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B r;S C fJ R O 1 B U N (; zu der Patentanmeldung betreffend Schaltung
zum Regeln der frequenz eines Oszillators auf einen digital vorgegebenen Sollwert
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zul Regeln der Frequenz eines Oszillators
auf einen digital vorgegebenen Sollwert, bei welcher die Ist-Frequenz des Ossillators
mittels eines elektronischen Zählers digital bestimmt und durch einen Zählvorgang
in einer Vergleichseinrichtung der digitale Frequenzdifferenzwert zwischen Soll-
und Ist-Wert gebildet wird, der durch einen Digital-Analog-Wandler in die Änderung
einer den Oszillator nachstellenden Analogspannung umgewandelt wird.
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Ea ist eine Schaltung dieser Art bekannt ("Racalator, IEE Konferenz
Publication Nr. 31 v. 22. bis 24.5.67, Seit 4 und 122 bis 128) bei welcher durch
Frequenzmessung die Frequenzdifferenz zwischen der in eines Spericher gespeicherten
Soll-Frequenz und der durch einen Zähler bestimmten Jeweiligen Ist-Frequenz bestimmt
wird.
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Dieser der Frequenzdifferenz entsprechende Digitalwert wird in eines
digitalen Speicher integriert und erst anschließend wird aus diesem Digital über
einen Digital-Analog-Wandler die Analogspannung zus Nachstellen des Oszillators
gewonnen. Die relative Nachstellgenauigkeit dieser bekannten Schaltung hängt damit
unmittelbar sb von der Genauigkeit (Stetigkeit) des Digital-Analog-Wandlers und
ist somit begrenzt.
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Es ist auch eine Schaltung zum Einstellen der Frequenz eines Oszillators
auf einen digital vorgegebenen Soll Wert bekannt (Electronics Okt. 30, 1959, Seiten
56 n. 57) bei welcher die Frequenzdifferenz zwischen Ist-Wert und Soll-Wert durch
eine Periodendauermessung
mittels eines elektronischen Zählers
in einen der Frequenz umgekehrt proportionalen Digitalwert umgewandelt wird und
bei welcher aus diesem Digitalwert in einer Vergleichsschaltung eine der Frequenzdifferenz
analoge und vorzeichenrichtige ladung für einen Kondensator gebildet wird. Am Kondensator
wird die den Oszillator steuernde Analogspannung abgegriffen. Diese bekannte auf
der Messung der Periodendauer basiersnde Schaltung besitzt den Nachteil, daß die
bei Jeweils gleicher Frequenzdifferenz bewirkte Korrektur abhängig ist voe Absolutwert
der Sollfrequenz.
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Die bekannte Schaltung arbeitet außerdem relativ langsam und es ist
nicht möglich, bei relativ weit voneinander abliegenden Frequenzwerten nur mit wenigen
oder gar nur einer einzigen Messung des Ist-Wertes die Differenz zwischen Soll und
Ist-Frequenz auszugleichen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schaltung zum Regeln der Frequenz
eines Oszillators auf einen digital vorgegebenen Soll-Wert zu schaffen, die mit
einfachen Nitteln aufgebaut eine sehr genaue und schnelle Regelung auch über wiete
Bereich ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Schaltung der eingangs erwähnten
Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der digitale Soll und Ist-Wert jeweils in
mehrere Gruppen aufgeteilt ist und flir Jede Gruppe aus diesen Soll- und Ist-Teilwerten
durch einen Zählvorgang Jeweils ein digitaler Frequenzdifferenz-Teilwert und daraus
tiber eine gesteuerte Stromquelle ein der Wertigkeit der Jeweiligen Gruppe entsprechender
Ladestrom erzeugt wird, dessen Dauer dem Differenz-Teilwert entspricht, und diese
Ladeströme der einzelnen Gruppen derart einem gemeinsamen Kondensator zugeführt
werden, daß die Summe der Einselladungen Jeweils dem Frequenzdifferenzwert entspricht.
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Gemäß der Erfindung wird also bei einer Schaltung der ersterwähnten
Art ein Digital-Analog-Wandler der Schaltung der zweiterwähnten Art angewendet,
darüberhinaus aber auch noch eine Unterteilung des
Gesamtbereiches
in zwei odermehrere Gruppen vorgenommen, so daß nicht nur die Einstellung wesentlich
genauer wird, sondern das Nachregeln auch über weite Bereiche wesentlich schneller,
theoretisch mit einer einzigen Messung, durchgeführt werden kann.
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Für die Ableitung der Teil Ladeströme des Kodensators aus den Frequenzdifferenz-Teilwerten
gibt es verschieden Möglihkeiten.
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Am vorteilhaftesten hat es eich erwiesen, wenn gemäß einer Weiterbildung
der Erfindung der Differenzbildungsvorgang in Jeder Gruppe jeweils mittels zweier
Zähler durchgeführt wird, von denen der eine augen Soll Wert, der andere auf den
Ist-Wert eingestellt ist und welche beide gleichzeitig mit einer Hilfsfrequenz angesteuert
sind.
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In dieser Fall ist es zweckmäßig, wenn die den einzelnen Gruppen zugeordneten
gesteuerten Stromquellen in ihrer Stromstärke entsprechend der Wertigkeit dieser
Gruppen abgestuft sind und der digitale Frequenzdifferenz-Teilwert die Jeweilige
Dauer des Ladestromes bestimmt. Der Ladestrom fließt dabei während der Differenabildung.
Vorteilhafte Weiterbildungen dieser speziellen Schaltungsart zur Ableitung der Teil-Ladeströme
ergeben aich aus den Unteransprüchen.
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Es ist sber auch möglich, die Frequenzdifferenz-Teilwerte in den einzelnen
Dekaden eines voreinstellbaren Zählers au bestimmen, wobei in diesem Fall die Anzahl
der Gruppen der Anzahl der Dekaden des Zählers entspricht. Der Zähler ist auf den
Soll-Wert voreingestellt und zählt den Ist-Wert der Oszillatorfrequenz. Jeder Dekade,
oder auch mehreren zu einer Gruppe zusammengefaßten Dekaden -ist wider eine gesteuerte
Stromquelle mit einer der Wertigkeit dieser Dekade entsprechenden Stromstärke zugeordnet
und die Teilströme all dieser Stromquellen werden im Kondensator aufsummiert.
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Die Erfindung wird ia folgenden anhand einer schematischen Zeichnung
an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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Die Fig. zeigt das Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltung
zum Regeln der Frequenz eines Hochfrequenzsozillators O auf einen digital vorgegebenen
Soll-Wert. Dieser Oszillator O ist Uber eine bekannte Stelleinrichtung S, beispielsweise
mittels dem Oszillator zugeordneter Kapazitätsdioden oder dgl., in Abhängigkeit
von der am Kondensator C auftretenden Steuerspannung in seiner Ausgangsfrequenz
regelbar. Der die Oszillatorausgangsfrequenz bstim.ende digitale Soll-Wert ist in
einem Soll-Wert-Speicher D eingespeichert. Dieser Soll-Wert-Speicher ist im einfachsten
Fall ein Mehrfachschalter. Die Jeweilige Ausgangsfrequenz des Oszillators O wird
ferner durch einen Ist Wert-Zähler E digital gemessen. Über die nachfolgende näher
beschriebene Vergleichseinrichtung wird der Soll-Wert aus dem Soll-Wert-Speicher
D mit dem Ist-Wert au dem Int-Wert-ZShler E digital durch einen Zählvorgang verglichen
und es wird daraus digital der Frequenzdifferenzwert gebildet, der anschließend
in die am Kodensator C auftretende Analogspannung zum Nachstellen des Oszillators
bis zur Gleichheit von Ist- und Soll-Wert umgewandelt wird.
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Gemäß der Erfindung ist sowohl der Soll-Wert als auch der Ist-Wert
in mehrere Gruppen, in dem gezeigten Ausführungsbeispiel in die Gruppen I und II
unterteilt. Die Aufteilung erfolgt hierbei nach folgendem Schema: fsoll = 10kmsoll
+ nsoll, wobei nsoll < 10k fist = 10kmist + nist wobei nist < 10k und k #
1 k, A und n sind dabei ganze Zahlen.
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Die Gruppe 1 entspricht dabei der Zahl o, die Gruppe II der Zahl n.
