DE1948109A1 - Normalfrequenzgenerator - Google Patents

Normalfrequenzgenerator

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Menkes Elchanan Dove
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  • Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)

Description

6834-69/Kö/S
RCA 57,966
Convention Date:
September 23, 1968
RCA Corporation, New York, N, X., V.St.A.
Normalfrequenzgenerator
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Frequenzsynthese und "betrifft einen digitalen Normalfrequenzgenerator mit Frequenzsynthese.
Bei einem digitalen Normalfrequenzgenerator mit Frequenzsynthese wird die Ausgangsschwingung eines spannungsgesteuerten Oszillators einem veränderlichen Frequenzteilernetzwerk zugeführt, dessen Ausgangsschwingung einem Eingang einer Phasenvergleicherschaltung zugeführt wird. Eine Bezugsfrequenz wird von einer äußeren Quelle einem zweiten Eingang des Phasenvergleichera zugeführt, der die Ausgangsgröße des Frequenzteilers mit der Bezugsfrequenz vergleicht und ein Korrektursignal erzeugt, das dem spannungsgesteuerten Oszillator zugeführt wird, um dessen Schwingfrequenz zu korrigieren. Wenn die Frequenz des Oszillators den richtigen Wert hat, haben die Ausgangsschwingung des Frequenzteilers und das Bezugssignal die richtige Erequenzbeziehung, so daß keine Korrektur notwendig ist. Wenn dagegen die Oszillatorausgangsfrequenz vom Sollwert abweicht, ändert sich die Frequenz des Frequenzteilerausgangssignals entsprechend, und da das vom Phasenvergleicher gelieferte Korrektursignal vom Frequenzunterschied zwischen den beiden zugeführten Signalen abhängt, ändert es sich entsprechend.
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Wegen der beschränkten Geschwindigkeit integrierter Schaltungen hat es sich als notwendig erwiesen, die Frequenz der ,Oszillatorausgangsschwingung vor der Zuleitung an den veränderlichen Frequenzteiler erst um einen festen Betrag zu teilen. Die Frequenz der dem Phasenvergleicher zugeführten Signale ist daher extrem niedrig im Vergleich zur Frequenz der Oszillatorausgangsschwingung. Es liegen also zwischen den einzelnen Korrektursignalen des Phasenvergleichers jeweils viele Perioden der Oszillatorausgangsschwingung. Dies bedingt, daß der Oszillator äußerst stabil ist, so daß er nicht soweit abwandert, daß der Phasenvergleicher kein einwandfreies Korrektursignal senden kann. Wenn die Bandbreite der Schleife nicht so groß bemessen ist, daß große Frequenzabweichungen im spannungsgesteuerten Oszillator korrigiert werden können, erscheinen in der Ausgangsschwingung des Oszillators synchrone FM-Signale von erheblichem Ausmaß. Dies führt natürlich zu Störungen im Signal, das der Oszillator erzeugt.
Ein weiteres Problem bei einer'derartigen Anordnung ergibt sich daraus, daß eine.hohe Leistung benötigt wird, um den veränderlichen Frequenzteiler auf seinem richtigen Wert zu halten, so daß die Anordnung nicht ohne weiteres als tragbares Gerät ausgebildet werden kann.
Eine zweite Methode, die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators stabil zu halten, besteht in der Verwendung einer Impulsbezugsschleife. In diesem Falle wird die Sinusausgangsschwingung des spannungsgesteuerten Oszillators mit einer festen Folgefrequenz, die ein genaues Untervielfaches der Sollfrequenz des Oszillators sein muß, getastet. Solange die Sollfrequenz eingehalten wird, bleibt der Wert der einzelnen Tastgrößen konstant. Wenn dagegen die Oszillatorfrequenz vom Sollwert abwandert, ändert sich der Wert der aufeinanderfolgenden Tastgrößen und wird ein dieser Änderung proportionales Korrektursignal er- s zeugt, das dem Oszillator zur Frequenzkorrektur zugeleitet wird. Eine Hauptschwierigkeit dieser Lösung besteht darin, daß der spannungsgesteuerte Oszillator bei einem beliebigen ganzzahligen Vielfachen der Tastfrequenz mitgenommen werden kann,. Dadurch kann es geschehen, daß kein Korrektursignal empfangen wird, wenn
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der Oszillator um einen der Tastfrequenz gleichen Betrag abwandert. TJm diese Schwierigkeit zu beheben, muß man eine äußerst empfindliche Spannungsabstimmung im spannungsgesteuerten Oszillator vorsehen.
