DE1537323C - Frequenzgenerator mit Phasenvergleich, dessen Vergleichsfrequenz aus mindestens zwei Normalfrequenzkomponenten gemischt wird - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen nach dem Prinzip der Frequenzanalyse, mit Phasenvergleich arbeitenden Frequenzgenerator, bei dem die zur Regelung eines veränderbaren Ausgangsoszillators dienende Vergleichsfrequenz in einer Umsetzer-Regelschleife durch Mischen aus mindestens zwei jeweils in Schritten, insbesondere dekadisch einstellbaren Normalfrequenz-Generatorstufen erzeugten Frequenzkomponenten gebildet wird.

In F i g. 1 ist schematisch ein derartiger bekannter Frequenzgenerator dargestellt. Ein beispielsweise im Frequenzbereich zwischen 70 und 100 MHz veränderbarer Ausgangsoszillator 0 erzeugt eine Ausgangsfrequenz F₀, die einer Umsetzer-Regelschleife zugeführt wird, welche aus einer Mischstufe M₁, einem zwischengeschalteten Filter ZF und einer Phasenvergleichsschaltung P besteht. In der Mischstufe M₁ wird die Frequenz des veränderbaren Ausgangsoszillators O mit der von der Normalfrequenz-Generatorstufe G₁ erzeugten Frequenzkomponente in die Zwischenfrequenz ZF umgesetzt. In der anschließenden Phasenvergleichseinrichtung P wird die Zwischenfrequenz ZF mit der Frequenzkomponente der Normalfrequenz-Generatorstufe G₂ in der -Phase verglichen, über die Regelschleife i? wird in Abhängig-Diese bekannte Schaltung nach F i g. 2 besitzt jedoch den Nachteil, daß die Vergleichsfrequenz F₀ stets relativ niedrig gewählt werden muß, wodurch die Bandbreite der Regelschleife sehr klein und damit die Umschaltzeit des Frequenzgenerators ungünstig groß wird. Soll beispielsweise eine Frequenzgeneratorstufe mit einer Ausgangsfrequenz F₀ von 70... 100 MHz gemäß F i g. 2 aufgebaut werden und soll diese Ausgangsfrequenz in Stufen von 100 Hz einstellbar sein, so ergibt sich zwangläufig eine Vergleichsfrequenz F_q von 100 Hz, da der Teilungsfaktor des Frequenzteilers N nur in ganzen Zahlen verändert werden kann.

Da weiterhin von der Frequenzgeneratorstufe gleichzeitig noch ein hoher Störabstand gefordert wird, muß im synchronisierten Zustand die Regelspannung frei von 100-Hz-Komponenten sein, d. h., es muß in der Regelschleife R einen Tiefpaß T zum Absieben der 100-Hz-Komponenten geschaltet werden, wodurch aber bei einer Frequenzänderung wieder die Umschaltzeiten relativ lang werden.

Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Schaltung nach F i g. 2 besteht darin, daß der Frequenzteiler N mit variablem Teilungsfaktor für die hohe Eingangsfrequenz von 70.. .100 MHz ausgelegt werden muß, was aufwendige digitale Schaltkreise erfordert. Des weiteren ist der hohe Teilungsfaktor η von 7... 10 · 10⁵ sehr nachteilig. Wie Gleichung (1) zeigt, erscheinen außerdem Phasenschwankungen der Vergleichsfrequenz um den Teilungsfaktor vervielfacht am Ausgang des Frequenzgenerators.

Man hat auch schon zur Vereinfachung des Frequenzteileraufbaues im Sinne der F i g. 3 zwischen

Oszillator O und variablen Frequenzteiler JV einen festen Vorteiler K eingefügt. Für diese Schaltung nach Fig. 3 gilt dann folgende Gleichung:

Bei einem angenommenen Teilungsfaktor k = 10 für den Vorteiler K wird die Eingangsfrequenz des Frequenzteilers JV variablen Teilungsfaktors für einen Frequenzgenerator mit obigem Frequenzumfang auf 7.. .10 MHz herabgesetzt. Die Vergleichsfrequenz F_q muß jedoch, wie Gleichung (2) zeigt, um den Teilungsfaktor k des Vorteilers K erniedrigt werden, im angenommenen Beispiel also auf 10 Hz. Damit wird die Umschaltzeit für einen Frequenzwechsel noch größer, da nunmehr 10-Hz-Komponenten durch den Tiefpaß Γ in der Regelschleife abgesiebt werden müssen. Auch bleibt der hohe Teilungsfaktor von 7.. .10 · 10⁵ für den veränderbaren Frequenzteiler JV.

