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"Schaltung zum Nacheergeln der Frequenz eines Oszillators" Die Erfindung
betri£ft eine Schaltung zum Nachregeln der Frequenz eines Oszillators, dessen Frequenz
in Abhähgigkeit von einer Gleicbspannung innerhalb bestimmter Grenzen verändert
werden kann (VCO), auf eine von außen zugeführte Frequenz, wobei die von außen zugeführte
Frequenz und die von dem Oszillator abgegebene Frequenz einer Phasenvergleichsschaltung
zugeführt sind, die an Hand eines Phasenvergleichleichs eine der Frequenzdifferenz
im wesentl ichen proportionale Gleichspannung abgibt die über einen Tiefpaß dem
Oszillator zum Zwecke der Frequenz-Veränderung zugeführt wird
Äuf
vielen Gebieten der Nachrichtentechnik finden Sehaltungen Anwendung, die einen Ossillator,
dessen Frequenz'von der eines anderen Oszillators um einen bestimmten Betrag abweicht,
derartig in seiner Frequenz andern; daß der Frequenzunterschied zwischen beiden
Oszillatoren verschwindet. Figur 1 zeigt eine Frequenzregelschleife die die geschliderte
Punktion erfüllt. Ein Oszillator VCO, der in seiner Frequenz; von einer äußeren
Gleichspannung abhängig ist, wird über einen Tiefpaß TP von einer Phasenvergleichsschaltung
PVS angesteuert. Diese Phasenvergleichsschaltung PVS gibt als Ausgangsgroße eine
Gleichspannung ab, die von der Frequenzdifferenz zweier Eingangsgrößen dieser Schaltung
abhängt.
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Diese Abhängigkeit ist im Idealfall linear. Die Eingangsgrößen für
die Phasenvergleichssaltung PVS sind zum einen die an der Eingangsklemme E1 eingespeiste
Fredmfrequenz der Größe f1 zum anderen die von dem Oszillator VCO abgegebene Frequenz
f2, die dem zweiten Eingang der Phasenvergleiohsschaltung PVS zugeführt wird. Die
von der PhasenvergleichsschaltungPVS abgegebene Gleichspannung sei Up genannt; ihr
Maximalwert sei Up.
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Der Oszillator VCO reagiert in der Weise auf das Anliegen einer äußeren
Gleichspannung UR, daß er für UR = O auf seiner
Ruhefrequenz :2
» fo schwingt. Ist UR größer oder kleiner als Null, so ändert sich die Frequenz
des Oszillators auf f2 = f0 # # f. Die maximal mägliche Frequenzänderung wird Mitziehfrequenz
genannt.
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Der Aufbau der Phasenvergleichsschaltung PVS hangt von der Art der
Vergleichsgroßen ab. Bei sinusförmigen Eingangs größen ist beispielsweise ein Multiplikator
verwendbar; werden Impulsreihen verglichen, so läßt sich eine bistabile Kippstufe
verwenden.
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Die Funktion der Phasenvergleichsschaltung beruht auf einem Vergleich
der Momentanphase der beiden Eingangsgrößen Im folgenden wird die Funktion einer
solchen Schaltung zunächst für in Impulsform vorliegende Vergleichsgrößen beschrieben.
Figur 2 zeigt übereinander dargestellt zwei Impulsreihen li und I2 mit den Frequenzen
f1 und f2 (Fig. 2a, 2b), die in der oben angegebenen Weise der Phasenvergleichsschaltung
Pvs zugeführt werden Dabei sei angenommen, daß f1 > f f2 ist, Die Impulsbreite
ist kleiner als der Abstand der Impulse. Die die Phasenvergleichsschaltung bildende
bistabile Kippstufe gibt nun beim Eintreffen eines
Impulses der
Reihe 7 eine positive, beim Eintreffen eines Impulses der Reihe I2 eine negative
Spannung ab. Damit ergibt sich am Ausgang der Phasenvergleichsschaltung PVS eine
Ausgangsspannung entsprechend Figur 2c, Der zwischengeschaltete Tiefpaß TP ermittelt
im wesentlichen den Gleichspannungsinhalt dieser letztgenannten Ispulsrethe, Es
ergibt sich, daß dieser zunächst linear anwächst und von selnem Maximalwert abrupt
auf seinen Minimalwert fällt. (Betspielsweise ersichtlich aus dem Vergleich der
schraffierten Xeile).Bei mathematischer Behandlung des Problems zeigt sich, daß
dieser Sprung vom Maximalwert auf den Minimalwert dann eintritt, wenn der Phasenunterschied
zwischen den betrachteten Einzelimpulsen der Reihen I1 und I2 den Wert 2 ä erreicht
Der Einfachheit halber ist dieses nicht lineare Verhalten der Phasenvergleichsschaltung
für impulsförmige Eingangsgrößen dargestellt worden (Fig. 2c bzw 2d) Ein Entsprechen