Der erfindungsgemäße Normalfrequenzgenerator arbeitet mit einem spannungsgesteuerten Oszillator und zwei Bezugssignalen. Zwischen dem Ausgang und dem gesteuerten Eingang des Oszillators sind zwei Schleifen vorgesehen. In der ersten Schleife wird die Frequenz des Oszillators entsprechend der Frequenz des einen Bezugssignals korrigiert. In der zweiten Schleife wird die Oszillatorfrequenz entsprechend der Frequenz des anderen Bezugssignals korrigiert.
Die einzige Figur der Zeichnung zeigt das Schema einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Normalfrequenzgenerators.
Die Normalfrequenzgeneratorschaltung 10 enthält einen spannungsgesteuerten Oszillator 12, der in der Leitung 14· ein Sinusausgangssignal F bestimmter Frequenz erzeugt. Dieses Signal F durchläuft eine digitale Korrekturschleife 15 mit einem Impulsfomernetzwerk 16, das das Sinussignal in eine Folge von Impulsen mit der gleichen Frequenz f wie das Signal F umwandelt. Die Impulsfolge gelangt über die Leitung 18 zu einem festen + K-Netzwerk 20, das ein Signal F. der Frequenz f, in die Leitung 22 schickt. Dieses Signal ist einem veränderlichen t N-Frequenzteilernetzwerk 24 zugeführt, welches das Signal weiter durch N teilt und ein Iapulsfolgesignal Fn der Frequenz 1 in die Leitung 26 schickt. Das feste t K-Netzwerk 20 ist deshalb in der Schleife 15 vorgesehen, weil programmierbare veränderliche ~ N-Netzwerke wie das Netzwerk 24, die aus billigen integrierten Mikroelektronikschaltungen niedriger Leistung aufgebaut sind, ait im Vergleich zu UHF-Frequenzen langsamen Geschwindigkeiten arbeiten, so daß das ihnen zugeführte Signal in seiner Frequenz auf ungefähr 3 MBz oder niedriger heruntergesetzt werden muß.
Ein Impulsoszillator 28 schickt über die Leitung 30 eine Folge von Impulsen mit einer Bezugsfrequenz in ein festes f IL-
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Frequenzteilernetzwerk 32, das eine Impulsfolge der Frequenz fö in die Leitung 34 schickt. Das Ausgangssignal des Frequenzteilers 32 gelangt über die Leitungen 34- und 36 zu einem zweiten festen f fio-Frequenzteileraetzwerk 38, das ein Signal Fr mit der Frequenz f in die Leitung 40 schickt.
Wenn der spannungsgesteuerte. Oszillator 12 mit der richtigen Frequenz schwingt, haben die Signale in den Leitungen 26 und 40 gleiche Frequenz und eine feste Phasenbeziehung. Wenn die Frequenz des Oszillators 12 vom Sollwert abwandert, ergibt sich eine entsprechende Frequenzabwanderung des Signals Fn in der Leitung 26, so daß die Phasenbeziehung zwischen dem Impuls in der Leitung 26 und dem entsprechenden Impuls in der Leitung 40 sich ändert. Die Signale F in der Leitung 26 und F in der Leitung 40 sind einer Phasenvergleicherschaltung 42 zugeführt, welche die beiden Signale miteinander vergleicht und in die Leitung 44 ein Korrektursignal schickt, dessen Größe von der Differenz oder Änderung der Phasenbeziehung zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen in der Leitung 26 und den entsprechenden aufeinanderfolgenden Impulsen in der Leitung 40 abhängt. Das Signal in der Leitung 44 ist über ein Tiefpaßfilter 46, die Leitung 48, eine Vereinigungsschaltung 50 und die Leitung 52 dem spannungsgesteuerten Oszillator 12 zugeführt, um diesen wieder auf die richtige Frequenz zu bringen.
Wird eine andere Ausgangsfrequenz des Oszillators 12 gewünscht, so kann man das veränderliche f N-Frequenzteilernetzwerk 24 in seinem Teilerverhältnis verändern, indem man ihn über den Kanalwähler 53 mit bestimmten, Signalen programmiert. Bei verändertem Teiler ist das Signal in der Leitung 26 nicht mehr gleich dem Signal in der Leitung 40, so daß ein Korrektursignal über die Leitung 44 ausgesendet und dem Oszillator 12 zugeführt wird. Dieses Signal verändert die Schwingfrequenz des Oszillators 12, so daß Fn wieder gleich Fr wird. Auf diese Weise kann der Oszillator 12 auf viele verschiedene stabile Arbeitsfrequenzen eingestellt werden. Die Differenz zwischen benachbarten Frequenzen oder der Kanalabstand ist gleich der Frequenz des Signals Fn mal dem Teiler K, das heißt fQ χ K. Damit also die An-
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zahl der Kanäle groß gemacht werden kann, muß der Kanalabstand und folglich f klein sein» In diesem lalle wird jedoch, das Signal F nicht oft genug frequenzkorrigiert, so daß große Frequenzabwanderungen synchrone Frequenzmodulationen in F hervorrufen können. .
