DE1951767C3 - Signalgenerator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Generator zum Erzeugen elektrischer Signale mit variabler Frequenz, mit einer ersten Regelschleife zum Nachregeln der Frequenz und einer zweiten Regelschleife zum Nachregeln der Phase und mit einer Schaltvorrichtung zum Sperren der zweiten Regelschleife, während die erste eine Frequenzannäherung ausführt, sowie zum Sperren der ersten Schleife bei gleichzeitiger Freigabe der zweiten, sobald die Frequenzannäherung beendet ist.

Bei einem bekannten derartigen Generator wird eine elektromechanische Frequenzsteuerschaltung verwendet, die einen Elektromotor umfallt. Mit einer derartigen Schaltung läßt sich keine hohe Phasenreinheit des Ausgangssignals erzeugen (FR-PS 14 03 190).

Es ist ferner bereits ein Generator mit zwei Phasenverriegelungsschleifen bekannt, wobei die erste einen Frequenzteiler aufweist und die zweite den Phasenvergleich des Oszillatorsignals mit einem Frequenzspektrum durchführt. Es sind jedoch keine Einrichtungen vorgesehen, um die zweite Schleife abzuschalten, während die erste Schleife eine digitale Frequenzannäherung durchführt, und umgekehrt die erste Schleife stillzusetzen, sobald die Frequenzannäherung beendet ist. Vielmehr arbeiten beide Schleifen dauernd gleichzeitig. Sie haben auch dieselbe Arbeits-Bezugsfrequenz. Damit eine derartige Schaltung richtig arbeitet, müssen komplizierte Stabilitätsbedingungen eingehalten werden, und insbesondere müssen die Zeitkonstanteu der beiden Schleifen unterschiedlich sein (US-PS 32 12 023).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Signalgenerator der eingangs genannten Art zu schaffen, der eine hohe spektrale Reinheit der Ausgangsfrequenzen und eine geringe Phasenunruhe aufweist.

Ausgehend von der eingangs genannten Schaltung ist die Lösung der Aufgabe gegeben durch eine dritte Regelschleife, welche gleichzeitig mit der zweiten in Betrieb ist und einen in dieser enthaltenen Phasendetektor einschaltet und welche eine Zentrierschaltung enthält, die die Ausgangsspannung des Phasendetektors;

der zweiten Schleife ständig auf Null hält.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist im Unteranspruch angegeben.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen beschrieben.

F i g. 1 zeigt das Grundschema des Generators;
Fig.2 zeigt eine besondere Ausführungsform des Schaltschemas eines Generators nach F i g. 1, und

F i g. 3 zeigt die Wellenform an verschiedenen Stellen der Schaltung nach F i g. 2.

Die Vorrichtung nach F i g. 1 umfaßt eine erste Regelschleife mit einem Oszillator mit variabler Frequenz F, der durch den Kreis 1 dargestellt ist, in welchem ein Schwingungskreis bestehend aus einer Selbstinduktionsspule 2, einem festen Kondensator 3 und einer Diode mit variabler Kapazität 4 enthalten ist.

Die Ausgangsspannung des Oszillators gelangt an einen Frequenzteiler 5 mit festem Teilerverhältnis N, auf den ein zweiter Frequenzteiler 6 m.X variablem und programmierbarem Verhältnis K folgt. Die Spannung mit der Frequenz F/KN aus dem zweiten Frequenzteiler 6 wird an einen Detektor 7 gelegt, an welchen ebenfalls eine Bezugsfrequenz F₁, gelangt. Die Differenzschwingung zwischen den Frequenzen F/KN und F₀ im Detektor 7 wird beispielsweise an die positive Elektrode der Diode 4 gelegt, wodurch deren Kapazität sich ändert in der Weise, daß die Frequenz F/KN gleich groß wie die Frequenz F„ bleibt.

Die eben beschriebene Regelschleife wendet das unter dem Namen »Phasenverriegelung« bekannte Verfahren an.

