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Anordnung zur Regelung der Frequenz eines Überlagerungsoszillators
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Regelung der Frequenz eines Überlagerungsoszillators
nach der Frequenz eines dem Eingang der Anordnung zugeführten Signals, mit Einrichtungen,
welche die Phase des zugeführten und die des vom überlagerungsoszillator gelieferten
Signals miteinander vergleichen, eine Fehlerspannung liefern und diese Fehlerspannung
nach Verstärkung dem Eingang des Überlagerungsoszillators zuführen.
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Bei Verbindungen über große Entfernungen treten verschiedene Erscheinungen
auf, die empfangsseitig die Phase der ankommenden Welle verändern. Wenn der Empfänger
einen überlagerungsoszillator enthält, ist es erforderlich, die Phase des von diesem
überlagerungsoszillator erzeugten Signals der Phase der ankommenden Welle nachzurEgeln,
damit die durch Mischung des überlagerungssignals mit dem ankommenden Signal erzeugte
Zwischenfrequenz konstant bleibt.
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Die Steuerung der Phase des überlagerungsoszillators erfolgt gewöhnlich
mit Hilfe .eines Phasendiskriminators, dem die überlagerungsschwingung und die empfangene
Welle zugeführt werden und der eine Fehlerspannung erzeugt, die auf den überlagerungsoszillator
entweder über mechanische Vorrichtungen (Servomechanismen) einwirkt, wenn der Überlagerungsoszillator
eine mechanische Einstellung (einstellbarer Kondensator, Quarz) enthält, oder direkt,
wenn es sich um eine Röhre mit elektronischer Abstimmung handelt.
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Die Übertragungen über große Entfernungen sind unbeabsichtigten Unterbrechungen
unterworfen, die insbesondere durch Störungen hervorgerufen werden. Das Außertrittfallen
des überlagerungsoszillators als Folge einer Unterbrechung des Empfangs der übertragenen
Frequenz würde zu Störungen führen, die eine Handnachstellung der Regelung erforderlich
machen würden, wenn das Fehlersignal während solcher Unterbrechungen für eine zu
lange Zeit ausfällt.
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Zur Beseitigung dieses Nachteils ist es bekannt, das letzte, der Unterbrechung
vorangehende Fehlersignal zu speichern und zu diesem Zweck beispielsweise Verzögerungsleitungen
zu verwenden. Jedoch sind derartige Schaltungen verhältnismäßig kompliziert, und
die erzielbare Speicherzeit ist häufig zu sehr beschränkt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der angegebenen
Art zu schaffen, mit der die Phase der vom überlagerungsoszillator abgegebenen Schwingung
der Phase des empfangenen Signals nachgesteuert werden kann, die aber von dem zuvor
geschilderten Nachteil frei ist. Diese Aufgabe wird nach der Erfindung gelöst durch
eine Einrichtung, welche die Fehlerspannung quantisiert und mit einer aus der quantisierten
Spannung gewonnenen Spannung vergleicht, die aus dem Zählerstand eines in Abhängigkeit
von einer aus diesem Vergleich gewonnenen Spannung gesteuerten binären arithmetischen
Differenzzählers ableitbar und dem Eingang des überlagerungsoszillators zuführbar
ist, und durch Einrichtungen, welche die Amplitude des zugeführten Signals demodulieren,
den arithmetischen Differenzzähler auf seinem letzten Zählerstand mit Hilfe eines
Schalters blockieren, wenn die Amplitude des zugeführten Signals unter einem vorgegebenen
Schwellwert liegt, und die Zählung durch Schließen des Schalters wieder in Gang
setzen, wenn die demodulierte Amplitude des zugeführten Signals wenigstens wieder
gleich dem Schwellwert wird.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt.
