DE2135490B2 - Digitaler Frequenzmesser - Google Patents

Description

Die F.rfindung betrifft einen digitalen Frequenzmesser mit einer in ihrer Frequenz steuerbaren Oszillatoranordnung nach dem Interpolations- bzw. Transferprinzip, mit einer Subtraktionsmischanordnung, welcher ein Ausgangssignal der steuerbaren Oszillatoranordnung und das Signal mit der zu messenden Frequenz zugeführt sind, mit einer Steuerschaltung für Frequenzsteuerung der Oszillatoranordnung auf SchwebungsnuU der Mischfrequenz, mit einem lokalen Festfrequenzgenerator. dessen Ausgangssignal zusammen mit einem Interpolationsfrequenzsignal einer Frequenzumsetzung unterliegt, mit einem zumindest digitale Ausgänge und Anzeigemöglichkeit besitzenden Grobfrequenzmesser zur Ermittlung höchstwertiger Stellen der unbekannten Frequenz, und mit

to einem zumindest digitale Ausgänge und Digitalanzeigemöglichkeit besitzenden, die Frequenz des steuerbaren Oszillators auswertenden Feinfrequenzmesser. Bei einem bekannten derartigen Frequenzmesser (FR-PS 1339808) sind zwei in der Frequenz steuerbare Oszillatoren vorgesehen sowie eine Zusatzeinrichtung zum Erzeugen von Oberwellen der Grundfrequenzen dieser Oszillatoren. Die Frequenz des zweiten Oszillators wird von einem Zähler während einer Zeitdauer zugeführt, die einem Vielfachen der zehnfachen Differenz der beiden Oszillatorfrequenzen entspricht. Ferner wird die Zahl der Perioden der ersten Frequenz in einem weiteren Zähler gezählt, wobei dieser Zählwert als Maß für die zu messende Frequenz genommen wird. Bei einem derartigen Fre-

queiizmesser kann ein Fehler in der Größe von einer Periode der Frequenz vorkommen, wodurch die Genauigkeit der Messung begrenzt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Frequenzmesser der eingangs genannten Art zu schaf-

J-: fen, welcher eine hohe Genauigkeit aufweist, eine sehr schnelle Messung ermöglicht und sowohl für sehr tiefe als auch für sehr hohe Frequenzen geeignet ist.

Die Lösung dieser Aufgabe ist darin zu sehen, daß die in der Frequenz steuerbare Oszillatoranordnung

r> eine Frequenzsyntheseschaltung mit Programmiereingängen in jeder Dekadenstufe aufweist sowie eine Schaltereinrichtung zum wählbaren Anschalten des Oszillators an eine der Dekadenstufen, daß dem Grobfrequenzmesser das Signal unbekannter Frequenz zugeführt ist und seine Digitalausgänge mit den Programmiereingängen der jeweils entsprechenden Dekadenstufen der Frequenzdekade verbunden sind, und daß die Steuerschaltung eine Schaltung zum Erzeugen der Steuerspannung für den frequenzsteuerbaren Oszillator als Funktion der Ausgangsfrequenz des Subtraktionsmischers enthält, und daß der Feinfrequenzmesser unmittelbar am Ausgang des steuerbaren Oszillators liegt, so daß die Summe von Grob- und Feinanzeige das Meßergebnis darstellt. Bei einem

to derartigen Frequenzmesser ergibt sich ein gegenüber bekannten Schaltungen wesentlich erhöhtes Auflösungsvermögen bei vorgegebener Meßdauer.

Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

v, Die Erfindung ist im folgenden anhand einer schematischen Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel ergänzend beschrieben.

Die Figur zeigt das Blockschaltbild eines Frequenzmessers.

Mi Der Frequenzmesser umfaßt eine Frequenzsyntheseschaltung 1, die eine Anzahl Frequenz-Dekadenstufen 2, 3, 4 und 5, eine Konstantfrequenzquelle 6 und einen in seiner Frequenz steuerbaren Oszillator 7 umfaßt. Die erste Dekadenstufe 2 ist an die Konstantin frequenzquelle 6 angeschlossen und empfängt von dieser die sogenannte Trägerfrequenz F₁₁, die weiter unten noch erläutert ist.

Die erste Dekadenstufe 2 umfaßt einen Teuer mit

dem Teilungsverhältnis 10, eine Schaltungseinrichtung zum Erzeugen der Frequenz 9/10 F₀ aus F₀ und einen Mischer zum Erzeugen einer Mischfrequenz

9/10 F₀ + F₀ZlO + Z₁ = FJlO + /., wobei /, eine Frequenz bedeutet, die über die vier Programmiereingänge der DeVaienstufe 2 eingespeist wird.

