DE1762872A1

DE1762872A1 - Schaltungsanordnung zur Phasensynchronisierung

Info

Publication number: DE1762872A1
Application number: DE19681762872
Authority: DE
Inventors: Shemer Raymond Allan; Gaines Brian Ronald
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1967-09-21
Filing date: 1968-09-13
Publication date: 1972-03-16
Also published as: DE1762872B2; NL6813394A; GB1204365A; BE721227A; FR1581419A; JPS5123876B1; US3560851A

Description

Dipl.-Phys. Leo Thul

Patentanwalt 1 7 R 9 P 7

7 Stuttgart-Feuerbach ' '° ^Δ ° ' ^Δ

ISE/Eeg. 3955
B.R.Gaines-R.A.Shemer 9-1

INTEHlTATIOlTiL STANDARD ELECTRIC CORPORATION,NEW YORK

Sohaltungsanordnung zur Phasensynchronisierung

Die Priorität der Anmeldung in Großbritannien Nr. 42931/67 vom 21. Sept. 1967 wird in Anspruch genommen.

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Sinusschwingung und zur Phasensynchronisierung dieser Schwingung mit einer Eingangsschwingung gleicher Frequenz, bei der die beiden Halbwellen der erzeugten Schwingung mit den entsprechenden Halbwellen der Eingangs schwingung multipliziert werden, das Multiplikationsergebnis integriert wird und bei der aus dem Integrationsergebnis eine positive bzw. negative Stellgröße zur Beeinflussung der Phasenlage der erzeugten Schwingung abgeleitet wird.

Solche Anordnungen werden besonders in Instrumenten-Lande-Systemen (ILS) für Flugsicherung benötigt. Aber auch bei YOR-Funkfeuern muß eine Grundschwingung bekannter Frequenz aus einem Signal ermittelt werden, das diese Grundschwingung, Störungen und Oberwellen enthält. Bei den erwähnten Funkfeuern ist die genaue Bestimmung der Phasenlage eines 30 Hz-Richtungssignals bezüglich eines 30 Hz-Bezugssignals sehr wichtig.

10.9.68 ./.

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Theoretisch ermittelt man die Grundschwingung am günstigsten durch Kreuz-Korrelation des Signals mit einer Grundschwingung der gleichen Frequenz. Ein Generator erzeugt hierbei phasengleiche und um 180° verschobene Komponenten, die mit dem Signal multipliziert werden. Die Ergebnisse werden über Tiefpässe geleitet, so daß sich die beiden Komponenten des Signals bei der Generatorfrequenz ergeben.

Je größer die Zeitkonstante der Filter ist, desto besser ist die Diskrimination zwischen den Wirkungen des Signals und den Wirkungen seiner Oberwellen plus den Störungen. Es kann daher mit Filtern großer Zeitkonstante die Amplitude und die Phase des Signals mit jeder gewünschten Genauigkeit unabhängig vom Grad der Störungen bestimmt werden. Zu einer solchen Schaltung gehört ein Regelkreis,mit dem die Phase des Generators geändert werden kann, wodurch dieser mit der EingangsSchwingung phasenstarr gekoppelt wird. Die Einstellgeachwindigkeit hängt dabei von der Dämpfung in der Rückkopplungsschleife ab. Beide sind proportional. Je größer die Dämpfung, desto geringer der Fehler, der durch Oberwellen und Störungen hervorgerufen wird.

vergleichs-Um die Nachteile einer örtlich erzeugten Sinusschwingung zu vermindern, kann man eine Rechteckschwingung der gleichen Frequenz verwenden. Die Multiplikation der beiden Schwingungen erfolgt dann mittels Relais. Bekannterweise kann eine Rechteckschwingung als Grundschwingung plus 1/3 der dritten^ Oberwelle plus 1/5 der fünften Oberwelle usw. aufgefaßt werden.