Die Vorrichtung umfaßt eine /weite Regelschleife für die Oszillatorfrequenz, mit einem Phasendetektor 8, an welchen einerseits die Oszillatorausgangsspannung und andererseits die Frequenzen K\F_th K₂F₀,... K_nF₀ gelangen, wobei K\ ... K_n ganze Zahlen bedeuten, so daß die Frequenzen die ganze Variationsskala der von der ersten Regelschleife definierten Frequenz F bedecken, wobei K\ und K2 ■ ■ ■ die Werte bedeuten, die das Verhältnis K nacheinander annimmt. In der Praxis können derartige Frequenzen durch ein Spektrum gefilterter Oberwellen von F₁, gebildet sein.

Das Ausgangssignal des Phasendetektors 8 wird ebenfalls an die Diode 4, jedoch an die andere Elektrode, gelegt zur Steuerung der Frequenz des Oszillators 1.

Um ein gleichzeitiges Funktionieren der beiden Regelschleifen — im folgenden auch Schleifen genannt — des Oszillators zu vermeiden, ist eine Schaltvorrichtung vorgesehen, um jeweils nur den Detektor 7 oder den Phasendetektor 8 einzuschalten.

Diese Schaltung, deren bevorzugte Ausführungsform noch beschrieben wird, umfaßt eine elektronische Koinzidenzschaltung 9 sowie einen Verstärker 10. Diese Koinzidenzschaltung ist so beschaffen, daß sie dann, wenn die an sie gelegten Spannungen F₀ und F/KN sich einander annähern, ein Signal abgibt, welches den Phas^ndetektor 8 stoppt und den Detektor 7 anstellt.

Daraus folgt, daß die Annäherung der Oszillatorfrequenz an die gewünschte Frequenz mittels der ersten Schleife geschieht (die zweite Schleife ist gesperrt), wohingegen die erste Schleife gesperrt wird, sobald der Fangbereich der zweiten Schleife erreicht ist.

Die Vorrichtung nach F i g. 1 umfaßt ferner eine dritte Regelschleife, welche eine Zentrierschaltung 11 aufweist mit einem negativen Verstärkungsfaktor, welcher mit der positiven Elektrode der Diode 4 und mit einem Kondensator 74 verbunden ist, der die Funktion hat, die

Signale aus dem Detektor 7 zu speichern.

Die Funktionsweise der Anordnung nach F i g. l basiert auf der Verwendung der ersten Regelschleife zur Annäherung der Oszillatorfrequenz 1 an die gewünschte Frequenz. Diese erste Schleife, welche cie Variable F s mit der Bezugsfrequenz F₀ vergleicht, ist natürlich stabil und ermöglicht in sehr kurzer Zeit eine korrekte Anpassung an F (ohne Gefahr einer Mitnahme durch eine Harmonische).

Bei Verwendung lediglich dieser ersten Schleife wäre im Oszillaior ein hohes Phasengeräusch vorhanden, welches insbesondere durch die Frequenzteiler und die Frequenz F₀ eingeführt und in der Schleife mit KN multipliziert wird Will man z. B. Vielfache von 10 MHz erhalten, hat der einstellbare Frequenzteiler 6 in einfacher Ausführung jedoch nur Schritte größer als 100 KHz, so muß man AZ=IOO annehmen und beispielsweise K programmierbar von 30 bis 39 wählen, was einer Multiplikation des Phasengeräusches mit 3000 bis 3900 entspricht.

Aus diesem Grund wird die erste Schleife gesperrt und die zweite Schleife freigegeben, sobald die Oszillatorfrequenz eingestellt ist.

Die zweite Schleife kann bei sehr hohen Frequenzen arbeiten, ohne ein nennenswertes Phasengeräusch hervorzurufen.

Normalerweise würde die zweite Schleife ein Phasengeräusch einführen auf Grund der Tatsache, daß der Phasendetektor 8, der üblicherweise ein symmetrischer Demodulator ist, jedes Amplitudengeräusch über eine Restspannung ungleiche Null bei Gleichgewicht auf die Schleife überträgt, was eine relative Phasenverschiebung zwischen F und /VF₁, zur Erreichung dieses Gleichgewichts erfordert.

