DE1591994C3 - Kombinierte Frequenz- und Phasenvergleichsschaltung - Google Patents

Description

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wenn die Frequenz des einen Signals größer ist als die nal ist. Die Kippstufe B 2 ist immer dann intermittierend des anderen. Durch diese neuartige Verknüpfung der in Arbeitsstellung, wenn die Frequenz f_x> größer als die Kippstufen wird also erreicht, daß der eine Ausgang Frequenz f_x ist, und zwar ebenfalls wiederum fortlauauch bei Phasenänderungen über 180° hinaus die dem fend jeweils während einer Zeitdauer, die dem Augenjeweiligen Augenblicksphasenabstand entsprechend 5 blicks-Phasenabstand der beiden Frequenzen f_x und Schreiten Impuls liefert, also auch während der durch die proportional ist Die bistabilen Kippstufen Bi und B 2 Frequenzdifferenz bedingten fortlaufenden Änderung sind über entgegengesetzt gepolte Dioden Di und D 2 der Augenblicksphasendifferenz im gesamten Bereich und einen Widerstand R1 mit einer aus den beiden von 0 bis 360 Grad. Dies gilt auch für Phasenänderungen Kondensatoren C1 und C2 bestehenden Speicherkapaüber 360° hinaus, beim Übergang beginnt lediglich ein 10 zität verbunden. Über die Diode D1 wird also während erneuter Zyklus der allmählichen Impulsbreitenzunah- derjenigen Zeit, während welcher die Kippstufe B1 sich me. Es baut sich schließlich durch die gleichgepolten in Arbeitslage befindet, ein Stromimpuls von etwa kon-Impulse eine die Frequenzdifferenz beseitigende stantem Strom und von dem Phasenabstand der Fre-Gleichspannung an der Speicherkapazität auf, und die quenzen f_x und /*'entsprechender Dauer als Ladung der erfindungsgemäße Schaltung kann damit auch zum Aus- 15 Speicherkapazität zugeführt, und in analoger Weise regeln von Frequenzdifferenzen ausgenutzt werden. wird über die Diode D 2 während derjenigen Zeitdauer, Wenn Frequenzgleichheit erzielt ist, arbeitet die erfin- während welcher die bistabile Kippstufe B 2 sich in Ardungsgemäße Schaltung wieder wie die bekannte reine beitslage befindet, ein Stromimpuls von der Dauer des Phasenvergleichsschaltung und regelt dann in bekann- augenblicklichen Phasenabstandes der Frequenz f_x und ter Weise wieder auf konstante Phase. Eine erfindungs- 20 /χ-als Ladung von der Speicherkapazität abgeführt. Der gemäße Schaltung ist trotzdem im Aufbau sehr einfach Oszillator G wird durch die daraus resultierende Steuer- und schaltungstechnisch nicht aufwendiger als eine be- spannung so lange monoton nachgeregelt, bis etwa Frekannte reine Phasenvergleichsschaltung. quenzgleichheit zwischen f_x und f* erreicht ist, worauf-

Um zu vermeiden, daß beim Frequenzregelvorgang hin die Schaltung als Phasenvergleichsschaltung wirkt der Regelkreis zu stark überschwingt, wird gemäß einer 25 Nur in den seltensten Fällen wird nämlich bei Frequenz-Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, der gleichheit auch gleichzeitig die Phase dieser Frequenzen Speicherkapazität im Sinne der Unteransprüche 3 und 4 übereinstimmen. Es wird vielmehr diejenige Frequenz, einen gesonderten Entladekreis zuzuordnen, durch den die bisher die niedrigere war, der anderen noch etwas in gewährleistet wird, daß die sich an der Speicherkapa- der Phase nacheilen. Wenn die Schaltung als Phasenverzität aufbauende Regelspannung so beeinflußt wird, daß 30 gleichsschaltung wirkt, in Abhängigkeit von der Phasennach Abschluß der Phasenregelung automatisch auch lage aber weiterhin die Frequenz des Oszillators G ge-Frequenzgleichheit besteht Weitere vorteilhafte Aus- regelt wird, überschreitet die Oszillatorfrequenz den gestaltungen der erfindungsgemäßen kombinierten Fre- richtigen Wert, bis die Phase der Frequenz f_x- der Phase quenz- und Phasenvergleichsschaltung ergeben sich aus der Frequenz f_x vorzueilen beginnt, oder umgekehrt den übrigen Unteransprüchen. 35 Erst dann wird die andere bistabile Kippstufe in Ar-

