DE2135490A1 - Frequenzmesser - Google Patents

Description

Patentanwalt DIPL.-PHYS. DR. W. LANGHOFF Rechtsanwalt B. LANGHOFF*

MÜNCHEN 81 · WISSMANNSTRASSE 14 · TELEFON 932774 · TELEGRAMMADRESSE: LANGHOFFPATENT MÜNCHEN

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München, den 15» Juli 1971 Unser Zeichen» 45 <=■ 856

Frequenzmesser Die Erfindung betrifft einen aktiven frequenzmesserο

Die bekanntesten Verfahren zum Messen einer Frequenz machen ?on einer Quantifizierung Gebrauche Zum Beispiel zählt man die Anzahl τοη Polwechseln während einer Bezugszeit, welche etwa durch die Öffnungszeit «ines Gatters gegeben ist, oder man zählt insbesondere bei tiefen zu messenden Frequenzen die Anzahl τοη Taktimpulsen während eine? Period« der «u messenden Frequenz» In beiden Fällen kann ein Fehler in der Grosse τοη einem Schritt bzw» τοη einem Impuls vorkommen, wodurch die Genauigkeit der Messung be» grenzt wirdο Bei der Messung von sehr tiefen Frequenzen lässt sieh die Frequenz als Kehrwert der gemessenen Periodendauer berechnen Wenn ein zu messendes Signal ein« gewisse Phasenunruhe hat, ist es aussenden* erforderlich, den Mittelwert aus einer grossen Anzahl von Perioden eu berechnen Man gelangt so zu Frequenzmessern, welche sehr komplexe Rechenvorrichtungen aufweisen und ausserst

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lange Maasdauern erfordernο

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Frequenzmesser au schaffen* welcher eine hohe Genauigkeit aufweist₀ eine sehr schnelle Messung ermöglicht und sowohl für sehr tiefe als auch für sehr hohe Frequenzen geeignet istο

Der Frequenzmesser nach der Erfindung zeichnet sich aus durch einen ereten» üblichen speichernden Frequenzmesser mittlerer Genauigkeit mit numerischen Ausgängen, durch einer " iterativen» von dem ersten Frequenzmesser programmierten Synthetisator? welcher einen Interpolationsoszillator auf» weist, der bei mehreren Dekaden des Synthetisatars kommutierbar ist₈ durch einen SubtraktiansmieehQr, der ?on der synthetisierten. Frequenz und der zu messenden Frequenz gespeiet wird, durch eine Steuereinrichtung zum Steuern der Frequenzänderung des Interpolationsoszillators durch die Ausgangsspannung des Subtraktlonsmlechere, und durch einen zweiten Frequenzmesser mit numerischen Ausgängen, der daß Frequenzinkrement des Interpolationsoszillatora misst_o

Der laterpolationsoszillator 1st you einem lokalen Oszillator einer der Dekaden des Synthetieators gebildet, welche Ziffern des zu messenden Frequenzwertes bilden, die von niedrigerer GrÖseanordnung sind als die von dem ersten Frequenzmesser gelieferten^ Die Frequenz des Interpolationsoszillators wird durch eine von dem Synthetisator und dem Subtractionsmischer gebildete Schleife auf einen Wert eingeregelt, dass ^ der Unterschied zwischen der synthetisierten Frequenz und der zu messenden Frequenz verschwindet» ao dass es reicht, den. durch den zweiten Frequenzmesser bestimmten Wert unter Berücksichtigung seines Gewichtes zu der synthetisierten Frequenz hinzuzuzählen, um die zu messende Frequenz zu erhalten.

Die Bezeichnung "aktiver Frequenzmesser" für did Schaltung

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BADORKStNAl.

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nach der Erfindung soll auf die Verwendung eines Synthetisatore hindeuten,,

Die Erfindung ist im folgenden anhand einer schematischen Zeiohnung an einem Ausführungsbeispiel ergänzend beschriebene

Die einzige Figur zeigt das Blockschaltbild eines Frequenz» meesere nach der Erfindung_o

In der Figur ist der Synthetisator 1 dargestellt, der γόη Üblicher Bauart sein kann und eine gewisse Anzahl Dekaden 2, >, A «oo 5* eine Trägerfrequenzquelle 6 und einen InterpolationsoBzillator 7 umfasste

Wenn Fo die Trägerfrequenz ist und die erste Zehnerstelle (Dekade) mit Po/10 bezeichnet ist, ergeben die aufeinanderfolgenden Dekaden, normalerweise an ihrem Ausgang Frequenzen, die jeweils gleich Fo/10 + Ι_χ/ΐ0 ; Fo/lO + Ι_χ + I₂ ; Fo/lO + I₁AOOO + I₂/100 + I3/IO ttswo sind ο TOT To* Dabei bedeuten I₁, Io, 1% usw_o die an die aufeinanderfolgenden Dekaden gelegten Frequenzinkrementeο Diese Inkremente sind sum Beispiel η mal 1O⁵Ha, wobei η zwischen O und 9 liegen kann und bei Jeder Dekade als codierter Wert anliegt, zum Beispiel in der Form 1-2-4-80