Darin zeigt F i g. 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Regelanordnung, F
i g. 2 ein Blockschaltbild der Umsetzeranordnungen und
F i g. 3
ein vollständiges Blockschaltbild der Anordnung mit Hilfsanordnungen zur Beseitigung
von Störungen, F i g. 4 a das Schaltbild eines Schwellwertverstärkers, F i g. 4b
die Ansprechkennlinie des Verstärkers von F i g. 4 a und F i g. 5 Diagramme der
Spannungsverläufe an verschiedenen Punkten der Anordnung.
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Bei der Anordnung von F i g. 1 empfängt ein Phasendiskriminator 2
am Eingang 1 das empfangene Signal und am Eingang 1' das vom überlagerungsoszillator
6 gelieferte Signal.
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Der Ausgang des Phasendiskriminators 2 ist über einen Gleichspannungsverstärker
3 mit dem Eingang einer Anordnung 4 verbunden, welcher die Analog-Digital- und Digital-Analog-Umsetzer
enthält, die später genauer an Hand von F i g. 2 und 3 erläutert werden.
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Der Ausgang der Anordnung 4 ist mit dem Eingang des überlagerungsoszillators
6 über einen Verstärkere 5 verbunden.
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Ein Schwellwert-Amplitudendetektor 7 ist zwischen den Eingang 1, an
welchem der Phasendiskriminator 2 das empfangene Signal erhält, und die Anordnung
4 eingefügt.
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Diese Anordnung arbeitet in folgender Weise: Die am Eingang
1 zugeführte empfangene Welle und die am Eingang 1' zugeführte Schwingung
des überlagerungsoszillators 6 wirken auf den Phasendiskriminator 2 ein und erzeugen
an dessen Ausgang eine Spannung U, die von der Phasendifferenz 9p zwischen den beiden
Signalen abhängt. Im stationären Betrieb ist diese Spannung im Prinzip konstant,
da sie nur von der Entfernung zwischen dem Sender und dem Empfänger abhängt und
die Phase des überlagerungsoszillators normalerweise konstant ist. Diese durch den
Verstärker 3 verstärkte Spannung wird durch die Anordnung 4 quantisiert und
dadurch in eine quantisierte Spannung U' umgesetzt.
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Diese Spannung U' ändert sich also stufenweise, während sie den Änderungen
der Spannung U folgt.
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Die Spannung U wird über den Verstärker 5 einem Steuereingang
des Oszillators 6 zugeführt. Wenn die Spannung U konstant ist, ist auch die Spannung
U' konstant, und der Oszillator 6 erfährt keine Korrektur.
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Wenn sich die Phase 99 ändert, ändert sich auch die Spannung U, und
die Spannung U ändert sich stufenweise, wodurch sie den Oszillator 6 in der
entsprechenden Richtung korrigiert.
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Wenn der Pegel des empfangenen Signals so klein ist, daß der Schwellwert-Amplitudendetektor
arbeitet, überträgt dieser eine Steuerspannung, welche die Anordnung 4 festhält.
Diese liefert dann weiter die Spannung Uo ; welche der ihr zuletzt zugeführten Spannung
U entspricht.
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In F i g. 2 ist eine Ausführungsform der Anordnung 4 dargestellt.
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Ein Spannungsdiskriminator 41 mit zwei Kippschaltungen hat zwei Eingänge
40 und 401, von denen der eine an den Ausgang des Verstärkers 3 und
der andere an einen Digital-Analog-Umsetzer 45 angeschlossen ist, sowie zwei Ausgänge,
von denen der eine mit dem Vorwärtszähleingang 42 und der andere mit dem
Rückwärtszähleingang 42' eines Differenzzählers 43 verbunden ist. Dieser Differenzzähler
43 enthält einen binären Analog-Digital-Umsetzer, der vorzugsweise Kippschaltungen
mit gleichzeitiger Auslösung enthält, von denen jede einem Ausgang entspricht. Der
Rückwärtszähler hat n Ausgänge 441 bis 44n, die mit den n Eingängen des Digital-Analog-Umsetzers
45 verbunden sind. Dieser Umsetzer hat zwei Ausgänge, von denen der eine mit dem
bereits erwähnten Ausgang 401 verbunden ist, während der andere über den Verstärker
5 mit dem überlagerungsoszillator 6 verbunden ist.
