-
Die Anordnung betrifft eine Schaltung zur Vermeidung der von der Amplitudenschwankung
des Führungssignals abhängigen Schwingneigung bei Regelkreisen, die mit Hilfe eines
Phasenvergleiches zwischen dem Signal eines örtlichen Oszillators und dem Führungssignal
Bestimmungsgrößen des Signals des örtlichen Oszillatorg. nachregeln.
-
Phasenverkettete Regelkreise finden bei Synchronisationsproblemen,
z. B. in Fernsehempfängen, bei der Rückgewinnung von Hilfsträgern, z. B. in Trägerfrequenzsystemen,
und bei der Demodulation von frequenz- oder phasenmodulierten Signalen, z. B. in
der professionellen Nachrichtentechnik, vielfältige Anwendungsgebiete.
-
Den grundsätzlichen Aufbau eines phasenverketteten Regelkreises zeigt
F i g. 1: In einer Phasenvergleichsschaltung 1 wird das Signal U eines örtlichen
Oszillators 4 mit dem Führungssignal U verglichen. Das Ausgangssignal U, der Phasenvergleichsschaltung,
das eine der Phasendifferenz zwischen beiden Signalen entsprechende Gleichspannungskomponente
enthält, durchläuft in der Regel ein Filter 2, danach einen breitbandigen Gleichspannungsverstärker
3 und wird als Stehgröße dem örtlichen Oszillator 4 zugeführt, womit sich der Regelkreis
schließt.
-
Berücksichtigt man, daß in der Phase des Führungssignals die Führungsgröße
enthalten ist und daß der steuerbare Oszillator in Verbindung mit der Phasenvergleichsschaltung
bezüglich Phase als Integrierglied wirkt, so erhält man für den phasenverketteten
Regelkreis die in der Literatur übliche Ersatzschaltung (F i g. 2). Die Phasenvergleichsschaltung
führt neben dem Soll-Ist-Wert-Vergleich auch die in jedem Regelkreis zur Erziehing
einer gegenkoppelnden Wirkung erforderliche Phasendrehung von 180° durch.
-
Für das Filter 2 mit dem Frequenzgang F(p) wird meist ein stabiles
Minimalphasensystem gewählt, so daß der aufgeschnittene Regelkreis im Prinzip stabil
und allpaßfrei ist. Zur Beurteilung der Kreisstabilität kann deshalb das am Bode-Diagramm
bekannte Näherungsverfahren verwendet werden: Eine stabile offene Kette bleibt bei
Schließung stabil, wenn die Neigung des durch gebrochene Gradenzüge approximierten
logarithmischen Amplitudenfrequenzganges bei und in der Umgebung der Frequenz u>
, bei der der Frequenzgang die 0-dB-Achse schneidet, - 20 dB pro Frequenzdekade
beträgt. Da der Amplitudenfrequenzgang des in F i g. 2 gezeigten Integriergliedes
Bereits die in der Umgebung von c-)" maximal zulässige
Neigung von -20 dB pro Frequenzdekade besitzt, muß demnach zur Gewährleistung einer
ausreichenden Stabilität die Grenzfrequenz des Gleichspannungsverstärkers oberhalb
co, liegen.
-
Bei einer konstanten Phasendifferenz zwischen Oszillator- und Führungssignal
wirkt sich eine Schwankung, z. B. eine Vergrößerung, der Amplitude des Führungssignals
in Form einer Vergrößerung der Spannung el(t) am Ausgang der Phasenvergleichsschaltung
und damit wie eine Erhöhung der Verstärkung K aus. Eine Verstärkungserhöhung hat
jedoch eine vertikale Anhebung der gesamten Frequenzgangkurve im Bode-Diagramm.
zur Folge, womit eine Verschiebung von cos nach höheren Frequenzen verbunden ist.
Der dabei auftretenden Schwingneigung kann nur mit einer Er- i höhung der Grenzfrequenz
des Gleichspannungsverstärkers begegnet werden. Die Erhöhung der Grenzfrequenz ist
im wesentlichen aus zwei Gründen unerwünscht. Einmal führen mehrere Zehnerpotenzen
umfassende Schwankungen der Amplitude des Führungssingals sehr bald an die Grenze
der technisch realisierbaren Bandbreites zum anderen werden Störkomponenten (z.
