DE1804813B2 - Schaltung zum Nachregeln der Frequenz eines Oszillators - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Nachregeln der Frequenz eines Oszillators, dessen Frequenz innerhalb bestimmter Grenzen auf den Wert einer von außen zugeführten Frequenz geändert werden kann, bei der diese Grenzen die von der Oszillatorschaltung vorgegebenen Maxima und Minima der Frequenz sind, und bei der die von außen zugeführte Frequenz und die von dem Oszillator abgegebene Frequenz einer Phasenvergleichsschaltung zugeführt sind, die eine der Frequenzdifferenz im wesentlichen proportionale Gleichspannung abgibt, die über einen Tiefpaß dem Oszillator zum Zwecke der Frequenzänderung zugeführt wird.
Auf vielen Gebieten der Nachrichtentechnik finden Schaltungen Anwendung, die einen Oszillator, dessen Frequenz von der eines anderen Oszillators um einen bestimmten Betrag abweicht, derartig in seiner Frequenz ändern, daß der Frequenzunterschied zwischen beiden Oszillatoren verschwindet. F i g. 1 zeigt eine Frequenzregelschleife, die die geschilderte Funktion 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 Ausgangsgröße eine Gleichspannung ab, die von der Frequenzdifferenz zweier Eingangsgrößen dieser Schaltung abhängt. Diese Abhängigkeit ist im Idealfall linear. Die Eingangsgrößen für die Phasenvergleichsschaltung PVS sind zum einen die an der Eingangsklemme £Ί eingespeiste Fremdfrequenz der Größe /i, zum anderen die von dem Oszillator VCO abgegebene Frequenz h, die dem zweiten Eingang der Phasenvergleichsschaitung PVS zugeführt wird. Die von der Phasenvergleichsschaitung FVS abgegebene_ Gieichspannung sei U_p genannt; ihr Maximalwert sei Up.

Der Oszillator VCO reagiert in der Weise auf das Anliegen einer äußeren Gleichspannung Ur, daß er für Ur=O auf seiner Ruhefrequenz f₂ = k schwingt. Ist Ur größer oder kleiner als Null, so ändert sich die Frequenz des Oszillators auf

Die maximal mögliche Frequenzänderung wird Mitziehl'requenz genannt.

Der Aufbau der Phasenvergleichsschaitung PVS hängt von der Art der Vergleichsgrößen ab. Bei sinusförmigen Eingangsgrößen ist beispielsweise ein bo Multiplikator verwendbar; werden Impulsreihen verglichen, so läßt sich in bekannter Weise eine bistabile Kippstufe verwenden.

Die Funktion der Phasenvergleichsschaitung beruht auf einem Vergleich der Momentanphase der beiden Eingangsgrößen.

Im folgenden wird die Funktion einer solchen Schaltung zunächst für in Impulsform vorliegende Vergleichsgrößen beschrieben. F i g. 2 zeigt übereinan-

der dargestellt zwei Impulsreihen I\ und h mit den Frequenzen f\ und h (Fig.2a, 2b), die in der oben angegebenen Weise der Phasen vergleichsschaltung PVS zugeführt werden. Dabei sei angenommen, daß f\ > h ist. Die Impulsbreite ist kleiner als der Abstand der Impulse. Die die Phasen vergleichsschaltung bildende bistabile Kippstufe gibt nun beim Eintreffen eines Impulses der Reihe U eine positive, beim Eintreffen eines Impulses der Reihe h eine negative Spannung ab. Damit ergibt sich am Ausgang der Phasenvergleichsschaltung PVS eine Ausgangsspannung entsprechend F i g. 2c. Der zwischengeschaltete Tiefpaß TP ermittelt im wesentlichen den Gleichspannungsinhalt dieser letztgenannten Impulsreihe. Es ergibt sich, daß dieser zunächst linear anwächst und von seinem Maximalwert abrupt auf seinen Minimalwert fällt. (Beispielsweise ersichtlich aus dem Vergleich der schraffierten Teile.) Bei mathematischer Behandlung des Problems zeigt sich, daß dieser Sprung vom Maximalwert auf den Minimalwert dann eintritt, wenn der Phasenunterschied zwischen den betrachteten Einzeümpuisen der Reihen I\ und h den Wert 2n erreicht.

