DE1591994B2 - Kombinierte frequenz- und phasenvergleichsschaltung - Google Patents

Description

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Frequenzvergleichsschaltungen und Phasenvergleichsschaltungen sind als gesonderte Schaltungen bekannt Wenn zwei Signale von gleicher Frequenz auf gleiche Phase geregelt werden sollen, genügt eine bekannte Phasenvergleichsschaltung. Sie kann beispielsweise aus zwei von den beiden zu vergleichenden Signalen angesteuerten bistabilen Kippstufen bestehen, die so miteinander verknüpft sind, daß lediglich einer von zwei Ausgangsanschlüssen jeweils fortgesetzte Impulse von der Breite des jeweiligen Augenblicksphasenabstandes liefert, wenn die Phase des einen Signals der des anderen voreilt, und der andere Ausgangsanschluß im umgekehrten Falle (US-PS 33 28 688). Diese Impulse an den Ausgängen der Kippstufen werden einer Speicherkapazität zugeführt Eine solche bekannte reine .Phasenvergleichsschaltung liefert jedoch nur im Bereich einer Änderung der Augenblicksphase zwischen Null Grad und 180 Grad an diesem einen Ausgang jeweils die fortgesetzten Impulse, bei einer Phasenänderung über 180° hinaus ändert sich dies, d. h., es treten dann an dem anderen Ausgang die Impulse von der Breite des jeweiligen Augenblicksphasenabstandes auf, an der Speicherkapazität entsteht also eine Sägezahnspannung mit einem Gleichspannungsmittelwert Null. Damit ist diese bekannte Phasenvergleichsschaltung nur zum Vergleich der Phase von Signalen geeignet, deren Frequenz gleich ist Wenn eine solche bekannte Phasenvergleichsschaltung in einem Regelkreis verwendet werden soll, durch den auch größere Frequenzunterschiede in den zu vergleichenden Signalen ausgeregelt werden sollen, muß zusätzlich zu der Phasenvergleichsschaltung parallel eine bekannte Frequenzvergleichsschaltung geschaltet werden (z. B. nach Proceedings of the IRE, 1959, Dezember, Seiten 2106 bis 2112), mit der festgestellt wird, welches der zu vergleichenden Signale die höhere Frequenz besitzt und die dann einen entsprechenden Frequenznachregelvorgang auslöst Die Gesamtschaltung wird hierdurch relativ aufwendig. Grundsätzlich ist es jedoch z. B. durch diese letztgenannte Literaturstelle bekannt unter Kippstufenanwendung eine Frequenzvergleichsschaltung mit 2 Kanälen zu schaffen, ber der immer derjenige der beiden Kanäle sich durchsetzt an dem jeweils ein zweiter Impuls eintrifft bevor am Eingang des Nachbarkanals ein solcher eingetroffen ist

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine kombinierte Frequenz- und Phasenvergleichsschaltung zu schaffen, die bei möglichst einfachem Gesamtaufbau sowohl die Regelung zweier Signale auf gleiche Frequenz als auch die abschließende Regelung auf gleiche Phase dieser Signale ermöglicht

Diese Aufgabe'wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Hauptanspruches gelöst Gemäß der Erfindung wird hierbei also eine bekannte Phasenvergleichsschaltung durch entsprechende Verknüpfung der bistabilen Kippstufen so verbessert daß die eine Kippstufe am Ausgang nicht nur dann fortgesetzt Impulse von der Breite des jeweiligen Augenblicksphasenabstandes liefert und die andere im umgekehrten Falle, sondern daß diese Impulse auch dann nur von einer Kippstufe geliefert werden, wenn die Frequenz des einen Signals größer ist als die des anderen. Durch diese neuartige Verknüpfung der Kippstufen wird also erreicht daß der eine Ausgang auch bei Phasenänderungen über 180° hinaus die dem jeweiligen Augenblicksphasenabstand entsprechend breiten Impulse liefert also auch während der durch die Frequenzdifferenz bedingten fortlaufenden Änderung der Augenblicksphasendifferenz im gesamten Bereich von 0 bis 360 Grad. Dies gilt auch für Phasenänderungen über 360° hinaus, beim Übergang beginnt lediglich ein erneuter Zyklus der allmählichen Impulsbreitenzunahme. Es baut sich schließlich durch die gleichgepolten Impulse eine die Frequenzdifferenz beseitigende Gleichspannung an der Speicherkapazität auf, und die erfindungsgemäße Schaltung kann damit auch zum

