DE1962455B2

DE1962455B2 - Elektronischer frequenzumsetzer

Info

Publication number: DE1962455B2
Application number: DE19691962455
Authority: DE
Inventors: Jean Neuchatel Engdahl (Schweiz) E02b 3 06
Original assignee: Ebauches SA
Current assignee: Ebauches SA
Priority date: 1968-12-20
Filing date: 1969-12-12
Publication date: 1971-04-15
Also published as: GB1277279A; US3629709A; NL6918651A; CH501959A; FR2026723A1; CH1908768A4; DE1962455A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektronischen Frequenzumsetzer, insbesondere für die Zeitmessung, der allgemein für jede Frequenzumsetzung verwendet werden kann, die nicht in einfacher Weise durch Multiplikation und/oder Division zu erzielen ist. Das trifft in besonderer Weise zu beim Übergang von einer Frequenz in mittlerer Zeit oder Atomzeit zu einer Frequenz in Sternzeit.

Das Verhältnis zwischen diesen Frequenzen beträgt

K =

J TS ITM

= 1,002737909265 + 59 · ΙΟ"¹² · t_s,

wobei t j die Zeit in julianischen Jahrhunderten ab 1900 bedeutet. Für 1968 ergibt sich:

K = 1,002737909305.

Zur Vornahme dieser Frequenzumsetzung sind bereits verschiedene Geräte vorgeschlagen worden.

Ein bekannter elektromechanischer Umsetzer besteht aus einem Synchronmotor, der durch einen Verstärker mit einer mittlerer Zeit entsprechenden Frequenz gespeist wird, einem Zahnradgetriebe und einem Alternator. Wenn der Motor und der Alternator gleiche Polzahl aufweisen, muß das Verhältnis K durch das Zahnradgetriebe mit der erforderlichen Präzision bestimmt werden. Es sind bereits verschiedene Zahnradgetriebe für diesen Zweck vorgesehlagen worden. Es ergeben sich jedoch in allen Fällen Zahnräder mit hohen Zähnezahlen, die schwierig herzustellen sind. Man erreicht dabei eine Genauigkeit in der Größenordnung von 1 · 10~⁹ mit einem Getriebe von vier Rädern. Die Verzahnungsungenauigkeiten, mechanischen Spiele und Winkelfehler des Motors und des Alternators verursachen jedoch Phasenstabilität, die oft unzulässig sind. Da ein solcher Umsetzer dauernd in Betrieb stehen muß, stellt die Abnutzung ein ernsthaftes Problem dar.

Ein weiterer bekannter, Umsetzer mit Phasenschieber besitzt einen Frequenzteiler, mittels welchem eine Eingangsfrequenz, beispielsweise von 1000 auf 50 Hz, herabgesetzt wird, einen mittels dieser Frequenz angetriebenen Motor und einen vom Motor angetriebenen Phasenschieber (Transformator mit drehbarem Sekundärteil oder ,Drehkondensator). Der Antrieb des Phasenschiebers erfolgt über ein geeignetes Zahnradgetriebe. In diesem Falle können die mechanischen Fehler herabgesetzt werden, aber es verbleiben trotzdem die mit beweglichen Teilen verbundenen Nachteile. C, ^bitU.

Es sind weiterhin Apparate zur rein elektronischen Umsetzung der Frequenz vorgeschlagen worden. Es ist jedoch schwierig, die dabei erforderlichen Frequenzmultiplikationen um Faktoren erheblich über 10 ohne ■Einbuße an Zuverlässigkeit >ziferzieleni^! Außerdem wird dabei nur eine ziemlich grobe Annäherung des theoretischen Verhältnisses erreicht, und es ist somit eine weitere Feinkorrektur mit Hilfe eines drehbaren Phasenschiebers erforderlich. Die Drehgeschwindigkeit kann zwar dabei herabgesetzt werden, aber die erwähnten Nachteile bleiben im wesentlichen bestehen. Die vorliegende Erfindung bezweckt die Schaffung eines voll elektronischen Frequenzumsetzers, der alle obenerwähnten Nachteile zu vermeiden gestattet. Der erfindungsgemäße Frequenzumsetzer ist gekennzeichnet durch einen Eingangskreis zur Erzeugung einer Impulsserie der Eingangsfrequenz, mindestens einen Umsetzkreis mit einem Frequenzteiler und einer Impulsadditions- oder Impulssubtraktionsstufe, wobei der Frequenzteiler und die Stufe je einen Eingang für eine Eingangs-Impulsserie und die erwähnte Stufe außerdem einen Eingang für die Serie von Ausgangsimpulsen des Frequenzteilers aufweist.