des Verhalten zeigt- eine Phasenvergleichsschaltung für sinusförmige Eingangsgrößen,
nur steigt hier die Ausgangsspannung der Phasenvergleichsschaltung nicht linear,
sondern sinusförmig an. Bei Erreichen einer Phasendifferenz in der Größe p steigt
die .Spannung nicht weitern sondern fällt entsprechend dem Sinusverlauf ab (Figur
2e). Dieses Verhalten der Phasenvergleichsschaltungen
iPVS verlängert
die Fangzeit und verkleinert den Fangbereich der Frequenzregelschleife. Dieser ungünstige
Einfluß der Phasenvergleichsschaltung ist stärker zu bewerten als die ebenfalls
ungünstige Wirkung das Xiefpasses TP. Der Tiefpaß kann in einfacher Weise z.B. aus
zwei Widerständen R1 und R2 sowie einem Kondensator C aufgebaut sein, die entsprechend
Figur 3 zusammengeschaltet sind; dabei ist R1 > R2. Bei der Dimensionierung des
Tiefpasses müssen Kompromisse geschlossen werden. Wird ein Tiefpaß mit sohmalem
Durchlaßbereich verwendet, so ist seine Zeitkonstante groß, Die Frequenzregelschleife
ist dann weitgehend un empfindlich gegenüber Störsignalen, die auf Übertragungswegen
auftreten können und das Signal am Eingang E der Phasenvergleichsschaltung PVS verfälschen.
Dafür ist aber der Fangbereich sehr klein und die Fangzeit ist sehr groß. Bei großem
Durchlaßbereich ist es umgekehrt, dafür ist dann aber die Störanfälligkeit größer.
Je nach den aeweiligen Anforderungen ist zwischen diesen drei Kriterien ein Kompromiß
zu schließen. Liegt dieser Kompromiß dann aber einmal fest, so ist der störende
Einfluß der Phasenvergleichsschaltung PVS um so gravierender.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Frequenzregelschleife
anzugeben, die den störenden Einfluß der Phasenvergleichsschaltung
PYS
weitgebend kompensiert.
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Die Erfindung besteht darin, daß ein zusätzlicher Schaltungszweig
vorgesehen ist, der bei Erreichen eines Extremwertes der von der Phasenvergleichsschaltung
PVS abgegebenen Spannung diesen Extremwert so lange festhält und dem Ossillator
VCO zuführt, bis dieser in seiner Frequenz so weit nachgeregelt ist, daß die von
der Phasenvergleichsschaltung abgegebene Spannung unter ihren Extremwert sinkt.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand der Abbildungen näher erläutert.
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Figur 3a zeigt den Verlauf der Ausgangsspannung Up der Phasenvergleichsschaltung
PVS nach dem Durchlaufen des Tiefpasses TP während des Einschwingvorganges der Regelschleife.
Als Phasenvergleichsschaltung PVS sei eine bistabile ESppstufe angenommen, der Impulsreihen
nicht sehr verschiedener Folgefrequenz zugeführt werden Es zeigt sich, daß schon
nach verhältnismäßig kurzer Zeit eine Konstanz dieser Spannung Up orreicht wird.
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Ist der Unterschied zwischen den Frequenzen f1 und f2 jedoch sehr
groß so überschreitet Up nach Bild 3b den maximal
möglichen Wert
Upö Durch die beschriebenen Unstetigkeiten der Kennlinie der Phasenvergleichssnchaltung
PVS ergibt sich kein exponentieller Einschwingvorgang sondern ein solcher etwa nach
Figur 3c. Es gelingt also nicht,den Oszillator VCO stetig auf den richtigen Wert
einæuregelnJ sondern es wird jeweils von neuen Bezugspunkten aus dem Regelvorgang
so lange eingeleitet, bis nach verhältnismäßig sehr langer Zeit der Wert Up nicht
mehr überschritten wird und die endgültige Eintegelung erfolgt. Ist der Frequensunterschied
sehr groß, so wird eine Einregelung unter Umständen nie erreicht.
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Figur 3d zeigt nun die Wirkung der erfindungsgemäß vorgesehenen zusätzlichen
Regelschleife. Die Spannung Up wird so lange auf ihrem Wert Up gehalten7 bis der
Oszillator VCO durch das Anliegen dieser Spannung in seiner Frequenz derart verändert
ist, daß die Phasendifferenz ein Unterschreiten des Wertes Up bewirkt, Da zwischen
Nachregelung des Oszillators VCO während der Festhaltezeit nur eine Spannung zur
Verfügung steht, die unter der an sich erforderlichen Spannung nach Bild 3b liegt,
braucht die Nachstellung des Oszillators etwas längere Zeit ( At) gegenüber dem
in Figur 3b dargestellten Idealfall.
