DE1591191A1

DE1591191A1 - Verfahren zum Frequenz- und Phasenabgleich eines Oszillators auf eine Sollfrequenz

Info

Publication number: DE1591191A1
Application number: DE19671591191
Authority: DE
Inventors: Ribour Jean Louis
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1966-03-31
Filing date: 1967-03-31
Publication date: 1970-01-29
Also published as: FR1480358A; BE696215A; GB1155503A

Description

Dipl.-Phys. Leo Thul

Patentanwalt

7 Stuttgart-Feuerbach

Kurze Strasse 8

ISE/Reg. 3625
J.L. Ribour - 7

INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, 320 Park Avenue, NEW YORK 22, N.Y., USA.

Verfahren zum Frequenz_T und Phasenabgleich eines Oszillators auf eine Sollfrequenz

Zusatz zum Patent (amtl. Aktenz. P 15 16 769.8)

Das Hauptpatent (amtl. Aktenz. P 15 16 769.8)

bezieht sich auf ein Verfahren zum Frequenz- und Phasenabgleich eines Oszillators auf eine Sollfrequenz, insbesondere auf Frequenzvergleichsanordnungen, bei denen eine digital arbeitende Einrichtung die Folgefrequenz zweier periodischer Pulsfolgen vergleicht.

Die erfindungsgemäße digitale Vergleichseinrichtung enthält zwei bistabile Zählkreise, von denen jeder von einem Signal gesteuert wird. Hierbei ist jedes Signal mit dem Zähleingang des ihm zugeordneten Zählkreises und mit dem Rückstelleingang des anderen Zählkreises verbunden. Eine Koinzidenzsohaltung ist mit den Ausgängen der beiden Zählkreise verbunden und liefert jeweils einen Ausgangsimpuls, wenn beide Zählkreise die Stellung ¹O' aufweisen.

ZEW/P Ti-ple-krä
10. März 4969

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Unterlagen (An. 7 51. .υ*. ».ν. ϊ -.ju .. ^. wje;ur.ajg«s.v. 4. s . ·

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Wenn beide Frequenzen untereinander gleich sind und die iDnpulse der beiden Signale gegeneinander versetzt sind, stexlt jeder Signalimpuls den ihm zugeordneten Zählkreis (von der Stellung 'O¹) ein, während der andere Zählkreis (aus der Stellung ¹I¹) zurückgestellt wird. Wenn die Folgefrequenz der einen Pulsfolge größer als die der anderen ist, können zwei aufeinanderfolgende Impulse des einen Signales zwischen zwei des anderen fallen. Der zweite aufeinanderfolgende Impuls will nun den ihm zugeordneten Zählkreis über seinen Zähleingang zurückstellen, der in Stellung 'I¹ durch den vorhergehenden Impuls gestellt war. Dieser zweite Impuls stellt aber den zweiten Zählkreis über seinen Rückstelleingang auch auf ' O¹. Beide Zählkreise sind also zurückgestellt, und die Koinzidenzschaltung gibt einen Ausgangsimpuls ab. Wenn die Folgefrequenzen der beiden Impulsfolgen das Verhältnis 2 : 1 nicht überschreiten, ist die Folgefrequenz der Ausgangsimpulse der Koinzidenzschaltung infolge der Eigenschaften digitaler Einrichtungen gleich der Differenz zwischen den Folgefrequenzen der beiden Pulsfolgen.

Die oben beschriebene einfache Vergleichsanordnung kann vielseitig, wie nachfolgend beschrieben, eingesetzt v/erden. Zusätze können zum Erzielen einer exakten Arbeitsweise gemacht werden. Solch eine Variante, die zu erkennen erlaubt, Vielehe der beiden Folgefrequenzen die höhere ist, wird später noch be schrieben werden.

Im einzelnen wird die erfindungsgemäße einfache Vergleiehsanordnung eingesetzt, um einen Impulsvergleichszähler in einer variablen Oszillatoreinrichtung zu steuern, bei der Schritt für Schritt ein Frequenzabtastzug durch den Vergleiehszähler gesteuert wird. Eine weitere Änderung der Oszillatorfrequenz wird verhindert, wenn Gleichheit mit der Vergleichsfrequenz hergestellt ist.