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Ein zweipoliger Schalter, der durch ein von dem Amplitudendetektor
7 gesteuertes Relais 47 betätigt wird, liegt in der Zweidrahtverbindung zwischen
dem Diskriminator 41 und dem Differenzzähler 43.
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Die Anordnung 4 arbeitet dann in folgender Weise: Die Spannung
U wird dem Eingang 40 des Diskriminators 41 zugeführt, welcher an
seinem anderen Eingang 401 eine Spannung U' empfängt. Diese Spannung U' ist in der
Umsetzerschleife quantisiert worden, welche von dem Ausgang des Diskriminators 41
zu seinem Eingang 401 über den vom Differenzzähler 43 gebildeten binären Analog-Digital-Umsetzer
und über den Digital-Analog-Umsetzer 45 verläuft.
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Die Differenz U- U' kann positiv, negativ oder null sein. Wenn
sie den Wert Null hat, fließt kein Strom in die Umsetzerschleife, und der Stand
des Differenzzählers bleibt unverändert. Wenn die Spannung U größer als der
letzte Wert von U' wird, überträgt der Diskriminator 41 eine Spannung, beispielsweise
über eine erste Steuerkippschaltung, und diese Spannung wird dem Eingang 42 des
Differenzzählers 43 zugeführt, wodurch dessen Stand um eine Einheit erhöht wird.
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Wenn dagegen die Spannung U kleiner als der letzte Wert der Spannung
U wird, überträgt der Diskriminator 41 eine Spannung, beispielsweise über
eine zweite Steuerkippschaltung, und diese Spannung wird dem Eingang 42'
des Differenzzählers 43 zugeführt, wodurch dessen Stand um eine Einheit erniedrigt
wird.
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Der Differenzzähler 43 hat ebensoviele Ausgänge wie Kippschaltungen
für die aufeinanderfolgenden Stellenwerte. Wenn er beispielsweise neun Kippschaltungen
enthält, kann der Änderungsbereich der Differenz U- U' in 29 gleiche Intervalle
geteilt werden.
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F i g. 3 zeigt die Bestandteile des Blockschaltbildes von F i g. 2,
vervollständigt durch eine Kapazität 31, die parallel zu den Klemmen des Verstärkers
3 liegt, und durch eine nachstehend noch zu beschreibende Hilfsschaltung.
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Die Hilfsschaltung ist zwischen dem Ausgang 403 des Diskriminators
41 und dem Eingang des Verstärkers 3 angeschlossen. Sie besteht aus einem Hilfsverstärker
8, auf den ein Schalter 38 folgt, der durch ein Relais 37 betätigt wird, das seinerseits
parallel zu dem Relais 47 von dem Amplitudendetektor 7 gesteuert wird.
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F i g. 3 zeigt ferner im einzelnen eine bevorzugte Ausführungsform
des Diskriminators 41.
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Dieser enthält eine Vergleichsschaltung 411, deren Eingänge durch
die bereits zuvor genannten Eingänge 40 und 401 des Diskriminators 41 gebildet sind,
und zwei Ausgänge 402 und 403 aufweist, von denen der Eingang 402 mit dem
Zähler 43 über eine später noch genauer zu beschreibende Anordnung mit zwei
Kippschaltungen verbunden ist, während der
Ausgang 403, wie bereits
erwähnt, an den Verstärker 8 angeschlossen ist.
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Die dem Differenzzähler 43 vorgeschaltete Anordnung mit zwei Kippschaltungen
besteht im wesentlichen aus den beiden Steuerkippschaltungen 414 und 414', welche
dem Vorwärtszählen bzw. dem Rückwärtszählen des Differenzzählers 43 über
die Eingänge 42 bzw. 42' zugeordnet sind.