Wenn die Eingangsschwingung die gleichen Komponenten enthält, dann können diese, abhängig von ihrer Phasenlage, Verschiebungen bei den phasengleichen und bei den um 180° verschobenen Ausgangssignalen zur Folge haben, da sie nicht mehr die Wirkungen der Grundschwingung darstellen. Siebt man die dritte Oberwelle mit einem Vorfilter heraus, dann bewirkt dieses eine Phasenverschiebung der Grundschwingung.

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Darüberhinaus ist das Filter teuer, da es aus unveränderlichen Bauteilen "bestehen muß, wenn sich die Phasenverschiebung nicht ändern soll.

Mit der Erfindung sollen die Nachteile der bekannten Anordnungen vermieden werden, insbesondere soll eine oberwellenfreie Sinusschwingung auf digitalem Wege erzeugt- und phasengeregelt werden.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Sinusschwingung ein sich selbst einstellender Binärzähler vorgesehen ist, bei dem der 1-Ausgang jeder Stufe mit dem Takteingang der folgenden Stufe verbunden ist und der am Takteingang der ersten Stufe mit Taktimpulsen weitergeschaltet wird und bei dem bei mehreren Stellungen 1-Ausgangssignale abgegeben werden derart, daß die Verteilung der 1-Signale innerhalb der Folge von Ausgangssignalen bei einem vollständigen Durchlauf des Binärzählers eine Halbwelle der Sinusschwingung darstellt und daß, gesteuert von der Stellgröße, dem Zählereingang bei einem Zählerdurchlauf mehr bzw. weniger Impulse zugeführt werden.

Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Schaltung,

Fig. den Zähler nach Fig. 1 genauer.

In Fig. 1 ist ein Binärzähler mit 1 bezeichnet, der dazu dient, mittels an seinem Ausgängen angeschlossener logischer Schaltkreise 2 eine Impulsfolge zu erzeugen, die einer Sinusschwingung entspricht, wobei bestimmte Oberwellen

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praktisch vollständig unterdrückt sind. Wie weiter unten erläutert wird, wird auf diese Weise nur eine Halbwelle erzeugt, während die andere Halbwolle durch Inversion der Impulsfolge gewonnen wird. Die Impulsfolge wird von den vor der letzten Stufe liegenden Stufen abgenommen. Die letzte Stufe dient zur Steuerung von UND-Schaltungen 3,4 , mit denen die Impulsfolge abwechselnd zwei Feldeffekttransistoren 5,6 zugeleitet wird, in denen die synthetische Sinusschwingung mit der Eingangsschwingung 7 multipliziert wird. Im Transistor •moduliert die Impulsfolge die normale Sinusschwingung 7 und im Transistor 6 die mittels Inverter 8 invertierte Sinusschwingung. Die Ausgangssignale der Translatoren 5 und 6 ^ werden mittels einer Integrationsstufe 9 integriert und das integrierte Signal wird dann mit positiven und negativen Bezugsspannungen verglichen. Zum Vergleich dienen Differenzverstärker 10,11. Die Ausgangssignale der Differenzverstärker sind die RückkopplUngssignale für die Phasensteuerung, die dazu dienen, den Zähler 1 in Phase mit der Eingangsschwingung zu bringen.

Die letzte Stufe des Zählers 1 liefert außer den Impulsen zu den Transistoren 5»6 einen Taktimpuls zu der Rückkopplungsschleife, und zwar über die Differenzierstufe Die Einstellung der Phase der synthetischen Sinusschwingung

. erfolgt durch Vergrößerung oder Sperrung der Taktimpulsfolge, ™ die den Zähler steuert.

