DE1951722C3 - Frequenzregelvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Frequenzregelvorrichtung zum Stabilisieren der Frequenz eines Oszillators auf die Frequenz eines Steuersignals, mit einem Phasendiskriminator, dem das Steuersignal und ein vom Oszillator abgeleitetes Vergleichssignal zugeführt werden, wobei der Oszillator mit einem Frequenzregeleingang versehen ist and eine Übertragungsstrecke zwischen dem Phasendiskriminator und dem Frequenzregeleingang des Oszillators vorgesehen ist, und mit einem Speicherelement zum Speichern einer am oszillatorseitigen Ende der Übertragungsstrecke entnommenen Spannung, die auf den Oszillator zurückgeführt wird.

Frequenzregelvorrichtungen dieser Art sind z. B. aus der DE-AS 12 55 736 bekannt und werden für manche Zwecke benutzt. In Datenübertragungssystemen werden solche Frequenzregelvorrichtungen 7.. B. verwendet, um empfangsseitig ein Taktsignal zu regenerieren, das synchron mit dem eintreffenden Datensignal ist und zur Bestimmung der Zeitpunkte benutzt wird, zu denen die Amplitude des Datensignals für die übertragene

Information bedeutungsvoll ist

Bei solchen Frequenzregelvorrichtungen weist das Vergleichssignal im stabilisierten Zustand einen bestimmten Phasenfehler auf, der von dem anfangs vorhandenen Frequenzunterschied zwischen dem Steuersignal und dem Vergleichssignal abhängig ist Die Anwesenheit eines solchen Phasenfehlers kann das Vergleichssignal für direkte Anwendung als Taktsignal ungeeignet machen.

In der DE-OS 19 49 109 ist ein Normalfrequenzgenerator vorgeschlagen worden, bei dem rasterartige Frequenzen eines Oszillators unter Verwendung eines Bezugsoszillators mit fester Frequenz und eines Phasenvergleichers stabilisiert werden sollen, der die jeweils untersetzten Frequenzen des Oszillators verarbeitet und den Oszillator über eine Vereinigungsschaltung steuert die an eine zweite phasenstarre Schleife angeschlossen ist, um die Korrekturfrequenz für das Ausgangssignal des Oszillators zu erhöhen.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Frequenzregelvorrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, in der das Vergleichssignal im stabilisierten Zustand keinen Phasenfehler aufweist, und dieser Zustand von dem nicht stabilisierten Zustand ausgehend innerhalb einer verhältnismäßig kurzen Zeit erreicht wird.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß die Frequenzregelvorrichtung mit einer am diskriminatorseitigen Ende der Übertragungsstrecke liegenden linearen Signaladdiervorrichtung versehen ist deren erster Eingang an den Phasendiskriminator und deren zweiter Eingang an ein zweites Speicherelement angeschlossen ist

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteran-Sprüchen angegeben.

Die Erfindung wird anhand einer in den Figuren dargestellten Ausführungsform näher erläutert.

Die in der Figur dargestellte Frequenzregelvorrichtung besteht im wesentlichen aus einer Phasenschleife 10, die unter anderem einen spannangsgesteuerten Oszillator 11, einen Phasendiskriminator 12 und ein WC-Tiefpaßfilter 13 enthält. Der spannungsgesteuerte Oszillator 11 hat einen Regeleingang 14. Die Oszillatorfrequenz ist eine Funktion der Spannung des Regeleingangs 14. Ein solcher Oszillator kann in bekannter Weise durch Verwendung einer Kapazitätsdiode im Schwingungskreis erhalten werden. Das Oszillatorsignal wird über einen Irnpulsbildner 15 einem Impulsfrequenzteiler 16 zugeführt, der die Oszillatorfrequenz durch einen bestimmten Faktor teilt. Das Ausgangssignal des Frequenzteilers 16 wird einer Ausgangsklemme 17 und einem ersten Eingang 18 des Phasendiskriminators 12 zugeführt. Das diesem Eingang zugeführte Signal wird weiterhin das Vergleichssignal genannt. Ein zweiter Eingang 19 des Phasendiskriminators 12 ist mit einer Eingangsklemme 20 verbunden, der im Betrieb ein Steuersignal zugeführt wird. Der Phasendiskriminator 12 liefert eine Ausgangsspannung, deren Amplitude von der Größe des Phasenunterschieds zwischen dem Steuersignal und dem Vergleichssignäl abhängig ist. Das /?C-Filter 13 ruft eine bestimmte Glättung der Diskrimiriatorspannung hervor und unterdrückt das Rauschen und die Hochfrequenz-Störkomponenten in diesem Signal, wodurch am Filterausgang eine stabile Regelspannung erscheint. Die Regelspannung wird durch einen Übertragungskreis 21, der einstweilen außer Betracht gelassen wird, einer Leitung 35 zugeführt, die an den Regeleingang 14 des Oszillators 11

angeschlossen ist.

