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"Frequenzsynthetisator" Die Erfindung betrifft einen Frequenzsynthetisator,
der gegenüber bekannten Anordnungen Vorteile aufweist. Der Xrequenzsynthetisator
nach der vorliegenden Erfindung hat insbesondere eine größere Kurzzeitstabilität
als bekannte Anordnungen und ist in beliebig kleinen Frequenzsprüngen einstellbar.
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Bei einem bekannten 1?requenzsynthetisator wird die Ausgangsspannung
eines abstimmbaren Oszillators, der zusätzliche Mittel aufweist, um die Frequenz
in schmalen bereichen abzustimmen, einem prograinmierbaren Frequenzteiler zugeführt.
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Die Eigenschaft des Frequenzteilers bestimmsn u, a. die Größe der
Frequenzsprünge, in denen der Frequenzsynthetisator einstellbar ist. Die Ausgangsgröße
des Frequenzteilers wira einem Phasendiskriminator zugeführt, der, sofern die Ausgangsfrequenz
von einer gewünschten Frequenz abweicht, ein Ausgangsignal liefert, dessen Vorzeichen
und Größe ein Maß für den Frequenzunterschied zwischen eingestellter und gewünschter
Frequenz ist. Diese Ausgangsgröße des Phasendiskriminators
wird
Nitteln, die im abstimmbaren Oszillator enthalten sind, zugeführt, die eine Abstimmung
dessen in einem schmalen Bereich erlauben, d. h. in einem schmalen Frequenzbereich
um die gewünschte Frequenz herum. Diese Mittel können z. B. Kapazitätsvarianz -
Halbleiterbauelemente sein. Die Ausgangsgröße des Phasendistriminators korrigiert
dann die Ausgangsfrequenz des abstimmbaren Oszillators so lange, bis die Ausgangsgröße
des Phasendiskriminators zu Null wird.
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Bei einem anderen bekannten Frequenzsynthetisator wird die Ausgangsfrequenz
eines hochstabilen Festfrequenz-Oszillators einem programmierbaren Frequenzvervielfacher/Teiler
zugeführt.
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Die Ausgangsgröße des Frequenzvervielfachers/Teilers ist die gewünschte
Synthetisator-Ausgangsfrequenz und ist von der Einstellung der genannten Anordnung
abhängig. Die Ausgangsgröße des Mrequenzvervielfachers/Teilers wird dem einen Eingang
einer Phasenvergleichseinrichtung zugeführt. Dem anderen Eingang dieser Einrichtung
wird die Ausgangsgröße eines abstimmbaren Oszillators zugeführt, der, wie der Oszil,
lator beim vorerwähnten Beispiel, auf eine gewünschte Frequenz eingestellt werden
kann und Mittel enthält, um diese Frequenz in einem schmalen Bereich um die gewählte
Frequenz zu verstellen. Wenn die Ausgangsgrößen der Frequenzvervielfacher/Xeiler-Anordnungen
und des durchstimmbaren Oszillators voneinander abweichen, dann korrigiert die Ausgangsgröße
der
Phasenvergleichseinrichtung die Frequenz des abstimmbaren Oszillators so lange,
bis die Ausgangsgröße der Phasenvergleichseinriohtung zu Null wird.
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Beiden s@eben beschriebenen Anordnungen haften systembedingte Unzulänglichkeiten
an, die mit der Erzeugung kleiner Frequenzsprünge zwischen jeweils benachbarten
Einstellungen der Synthetisator-Ausgangsfrequenz zusammenhängen. Dies sei an einem
Beispiel einfach beschrieben: Es sei angenommen, der kleinste Frequenzsprung sei
100 Hz. Dann erscheint in der Ausgangsgröße des Phasendiskriminators bei der erstgenannten
Anordnung eine 100 Hz.Welligkeit. Eine ähnliche Welligkeit erscheint in der Ausgangsgröße
der Phasenvergleichseinrichtung der zweitgenannten Anordnung. Wenn es zugelassen
wird, daß diese Welligkeit den abstimmbaren Oszillator erreicht, dann erscheint
in dessen Aungangsspannung eine unerwünschte Frequenzmodulation. Die üblicherweise
verwendeten Abhilfsmaßnahmen, um dies zu unterdrücken bestehen darin, daß man in
die Zuleitung vom Phasendiskriminator oder der Phasenvergleichseinrichtung zu term
abstimmbaren Oszillator einen Schaltkreis mit einer großen Zeitkonstanten einfügt.