Das Ausgangssignal der Integrationsstufe ist positiv oder negativ, je nachdem, ob der Zähler 1 der Eingangsschwingung vor- oder nafheüt. Wenn der Zähler nacheilt, gibt die Integrationsstufe 9 eine negative Spannung ab und diese erzeugt ein Ausgangesignal des Differenzverst&pkere 11, wenn sie größer als die negative Vergleichsspannung ist. Das Ausgangssignal gelangt zur UND-Schaltung 13· Diese wird einmal in Jedem Zählerumlauf durch den Taktimpuls von

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der Differenzierstufe 12 durchlässig gesteuert, so daß das Ausgangssignal von 10 zu einer weiteren UND-Schaltung 15 gelangt. Der Binärzähler 1 wird von einer Taktimpulsfolge gesteuert, deren Frequenz f/2 sei. Diese wird von einem Taktgenerator abgeleitet, dessen Impulsfolge 16 die Frequenz f hat. Diese Impulsfolge 16 gelangt auf eine "bistabile Kippschaltung 17, an deren einem Ausgang Impulse mit der Frequenz f/2 auftreten.^J)Ie Impulsfolge 16 gelangt außerdem zu der UND-Schaltung. Ist an dieser gleichzeitig ein Impuls von 13 vorhanden, gelangt ein Impuls der Impulsfolge 16 zur Torschaltung 18. Die Schaltung ist so ausgelegt, daß ein Impuls von immer zwischen zwei Impulsen von 17 liegt, wodurch ein zusätzlicher Impuls in die Fortschaltimpulsfolge für den Zähler 1 eingefügt wird. Auf diese Weise wird der Zähler stufenweise der Phasenlage der Eingangsschwingung angeglichen.

Eilt umgekehrt der Zähler 1 der Eingangswelle 7 nach, dann gibt der Verstärker 11 ein Ausgangssignal ab, das über die Torschaltung 14 bewirkt, daß in jedem Zählerumlauf ein Impuls in der FortschaltimpulsfοIge des Zählers unterdrückt wird.

Nach jedem Zählerumlauf wird die Integrationsstufe über eine zweite Differenzierstufe 19 entladen. Diese wird vom Ausgangssignal der Differenzierstufe 12 gesteuert und steuert selbst einen Feldeffekttransistor 20, der die Stufe 9 entlädt. Die Differenzierstufe 19 sorgt für eine ausreichende Verzögerung für den Rückstellimpuls, um sicherzustellen, daß die Rückkopplung wirksam geworden ist, ehe die Stufe 9 entladen wird.

Die Wahl einer bestimmten Impulsfolge, die die synthetische Sinusschwingung darstellt, hängt von den Anforderungen an die Schaltung ab. Z.B. können in den meisten Fällen die geradzahligen Oberwellen unberücksichtigt bleiben, während in

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manchen Fällen nur die ungeradzahligen Oberwellen niedriger Ordnungszahl einen Einfluß auf das System haben. Daher ist eine größtmögliche Dämpfung der dritten Oberwelle am wichtigsten. Die Dämpfung der fünften Oberwelle ist ebenfalls wichtig, jedoch nicht so wichtig wie die Dämpfung der dritten. Die Darstellung bzw. Synthese der Wellenform erfolgt bezüglich der Amplitude durch den Anteil logischer EIN-Pegel in einer getakteten Folge von EIN- und AUS-Fegeln und bezüglich des Vorzeichens durch diejenige von zwei Leitungen, auf der die 1-Werte auftreten. Z.B. stellt die Folge OOO1OOO1OOO1OOO1 eine Durchschnittsamplitude von 0,25 dar. Eine Folge 010101010101 usw. entspricht einer durchschnittSamplitude von 0,5 und eine Folge 010111010101110101011101 usw. einer solchen von 0,625.

Eine Sinusschwingung wird in den beiden ersten Quadranten durch eine Folge logischer Pegel mit stetig zunehmendem Anteil von EXN-Werten, die am -^nde des ersten Quadranten nur aus EIN-Werten besteht und die dann einen stetig abnehmenden Anteil von EIN-Werten aufweist und die am Ende des zweiten Quadranten nur aus AUS-Werten besteht. Die Folge im zweiten Quadranten ist daher spiegelsymmetrisch zur Folge im ersten Quadranten. Beide treten an der Torschaltung 3 auf. Die drittel und vierten Quadranten sind eine Wiederholung der ersten und zweiten Quadranten; sie treten nun an der Torschaltung 4 auf, d.h. sie sind invertiert. Folgen wie die erwähnten enthalten jedoch nicht nur die Sinus-Grundschwingung, sondern ebenso Oberwellen. Zur Schwächung der ungeraden Oberwellen ist es erforderlich, die Impulse in der Folge anders zu verteilen, ohne jedoch die O-1-Anteile zu verändern. Die in Fig. 2(a) gezeigte Folge, d.h. 1000011000110011 stellt den ersten Quadranten einer Sinusschwingung dar, die nur 0,0001% dritte Oberwellen enthält. Der Anteil der fünften Oberwelle dieser Wellenform ist relativ hoch, nämlich 16%. Es läßt sich auch eine Folge angeben, die genügend niedrige Anteile der dritten und der fünften Oberwelle enthält.