Es handelt sich also hierbei um einen digitalen Umsetzer, in welchem die Eingangsfrequenz durch Addition und/oder Subtraktion von Impulsen verändert wird, um die gewollte mittlere Ausgangsfrequenz zu erzielen. Mit diesem Umsetzer können sehr hohe Genauigkeiten erreicht werden, und zugleich kann das Umletzungsverhältnis in verhältnismäßig einfacher Weise und innerhalb verhältnismäßig weiter Grenzen geändert werden. Mechanische Teile können vollständig vermieden werden.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert, in welcher ein Ausführungsbeispiel eines Frequenzumsetzers zum übergang von einer Frequenz in mittlerer Zeit zu einer Frequenz in Sternzeit dargestellt ist.

Fig. 1 zeigt ein Blockschema des Umsetzers; F i g. 2 zeigt schematisch einen ersten Umsetzkreis; F i g. 3 stellt einige im Kreis gemäß F i g. 2 auftretende typische Signale dar;

F i g. 4 zeigt schematisch einen zweiten Umsetzkreis, und

F i g. 5 zeigt einige im Kreis gemäß F i g. 4 auftretende Signale.

Der in F i g. 1 schematisch dargestellte Frequenzumsetzer weist zwei in Serie geschaltete Umsetzkreise auf.' Eine mittlerer Zeit oder Atomzeit entsprechende Eingangsfrequenz, die von einem nicht dargestellten hochstabilen Oszillator erzeugt wird, gelangt gleichzeitig über den Eingang! zu einem Frequenzteiler2, mit dem Teilverhältnis 1:365 und einer Additionsstufe 3. Die Ausgangsfrequenz /' des ersten Umsetzkreises gelangt gleichzeitig an den Eingang eines Frequenzteilers 4 und einer Sübtraktionsstufe 5 des zweiten Umsetzkreises. Das Teilverhältnis des Frequenzteilers 4 beträgt 1 ·.:■ 551950. Die Ausgängsfrequenz fo der Subtraktionsstufe 5 entspricht der Sternzeit. ~- ..':.

Ausgehend von der Annahme, daß momentane Abweichungen um ± 1 Mikrosekunde bei Messungen in Sternzeit sich nicht nachteilig auswirken, geht man von einer Eingangsfrequenz von 1 MHz TM (mittlere Zeit) aus.

Das Verhältnis

- : /rs ~ Jtm

fi

-S--365,

und es wird dementsprechend eine erste Korrektion dadurch vorgenommen, daß zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen der Eingangsserie von 1 MHz alle?.3.6.5 μβ mittels des Frequenzteilers 2 und der Additionsstufe 3 ein Impuls eingefügt wird. Die damit erreichte mittlere Frequenz beträgt

f_TM = 1000000

365

2 739,702 603 Hz

aber

/' = 1002 739,726 027 Hz /_rs = 1 002 727,909 305 Hz der Überschuß beträgt £'= 1,816 722 Hz

Man wiederholt jetzt denselben Vorgang, jedoch mit dem Unterschied, daß während jeder Periode, die E' entspricht, ein Impuls unterdrückt wird

IL

E'

= 551 950 Impulse von /'

Dieser. Vorgang wird mit Hilfe des Frequenzteilers 4 und der Subtraktionsstufe 5 ausgeführt.

Bei den gewählten Teilverhältnissen liegt die Genauigkeit in der Größenordnung von 2 · 10 ~⁶ nach der ersten Korrektur und von 4 · 10~¹³ nach der zweiten Korrektur. Durch Veränderung des Teilverhältnisses des zweiten Umsetzkreises kann der Zeitmaßstab sehr fein eingestellt werden. Ist / die Eingangsfrequenz, /' die Frequenz nach der ersten Korrektur, fo die Ausgangsfrequenz, η das Teilverhältnis des Frequenzteilers 2 und N dasjenige des Frequenzteilers 4, dann ergibt sich:

woraus

durch Differentiation nach JV
afo

dN

N²

-L

nN²

= _N2>

weil η » 1..

