max von 1,80 2. Beispiel: R1=1/R2=5,845/R3=1,85/R4=10,8132/X1=13,4348/X2= 3,7929/X3=3,3386/X4=0,9425. Es ergibt sich UA1,2:UE=0,298:1 und ein Frequenzbereich von 1:12 bei ##Max = 1,350.1st example: R1 = 1 / R2 = 3.5 / R3 = 1.5 / R4 = 5.25 / X1 = 7.78 / X2 = 2.8775 / X3 = 2.3457 / X4 = 0.08676. These values result in a ratio of the output voltages to the input voltage UA1,2: UE of 0.2: 1 with a ## Max of 1.80 2nd example: R1 = 1 / R2 = 5.845 / R3 = 1.85 / R4 = 10.8132 / X1 = 13.4348 / X2 = 3.7929 / X3 = 3.3386 / X4 = 0.9425. The result is UA1.2: UE = 0.298: 1 and a frequency range from 1:12 at ## Max = 1.350.

Dies ergibt bei der Erzeugung eines Einseitenbandsignales mit der Phasenmethode in einem Frequenzbereich von 1:12 gleich 300 bis 3600 Hz eine Mindestrestseitenbanddämpfung von 38,5 dB bei ##Max = 1,35°.This results in the generation of a single sideband signal with the Phase method in a frequency range of 1:12 equals 300 to 3600 Hz, a minimum residual sideband attenuation of 38.5 dB at ## Max = 1.35 °.

3.Beispiel: R1=1/R2=9,8578/R3=2,33/R4=22,9687/X1=24,1667/X2= 5,2755/X3=4,7955/X4=1,0468. Es ergibt sich UA1,2:UE=0,399:1 und ein Frequenzbereich von 1:50 bei ##Max=5,54°.3rd example: R1 = 1 / R2 = 9.8578 / R3 = 2.33 / R4 = 22.9687 / X1 = 24.1667 / X2 = 5.2755 / X3 = 4.7955 / X4 = 1.0468. This results in UA1,2: UE = 0.399: 1 and a frequency range of 1:50 at ## Max = 5.54 °.

Trägt man die Abweichungen ## von 900 für alle drei Beispiele über einem logarithmierten auf f0 normierten Frequenzmaßstab auf, so ergeben sich zu f/fQ=1 symmetrische Kurven (Fig.6).If one transfers the deviations ## from 900 for all three examples on a logarithmized frequency scale normalized to f0, then result in f / fQ = 1 symmetrical curves (Fig. 6).

Bei einem Frequenzbereich von 1:7 würde sich für den ##-Verlauf ein Flachpunkt ergeben. Die Anschaltung des Netzwerks an die Quelle UE kann z.B. über einen Ubertrager mit symmetrischer Mittelanzapfung (Fig.7) oder mit einer Gegentakt-oder Phasenumkehrstufe (Fig.8) oder über zwei Operationsverstärker, wobei einer als Inverter geschaltet ist, durchgeführt werden (Fig.9).With a frequency range of 1: 7, the ## curve would be a Result in flat point. The connection of the network to the source UE can be done e.g. via a transformer with a symmetrical center tap (Fig.7) or with a push-pull or Phase reversal stage (Fig.8) or via two operational amplifiers, one as an inverter is switched on (Fig. 9).

Letztere Lösung ist z.B. gut geeignet für niedrige Frequenzen, wenn also ein Übertrager zu groß wird. Außerdem ist es günstig in allen Fällen für UA1 und UA2 einen Impedanzwandler nachzuschalten, damit das Netzwerk nicht zu stark belastet wird.The latter solution is e.g. well suited for low frequencies, if so a transformer is too big. It is also cheap for UA1 in all cases and UA2 to connect an impedance converter downstream so that the network is not too strong is charged.

Claims

1. Electrical network for generating two electrical voltages UA1, UA2 with constant mutual phase shift and constant amplitude from an input voltage 2 UE of frequency f in a large frequency range, characterized in that the input voltage 2 UE (Fig.1) to a parallel connection is given by two network elements connected in series, one Network element the parallel connection of an ohmic resistor with the series connection a capacitor and an ohmic resistor and the corresponding ohmic resistances of the two parallel network elements connected in series have the same size, i.e. 4 pairs of the same ohmic resistors 2xR1 / 2xR2 / 2xR3 / 2xR4 and the two mutually phase-shifted output voltages UA1 and UA2 between the two connection points H and V of the two in each case two connected in series Network elements and the electrical center point M of the input voltage 2 UE removed (Fig.1).

2. Network according to claim 1, characterized in that the restriction to dimension the ohmic resistances equally for two network elements, disappears, so there are not four different ohmic resistance values, but can result in up to 8 different ohmic resistance values (Fig. 10).

3. Network according to claim 1 and 2, characterized in that the Network determined by converting or expanding the networks according to claims 1 and 2 can be, e.g. by converting all or individual network elements into the series connection of an ohmic resistor with a parallel connection of a Capacitance and an ohmic resistance (Fig. 11), or expansion of half the network, e.g. to generate UA1 by connecting 2 interchanged network elements in parallel to a symmetrical bridge pass each with 2 identical network elements (Fig.12), whereby this symmetrical bridge then bridged into equivalent links as T-links, double T-links, four-pole with transformer (Fig. 12), active all-pass or other networks can be converted and consequently two such links for UA1 and UA2 become necessary.

L e r s e i t e