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Zur Erzeugung der Folge nach Pig. 2(a) wird die 7· "bis 10. otufe des Zählers 1 (Fig. 1) verwendet, wie in Fig. 2(b) genauer dargestellt. Die 11. und die 12. Stufe dienen zur Steuerung des Quadranten und des Vorzeichens der Folge, da dieselbe Folge viermal für jede Sinusschwingung verwendet wird. Die Aufgabe der ersten sechs Stufen des Binärzählers wird später erläutert.

Die vier Stufen des Zählers zählen bis 16. Diese Zahl ist gleich der Anzahl der Bit in der Folge nach Fig. 2(a). 1-Signale sind nur bei sieben ausgewählten Zählerstellungen in der Zahlenfolge erforderlich. Aus diesem Grunde hat jede der vier Stufen ^ 27 - 50 des Zählers nach Fig. 2(b) zwei Ausgänge X27 bzw. ™ X27. Sieben logische UND-Schaltungen 33-29 sind vorgesehen, je eine für jedes 1-Bit. Jede UND-Schaltung hat vier Eingänge, die mit den entsprechenden Ausgängen «jeder Stufe in bekannter Weise verknüpft sind. Die Ausgänge aller UND-Schaltungen führen zu einer ODER-Schaltung 40, an deren Ausgang bei einem Zählerdurchlauf die Impulsfolge auftritt. F,ür den zweiten Quadranten müßte die Folge invertiert werden. Um die Invertierung zu vermeiden, kann die Stufe 31 hinzugefügt werden, so daß sich dann eine 32-Bit-Folge für die beiden ersten Quadranten ergibt. Selbstverständlich sind in diesem Fall sieben weitere IHD-Sehaltungen erforderlich und alle UND-Schaltungen müssen 5 Eingänge haben. Jj

Die Aufgabe der Stufe 32 des Zählers wurde schon im Zusammenhang mit Fig. 1 erläutert.

Oben wurde bereits geschildert, wie die Rückkopplungsschleife zur Phasenanpassung arbeitet. Wird die Rückkopplungsschleife so ausgelegt, daß sie einen Taktimpuls an der ersten Stufe, d.h. der Stufe 27 hinzufügt oder wegläßt, dann ergibt sich eine sehr grobe Phaseneinstellung.

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Dies ist darauf zurückzuführen, daß zur Synthese einer vollständigen Sinuswelle eine Impulsfolge mit 64 Bit verwendet wird. Die Beeinflussung der Taktimpulse an der Stufe 27 bedeutet daher, daß die Einstellgenauigkeit 1/64 eines Zählerdurchlaufs beträgt. Dies hat jedoch den Vorteil, daß bei einer Frequenz der Sinusschwingung von 30 Hz die Einstellung maximal eine Sekunde dauert. Die hierbei erzielbare Genauigkeit ist jedoch nicht ausreichend und es sind deshalb zusätzliche Stufen 21 - 26 am Anfang des Zählers vorgesehen. Die Taktfrequenz wird entsprechend geändert. Mit den sechs Zusatzstufen wird mit einem Taktimpuls mehr oder weniger eine Phasenveränderung von 1/4096 eines Zählerdurchlaufs bewirkt, wobei aber die Einstellzeit bis zur Phasensynchronisation viel größer geworden ist, nämlich etwa 64 Sekunden. Ist dieser Wert nicht brauchbar, kann man ein drittes Rückkopplungssignal einführen, durch das ein zusätzlicher Impuls bei den Stufen 26 oder 27 eingefügt wird, wenn der Phasenunterschied größer als 1/128 bzw. 1/64 eines Zählerumlaufs wird. Damit folgt einer Anfangsgrobeinstellung eine sehr genaue Feineinstellung und die Phasensynchronisation wird in relativ kurzer Zeit erreicht.