Die Erfindung wird im folgenden an Hand schemati- beitslage gekippt und so die Regelung der Oszillatorfre-

scher Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher er- quenz nach entgegengesetzten Werten hin eingeleitet. ~

läutert. Um dadurch gegebenes Regelschwingen zu verhin-

F i g. 1 zeigt eine bekannte Frequenzvervielfacher- dem, ist ein Schalter S in Form eines steuerbaren Transchaltung mit einer erfindungsgemäßen kombinierten 40 sistors vorgesehen, über welchen der eine Kondensator Frequenz- und Phasenvergleichsschaltung, wie sie bei- C 2 der Speicherkapazität entladen werden kann. Der spielsweise bei einer zählenden Frequenzmeßschaltung Schalter S wird über einen Widerstand R 2 von einer anwendbar ist Die erfindungsgemäße Frequenz und monostabilen Kippstufe M2 angesteuert, die ihrerseits Phasenvergleichsschaltung V umfaßt zwei bistabile durch eine bistabile Kippstufe S3 gesteuert wird. Diese L· Kippstufen Bi und B 2, denen die zu vergleichenden 45 bistabile Kippstufe B 3 ist mit den Kippstufen Bi und Frequenzen f_x und f_x> in Form von Impulsfolgen züge- B 2 zusammengeschaltet und wird in die eine Lage geführt werden. Der Frequenzteiler Tist in der Schaltung kippt, wenn die Frequenz f_x- größer als die Frequenz f_x nach F i g. 1 so ausgebildet, daß die Frequenz f_x- bereits ist und in die andere Lage, wenn die Frequenz f_x· kleiner als Folge von kurzen Impulsen abgegeben wird. Die als die Frequenz f_x ist Über die monostabile Kippstufe Frequenz f_x wird z. B. durch einen Schmitt-Trigger ST 50 M2 und den Schalter S wird damit der Kondensator C2 und einen nachgeschalteten monostabilen Multivibrator immer dann entladen, wenn ein Wechsel in der Polarität M\ in entsprechende Impulse umgeformt des Regelvorgangs (Phasen-Nulldurchgang), d. h., wenn

Aus der gemäß der deutschen Norm dargestellten ein Wechsel der Arbeitslage der Kippstufe 5Cl, B 2,

Schaltung ergibt sich, daß die Kippstufe B1 nur dann auftritt

durch einen Impuls der Frequenz f_x in ihre Arbeitslage 55 Durch diese kurzzeitige Entladung des Kondensators

gekippt werden kann, wenn die Kippstufe B 2 sich in C2 wird die Gesamtspannung U_c an der Speicherkapa-

ihrer Ruhelage befindet. Die Rückstellung der Kipp- zität und damit die Frequenz des Oszillators sprunghaft

stufe B1 in ihre Ruhelage erfolgt in Abhängigkeit von geändert, nicht aber seine Phase. Bei entladenem Kon-

den Impulsen der Frequenz f_x: Entsprechend wird die densator C2 liegen also gemäß Fig.2 im Zeitpunkt

bistabile Kippstufe B 2 durch Impulse der Frequenz f_x· 60 i=0 übereinstimmende Phase, jedoch abweichende

nur dann in die Arbeitslage gekippt, wenn die Kippstufe Frequenz vor. Da die Frequenz noch abweicht ändert

B1 sich in Ruhelage befindet Die Rückstellung erfolgt sich nun wieder entsprechend die Phase, und die Fre-

hier durch Impulse der Frequenz f_x. Daraus ist ersieht- quenz wird in Richtung geringerer Abweichung der

lieh, daß die Kippstufe B1 sich immer dann intermittie- Phase nachgeregelt. Um die Phase wieder auf Null zu

rend in der Arbeitslage befindet, wenn die Frequenz f_x- 65 regeln ist nun eine Überschreitung der richtigen Fre-

kleiner als die Frequenz f_x ist und zwar fortlaufend je- quenz in entgegengesetzter Richtung erforderlich. Der

weils während einer Zeitdauer, die dem jeweiligen Pha- Betrag beider Überschreitungen ist, wenn die Frequenz-

senabstand der beiden Frequenzen f_x und f_X' proportio- abweichungen nur noch klein sind, nach beiden Seiten

fast gleich.