B. Rauschen), die über den Führungskanal eindringen, mit verstärkt und können Übersteuerungen,
zeitweiligen Mitnahmeverlust u. a. verursachen.
-
Die Verwendung des aus der Literatur bekannten Tiefpaßfilters mit
der Übertragungsfunktion:
mit co, > co" das die Neigung des Amplitudenfrequenzganges innerhalb eines Abschnittes
auf -40 dB pro Frequenzdekade vergrößert, bringt nur wenige Vorteile. Der mit der
jeweiligen Aufgabe des Regelkreises vorgeschriebene Führungsfrequenzgang schreibt
für w2 eine untere Grenze vor; (»l wird durch die Stabilitätsbedingung nach oben
begrenzt. Für die kleinste Amplitude des Führungssignals muß noch co,
< c)" erfüllt sein. Bei stark schwankender Amplitude des Führungssignals
ist der im Vergleich zur Gesamtbandbreite erzielbare Bandbreitengewinn nur gering.
Berechnungen haben ergeben, daß auch mit andersgearteten Filtern F(p) keine wesentliche
Verringerung der Bandbreite erzielt werden kann.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Stabilität eines
phasenverketteten Regelkreises über einen mehrere Zehnerpotenzen umfassenden Amplitudenbereich
des Führungssignals ohne ungewöhnliche Bandbreiteforderungen im Gleichspannungsverstärker
zu gewährleisten, wobei gleichzeitig bei allen Pegeln eine möglichst optimale Filterwirkung
des Kreises gegenüber Störsignalen angestrebt wird.
-
Dazu wird von einer Schaltungsanordnung, insbesondere für Fernsehempfänger,
zur Vermeidung der von der Amplitudenschwankung des Führungssignals abhängigen Schwingneigung
bei aus einer Phasenvergleichsschaltung, einem Filter, einem breitbandigen Gleichspannungsverstärker;
einem Oszillator und einem zur Erzielung der gegenkoppelnden Wirkung im Regelkreis
erforderlichen, im Gleichstromweg angeordneten 180°-Phasendrehglied bestehenden
phasenverketteten Regelkreis ausgegangen, bei der erfindungsgemäß das 180°-Phasendrehglied
von einem Stabilisierungsvierpol mit zum 180°-Phasendrehglied entgegengesetzter
Signalflußrichtung unter völligem oder teilweisem Einschluß des Gleichspannungsverstärkers
und/oder Filters überbrückt ist, wobei der Stabilisierungsvierpöl einen mit steigender
Frequenz zumindest abschnittsweise ansteigenden Übertragungsfaktor, d.h. Hoch- oder
Bandpaßeigenschaften, besitzt.
-
Die Vorgänge in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung können am
besten erläutert werden, wenn man sich den phasenverketteten Regelkreis wie zu den
Stabilitätsbetrachtungen am Bode-Diagramm erforderlich aufgeschnitten denkt. Durch
das Einfügen der 180°-Phasendrehung in den Gleichstromweg zwischen Ausgang der Phasenvergleichsschaltung
und Eingang des steuerbaren örtlichen Oszillators wird der Stabilisierungsvierpol
zu der aus örtlichem Oszillator, Phasenvergleichsschaltung und Teilen des Gleichspannungsverstärkers
und/oder Filters bestehenden Reihenschaltung parallel geschaltet. Während der Stabilisierungsvierpol,
der einen mit steigender Frequenz zumindest
abschnittsweise ansteigenden
Ubertragungsfaktor, d. h. einen Hoch- oder Bandpaß, in -dem für das gewünschte Führungsverhalten
interessanten Bereich des Amplitudenfrequenzganges des offenen Kreises unwirksam
ist, werden die Eigenschaften der Reihenschaltung in dem für die Stabilität maßgeblichen
Frequenzbereich des Amplitudenfrequenzganges durch den Stabilisierungsvierpol teilweise
kompensiert oder völlig überdeckt.