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Wenngleich die große Zeitkonstante eine wirksame Abhilfsmaßnahme zur
Unterdrückung der Welligkeit darstellt, bringt sie im vorliegenden Fall das Problem
mit sich, wie eine
Kurzzeitstabilität des abstimmbaren Oszillators
erreicht werden kann, denn die Zeitkonstante dieses Kreises bestimmt die Geschwindigkeit,
mit der Frequenzkorrekturen vorgenommen werden können, und den Zeitabstand zwischen
zwei möglichen Korrekturvorgängen, in dem eine Korrektur noch nicht vorhandon ist0
In Fällen, wo eine bosonders tohe Kurzzeitstabilität der Synthetisatorausgangsfrsquenz
und, ofer Phase verlangt ist, können solche langen Zeitkonstanten bct der Regelung
nicht hingenommen werden. Eine Alternativlösung zu dem anstehenden Problem, bei
der der abstimmbare Oszillator durch eine Vielzahl von kristall-gesteuerten Oszillatoren
ersetzt ist, ist normalerweise indiskutabel, da heutige Anordnungen, die Synthetisatoren
enthalten, eine sehr große Anzahl von Ausgangs frequenzen vorsehen, Man wird Jedoch
feststellen, daß die Kurzzeitstabilität die mit kristall-gesteuerten Oszillatoren
erreicht werden kann, in der Größenordnung liegt, wie sie von den abstimmbaren Oszillatoren
in den beiden genannten Frequenzsynthetisator-Anordnungen gewünscht wird, so daß
man das Problem als gelöst betrachten kant, sofern solches erreicht wird. In der
Praxis bedeutet dies, daß die Kurzzeitstabilität eines abstimmbaren Oszillators
von einem kristall-gesteuerten Oszillator bestimmt werden muß, Die Erfindung hat
sich zur Aufgabe gemacht, einen Frequenz synthetisator anzugeben, bei dem die Frequenzsprünge
der
Ausgangsfrequenz beliebig klein sind und bei dem die Eurzzeitstabilität
der Frequenz oder Phase der Ausgangs spannung größer ist als diejenige von bekannten
Anordnungen. Dies wird erreicht durch die Verwendung eines kristall-gesteuerten
Oszillators und durch die Verwendung eines Idler-Oszillators.
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der eine heruntergeteilte Frequenz des kristall-gesteuerten Oszillators
nachbildet und die Frequenz des Abstimmbaren Oszillators auf der gewünschten Frequenz
festhält. Wie später noch erläutert wird, können die Frequenzsprünge bei diesem
Steuermechanismus sehr klein gemacht werden' so daß es möglich ist eine Frequenz
einzustellen, die der gewünschten Frequenz sehr nahe liegt. Durch geringes "Ziehen"
des kristall-gesteuerten Oszillators wird dann die Frequenz des abstimmbaren Oszillators
exakt auf die gewünschte Frequenz eingestellt. Auf diese Weise wird der abstimabare
Oszillator zwischen einzelnen Abtastperioden durch die Frequenzgenauigkeit eines
kristall-gesteuerten Cszillators frequenzkonstant gehalten, während eine Langzeitstabilität
durch die üblichen Maßnahmen erreicht wird. Der Frequenz synthetisator nach aer
Erfindung enthält folgende Merkmale: Einen ersten abstimmbaren Oszillator mit kontinuierlicher
Frequenzeinstellung in einem vorgegebenen Frequenzbereich, welcher Mittel enthält,
die in Abhängigkeit eines ihnen zugeführten elektrischen Signals die Ausgangsfrequenz
in einem schmalen Frequenzbereich um eine gewählte Frequenz
festhalten;
einen programmierbaren Frequenzteiler, der in dem von dem ersten durchstimmbaren
Oszillator überstrichenen Sroquenzboreich arbeiten und Frequenzen erzeugen kann,
die zueinander jeweils einen vorgegebenen Frequenzsprung aufweisen; einen Steuergenerator,
der eine vorbestimmte Festfrequenz der M-fachen Größe liefert, wobei M eine ganze