Zur Vermeidung dieses Restgeräusches ist eine dritte Schleife vorgesehen. Diese beeinträchtigt die Funktionsweise dei ersten Schleife nicht (zu diesem Zweck ist der Ausgangsstrom der Zentrierschaltung 11 entsprechend begrenzt). Während der Betriebszeit der zweiten Schleife hingegen bewirkt die dritte Schleife die automatische Zentrierung des Phasendetektors 8 auf einen Wert Null seiner Ausgangsspannung, wodurch das Restgeräusch praktisch unterdrückt wird.

Zum Zwecke dieser Zentrierung beeinflußt der Ausgangsstrom (positiv oder negativ bei Abweichung der Spannung des Phasendetektors 8 von Null) der Zentriersehaliung 11 die Spannung des Kondensators 74, wie im folgenden noch genauer erläutert wird. So wird das durch die zweite Schleife eingeführte Restgeräusch um 15 bis 2OdB verringert. Das Ausgangssignal des Signalgenerators kann bei Si oder S2 entnommen werden.

In Fig. 2 sind die verschiedenen Bausteine der Schaltung strichpunktiert dargestellt.

Der Oszillator 1 ist etwas weniger schematisch dargestellt, d. h. durch einen Verstärkt r 100, der an eine mit einer Wicklung 2 gekoppelte Wicklung 101 angeschlossen ist, so daß ein Schwingki eis gebildet wird.

Die Ausgangsspannung des Oszillators gelangt an einen Trennverstärker 102 und sodann an die Frequenzteiler 5 und 6 sowie an den Phasendetektor 8.

Der Frequenzteiler 5 hat beispielsweise ein Teilungsverhältnis von 10, während das Teilungsverhältnis des Frequenzteilers 6 zwischen 30 und 39 variiert, je nach den an die vier Anschlüsse 61 bis 64 gelegten kodierten Einstellsignalen.

In der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform wird Has vom Freauenzteiler 6 abgegebene Signal über eine aus einem Kondensator 7i und einem Widerstand 72 gebildete Differenzierschaltung an die Basis eines Transistors 70 gelegt

Eine Speisespannung von beispielsweise — 6 V liegt am Emitter des Transistors 70, während der Kollektor dieses Transistors mit der Steuerelektrode eines N-leitenden Feldeffekttransistors 73 verbunden ist, dessen Drainelektrode mit dem Mittelpunkt der Wicklung 2 verbunden ist Ein Kondensator 74 blockt im übrigen die Drainelektrode nach Masse ab.

Die Sourceelektrode des Feldeffekttransistors 73 ist einerseits über einen Widerstand 75 mit dem Kollektor des Transistors 70 verbunden, andererseits mit den Kollektoren von zwei Transistoren 77 und 78 und schließlich über einen Kondensator 76 mit Masse.

Die beispielsweise in Form von rechteckigen Signalen auftretende Bezugsspannung F₀ wird über einen Widerstand 79 an die Basis des Transistors 77 gelegt. Der Emitter des Transistors 77 ist mit Masse verbunden.

Die Basis des Transistors 78 ist mit dem Kollektor eines Transistors 80 verbunden, dessen Basis mit Masse verbunden ist. Eine Speisespannung von beispielsweise + 6 V wird über einen Widerstand 81 an den Emitter des Transistors 78 gelegt und über einen Widerstand 82 an den Kollektor des Transistors 80.

Der Emitter des Transistors 80 ist über einen Widerstand 83 mit dem Kollektor des Transistors 70 verbunden.

Der Phasendetektor 8 weist einen Transformator 90 auf, dessen Sekundärwicklung an zwei Dioden 91 und 92 liegt, welche in entgegengesetzter Richtung angeschaltet sind.