Die beschriebene Frequenzregelvorrichtung hat die bekannte Eigenschaft, daß nach dem Einschalten eines Steuersignals, dessen Frequenz in einem bestimmten, beiderseits der Ruhefrequenz des Oszillators liegenden *> Fanggebiet liegt, die Frequenz des Vergleichssignals nach Verlauf einer bestimmten Reaktionszeit stabil auf der Frequenz des Steuersignals gehalten wird

Die Phasenschlcife 10 wird durch eine bestimmte Abschnittfrequenz gekennzeichnet, welche die Fre- ι υ quenz ist, bei der die offene Schleifenverstärkung gleich 1 ist Die offene Schleifenverstärkung ist der Quotient einer Veränderung der Spannung des Regeleingangs 14 und der infolgedessen auftretenden Veränderung der Spannung über der Leitung 35, wenn die Verbindung i> zwischen dieser Leitung und dem Regeleingang unterbrochen ist Das Fanggebiet der Phasenschleife entspricht annähernd dem Frequenzgebiet zwischen den Frequenzen, von denen eine die Summe und die andere die Differenz der Oszillatorfrequenz und der jn Abschnittfrequenz darstellt Die Abschnittfrequenz der Phasenschleife wird normalerweise bedeutend niedriger gewählt als die Frequenz des Steuersignals z. b. um einen Faktor 10 niedriger, um einen störenden Einfluß auf die Phasenschleife durch am Ausgang des 2=> Phasendiskriminators auftretende Signalkomponenten der gleichen Frequenz wie das Steuersignal und das Vergleichssignal zu verhüten. Eine weitere Verringerung der Abschnittfrequenz kann erwünscht sein, wenn das Steuersignal ein niedriges Signal-Rauschverhältnis jo aufweist und/oder wenn ein sehr stabiles Vergleichssignal verlangt wird. Die Reaktionszeit der Phasenschleife auf ein plötzliches Einschalten des Steuersignals ist annähernd umgekehrt proportional zur Abschnittfrequenz. Wenn die Abschnittfrequenz um einen Faktor 10 » geringer ist als die Frequenz des Steuersignals, ist die Reaktionszeit etwa gleich 10 Perioden des Steuersignais.

Im stabilisierten Zustand ist die Ausgangsspannung des Phasendiskriminators 12 in bezug auf den Nullpunkt der Diskriminatorkennlinie normalerweise verschoben; es wird nämlich eine solche Regelspannung erzeugt, daß die auftretende Verstimmung des Oszillators 11 den anfangs zwischen dem Vergleichssignal und dem Steuersignal vorhandenen Frequenzunterschied auf Null herabsetzt Im stabilisierten Zustand weist das Vergleichssignal einen bestimmten Phasenfehler in bezug auf den am Nullpunkt der Diskriminatorkennlinie auftretenden Phasenunters;'hied auf. Ein solcher Phasenfehler ist in Frequenzregelvorrichtungen der be- w schriebenen Art im Prinzip st-its vorhanden. Die Größe des Phasenfehlers ist von der Bemessung der Phasenschleife und von der Größe des Frequenzumerschieds abhängig, der anfang.s zwischen dem Vergleiichssignal und dem Steuersignal vorhanden ist. In einer praktisehen Ausführungsform ist der Oszillator z. B. zwischen 2,975 MHz und 3,025 MHz abstimmbar, während für eine Verstimmung von einer äußersten Frequenz in die andere eine Spannungsänderung von 3 V erforderlich ist. Der Phäsendiskfiminatör liefert eine Änderung der _Wi Ausgangsspannung von 24 V bei einer Phasenänderung von 180°. Der Phasenfehler bei den zwei äußersten Frequenzen ist dann etwa 1 Γ. Indem Maße wie'die zum Verstimmen des Oszillators erforderliche Änderung der Regelspannung größer ist, was bei einem verhälmismä- hi Big großen Abstimmbereicb der Fall sein wird, wird der Phasenfehler noch wesentlich größer als 11° sein können.