Eine solche Anordnung ist im Hauptpatent (amtl.

Aktenz. P 15 l6 769.8) und in dem ersten Zusatz zu diesem Patent (amtl. Aktenz. P I5 9I I80.5) beschrieben.

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Zur Vereinfachung soll hier nur der Vergleich der Frequenz eines einstellbaren Oszillators mit einer Vergleichsfrequenz, betrachtet werden, während in Wirklichkeit ein Vergleich mit der in einem vorgegebenen Verhältnis geteilten Oszillatorfrequenz mit einer Pestfrequenz vorgenommen wird.

Bei der vorliegenden Zusatzanmeldung ist eine der Impulsfolgen von der Frequenz des veränderbaren Oszillators abgeleitet, während die andere die Vergleichsfrequenz ist. Die Ausgangsimpulse der Vergleichseinrichtung gemäß diesem Zusatzpatent verändern die Einstellung eines Vergleichspulszählers solange, bis keine Pulse mehr einlaufen, also Übereinstimmung mit der Vergleichsfrequenz erzielt ist.

Für die Arbeitsweise dieser Anordnung wird, wie schon bei der oben genannten Anmeldung erklärt, angenommen, daß der Oszillator jedesmal beim Beginn eines Abtastzuges in die gleiche Frequenzbeziehung gebracht wird, um sicherzustellen, daß er eine zu hohe Frequenz erzeugt, wenn durch den Abtastzug die Frequenz verringert wird oder andererseits eine zu niedrige Frequenz, wenn durch den Abtastzug die Frequenz vergrößert wird. In bestimmten Fällen kann es erwünscht sein, daß man mit dem Frequenzabtastzug beginnt, wenn der Oszillator auf eine beliebige Frequenz eingestellt ist, die höher oder niedriger als die Bezugsfrequenz sein kann. Diese Arbeitsweise kann man erreichen, indem man den oben erwähnten Zähler durch einen Vor- und Zurückzähler ersetzt und den Vergleicher gemäß der Erfindung so ergänzt, daß er-das Vorzeichen der Differenz zwischen den beiden Frequenzen feststellen kann und dann entsprechend diesem Vorzeichen den Zähler in der einen oder anderen Richtung steuert. Diese Anordnung wird schneller, benötigt jedoch eine größere Zanl von Stromkreisen.

Die Erfindung zeigt eine unterschiedliche Anwendung, die diese Komplikation beseitigt. In dieser Abwandlung wird die Frequenzabtastung durch einen zyklischen Zähler gesteuert, der die Oszil-

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latorfrequenz von dem oberen Grenzwert auf den unteren Grenzwert umschaltet, wenn er vom Ende eines Zählzyklus auf den Beginn des nächsten Zählzyklus umschaltet. Die Abtastung beginnt dann immer bei dem unteren Grenzwert. Die Arbeitsweise entspricht dann der schon oben beschriebenen Anordnung, bei der der Oszillator immer die gleiche Frequenzbeziehung hat, wenn, der Abtastzug beginnt. Wenn der Oszillator jedoch schon in dieser PrequenzbeZiehung ist, wenn der Zähler startet, liegt die gewünschte Wirkung sofort vor, und der Zähler wird während des ersten Zählzyklus angehalten, ohne daß die zyklische Anordnung zur Wirkung kommt.

Die Erfindung wird nun anhand der in der beiliegenden Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Pig.l einen einfachen Vergleichskreis gemäß der Erfindung und eine Anwendung des Vergleichers und

Pig.2 einen Vergleicher gemäß der Erfindung mit zusätzlichen Elementen, mit denen die höhere der beiden Frequenzen der pulsförmigen Signale festgestellt wird.