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Der hier dargestellte Fall einer positiven Frequenzdifferenz wird
für negative Frequenzdifferenzen durch Vorzeicbenumkehr entsprechend abgewandelt.
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Das hier für eine als bistabile Kippstufe ausgebildete Phasenvergleichsschaltung
PVS beschriebene Verhalten zeigt sieh in entsprechender Weise bei Verwendung eines
Multiplizieres als Phasenvergleichsscbaltung PVS, wenn sinusförmige Eingangsgrößen
anliegen. Auch hier wird ja bei wachsendem Phasenunterschied von einem bestimmten
Betrag desselben ab eine nicht mehr wachsende sondern fallende Spannung Up abgegeben,
so daß das erfindungsgemäße Festhalten der Spannung Up auf dem Wert Up eine Verkürzung
der Fangzeit und eine Vergröbettung des Fangbereiches ergibt. Abgesehen von den
beiden genannten Arten von Phasenvergleichsschaltungen gibt es auch noch andere.
Aber auch diese besitzen die unangenehme und durch die Erfindung zu korrigierende
Eigenart, daß sich bei Phasenunterschieden, die eine bestimmte Größe über-bzw.
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unterschreiten, die abgegebene Spannung tip sich in der entgegengesetzten
Richtung ändert.
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Figur 5 zeigt als Blockschaltbild eine gemäß der Erfindung aufgebaute
Frequenzregelschleife.
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Die bistabile Kippstufe B1 dient als Phasenvergleichsschaltung PVS
Sie bildet zusammen mit dem Tiefpaß TP und dem Oszillator VCO die eigentliche Frequenzregelschleife.
Am Eingang E der Schaltung werden Impulse I1 angeliefert, auf deren Frequenz f1
sich die am Ausgang A abzugebenden Impulse I2 ändern sollen, die zunächst die Frequenz
£a aufweisen. Zwischen die beiden Eingänge E1 und ES der Kippstufe F1 und den Eingang
E bzw den Ausgang A sind UND-Schaltungen U1 und U2 eingeschaltet} die gegebenenfalls
verhindern, daß Impulse an die Eingänge E1 und E2 gelangen können, Die Folge ist,
daß sich zu diesen Zeiten die von der Kippstufe F1 abgegebene Spannung Up nicht
ändert und ihren größten oder kleinsten Wert #p oder -#p aufweist. Die Steuerung
der beiden UND-Schaltungen U1 und U2 wird über weitere bistabile Eippstufen F2 und
F3 vorgenommen. Alle drei bistabilen Kippstufen F1 - F3 werden so betrieben, daß
beim Eintreffen eines Impulses an ihrem linken Eingang die Ausgangs spannung negativ,
beim Eintreffen am rechten Eingang positiv wird.
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Die Eingänge der Kippstufen F2 und F werden über jeweils eine UND-Schaltung
U3 - U6 angesteuert. Zusätzlich sind nun en jeweils ein Eingang der UND-Scaltung/
U4 und U5 mit jeweils einem Eingang der Schaltungen U3 und U6 und mit dem Eingang
E über ein erstes Laufzeitglied LZi verbunden. Die anderen
Eingänge
der UND-Schaltungen U5 und U6 sind über ein zweites Laufzeitglied LZ2 mit den anderen
Eingängen der UND-Schaltungen U3 und U4 und dem Ausgang A verbunden. Die Irauf zeitglieder
LZ1 und LZ2 verzögern die Impulse Ii und I2 jeweils um eine Impulsbreite, so daß
verschobene Impulse I1 und I2 entstehen.
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Besteht ein Frequenzunterschied zwischen den Impulsen I1 und I2, dann
verschiebt sich I2 bzw. I2 gegenüber I1 bzw.
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I1, wie es in Figur 4 dargestellt ist.
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Es sei nun angenommen daß sich 12 bzw. I2 infolge der Regelung des
Oszillators VCO nach links verschoben wodurch die Regelspannung UR am Oszillator
VCO wänchst wobei angenommen ist, daß I1 bzw. I2 die UND-Gatter U1 bzw. U2 passieren
können.
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Decken sich nun die Impulse I1 und 121 so ist die Spannung UI, an
der Kippstufe F1 + Up. Im nächsten Augenblick trifft A 12 vor I1 ein, wodurch Up
auf -Up springen wurde. Damit wurde auch die Spannung UR am Oszillator VCO einen
Sprung ausführen und die Nachregelung des Oszillators VCO wäre entsprechend Figur
3c gestört.
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Um diese zu verhindern, muß die Kippstufe F2 ein negatives Potential
abgeben damit die UND-Schaltung U1 undurchlässig für die Impulse I1, wird. Dies
geschieht dadurch; daß bei der zeitlichen Übereinstimmung von I1 und 12 das UND-Gatter
U3 einen Impuls abgibt, der die Kippstufe F2 in der gewünschten Weise umschaltet.