-
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung besitzt damit gegenüber den
bekannten Anordnungen folgende wesentlichen Vorteile: Da der Amphtudenfrequenzgang
in dem für die Stabilität maßgeblichen Frequenzgebiet in erster Linie durch den
Stabilisierungsvierpol bestimmt wird, kann die Stabilität über einen großen Bereich
weitgehend von den Veränderungen der Amplitude des Führungssignals unabhängig gemacht
werden.
-
Die Forderungen bezüglich Bandbreite des Gleichspannungsverstärkers
sind deshalb stark reduziert. Die Tatsache aber, daß das integrale Verhalten des
Regelkreises von einer bestimmten Frequenz an durch den Stabilisierungsvierpol kompensiert
wird, eröffnet die Möglichkeit einer weiteren Bandbreiteneinschränkung, so daß im
Gleichspannungsverstärker eine einfache Zeitkonstante auftreten kann, ohne daß damit
eine Instabilität des Regelkreises verursacht wird. Diese Zeitkonstante, die zweckmäßig
so gelegt wird, daß sie über einen Frequenzbereich gemeinsam mit dem Amplitudenabfall
des Integriergliedes wirksam ist, führt zur Ausbildung eines mit - 40 dB pro Frequenzdekade
abfallenden Abschnittes des Amplitudenfrequenzganges, der sich bei steigender Amplitude
des Führungssignals verlängert. Damit stellt sich der Kreis selbsttätig stets auf
eine optimale Filterwirkung gegenüber Störsignalen ein. Die Filterwirkung kann weiterhin
noch durch Einfügen von selektiven Mitteln in die vom Stabilisierungsvierpol überbrückte
Reihenschaltung von Oszillator und Phasenvergleichsschaltung noch erhöht werden,
da auch die Wirkung dieser Mittel durch den Stabilisierungsvierpol in dem für die
Stabilität kritischen Frequenzbereich kompensiert wird. Weitere Verbesserungen können
-durch Verwendung der in der Regelungstechnik üblichen Vierpole zur Güteverbesserung
von Regelkreisen, wie z. B. Stufenfilter, erzielt werden.
-
Die Erfindung soll nachstehend an zwei einfachen Ausführungsbeispielen
näher erläutert werden. In den Zeichnungen zeigt F i g. 1 die grundsätzliche Blockschaltung
eines phasenverketteten Regelkreises, F i g. 2 die dazugehörige regelungstechnische
Ersatzschaltung, F i g. 3 die Blockschaltung für beide Ausführungsbeispiele, F i
g. 4a das Bode-Diagramm für örtlichen Oszillator und Phasenvergleichsschältung nach
Parallelschaltung eines Stabilisierungsvierpols mit V(p) = a; a < 1,
F
i g. 4b das Bode-Diagramm des aufgeschnittenen Gesamtkreises für V(p)
= a; a < 1
und
F i g. 5a das Bode-Diagramm für örtlichen Oszillator und Phasenvergleichsschaltung
nach Parallelschaltung eines Stabilisierungsvierpols mit
F i g. 5b das Bode-Diagramm des aufgeschnittenen Gesamtkreises für V (p) _
p To
1+pTo@ und
Wie F i g. 3 zeigt, wurde für beide Ausführungsbeispiele eine Schaltungsanordnung
gewählt, bei der das 180°-Phasendrehglied 5 zwischen Gleichspannungsverstärker 3
und steuerbarem Oszillator 4 angeordnet ist und sowohl das Filter 2 als auch der
Verstärker 3 in die Überbrückung des 180°-Phasendrehgliedes 5 durch das Stabilisierungsfilter
6 mit einbezogen sind.
-
Das Bode-Diagramm zum ersten Beispiel F i g. 4a, hei dem für den Stabilisierungsvierpol
eine frequenzunab'aängige Übertragungscharakteristik V(p) = a vorausgesetzt
wurde, zeigt mit Kurve I den Amplitudenfrequenzgang des Integriergliedes nach Parallelschaltung
des Stabilisierungsvierpols bei kleiner Amplitude des Führungssignals, mit Kurve
II den Frequenzgang bei einer mittleren und mit Kurve III den Frequenzgang bei einer
großen Amplitude. Alle drei Kurven haben den für das Integrierglied typischen Abfall
von - 20 dB pro Frequenzdekade, der bei dem im Bode-Diagramm üblichen Maßstabsverhältnis
von Abszisse zu Ordinate einen tg a von -1 ergibt und schneiden bei verschiedenen
Frequenzen die 0-dB-Achse. Das integrierende Verhalten des Regelkreises endet jedoch
bei einem für alle Kurven gemeinsamen, von der Amplitude des Führungssignals unabhängigen
Pegel.
-
Das Bode-Diagramm des aufgeschnittenen Gesamtkreises in F i g. 4b
zeigt eine durch die Verstärkung K des Gleichspannungsverstärkers bedingteAnhebung
der in F i g. 4a dargestellten Kurven über die 0-dB-Achse. Da außerdem durch
bei co T; = 1
ein weiterer Amplitudenabfall mit der Neigung tga = -1 hinzugekommen
ist, ergeben sich folgende Veränderungen: Kurve I, die in F i g. 4 a bei coTl
= 1
in die Horizontale überging, läuft wegen F(p) mit einer Neigung von tga=-1
weiter und schneidet mit dieser Neigung die 0-dB-Achse; Kurve II versteilert bei
coTl = 1 ihre Neigung auf tg ec = - 2 und erreicht aus geometrischen
Gründen bei der Frequenz, bei der sie in F i g. 4a in die Horizontale überging,
die Kurve I; Kurve III verläuft analog zu Kurve II. Alle drei Kurven schneiden gemeinsam
die 0-dB-Achse mit einer Neigung des Amplitudenfrequenzganges von - 20 dB pro Frequenzdekade.
Der Kreis bleibt deshalb in allen drei Fällen bei Schließung stabil. Der Bandbreitengewinn
gegenüber der Grundschaltung kann unmittelbar aus dem Diagramm abgelesen werden:
Für eine maximal um K - a sich verändernde Amplitude des Führungssignals wird im
Vergleich zu einer Anordnung mit konstanter Amplitude des Führungssignals keine
größere Bandbreite benötigt. Betrachtet man F(p) als das die Grenzfrequenz des Gleichspannungsverstärkers
verursachende Zeitkonstantenglied, so wird mit dieser Schaltungsanordnung eine nicht
unerhebliche
Bandbreitenverringerung erzielt. Das Diagramm läßt
weiterhin die bereits erwähnte Erhöhung der Filterwirkung des Kreises gegenüber
durch den Führungskanal eindringende Störgrößen erkennen: Mit zunehmender Amplitude
des Führungssignals verlängert sich das Kurvenstück mit der Neigung tga = -2.
-
Für das zweite Ausführungsbeispiel wurde für den Stabilisierungsvierpol
ein Gleichspannung sperrendes CR-Glied mit dem Übertragungsfaktor
gewählt, weil dieses Glied beim Einschalten in den Kreis Vorteile bei der Wahl der
Arbeitspunkte besitzt. Das Bode-Diagramm F i g. 5a zeigt ein von F i g. 4a etwas
abweichendes Verhalten. Die Kurven liegen alle oberhalb der 0-dB-Achse, und der
Übergang vom tegrierenden Verhalten des Regelkreises zur Horizontalen erfolgt bei
etwas unterschiedlichen Pegeln. Dadurch ergibt sich im Bode-Diagramm des aufgeschnittenen
Gesamtkreises F i g. S b ein im Vergleich zu F i g. 4b etwas kleinerer Bandbreitengewinn.
Dafür steht hier aber die gesamte Verstärkung K zum Ausgleich von Amplitudenschwankungen
des Führungssignals zur Verfügung. Die sich anpassende Siebwirkung des Kreises ist
auch hier deutlich erkennbar. Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen
| 1 Phasenvergleichsschaltung |
| 2 Filter |
| 3 Gleichspannungsverstärker |
| 4 steuerbarer örtlicher Ozsillator |
| 5 180°-Phasendrehglied |
| 6 Stabilisierungsvierpol |
| U Führungssignal |
| U, Oszillatorsignal (Regelgröße) |
| Stellgröße |
| Ui, |
| U3 |
| 0, (t) Führungsgröße |
| 0, (t) Oszillatorphase (Regelgröße) |
| e1 e2 (t) (t) Stellgröße |
| e3 (t) |