Durch Veränderung des Teilverhältnisses N um eine Einheit erfolgt eine Änderung von fo um

AL
f

(0,552 · 10⁶)^:

■2- ^ 3,3-10

-12

Erfolgt die Teilung durch JV mittels eines Vorwahlteilers, läßt sich eine Anpassung an alle gewünschten Zeitmaßstäbe erreichen (beispielsweise, wenn / eine Atomfrequenz ist), wobei eine Ganggenauigkeit innerhalb 50 μβ pro Jahr gewährleistet werden kann.

Die Subtraktion und Addition von Impulsen verursacht einen »Jitter« von ± einer Periode des Eingangssignals. Infolge der beiden aufeinanderfolgenden Korrekturen ergibt sich eine leichte Phasenmodulation mit den Frequenzen

365

~ 2,74 kHz

551950

1,8 Hz,

was im Falle von astronomischen Messungen, wo eine Genauigkeit auf 1 Mikrosekunde im allgemeinen mehr als genügend ist und wo man sich für hohe Ganggenauigkeit über lange Zeiträume interessiert, keinen Nachteil darstellt.

Die F i g. 2 bis 4 zeigen Ausfuhrungsbeispiele für die beiden Umsetzkreise gemäß Fig. 1. Der Kreis gemäß Fig. 2 besitzt eine Eingangsstufe 6 zur Bildung einer Impulsserie der Frequenz des sinusförmigen Eingangssignals /. Die Serie von Ausgangsimpulsen der Stufe 6 ist im Diagramm A der F i g. 3 dargestellt. Diese Impulsserie wirkt gleichzeitig auf den Eingang eines NOR-Tors 7, welches eine Umkehrung und Verzögerung der Impulse bewirkt, sowie auf einen der Eingänge eines NOR-Tors 3, welches als Additionsstufe wirkt. Die Ausgangsimpulse des Tors 7 steuern den Frequenzteiler 2, dessen Ausgangsimpulse durch die Stufe 8 geformt werden. Die am Ausgang des Frequenzteilers bzw. der Stufe 8 erscheinenden verzögerten Impulse gemäß Diagramm B der F i g. 3 gelangen an den zweiten Eingang des Tors 3.

Durch ein Ausgangstor 9 treten die Impulse der mittleren Frequenz/', wie das entsprechende Diagramm in F i g. 3 zeigt.

Diese Ausgangsimpulse der mittleren Frequenz/' gelangen über den Eingang 10 des Umsetzkreises gemäß F i g. 4 an zwei Eingangskreise, nämlich ein NOR-Tor 11, das dem Frequenzteiler 4 vorgeschaltet ist, und an den einen Eingang eines »Flip-Flops« 12. Die Ausgänge des Frequenzteilers 4 und des »Flip-Flops« 12, C bzw. D, sind mit den Eingängen eines NAND-Tors 13 verbunden. Die Ausgangsimpulse dieses Tors 13 werden in der Stufe 14 geformt, und die Ausgangsimpulse derselben stellen die Serie von Ausgangsimpulsen der gewünschten mittleren Frequenz fo dar. Der Ausgang der Stufe 14 ist an den zweiten Eingang des »Flip-Flops« 12 zurückgekoppelt.