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Rückt nun infolge der Frequenzweränderung des Oszillators VCO die
Impulsreihe 12 gegenüber I1 wieder nach rechts, dann gibt die UND-Schaltung U4 einen
Impuls ab wenn sicb I2 und I1 decken. Damit wird die Ausgangsspannungs von F2 wieder
positiv Das UND-Gatter U1 wird für die Impulse Ii wieder durchlässig und die Phasenvergleichsschaltung
PVS erzeugt wiederum eine Regelspannung UR, die dem Phasenunterschied zwischen I1
und I2 tatsächlich entspricht.
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Bewegt sich I2 bzw. I2 gegenüber I1 bzw. I1 weiter nach rechts, so
wird zu einem bestimmten Zeitpunkt die UND-Schaltung U2 dadurch für die Impulse
12 undurchlässig, daß der Ausgang der Kippstufe F3 auf negatives Potential gelegt
wird. Dies tritt in dem Augenblick ein, wenn I1 und I2 zeitlich übereinander fallen
und dadurch die UND-Schaltung U5 einen entsprechenden Impuls an die Kippstufe F3
abgibt.
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Somit wird die Kippstufe F1 auf ihrer negativen Ausgangs spannung
Up festgehalten, bis der Oszillator VCO sich in seiner Frequenz so weit verschoben
hat, daß die Impulse I2 und I1 zeitlich übereinstimmen, so daß über die UND-Schaltung
U6 die Kippstufe F3 wieder umgeschaltet wird, und die Impulse I2 wiederum an den
Eingang E2 der Kippstufe Er gelangen können.
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Da sich die Impulse I1 bzw. I1 und 12 bzw. I2 nur langsam gegeneinander
verschieben, lassen die UND"Schaltungen U3 U6 nicht nur einen Impuls durch sondern
jeweils mehrere Impulse. Um dies zu verhindern, müssen zwischen die UND-Schaltungen
U3 bzw. U4 und die Kippstufe F2 sowie zwischen die UND-Schaltungen U5 bzw, , U6
und die Kippstufe F3 jeweils weitere UND-Schaltungen eingefügt werden, die mit den
Ausgängen dieser Kippstufen so verbunden sein müssen) daß jeweils nur ein Impuls
aus den UND-Schaltungen an die Kippstufe gelangen kann. Die Schaltung dieser zusätzlichen
Kippstufen ist in Figur 5 gestrichelt angedeutet (UND-Schaltungen U7 und U8), da
diese Schaltelemente für die Erklärung der eigentlichen Funktion der Schaltung ohne
Bedeutung sind.
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Die Verwendung einer bistabilen Kippstufe F1 als Phasenvergleichsschaltung
PVS hat den Nachteil, daß beim Ausfallen
der Impulse I1 die Ausgangsspannung
der PVS den Wert + Up annimmt und nicht zu Null wird, so daß 6' der VCO sich auf
seine Mitziehfrequenz fo + b f einstellt. Um dies zu verhindern, wird in vorteilhafter
Weise am Eingang E ein Detektor angebracht, der feststellt, ob Impulse I1 eintreffen
oder nicht. t,m einfachsten läßt sich dieser Detektor durch ein RC-Glied verwirklichen,
wobei der Widerstand R durch eine Diode D überbrückt ist damit der Kondensator C
während der kurzen Zeit der Impulsbreite, in der eine positive Spannung anliegt,
aufgeladen wird, um sich während der impulsfreien Zeit über den Widerstand R zu
entladen. An die überbrückte RC-Schaltung ist eine invertierende Schaltung U9 angeschlossen
Solange Impulse I1 eintreffen, erhält U9 von dem RC-Glied eine positive Spannung
ctngeboten, so daß die durch den Inverter IN invertierten Impulse I2 die UND-Schaltung
U9 nicht passieren können. Fallen nun die Impulse I1 so lange aus, daß infolge der
Zeitkonstanten des RC-Gliedes seine Ausgangsspannung Null wird, so wird die Kippstufe
F1 durch die Impulse I2,die über IN und U9 zweimal invertiert sind, betätigt. Da
der Kippstufe F1 nunmehr in beiden Eingängen die gleiche Impulsfrequenz zugeführt
wird wird die Spannung U2 am Oszillator VCO wie gewünscht zu Null. Es ist also durch
diese
zusätzliche Regelschleife sichergestellt daß während des Ausfalls der Bezugsimpulse
I1 der Oszillator VCO auf der Frequenz gehalten wird, die zuletzt vor dem Ausfall
erreicht worden war. Beim Wiedereinsetzen der Impulse I1 ist also nur eine kleinere
Frequenzabweichung auszuregeln als es ohne die angeführte Detektorschaltung der
Fall wäre.