Der Einfachheit halber ist dieses nicht lineare Verhalten der Phasenvergleichsschaltung für impulsförmige Eingangsgrößen dargestellt worden (F i g. 2c bzw. 2d). Ein entsprechendes 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 \ steigt

die Spannung nicht weiter, sondern fällt entsprechend dem Sinusverlauf ab (Fig.2e). Dieses Verhalten der Phasenvergleichsschaltungen PVS verlängert die Fangzeit und verkleinert den Fangbereich der Frequenzregelschleife. Dieser ungünstige Einfluß der Phasenvergleichsschaltung ist stärker zu bewerten als die ebenfalls ungünstige Wirkung des Tiefpasses TP. Der Tiefpaß kann in einfacher Weise z. B. aus zwei Widerständen R\ und Ri sowie einem Kondensator C aufgebaut sein, die entsprechend F i g. 3 zusammengeschaltet sind; dabei ist R\ > R.2. Bei der Dimensionierung des Tiefpasses müssen Kompromisse geschlossen werden. Wird ein Tiefpaß mit schmalem Durchiaßbereich verwendet, so ist seine Zeitkonstante groß. Die Frequenzregelschleife ist dann weitgehend unempfindlich 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 jeweiligen Anforderungen ist zwischen diesen drei Kriterien ein Kompromiß zu schließen. Liegt dieser Kompromiß dann aber einmal fest, so ist der störende Einfluß der Phasenvergleichsschaltung PVSum so gravierender.

In der DE-AS 12 66 344 wird eine Schaltung beschrieben, bei der zur Fangbereichserweiterung der von der Phasenvergleichsschaltung abgegebenen Spannung (Stellspannung) dann eine Wobbeispannung überlagert wird, wenn die vom Oszillator abgegebene Frequenz aus dem Fangbereich herausfällt, d.h. die Stellspannung die vom Oszillator vorgegebenen Grenzwerte überschreitet. Dadurch wird die Stellspannung periodisch so lange zwangsweise immer wieder in den Fangbereich hineingeführt, bis die Frequenzabweichung so klein ist, daß die Stellspannung im Fangbereich verbleibt. Wenn dagegen diese Spannung im Fangbereich ist, wird die Wobbeispannung abgeschaltet Durch die Einprägung einer Mindestspannung am Punkte der Zusammenführung von Wobbel- und Stellspannung wird verhindert, daß sich die Wobbeispannung nach der

■j falschen Richtung, d. h. vom Fangbereich weg, auswirkt. Diese Schaltung benötigt einen sehr genau arbeitenden Wobbelgenerator und einen genau auf den Fangbereich abgestimmten Bandpaß, der das Signal zum Ein- und Ausschalten des Wobbelgenerator liefert.

ίο Der Erfindung liegt die Aufgebe zugrunde, eine einfache Frequenzregelschleife anzugeben, die den störenden Einfluß der Phasenvergleichsschaltung PVS weitgehend kompensiert

Die Erfindung besteht darin, daß bei einer Schaltung der eingangs genannten Art ein zusätzlicher Schaltungszweig vorgesehen ist, der bei Über- oder Unterschreiten der von der Oszillatoischaltung vorgegebenen Maxima bzw. Minima der Frequenz, bewirkt durch die von der Phasenvergleichsschaltung abgegebene Spannung, diese so lange auf ihrem Größt- bzw. Kleinstwert festhält und dem Oszillator zuführt, bis dieser in seiner Frequenz so weit nachgeregelt ist, daß die von der Phasenvergleichsschaltung abgegebene, der Frequenzdifferenz proportionale Spannung ihren Größtwert unter- bzw. ihren Kleinstwert überschreitet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Abbildungen näher erläutert

F i g. 3a zeigt den Verlauf der Ausgangsspannung U_p der Phasenvergleichsschaltung PVS nach dem Durch-

M laufen des Tiefpasses TP während des Einschwingvorganges der Regelschleife. Als Phasenvergleichsschaltung PVS sei eine bistabile Kippstufe angenommen, der Impulsreihen nicht sehr verschiedener Folgefrequenz zugeführt werden. Es zeigt sich, daß schon nach verhältnismäßig kurzer Zeit eine Konstanz dieser Spannung U_p erreicht wird.

Ist der Unterschied zwischen den Frequenzen f\ und h jedoch sehr groß, so überschreitet U_p nach F i g. 3b den maximal möglichen Wert Up. Durch die beschriebenen Unstetigkeiten der Kennlinie der Phasenvergleichsschaltung PVS ergibt sich kein exponentieller Einschwingvorgang, sondern ein solcher etwa nach F i g. 3c. Es gelingt also nicht, den Oszillator VCO stetig auf den richtigen Wert einzuregein, sondern es wird jeweils von neuen Bezugspunkten aus der Regelvorgang so lange eingeleitet, bis nach verhältnismäßig sehr langer Zeit der Wert Ü_p nicht mehr überschritten wird und die endgültige Einregelung erfolgt. Ist der Frequenzunterschied sehr groß, so wird eine Einregelung unter

so Umständen nie erreicht.