Es wurde daher auch schon im Sinne der Schaltung nach F i g. 4 versucht, mit einer festen Umsetzfrequenz F_p die Oszillatorfrequenz F_a über die Mischstufe M₂ in eine tiefere Frequenzlage zu transponieren. In diesem Fall gilt dann folgende Beziehung:

n-F_q.

Wird die Umsetzfrequenz bei einem Freqüenzgeneratorfür70:. .100MHzbeispielsweisemit65MHz gewählt, so wird die Eingangsfrequenz des Frequenzteilers variablen Teilungsverhältnisses auf 5. . .35MHz reduziert, und das Teilungsverhältnis wird rund um den Faktor 2 auf 0,5.. .3,5 · 10^s vermindert. Die tiefe Vergleichsfrequenz F_q von 100 Hz und damit auch die Nachteile der großen Umschaltzeiten bleiben jedoch auch hier.

Es ist schließlich auch bereits schon ein Frequenzgenerator dieser Art bekannt, bei dem die erste Normalfrequenzgeneratorstufe G₁ aus einem schaltungstechnisch relativ aufwendigen umschaltbaren Filter besteht, welchem aus einer Normalfrequenzquelle ein dieser frequenzmäßig höheren Generatorstufe entsprechendes Frequenzspektrum zugeführt wird. Die frequenzmäßig tiefer liegende Generatorstufe besteht aus einer Schaltung nach Fig. 2, wobei zur Erhöhung der Regelbandbreite und damit auch der Regelgeschwindigkeit zusätzlich noch zwischen dem voreinstellbaren Frequenzteiler JV und der Phasenvergleichsschaltung P ein Frequenzvervielfacher eingefügt ist. Letztere Maßnahme ist sehr problematisch, da ein Frequenzvervielfacher von beispielsweise 1 :100. in diesen relativ tiefen Frequenzlagen nur schwer mit erträglichem Schaltungsaufwand realisierbar ist.

Ls ist auch schon ein nach dem Prinzip der Frequenzanalyse mit Phasenvergleich arbeitender Frequenzgenerator bekannt (niederländische Patentschrift 286 207), bei dem die zur Regelung des veränderbaren . Ausgangsoszillators dienende Vergleichsfre- - quenz in einer Umsetzer-Regelsinieife durch Mischen aus mindestens zwei jeweils in Schritten einstellbaren Normalfrequenz-Generatorstufen erzeugte Frequenzkomponenten gebildet wird, die frequenzmäßig höher liegende Generatorstufe dieses Hauptregelkreises ist in Form eines synchronisierten Oszillators und die frequenzmäßig tiefer liegende Generatorstufe nach dem Prinzip der Frequenzanalyse mit Phasenvergleich aufzubauen, d. h., diese tiefer liegende Frequenzkomponente wird in einem Nebenregelkreis durch einen veränderbaren Ausgangsoszillator-erzeugt, der über eine Vergleichsfrequenz geregelt wird, die in einer Umsetzer-Regelschlcife durch Mischen aus mindestens zwei jeweils in Schritten dekadisch einstellbaren Normalfrequenz-Generatorstufen erzeugte Frequenzkomponenten gebildet wird, wobei sowohl die frequenzmäßig höher liegende als auch die frequenzmäßig tiefer liegende Generatorstufe dieses Nebeniegelkreises aus einem regelbaren Oszillator, einem damit verbundenen Frequenzteiler variablen Teilungsfaktor und einer Phasenvergleichsschaltung /um Vergleich der geteilten Oszillatorfrequenz mit einer festen Vergleichsfrequenz besteht und bei der zusätzlich noch zwischen dem regelbaren Oszillator der frequenzmäßig tiefer liegenden Generatorstufe und der ihr zugeordneten Mischstufe der Regelsehleife ein Frequenzteiler geschaltet ist. Bei diesem ix'kannten Generator wird also für die frequenzmäßig tiefer liegende Generatorstufe eine Schaltung verwendet, bei der zwei Generatorstufen mit Frequenzteilern variablen Teilungsverhältnisses vorgesehen sind, so daß eindeutig definierte Umsetzfrequenzen erzielt werden und eine fehlerhafte Synchronisation auf benachbarte Frequenzspektrumspunkte, wie dies bei synchronisierten Oszillatoren zu befürchten ist, vermieden wird. Solche Schaltungen im Sinne des Nebenregelkreises sind jedoch nur für relativ niedrige I requenzlagen brauchbar, wie dies im Zusammenhang mit dem Schaltungsbeispiel nach Fig. 2 näher erläutert wurde. Aus diesem Grunde ist bei diesem bekannten Generator für den Hauptregelkreis, in welchem auch eine gegenüber der Frequenzkompo-■ nente des Nebenregelkreises höhere Frequenzkomponente nötig ist, wieder eine Generatorstufe verwendet, die als synchronisierter Oszillator aufgebaut ist, der jedoch seinerseits wieder die obenerwähnten prinzipiellen Nachteile besitzt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen nach dem Prinzip der Frequenzanalyse mit Phasenvergleich arbeitenden Frequenzgenerator zu schaffen, der stets eine sichere Synchronisation gewährleistet,'also nicht die Nachteile der bekannten Generatoren dieser Art mit synchronisierten Oszillatoren oder abgestimmtem Filter, sondern vielmehr die Vorteile der mit Frequenzteilern variablen Teilungsverhältnisses %ufgebauten Generatoren besitzt, jedoch gegenüber letzteren wiederum eine möglichst hohe feste Vergleichsfrequenz und damit schnelle Umschaltzeiten aufweist, der außerdem einen sehr einfachen Aufbau besitzt und . vor allem die Verwendung von Frequenzteilern relativ kleinen Teilungsverhältnisses, und zwar bei relativ niedriger Frequenz für die höchsten Schritte ermöglicht.