Als Beispiel soll eine Anordnung, die im UHF-Frequenzbereich arbeitet, "beschrieben werden. Der Oszillator 12 schwingt mit irgendeiner Frequenz zwischen 225 und 399*95 MHz bei einem Abstand von 50 EHz zwischen den einzelnen stabilen Frequenzen. Der feste * K-Frequenzteiler 20 teilt die ihm zugeführte Frequenz durch 500. Der veränderliche - N-Frequenzteiler 24- muß die Frequenz von F^ durch beliebige Teiler zwischen 4-500 und 7999 teilen können, so daß in der Leitung 26 ein Signal von 100 Hz erscheint. Wenn ^beispielsweise der Oszillator 12 eine stabile Frequenz von 250 MHz liefern soll, wird der Frequenzteiler 24 so eingestellt, daß er durch 5000 teilt. In diesem Fall ist fk gleich 500 KHz und f^ gleich 100 Hz. Wenn der Bezugsimpulsoszillator 28 mit 1 HBz schwingt, sollte der ^- R.-Frequenzteiler 32 ein - 20-Teiler und der - So-Frequenzteiler 38 ein - 500-Teiler sein. In diesem Fall hat das Signal F ebenfalls die Frequenz 100 Hz. Das Tiefpaßfilter 46 entfernt aus dem Korrektursignal alle Frequenzen über 10 Hz. Wie man sehen kann, würde der Phasenvergleicher 42 den spannungsgesteuerten Oszillator mit einer Frequenz von 100 Hz korrigieren, während der spannungsgesteuerte Oszillator 12 mit mindestens 225 MHz schwingt. Dies bedeutet, daß der Oszillator je einmal pro 2 250 000 Perioden korrigiert wird. Der spannungsgesteuerte Oszillator muß daher sehr stabil und folglich teuer sein. ,
Um die Korrekturfrequenz für das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators zu erhöhen, ist daher eine zweite phasenstarre Schleife 54 vorgesehen. Diese Schleife enthält eine Tastschaltung 56, der das Sinussignal F über die Leitung 58 zugeführt ist. Die Tastschaltung 56 tastet die Größe des Signals F kurzzeitig, und zwar über weniger als 1/2 der Dauer einer Periode von F . Der Kondensator 60 wird auf eine der getasteten Große entsprechende Spannung aufgeladen. Diese Spannung gelangt über
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die Leitung 64 zur Pufferstufe 62 und von dort über die Leitung 66, ein Tiefpaßfilter 68, das Frequenzen oberhalb 3 KHz sperrt, die Vereinigungsschaltung 50 und die Leitung 52 zum Oszillator 12, um diesen zu korrigieren. Für die Pufferstufe 68 kann beispielsweise ein Feldeffekttransistor oder irgendein anderes ho chohmige.s Bauelement verwendet werden, das verhindert, daß der Kondensator 60 sich zwischen den einzelnen Tastwerten nennenswert entlädt. Stattdessen kann man für die Pufferstufe auch eine zweite Tastschaltung mit größerer Zeitkonstante verwenden. Die Vereinigungsschaltung 50 kann eine einfache Addierschaltung sein oder Summier verstärker enthalten.
