DE1270626B - Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer frequenzstabilen Wechselspannung - Google Patents
Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer frequenzstabilen WechselspannungInfo
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- H03L7/06—Automatic control of frequency or phase; Synchronisation using a reference signal applied to a frequency- or phase-locked loop
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Description
BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES WÄW PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Int. Cl.:
H 03 b
Nummer:
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Anmeldetag:
Auslegetag:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:
Deutsche Kl.: 21 a4-8/02
1270 626
P 12 70 626.2-35
10. März 1964
20. Juni 1968
P 12 70 626.2-35
10. März 1964
20. Juni 1968
Die Erfindung betrifft eine insbesondere für Meßsender u. dgl. geeignete Schaltungsanordnung zum
Erzeugen einer frequenzstabilen Wechselspannung mit zwei durch je eine Spannung abstimmbaren Oszillatoren,
die mit Eingängen eines Phasendiskriminators verbunden sind, der eine Spannung liefert, die von
'der Phasenbeziehung der ihm zugeführten Eingangssignale abhängt.
In der Elektronik werden häufig Wechselspannungssignale benötigt, deren Frequenz innerhalb
eines breiten Frequenzbandes abstimmbar ist, wobei gleichzeitig gefordert wird, daß der das Signal
liefernde durchstimmbare Oszillator die Frequenzstabilität eines Standard- oder Bezugsoszillators aufweist.
Man verwendet hierzu häufig einen stabilen Bezugsoszillator, der nur in einem schmalen Frequenzband
abstimmbar ist, und synchronisiert die Phase eines bei höheren Frequenzen arbeitenden,
frequenzveränderlichen Oszillators mit einer gewünschten Oberwelle des Bezugsoszillators. Ein
Nachteil dieser Schaltungsanordnung besteht darin, daß die prozentuale Frequenzänderung des mitgenommenen,
höherfrequenten Oszillators nur gleich der prozentualen Änderung des Bezugsoszillators ist.
Durch die vorliegende Erfindung soll daher eine Schaltungsanordnung zur Synchronisation eines in
einem breiten Frequenzband abstimmbaren Hochfrequenzoszillators durch einen nur in einem schmalen
Frequenzband abstimmbaren niederfrequenten Bezugsoszillator angegeben werden. Weiterhin soll
durch die Erfindung eine verbesserte Phasenmitnahme-Frequenzstabilisierungsschaltung
angegeben werden.
Bei der vorliegenden Erfindung wird die Frequenz eines Bezugsoszillators in einem schmalen Frequenzband
geändert, während ein Hochfrequenzoszillator von einer gewünschten Oberwelle des Bezugsoszillators mitgenommen wird. Die Frequenz des
Bezugsoszillators wird vom unteren zum oberen Ende des Frequenzbandes geändert und dann rasch wieder
auf eine niedrigere Frequenz innerhalb des Bandes zurückgestellt. Die Ansprechgeschwindigkeit des Mitnahme-
oder Synchronisationskreises wird so klein bemessen, daß der Hochfrequenzoszillator, der
ursprünglich von dem am oberen Ende seines Abstimmbereiches arbeitenden Bezugsoszillator phasensynchronisiert
war, nun mit einer sukzessive höheren Oberwelle des Bezugsoszillators, der nun auf einer
niedrigeren Frequenz innerhalb seines Abstimmbereiches arbeitet, in Tritt fällt. Durch eine wiederholte
Durchstimmung des Bezugsoszillators über seinen kleinen Abstimmbereich läßt sich dabei eine
sehr große, ununterbrochene und kontinuierliche Schaltungsanordnung zum Erzeugen
einer frequenzstabilen Wechselspannung
einer frequenzstabilen Wechselspannung
Anmelder:
Hewlett-Packard Company, Palo Alto, Calif.
(V. St. A.)
Vertreter:
Dr.-Ing. E. Sommerfeld und Dr. D. v. Bezold,
Patentanwälte, 8000 München 23, Dunantstr. 6
Als Erfinder benannt:
Harley L. Halverson, Palo Alto, Calif. (V. St. A.)
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 14. März 1963 (265 278)
Frequenzänderung des Hochfrequenzoszillators innerhalb eines sehr großen Frequenzbereiches erzielen.