F i g. 3d zeigt nun die Wirkung der erfindungsgemäß vorgesehenen zusätzlichen Regelschleife. Die Spannung Up wird so lange auf ihrem Wert U_p gehalten, bis der Oszillator VCO durch das Anliegen dieser Spannung in seiner Frequenz derart verändert ist, daß die Phasendifferenz ein Unterschreiten des Wertes Ü_p bewirkt. Da zwischen Nachregelung des Oszillators VCO während der Festhaltezeit nur eine. Spannung zur Verfügung steht, die unter der an sich erforderlichen Spannung nach Fig.3b liegt, braucht die Nachstellung des Oszillators eine etwas längere. Zeit (Δ t) gegenüber dem in F i g. 3b dargestellten Idealfall.

Der hier dargestellte Fall einer positiven Frequenzdifferenz wird für negative Frequenzdifferenzen durch

b5 Vorzeichenumkehr entsprechend abgewandelt.

Das hier für eine als bistabile Kippstufe ausgebildete Phasenvergleichsschaltung PVS beschriebene Verhalten zeigt sich in entsprechender Weise bei Verwendung

eines Multiplizierers als Phasenvergleichsschaltung 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 U_p abgegeben, so daß das erfindungsgemäße Festhalten der Spannung U_p auf dem Wert Ü_p eine Verkürzung der Fangzeit und eine Vergrößerung des Fangbereichs ergibt. Abgesehen von den beiden genannten Arten von Phasenvergleichsschaltungen gibt es auch noch andere. Aber auch diese weisen die unangenehme und durch die Erfindung zu korrigierende Eigenart auf, daß sich bei Phasenunterschieden, die eine bestimmte Größe über- bzw. unterschreiten, die abgegebene Spannung U_p sich in der entgegengesetzten Richtung ändert.

Fig.5 zeigt als Blockschaltbild eine gemäß der Erfindung aufgebaute Frequenzregelschleife.

Die bistabile Kippstufe Fi dient als Phasenvergleichsschaltung PVS. Sie bildet zusammen mit dem Tiefpaß TPund dem Oszillator VCO die eigentliche Frequenzregelschleife. Am Eingang E der Schaltung werden Impulse I\ angeliefert, auf deren Frequenz /1 sich die am Ausgang A abzugebenden Impulse I₂ ändern sollen, die zunächst die Frequenz Z₂ aufweisen. Zwischen die beiden Eingänge E\ und Ei der Kippstufe Fi und den Eingang E bzw. den Ausgang A sind UND-Schaltungen U\ und U₂ eingeschaltet, die gegebenenfalls verhindern, daß Impulse an die Eingänge E\ und E₂ gelangen können. Die Folge ist, daß sich zu diesen Zeiten die von der Kippstufe Fi abgegebene Spannung U_p nicht ändert und ihren größten oder kleinsten Wert Ü_p oder — O₉ aufweist. Die Steuerung der beiden UND-Schaltungen U] und U₂ wird über weitere bistabile Kippstufen Fi und F} vorgenommen. Alle drei bistabilen Kippstufen Fi, F2 und F₃ werden so betrieben, daß beim Eintreffen eines Impulses an ihrem linken Eingang die Ausgangsspannung negativ, beim Eintreffen am rechten Eingang positiv wird.

Zusätzlich ist nun jeweils ein Eingang der UND-Schaltungen Ut, bzw. L/5 mit jeweils einem Eingang der UND-Schaltungen Ui bzw. L4 verbunden. Die Verbindung von LZ₄ mit Ui ist direkt und die Verbindung von L/5 und LZ₆ über ein Laufzeitglied LZ₂ an den Ausgang A angeschlossen. Die anderen Ausgänge der UND-Schaltungen Ui, und L/5 sind miteinander verbunden und über ein Laufzeitglied LZ\ an den Eingang E angeschlossen. Die anderen Ausgänge der UND-Schaltungen L/3 und Ut sind direkt an den Eingang E angeschaltet. Die Laufzeitglieder LZ\ und LZ₂ verzögern die Impulse /1 und /2 jeweils um eine Impulsbreite, so daß verschobene Impulse /1 und I₂ entstehen.