An eine Eingangsleitung der in Pig.l dargestellten Anordnung wird ein Bezugsimpulssignal angelegt, das die Bezugsfrequenz PR darstellt. Ein variables pulsförmiges Signal, das z.B. von der Frequenz eines variablen Oszillators abgeleitet wird, wird an die andere Eingangsleitung angelegt und stellt die zu untersuchende Frequenz FA dar. Für die Beschreibung der Arbeitsweise wird zuerst angenommen, daß die Frequenz FA höher als die Frequenz FR ist, das Verhältnis überschreitet aber nicht den Wert 2:1, wie es auch in dem Diagramm dargestellt.ist. Unter dieser Annahme werden manchmal die Impulse der beiden Signale abwechselnd angelegt, und manchmal werden zwei aufeinanderfolgende Impulse des Signales FA zwischen zwei Impulsen des Signales FR angelegt (der zweite dieser aufeinanderfolgenden Impulse ist in dem Diagramm durch Schraffur dargestellt). Aus den arithmetischen Bedingungen, auf die oben hingewiesen wurde, ergibt sich, daß die Frequenz von Paaren von aufeinanderfolgenden Impulsen FA gleich FA -PR ist.

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Mit jeder der Eingangsleitungen ist ein binär zählender Flip-Flop (mit einem Rückstelleingang) verbunden. Das Signal FR wird an den Zähleingang des Flip-Flop BR angelegt und das Signal FA an den Zähleingang des Flip-Flop BA. Weiterhin wird das Signal FR an den Rucks teHeingang des Flip-Flop BA und das Signal FA an den Rückstelleingang des Flip-Flop BR angelegt. Ein Impuls des einen Signals stellt also den Flip-Flop für das andere Signal zurück. Ein Impuls des anderen Signals stellt den zugehörigen Flip-Flop ein, der durch das erste Signal zurückgestellt war. Solange die Impulse beider Signale abwechselnd auftreten, wird ein Flip-Flop eingestellt und der andere zurückgestellt. Wenn jedoch ein zweiter Impuls der Frequenz FA (gestrichelt dargestellt) dem ersten Impuls der gleichen Frequenz folgt, findet er den zugehörigen Flip-Flop BA in der Stellung ¹I¹ und stellt ihn über den Zähleingang zurück. Der andere Flip-Flop BR ist in der Stellung Ό¹ und wird über den Rückstelleingang auch in dieser Stellung gehalten. Nach dem zweiten Impuls FA sind beide Flip-Flops zurückgestellt. Der Impuls FR, der dem zweiten Impuls FA folgt, stellt dann wieder über den Zähleingang den zugehörigen Flip-Flop in die Stellung 'l' und hält den Flip-Flop BA über den Rückstelleingang in der Stellung ¹O¹.

Die Ausgänge 0 der beiden Flip-Flops sind mit den beiden Eingängen der UND-Schaltung Pc verbunden. Diese UND-Schaltung erzeugt jedesmal dann einen Ausgangsimpuls, wenn beide Flip-Flops im Zustand 'O¹ sind. Unter den oben gemachten Annahmen ist die Frequenz dieser Ausgangsirapulse FA - FR. Die Tatsache, daß .die beiden Flip-Flops im Zustand ' 0^f sind, kann auch mit anderen entsprechenden Mitteln erreicht werdenj z.B. können die Ausgänge 1 der Flip-Flops mit einer NOR-Schaltung verbunden sein, usw.

Nimmt man jetzt an, daß die Frequenz FA mehr als zweimal größer als die Frequenz FR ist, dann ist die Wiederholungsfre quenz der Ausgangsimpulse nicht mehr gleich der Differenz zwischen den zwei ankommenden Frequenzen: das Ausgangssignal liefert eine qualitative Information über diese Differenz, Ein

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dritter aufeinanderfolgender Impuls des gleichen Signals FA . stellt den Flip-Flop BA v/ieder in den Zustand ' 1' und hält den Flip-Flop BR im Zustand '0^!. Der darauffolgende ünpuls vom Signal FR stellt den Flip-Flop BR in die Stellung ' I¹ und stellt den Flip-Flop BA in die Stellung ¹O' zurück. Der dritte der aufeinanderfolgenden Impulse FA erzeugt also keinen Ausgangsimpuls. Ein vierter aufeinanderfolgender Impuls des gleichen Signals FA wird den Flip-Flop BA wieder in den Zustand '1' stellen und den Flip-Flop BR in der Stellung ¹O¹ halten. Dieser vierte Impuls erzeugt dann einen zusätzlichen Ausgangsimpuls, usw.