Normalerweise schaltet jeder Eingangsimpuls der

Impulsserie /' den »Flip-Flop« 12 um, derart, daß dieser Impuls über den »Flip-Flop« 12, den Eingang D des Tors 13, dieses Tor und die Stufe 14 an den Ausgang des Umsetzers gelangt. Durch jeden Ausgangsimpuls wird der als Gedächtnis arbeitende »Flip-Flop« 12 in seinen Ausgangszustand zurückversetzt, in welchem er zum Empfang und zur Weiterleitung des nächsten Impulses vorbereitet ist. Bei Beginn jedes 551950ten Impulses gibt der Frequenzteiler 4 einen Ausgangsimpuls ab, der bis zur Ankunft des nächsten Eingangsimpulses dauert. Dieser Zustand ist im Diagramm C in F i g. 5 dargestellt. Während der Dauer des Ausgangsimpulses am Frequenzteiler 4 ist das Tor 13 geschlossen, so daß der den Ausgangsimpuls am Frequenzteiler 4 verursachende Eingangsimpuls nicht durch das Tor 13 übertragen wird. Dementsprechend wird auch der »Flip-Flop« 12 nicht in seinen Ausgangszustand zurückversetzt. Dieser Umstand wird durch den verlängerten Impuls im Diagramm D der F i g. 5 angedeutet. Zu Beginn des nächsten Impulses ändert der Zustand am Ausgang des Frequenzteilers 4, wie in Diagramm C der F i g. 5 dargestellt. Damit wird nun ein Impuls an den Ausgang des Tors 13 übertragen, der durch die Stufe 14 an den Ausgang des Umsetzers gelangt. Zugleich wird der »Flip-Flop« 12 in seinen Ausgangszustand zurückversetzt. Es ist damit ersichtlich, daß jeder 551950te Impuls durch den in F i g. 4 dargestellten Kreis 5

eliminiert wird.

Der oben beschriebene Frequenzumsetzer kann für irgendwelche Frequenzumsetzungen herangezogen werden, wo sich entsprechende Probleme stellen. Obwohl der Umsetzer sich ganz besonders zur Umsetzung einer Frequenz in mittlerer Zeit in einer Frequenz in Sternzeit eignet, kann er für jede andere Anwendung auf dem Gebiet der Zeitmessung oder anderweitig verwendet werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Elektronischer Frequenzumsetzer, insbesondere für die Zeitmessung, gekennzeichnet durch einen Eingangskreis (6) zur Erzeugung einer Impulsserie der Eingangsfrequenz (f_TM), mindestens einen Umsetzkreis (2, 3 bzw. 4, 5) mit einem Frequenzteiler (2, 4) und einer Impulsadditions- oder Impulssubtraktionsstufe (3, 5), wobei der Frequenzteiler (2, 4) und die Stufe (3, 5) je einen Eingang für eine Eingangsimpulsserie und die erwähnte Stufe (3, 5) außerdem einen Eingang für die Serie von Ausgangsimpulsen des Frequenzteilers (2, 4) aufweist.

2. Frequenzumsetzer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei in Serie geschaltete Umsetzkreise (2, 3 und 4, 5).

3. Frequenzumsetzer nach Anspruch 2 zur Umsetzung einer mittlerer Zeit oder Atomzeit entsprechenden Frequenz in eine Sternzeit ents'prechende Frequenz, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Umsetzkreis (2,3) eine Additionsstufe (3) und ein zweiter Umsetzkreis (4, 5) eine Subtraktionsstufe (5) aufweist.

4. Frequenzumsetzer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Umsetzkreis (2, 3) einen Frequenzteiler (2) mit einem Teilverhältnis von 1: 365 und der zweite Umsetzkreis (4, 5) einen Frequenzteiler (4) mit einem Teilverhältnis von 1: 551950 aufweist.

5. Frequenzumsetzer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die der Additionsstufe (3) zugeführten Ausgangsimpulse des Frequenzteilers (2) gegenüber den Impulsen der Eingangsserie verschoben sind.

6. Frequenzumsetzer nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Phasenschieberkreis in Serie mit dem Frequenzteiler.

7. Frequenzumsetzer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Additionsstufe (3) durch ein ODER-Tor, z. B. ein NOR-Tor, gebildet ist.

8. Frequenzumsetzer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Subtraktionsstufe (5) durch ein UND-Tor (13), z. B. ein NAND-Tor, gebildet ist.

9. Frequenzumsetzer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Umsetzkreis (4, 5) mit der Subtraktionsstufe (5) ein Eingangsgedächtnis (12), z. B. einen »Flip-Flop« aufweist, welches Gedächtnis durch die Ausgangsimpulse des Umsetzkreises (4, 5) gelöscht wird.

10. Frequenzumsetzer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem Frequenzteiler (4) ein NOR-Tor (11) vorgeschaltet ist und daß die Ausgänge des Gedächtnisses (12) und des Frequenzteilers (4) mit einem UND-Tor, z. B. einem NAND-Tor (13), verbunden sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen