DE1266344B - Anordnung zur Synchronisierung eines frei schwingenden Oszillators - Google Patents

Description

BUNDESKEPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H 03 b

Deutsche KL: 21 al-35/12

Nummer: 1 266 344

Aktenzeichen: T 31813 VIII a/21 al

Anmeldetag: 11. August 1966

Auslegetag: 18. April 1968

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Synchronisierung eines frei schwingenden Oszillators, bei dem die Oszillatorfrequenz direkt oder nach Umsetzung oder Teilung in einem Phasendiskriminator mit einer Normalfrequenz verglichen wird, bei dem weiterhin die Ausgangsspannung über ein Tiefpaßeigenschaften aufweisendes Regelfilter geführt und zur Einstellung des Oszillators auf die gewünschte Frequenz benutzt wird und bei dem schließlich zur Erweiterung des Fangbereichs der Schaltung der dem Oszillator zugeführten Regelspannung eine Wobbeispannung überlagert wird, die nach Erreichen der Sollfrequenz des Oszillators abgeschaltet wird.

Der größte Frequenzabstand, bei dem gerade noch Synchronisation eintritt, wird der natürliche Fangbereich genannt. Der natürliche Fangbereich einer Anordnung zur Durchführung des oben geschilderten Verfahrens hängt von der Größe der Aussgangswechselspannung des Phasendiskriminators ab. Im allgemeinen ist der Fangbereich einer derartigen Schaltung wesentlich kleiner als der Durchstimmbereich des Oszillators.

Neben anderen Schaltungen zur Fangbereichserweiterung ist es bekannt, einen sogenannten Suchoszillator zu verwenden, dessen Ausgangsspannung zwischen Phasendiskriminator und elektronisch abstimmbaren Teil des Oszillators eingekoppelt wird. Im asynchronen Zustand wird also hier der Regelspannung eine Wobbeispannung überlagert, durch welche das Einfangen des Systems eingeleitet wird. Es ist hierzu ein Wobbeloszillator vorgesehen, der zum Zeitpunkt des Einfangens abgeschaltet werden muß. Es ist sehr wichtig, daß der Wobbeloszillator exakt dann abgeschaltet wird, wenn der Oszillator seine Sollfrequenz erreicht hat, wenn also durch die Wobbeloszillatorspannung die Frequenz des Oszillators an den Rand des natürlichen Fangbereichs der Schaltung gebracht wurde. Es ist hier nicht möglich, beliebige Schalter mit endlicher Ansprechzeit zu verwenden, da dann die Wobbeloszillatorspannung weiterhin auf die Abstimmspannung des Oszillators einwirken kann.

Bei der aus der Zeitschrift »Frequenz«, Bd. 16, 1962, Heft 12, Seite 511 bis 515, beschriebenen Anordnung wird die Abschaltung dadurch erreicht, daß der Widerstand der Regelleitung, welcher gleichzeitig Belastungswiderstand für den Suchoszillator ist, im synchronen Fall niederohmig wird. Diese bekannte Lösungsmöglichkeit hat jedoch den Nachteil, daß durch das Einfügen des Rückkopplungswegs des Suchoszillators in den Regelkreis eine zusätzliche Phasendrehung im Regelkreis auftritt, durch die die Anordnung zur Synchronisierung eines
frei schwingenden Oszillators

Anmelder:
Telefunken

Patentverwertungsgesellschaft m. b. H.,
7900 Ulm, Elisabethenstr. 3

Als Erfinder benannt:
Peter Eichler, 7900 Ulm

Stabilität des Regelkreises herabgesetzt wird. Aus der genannten Literaturstelle ergibt sich außerdem, daß die Wobbeifrequenz sehr klein gewählt werden muß." Schließlich ist es bei der bekannten Anordnung lediglich möglich, den Fangbereich auf 90% des Haltebereichs auszudehnen.