Ausregeln von Frequenzdifferenzen ausgenutzt werden. Wenn Frequenzgleichheit erzielt ist, arbeitet die erfindungsgemäße Schaltung wieder wie die bekannte reine Phasenvergleichsschaltung und regelt dann in bekannter Weise wieder auf konstante Phase. Eine erfindungsgemäße Schaltung ist trotzdem im Aufbau sehr einfach und schaltungstechnisch nicht aufwendiger als eine bekannte reine Phasenvergleichsschaltung.

Um zu vermeiden, daß beim Frequenzregelvorgang der Regelkreis zu stark überschwingt, wird gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, der Speicherkapazität im Sinne der Unteransprüche 3 und 4 einen gesonderten Entladekreis zuzuordnen, durch den gewährleistet wird, daß die sich an der Speicherkapazität aufbauende Regelspannung so beeinflußt wird, daß nach Abschluß der Phasenregelung automatisch auch Frequenzgleichheit besteht Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen kombinierten Frequenz- und Phasenvergleichsschaltung ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert

Fig. 1 zeigt eine bekannte Frequenzvervielfacherschaltung mit einer erfindungsgemäßen kombinierten Frequenz- und Phasenvergleichsschaltung, wie sie beispielsweise bei einer zählenden Frequenzmeßschaltung anwendbar ist Die erfindungsgemäße Frequenz- und Phasenvergleichsschaltung V umfaßt zwei bistabile Kippstufen Bi und 52, denen die zu vergleichenden Frequenzen f_x und f_x· in Form von Impulsfolgen zugeführt werden. Der Frequenzteiler T ist in der Schaltung nach Fig. 1 so ausgebildet, daß die Frequenz fx· bereits als Folge von kurzen Impulsen abgegeben wird. Die Frequenz f_x wird z. B. durch einen Schmitt-Trigger 57" und einen nachgeschalteten monostabilen Multivibrator M\ in entsprechende Impulse umgeformt

Aus der gemäß der deutschen Norm dargestellten Schaltung ergibt sich, daß die Kippstufe B1 nur dann durch einen Impuls der Frequenz f_x in ihre Arbeitslage gekippt werden kann, wenn die Kippstufe BI sich in ihrer Ruhelage befindet Die Rückstellung der Kippstufe B1 in ihre Ruhelage erfolgt in Abhängigkeit von den Impulsen der Frequenz f_x>. Entsprechend wird die bistabile Kippstufe B 2 durch Impulse der Frequenz f_x> nur dann in die Arbeitslage gekippt, wenn die Kippstufe B1 sich in Ruhelage befindet Die Rückstellung erfolgt hier durch Impulse der Frequenz f_x. Daraus ist ersichtlich, daß die Kippstufe Bi sich immer dann intermittierend in der Arbeitslage befindet, wenn die Frequenz f_x· kleiner als die Frequenz f_x ist und zwar fortlaufend jeweils während einer Zeitdauer, die dem jeweiligen Phasenabstand der beiden Frequenzen f_x und f_X' proportional ist Die Kippstufe B 2 ist immer dann intermittierend in Arbeitsstellung, wenn die Frequenz f_x· größer als die Frequenz f_x ist, und zwar ebenfalls wiederum fortlaufend jeweils während einer Zeitdauer, die dem Augenblicks-Phasenabstand der beiden Frequenzen f_x und f_x- proportional ist Die bistabilen Kippstufen Bi und B 2 sind über entgegengesetzt gepolte Dioden Di und D 2 und einen Widerstand R1 mit einer aus den beiden Kondensatoren Ci und C2 bestehenden Speicherkapazität verbunden. Über die Diode D1 wird also während derjenigen Zeit, während welcher die Kippstufe B1 sich in Arbeitslage befindet ein Stromimpuls von etwa konstantem Strom und von dem Phasenabstand der Frequenzen f_x und f_x- entsprechender Dauer als Ladung der Speicherkapazität zugeführt und in analoger Weise wird über die Diode D 2 während derjenigen Zeitdauer, während welcher die bistabile Kippstufe B 2 sich in Arbeitslage befindet ein Stromimpuls von der Dauer des augenblicklichen Phasenabstandes der Frequenz Z_x und f_x· als Ladung von der Speicherkapazität abgeführt Der Oszillator G wird durch die daraus resultierende Steuerspannung so lange monoton nachgeregelt, bis etwa Frequenzgleichheit zwischen f_x und f_x· erreicht ist woraufhin die Schaltung als Phasenvergleichsschaltung wirkt Nur in den seltensten Fällen wird nämlich bei Frequenzgleichheit auch gleichzeitig die Phase dieser Frequenzen übereinstimmen. Es wird vielmehr diejenige Frequenz, die bisher die niedrigere war, der anderen noch etwas in der Phase nacheilen. Wenn die Schaltung als Phasenvergleichsschaltung wirkt in Abhängigkeit von der Phasenlage aber weiterhin die Frequenz des Oszillators G geregelt wird, überschreitet die Oszillatorfrequenz den richtigen Wert, bis die Phase der Frequenz f_x> der Phase der Frequenz f_x vorzueilen beginnt oder umgekehrt Erst dann wird die andere bistabile Kippstufe in Arbeitslage gekippt und so die Regelung der Oszillatorfrequenz nach entgegengesetzten Werten hin eingeleitet