Am Ausgang der letzten Dekade 5 wird die Trägerfrequenz Fo durch einen Subtraktionamiseher 5a eliminiert, so dass am Ausgang des Synthetisators mit vier Dekaden die Frequenz F « ^I4 ^{+ 1}^/^{10 + 3}^/^{100 + 1}IA⁰⁰⁰ auftritt ο Dieser Ausgangewert liegt zwischen O bis 9999 Hs mit Schritten von 1 Hz₀

Bei der dargestellten Schaltung wird die Bezugsfrequenz von einem ersten Frequenzmesser geliefert, βχι dessen Eingang die zu messende Frequenz gelegt iat_o Man kann annehmen, dass diese hauptsächlich aus einem festen Term Fx besteht, der eich synthetisieren lässt, und aus einem herzuleitenden

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Zusatzterm £₀ Ale erster Frequenzmesser kann ein üblicher !frequenzmesser mittlerer Genauigkeit verwendet werden mit numerischen Ausgängen, etwa in der Codierung 1«»2<*4~β* und mit einem Speicher_o Die Ziffern der höchsten Ordnung der zu messenden Frequenz sind also in der betreffenden Codierung während der gesamten Dauer der Messung an den Ausgängen des Frequenzmessers 8 vorhanden» Sie Anordnung ist so getroffen, dass F der Wert Fx auferlegt wird*

Normalerweise ist bei einem Synthatisator ein Interpolationsoszillator vorhanden» dessen Frequenz kontinuierlich als Funktion einer Steuerspannung U veränderbar istο Dieser Oszillator kann an irgendeine der Dekaden angeschlossen sein und einen der Unterbrecher 9 bis 12 schlieeeezu Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist dieser Oszillator ersetzt durch den lokalen Oszillator einer der Dekaden (zum Beispiel 2 oder 3), welche die Ziffern mit niedrigerer Be« deutung beisteuern als der Frequenzmesser 8„

Der Interpolationsoszillator fügt dem Inkrement (I₂ oder I₅) ein zweites Inkrement Δ von positiven oder negativen Vorzeichen bei, dessen Maximalwert gleich dem zehnfachen eines Schrittes istο Wenn dieses zweite Inkrement in der Dekade 2 eingeführt wird, wird die Ausgangsfrequens F um den Betrag i^/1000 vergrösserto Wenn es in der Dekade 3 eingeführt wird, erhöht sich die Ausgangsfrequenz um Λ /100,

Die Ausgangsfrequenss F des Synthetisators 1 gelangt an den Subtraktionsmischer 13, an dem auch die zu messende Frequenz eingespeist wirdo Die Mischfrequeue Fx + £ - P wird vorzugsweise Über einen Integrationsverstärker, der als Verstärker 14 mit angeschlossenem Kondensator 15 dargestellt ist, und der die Spannung U liefert, an eine Steuereinrichtung für die Frequenz des Interpolationsoszillator» 7 gelegt,

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Steuereinrichtung ist zum Beispiel eine Kapazi täte variationsdiode·

Die verhältnismäßig hohe Trägerfrequenz des Interpolations« Oszillators 7 von beispielsweise F^ » 15 MBz macht eine gewisse Frequenzänderung Δ mlt_o Da diese auf eine der Dekaden, etwa auf die Dekade 2 einwirkt, ändert sich diese um das Inkrement Δ/1000, wodurch die Ausgangefrequenz des Synthetisators 5 ebenfalls verändert wirdo

Daraus ergibt sich» dass die Mischfrequenz auch geändert wirdo Dadurch wird erreicht» dass die Frequenzänderung letztlich ganz *u Hull gemacht wirdo Dann ist die Frequenz des Interpolationsoszillators 7 gleich F, + ^i° ^⁸ positive oder negative Inkrement Δ,-^ lässt sich durch einen zweiten Frequenzmesser 16 mit numerischen Ausgängen

Der Interpolationsoszillator 7 führt nicht nur das Inkrement α ein, sondern auch die Trägerfrequenz F₁, die an sämtliche Dekaden gelangt und die in die Trägerfrequenz des Synthetisators einbezogen wird» Dies ist im einzelnen bekannt und daher nicht weiter beschrieben«