Damit die Schleife 54 den Oszillator 12 auf der richtigen Mitnahmefrequenz hält, muß die Frequenz, mit der die Tastschaltung 56 das Signal F tastet, ein genaues üntervielfaches der Mitnahmefrequenz des Oszillators 12 sein. Bei dem oben gewählten Beispiel, wo der Kanalabstand des Oszillators 12 gleich 50 KHz ist, wäre demnach die Tastfrequenz 50 KHz. Da die Ausgangsfrequenz f des Frequenzteilers 32 bei dem gewählten Beispiel 50 KHz beträgt, kann dieses Signal über die Leitung 72 der Tastschaltung 56 zugeleitet und für die Steuerung der Tastfrequenz verwendet werden. Somit wird das Signal F_.50 000 mal pro'Sekunde, d.h. 500 mal so . oft korrigiert wie bei nicht vorhandener Schleife 54« .-"-.'.«-
Sobald der Oszillator 12 bei der erforderlichen Frequenz mitgenommen wird, kann man die Schleife .1.5 durch Umschalten der Schalter 74 und 76 abschalten, da die Schleife 54 den Oszillator 12 bei der richtigen Frequenz halten kann, solange keine Kanaländerung benötigt wird. Man spart damit erheblich an Leistung, da der veränderliche - N-Frequenzteiler 24 nicht laufend mit Energie gespeist werden muß. Stattdessen kann man auch die Schleife 15 periodisch ein- und ausschalten, um sicherzustellen, daß der richtige Kanal verwendet wird, wobei immer noch etwas an Leistung gespart wird. .
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Claims (9)

  1. Patentansprüche
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    \1./Normalfrequenzgenerator mit einer ersten Anordnung mit einem spannungsgesteuerten Oszillator, der an seinem Ausgang ein Auegangssignal erzeugt, dessen Frequenz von einem Sollwert abweichen kann und unter der Steuerung eines einem Eingang des Oszillators im Sinne einer Korrektur der Frequenzabweichung zugeführten Frequenzkorrektursignals steht; mit einer zweiten Anordnung, die an einem ersten Ausgang ein erstes Bezugssignal mit einer ersten Bezugsfrequenz erzeugt; sowie mit einer ersten, zwischen den Auegang des Oszillators und den Eingang der ersten Anordnung gekoppelten phasenstarren Schleife, die eine dritte Anordnung enthält, der das erste Bezugssignal zugeführt ist, um einen ersten Teil des Korrektursignals entsprechend der herrschen den Beziehung zwischen der Oszillatorausgangsfrequenz und der ersten Bezugsfrequenz zu gewinnen, gekennzeichnet durch eine vierte Anordnung (28, 32), die ein zweites Bezugssignal mit einer zweiten Bezugsfrequenz erzeugt; und durch eine zweite Schleife (54) mit einer fünften Anordnung (56, 62), der das zweite Bezugssignal zugeführt ist, um einen zweiten Teil des Korrektursignals entsprechend der herrschenden Beziehung zwischen der Oszillatorausgangsfrequenz und dem zweiten Bezugssignal zu gewinnen.
  2. 2. Normalfrequenzgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Bezugsfrequenz Jeweils Untervielfache der Sollfrequenz sind.
  3. 3. Normalfrequenzgenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die erste Bezugsfrequenz ein Unterrielfaches der zweiten Bezugsfrequenz ist.
  4. 4. Normalfrequenzgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d «durch gekennzeichnet , daß die Sollfrequenz eine beliebige Frequenz innerhalb eines bestimmten Frequenz
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    bereiches, die ein genaues Vielfaches der zweiten Bezugsfrequenz ist, sein kann.
  5. 5· Normalfrequenzgenerator nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t., daß die erste Anordnung (12) eine Vereinigungsanordnung (50) enthält, die den ersten und den zweiten Teil des Korrektursignals zum Korrektursignal vereinigt.
  6. 6. Normalfrequenzgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die dritte Anordnung (16, 20, 24, 42) eine Anordnung (24) zum Verändern der h Sollfrequenz enthält.
  7. 7· Normalfrequenzgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 5» dadurch gekennzeichnet,- daß die dritte Anordnung (16, 20, 24, 42) eine Anordnung (24, 53) zum Wählen der Sollfrequenz aus einer Anzahl von verfügbaren diskreten Frequenzen innerhalb einer bestimmten Bandbreite enthält, wobei jede der diskreten Frequenzen von der benachbarten diskreten Frequenz um einen festen Frequenzbetrag getrennt ist.
  8. 8. Normalfrequenzgenerator nach Anspruch V» dadurch g e k e η η ze i c h η β t , daß der feste Frequenzbetrag gleich der zweiten Bezugsfrequenz ist.
    > - - ' ■■'.■■■ '■ ■ ■'
  9. 9. Normalfrequenzgenerator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die fünfte Anordnung (56, 62) eine Anordnung (56) zum Tasten des Ausgangssignals des spannungegesteuerten Oszillators (12) mit der Frequenz der zweiten Bezugsfrequenz, eine Anordnung (62) zürn Vergleichen aufeinanderfolgender Tastwerte sowie eine Anordnung zum Verändern des zweiten Teile des Korrektursignals entsprechend der Differenz zwischen aufeinanderfolgenden Tastwerten enthält.
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