Um dadurch gegebenes Regelschwingen α verhindern, ist ein Schalter 5 in Form eines steuerbaren Transistors vorgesehen, über welchen der eine Kondensator C2 der Speicherkapazität entladen werden kann. Der Schalter S wird über einen Widerstand R 2 von einer monostabilen Kippstufe M2 angesteuert die ihrerseits durch eine bistabile Kippstufe B 3 gesteuert wird. Diese bistabile Kippstufe B 3 ist mit den Kippstufen B1 und B 2 zusammengeschaltet und wird in die eine Lage gekippt, wenn die Frequenz f* größer als die Frequenz f_x ist, und in die andere Lage, wenn die Frequenz f_x· kleiner als die Frequenz f_x ist Über die monostabile Kippstufe M3 und den Schalter S wird damit der Kondensator C2 immer dann entladen, wenn ein Wechsel in der Polarität des Regelvorganges (Phasen-Nulldurchgang), d.h., wenn ein Wechsel der Arbeitslage der Kippstufe Bi, B 2, auftritt

Durch diese kurzzeitige Entladung des Kondensators C2 wird die Gesamtspannung U_c an der Speicherkapazität und damit die Frequenz des Oszillators sprunghaft geändert, nicht aber seine Phase. Bei entladenem Kondensator C2 liegen also gemäß F i g. 2 im Zeitpunkt t = 0 übereinstimmende Phase, jedoch abweichende Frequenz vor. Da die Frequenz noch abweicht ändert sich nun wieder entsprechend die Phase, und die Frequenz wird in Richtung geringerer Abweichung der Phase nachgeregelt Um die Phase wieder auf Null zu regeln ist nun eine Überschreitung der richtigen Frequenz in entgegengesetzter Richtung erforderlich. Der Betrag beider Überschreitungen ist, wenn die Frequenzabweichungen nur noch klein sind, nach beiden Seiten fast gleich.

Ist der Zeitpunkt des Phasen-Nulldurchganges — nun in der anderen Richtung — wieder gerade überschritten, so wird die bistabile Kippstufe B 3 wieder zum Kippen gebracht und der Kondensator C2 über den Schalter 5 wird wieder für kurze Zeit kurzgeschlossen. Damit wird die seit dem letzten Kurzschluß von C2 aufgetretene Spannungsänderung an der Speicherkapazität der sich aus der Serienschaltung der Kondensatoren C1 und C2 zusammensetzt, entsprechend dem Kapazitätsverhältnis dieser Kondensatoren Ci und C2 herabgesetzt Wenn die beiden Kondensatoren Cl und C2 gleich groß gewählt sind, tritt eine Halbierung der Spannungs-

änderung und damit näherungsweise auch eine Halbierung der während dieser Zeit auftretenden Frequenzänderung ein. Dies bedeutet aber, daß nun der Zustand gleicher Frequenz und gleicher Phaae erreicht ist (Zeitpunkt t\ nach Fig-2). Ist die Symmetrie nicht vollständig und wird deshalb die richtige Frequenz nicht sofort exakt erreicht, so wiederholt sich der Vorgang mit der Restamplitude und bildet eine genauere Näherung.