Man kann auch die zusätzliche Rückkopplungsschleife zur Grobeinstellung weglassen und dazu die Eingangsschwingung verwenden. Der Nulldurchgang der Eingangsschwingung schaltet dann den Takt zum Zähler durch. Wird die Eingangsschwingung in Rechteckwellen umgesetzt und differiert, dann triggert das Differentiationsergebnis* die Taktquelle 16, der Zähler beginnt von der Ruhestellung und ist somit sofort bis auf wenige Grad phasensynchronisiert. Die Feineinstellung erfolgt dann durch die Rückkopplungsschleife nach Fig. 1. Dies hat den Vorteil, daß bei der Flugsicherung, wenn ein Flugzeug direkt über ein Funkfeuer fliegt, nur eine sehr kurze Unsicherheitszeit auftritt.

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Bei der Anordnung nach Fig. 1 arbeitet die Rückkopplungsschleife nur einmal während eines Zählerdurchlaufs. Die Integrierstufe 9 wird dabei nach jedem Zählerdurchlauf entladen und zurückgestellt. Diese Art der Regelung ist dann brauchbar, wenn die Eingangsschwingung nur wenig Storsignale enthält. Ist die Eingangsschwingung 7 jedoch sehr stark mit Störungen behaftet, ist es ratsam, die Integrationsschaltung langer wirken zu lassen, um den Störungen entgegenzuwirken. Man kann dazu den Kondensator der Integrationsstufe 9 mit einem langsamen Entladekreis versehen und die Rückstellung erst nach einer gewissen Zeit vornehmen. Hierzu muß man die Rückstellschaltung abändern, beispielsweise durch einen der Differenzierstufe 19 nachgeschalteten Frequenzteiler.

Patentansprüche

ßl. Zeichn., 2 Fig.

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Claims

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Patentansprüche

Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Sinusschwingung und zur Phasensynchronisierung dieser Schwingung mit einer Eingangsschwingung gleicher Frequenz, bei der die beiden Halbwellen der erzeugten Schwingung mit den entsprechenden Halbwellen der Eingangsschwingung multipliziert werden, das MuItiplikationsergebnis integriert wird und bei der aus dem Integrationsergebnis eine positive bzw. negative Stellgröße zur Beeinflussung der Phasenlage der erzeugten Schwingung abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Sinusschwingung ein sich selbst einschließender Binärzähler vorgesehen ist, bei dem der 1-Ausgang jeder Stufe mit dem Takteingang der folgenden Stufe verbunden ist und der am Takteingang der ersten Stufe mit Tattimpulsen weitergeschaltet wird und bei dem bei mehreren Stellungen 1-Ausgangssignale abgegeben werden derart, daß die Verteilung der 1-Signale innerhalb der Folge von Ausgangssignalen bei einem vollständigen Durchlauf des Binärzählers eine Halbwelle der Sinusschwingung darstellt und daß, gesteuert von der Stellgröße, dem Zählereingang bei einem Zählerdurchlauf mehr bzw. weniger Impulse zugeführt werden.

Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufenzahl dee Binärzählers gleich der Zweierpotenz der Bitzahl pro Halbwelle der Sinusschwingung ist.

Ne/Sd

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3· Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Genauigkeit dem Binärzähler weitere Stufen vorgeschaltet sind.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung der Einstellzeit eine Grobeinstellung vorgesehen ist, die auf die erste Stufe des Stammzählers wirkt.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Taktgenerator zur Steuerung des Zählers vom Nulldurchgang der Eingangsschwingung ausgelöst wird.

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