Zahl ist; einen Frequenzteiler zum eilen der Frequen des Steuergenerators mit einem
Teilerfaktor der Größe M; eine erste Phasenvergleichseinrichtung, deren zwei Eingänge
mit den Ausgängen des progammierbaren Frequenzteilers und des Frequenzteilers des
Steuergenerators verbunden sind und die ein elektrisches Ausgangssignal liefert,
dessen Vorzeichen und Größe ein Maß für den Phasenunterschied zwischen den zwei
ihr zugeführten $Eingangsgrößen ist;;zwei kristallgesteuerte Oszillatoren, die auf
vorbestimmten Frequenzen, die um eine vorbestimmte Größe t2 voneindander abweichen,
arbeiten und die Mittel einschließen, die die vorbeatimmten Arbeitsfrequenzen in
Abhängigkeit vom elektrischen Ausgangssignal der ersten Phasenvergleichseinrichtung
gegeneinander verstellen; eine Mischanordnung, der die Ausgangsspann der beiden
kristall-gesteuerten Oszillatoren zugeführt werden und die aus diesen die Differenzfrequenz
t2 erzeugt; einen zweiten abstimmbaren Ossillator der Mittel beinhaltet, die in
Abhängigkeit von ihnen zugeführten elektrischen Größen dessen Ausgangsfrequenz in
einem schmalen Frequenzbereich um eine ausgewählte Nennfrequenz herum festhalten;
einem
zweiten Frequenzteiler, der die Ausgangsfrequenz des zweiten abstimmbaren Oszillators
durch den Faktor D teilt; eine zweite Phasenvergleichseinrichtung, deren zwei Eingängen
die Ausgangsfrequenz f2 des Mischers und die Ausgangsfrequenz des zweiten Frequenzteilers
zugeführt werden und die ein elektrisches Ausgangssignal liefert, dessen Vorzeichen
und Größe ein Maß für die Phasendifferenz zwischen den zwei ihr zugefuhrten Eingangsgrößen
ist, wobei dieses Ausgangssignal dem zweiten .abstimmbaren Osillator Zuge führt
wird, um das Ausgangssignal der zweiten Phasenvergleichseinrichtung bis auf Null
herunter abzugleichen; eine dritte Frequenzteileranordnung zum Teilen der Ausgangsfrequenz
des zweiten abstimmbaren Oszillators durch einen Faktor N, um eine Frequenz £1 zu
erzeugen, wobei f1 = f2 D : N ist; eine dritte Phasenvergleichseinrichtung, deren
zwei Eingänge die Ausgangsfrequenz f1 des dritten Frequenzteilers und eine Frequenz,
die von einem Punkt des programmierbaren Frequenzteilers abgenonmen wird, und die
von der im ersten abstimmbaren Oszillator eingestellten Frequenz abhängig ist, zugeführt
werden, so aaß die dritte -Phasenvergleichseinrichtuqg ein elektrisches Ausgangs
signal liefert, dessen Vorzeichen und Größe ein Maß für den Phasenunterschied der
ihr zugeführten Eingangsgrößen ist, wobei dieses elektrische Ausgangs signal dem
ersten abstimmbaren Oszillator zu dem Zwock zugeliefert wird1 dessen Frequenz so
nachzustellen, daß das Ausgangssignal der dritten Phasenvergleichseinrichtung
völlig
zu Null wird, und außerdem dieses elektrische Ausgangssignal im Zusammenwirken mit
einer Prüseinrichtung dazu benutzt wird, den Fangbereich der dritten Phasenvergleichseinrichtuiig
festzulegen, Die Erfindung soi an einem Ausführungsbeispiel, das in Blockdiagramm
in der Zeichnung wiedergegeben ist, naher erläutert. Das Ausgangssignal eines abstimmbaren
Oszillators 1 wird einem programmierbaren Frequenzteiler, der durch aufeinanderfolgende
Teilerdekaden 2 bis 7 gebildet wird, zugeführt. Die Anzahl dieser Teilerdekaden
richtet sich nach den jeweiligen Wünschen. Der abstimmbare Oszillator 1 enhält zugleich
Mittel, mit deren Hilfe, ausgelöst durch ein ihnen zugeführtes elektrisches Signal,
seine Ausgangsfrequenz nachgestellt werden kanne Die sechs Teilerdekaden im vorliegonden
Beispiel beginnen mit der 10-MHz-Dekade 2 und enden mit der 100-Hz-Dekade 7.