Die in der Figur dargestellte Frequenzregelvorrichtung enthält einen Ubertragungskreis 21, der in Reihenfolge eine lineare Addierschaltung 22 mit Trennverstärker 22', einen normalerweise geschlossenen Schalter 23 und einen Trennverstärker 24 enthält. Ein Kondensator 25 verbindet den Eingang des Verstärkers 24 mit einem Punkt konstanten Potentials (Erde). Die Addierschaltung 22 hat einen ersten Eingang 26, der an das i?C-Filter 13 angeschlossen ist, und einen zweiten Eingang 27. Ein Speicherelement in Form eines Kondensators 28 verbindet den Eingang 27 mit einem Punkt konstanten Potentials (Erde). Ein normalerweise geöffneter Schalter 29 ist zwischen dem Ausgang des Verstärkers 24 und dem Eingang 27 der Addierschaltung 22 eingeschaltet Die Verstärker 22' und 24 sind Pufferverstärker mit hoher Eingangsimpedanz und niedriger Ausgangsimpedanz und einer Spannungsverstärkung, die gleich 1 sein kann.

Die Schaker 23 und 29 werden durch eine Steuervorrichtung 30 gesteuert, die eii.^11 Impulszähler 31, einen ersten Einzelimpulsgenerator 32, einen zweiten Einzelimpulsgenerator 33 und ein Verzögerungselement 34 enthält. Der Impulszähler zählt die Anzahl von Steuerimpulsen oder Übergänge im Steuersignal und liefert nach jeder Reihe von π Steuerimpulsen einen Ausgangsimpuls. Bei einer Reaktionszeit der Phasenschleife von 10 Perioden des Steuersingais wäre η auf 10 zu bestimmen. Nach dem Einschalten eines Steuersignals liefert der Impulszähler 31 zum ersten Mal einen Ausgangsimpuls am Ende der Reaktionszeit der Phasenschleife, d. h. zum Zeitpunkt, wenn die Frequenz des Vergleichssignals auf der Frequenz des Steuersignals stabilisiert ist.

Jeder Ausgangsimpuls des Impulszählers 31 läßt den Einzelimpulsgenerator 32 und nach einer bestimmten Zeitverzögerung durch das Verzögerungselement 34 den Einzelimpulsgenerator 33 an, die darauf je einen Ausgangsimpuls liefern. Der Einzelimpulsgenerator 32 öffnet während seines Ausgangsimpulses den Schalter 23 und der Einzelimpulsgenerator 33 schließt während seines Ausgangsimpulses den Schalter 29. Die Impulsdauer der Einzelimpulsgeneratoren 32 und 33 und die Verzögerungszeit des Verzögerungselementes 34 sind derart bestimmt, daß die Schalter 23 und 29 niemals gleichzeitig geschlossen sind.

Nach dem Einschalten eines Steuersignals; wird der Schalter 29 zum ersten Mal am Ende der Reaktionszeit der Phasenschleife geschlossen. Im geschlossenen Zustand des Schalters 29 lädt sich der Kondensator 28 schnell bis zur Ausgaagsspannung des Verstärkers 24 auf. Der gleichzeitig geöffnete Schalter 23 verhütet das Auftreten von Oszillationen durch die Unterbrechung des Übortragungskreises 21. Während der Unterbrechung des Übertragungskreises hält der Kondensator 25 die Ausgangsspannung des Verstärkers 24 auf einen) konstanten Wert. Die Spannung des Kondensators 28 wird von der Addierschaltung 22 der Ausgangsspannung des Filters IS 7ugezählt, wodurch die Ausgangs spannung der Addierschaltung verdoppelt wird. Nach dem Sehließen des Schalters 23 wird die verdoppelte Ausgangsspannung der Addierschaltuny 22 über den Schalter 23, den Verstärker 24 und die Leitung 35 dem Regeleingarig des Verstärkers 14 zugeführt. Wenn im Einschaltmoment ein Frequenzunterschied f Δ f zwischen dem Vergieichssigrial und dem Steuersignal vorhanden ist, wird in dem Zeitpunkt, worin die Steuervorrichtung 30 wirksam wird, infolge der Verdopplung der Regelspannung, ein Frequenzunter-

