Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer in ihrer Frequenz modulierten
Hochfrequenzschwingung hoher Frequenzgenauigkeit
Um bei der Erzeugung einer in ihrer Frequenz modulierten Hochfrequenzschwingung eine sehr hohe Frequenzgenauigkeit zu erzielen, ist es bekannt, die Frequenz eines Schwingkristalls direkt oder die mit Hilfe eines Schwingkristalls erzeugte Schwingung in der Phase zu modulieren. Bei der direkten Frequenzmodulation genügt jedoch in den meisten Fällen der dabei erreichte Frequenzhub den gestellten Anforderungen nicht, so dass ein Kristall einer verhältnismässig niedrigen Frequenz verwendet und das erzeugte Signal vervielfacht werden muss.
Dabei ist eine grosse Verstärkung der Signale unumgänglich. Selbst wenn der mit dem Kristall erzielte Frequenzhub ausreicht, die Amplitude der benötigten Schwingung jedoch grösser sein muss als sie mit einem Kristalloszillator erzeugt werden kann, bleibt als Nachteil die Notwendigkeit einer hohen Verstärkung zurück. Durch die Vervielfachung entstehen jedoch Nebenfrequenzen, und durch die Verstärkung erhält die erzeugte Schwingung einen unerwünschten Rauschanteil. Phasenmodulation ist an sich nur für symmetrische sinusförmige Modulationssignale geeignet, so dass die Verarbeitung von Gleichstromkomponenten enthaltenden Signalen für verhältnismässig kurze Signalabschnitte zwar möglich ist, jedoch einen grossen Aufwand erheischt.
Diese Schwierigkeiten können umgangen werden durch Verwendung eines freischwingenden Hochfrequenzoszillators niedriger Frequenzgenauigkeit, dessen Pegel wesentlich höher als derjenige eines Kristalloszillators gewählt werden kann und dessen mittlere Frequenz durch eine Regelung auf einem genauen Wert gehalten wird. Die bekannteste Regelung ist die Proportionalitätsregelung, bei welcher ein Teil der erzeugten Schwingung in einer Prüfschaltung mit einem frequenzstabilen Bezugssignal gemischt und die dabei entstehende Differenzfrequenz einem der Prüfschaltung angehörigen Frequenzdiskriminator zugeführt wird. Das Ausgangssignal des Diskriminators, dessen Polarität vom Vorzeichen und dessen Spannung von der Grösse der Differenz zwischen der erzeugten Frequenz und der Sollfrequenz abhängt, wird dem Schwingungserzeuger zwecks Korrektur seiner Frequenzablage zugeführt.
Mit dieser Art von Regelung lässt sich zwar die Ungenauigkeit der erzeugten Frequenz gegenüber der Sollfrequenz beträchtlich vermindern, aber nicht vollständig zum Verschwinden bringen. Ausserdem ist diese Art von Regelung auf die Verwendung symmetrischer Modulationssignale beschränkt, d. h. solcher Modulationssignale, welche keine Gleichstromkomponente enthalten. Bei der Verwendung unsymmetrischer Modulationssignale würde anstelle der dem Nullwert des Modulationssignals entsprechenden Frequenz die Mittelfrequenz der erzeugten Schwingung auf die Frequenz des Bezugssignals ausgerichtet, was in diesem Falle nicht erwünscht ist, indem die beiden Werte um einen der Gleichspannungskomponente entsprechenden Wert voneinander abweichen. Mit unsymmetrischen Signalen ist jedoch in der Telegraphie und bei Messwertund anderer Datenübertragung zu rechnen.
Neben dieser Proportionalitätsregelung der Frequenz des Schwingungserzeugers ist es auch bekannt geworden, als Prüfschaltung, welche aufgrund des Vergleichs eines Teiles des Ausgangssignals des Schwingungserzeugers mit einem die Sollfrequenz aufweisenden Bezugssignal eine Korrekturspannung erzeugt, eine Phasenvergleichsschaltung zu verwenden. Die Frequenz des Schwingungserzeugers entspricht dann genau der Sollfrequenz. Diese Schaltungsanordnung besitzt jedoch den Nachteil, dass sie keine Frequenzmodulierung des Schwingungserzeugers erlaubt, indem sie nur richtig arbeiten kann, wenn auch die Momentanwerte der beiden zu vergleichenden Frequenzen dauernd genau übereinstimmen.