Besteht ein Frequenzunterschied zwischen den Impulsen /1 und I₂, dann verschiebt sich I₂ bzw. I₂ gegenüber /1 bzw. Ti, wie es in F i g. 4 dargestellt ist.

Es sei nun angenommen, daß sich I₂ bzw. I₂ infolge der Regelung des Oszillators VCO nach links verschiebt, wodurch die Regelspannung Ur am Oszillator VCO wächst, wobei angenommen ist, daß h bzw. I₂ die UND-Gatter U\ bzw. U₂ passieren können.

Decken sich nun die Impulse /1 und I₂, so ist die Spannung U_p an der Kippstufe Fi + Up. Im nächsten Augenblick trifft I₂ vor I\ ein, wodurch U₁, auf — Ü_p springen würde. Damit würde auch die Spannung Ur am Oszillator VCO einen Sprung ausführen, und die Nachregelung des Oszillators VCO wäre entsprechend F i g. 3c gestört.

Um dies zu verhindern, muß die Kippstufe F₂ ein negatives Potential abgeben, damit die UND-Schaltung U\ durchlässig für die Impulse /1 wird. Dies geschieht dadurch, daß bei der zeitlichen Übereinstimmung von /1 und /2 das UND-Gatter L/j einen Impuls abgibt, der die Kippstufe F2 in der gewünschten Weise umschaltet.
Rückt nun infolge der Frequenzveränderung des Oszillators VCO die Impulsreihe I₂ gegenüber l\ wieder nach rechts, dann gibt die UND-Schaltung Ui, einen Impuls ab, wenn sich I₂ und /1 decken. Damit wird die Ausgangsspannung von F2 wieder positiv. Das UND-Gatter U\ wird für die Impulse /1 wieder durchlässig, und die Phasenvergleichsschaltung PVS erzeugt wiederum eine Regelspannung Ur, die dem Phasenunterschied zwischen /1 und I₂ tatsächlich entspricht.

Bewegt sich I₂ bzw. I₂ gegenüber /| bzw. Λ weiter nach rechts, so wird zu einem bestimmten Zeitpunkt die UND-Schaltung U₂ dadurch für die Impulse I₂ undurchlässig, daß der Ausgang der Kippstufe F3 auf negatives Potential gelegt wird. Dies tritt in dem Augenblick ein, wenn 7i und I₂ zeitlich übereinander fallen und dadurch die UND-Schaltung L/5 einen entsprechenden Impuls an die Kippstufe F3 abgibt.

Somit wird die Kippstufe Fi auf ihrer negativen Ausgangsspannung — Ü_p festgehalten, bis der Oszillator VCO sich in seiner Frequenz so weit verschoben hat, daß die Impulse I₂ und /| 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 Fi gelangen können.

Da sich die Impulse I\ bzw. Λ und I₂ bzw. I₂ nur

jo langsam gegeneinander verschieben, lassen die UND-Schaltungen LZ₃ bis Ue nicht nur einen Impuls durch, sondern jeweils mehrere Impulse. Um dies zu verhindern, müssen zwischen die UND-Schaltungen LZ₃ bzw. Ua und die Kippstufe F2 sowie zwischen die

j5 UND-Schaltungen Us bzw. Ut 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 Kippstufen gelangen kann.

Die Schaltung dieser zusätzlichen Kippstufen ist in Fig.5 gestrichelt angedeutet (UND-Schaltungen Ui und LZb), da diese Schaltelemente für die Erklärung der eigentlichen Funktion der Schaltung ohne Bedeutung sind.

Die Verwendung einer bistabilen Kippstufe Fi als Phasenvergleichsschaltung PVS hat den Nachteil, daß beim Ausfallen der Impulse /1 die Ausgangsspannung der PVS den Wert + Up annimmt und nicht gleich zu Null wird, so daß der VCO sich auf seine Mitziehfrequenz /0 + Af einstellt. Um dies zu verhindern, kann am Eingang E ein Detektor angebracht werden, der feststellt, ob Impulse /1 eintreffen oder nicht. Am einfachsten läßt sich dieser Detektor durch ein ÄC-Glied verwirklichen, wobei der Widerstand Λ 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 ÄC-Schaltung ist eine

bo invertierende Schaltung L/9 angeschlossen. Solange Impulse /1 eintreffen, erhält LZ9 von dem ÄC-Glied eine positive Spannung angeboten, so daß die durch den Inverter IN invertierten Impulse /2 die UND-Schaltung LZg nicht passieren können. Fallen nun die Impulse /1 so

