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Einrichtung zur Messung der ubertragungsfunktion einer Phasenregelschleife
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Messung der Übertragungsfunktion
einer Phasenregelschleife, bestehend aus einem Oszillator mit einer Frequenzmodulationseinrichtung,
der ein Modulationssignal zugeführt wird, und einem Phasendiskriminator, dem ein
Teil der Ausgangs energie des Oszillators und eine feste Vergleichsfrequenz zugeführt
wird, dessen Ausgangsspannung einer Meßeinrichtung für die Modulationssignale zugeführt
ist.
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Zur Synchronisierung von Oszillatoren auf eine sehr frequenzstabile,
normalerweise Quarz-stabilisierte Vergleichsfrequenz werden häufig Phasenregelschleifen
verwendet. Das Ausgangssignal des frei schwingenden und zu synchronisierenden Oszillators
wird in einem Phasendiskriminator mit dem frequenz stabilen Signal verglichen. Die
Ausgangsspannung des Phasendiskriminators wird über Filtermittel, meist Tiefpässe,
einem Frequenzstellglied, meist dem für die Frequenzmodulation des Oszillators an
sich vorhandenen Modulierglied zugeführt. Die Nachstellspannung aus dem Phasendiskriminator
wird dabei so an das Stellglied angelegt, taaß der Oszillator praktisch phasenstarr
an die feste Vergleichsfrequenz angebunden wird, Da die offene Phasenregelschleife
für das der Modulationseinrichtung des
Oszillators zugeführte Signal
im allgemeinen eine Verstärkung wesentlich -1 bringt, besteht die Schwierigkeit,
die bekannte Bode-Bedingung einzuhalten, d.h. zu vermeiden, daß die geschlossene
Regel schleife bei irgendeiner Frequenz innerhalb und außerhalb ihrer ubertragung3bandbreite
sich dem Schwingungszustand annähert oder schwingt. Es ist hierzu notwendig, den
Amplituden- und Phasengang der Schleife zu messen, und zwar möglichst ohne dabei
das normale Verhalten der Regelschleife zu stören.
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Es sind hierzu Verfahren bekannt, um die Schleife im offenen Zustand
zu messen, jedoch ist dabei der Oezillator im nicht gerasteten Zustand. Ferner sind
Verfahren bekannt, bei denen zwar die Schleife geschlossen ist, jedoch nicht das
Gesamtverhalten der Regel schleife hinsichtlich Phase und Amplitude zu ermitteln
ist, oder der Meßaufwand sehr groß ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg anzugeben, bei
dem die obigen Forderungen mit einfachen Mitteln erfüllt werden.
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Diese Aufgabe wird bei einer Einrichtung zur Messung der Sbertragungsfunktion
einer Phasenregelschleife, bestehend aus einem Oszillator mit einer Frequenzmodulationseinrichtung,
der ein Modulationssignal zugeführt wird, und einem Phasendiskriminator, dem ein
Teil der Ausgangsenergie des Oszillators und eine feste Vergleichsfrequenz zugeführt
wird, dessen Ausgangsspannung einer Meßeinrichtung für die Modulationssignale zugeführt
ist, gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die durch die Meßeinrichtung unterbrochene
Phasenregelschleife
über eine zusätzliche Hilfsregplschleife mit einem zweiten Phasendiskriminator,
dem ebenfalls das Vergleichssignal zugeführt ist, die den Oszillator im gerasteten
Zustand erhält, überbrückt ist.
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Es ist vorteilhaft, wenn die Hilfsregelschleife zwischen dem Ausgang
des Phasendemodulators und dem Eingang der Frequenzmodulationseinrichtung des Oszillators
liegt.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Hilfsregelschleife einen Tiefpaß
enthält mit einer unteren Grenzfrequenz, die im Verhältnis zum Meßfrequenzbereich
verhältnismäßig niedrig liegt.
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Vorteilhaft wird in die Leitung, die von der Quelle für die Vergleichsfrequenz
zum Phasendiskriminator führt, eine Phasenschiebeeinrichtung, vorzugsweise eine
Leitung variabler Länge, eingefügt, die so eingestellt ist, daß die demodulierte
Meßfrequenz an der Meßeinrichtung die größte Amplitude hat.
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Zur besseren Anpassung an die normalen Arbeitsbedingungen des Phasendiskriminators
ist es ferner vorteilhaft, wenn zusätzlich zur Phasenschiebeeinrichtung ein variables
Dämpfungsglied vorgesehen ist, mit dem der Pegel für die Vergleichsfrequenz gleich
dem normalerweise am Eingang des ersten Phasendiskriminators herrschenden Pegel
eingestellt wird.