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Diesen Kippschaltungen sind die folgenden Hilfsanordnungen hinzugefügt,
deren Aufgabe später erläutert wird: Der Ausgang 402 der Vergleichsschaltung 411
ist mit dem Eingang einer Gabelschaltung 412 verbunden, die zwei Ausgänge
12 und 12' aufweist, die jeweils mit einem der beiden Steuerkanäle für das Vorwärtszählen
bzw. das Rückwärtszählen des Differenzzählers 43 verbunden sind.
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Diese Gabelschaltung 412 besteht im wesentlichen aus zwei Schwellwertverstärkern,
die symmetrisch zueinander auf den Bezugsnullpunkt der an ihrem Eingang
402 zugeführten Spannung sind.
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In F i g. 4 a ist das vereinfachte elektrische Schaltbild der Gabelschaltung
412 dargestellt, in der die beiden Schwellwertverstärker aus einem npn-Transistor
112 und aus einem pnp-Transistor 112' gebildet sind. Die Basen der
beiden Transistoren sind mit dem Ausgang 402 der Vergleichsschaltung verbunden,
und ihre Emitter sind über einen den Schwellwert d bestimmenden Vorspannungswiderstand
mit Masse verbunden.
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Die Ausgänge 12 und 12' (vgl. wieder F i g. 3) sind mit den Eingängen
von zwei UND-Schaltungen 413 und 413' verbunden, deren zweiter Eingang je über eine
Kaskade von monostabilen Multivibratoren 416, 417 und 418 mit einem Taktimpulsgeber
400 verbunden ist.
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Die Ausgänge 13 und 13' der UND-Schaltungen 413 bzw. 413' sind mit
den Eingängen der Steuerkippschaltungen (bistabile Multivibratoren) 414 bzw.
414' verbunden. Ein zweiter Eingang jeder dieser Steuerkippschaltungen ist
über den monostabilen Multivibrator 416 mit dem Taktgeber 400 verbunden.
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. Zwischen den Ausgängen der Steuerkippschaltungen 414 und 414' und
den Eingängen 42 bzw. 42' des Differenzzählers 43 sind UND-Schaltungen 415 und 415'
eingefügt. Jede dieser UND-Schaltungen hat zwei Eingänge, von denen der eine mit
dem Ausgang der entsprechenden Kippschaltung und der andere mit dem Taktgeber 400
verbunden sind.
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Es soll nun der Betrieb der Hilfsschaltung erläutert werden.
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Bisher ist nicht die Möglichkeit berücksichtigt worden, daß in der
Schleife eine Kapazität vorhanden sein kann, die so groß ist, daß sie durch ihre
Ladung oder Entladung eine empfindliche Gleichgewichtsstörung des Systems hervorrufen
kann, wenn die Verbindung nach einer Unterbrechung wiederhergestellt wird.
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Eine derartige Kapazität kann aber notwendig sein, um den richtigen
Betrieb des Servomechanismus sicherzustellen, welcher die Einstellung des Quarzüberlagerungsoszillators
6 in Abhängigkeit von der aus der Anordnung 4 kommenden quantisierten Fehlerspannung
steuert. Die Zeitkonstante dieses Servomechanismus kann nämlich ziemlich groß sein,
beispielsweise in der Größenordnung von 10 Sekunden, wenn man den zufälligen Charakter
der zu integrierenden ankommenden Impulse berücksichtigt. Um die Größe der die Kapazität
31 bildenden Kondensatoren zu vermindern, kann es vorteilhaft sein, sie parallel
zu den Klemmen des Verstärkers 3 zu schalten, wie dies in F i g. 3 dargestellt ist.