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So wird beispielsweise die Frequenz
ist = 1 2 3 4
5 aufgeteilt in fist = 1 2 3 . 10² + 45 und fsoll = 2 3 4 5 6 aufgeteilt in fsoll
= 2 3 4 . 10² + 56 Dies ergibt: 1ist 1 2 3i nist = 45 soll ' 2 3 4; nsoll - 56 Die
Differenz zwischen diesen Soll- und Ist-Teilwerten der beiden Gruppen d.h. msoll
- mist und nsoll - nist wird für jede Gruppe durch die voreinstellbaren Zähler Z1
und Z2 bzw. Z3 und Z4 bestimmt. Die Zähler Z1 und Z2 enthalten jeweils 1 Dekaden
und die Zähler Z3 und Z4 jeweils k Dekaden. k + 1 entspricht der Anzahl der Dekaden
von fsoll oder, was das gleiche ist, von fist. Jedem Zähler Z1 bis Z4 ist jeweils
ein bistabiler Multivibrator B1 bis B4 nachgeschaltet. Zwischen den bistabilen Multivibratoren
31 und B2 und den zugeordneten gesteuerten Stromquellen + J1 und - J1 sind jeweils
Verzögerungsschaltungen D1, G1 bzw. D2, G2 geschaltet. Die Zähler Z1 und Z3 sind
über Vielfachleitungen lit der Gruppe I bzw.
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II des Soll-Wert-Speichers D und die Zähler Z2 und Z4 it der ntsprechenden
Gruppe I bzw. II des Ist-Wert-Zählers E zusammengeschaltet. Den bistabilen Multivibratoren
B3 und B4 sind jeweils Tore G3 und G4 vorgeschaltet, die über bistabile Multivibratoren
B5 und B6 angesteuert sind. Die Multivibratoren B5 und B6 werden ihrerseits über
zwischengeschaltete Verzögerungsschaltungen D5, G5 bzw. D6, G6 in Abhängigkeit von
den Multivibratoren B1 und B2 der höherwertigen Gruppe I angesteuert.
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Die Wirkungsweise der Vergleichseinrichtung ist folgende: Durch ein
Signal aus einer Ablauflogikschaltung L werden nach Beendigung eines vorgergehenden
Vergleichsvorganges sämtliche bistabile Multivibratoren in ihre dargestellte Ruhestellung
gesetzt. Der Zähler Z1 wird auf msoll, Z2 auf mist, Z3 auf nsoll, Z4 auf nist gestellt.
Auf den den Zählerpaaren Z1 und Z2 bzw. Z3 und Z4 zugeordneten Hilfsfrequenzquellen
H1 bzw H2 wird nun diesen Zählern eine Hilfsfrequenz eingespeist. Wenn einer der
Zähler Z1 bzw. Z2,also derjenige, der auf die größere Zahl gestellt war, den vollen
Zählusfang erreicht hat und auf den Stand Null springt, kippt er den ihm zugeordneten
bistabilen Multivibrator B1 bzw. B2 in die Arbeitslage. Erreicht auch der zweite
Zähler Z2 bzw. Z1 diesen Zustand, so wird hierdurch der Multivibrator wieder in
die Ruhelage zurückgekippt. Die Auslenkdauer des Multivibrators B1 bzw. B2 entspricht
dabei der Differenz |msoll - mist|.
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Für msoll - mist > 0 wird B1, für mist - msoll > 0 wird B2 ausgelenkt.
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Für msoll - mist = 0 wird sowohl B1 als auch B2 kurzzeitig ausgelenkt
und sofort wieder zurückgekippt.