Die Erfindung soll nun an Hand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher
erläutert werden. Es zeigt
F i g. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform
der Erfindung,
Fig. 2 ein Diagramm der Frequenzbeziehungen
zwischen einem Bezugsoszillator und einem zweiten Oszillator im Abstimmbereich,
F i g. 3 ein Blockschaltbild einer gegenüber F i g. 1 abgewandelten Ausführungsform der Erfindung und
Fig. 4 ein Diagramm, das den Zusammenhang
zwischen der Ausgangsfrequenz und der Rückkopplungsspannung des Bezugsoszillators der F i g. 3 zeigt.
Das in F i g. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel der
Erfindung enthält einen mittels einer Spannung abstimmbaren Hochfrequenzoszillator 9 und einen mittels
einer Spannung abstimmbaren Bezugsoszillator 11, die an einen Phasenvergleichskreis 13 angeschlossen
sind. Bei dem Phasenvergleichskreis 13 kann es sich um einen getasteten Typ handeln, er liefert am
Ausgang eine stetige Spannung Ve, die eine Funktion
des Phasenunterschiedes zwischen dem Signal vom Hochfrequenzoszillator 9 und einer bestimmten Oberwelle
des Signals vom Bezugsoszillator 11 ist. Phasenvergleichskreise dieser Art sind bekannt. Um eine
kleine Änderung der Frequenz des vom Hochfrequenzoszillators 9 erzeugten Signals zu erreichen, werden
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3 4
die Abstimmspannung 17 und damit die Frequenz des nimmt aber auch die Breite des Bandes, in dem Stö-Bezugsoszillators
11 und. gleichzeitig die dem Hoch- rangen oder Rauschen übertragen werden, zu. Durch
frequenzoszillator 9 zugeführte Abstimmspannung 15 die Begrenzung des Störpegels auf den maximal zuverändert.
Etwaige Phasenabweichungen zwischen lässigen Wert werden daher die Größe des Einfangder
Ausgangsspannung des Oszillators 9 und der ge- 5 und Haltebereiches der Schaltung in unerwünschter
wählten Oberwelle der Ausgangsspannung des Be- Weise beschnittem Eine Erhöhung der Schleifenverzugsoszillators
11, die beispielsweise durch einen Stärkung zur Vergrößerung des Haltebereiches über
ungenauen Gleichlauf der Abstimmspannungen oder einen festen Maximalwert der Schleifenverstärkung
Unterschiede in der Frequenzabstimmspannungs- ist unzweckmäßig,
kennlinien der Oszillatoren im Abstimmbereich ver- io F i g. 3 zeigt eine Abwandlung der in F i g. 1 darursacht
sein können, lassen am Ausgang des Phasen- gestellten Schaltungsanordnung, bei der der Einfangvergleichskreises
13 eine Fehlerspannung Ve er- bereich ohne gleichzeitige Erhöhung der Störbandscheinen.
Diese Spannung wird durch ein Tiefpaßfilter breite vergrößert und die Schleifenverstärkung unab-
19 gefiltert und in einer Addierstufe 21 mit der Ab- hängig vom Haltebereich sind. Diese Schaltungsanstimmspannung
15 vereinigt. Die Frequenz des Oszil- 15 Ordnung enthält zwei Rückkopplungsschleifen 27, 29.