Zur Beseitigung dieser Nachteile ist bereits vorgeschlagen worden, zur Erzeugung der Wobbelspannung ein RC-Glied zu verwenden, das periodisch auf- und entladen wird. Die Auf- bzw. Entladung wird unterbrochen, wenn der Oszillator die Sollfrequenz abgibt. Dieses Verfahren weist nun wieder den Nachteil auf, daß der Verlauf der Wobbeispannung von der Zeitkonstante des, Regelfilters abhängig ist und daß bei Frequenzmehrdeutigkeiten eine Störung des Regelkreises zustande kommt.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zu schaffen, das diese erwähnten Nachteile nicht aufweist, bei dem also eine ausreichend schnelle Abschaltung möglich ist, ohne daß hierdurch die obenerwähnten Nachteile in Kauf genommen werden müssen. Außerdem soll durch die für die Abschaltung der Wobbeispannung benötigten Glieder keine Verzerrung einer nicht sinusförmigen Wobbeispannung, z. B. einer Sägezahnspannung, zustande kommen. Eine solche Wobbeispannung wird einer sinusförmigen Wobbeispannung häufig vorgezogen.

Die erwähnte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß in die Zuführung der Wobbelspannung in an sich bekannter Weise wenigstens eine Diode eingeschaltet ist, die, solange der Oszillator nicht gefangen hat und sobald die Differenz zwischen Wobbeispannung und Phasendiskriminator-Ausgangsspannung bei sich der Sollabstimmung nähern-

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der Wobbeispannung betragsmäßig größer als der frequenz abzustimmende Oszillator ist mit I beSpannungsabfall U₀ an der Diode ist, durchlässig ist zeichnet. Seine Ausgangsspannung wird dem Phasen- und am Einkoppelpunkt je nach Polung eine diskriminator 2 zugeführt, in dem ein Vergleich zwi-Spannung U_n--U₀ oder U_n- +U₀ einprägt und die sehen der zugeführten Frequenz und einer über die bei Erreichen des Fangbereichs der Schaltung auf 5 Klemme 8 zugeführten Vergleichsfrequenz vorgenom-Grund der dann vom Phasendiskriminator erzeugten, men wird. In der Praxis werden zwischen dem Oszilgegenüber der Spannung U_n- ± U₀ betragsmäßig lator 1 und dem Phasendiskriminator Frequenzumgrößeren bzw. kleineren Sollgleichspannung gesperrt setzer oder Teiler eingeschaltet sein, die die Frequenz wird, daß in an sich bekannter Weise ein frequenz- der vom Oszillator 1 abgegebenen Spannung auf eine selektives Glied zur Erzeugung einer Abschaltspan- 10 Frequenz umsetzen, die der Vergleichsfrequenz entnung für die Wobbeispannung bei Erreichen der Soll- spricht. Da diese Frequenzumsetzer für die Erklärung frequenz vorgesehen ist und daß in die Zuführung der des erfindungsgemäßen Verfahrens unwesentlich sind, Wobbeispannung ein zusätzlicher elektronischer wurden sie nicht mit eingezeichnet. Die Ausgangs-Schalter, dem die Abschaltspannung zugeführt wird spannung des Phasendiskriminators 2 wird einem und der die Wobbelspannungszuführung abschaltet, 15 Regelfilter3 zugeführt, dessen Ausgangsspannung die bevor die Wobbeispannung U_w um die Spannung U₀ Frequenz des Oszillators elektronisch auf die SoIlvon der vom Phasendiskriminator erzeugten Span- frequenz regelt.

nung abweicht, eingeschaltet ist. Soll nun der verstimmte Oszillator 1 auf die SoIl-