Es ist ein Bandfilter 93 mit einer Ausgangswicklung 94 vorgesehen, deren Mittelpunkt mit Masse verbunden ist. sowie mit einet Eingangswicklung 95, deren eines Ende mit Masse verbunden ist, während das andere Ende ein von einem Verstärker % mit einer Frequenz 10 F₁, (für N = 10) geliefertes Oberwellenspektrum aufnimmt

In dem obigen Beispiel ist F₀ = 100 KHz, und das durch das Bandfilter 93 begrenzte Band geht von 30 bis 39 MHz.

Die Enden der Ausgangswicklung 94 sind mit den Dioden 91 und 92 verbunden.

Der Mittelpunkt der Sekundärwicklung des Transformators 90 ist einerseits über einen Kondensator 97 mit Masse verbunden und andererseits über eine Zentrierschaltung 11 mit den Kapazitätsvariationsdioden 4a und 46.

Die elektronische Koinzidenzvorrichtung 9 überträgt mittels eines Kondensators HO das Ausgangssignal des Frequenzteilers 6 an zwei in Serie geschaltete Transistoren 111 und 112. Die Basis des Transistors 111 ist mit einer positiven Spannungsquelle von beispielsweise + 6V verbunden. Sein Emitter ist mit Masse verbunden und sein Kollektor über einen Widerstand 113 mit einer positiven Spannungsquelle von beispielsweise + 6 V.

Der Emitter des Transistors 112 ist mit Masse verbunden, während sein Kollektor mit dem Emitter eines Transistors 114 verbunden ist, dessen Kollektor über einen Widerstand 115 mit einer Spannungsquelle von beispielsweise +6V und über einen Kondensator 116 mit Masse verbunden ist.

Die Basis des Transistors 114 ist über einen Widerstand 117 mit dem Widerstand 79 vei junden.

Mit dem Kondensator 116 ist ein Schwellwertdetektor verbunden, der aus einem Transistor 118 und einem zwei Widerstände 119 und 120 aufweisenden Span-

nungsteiier besteht.

Der Kollektor des Transistor:. 118 ist mit einer positiven Spannungsquelle von beispielsweise +6V verbunden. Der gemeinsame Punkt der Widerstände 119 und 120 ist mit der Basis eines Transistors 121 verbunden, dessen Emitter mit Masse und dessen Kollektor über einen Widerstand 122 mit einer positiven Spannungsquelle von beispielsweise +6V verbunden ist.

Der dem gemeinsamen Punkt mit dem Widerstand 119 gegenüberliegende Anschluß des Widerstandes 120 ist mit dem negativen Pol einer Spannungsquelle von 6 V verbunden.

Der Kollektor des Transistors 121 ist einerseits über einen Widerstand 124 mit der Basis eines Transistors 123. andererseits über einen Widerstand 126 mit der Basis eines Transistors 125 verbunden.

Der Emitter des Transistors 125 (der als Verstärker 10 in Fig. 1 fungiert) ist mit Masse verbunden, während sein Kollektor mit dem gemeinsamen Punkt zwischen dem Kondensator 97 und der 2'entrierschaltung 11 verbunden ist.

Der Emitter des Transistors 123 ist mit Masse verbunden, während sein Kollektor einerseits über einen Widerstand 127 mit dem positiven Pol einer Spannungsquelle von +6V, andererseits über einen Widerstand 129 mit der Basis eines Transistors 128 und schließlich über einen Widerstand 131 mit dem Emitter eines Transistors 130 verbunden ist.

Der Emitter des Transistors 128 ist mit Masse, sein Kollektor dagegen mit der Basis des Transistors 77 verbunden.

Die Basis des Transistors 130 ist mit Masse, sein Kollektor dagegen mit der Basis eines Transistors 132 verbunden.

Der Emitter des Transistors 132 ist mit dem negativen Pol einer Spannungsquelle von — 6 V verbunden, seine Basis über einen Widerstand 133 mit derselben Quelle und sein Kollektor mit dem Kollektor des Transistors 70.

Die dritte in F i g. 1 erwähnte Regelschleife umfaßt außer dem Verstärker 11a, der lediglich ein Zusatzteil ist, einen aus drei Transistoren 134, 135 und 136 gebildeten Differentialverstärker 11 mit negativem Verstärkungsfaktor als Zentrierschaltung.

Die Emitter der Transistoren 134 und 136 laufen zusammen und sind über einen Widerstand 137 mit dem negativen Pol einer Spannungsquelle von - 6 V verbunden. Die Kollektoren der Transistoren 134 und

135 laufen zusammen und sind mit der Verbindung zwischen dem Kondensator 74 und dem Mittelpunkt der Wicklung 2 verbunden. Der Kollektor des Transistors

136 ist über einen Widerstand mit einer positiven Spannungsquelle von beispielsweise + 6 V verbunden, während der Emitter des Transistors 135 über einen Widerstand 139 mit derselben Quelle verbunden ist

Die Basis des Transistors 136 ist mit Masse verbunden, während der Kollektor des Transistors 134 mit dem Ausgang der Zentrierschaltung 11 verbunden ist

Die Funktionsweise des Generators nach F i g. 2 ist in großen Zügen bereits beschrieben.

In der ersten Regelschleife erzeugt der Detektor 7 im Punkt C eine Spannung, deren Wellenform in durchgezogenen Linien (c) in Fi g. 3 dargestellt ist: Die Stufen P entsprechen den im Punkt B entnommenen Impulsen, die aus den vom Frequenzteiler 6 kommenden Stgnalfronten entstehen.

Die Amplitude der Stufen ist proportional zur Phasenverschiebung zwischen den erwähnten Signalfronten und denen der an A (Fig. 2) angelegten Bezugsspannung F₀.

Sie werden im Kondensator 74 gespeichert, woraus die Wellenform (d)\m Punkt Dentsteht.

Bei der zweiten Regelschleife wählt das Bandfilter 93 die im Band von 30 bis 39 MHz enthaltenen Oberwellen aus, und die Dioden 91 und 92 wirken in bekannter Weise als Phasendiskriminator zwischen dem Oszillatorausgangssignal und der vom Filter abgegebenen Harmonischen gleicher Frequenz. Die der Phasendifferenz entsprechende Spannung wird im Kondensator 97 gespeichert und über die auch als Impedanzwandler wirkende Zentrierschaltung 11 an den gemeinsamen Punkt der Dioden 4a und 4/j gelegt, so daß die Phasendifferenz durch Einwirkung auf den Schwingkreis ausgeglichen wird.

Im folgenden wird die Sperrung der ersten Schleife und die Freigabe der zweiten Schleife erläutert.

Es ist offensichtlich, daß beim Einschalten des Generators die Schwingung mit der Frequenz Fmit der Bezugsspannung F_n nicht phasengleich zu sein braucht. Aus dieser Phasenungleichheit zwischen dem Ausgangssignal des Frequenzteilers 6 und der Bezugsspannung F₀ ergibt sich in manchen Momenten eine Koinzidenz zwischen einer negativen Spitze dieses Ausgangss.ignals und den die Bezugsspannung bildenden Impulsen.

Bei dieser Koinzidenz ist das von den Transistoren 111,112und 114 gebildete Tor FTfreigegeben.

Der an die Basis des Transistors 111 gelegte negative Impuls blockiert nämlich denselben und macht den Transistor 112 leitend. In diesem Moment macht der an die Basis des Transistors 114 gelegte positive Impuls letzteren leitend.

Der ursprünglich über den Widerstand 115 geladene Kondensator 116 entlädt sich daraufhin abrupt.

V/ährend seiner Wiederaufladung (deren Dauer vom Wiclerstandswert 115 abhängt) nimmt die Basisspannung des Transistors 118 in genügendem Maße ab, urr den Transistor 121 zu blockieren.

Da der Kollektor des Transistors 121 sodann untei positiver Spannung steht, wird der Transistor 125 leitend und schließt den Phasendetektor 8 kurz; damii ist die zweite Regelschleife gesperrt.