Mit der vorliegenden Erfindung soll es nun ermöglicht werden können, eine der beiden Regelungsarten anzuwenden und unter Beibehaltung der der betreffenden Regelungsart innewohnenden Vorteile einen Schwingungserzeuger mit einem beliebigen Modulationssignal zu modulieren. Sie betrifft somit eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer in ihrer Frequenz modulierten Hochfrequenzschwingung hoher Frequenzgenauigkeit, welche mindestens einen Schwingungserzeuger enthält, dessen Frequenzablage durch eine erste und eine zweite an ihn angelegte Spannung je gegenseitig unabhängig beeinflusst werden kann. Diese Schaltungsanordnung enthält weiter eine Prüfschaltung, welche die Frequenz der erzeugten Schwingung mit einer Sollfrequenz vergleicht und eine von der diesbezüglichen Abweichung abhängige Korrekturspannung erzeugt.
Diese Schaltungsanordnung ist gekennzeichnet durch nach einem Programm gesteuerte Schalter, welche in einer ersten Phase zwecks Angleichung der vom Schwingungserzeuger erzeugten Frequenz an die Sollfrequenz die genannte Korrekturspannung als die genannte erste Spannung dem Schwingungserzeuger und parallel dazu einer Kapazität zuführen, und ein festes Bezugspotential als die genannte zweite Spannung an den Schwingungserzeuger legen. Ein weiteres Kennzeichen dieser Schaltungsanordnung besteht darin, dass diese Schalter in einer zweiten Phase den Ausgang der Prüfschaltung, unter Belassung der Verbindung zwischen Schwingungserzeuger und Kapazität, unterbrechen und anstelle des genannten Bezugspotentials ein Modulationssignal anlegen. Das Ganze spielt sich dabei derart ab, dass die beiden Phasen ununterbrochen miteinander abwechseln.
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels erklärt, dessen Blockschema in der einzigen Figur dargestellt ist. Der wichtigste Teil der dargestellten Schaltungsanordnung ist der Schwingungserzeuger 0. Die Frequenz der von ihm erzeugten Hochfrequenzschwingung kann in gewissen Grenzen durch Anlegen von Spannungen an die beiden Eingänge ei und e2 unabhängig verändert werden, indem durch die beiden Spannungen beispielsweise je eine spannungsabhängige Kapazität gesteuert wird. Am Eingang M der Schaltungsanordnung wird ein Modulationssignal und am Eingang B ein frequenzstabiles Bezugssignal zugeführt. Eine an sich bekannte Phasenvergleichsschaltung P erhält je ein Signal vom Schwingungserzeuger 0 und vom Eingang B. Ihr Ausgang ist über den elektronischen Schalter S1 mit dem Regeleingang ei des Schwingungserzeugers verbunden.
Zwischen Schalter und Eingang ist eine Kapazität C parallel an diese Verbindung angeschlossen. Der elektronische Schalter S2 legt im Ruhezustand Massepotential an den Modulationseingang e2 des Schwingungserzeugers 0 und verbindet im Arbeitszustand diesen Eingang mit dem Eingang M, an welchem ein Modulationssignal zugeführt wird. Der elektronische Schalter S3 verbindet in seinem Arbeitszustand den Ausgang des Schwingungserzeugers O mit dem Ausgang A der gesamten Schaltungsanordnung und trennt ihn im Ruhezustand davon ab. Dieser Schalter ist nur notwendig, sofern nicht das Ausgangssignal auf nicht dargestellte Weise anderweitig unterbrochen oder an seiner Wirksamkeit verhindert werden kann. Der Programmgeber PG steuert die drei elektronischen Schalter Sl, S2 und S3.
In einer ersten Betriebsphase befinden sich nun, gesteuert durch den Programmgeber PG, die drei Schalter S in einem der Figur entsprechenden Zustand. Da der Modulationseingang e2 durch den Schalter S2 an Masse, d. h. an ein festes Bezugspotential gelegt ist, befindet sich der Schwingungserzeuger O im vollständig unmodulierten Zustande. Infolge des geöffneten Zustandes des Kontaktes S3 arbeitet der Schwingungserzeuger ausschliesslich auf die Phasenvergleichsschaltung P, welche durch Vergleich der erzeugten Schwingung mit der von B her zugeführten stabilen Bezugsfrequenz eine Korrekturspannung erzeugt.
Diese Korrekturspannung besitzt, sobald sich die Regelung im stationären Zustand befindet, ein positives oder negatives Vorzeichen und wird über die Leitung d und den Schalter S1 dem Regeleingang ei als erste Spannung dem Schwingungserzeuger zugeführt, wo es die genaue Angleichung der erzeugten Frequenz an die Bezugsfrequenz bewirkt. Dem Eingang ei des Schwingungserzeugers 0 für das Korrektursignal ist die Kapazität C parallel geschaltet, welche entsprechend der Korrekturspannung aufgeladen wird.
In einer zweiten Zeitphase werden nun durch den Programmgeber PG die 3 Schalter Sl, S2 und S3 gleichzeitig umgestellt. Der Schalter Sl unterbricht nun die Verbindung zwischen dem Ausgang der Phasenvergleichsschaltung P und dem Regeleingang ei des Schwingungserzeugers 0, jedoch unter Belassung der Verbindung zwischen der Kapazität C und dem genannten Eingang. Die Verhältnisse sind nun derart gewählt, dass entweder der Eingang ei des Schwingungserzeugers 0 sehr hochohmig ist, oder dass zwischen der Kapazität C und diesem Eingang ein in der Figur nicht dargestellter beispielsweise mit Feld effekttransistoren ausgerüsteter Gleichstromverstärker mit sehr hochohmigem Eingang angeordnet ist.
Auch nach der Öffnung des Schalters Sl bleibt somit die Korrekturspannung am Schwingungserzeuger erhalten, wodurch auch die erzeugte, auf das Fehlen einer Modulationsspannung bezogene Frequenz immer noch der Sollfrequenz entspricht. Der Schalter S2 verbindet nun den Punkt M mit dem Modulationseingang des Schwingungserzeugers, und der Schalter S3 legt dessen Ausgang an den Ausgang A. Das am Punkt M zugeführte Modulationssignal gelangt nun als zweite Spannung an den Schwingungserzeuger 0, welcher somit in dieser zweiten Phase eine Schwingung, die mit dem am Punkt M der Schaltungsanordnung zugeführten Signal in der Frequenz moduliert ist, erzeugt.
Es ist nun leicht einzusehen, dass die Frequenzregelung, da deren Rückführungskreis durch den Kontakt St unterbrochen ist, durch die Modulation nicht beeinflusst werden kann, und die erzeugte Schwingung weist so lange die richtige Frequenz auf, als die Kapazität C geladen ist.
Die Dauer der Beibehaltung dieses Zustandes hängt nun natürlich erstens von der Grösse der Kapazität und zweitens von der Grösse des Eingangswiderstandes des Regeleingangs ei am Schwingungserzeuger bzw. des Eingangs des nicht dargestellten Verstärkers zwischen Kapazität und Regeleingang ab. Es ist ohee besondere Schwierigkeiten möglich, die sich daraus ergebende Zeitkonstante für die Entladung der Kapazität C gegenüber der jeweiligen Dauer der zweiten Phase so gross zu wählen, dass die Frequenz der erzeugten Schwingung während der Zeit, da der Schalter Sl geöffnet ist, in den vorgeschriebenen Grenzen bleibt.
Um die Frequenz des Schwingungserzeugers 0 nicht durch die durch das Öffnen und Schliessen des Schalter S3 bedingte wechselnde Belastung zu beeinflussen, ist es notwendig, durch eine am Asugang des Schwingungserzeugers angeordnete (nicht dargestellte) Trennstufe eine vollständige Entkopplung der frequenzbestimmenden Kreise von der Ausgangsbelastung anzustreben.