Die monostabile Kippstufe M 2 kann so aufgebaut sein, daß sie dann, wenn sie längere Zeit nicht über die bistabile Kippstufe BZ angestoßen wird, selbsttätig kippt und über den Schalter S den Kondensator C2 entiädL Auf diese Weise wird die Regelzeit verkürzt, wenn der Oszillator G über große Bereiche von mehreren Dekaden nachgestellt werden muß.

Anstelle der in Fig. 1 gewählten Serienschaltung der Kondensatoren Ci und C2 der Speicherkapazität kann auch gemäß Fig.3 eine Parallelschaltung zweier Kondensatoren CV und C2' Anwendung finden. Die Kapazitätswerte können hier kleiner gewählt sein.

Anstelle der gesteuerten impulsförmigen Entladung des Kondensators C2 kann auch eine konstante Verminderung der Stellgrößenschwankung dadurch durchgeführt werden, daß anstatt des Schalters 5 ein Widerstand parallel zu C2 oder in Reihe zu C2' geschaltet wird. Hierdurch werden allerdings die Regelzeiten erhöht.

Die erfindungsgemäße Frequenz- und Phasenvergleichsschaltung kann auf einfache Weise auch dazu benutzt werden, um festzustellen, welche von zwei Frequenzen f_x und f_x- höher ist. An der bistabilen Kippstufe BZ läßt sich nämlich die Polarität der Frequenzdifferenz unmittelbar ablesen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Kombinierte Frequenz- und Phasenvergleichsschaltung, gekennzeichnet durch zwei von den beiden zu vergleichenden Signalen (f_x, f_x) angesteuerte bistabile Kippstufen (Bi, B2) deren Ausgänge entgegengesetzt stromsteuernd an einer Speicherkapazität (Ci, C2; CV, C2') liegen, wobei jeweils ein Vorbereitungseingang jeder Kippstufe demjenigen Steuereingang, an dem die jeweilige Kippstufe in Arbeitslage gekippt wird, zugeordnet ist, und die Vorbereitungseingänge am Ruhelagenausgang der jeweils anderen Kippstufe liegen, derart, daß dann, wenn die Frequenz des einen Signals größer ist als die des anderen, oder wenn die Phase des einen Signals der des anderen voreilt, lediglich einer der zwei Ausgänge der beiden Kippstufen (Bi, B2) jeweils forgesetzte Impulse von einer Breite, die dem jeweiligen Phasenabstand entspricht, an die Speicherkapazität liefert und der andere im umgekehrten FaIL

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Ausgangsanschluß der einen Kippstufe (B 1) und der entgegengesetzte Ausgangsanschluß der anderen Kippstufe (B 2) jeweils über entgegengesetzt gepolte Dioden (Di, D 2) mit der Speicherkapazität (Ci, C2; CV, C2') verbunden sind.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherkapazität aus zwei in Reihe parallelgeschalteten Kondensatoren (Ci, C2 bzw. Ci', C2') besteht und dem einen Kondensator (C2, C2') ein Entladewiderstand zugeordnet ist, so daß die an der Speicherkapazität (Ci, C2; Ci', C2') jeweils durch Ladungszu-Ladungs-Zu- Abfuhr verursachten Änderungen des Betrages der Spannung stetig verringert wird.

4. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherkapazität aus zwei in Reihe oder parallelgeschalteten Kondensatoren (Ci, C2; CV, C2') besteht und dem einen Kondensator (C2, C2') ein Schalter (S) zugeordnet ist, der insbesondere jeweils beim Wechsel der Arbeitslagen der beiden Kippstufen (Bi, B2) _4S geschaltet ist, so daß die an der Speicherkapazität (Ci, C2; CV, C2') jeweils durch Ladungs-Zu- oder Abfuhr verursachten Änderungen des Betrages der Spannung entsprechend dem Kapazitätsverhältnis dieser beiden Kondensatoren verringert, bei gleich großen Kondensatoren also halbiert wird.

5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (S), insbesondere ein Tranistor, über eine mit den beiden Kippstufen (B 1, B 2) zusammengeschaltete dritte Kippstufe (B 3) gesteuert wird.