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Die Entladung der Kondensatoren 31 im Augenblick einer Unterbrechung
der Verbindung ruft eine Phasendrehung hervor, die keine Zeit hat, den Zähler um
eine Stufe weiterzuschalten, bevor dieser gesperrt wird. Wenn dagegen die Verbindung
wieder hergestellt wird, hat sich die Kapazität 31 während der Unterbrechung gegebenenfalls
auf ein Potential aufgeladen oder entladen, das von ihrem Betriebspotential sehr
verschieden sein kann, so daß das System einen ziemlich starken Impuls empfangen
kann, der dazu führt, daß der Differenzzähler um mehrere Stufen vorwärts oder rückwärts
geschaltet wird, was für den beabsichtigten Verwendungszweck unzulässig wäre.
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Es ist daher notwendig, die Ladung des Kondensators 31 in der Nähe
des Wertes zu halten, der vor der Unterbrechung erreicht worden ist. Wenn die Verbindung
unterbrochen wird, trennt der Amplitudendetektor 7 über das Relais 47 den Differenzzähler
ab, wobei er gleichzeitig mittels des vom Relais 37 geschlossenen Schalters 38 die
Hilfsschleife einschaltet, die am Ausgang 403 der Vergleichsschaltung 411 die letzte
nichtquantisierte Spannung abnimmt,- die an den Ausgängen dieser Vergleichsschaltung
erschienen ist.
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Dies hat zur Folge, daß die Spannungen während der Dauer der Unterbrechung
an allen Punkten der Hilfsschleife, insbesondere sowohl am Eingang als auch am Ausgang
des Kondensators 31 im wesentlichen konstant bleiben. Dementsprechend behält dieser
Kondensator im wesentlichen seine Ladung bis zur Wiederherstellung der Verbindung.
Wenn diese eintritt, wird die Hilfsschleife durch das Relais 37, das den Schalter
38 öffnet, abgeschaltet, und der Spannungsdiskriminator 41 nimmt seinen normalen
Betrieb wieder auf, ohne daß durch den Kondensator 31 irgendeine Störung verursacht
wird, denn dessen Ladung ändert sich in diesem Augenblick nur wenig, weil der Ladungszustand,
den er bis dahin beibehalten hat, in der Nähe des neuen Ladungszustandes liegt,
der dem sich einstellenden Betriebszustand entspricht.
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Es war zu erkennen, daß der Diskriminator 41 die Spannung
U und ihren quantisierten Wert U' miteinander vergleicht und je nach
dem Vorzeichen der Differenz U - U' den Durchgang eines die Vorwärtszählung
oder die Rückwärtszählung bewirkenden Impulses erlaubt.
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Die Spannung U ändert sich jedoch in dem Zeitintervall zwischen zwei
aufeinanderfolgenden Impulsen, die beispielsweise von dem Taktgeber 400 stammen,
im allgemeinen um weniger als eine Quantisierungsstufe. Unter diesen Bedingungen
ist der Differenzzähler zu empfindlich, so daß er bei sehr langsamen Änderungen
der Spannung U ständig arbeitet, indem er vor- und zurückschaltet; diese Erscheinung
wird als »Pumpen« bezeichnet und ist schädlich für die Lebensdauer der Anordnung.
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Zur Beseitigung dieser nachteiligen Erscheinung ist die Gabelschaltung
412 vorgesehen worden. Sie enthält zwei Schwellwertverstärker, die symmetrisch in
bezug auf den NulIwert der Eingangsspannung ausgebildet sind.
Wenn
die Spannung U - U' zwischen den symmetrischen Schwellwerten -ä und +8 liegt,
ist die Ausgangsspannung null. Sie steigt dem Absolutwert nach proportional zu 1
U - U' l - d an, wenn der entsprechende Schwellwert überschritten wird (F
i g. 4 b).
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Auf diese Weise ist ein kleiner Bereich indifferenten Gleichgewichts
oder neutraler Bereich geschaffen, der ein gewisses »Spiel« in den Servomechanismus
einführt, damit das zuvor geschilderte »Pumpen« vermieden wird.