Im übrigen wird der Transistor 123 leitend, wodurch einerseits der Transistor 130 und andererseits dei Transistor 128 blockiert wird.

Die Blockierung des Transistors 130 bewirkt die Blockierung des Transistors 132, woraufhin dei Feldeffekttransistor 73 seine normale Funktion in Detektor 7 erfüllen kann. In gleicher Weise kann dei Transistor 77 auf Grund der Blockierung des Transistor 128 im Detektor 7 seine normale Funktion erfüllen schließlich ist der Detektor 7, also die erste Regelschlei fe, eingeschaltet während die zweite gesperrt ist

Der Betrieb der ersten Regelschleife föhn in kurze Zeit zu einer Oszfllatoreinstellung auf die Frequen; F = KNF₀ und zur Unterdrückung einer Abweichun) zwischen dem vom Frequenzteiler 6 abgegebenei Signal und dem Bezugssignal F₀. Sobald dies erreicht isi gibt es keine Koinzidenz mehr zwischen den an beidi Eingänge der Vorrichtung 9 gelegten Signalen. Mai kann sich leicht vorstellen, daß bei genau umgekehrte Anordnung der Vorrichtung 9 die erste Schleif gesperrt und die zweite freigegeben werden kann.

Während der Betriebsdauer der zweiten Schleif« bildet der Transistor 73 einen ständig offene

f

Stromkreis, und der Kondensator 74 speichert den Strom, den er während der Betriebsdauer der ersten Schleife aufgespeichert hatte.

Während der Betriebsdauer der zweiten Schleife vergleicht die Zentrierschaltung 11 die Ausgangsspannung des Verstärkers 11a mit dem Massepotential und überträgt je nach dem Ergebnis dieses Vergleiches eine positive oder negative Spannung, welche die im Punkt D gespeicherte Spannung auf einen Wert zurückführt, der die Ausgangsspannung des Verstärkers 11 a aufhebt.

Daraus folgt, daß die zweite Schleife sich immer um den Null-Wert bewegt (wodurch ihr Restgeräusch vermieden wird, wie bereits oben beschrieben), selbst bei Abweichung von der Spannung an den Anschlüssen

des Kondensators 74.

Der Strom fließt direkt in den Transistor 134, wenn er positiv ist. Wenn er negativ ist, durchfließt er die Transistoren 135 und 136, die in umgekehrter Richtung angeordnet sind.

Der Stromkreis wird so angelegt, daß der Strom im Widerstand 137 sehr schwach ist,beispielsweise 5 μΑ, so daß die Funktionsweise der ersten Schleife nicht gestört wird.

Die Zcnlrierschaltung 11 muß einen negativen Verstärkungsfaktor aufweisen, da ihr Eingang und ihr Ausgang jeweils mit den gegenüberliegenden Elektroden der Dioden 4a und 46 verbunden ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

709612/119

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Generator zum Erzeugen elektrischer Signale mit variabler Frequenz, mit einer ersten Regelschleife zum Nachregeln der Frequenz und einer zweiten Regelschleife zum Nachregeln der Phase und mit einer Schaltvorrichtung zum Sperren der zweiten Regelschleife, während die erste eine Frequenzannäherung ausführt, sowie zum Sperren der ersten Schleife bei gleichzeitiger Freigabe der zweiten, sobald die Frequenzannäherung beendet ist, gekennzeichnet durch eine dritte Regelschleife, welche gleichzeitig mit der zweiten in Betrieb ist und einen in dieser enthaltenen Phasendetektor (8) einschaltet und welche eine Zentrierschaltung (11) enthält, die die Ausgangsspannung des Phasendetektors (8) der zweiten Schleife ständig auf Null hält.

2. Generator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Koinzidenzschaltung (9), die bei Annäherung der Frequenz (F/KN) der ersten Schleife an die Bezugsfrequenz (F₀) den Phasendetektor (8) der zweiten Schleife abstellt und den Detektor (7) der ersten Schleife in Betrieb setzt.

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