Diese Aufgabe wird, ausgehend^ von einem Frequenzgcnerator der obenerwähnten Art, erfindungsucmäß dadurch gelöst, daß zwischen dem Ausgangsos/illator und der die frequenzmäßig höhere Freqtienzkomponente einmischenden Mischstufe ein weiterer Frequenzteiler geschaltet wird.

Vorzugsweise ist dabei in frequenzmäßig tieferen und/oder höheren Generatorstufen in an sich bekannter Weise zwischen dem regelbaren Oszillator und dem Frequenzteiler eine durch eine feste Umsetzerfrequenz gespeiste zusätzliche Mischstufe zum' Herabmischen der Oszillatorfrequenz auf eine tiefere Zwischenfrequenz geschaltet (F i g. 6).

Bei einer Schaltung zum Nachregeln der Ausgangsfrequenz eines Frequenzgenerators auf eine vorgegebene feste Vergleichsfrequenz ist es an sich

bereits bekannt, sowohl die Ausgangsfrequenz des Frequenzgenerators als auch die feste Vergleichsfrequenz mittels elektronischer Zähler um einen vorbestimmten Faktor zu teilen und die Ausgangsimpulsfolgen niedrigerer Frequenz dieser beiden Zähler in einer Phasenvergleichsschaltung zu vergleichen. Mit der Ausgangsspannung dieser Phasenvergleichsschaltung wird in bekannter Weise dann der Frequenzgenerator im Sinne der Übereinstimmung mit der festen Vergleichsfrequenz nachgeregelt (deutsche Auslegeschrift 1078 188). Dieses bekannte Verfahren ist nicht unmittelbar mit einem nach dem Prinzip der Frequenzanalyse arbeitenden Frequenzgenerator vergleichbar, bei dem eine zur Regelung eines veränderbaren Ausgangsoszillators dienende Vergleichsfrequenz in einer Umsetzer-Regelschleife durch Mischen aus mindestens zwei Normalfrequenz-Generatorstufen erzeugte Frequenzkomponenten gebildet wird.

Durch das crfindungsuemiil.ie Zwischonscluilicn des Frequenzteilers zwischen Ausgangsoszillator und erster Mischstufe wird die Frequenzlage der ersten Umsetzfrequenz und damit die des Oszillators und des variablen Frequenzteilers wesentlich herabgesetzt. Oszillator und variabler Frequenzteiler können dadurch optimaler dimensioniert werden, als es bei der ursprünglichen Ausgangsfrequenzlage möglich wäre.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der F i g. 5 und 6 an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Bei dem in F i g. 5 gezeigten Frequenzgenerator ist die erste Normalfrequenz-Generatorstufe G₁, welche die in Schritten einstellbare erste Umsetzfrequenz erzeugt, im Sinne der bekannten Generatorschaltung nach F i g. 2 aufgebaut, allerdings nur mit einem dreistufigen Frequenzteiler N₁ variablen Teilungsverhältnisses. Die in Schritten einstellbare zweite Umsetzfrequenz wird ebenfalls in einer im Prinzip wie ein Generator nach Fig. 2 aufgebauten Stufe G₂ erzeugt, jedoch wiederum mit einem Frequenzteiler JV₂ von nur drei Dekadenstufen und zusätzlich mit einem festen Frequenzteiler L, der zwischen dem' Oszillator O₂ und der Phasenvergleichsstufe P in der Umsetzer-Regelschleife angeordnet ist.