Ist der Zeitpunkt des Phasen-Nulldurchgangs — nun in der anderen Richtung — wieder gerade überschritten, so wird die bistabile Kippstufe B 3 wieder zum Kippen gebracht, und der Kondensator C 2 über den Schalter S 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 Ci und C2 zusammensetzt, entsprechend dem Kapazitätsverhältnis dieser Kondensatoren Cl und C 2 herabgesetzt Wenn die beiden Kondensatoren Cl und C2 gleich sroß gewählt sind, tritt eine Halbierung der Spannungsänderung und damit näherungsweise auch-eine Halbierung der während dieser Zeit auftretenden Frequenzänderung ein. Dies bedeutet aber, daß nun der Zustand gleicher Frequenz und gleicher Phase erreicht ist (Zeitpunkt ti nach F i g. 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 53 angestoßen wird, selbsttätig kippt und über den Schalter 5 den Kondensator C2 entlädt. Auf diese Weise wird die Regelzeit verkürzt, wenn der Oszillator G über große Bereiche von mehreren Dekaden nachgestellt werden muß.

An Stelle der in Fig. 1 gewählten Serienschaltung der Kondensatoren Cl und C2 der Speicherkapazität kann auch gemäß F i g. 3 eine Parallelschaltung zweier Kondensatoren CV und C2' Anwendung finden. Die

ίο Kapazitätswerte können hier kleiner gewählt sein.

An Stelle der gesteuerten impulsförmigen Entladung des Kondensators C2 kann auch eine konstante Verminderung der Stellgrößenschwankung dadurch durchgeführt werden, daß anstatt des Schalters S 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 B 3 läßt sich nämlich die Polarität der Frequenzdifferenz unmittelbar ablesen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

sich gegenseitig definiert beeinflussen, wobei jeweils Patentansprüche: von einer der beiden Kippstufen Impulse mit phasen- _i proportionaler Breite erzeugt werden und ein Wechsel

1. Kombinierte Frequenz- und Phasenvergleichs- der jeweils aktiven Kippstufe eintreten kann, wenn zwischaltung, gekennzeichnet durch zwei von 5 sehen zwei Impulsen des einen Eingangssignals zwei den beiden zu vergleichenden Signalen (f_x, f_x) ange- Impulse des anderen auftreten (FR-PS 14 22 501).
steuerte bistabile Kippstufen (B 1, B 2) deren Aus- Es ist auch schon eine Phasenvergleichsschaltung begänge entgegengesetzt stromsteuernd an einer Spei- kannt, mit der zwei Signale von gleicher Frequenz auf cherkapazität (CX, C2; CV, C2') liegen, wobei je- gleiche Phase geregelt werden kann und die ebenfalls weils ein Vorbereitungseingang jeder Kippstufe io mit zwei gekoppelten Kippstufen arbeitet, wobei jedemjenigen Steuereingang, an dem die jeweilige weils eine der Kippstufen Impulse mit phasenpropor-Kippstufe in Arbeitslage gekippt wird, zugeordnet tionaler Breite liefert, welche entgegengesetzt stromist, und die · Vorbereitungseingänge am Ruhelagen- steuernd auf eine Speicherkapazität arbeiten (US-PS ausgang der jeweils anderen Kippstufe liegen, der- 33 28 688). Wenn zwei Eingangsimpulse des einen zwiart, daß dann, wenn die Frequenz des einen Signals is sehen je einem Impuls des anderen Eingangssignals aufgrößer ist als die des anderen, oder wenn die Phase treten, tritt ein Wechsel der aktiven Stufe ein. Eine soldes einen Signals der des anderen voreilt, lediglich ehe bekannte reine Phasenvergleichsschaltung liefert der Ausgang der einen der beiden Kippstufen (B 1, jedoch nur im Bereich einer Änderung der Augen- B 2) jeweils fortgesetzt Impulse von einer Breite, die blicksphase zwischen Null Grad und 180 Grad an diedem jeweiligen Phasenstand entspricht, an die Spei- 20 sem einen Ausgang jeweils die fortgesetzten Impulse, cherkapazität liefert und im umgekehrten Fall der bei einer Phasenänderung über 180° hinaus ändert sich Ausgang der anderen Kippstufe. dies, d. h., es treten dann an dem anderen Ausgang die

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- Impulse von der Breite des jeweiligen Augenblicksphazeichnet, daß der eine Ausgangsanschluß der einen senabstandes auf, an der Speicherkapazität entsteht also Kippstufe (Bi) und der entgegengesetzte Aus- 25 eine Sägezahnspannung mit einem Gleichspannungsgangsanschluß der anderen Kippstufe (B 2) jeweils mittelwert Null. Damit ist diese bekannte Phasenverüber entgegengesetzt gepolte Dioden (D 1, D 2) mit gleichsschaltung nur zum Vergleich der Phase von Sider Speicherkapazität (Ci, C2; CY, C2') verbun- gnalen geeignet, deren Frequenz gleich ist.