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Vorteilhaft ist es ferner, wenn zwischen dem Ausgang des Oszillators
und dem zugehörigen Eingang des zweiten Phasendiskriminators ein Entkopplungsglied,
ausgebildet als Verstärkungs- oder Dämpfungsglied, vorgesehen ist.
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Zweckmäßig wird in der Hilfsregelschleife ein weiteres Entkopplungsglied
vorgesehen, das Richteigenschaft in der Art hat, daß einSignalfluß nur vom Ausgang
des zweiten Phasendiskriminators in Richtung Regeleingang des Oszillators möglich
ist.
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Eine vorteilhafte Alternative hierzu besteht darin, daß die Hilfsregelschleife
bei Verwendung eines Varaktors als Frequenzmodulationseinrichtung an dem gegenüber
dem Einspeisepunkt für die Modulationssignale anderen Ende der Varaktordiode angekoppelt
ist.
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Es ist ferner vorteilhaft, wenn die Hsuptregelschleife am Auftrennpunkt
durch eine die Eingangsreaktanz fiir die Regel signale möglichst genau nachbildende
Reaktanz abgeschlossen ist und die Meßeinrichtung für Amplitude und Phase gegenüber
dieser Reaktanz einen vernachlässigbar hochohmigen Parallelzweig darstellt.
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Ein vorteilhaftes Meßverfahren für die geschilderte Einrichtung besteht
darin, daß durch Beobschtung der Signale an der Meßeinrichtung das Ubertragungssignal
der Hilfsregelschleife derart eingestellt wird, daß sich Dämpfungsänderungen in
der Hilfsregelschleife im Meßsignsl nicht mehr bemerkbar machen.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand einer Figur näher erläutert.
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Die Figur zeigt im strichpunktierten Rahmen eine zu prüfende Phasenregelschleife
PR im Blockschaltbild. Darin ist der frei schwingende Oszillator mit 3 bezeichnet.
Dieser Oszillator besitzt wie üblich eine Frequenzmodulationseinrichtung, vorzugsweise
eine an den frequenzbestimmenden Resonator angekoppelte Varaktordiode, deren Vorspannung
durch eine Stellgröße mit der Frequenz fst beeinflußbar ist. Ein Teil der Ausgangsenergie
des Oszillators 3 ist auf einen Phasendiskriminator 1 gegeben, dem ferner eine stabile
Vergleichsfrequenz zugeführt wird. Die Ausgangsspannung des Phasendiskriminators,
die ein Kriterium für die Phasenabweichung der beiden Schwingungen darstellt, wird
ggf. über einen Gleichstrom übertragenden Verstärker 4 und die gestrichelt eingezeichnete
Leitung A, B dem Stellglied des Oszillators 3 wieder so zugeführt, daß der Oszillator
auf die stabile Vergleichsfrequenz synchronisiert wird. Die stabile Vergleichsfrequenz
liefert im Normalfall ein temperaturstabilisierter Quarzgenerator, der hier durch
einen für die Meßeinrichtung genügend genauen Meßsender S ersetzt ist. Die Nachbildung
des Eingangswiderstandes für den Stelleingang des Oszillators 3 mit der Impedanz
Z ist nur für das nachfolgend beschriebene Meßverfahren von Bedeutung.