Diese Art von AusgangsSignalen aus dem Vergleich können auf verschiedene Weise angewendet werden. In der Fig.l ist mit gestrichelten Linien die Anwendung zur Steuerung des oben erwähnten variablen Oszillators dargestellt. Hierbei beginnt der Frequenzabtastzug mit der höchsten Frequenz des Oszillators, und die Abtastung wird unterbrochen, sobald die zu analysierende Frequenz in absteigender Richtung die Bezugsfrequenz erreicht.

Der Ausgang der UND-Schaltung Pc ist mit dem Zähleingang eines binären Zählers CB verbunden, an den ein Digital/Analog-Umwerter D/A angeschlossen ist. Die von der UND-Schaltung Pc abgegebenen Impulse schalten den Zähler CB weiter. Vom Zähler wird über den Umwerter ein analoges Signal erzeugt, das an den variablen Oszillator OV angelegt wird, um dessen Frequenz schrittweise zu verkleinern oder zu vergrößern. Die Frequenz des von dem Oszillator erzeugten Signals, das am Ausgang A abgenommen werden kann, wird durch entsprechende Umwandlungen und Teilungen in einem variablen Verhältnis (das durch die gewünschte Einstellung der Frequenz des Oszillators bestimmt ist) umgewandelt und bildet das Signal mit der reduzierten, zu analysierenden Fre quenz FA.

In einer Abwandlung, die ebenfalls in Fig.l dargestellt ist, ist als Zähler ein Ringzähler verwendet. Dieses ist durch die Verbindung Cy dargestellt, über die ein neuer Start eines Zählzyklus eingeleitet wird. Bei dieser Abwandlung ist es nicht

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BAD

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notwendig, die Prequenzabtastung mit der höchsten Frequenz des Oszillators zu beginnen, so daß die Frequenz FA zu Be- . ginn eines Abtastzuges sicher höher als die Bezugsfrequenz FR ist, unabhängig vom Reduktionsverhältnis zwischen Oszillatorfrequenz und zu analysierender Frequenz. D.h. in anderen Worten, der Zähler braucht nicht zurückgestellt werden, und die Abtastung kann unabhängig von der Stellung des Zählers beginnen. Wenn die Stellung, von der aus der Zähler startet, so ist, daß das analoge Steuersignal den Oszillator auf eine Frequenz steuert, die. höher als die gewünschte Frequenz ist, dann ist auch die zu Beginn zu analysierende Frequenz höher als die Bezugsfrequenz. (Das Reduktionsverhältnis zwischen Oszillatorfrequenz und zu analysierender Frequenz ist gegeben).

Die Arbeitsweise entspricht dann der der ersten beschriebenen Ausführung, mit der Ausnahme, daß die Gleichheit FA = FR mit weniger Ausgangsimpulsen erreicht wird, d.h. in kürzerer Zeit. Wenn jedoch in der Startstellung des Zählers ein analoges Signal erzeugt wird, durch das der Oszillator auf eine Frequenz eingestellt wird, die unter der gewünbchten liegt, ist auch die Frequenz FA niedriger als die Bezugsfrequenz. Der Vergleicher nach der Erfindung erzeugt dann Ausgangsimpulse, wenn zwei Impulse des Signals FR unmittelbar zwischen Impulsen des Signals FA aufeinanderfolgen. Der Zähler schaltet dann weiter und verringert damit die Oszillatorfrequenz, bis diese den unteren Grenzwert in der Endstellung des Zählers erreicht. Aufgrund der zyklischen Verbindung beginnt der Zähler dann einen neuen Zyklus aus der Stellung ' O¹ und damit beginnt ein neuer Abtastzug von der oberen Grenzfrequenz aus, der dem bei der ersten Anordnung entspricht. Bei FA = FR wird der Zähler angehalten, da er keine Steuerimpulse mehr von dem Vergleicher erhält, und der Oszillator ist auf die gewünschte Frequenz eingestellt.

Bei der in der Einleitung genannten Anmeldung war die Frequenzabtastung eine Funktion der Zeit (der Zähler wurde mit der Be-

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zugsfrequenz gesteuert) und mußte durch Mittel angehalten werden, die auf die Gleichheit beider Frequenzen angesprochen haben. In der erfindungsgemäßen Anordnung hängt die Frequenzabtastung von der Differenzfrequenz ab. Wenn die Differenz geringer wird, arbeitet der Zähler langsamer und hält von selbst an, wenn die Frequenzen gleich sind. Dadurch dauert e.in Abtastzug langer, jedoch hat diese Differenz, die einige Millisekunden betragen kann, keinen praktischen Einfluß.

Mit der Anordnung nach Fig.2 kann festgestellt werden, welches der beiden ankommenden Signale die höhere Frequenz hat. Der in ausgezogenen Linien dargestellte Teil erzeugt Ausgangsimpulse, wenn FA_xSFR und der in gestrichelten Linien dargestellte Teil, wenn FA<FR. In dieser Anordnung ist ein normaler Flip-Flop BD eingesetzt, dessen Eingang 1 durch das Signal FA und dessen Eingang 0 durch das Signal FR gesteuert wird. Dieser Flip-Flop wird durch Impulse FA in die Stellung 1 gestellt oder in dieser gehalten, durch die gleichzeitig der Flip-Flop BR zurückgestellt wird. Die UND-Schaltung PA ist mit dem Ausgang 0'des Flip-Flops BA und mit dem Ausgang 1 des Flip-Flops BD verbunden und erzeugt jedesmal dann einen Ausgangsimpuls, wenn ein zweiter Impuls FA den Flip-Flop BA zurückstellt und den Flip-Flop BD in der Stellung 1 hält. Der Ausgang 1 des' Flip-Flops BD ersetzt den Ausgang 0 des Flip-Flops BR, jedoch nur dann, wenn ein zweiter Impuls FA wirksam wird. Ein zweiter Impuls FR, der den Flip-Flop BA in der Stellung 0 hält, hält auch den Flip-Flop BD in der Stexlung 0 anstelle der Stellung 1, so daß die UND-Schaltung PA keinen Ausgangsimpuls erzeugen kann. Die UND-Schaltung PA erzeugt also nur dann Ausgangsimpulse, bei FA

Es kann dann noch eine zweite UND-Schaltung PB vorgesehen werden, die bei FA<FR Ausgangsimpulse abgibt. Ein Eingang dieser UHD-Schaltung ist mit dem Ausgang 0 des Flip-Flops BR una der andere Eingang m±z dem Ausgang 0 des Flip-Flops BD verbunden. Es sind auch verschiedene andere Varianten möglich.

3 Patentansprüche

1 Bl. Zeichnung mit 2 Fig.

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Claims

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1. Digitale Vergleichsschaltung zum Vergleich der Folgefrequenzen zweier periodischer Pulsfolgen nach dem Hauptpatent (amtl. Aktenz. P 15 16 769.8), gekennzeichnet durch die Verwendung zweier an sich bekannter bistabiler Zählstufen, derart, daß jeder der beiden Pulsfolgen eine Zählstufe zugeordnet wird, daß durch die Pulse der Pulsfolgen der Zähleingang der zugeordneten Zählstufe laiä der Rückstelleingang der nicht zugeordneten Zählstufe gesteuert wird, daß ferner an den Ausgang jeder der beiden Zählstufen je ein Eingang einer Koinzidenzschaltung angeschlossen 1st und daß von dieser Koinzidenzschaltung ein Impuls abgegeben wird, wenn beide bistabilen Zählstufen zurückgestellt sind.

2. Digitale Vergleichsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte bistabile Schaltstufe zur Peststellung, welche der beiden Pulsfolgen die höhere Folgefrequenz aufweist, verwendet wird.

3· Die Verwendung einer digitalen Vergleichsschaltung nach Anspruch 1 und / oder 2 zum Steuern eines Zählspeichers in einer abstimmbaren Oszillatorenordnung, in welcher der Zählspeicher den Nachstimmvorgang beeinflußt, derart, daß als eine der Impulsfolgen die Oszillatorfrequenz, als die andere die Vergleichsfrequenz, verwendet wird.

ZEW/P (II) Ti-ple-krä.
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