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Wenn die Ausgangsfrequenz des abstimmbaren Oszillators 1 genau auf
seiner Sollfrequenz ist, dann enthält die Ausgangsspannung des programmierbaren
Teiler am Block 7 100-Hz-Pulse, sofern die niedrigste Dekade 100-Hz-Schritte darstellt
Diese Pulse werden dem einen Eingang einer Phasenvergleichseinrichtung 8 zugeführt
Wenn die Ausgangsfrcquenz dos abstimmbaren Oszillators 1 nicht auf der genauen Frequenz
ist, dann weichen die der Phasenvergleichseinrichtung
8 zugeführten
Pulse von 100 Hz ab. Dem zweiten Eingang der Phasenvergleichseinrichtung 8 wird
im vorliegenden Beispiel eine 100-Hz-Vergleichsspannung zugeführt, die in einem
hochkonstanten (Normal-) Oszillator 9 erzeugt und in einem Frequenzteiler 10 heruntergeteilt
wird, Die Ausgangsgrbße der Phasenvergleichseinrichtung 8 ist daher ein Maß für
den Unterschied zwischen den zwei ihr zugeführten Eingangs größen.
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Die kristall-gesteuerten Oszillatoren 11 und 12 arbeiten auf vorbestimmten
Frequenzen, die voneinander um einen vorbestimmten Unterschied differieren. Wie
später noch klar wird, können diese Frequenzen und ihr Unterschied frei gewählt,
d. h. jeder spezifischen Situation angepaßt werden.
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Die zwc kristall-gesteuerten Oszillatoren 11 und 12 enthalten vorteilhaft
jeweils ein einkristallines xristallelement. Die Ausgangsspannungen der zwei Oszillatoren
11 und 12 worden einem Mischer 13 zugeführt, der aus ihnen die Differenzfrequenz
erzeugt. Die Arbeitsfrequenzen der zwei kristall-gesteuerten Oszillatoren werden
gageneinander durch die Ausgangsgröße der Phasenvergleichseinrichtung 8 verändert,
so daß die vom Mischer 13 erzeugte Ausgangsfrequenz vom Unterschied zwischen den
an dem Phasenkomparator 8 anliegenden Eingangsgrößen abhängig ist.
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Ein Idler-Oszillator 14 wird über dafür vorgesehene Mittel
von
der Ausgangsgröße einer Phasenvergleichseinrichtung 16 in seiner Frequenz kontrolliert.
Einem der Eingänge der Phasenvergleichseinrichtung 16 wird die Ausgangsfrequenz
des Mischers 13 zugeführt, dem anderen Eingang wird die auf eine entsprechende Größe
heruntergeteilte Ausgangsfrequenz eines Idler-Oszillators 14 zugeführt. Der Block
15 repräsentiert den zugehörigen Frequenzteiler. Die Nennfrequenz des Idler-Oszillators
14 kann wiederum beliebig gewählt werden. Es wird jedoch, nicht zuletzt durch theorethische
Untersuchungen klar, daß es umso besser ist, je höher dessen Frequenz gewahlt ißt,
Im allgemeinen wird die Frequenz des Idler-Oszillators von praktischen Uberlegungen
bestimmt Die Ausgangsspannung des Idler-Oszillators wird über einen Frequenzteiler
14 einer Phasenvergleichseinrichtung 18 zugeführt, deren zweiter Eingang eine Ausgangsspannung
von einer der Dekaden des programmierbaren Frequenzteilers, in diesem Fall vom Ausgang
der 1-kHz-Dekade 3, zugeführt wird.
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Die Ausgangsgröße der Phasenverglei#iseinrichtung 18 ist ein Maß
für den Unterschied zwischen den zwei Eingangsgrößen und wird im Zusammenwirken
mit einer Prüfeinrichtung 19 dazu verwendet, die Ausgangsfrequenz des abstimmbaren
Oszillators 1 ZU beeinflussen Kurz, es kann festgestellt werden, daß für eine eingestellte
Frequenz
die Elemente 11 bis 17 die Vergleichsfrequenz festlegen, die den Elementen 18 und
19 zugeführt wird, so daß die Ausgangsfrequenz des abstimmbaren Oszillators 1 auf
eine Frequenz gebracht wird, die sehr nahe der eingestellten Frequenz ist. Die in
ihrer Frequenz gegenseitig "sieh"-baren kristall-gesteuerten Oszillatoren 11 und
12 werden von einer Phasenvergleichseinrichtung 8* in diesem Fall zum Vergleich
von 100-Hz-Frequenzen. in ihrer Frequenz beeinflußt, um die Frequenz exakt gleichphasig
mit der des Normaloszillators 9 zu machen, wobei einge geringe tibersteuerung im
Regelkreis, bestehend aus den Elementen 11 bis 17, ausgeübt wird. Die besonders
hohe Kurzzeitstabilität der neuen Anordnung wird durch die kristall-gesteuerten
Oszillatoren 11 und 12 bestimmt.