schied — Δ fcntstehen. Nach Beendigung der folgenden Reaktionszeit hat die Phasenschleife den Frequenzunterschied — Δ /'auf Null herabgesetzt. Im Moment des Erreichens der Stabilisierung ist die Ausgangsspannung des Phasendiskriminators 12 gleich Null, wobei die ·. zum Verstimmen des Oszillators erforderliche Regelspannung vollständig vom Kondensator 28 geliefert wird. Die Spannung des Kondensators 28 hat nämlich gerade den Wert, der zum Egalisieren der Frequenz des Vcrglcichssignals und der Frequenz des Steuersignals κ. notwendig ist. Das Schließen des Schalters 29 am Ende der zuletzt genannten Reaktionszeit ruft keine Änderung der Spannung des Kondensators 28 hervor, da die Aiisgangsspannung des Verstärkers 24. bei einer Ausgangsspannung des Phasendiskriminators gleich r> Null, gleich der Spannung des Kondensators 28 ist. Da nach Beendigung der /weiten Reaktionszeit die Ausgangsspannung des Phasendiskriminators 11 Null ist, weist das Vergleichssignal keinen Phasenfehler mehr auf. Was vorstehend für das Einschalten des Steuersi- m> gnals ausgesagt ist. gilt auch für Änderungen der Frequenz oder Phiise des Steuersignals, in welchen Fällen auch nach maximal zwei aufeinanderfolgenden Reaktionszeiten ein Vergleichssignal ohne Phasenfehler erhalten wird.

Infolge des Fließens eines Leckstroms kann die Ladung des Kondensators 28 zwischen zwei Schließun gen des Schalters 29 abnehmen. Eine Spannungsände rung des Kondensators 28 wird durch die Phasenschleife selbsttätig durch eine entgegengesetzt gerichtet« Änderung der Ausgangsspannung des Phasendiskrimi nalors 12 ausgeglichen. Während des Schließens de! Schalters 29 wird die Ladung des Kondensators 2t wieder ergänzt und nach dem Schließen des Schalters 2: sinkt die Ausgangsspannung des Phasendiskriminaton wieder auf Null herab. Es entsteht dabei wohl eine bestimmte Welligkeit in der Ausgangsspannung de; Phasendiskriminators. aber deren Amplitude kanr durch Verwendung von Trennverstärkern mit sein hoher Eingangsimpedanz klein gehalten werden.

Im vorstehenden ist einfachheitshalber davon ausge gangen, daß der Impulszähler 31 im Moment de; Einschalten des Steuersignals in der Nullage ist. Es wire einleuchten, daß dies nicht eine unumgängliche Bedin gung für die gute Wirkung der Frequenzregelvorrich tung ist und daß der Impulszähler im Einschaltmomeni tatsächlich jede beliebige Lage einnehmen darf. Dei einzige Unterschied ist der, daß zwei aufeinanderfolgen den Schließungen des Schalters 29 notwendig seir können, um den Kondensator 28 auf die erwünschte Spannung aufzuladen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Frequenzregelvorrichtung zum Stabilisieren der Frequenz eines Oszillators auf die Frequenz eines '■ Steuersignals, mit einem Phasendiskriminator, dem das Steuersignal und ein vom Oszillator abgeleites Vergleichssignal zugeführt werden, wobei der Oszillator mit einem Frequenzregeleingang versehen ist und eine Übertragungsstrecke zwischen dem Ό Phasendiskriminator und dem Frequenzregeleingang des Oszillators vorgesehen ist, und mit einem Speicherelement zum Speichern einer am oszillatorseitigen Ende der Übertragungsstrecke entnommenen Spannung, die auf den Oszillator zurückgeführt ' ϊ wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzregelvorrichtung mit einer ami diskriminatorseitigen Ende der Übertragungsstrecke (21) liegenden linearen Signaladdiervorrichtung (22) versehen ist tieren erster Eingang (26) an den Phasendiskriminator (12) und deren zweiter Eingang

(27) an ein zweites Speicherelement (28) angeschlossen ist

2. Frequenzregelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Speicherelement -'ϊ

(28) durch einen Kondensator gebildet ist

3. Frequenzregelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Übertragungsstrecke (21) ein Schalter (23) liegt der normalerweise in geschlossener Lage ist, daß ein zweiter Schalter )o

(29) zum Anschließen des oszillatorseitigen Endes der Übertragungsstrecke (21) an den zweiten Eingang (27) der Signaladdiervorrichtung (22) vorhanden ist und daß eine Ano; inung (30) zur abwechselnden Erregung der Schalter (23, 29) i> vorgesehen ist

4. Frequenzregelvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung (30) mit einem Zähler (31) zum Zählen der Impulse im Steuersignal und zum Liefern eines jeweils nach 4» Zählung einer bestimmten Anzahl von Impulsen auftretenden Kontrollimpulses versehen ist welcher jeweils die Speicherung der Spannung am oszillatorseitigen Ende der Übertragungsstrecke (21) in dem Speicherelement (28) veranlaßt.