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Für dieses Meßverfahren wird die Schleife zwischen den Punkten A und
B aufgetrennt und der Punkt A über
die Nachbildung Z mit dem Schaltungsnullpunkt
verbunden. Der Ausgang des Verstärkers 4 findet so den im Normalbetrieb vorliegenden
Abschlußwiderstand. Da nun die Schleife unterbrochen ist, würden einem Meßverfahren
für das ttbertragungsverhalten der Phasenregelschleife hinsichtlich Amplitude und
Frequenzgang sowie Phasengang unwirkliche Verhältnisse zugrunde liegen. Gemäß dem
Vorschlag der Erfindung wird dem dadurch abgeholfen, daß eine zweite Phasenregelschleife
eingeführt wird, die mit möglichst schwacher Ankopplung den Oszillator im gerasteten
Zustand erhält. Hierzu ist ein zweiter Phasendiskriminator 2 vorgesehen, dessen
beiden Eingängen wieder die Oszillatorfrequenz fo und die Vergleichsfrequenz fo
vom Meßsender S zugeführt wird. Der Ausgang dieses Phssendiskriminators ist über
einen Gleichstrom Ubertragenden Verstärker 5 und eine vorzugsweise variable Reaktanz
6 zur Überbrückung der ansonsten offenen Regel schleife wieder mit dem Stelleingang
des Oszillators 3 verbunden. Zur Ermittlung der Übertragungseigenschaften der Hauptregelschleife
wird nun an den Stelleingang des Oszillators über einen weiteren Sender M ein Modulationssignal
fm angelegt. Dieses zusätzliche Modulationssignal erscheint am Ausgang A der Phasenregelschleife
in der durch die Eigenschaften der Schleife veränderten Form. Es wird von dort aus
einem Phasenmeßplatz oder Oszillograph PM zugeführt, dem zum Vergleich gleichzeitig
das Modulationssignal fm zugeführt iat. Die Eingangsimpedanz des Meßplatzes ist
im Vergleich zur Impedanz Z groß, so daß das Meßergebnis durch die Anschaltung des
Meßgerätes PM möglichst wenig beeinilußt wird.
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Für die Hilfsschleife ist Bedingung, daß ihr Ubertragungsverhalten
das der zu prüfenden Regelschleife möglichst wenig beeinflußt. Dies wird dadurch
erreicht, daß die Hilfsregelschleife eine im Verhältnis zum Meßfrequenzbereich niedrige
untere Grenzfrequenz hat und andererseits dadurch, daß die Ankopplung an den Stelleingang
schwach ist. Ferner ist, um den unmittelbaren Übertritt von Modulationssignalen
fm über die Hilfsschleife auf den zweiten Diskriminator 2 zu vermeiden'in der Hilfsschleife
HS eine gerichtete Kopplung vorgesehen, zweckmäßig aus einem möglichst rückwirkungsfreien
Verstärker 5 bestehend. Mit dem variablen Dämpfungsglied 6 kann dann die Ankopplung
an den Stelleingang des Oszillators so schwach eingestellt werden, daß sich eine
Rückwirkung auf die Hauptregelschleife nicht mehr ergibt. Dies kann einfach dadurch
festgestellt werden, daß sich Dämpfungsänderungen in der Hilfsregelschleife im Meßsignal
der Hauptregelschleife nicht mehr bemerkbar machen.
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Die Entkopplung der Hilfsregelschleife HS vom Modulationssignal fm
kann vorteilhaft auch, wie durch die gestrichelte Linie 7 angedeutet, so vorgenommen
werden, daß das über die Hilfsschleife rückgeführte Regelsignal dem Fußpunkt der
Varaktordiode zugeführt ist, d.h. also dem gegenüber dem Anschluß für das Modulationssignal
anderen Anschluß. Da die Varaktordiode meist in einem relativ hochohmigen Vorspannungskreis
liegt, ist diese Entkopplungsmethode in vielen Fällen einfach zu verwirklichen.
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Um ferner den optimalen Arbeitspunkt auf der Kennlinie des Phasendiskriminators
1 einstellen zu können, liegt in der Leitung zwischen dem Meßsender S und dem zugehörigen
Vergleichsfrequenzeingang des Phasendiskriminators 1 ein einstellbarer Phasenschieber
9, vorzugsweise eine Leitung variabler Länge. Es läßt sich dann auf einfache Weise
ein Arbeitspunkt im Nullpunkt, also im steilsten Teil der Diskriminatorkennlinie,
einstellen. Um ferner zu erreichen, daß der Pegel des Vergleichssignals am zugehT
igen Eingang des Diskriminators 1 den normalen Arbeitsverhältnissen für die geschlossene
Phasenregelschleife entspricht, ist es zweckmäßig, in die Leitung mit dem Phasenschieber
auch ein veränderbares Dämpfungsglied einzuschalten.
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Es kann mit der geschilderten Meßinrichtung vorteilhaft einfach und
genau das Verhalten der Phasenregelschleife untersucht werden, insbesondere in den
Randbezirken des Obertragungsbereiches. Wie an sich für solche Meßeinrichtungen
bekannt, kommt es dabei auf die Ermittlung des sogenannten Amplituden- und Phasenrandes
in diesen Bezirken an, d.h. den Wert der Dämpfung, bei dem die Phase 1800 erreicht
hat bzw. die Phasendifferenz zu 1800, wenn die Verstärkung und Dämpfung der Schleife
amplitudenmäßig gleich 0 ist.
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10 Patentansprüelle 1 Figur