μ lange aus, daß infolge der Zeitkonstanten des RC-GWedes seine Ausgangsspannung Null wird, so wird die Kippstufe Fi durch die Impulse I₂, die über IN und L/9 zweimal invertiert sind, betätigt. Da der Kippstufe Fi

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nunmehr an beiden Eingängen die gleiche Impulsfre- Oszillator VCO auf der Frequenz gehalten wird, die

quenz zugeführt wird, wird die Spannung Ui am zuletzt vor dem Ausfall erreicht worden war. Beim

Oszillator VCO wie gewünscht zu Null. Es ist also durch Wiedereinsetzen der Impulse I\ ist also nur eine kleinere

diese zusätzliche Regelschleife sichergestellt, daß Frequenzabweichung auszuregeln, als es ohne die

während des Ausfalls der Bezugsimpulse I\ der angeführte Detektorschaltung der Fall wäre.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Schaltung zum Nachregeln der Frequenz eines Oszillators, dessen Frequenz innerhalb bestimmter Grenzen auf den Wert einer von außen zugeführten Frequenz geändert werden kann, bei der diese Grenzen die von der Oszillatorschaltung vorgegebenen Maxima und Minima der Frequenz sind, und bei der die von außen zugeführte Frequenz und die von dem Oszillator abgegebene Frequenz einer Phasenvergleichsschaltung zugeführt sind, die eine der Frequenzdifferenz im wesentlichen proportionale Gleichspannung abgibt, die über einen Tiefpaß dem Oszillator zum Zwecke der Frequenzänderung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzlicher Schaltungszweig vorgesehen ist, der bei Über- oder Unterschreiten der von der Oszillatorschaltung (VCO) vorgegebenen Maxima bzw. Minima der Frequenz, bewirkt durch die von der Phasenvergleichsschaltung (PVS) abgegebene Spannung, diese so lange auf ihrem Größt- bzw. Kleinstwert festhält und dem Oszillator (VCO) zuführt, bis dieser in seiner Frequenz so weit nachgeregelt ist, daß die von der Phasenvergleichsschaltung (PVS) abgegebene, der Frequenzdifferenz proportionale Spannung ihren Größtwert unter- bzw. ihren Kleinstwert überschreitet.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei ihrer Anwendung auf Impulsreihen als Phasenvergleichsschaltung (PVS) eine bistabile Kippstufe (Fi) vorgesehen ist, die abhängig davon, ob der jeweils an ihr eintreffende Impuls zu der von außen zugeführten oder zu der von dem Oszillator (VCO) abgegebenen Impulsreihe gehört, zwei unterschiedliche Spannungen abgibt, und daß weitere bistabile Kippstufen (F₂, F3) vorgesehen sind, die UND-Schaltungen (L/i, U₂), über welche die Impulse der Phasenvergleichsschaltur.g zugeführt werden, derart steuern, daß sie beim Auftreten einer vorgegebenen Phasendifferenz zwischen den Impulsen diese Impulse nicht durchlassen.

3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Laufzeitgiieder (LZ\, LZ₂), deren Laufzeit einer Impulsbreite entspricht, derart vorgesehen sind, daß wechselweise eine Sperrung oder öffnung weiterer UND-Schaltungen (U₃, i/₄bzw. £/5, Ub) in Abhängigkeit von der Phasendifferenz zwischen den Impulsen und/oder verzögerten Impulsen jeweils der einen und den Impulsen und/oder verzögerten Impulsen der anderen Impulsreihe erfolgt, und daß die Ausgänge der weiteren UND-Schaltungen (i/3, Ua bzw. t/5, Lfe) mit je einem Eingang der weiteren bistabilen Kippstufen (F₂ bzw. F3) verbunden sind.

4. Schaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Detektorschaltung für den Ausfall der von außen zugeführten Impulsreihe vorgesehen ist, die aus ainem mit einer Diode D überbrückten Widerstand R, einem mit dem Widerstand R verbundenen Kondensator C, einem eingangsseitig parallel zu dem Kondensator mit dem Widerstand R verbundenen negierenden UND-Gatter (Ug) sowie einem Inverter (IN)aufgebaut ist, daß der Eingang des Inverters (IN) mit dem Ausgang des Oszillators (VCO) verbunden ist, daß der Ausgang des Inverters (IN) mit einem zweiten Eingang des negierenden UND-Gatters (U₉) verbunden ist und daß der Ausgang des negierenden UND-Gatters (L/9) mit demjenigen Eingang der Phasenvergleichsschaltung (PVS=Fi) verbunden ist, der für die von außen zugeführte Impulsreihe bestimmt ist.