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Im übrigen ist die aus den quantisierten Spannungen U' gebildete Treppenkurve
(F i g. 5 b), die der Gleichspannungsdiskriminator 41 mit der Gleichspannung
U, welche sich im allgemeinen langsam verändert, vergleicht, mit Störimpulsen behaftet,
die sich daraus ergeben, daß die Bestandteile des Differenzzählers 43 nicht
augenblicklich umkippen.
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Wenn auch die Kippschaltungen dieses Zählers so ausgeführt sind, daß
sie kurzzeitig schalten, erreichen die Störimpulse, insbesondere bei der Umschaltung
der höheren Stellenwerte, immer noch beträchtliche Amplituden in der Größenordnung
von mehreren Zählstufen, was den von der Gleichspannungs-Vergleichsschaltung durchgeführten
Vergleich jeglichen Werts berauben würde, wenn man nicht zur Ausschaltung dieser
Erscheinung besondere Vorkehrungen treffen würde.
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Nach der Erfindung werden die folgenden Vorkehrungen getroffen, um
diese Mängel zu beseitigen: 1. Die Gleichspannungs-Vergleichsschaltung
411
ist mit einer so großen Bandbreite ausgestattet, daß sie nahezu augenblicklich
reagiert und sich dann sehr schnell wieder zurückstellt, beispielsweise in einer
Zeit, die unter einem Viertel der Dauer einer Treppenstufe liegt.
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2. Es ist eine Anordnung hinzugefügt, welche den Vergleich der Spannungen
U und U' nur während etwa des mittleren Viertels jeder Treppenstufe berücksichtigt.
Diese Anordnung enthält die drei monostabilen Multivibratoren 416, 417 und
418, die Abnahmeschaltung mit den zwei UND-Schaltungen 413, 413' und
die Steuerkippschaltungen 414 und 414', auf welche die UND-Schaltungen
415 und 415' folgen.
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Der eine dauernde Impulsfolge liefernde Taktgeber 400 löst
bei jedem Impuls (F i g. 5 a) den übergang von einer Treppenstufe zur folgenden
aus, wenn die Differenz U - U' über dem Schwellwert 8 liegt (F i g. 5 b),
indem er eine der UND-Schaltungen 415 oder 415' öffnet und gleichzeitig
den ersten monostabilen Multivibrator 416 auslöst (F i g. 5 c). Dieser erste
Multivibrator 416 bewirkt beim Zurückkippen die Nullstellung der Steuerkippschaltungen
414 und 414' und die Auslösung des zweiten Multivibrators
417 (F i g. 5 d). Dieser löst seinerseits beim Zurückkippen den dritten monostabilen
Multivibrator 418 (F i g. 5 e) aus, der die Dauer z bestimmt, während der
die Abnahmeschaltung 413 die Prüfung des Zustandes am Ausgang der Gabelschaltung
412
erlaubt. Die Spannungen 1 U - U' I < a,
die unter dem Schwellwert der Gabelschaltung liegen, werden von dieser neutralisiert.
Wenn die am Ausgang der Schaltung 411 festgelegte Spannung positiv ist, wird
die Kippschaltung 414 durch den Taktimpuls betätigt, während die Kippschaltung
414' betätigt wird, wenn die geprüfte Spannung negativ ist. In F i g. 5 ist
zu erkennen, daß diese Dauer z in der Größenordnung eines Viertels der Periode des
Taktgebers liegt.
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Infolge dieser Abnahmeschaltung werden somit die Zeiten beseitigt,
in denen die Anordnung durch Störimpulse aus dem Gleichgewicht gebracht werden könnte.
Es handelt sich hierbei insbesondere um die Störimpulse, welche den Umschaltungen
der höheren Stellenwerte entsprechen und die ohne diese Maßnahme den Betrieb der
Anordnung beim übergang von einer Stufe zur nächsten stören würden.