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Über die Verzögerungsschaltung D1, G1 werden die vom Multivibrator
B1 gelieferten Impulse durch Verzögerung ihres Anstieges um eine Periodendauer der
Hilfsfrequenz verkürzt. Das Verzögerungsglied D1 ist also so bemessen, daß nur dann
ein Impuls an das Stromgatter G11 weitergegeben wird, wenn msoll - mist - 1>0
ist. Die Verzögerungsschaltung D2 ist in gleicher Weise bemessen. Durch die Verzögerungsschaltungen
D5, G5 bzw. D6, G6 wird der von den Multivibratoren B1 bzw. B2 gelieferte Impuls
dagegen um weniger als eine Periodendauer der Hilfsfrequenz verkürzt, aber um mehr
als die Auslenkdauer der Multivibratoren B1 bzw. B2 für den Fall msoll - mist =
0. Dadurch lenkt für msoll - mist # 0 der Multivibrator B1 den Multivibrator B5
bzw. B2 den Multivibrator B6 in Arbeitslage. Unabhängig von dieser
Bedingung
wird von B1 und B2 weiterhin noch ein zusätzlicher bistabiler Multivibrztor B7 in
Arbeitslage gekippt und dieser schließt das Tor G8 und öffnet über eine weitere
Verögerungsschaltung D7 ein Tor G7. Hierdurch wird die Hilfsfrequenz aus der Hilfsfrequenzquelle
H2 auf die Eingänge der Zähler Z3 und Z4 geschaltet, H1 wird von Z1 und 22 getrennt.
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Wenn der erste dieser beiden Zähler Z3 bzw. Z4, also derjenige, der
auf die größere Zahl eingestellt war, den vollen Zählumfang erreicht hat und auf
den Stand Null springt, kippt er den ihm zuge ordneten Multivlbrator B6 bzw. B5
der Verknüpfungsschaltung in Ruhelage, falls dieser nicht schon in Ruhelage ist.
In diesem Fall kippt der Zähler Z3 bzw. Z4 den ihm sugeordneten Multivibrator B3
bzw. B4 in Arbeitslage. Springt auch der Stand des anderen Zählers Z4 bzw. S3 von
vollen Zählumfang auf den Wert Null, so wird der andere Nultivibrator B5 btw. B6
in Ruhelage gekippt, falls er nicht schon in Ruhelage ist. In letzterem Falle kippt
der Zähler den Multivibrator B3 bzw. B4 in Ruhelage zurück, falls dieser vorher
in Arbeitslage gekippt war. Ist dies nicht der Fall, kippt der Zähler den ihm zugeordneten
Multivibrator 34 bzw. 33 in Arbeitslage.
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Springt der Stand des ersten Zählers Z3 bzw. 24 nun zum zweiten Mal
vom vollen Zähluifang auf Null, so wird auch der Multivibrator 34 bzw. B3 in Ruhelage
zurückgekippt. Ftir den Fall f fsoll = fist werden die beiden Multivibratoren 33
und B4 gleichzeitig ausgelenkt und sofort wieder zurückgekippt. Hierbei erfolgt
keine Änderung der Stellspannung am Kondensator C, denn dieser enthält kurzzeitig
zwei gleichgroße entgegengesetzte Ladeströme.
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Das Zurückkippen der Multivibratoren B3 oder 34 oder beider wird über
G9 in der Ablauflogikschaltung L registriert und hierdurch werden die Hilfsfrequenzen
abgeschaltet, durch welche die Zähler gespeist werden. Dann kann die nächste Messung
durchgeführt werden.
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Durch die eingeschalteten Verzögerungsschaltungen und die Verknüpfung
der bistabilen Multivibratoren der Gruppe I und Gruppe II wird erreicht, daß zwar
große Änderungen d.h. große Differenzwerte in kurzer Zeit ausgeregelt werdeni, kleine
Änderungen Jedoch auch dann ausschließlich mit dem kleineren Strom der niedrigerwertigen
Gruppe II ausgeregalt werden, wenn hierbei an sich die höhere Gruppe betroffen ist,
etwa beim Übergang von 19999 auf 20000.
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Die durch die Zähler 21 bis Z4 und die zugeordneten bistabilen Multivibratoren
31 bis B4 erzeugten der Frequenzdifferenz der einzelnen Gruppen proportionalen Zeitinformationen
werden über die Gatter G11 bis G14 in Ladungen fUr den Kondensator C umgewandelt.
Der Kondensator C wird zuerst in Abhängigkeit von dem Meßergebnis der Gruppe I mit
dem Ladestroa J1und anschließend mit dem ladestrom J2 in gleicher Richtung geladen
bzw. entladen.
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Die Zeitdauer der Ladeströme J1 bzw. J2 hängt also von der Differenz
zwischen Soll-Wert und Ist-Wert der Frequenz ab.