lators 9 wird dann entsprechend der von der Addier- Die Schleife 29 liefert die erforderliche Schleifenverstufe
21 zugeführten Summenspannung korrigiert. Die Stärkung und geeignete Filtercharakteristik, die den
Fehlerspannung Ve geht mit abnehmendem Gleich- gewünschten Einfang- und Haltebereich bestimmen,
lauffehler zwischen den Abstimmspannungen 15, 17 Die Schleifenverstärkung und Filtercharakteristik der
gegen Null, und die Phasenmitnahme zwischen den 20 Schleife 27 sind so bemessen, daß sich die gewünschte
Oszillatoren wird aufrechterhalten. Stabilität und Störbandbreite ergeben. Die «-te Ober-
Die Ausgangsfrequenz des Hochfrequenzoszilla- welle des Bezugsoszillators 11 synchronisiert die Phase >
tors 9 läßt sich auf diese Weise variieren, bis die des Hochfrequenzoszillators 9 mittels des Phasenverobere
Grenze des Abstimmbereiches des Bezugs- gleichskreises 13 und der Rückkopplungsschleife 27 in
Oszillators 11 erreicht ist. An diesem Punkt werden 25 der oben beschriebenen Weise. Der Bezügsoszillator
die dem Bezugsoszillator 11 zugeführte Abstimm- 11 und der Hochfrequenzoszillator 9 sind in einem
spannung und damit seine Betriebsfrequenz plötzlich weiten Frequenzbereich miteinander phasensynchroauf
einen niedrigeren Wert herabgesetzt. Der Hoch- nisiert, und die Frequenz des Bezugsoszillators 11 wird
frequenzoszillator 9 kann dieser raschen Frequenz- hierzu sägezahnartig zwischen den Maximal- und
änderung nicht folgen, und die Rückkopplungsschleife 30 Minimalwerten geändert, wobei der Hochfrequenz-
20 wird unterbrochen, da keine Phasenmitnahme oszillator 9 durch aufeinanderfolgende Oberwellen
mehr stattfindet. Die Zeitkonstante der Rückkopp- des Bezugsoszillators 11 mitgezogen wird. Wenn die
lungsschleife 20 wird so groß bemessen, daß keine Abhängigkeit der Ausgangsfrequenz des Bezugsmerkliche
Änderung der Frequenz des Oszillators 9 Oszillators 11 von der Abstimmspannung linear ist,
auftritt. Der Hochfrequenzoszillator 9 wird daher von 35 ist die dem Bezugsoszillator 11 zugeführte Abstimmder
nächsthöheren Oberwelle des Bezugsoszillators spannung direkt proportional der Frequenz des
11 mitgezogen, welcher nun auf einer niedrigeren Hochfrequenzoszillators 9. Der phasensynchronisie-Frequenz
arbeitet. Das Diagramm der Fig. 2 zeigt rende Bezugsoszillator 11 arbeitet dann in Verbindie
Beziehung zwischen dem in Kurve 23 dargestellten dung mit der Rückkopplungsschleife 29 als Frequenz-Frequenzverlauf
des Ausgangssignals des Bezugs- 40 diskriminator mit einer Spannungs-Frequenz-Kennoszillators
11 und der resultierenden Änderung der linie, wie sie in dem Diagramm der F i g. 4 dargestellt
in Kurve 25 dargestellten Frequenz des Hochfre- ist. ία diesem Diagramm sind längs der Ordinate die
quenzoszillators 9 im Abstimmbereich der Schaltungs- Rückkopplungsspannung V1, die am Eingang einer
anordnung. Die Kurve 23 zeigt auch, daß die Diffe- Stufe 33 zur Verfügung steht, und längs der Abszisse
renz zwischen der maximalen und minimalen Fre- 45 die Ausgangsfrequenz / aufgetragen. Mit η, η + 1...
quenz des Bezugsoszillators 9 abnimmt, wenn die sind die jeweils synchronisierenden Oberwellen be-Phasenmitnahme
durch sukzessive höhere Oberwellen zeichnet Die Mittelfrequenz des durch den Bezugsbewirkt
wird. Man erreicht auf diese Weise eine oszillator 11 in Verbindung mit der Rückkopplungs-Phasenmitnahme
des Hochfrequenzoszillators durch schleife 29 gebildeten Frequenzdiskriminators folgt
aufeinanderfolgende Oberwellen des Bezugsoszillators, 50 also der Frequenz des Hochfrequenzoszillators 9. Die
und der Hochfrequenzoszillator läßt sich dadurch in Diskriminatorspannung am Ausgang eines Filters 35
einem breiten Frequenzband abstimmen, während wird in einem Differenzverstärker 31 mit dem Ausdie
Frequenz des Bezugsoszillators nur in einem gang der Abstimmspannungsquelle 15 verglichen. Das
schmalen Frequenzband veränderlich ist, dabei erzeugte Fehlersignal wird dem Hochfrequenz-
Die maximale Differenz- oder Fehlerfrequenz bei 55 oszillator 9 zur Korrektur von Abweichungen seiner
offener Schleife, die ein Mitziehen und eine Phasen- Ausgangsfrequenz zugeführt. Der Bezugsoszillator 11
mitnähme des synchronisierten Oszillators erlaubt, ist also phasensynchronisiert mit dem Hochfrequenzalso
der Einfangbereich, hängt vom Frequenzgang oszillator 9, und der Hochfrequenzoszillator 9 ist
der Rückkopplungsschleife 20 ab. Dieser Einfang- frequenzsynchronisiert mit dem Bezugsoszillator 11.
bereich soll möglichst groß sein, damit die Arbeits- 60 Diese Schaltungsanordnung hat den Vorteil, daß die
weise der Schaltungsanordnung nicht wesentlich vom Phasensynchronisationsschleife 29 für optimale EinGleichlauf
der von den Quellen 15, 17 gelieferten fang- und Halteeigenschaften bemessen werden kann,
Abstimmspannungen abhängt. Der Bereich, in dem während die Frequenzsynchronisationsschleife 27 undie
Phasensynchronisation bei einmal in Tritt gefalle- abhängig davon für optimale Rauschverhältnisse und
nen Oszillatoren erhalten bleibt, hängt von der 65 Frequenzstabilität abgleichbar ist. Die Frequenz des
Schleifenverstärkung in der Rückkopplungsschleife Ausgangssignals vom Oszillator 9 ändert sich also in
20 ab. Bei Vergrößerung der Bandbreite der Rück- einem weiten Frequenzband kontinuierlich, während
kopplungsschleife oder der Schleifenverstärkung sich die Frequenz des Bezugsoszillators 11 sägezahn-
artig zwischen zwei nahe benachbarten Frequenzgrenzen ändert.
Die beschriebenen Schaltungsanordnungen ermöglichen also die Ausgangsfrequenz eines Oszillators in
einem weiten Frequenzbereich zu ändern, während der Oszillator gleichzeitig eine einem Bezugsoszillator
weitgehend entsprechende Stabilität aufweist. Dies wird dadurch erreicht, daß im ganzen Betriebsbereich
zwischen zwei Oszillatoren eine Phasenmitnahme und eine Frequenzmitnahme bewirkt wird.
Claims (3)
1. Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer frequenzstabilen Wechselspannung mit zwei durch
je eine Spannung abstimmbaren Oszillatoren, die mit Eingängen eines Phasendiskriminators verbunden
sind, der eine Spannung liefert, die von der Phasenbeziehung der ihm zugeführten Eingangssignale
abhängt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kombination einer Abstimmspannung und der Ausgangsspannung des
Phasendiskriminators dem ersten Oszillator (9) derart zugeführt ist, daß eine Phasenmitnahmeschleife
(20) zur kontinuierlichen Änderung der Frequenz des ersten Oszillators gebildet wird, daß
die Frequenz des zweiten Oszillators (11) sägezahnartig im Bereich benachbarter Unterharmonischer
des ersten Oszillators abgestimmt wird und daß die den ersten Oszillator enthaltende
Phasenmitnahmeschleife eine frequenzändernde Zeitkonstante aufweist, die größer ist als die
Frequenzänderungszeitkonstante des zweiten Oszillators derart, daß der erste Oszillator beim
gleichzeitigen Durchstimmen der beiden Oszillatoren mit aufeinanderfolgenden Oberwellen des
zweiten Oszillators in Tritt fällt.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Tiefpaßfilter (19) in der
den ersten Oszillator (9) enthaltenen Phasenmitnahmeschleife.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine mit dem zweiten
Oszillator (11) verbundene zweite Rückkopplungsscheife (29), durch die dem zweiten Oszillator
die Kombination seiner Abstimmspannung und des vom Phasendiskriminator erzeugten Signals
zugeführt ist, wobei die den ersten Oszillator enthaltende Rückkopplungsschleife (27) eine
höhere Grenzfrequenz bzw. größere Bandbreite hat als die zweite Rückkopplungsschleife (29).
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
809 560/156 6.68 © Bundesdruckerei Berlin
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