Es ist auch bereits eine Schaltung zur Frequenz- frequenz abgestimmt werden und ist die Verstimmung

einrastung bekannt (deutsche Patentschrift 1075 170), 20 des Oszillators so groß, daß der natürliche Fang-

bei der ein Oszillator durch eine in einem Frequenz- bereich der beschriebenen Schaltung nicht ausreicht; '

diskriminator gewonnene Spannung auf konstanter die Abstimmung auf die Sollfrequenz einzuleiten, so Frequenz gehalten wird, bei der zur Erweiterung des wird zum Einleiten der Abstimmung des Oszillators Fangbereichs dieser Schaltung der vom Diskriminator das erfindungsgemäße Verfahren benutzt. Hierbei soll kommenden Spannung auch eine Wobbeispannung 25 zur Vereinfachung der Erklärung der Fall angenomüberlagert wird. Die Abschaltung der hier sinus- men werden, daß die Ausgangsspannung des Phasenförmigen Wobbeispannung bei Einrasten des Oszilla- diskriminators im nicht synchronisierten Fall kleiner tors auf die Sollfrequenz wird durch Dioden bewirkt, als die gewünschte Abstimmspannung des Oszillators die in die Zuleitung der Wobbeispannung eingeschaltet ist (z.B. OV). Weiterhin sei nur die in F i g. 1 voll sind und denen eine entsprechende Spannung zu- 30 ausgezogene Diode 7 vorhanden. Bei ausreichend geführt wird. Bei dieser Anordnung müssen in die starker Verstimmung des Oszillators 1 wird die Aus-WobbelspannungszuführungzurGleichstromtrennung gangsspannung des selektiven Glieds 4 z. B. so klein. Kondensatoren eingefügt werden, die auf die Wobbel- daß die Schaltstufe 5 anspricht, wodurch der Wobbelspannung differenzierend wirken. Bei nicht sinus- oszillator 6 über die Diode 7 mit dem Punkt 9 verförmiger Wobbeispannung ergeben sich hierdurch 35 bunden wird. Die Spannung des Wobbeioszillators 6. Verzerrungen der Wobbeispannung. Dieser Nachteil vermindert um die an der im Durchlaßbereich betritt bei der erfindungsgemäßen Anordnung nicht auf, triebene Diode 7 abfallenden Spannung, wird am da hier die Dioden nicht mit der eigentlichen Schalt- Punkt 9 eingeprägt. Es sei der Einfachheit halber spannung beaufschlagt werden. angenommen, daß der Wobbelgenerator ein Sägc-Das Abschalten des Wobbeigenerators wird ge- 40 zahnoszillator ist und daß seine Anschaltung an dem maß der Erfindung in zwei Phasen unterteilt. In der Punkt 9 in dem Zeitpunkt erfolgt, da seine Ausgangsersten Phase wird die Einkopplung der Wobbel- spannung U₀ ist. Damit ist die Diode 7 leitend, und spannung durch die Sperrung der Diode unwirksam die Spannung am Punkt 9 wird, beginnend bei Null, gemacht, während erst in der zweiten Phase der immer größer. In der F i g. 2 der Zeichnung ist die Wobbeloszillator selbst durch ein Schaltglied ab- 45 Abhängigkeit der Frequenz des Oszillators 1 von getrennt wird. Für die Abtrennung des Wobbel- der anliegenden Regelspannung dargestellt. Bei der Oszillators steht aber nunmehr eine Zeit zur Verfugung. Sollfrequenz f_sul, ist die Regelspannung Ifo,,,,,. Die in der die Auftrennung bzw. Abschaltung kein Pro- Grenzen des natürlichen Fangbereichs der Schaltung blem ist. sind mit J₁ und J₂ bezeichnet. Die entsprechenden Das beschriebene Verfahren ist brauchbar, wenn 50 Spannungen sind C₁ und U₂ benannt. Mit U_Rmin man voraussetzt, daß die Ausgangsspannung des (hier = 0 V) und U_Rma bzw. ,/,',„■„ und f_max sind die Phasendiskriminators im nicht synchronen Zustand Grenzen bezeichnet, auf die der Fangbereich der immer in einer Richtung von der Sollabstimm- Schaltung durch das erfindungsgemäße Verfahren spannung abweicht. Liegt dagegen, was meistens der erweitert wird.