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Am Ausgang der Verzögerungsschaltung D1, G1 wird ein Impuls an das
Tor G11 abgegeben, welcher der Dauer #t1 " p . (msoll - mist-1), entspricht, wenn
msoll - mist -1>0 ist. Am Ausgang der Verzögerungsschaltung D2, G2 entsteht ein
Impuls der Dauer # t1 = p.(mist -msoll-1), wenn ist - soll - 1)0 ist. Dabei ist
p ein Proportionalitätsfaktor, der durch die Hilfsfrequenz der Hilfsfrequenzquellen
H1 und H2 bestimmt ist und der Jeweils so gewählt wird, daß der kleinsten Änderung
die durch die Schaltung gegebene kürzeste Zeit t entspricht. Es kann also nur entweder
das Tor 011 oder das Tor 012 angesteuert werden.
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Für die zweite Gruppe II liefert nach diese. ersten ladevorgang der
bistabile Multivibrator B3 einen Impuls der Dauer #t2 = p .
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(nsoll-nist + 10k) für das Tor G13, wenn msoll - mist > 0 ist.
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In analoger Weise wird dem Tor G14 ein Impuls der Dauer #t2 = p .
(nist - nsoll + 10k) zugeführt, wenn mist - msoll > 0 ist.
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Für den Fall msoll - mist = 0 wird demnach ein Impuls der Dauer #t2
= p . (nsoll - nist) dem Tor G 13 zugeführt, sofern nsoll -nist > 0 ist, bzw.
ein Impuls der Dauer #t2 = p . (nist - nsoll) dem Tor G14, wenn nist - nsoll>
0 ist. Für msoll - mist = 0 und nsoll - nist = 0 liefert die Vergleichseinrichtung
keine Impulse an die Tore 011 und C12 und nur kurze Impulse, deren Wirkung sich
kompensiert, an die Tore G13 bzw. G14 Bei einem über das Tor G11 zugeführten Impuls
wird der Kondensator C während der Dauer #t1 mit des Strom +J1 geladen. Ist dagegen
das Tor 012 leitend, wird der Kondensator C während der Dauer #t1 mit dem Strom
-J1 geladen.
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Entsprechendes gilt für die ladung des Kondensators über die Tore
013 und G14 rue den Stromquellen +J2 bzw. -J2. Die Stromquellen sind so dimensioniert,
daß der Strom J1 10k mal so groß ist wie der Strom J2.
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Die Spannungsänderung #U am Kondensator C, die durch die Ladeströme
J1 und J2 hervorgerufen wird, bewirkt die Korrektur #f der Jeweils momentan vorhandenen
Frequenz fist des Oszillators 0.
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Der Proportionalitätsfaktor zwischen Frequenzänderung und Spannungsänderung
beträgt q, d.h. es gilt #f = q.#U dabei ist #U = 1/C (Jq#t1 + J2#t2) mit J1 = 10k
. J2 J2 = (10k#t1 +#t2) C mit #t1 = p . (|msoll - mist|-1) für |msoll - mist| 1>0
#t2 = p . (|msoll - nist|+ 10k) für |msoll - mist|>0 #t2 = p . |nsoll - nist|
für msoll @ mist = 0
Hieraus ergibt sich für die Frequenzkorrektur
p.q . J2 #f = . fsoll - fist C wobei das Vorzeichen von J2 so gewählt wird, daß
stets gilt: p . q . J2 #f = . (fsoll - fist) C mit #f>0 für fsoll - fist >
0 p . q . J2 Die optimale Einstellung ergibt sich für = 1 C Dabei genügt eine einzige
Messung und Korrektur zur Frequenzregelung.
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Die Hilfsfrequenz der Hilfsfrequenzquelle H2 kann von der Hilfsfrequenz
der Quelle H1 verschieden gewählt sein; dann ist folgende Bedingung zu beachten:
J1 10k fH1 = J2 fH2 Anstelle der geneigten Aufteilung in nur zwei Gruppen kann selbst
verständlich such eine Aufteilung in mehrere Gruppen vorgenommen werden, wenn die
Vergleichseinrichtung entsprechend erweitert wird.
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Um Zähldekaden zu ersparen, können Z2 oder die Zähler Z2 und Z4 auch
unmittelbar Teile des Ist-Wert-Zählers E sein. Die Ist-Wrt-Einstellung erfolgt dann
durch den Zählvorgang.
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Patentansprüche