Es ist nicht notwendig, dass die Frequenz des bei B zugeführten Bezugssignals der (unmodulierten) am Ausgang A weggeführten Frequenz entspricht. Durch Mischung und anschliessende Siebung kann entweder die Bezugsfrequenz oder die vom Schwingungserzeuger O an die Phasenvergleichsschaltung P abgegebene Frequenz derart versetzt werden, dass an der Phasenvergleichsschaltung trotzdem Übereinstimmung der Frequenzen herrscht. Um dabei die geforderte Frequenzgenauigkeit beizubehalten, ist es natürlich notwendig, auch der Frequenzstabilität der zuzumischenden Signale Beachtung zu schenken.
Die beschriebene Schaltungsanordnung eignet sich zur Verarbeitung von bei M zugeführten Modulationssignalen, welche periodisch anfallen und von Pausen unterbrochen sind. Der Programmgeber muss dann irgendwie mit den eintreffenden Modulationssignalen synchronisiert sein, so dass er in den Pausen die erste und während des Vorhandenseins des Modulationssignals die zweite Phase einschaltet. Sofern jedoch ein lückenloses Modulationssignal verarbeitet werden soll, ist die in der Figur dargestellte Schaltungsanordnung doppelt vorzusehen. Einzig der Programmgeber PG ist nur in einfacher Ausführung notwendig. Modulationseingang M, Ausgang A und Zuführung der Bezugsfrequenz B sind dann parallel zu schalten.
Sofern der Programmgeber die Schalter abwechslungsweise derart steuert, dass immer die eine Schaltungsanordnung gemäss der ersten und die andere in gemäss der zweiten Phase geschaltet ist, und dabei die Phasen andauernd vertauscht werden, ist die Verarbeitung eines lückenlosen Modulationssignals ohne weiteres möglich. Die Zeitpunkte des Wechsels der Phasen werden vorzugsweise auf das Modulationssignal abgestimmt, sofern es sich dabei um ein Impulssignal handelt.
Die Schaltungsanordnung ist nicht an die im Ausführungsbeispiel beschriebene Phasenvergleichsschaltung gebunden, sondern kann auch im Zusammenhang mit Prüfschaltungen angewendet werden, in denen Diskriminatoren zur Erzeugung einer Korrekturspannung verwendet werden. Mit der erstgenannten Schaltung kann allerdings die Sollfrequenz am genausten eingehalten werden. Auf die beschriebene Weise ist es beispielsweise möglich, einen Schwingungserzeuger, dessen Frequenzstabilität nur 10 2 beträgt, in seiner Frequenz zu modulieren und dabei eine Frequenzgenauigkeit der erzeugten Schwingung von 10 6 zu erreichen, und zwar auch bei einem unsymmetrischen Modulationssignal.
Circuit arrangement for generating a frequency modulated
High frequency vibration of high frequency accuracy
In order to achieve a very high frequency accuracy when generating a high-frequency oscillation modulated in its frequency, it is known to modulate the frequency of an oscillating crystal directly or to modulate the oscillation generated with the aid of an oscillating crystal in phase. In the case of direct frequency modulation, however, in most cases the frequency deviation achieved does not meet the requirements, so that a crystal with a relatively low frequency is used and the signal generated has to be multiplied.
A large amplification of the signals is inevitable. Even if the frequency deviation achieved with the crystal is sufficient, but the amplitude of the required oscillation must be greater than it can be generated with a crystal oscillator, the disadvantage is the need for high amplification. However, the multiplication results in secondary frequencies and the amplification gives the generated oscillation an undesirable noise component. Phase modulation is only suitable per se for symmetrical sinusoidal modulation signals, so that the processing of signals containing direct current components for relatively short signal sections is possible, but requires a great deal of effort.
These difficulties can be avoided by using a free-running high-frequency oscillator of low frequency accuracy, the level of which can be selected to be significantly higher than that of a crystal oscillator and the mean frequency of which is kept at a precise value by means of a control. The most well-known control is proportionality control, in which part of the generated oscillation is mixed in a test circuit with a frequency-stable reference signal and the resulting difference frequency is fed to a frequency discriminator belonging to the test circuit. The output signal of the discriminator, the polarity of which depends on the sign and the voltage of which depends on the size of the difference between the generated frequency and the target frequency, is fed to the vibration generator for the purpose of correcting its frequency offset.
With this type of control, the inaccuracy of the generated frequency compared to the setpoint frequency can be reduced considerably, but it cannot be made to disappear completely. In addition, this type of control is limited to the use of symmetrical modulation signals, i. H. those modulation signals which do not contain a direct current component. When using asymmetrical modulation signals, instead of the frequency corresponding to the zero value of the modulation signal, the center frequency of the generated oscillation would be aligned with the frequency of the reference signal, which in this case is not desirable because the two values deviate from each other by a value corresponding to the direct voltage component. However, asymmetrical signals are to be expected in telegraphy and with measured value and other data transmission.
In addition to this proportionality control of the frequency of the vibration generator, it has also become known to use a phase comparison circuit as a test circuit which generates a correction voltage based on the comparison of part of the output signal of the vibration generator with a reference signal having the setpoint frequency. The frequency of the vibration generator then corresponds exactly to the target frequency. However, this circuit arrangement has the disadvantage that it does not allow any frequency modulation of the oscillation generator, in that it can only work correctly if the instantaneous values of the two frequencies to be compared also constantly coincide exactly.
With the present invention it should now be possible to use one of the two types of control and to modulate a vibration generator with any modulation signal while maintaining the advantages inherent in the respective control type. It thus relates to a circuit arrangement for generating a frequency-modulated high-frequency oscillation of high frequency accuracy, which contains at least one oscillation generator, the frequency deviation of which can be mutually independently influenced by a first and a second voltage applied to it. This circuit arrangement also contains a test circuit which compares the frequency of the generated oscillation with a setpoint frequency and generates a correction voltage that is dependent on the relevant deviation.
This circuit arrangement is characterized by switches controlled according to a program which, in a first phase, for the purpose of aligning the frequency generated by the vibration generator with the setpoint frequency, supply the mentioned correction voltage as said first voltage to the vibration generator and, in parallel, a capacitance, and a fixed reference potential as the mentioned Apply a second voltage to the vibration generator. Another characteristic of this circuit arrangement is that these switches interrupt the output of the test circuit in a second phase, leaving the connection between the vibration generator and the capacitance unchanged, and apply a modulation signal instead of the reference potential mentioned. The whole thing takes place in such a way that the two phases alternate with one another continuously.
The invention will now be explained using an exemplary embodiment, the block diagram of which is shown in the single figure. The most important part of the circuit arrangement shown is the oscillation generator 0. The frequency of the high-frequency oscillation it generates can be changed independently within certain limits by applying voltages to the two inputs ei and e2, for example by controlling a voltage-dependent capacitance. A modulation signal is supplied to input M of the circuit arrangement and a frequency-stable reference signal is supplied to input B. A phase comparison circuit P, known per se, receives a signal each from the vibration generator 0 and from the input B. Its output is connected to the control input ei of the vibration generator via the electronic switch S1.
A capacitance C is connected in parallel to this connection between the switch and the input. In the idle state, the electronic switch S2 applies ground potential to the modulation input e2 of the vibration generator 0 and, in the working state, connects this input to the input M, to which a modulation signal is fed. In its working state, the electronic switch S3 connects the output of the oscillation generator O to the output A of the entire circuit arrangement and separates it therefrom in the idle state. This switch is only necessary if the output signal cannot otherwise be interrupted or prevented from being effective in a manner not shown. The programmer PG controls the three electronic switches Sl, S2 and S3.
In a first operating phase, controlled by the programmer PG, the three switches S are in a state corresponding to the figure. Since the modulation input e2 through the switch S2 to ground, i. H. is connected to a fixed reference potential, the vibration generator O is in the completely unmodulated state. As a result of the open state of the contact S3, the vibration generator works exclusively on the phase comparison circuit P, which generates a correction voltage by comparing the generated vibration with the stable reference frequency supplied from B.
As soon as the control is in the steady state, this correction voltage has a positive or negative sign and is fed to the control input ei as the first voltage to the oscillation generator via line d and switch S1, where it effects the precise adjustment of the generated frequency to the reference frequency . The capacitance C is connected in parallel to the input ei of the oscillation generator 0 for the correction signal and is charged according to the correction voltage.
In a second time phase, the 3 switches S1, S2 and S3 are switched over simultaneously by the programmer PG. The switch Sl now interrupts the connection between the output of the phase comparison circuit P and the control input ei of the vibration generator 0, but leaving the connection between the capacitance C and the input mentioned. The ratios are now chosen such that either the input ei of the vibration generator 0 is very high-resistance, or that a DC amplifier with a very high-resistance input, not shown in the figure, for example equipped with field effect transistors, is arranged between the capacitance C and this input.
Even after the switch S1 has been opened, the correction voltage remains at the vibration generator, so that the generated frequency related to the lack of a modulation voltage still corresponds to the setpoint frequency. The switch S2 now connects the point M with the modulation input of the vibration generator, and the switch S3 connects its output to the output A. The modulation signal supplied at the point M now reaches the vibration generator 0 as a second voltage, which thus oscillates in this second phase , which is modulated in frequency with the signal fed to the point M of the circuit arrangement.
It is now easy to see that the frequency control, since its feedback loop is interrupted by the contact St, cannot be influenced by the modulation, and the generated oscillation has the correct frequency as long as the capacitance C is charged.
The duration of maintaining this state depends firstly on the size of the capacitance and secondly on the size of the input resistance of the control input ei on the vibration generator or the input of the amplifier (not shown) between the capacitance and control input. It is possible without any particular difficulties to choose the resulting time constant for the discharge of the capacitance C in relation to the respective duration of the second phase so that the frequency of the oscillation generated during the time when the switch S1 is open is within the prescribed values Limits remain.
In order not to influence the frequency of the vibration generator 0 through the changing load caused by the opening and closing of switch S3, it is necessary to strive for a complete decoupling of the frequency-determining circuits from the output load by means of a separating stage (not shown) arranged at the entrance of the vibration generator.
It is not necessary that the frequency of the reference signal supplied at B corresponds to the (unmodulated) frequency carried away at output A. By mixing and subsequent sieving, either the reference frequency or the frequency output by the oscillation generator O to the phase comparison circuit P can be offset in such a way that the frequencies at the phase comparison circuit still match. In order to maintain the required frequency accuracy, it is of course necessary to also pay attention to the frequency stability of the signals to be added.
The circuit arrangement described is suitable for processing modulation signals supplied at M, which occur periodically and are interrupted by pauses. The programmer then has to be somehow synchronized with the incoming modulation signals so that it switches on the first phase during the pauses and the second phase while the modulation signal is present. If, however, a seamless modulation signal is to be processed, the circuit arrangement shown in the figure must be provided twice. Only the programmer PG is only necessary in a simple version. Modulation input M, output A and supply of the reference frequency B must then be connected in parallel.
If the programmer controls the switches alternately in such a way that one circuit arrangement is always switched in accordance with the first phase and the other in accordance with the second phase, and the phases are constantly interchanged, processing a seamless modulation signal is easily possible. The times at which the phases change are preferably matched to the modulation signal, provided that it is a pulse signal.
The circuit arrangement is not tied to the phase comparison circuit described in the exemplary embodiment, but can also be used in connection with test circuits in which discriminators are used to generate a correction voltage. With the first-mentioned circuit, however, the nominal frequency can be adhered to most precisely. In the manner described, it is possible, for example, to modulate the frequency of a vibration generator whose frequency stability is only 10 2 and to achieve a frequency accuracy of the generated vibration of 10 6, even with an asymmetrical modulation signal.