Fall sein wird, im nicht synchronen Zustand die 55 Es wurde oben bereits angenommen, daß sich auf

Ausgangsspannung des Phasendiskriminators über Grund der Wobbeispannung des Generators 6 die

oder unter der Sollabstimmspannung des Oszillators, eingeprägte Regelspannung [U_n-U₀) am Punkt 9

so muß man die erwähnte Diode durch zwei Dioden laufend erhöht, bis sie schließlich den Werf U₁

ersetzen, die zueinander antiparallel geschaltet sind. annimmt. Auf Grund der vom Phasendiskriminator

Der obenerwähnte Spannungsabfall an der Diode U₀ 60 kommenden Wechselspannung, die wie bereits oben

ist durch den Diodentyp bestimmt. Will man diese erwähnt, den natürlichen Fangbereich (j\ bis f₂)

Spannung über die bei Dioden gegebenen Möglich- bestimmt und die sich der am Punkt 9 liegenden

keiten hinaus vergrößern, so ist es günstig, an Stelle eingeprägten Regelspannung überlagert, wird der ^

der beiden antiparallelgeschalteten Dioden zwei gegen- Oszillator 1 durch die Summe dieser Spannungen auf '

einandergeschaltete Zenerdioden zu verwenden. 65 die Sollfrequenz gebracht. Am Ausgang des Phasen-

Das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens soll diskriminators ergibt sich dann sofort U₁^₀₁₁. 'O₁Q,

an Hand der F i g. 1 erläutert werden. Der in seiner diese Spannung größer als die Spannung U₁ ist

Frequenz konstant zu haltende bzw. auf seine Soll- (die sich aus U_n--U_D ergibt), wird die bisher-im

Durchlaßbereich betriebene Diode, die in der F i g. 1 voll ausgezogen dargestellt ist, gesperrt, wodurch die Wobbeispannung unwirksam wird. Der Oszillator bleibt somit auf der Sollfrequenz stehen. Wie bereits oben erwähnt, kommt man mit einer Diode aus, wenn die Abweichung der Phasendiskriminator-Ausgangsspannung von der Sollabstimmspannung immer in der gleichen Richtung liegt. Treten dagegen Abweichungen in der entgegengesetzten Richtung auf, so muß eine zweite Diode 7 miteingeschaltet werden, die zu der ersten antiparallel liegt und gestrichelt eingezeichnet ist.

Der Verlauf der Regelspannung am Punkt 9 ergibt sich aus der F i g. 3. Bei dem angenommenen Beispiel steigt sie mit der Zeit linear an, und beim Erreichen der Spannung l/, ändert sie sich sprungartig auf den Wert I/r,,,,, und bleibt dann für die Zeit Z₁ konstant, und zwar so lange, bis die Spannung des Wobbeigenerators so groß geworden ist, daß die Spannungsdifferenz-U_n-- U₀ wieder größer als I/r,,,,, wird. Die Zeitspanne ^ ist die Zeit, in der der Spannungswert U₁) von der Wobbeispannung durchlaufen wird. Während die langsam ansteigenden Teile des Spannungsverlaufs 10 und 11 durch die Wobbelspannung bestimmt werden, werden der Spannungssprung und die konstante Spannung I/r,,,,, während des Zeitabschnitts T₁ durch den Phasendiskriminätor bestimmt. Um den Oszillator nicht wieder außer Tritt zu bringen, muß der Wobbeioszillator vor Erreichen der Spannung L'r,,,,,+ U₀ abgeschaltet werden. Für diese Abschaltung hat man aber nunmehr eine endliche Zeit T₁ zur Verfügung, in der diese Abschaltung ohne weiteres mit Hilfe z. B. des selektiven Glieds 4 und des elektronischen Schalters 5 durchgeführt werden karin.

Es wurde im oben geschilderten Ausführungsbeispiel immer angenommen, daß die Ausgangsspannung des Phasendiskriminators im nicht synchronisierten Zustand kleiner als die Sollabstimmspannung U_Rwll ist. Für den Fall, daß die Phasendiskriminatorspannung über der Sollabstimmspannung liegt, übernimmt die in F i g. 1 gestrichelt gezeichnete Diode 7 die geschilderte Funktion; hierbei läuft jedoch die Sägezahnspannung des Wobbeioszillators von positiver Spannung gegen Null hin. Die aufgeprägte Spannung ist in diesem Fall U_n-+ U_n, sobald die Differenz zwischen Phasendiskriminator-Ausgangsbpannung und Wobbeispannung größer als U₁, = 0.7 V ist.

Im allgemeinen Fall kann die Abstimmspannung L'_R„„ des Oszillators sowohl über als auch unter der Spannung des Phasendiskriminators liegen. Für diesen Fall und für den Fall eines beliebigen Kurvenverlaufs der Ausgangsspannung des Wobbeloszillators wird eine Kombination mit zwei Dioden erforderlich.

Es soll noch ein praktisches Beispiel für die Spannungen angegeben werden. Es sei angenommen, daß die Spannung U_RsM = 20 V ist, U_Rmn 10 V und U_Rmiix 30 V beträgt. Der Spannungsabfall an der im Durchlaßbereich betriebenen Diode soll 0,7 V sein, und die Größe der vom Phasendiskriminätor abgegebenen Wechselspannung wird mit 2 V Spitzenspannung angenommen. Es ergibt sich somit ein natürlicher Fangbereich, der zwischen U₁ = 19 V und U₂ = 21 V liegt. Die Phasendiskriminator-Ausgangsspannung sei 15 V. Solange die Ausgangsspannung des Phasendiskriminators die Wobbeispannung wenigstens um U_n = 0,7 V übersteigt, also bis zur Spannung 14,3 V, ist die gestrichelt eingezeichnete Diode 7 leitend, und sie prägt im Punkt 9 eine Spannung ein, die gleich U_n-+ U_n ist. Im Bereich von 14,3 bis 15,7 V Wobbelspannung bleibt dann die Spannung am Punkt 9 gleich 15 V (beide Dioden sind gesperrt), dagegen steigt die Spannung am Punkt 9 weiter an, wenn sich die Wobbeispannung weiter erhöht, und zwar beträgt nunmehr die über die voll ausgezogene und ab

ίο 15,7 V Wobbeispannung leitende Diode 7 eingeprägte Spannung U_n — 0.7 V. Bei Erreichen der Spannung t/, = 19 V am Punkt 9, also bei einer Wobbeispannung von U_n- = U₁ + U₁, = 19 + 0.7 = 19,7 V gibt der Phasendiskriminätor plötzlich eine Spannung von 20 V ab. durch die die voll ausgezogene Diode gesperrt wird. Der Wobbeloszillator muß nun vor Erreichen der Spannung U_n=U_Rinll+ U₀ = 20.7 V abgeschaltet werden.

Liegt die Phasendiskriminatorspannung z. B. bei 25 V, also oberhalb der Sollabstimmung, so ist bei z. B. 30 V Wobbeispannung die ausgezogen gezeichnete Diode 7 leitend, über sie wird eine Spannung am Punkt 9 eingeprägt, die gleich U_n- — U₁, ist. Dieser Zustand bleibt erhalten bis zu einer Wobbelspannung von 25.7 V. Im Wobbelspannungsbereich von 25.7 bis 24,3 V sind beide Dioden gesperrt, und die Spannung am Punkt 9 bleibt bei 25 V stehen. Bei weiterem Absinken der Wobbeispannung und damit Annähern an die Sollabstimmung wird die gestrichelt gezeichnete Diode leitend, und über sie wird im Punkt 9 eine Spannung U_n + U₀ eingeprägt. Wird nun die Spannung U₂ = 21 V im Punkt 9 erreicht, was bei einer Wobbeispannung von U_n- = U₁ - U₁, = 20,3 V der Fall ist. so gibt der Phasendiskriminator plötzlich eine Spannung von 20 V ab, wodurch die gestrichelt gezeichnete Diode gesperrt wird. Die Abschaltung des Wobbeigenerators muß vor Erreichen der Spannung I₁,- = Lr ,„ — U₁, — 19,3 V vorgenommen werden.

Die F i g. 4 b zeigt den Verlauf des Diodenstroms in Abhängigkeit von der an der Diodenkombination gemäß F i g. 4a anliegenden Spannung. Bei einem Spannungsbetrag > I l/_wjist die Diodenkombination durchgeschaltet. Benötigt man eine große Spannung U₁,, so kann man an Stelle der Anordnung der F i g. 4a zwei gegeneinander geschaltete Zenerdioden verwenden, wie sie in Fig. 5a dargestellt sind. Den entsprechenden Verlauf des Diodenstroms in Abhängigkeit von der Diodenspannung zeigt Fig. 5b.

Mit Uy ist in dieser Figur die Zenerspannung bezeichnet. Der Bereich der Kurve, in dem die Dioden nicht durchgeschaltet sind, (2 ■ U₀) ist gegenüber dem entsprechenden Bereich der Fig. 4a um die Spannung 2 · U₂ vergrößert. Die Größe der Diodenspannung U₁, richtet sich nach der Phasendiskriminator-Wobbelspannung. Eine maximale Wobbeigeschwindigkeit wird erreicht, wenn die Spannung U₀ der halben Spitzenspannung des Phasendiskriminator-Wobbelsignals entspricht.

In der Fig. 6 ist detalliert nochmals herausgezeichnet, wie man die Abschaltung des Wobbelgenerators 6 durchführen kann. Der Wobbelgenerator 6 ist bei diesem Ausfiihrungsbeispiel vom Punkt 9 über den Transistor 12 abgetrennt, wenn der Transistor 13 vom selektiven Glied 4 her gesperrt wird. Bei diesem Beispiel muß also dann, wenn die Sollfrequenz auftritt, der Transistor 13 vom Schaltglied 4 her gesperrt werden.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Synchronisierung eines frei schwingenden Oszillators, bei dem die Oszillatorfrequenz direkt oder nach Umsetzung oder Teilung in einem Phasendiskriminator mit einer Normalfrequenz verglichen wird, bei dem weiterhin die Ausgangsspannung über ein Tiefpaßeigenschaften aufweisendes Regelfilter geführt und zur Einstellung des Oszillators auf die gewünschte Frequenz benutzt wird und bei dem schließlich zur Erweiterung des Fangbereichs der Schaltung der dem Oszillator zugeführten Regelspannung eine Wobbeispannung überlagert wird, die nach Erreichen der Sollfrequenz des Oszillators abgeschaltet wird, dadurch gekennzeich-11 et, daß in die Zuführung der Wobbeispannung in an sich bekannter Weise wenigstens eine Diode eingeschaltet ist, die, solange der Oszillator nicht gefangen hat und sobald die Differenz zwischen Wobbeispannung und Phasendiskriminator-Ausgangsspannung bei sich der Sollabstimmung nähernder Wobbeispannung betragsmäßig größer als der Spannungsabfall U₀ an der Diode ist, durchlässig ist und am Einkoppelpunkt je nach Polung eine Spannung (/„· — U₀ oder

Uw + Ud einprägt und die bei Erreichen des Fangbereichs der Schaltung auf Grund der dann vom Phasendiskriminator erzeugten, gegenüber der Spannung U_n- ± U_D betragsmäßig größeren bzw. kleineren Soltgleichspannung gesperrt wird, daß in an sich bekannter Weise ein frequenzselektives Glied zur Erzeugung einer AbschaJtspannung für die Wobbeispannung bei Erreichen der Sollfrequenz vorgesehen ist und daß in die Zuführung der Wobbeispannung ein zusätzlicher elektronischer Schalter, dem die Abschaftspannung zugeführt wird und der die Wobbelspannungszuführung abschaltet, bevor die Wobbelspannung L/_)r um die Spannung U₀ von der vom Phasendiskriminator erzeugten Spannung abweicht, eingeschaltet ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei antiparallelgeschaltete Dioden verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei gegeneinandergeschaltete Zenerdioden verwendet werden.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 075 170.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

809 539 295 i. 68 Q Biindi'sdnii.-km'i Berlin