In die Umsetzer-Regelschleife ist zwischen dem Ausgangsoszillator O und der Mischstufe M₁ ein Frequenzteiler K mit dem Teilungsfaktor k geschaltet. Im synchronisierten Zustand gilt für die Ausgangsfrequenz F_b der Generatorstufe G₁ im * Sinne' der Gleichung (1) folgende Beziehung:

— ϊϊλ * F_n

(4)

für die Ausgangsfrequenz F_d des Oszillators O₂ der Generatorstufe G₂ gilt entsprechend folgende Beziehung:

= η, · F„

(5)

60

Durch den nachgeschalteten .Teiler L wird diese Ausgangsfrequenz F_d um den Teilungsfaktor Z geteilt, und für die eigentliche Ausgangsfrequenz F_c der Generatorstufe G₂ gilt dann folgende Beziehung:

Die feste Vergleichsfrequenz F_q2 nimmt damit einen um den Faktor I höheren Wert an als die kleinste Stufung des variablen Frequenzteilers. Damit kann diese Vergleichsfrequenz F_q2 wesentlich größer gewählt werden, und es können somit auch die Umschaltzeiten kleiner gehalten werden.
. In der Umsetzer-Regelschleife wird die um den Faktor K geteilte Ausgangsfrequenz des Oszillators 0 zunächst in der Mischstufe M₁ mit der Frequenz F,, der Generatorstufe G₁ umgesetzt, und dieses Mischprodukt wird dann in der nachfolgenden Phasenvergleichsschaltung P mit der Frequenz F_c der zweiten Generatorstufe G₂ verglichen. Im synchronisierten Zustand gilt für die Ausgangsfrequenz des Oszillators 0 der Schaltung nach F i g. 5 folgende Beziehung:

ⁿ2 ' F_q2 \

Für einen Frequenzgenerator mit der Ausgangsfrequenz F_a 70...100MHz und einer 100-Hz-Stufung wird ein Oszillator O₁ mit einem Frequenzbereich zwischen 6,9000 und 9,8900 MHz benötigt. Der Teilungsfaktor H₁ des variablen Frequenzteilers N₁ ist von 690... 989 in drei Dekaden einstellbar. Die feste Vergleichsfrequenz F_ql beträgt 10 kHz. Die Frequenz F_d des Oszillators O₂ ist 10.. .11 MHz, der Teilungsfaktor n₂ des Teilers N₂ wird mit 1.. „1,1 · 10⁴ gewählt, und die Vergleichsfrequenz F_i2 beträgt 1 kHz. Der Teilungsfaktor Z des Frequenzteilers L ist 100. Die Frequenzlage der Frequenz F_c ist damit 100... 110 kHz, und entsprechend ist auch die Frequenzlage des Zwischenfrequenzfilters ZF in der Umsetzer-Regelschleife. Der Teilungsfaktor des Teilers K ist fc = 10 gewählt.

Daraus wird deutlich, daß gegenüber den bekannten Anordnungen die feste Vergleichsfrequenz F_q uni den Faktor 10 höher gewählt werden kann und außerdem die Teilungsfaktoren für die Frequenzteiler N₁ und N₂ wesentlich niedriger sein können.

Die Anordnung nach F i g. 6 entspricht grundsätzlich dem Aufbau der Anordnung nach F i g. 5. Hier ist lediglich in der Generatorstufe G₂ zwischen dem Oszillator O₂ und dem dreistufigen Frequenzteiler N₂ eine zusätzliche Mischstufe M₂ ■ und ein Zwischenfrequenzfiiter ZF₁ geschaltet. Der Mischstufe M₂ wird eine feste Umsetzerfrequenz F_q3 zugeführt. Durch diese Anordnung wird es möglich, bei sonst gleichbleibenden Verhältnissen den Teilungsfaktor H₂ des Teilers N₂ weiter zu verringern. Dadurch wird der bereits erwähnte Vorteil, daß kleine Teilungsfaktoren die Phasenschwänkungen der Vergleichsfrequenz nur entsprechend niedrig vervielfachen, weiter ausgebaut.

Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht es mit einfachen Mitteln, beispielsweise die Synchronisation der Generatorstufe G₂- abzuschalten, so daß die kleinste Stufung der höherfrequenten Generatorstufe G₁ auch allein mit dem veränderbaren Oszillator O₂ oder einem zugeschalteten Intervall-Oszillator mit einer Präzisionsabstimmung (Drehkondensator, Variometer) kontinuierlich überstrichen werden kann.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Nach dem Prinzip der Frequenzanalyse mit Phasenvergleich arbeitender Frequenz-Generator. bei dem die zur Regelung eines veränderbaren Ausgangsoszillators dienende Vergleichsfrequen/ in einer Umsetzer-Regelschleife durch Mischen aus mindestens zwei jeweils in Schritten, insbesondere dekadisch einstellbaren Normalfrequenz-Generatorstufen erzeugten Frequehzkomponenten gebildet wird, von denen sowohl die frequenzmäßig höhere als auch die frequenzmäßig tiefere Gencratorstufe aus einem regelbaren Oszillator, einem damit verbundenen Frequenzteiler variablen Teilungsfaktors und einer Phasenvergleichsschaltung zum Vergleich der geteilten Oszillatorfrequenz mit einer festen Vergleichsfrequenz besteht und zwischen dem regelbaren Oszillator der frequenzmäßig tieferen Generatorstufe und der ihr zugeordneten Mischstufe der Umsetzer-Regelschleife ein Frequenzteiler geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgangsoszillator (O) und der die frequenzmäßig höhere Frequenzkomponente (F,,) einmischenden Mischstufe (M₁) ein Frequenzteiler (K) geschaltet ist.

2. Frequenzgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der frequenzmäßig tieferen und/oder höheren Generatorstufe (G₁ bzw. G₂) in an sich bekannter Weise zwischen dem regelbaren Oszillator (O₂) und dem Frequenzteiler (N₂) eine durch eine feste Umsetzerfrequenz (F_a3) gespeis'te zusätzliche Mischstufe (M₂) zum Herabmischen der Oszillatorfrequenz (F,,) auf eine tiefere Zwischenfrequenz (ZF₁) geschaltet ist (F i g. 6).

keit von diesem Phasenvergleich der Oszillator O auf die Summe oder Differenz der Frequenzkomponenten der Generatorstufen G₁ und G₂ nachgeregelt.

Bei den bisher üblichen Frequenzgeneratoren dieser Art sind die Normalfrequenz-Generatorstufen meist sogenannte synchronisierte Oszillatoren, bei denen ein veränderbarer Oszillator mit einer Frequenzkomponente eines von einem Quarz abgeleiteten Frequenzspektrums synchronisiert wird. Bei solchen synchronisierten Oszillatoren besteht vor allem bei höheren Frequenzen im MHz-Gebiet die Gefahr einer Fehlsynchronisation, wenn nämlich der Oszillator auf einen neben dem eigentlichen Soll-Frequenz-Spektrumspunkt liegenden Spektrumspunkt synchronisiert wird.

Dieser Nachteil ist bei Frequenzgeneratorstufen mit Frequenzteilern variablen Teilungsfaktors nicht zu befürchten, denn hier wird im Sinne der F i g. 2 bis 4 die Ausgangsfrequenz F₀ eines variablen Ausgangsoszillators O mittels eines Frequenzteilers N variablen Teiluhgsfaktors η: 1 geteilt und die so geteilte Frequenz in einer Phasenvergleichsschaltung P mit der von einem Quarzoszillator abgeleiteten festen Vergleichsfrequenz F_q verglichen. Die Frequenzeinstellung der Frequenzgeneratorstufe erfolgt hier also durch Verändern des Teilungsfaktors η des Frequenzteilers N. Die Ausgangsspannung der Phasenvergleichsschaltung P beeinflußt wiederum in bekannter Weise die Frequenz des Ausgangsoszillators O derart, daß er auf die Vergleichsfrequenz F_q synchronisiert wird.

Für das in F i g. 2 gezeigte Schaltungsbeispiel gilt folgende Beziehung:

F_n = η F

ι ■