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An einem praktischen Beispiel sei die Erfindung näher erläutert:
Der Frequenzbereich des bestimmbaren Oszillators 1 sei 3,8 bis 31,8 MHz, so daß
der Frequenzbereich an dem Punkt zwischen den Teilerdekaden 3 und 4, dessen Ausgangsgröße
der Phasenvergleichseinriehtung 18 zugeführt wird, von 0.038 bis 0,318 z reicht.
Die tiefste Teilerfrequenz sei 100 Hz, so daß dem einen Eingang der Phasenvergleichs
einrichtung 8 diese Nennfrequenz zugeführt wird, während dem anderen Eingang dieser
Einrichtung eine Frequenz von genau 100 Hz zugeführt wird, die durch einen 1-MHz-Oszillator
9 im Zusammenwirken mit einem 104 : 1-Frequenzteiler
erzeugt wird.
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In unserem Beispiel seien die Nennfrequenzen der zwei kristall-gesteuerten
Oszillatoren 11 und 12 20 MHz, wobei die genauen Frequenzen um 10-kHz voneinander
differieren.
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Dieses ist dann die Nennfrequenz, die als Ausgangsfrequenz des Mischers
13 der Phasenvergleichseinrichtung 16 zugeführt wird0 Diese Nennfrequenz von 10
kHz wird nachfolgend mit f2 bezeichnet. Als Nennfrequenz des Idler-Oszillators 14
sein im vorliegenden Fall f0 = 10 NHz frei gewählt. Der Frequenzteiler 15 hat dennach
ein Teilerverhältnis D von 10³ : 1. Die Arbeitsfrequenz des Idler-Oszillators 14
und wird außerdem in einem Frequenzteiler 17 durch einen Faktor N geteilt, un eine
Frequenz f1 zu erzeugen, die in einem Bereich von 0,038 bis 0,318 NHz liegt und
die der Phasenvergleichseinrichtung 18 zugeführt wird. Wie man sieht, bestehen zwischen
den Frequenzen folgend; Verhältnisse: f0 = N x f2 f1 = f0 : D = f2 x N : D Bei einer
Nennfrequenz von 10 NHz des Idler-Oszillators 14 und unter der Annahme, daß eine
Frequenz von 0,038 MHz am Eingang der Phasenvergleichseinrichtung 18 verlangt wird,
muß ein Teilerverhältnis D des Frequenzteilers 17 263 : 1 sein, wobei sich eine
Ausgangsfrequenz von 0,03802 MHz ergibt,
Ein Teilerverhdltnis von
262 : 1 ergibt eine Ausgangsfrequenz von 0,03816 MHz, so daß, wie man sieht, die
Frequenzsprünge kleiner als 1% sind. Betrachtet man die Frequenz 0,318 MHz, dv h.
das andere Ende des Frequenzbandes, dann erzeugen die Teilerverhältnisse 32 : 1
und 33 : 1 die Frequenzen 0,3125 MHz und 0,303 MHz, d.h. 3%-Sprünge. Die erwähnten
Sprünge können durch Änderung der Teilerfaktors N des Frequenzteilers 15 verschoben
werden, so daß der Idler-Oszillator 14 Jederzeit "gefangen" werden kann Einzelheiten
über den Aufbau des programmierbaren Frequenzteilers 2 bis 7 und die Frequenzteiler
15 und 17 fEr die spezielle Frequenzeinstellung unter Verwendung von elektronischen
Schaltkreisen sollen hier nicht näher beschrieben werden, weil dies nicht bestandteil
der vorliegenden Erfindung ist und sie zudem hinreichend bekannt sind. Es sei noch
erwähnt, daß man verschiedene Verfeinerungen vorsehen kann, z, B. durch ein Tiefpaßfilter,
das nan zwischen den Mischer 13 und die Phas envergleiohseinri chtung 16 einfügt,
durch ein Regelkreisfilter in der Steuerleitung zwischen der Prüfainrichtung 19
und aem Oszillator 1 usw.