den sind. Es ist auch bekannt, solche Phasenvergleichsschal-

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge- 30 tungen in Kombination mit einer Frequenzvergleichskennzeichnet, daß die Speicherkapazität aus zwei in schaltung anzuwenden (Proceedings of the IRE, 1959, Reihe oder parallelgeschaltete Kondensatoren (Ci, Dezember, S. 2106 bis 2112 bzw. DE-AS 11 44 328). Die C2 bzw. CV, C2') besteht und dem einen Konden- zum Phasenvergleich vorgesehene Schaltung kann dasator (C2, C2') ein Entladewiderstand zugeordnet bei wieder aus zwei Stufen bestehen, die entgegengeist, so daß die an der Speicherkapazität (Ci, C2; 35 setzt stromsteuernd an einer Speicherkapazität liegen CV, C2') jeweils durch Ladungszu- Ladungs-Zu- (DE-AS 11 44 328, Fig. 7). Bei dieser kombinierten AnAbfuhr verursachten Änderungen des Betrages der Wendung einer Frequenz- und Phasenvergleichsschal-Spannung stetig verringert wird. tung wirken diese beiden Schaltungen zeitlich nachein-

4. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge- ander, d. h. es werden zunächst durch einen Regelvorkennzeichnet, daß die Speicherkapazität aus zwei in 40 gang der Frequenzvergleichsschaltung die beiden Fre-Reihe oder parallelgeschalteten Kondensatoren quenzen etwa gleich gemacht und anschließend wird (Ci, C2; CV, C2') besteht und dem einen Konden- dann die Phasenvergleichsschaltung wirksam, die dann sator (C2, C2') ein Schalter (S) zugeordnet ist, der noch den entsprechenden Phasenrestfehler ausregelt, insbesondere jeweils beim Wechsel der Arbeitslagen Die bekannten kombinierten Frequenz- und Phasenverder beiden Kippstufen (B i,B 2) geschaltet ist, so daß 45 gleichsschaltungen sind im Aufbau relativ aufwendig, die an der Speicherkapazität (Ci, C2; CV, C2') selbst wenn einige Bauelemente der einen Schaltung jeweils durch Ladungs-Zu- oder Abfuhr verursach- zum Aufbau der anderen Schaltung ausgenutzt werden, ten Änderungen des Betrages der Spannung ent- sie sind vor allem in ihrer Wirkung relativ langsam, da sprechend dem Kapazitätsverhältnis dieser beiden der Frequenz- und Phasenvergleich und die davon abKondensatoren verringert, bei gleich großen Kon- 50 geleiteten Regelvorgänge zeitlich nacheinander durchdensatoren also halbiert wird. geführt werden und ein schnelles Einschwingen eines

5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekenn- Oszillators bei großer Frequenzablage nicht möglich ist. zeichnet, daß der Schalter (S), insbesondere ein Es ist Aufgabe der Erfindung, eine kombinierte Fre-Transistor, über eine mit den beiden Kippstufen (B 1, quenz- und Phasenvergleichsschaltung zu schaffen, die B 2) zusammengeschaltete dritte Kippstufe (B 3) ge- 55 bei möglichst einfachem Gesamtaufbau ein schnelles steuert wird. Regeln zweier Signale auf gleiche Frequenz und gleiche

Phase ermöglicht

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die

Merkmale des kennzeichnenden Teils des Hauptan-60 Spruchs gelöst Gemäß der Erfindung wird hierbei also

■ Frequenzvergleichs- oder Phasenvergleichsschal- eine bekannte Phasenvergleichsschaltung durch enttungen mit zwei bistabilen, gegenseitig sich beeinflus- sprechende Verknüpfung der bistabilen Kippstufen so senden Kippstufen und Logikgliedern sind als gesonder- verbessert, daß die eine Kippstufe am Ausgang nicht te Schaltungen bekannt nur dann fortgesetzt Impulse von der Breite des jeweili-

Bei einer dieser bekannten Frequenzvergleichsschal- 65 gen Augenblicksphasenabstandes liefert, wenn die Phatungen wird der Frequenzvergleich beispielsweise mit se des einen Signals der des anderen voreilt und die Hilfe zweier bistabiler Kippstufen durchgeführt, die von andere im umgekehrten Falle, sondern daß diese Impulden zu vergleichenden Signalen angesteuert sind und se auch dann nur von einer Kippstufe geliefert werden,