Offensichtlich ist die zu messende Frequenz Fx + £ schliess« lich gleich der Summe der Frequenz Fx₉ wie sie vom Frequenz· messer 8 angezeigt wird, und dem η-ten Teil der Frequenz» anzeige des Frequenzmessers 16, wobei η das Teilungsverhältnis des durch den Interpolationsoszillator 7 hinzugefügten Inkrementβ in den Dekadeniist_s die auf diejenige folgen, bei der der Unterbrecher geschlossen ist_o Bei dem Auaführungebeispiel ist η » 100O₀ Auf den zweiten Frequenzmesser 16 folgt ein Teller 16a, welcher durch η teilt, und das Ergebnis wird zu Fx in einen Binäraddierer 17 addiert, an den eine Ziffernanzeigeeinrichtung 1Θ angeschlossen istα

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Bei der Messung der Steuerspannung U des Oszillators, τοη der Αχ linear abhängt, erhält man eine Analoganzeige des Wertes der abgeleiteten Frequenz 8» der auch graphisch auf·= gezeichnet werden kann_o

Das Auflösungevermögen der beschriebenen Schaltung wird für eine vorgegebene Mess dauer im wesentlichen mit a multipliziert _o Dieser Fehlermultiplikator Scann den £ert 10 oder besser erreichen bei Vervrendung eines Synthetisators mit . einer genügenden Anzahl τοη Dekaden_o Bau kann beiepiela-" weise eine Frequenz τοη 60 MHc bei einer Hessdauer τοη 1 Sekunde mit einer Genauigkeit τοη l/l°⁰⁰ Hs messen. Die Wahl τοη n, also das Auflösungsvermögen in den durch die Anzahl der Dekaden festgelegten Grenzen geschieht nach folgenden Überlegungen«, Einerseits muss η so gross sein» dass das Inkrement A/n, gleich ob positiv oder negativ» welches der Oszillator ausführen kann aufgrund des Frequenz» bereichs der Phasenverriegelungsschleife, die Bildung τοη Fx +^₁ in dem Synthetisator bewirken kann_v wobei £. der maximale Wert der Abweichung ζ ist» Andererseits darf das Phasenrauschen oder Frequenzrauschen der zu ness enden Frequenz= quelle nicht zu grösseren Frequenzabweichungen fuhren als

Der Frequenzmesser nach der Erfindung ermöglicht sowohl die Messung tiefer Frequenzen als auch hoher Frequenzen, wenn man den Synthetisator entsprechend aufbautο

Der Verstärker 14 braucht nicht unbedingt integrierend zu eeiSo Pie Integration ermöglicht Jedoch eins gemittelte Frequenzmessung mit verschiedenen Integrationszeitkon=» β tauten, um dadurch den Einfluss des Rauschens τοη Fx auß~ zumittelno

Die Schaltung verwendet eine einzige Frequenzquell· für eine Frequenz Fo mit günstigem Wert, beispielsweise 1 bis 5

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die durch einen Quarz stabilisiert istο

Wenn die Abweichung £ einen verhältnismässig grossen Wert erreicht hat, lässt eich der Frequenzmesser leicht auf Null stellen und dadurch eine neue Messung der Frequenz Fx mittels des Frequenzmessern 8 durchführenο

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Claims (1)

1. P&tentanspräche

   Frequenzmesser» gekennzeichnet durch einen ersten _r üblichen speichernden Prequenzmeseer W mittlerer Genauigkeit mit numerischen Ausgängen, durch einem iterativen, von dem ersten Frequenzmesser programmierten Synthetisator, welcher eines Interpolations oszillator aufweist, der bei mehreren Dekaden des Synthetisators kommutierbar ist, durch einen Subtraktionsmischer, der von der synthetisierten Frequenz - und der su mess enden Frequenz gespeist wird, durch eine Steuereinrichtung zum Steuern der Frequenzänderung des Interpolationeoszillators durch die Auegangespannung des Subtraktionsraiachers, und durch einen zweiten Frequenzmesser mit numerischen Ausgängen» der das Frequenz» inkreaent des Interpolationeoezillatore misst_o

   ο Frequenzmesser nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Summierschaltung zum Summieren der rom ersten Frequenzmesser gemessenen Frequenz und der rom zweiten Frequenzmesser gemessenen Frequenz unter Berücksichtigung des Gewichtes des letzteren Wertes entsprechend der Stellung des Unterbrechers» der den Interpolationsoszillator mit den Dekaden des Synthetisators verbindetο

   3. Frequenweaer nach Anepruoh 1 oder 2, dadurch gekennseiohnet, daee der Subtraktionemiecher Bit 4er Steuereinrichtung far den Izjterpolatione-

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   oeelllator uitmr «inen integrierenden Verstärker rer»

   'Hasch Anspruch 3» g β k β s Q ζ β i

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   4Φ

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