Diese Mischfrequenz gelangt an die zweite Dekadenstufe 3, weiche ebenfalls einen Teiler mit de m Teilungsverhältnis 10 enthält zum Erzeugen der Frequenz F₀ZlO-I-Z₁ZlO, eine Schaltung zum Erzeugen der Frequenz 9 F₀/10 aus F₀ und einen Mischer zum Erzeugen der Mischfrequenz

F₀ZlO +/,/10 + 9F₀ZlO-I-/,,

wobei I₂ die an die Programmiereingänge der zweiten Dekadenstufe 3 gelegte Frequenz bedeutet. Am Ausgang dieser zweiten Dekadenstufe 3 entsteht also die Mischfrequenz F₀ + Z₁ZlO + L.

Die Dekadenstufen 4 und S sind gleichartig aufgebaut. Daher entsteht am Ausgang der dritten Dekadenstufe 4 eine Mischfrequenz

F₀ +/,ZlOO+ Z₂ZlO +Z₃,

und am Ausgang der vierten Dekadenstufe 5 die Frequenz

F₀ + Z₁ZlOOO + Z₂ZlOO + /,ZlO + Z₄.

Die Syntheseschaltung umfaßt ferner einen Subtraktionsmischer 5a, dem die Trägerfrequenz F₀ aus der Konstantfrequenzquelle 6 sowie die Au gangsfrequenz der vierten Dekadenstufe S zugeführt wird. Dieser Subtraktionsmischer eliminiert die Trägerfrequenz F₀, so daß am Ausgang desselben die Frequenz F= Z. + Z/10+ /₂Zl00 + /,ZK)OO anliegt.

Ein Grobfrequenzmesser 8, dem die zu messende Frequenz F₂ zugeführt wird, weist vier parallele Digitalausgänge auf, der die zu messende Frequenz in der Codierung 1-2-4-8 angibt und einen Speicher aufweist. Die Ziffern der höchsten Ordnung der zu messenden Frequenz sind in der oben angegebenen Codierung wählend der gesamten Dauer der Messung an den Digitalausgängen des Grobfrequenzmessers 8 vorhanden.

Die vier Digitalausgänge sind mit den Programmiereingängen der Dekadenstufen 2 bis 5 verbunden.

/,, /₂···/₄ bedeuten, wie bereits oben erwähnt, die an die aufeinanderfolgenden Dekadenstufen 2 bis 5 gelegten Frequenzen, die von den Ausgängen des Grobfrequenzmessers 8 herrühren. Diese Frequenzen sind z. B. η X 10¹ Hz, wobei η zwischen 0 und 9 liegen kann und bei jeder Dekadenstufe als codierter Wert in der Form 1-2-4-8 anliegt.

Die Zahl η wird so gewählt, oder anders ausgedrückt, die Frequenzsyntheseschaltung so programmiert, daß sich eine synthetisierte Frequenz F ergibt, die möglichst nahe an der zu messender Frequenz liegt.

Es sei beispielsweise angenommen, daß die zu synthetisierende Frequenz 9724 Hz sei. Die Frequenzen /, bis Z₄ müssen dann folgende Werte haben: /,=4χ10^ΛΗζ; Z₂ = ^XlO¹Hz; Z₃ = TxH)¹Hz und I₄ = 9 X 10·' Hz. Die Programmierung auf diese Frequenzen erfolgt durch die vier Programmiereingänge, die in dem Code 1-2-4-8 codiert sind.

Bisher wurde angenommen, daß der steuerbare Oszillator 7 abgeschaltet ist. Nunmehr sei angenommen, daß z. B. der Schalter 10 geschlossen sei. Die Dekadenstufe 3 erzeugt dann an ihrem Ausgang die Frequenz F₀ + Z₂ + Δ. Wenn nämlich der Schalter 10 geschlossen ist. ist die Dekadenstufe 3 nicht mehr mit

der Dekadenstufe 2 gekoppelt und empfängt einerseits die Frequenz F₀ -r Δ von dem steuerbaren Oszillator 7 und andererseits die Frequenz Z₂. Schaltungen zum Durchführen dieses Vorganges sind bei Frequenzdekaden an sich bekannt.

Die Dekadenstufe 4 ergibt die Ausgangsfrequenz F₀+Z₂Z10 + 4Z10 + Z₃, so daß die Ausgangsfrequenz F der Syntheseschaltuiig schließlich wird: F= Z₄ + Z₃ZlO + Z₂ZlOO + 4ZlOO. In dem obigen Beispiel ergibt die" Syntheseschaltung also die Frequenz 9720 Hz+ Δ1100. wobei Δ von -10 KHz bis +10 KHz variabel ist.

Das entsprechend geformte Ausgangssignal des Subtraktionsmischers 13 ist an einen Verstärker 14 mit parallelgeschaltetem Kondensator 15, also an ein^n Miller-Integrator gelegt, der eine Ausgangsspannung erzeugt, die ein Maß der Ausgangsfrequenz des Subtraktionsmischers 13 ist. Diese Ausgangsspannung gelangt als Steuerspannung U an den steuerbaren Oszillator 7 und stellt dessen Frequenz so nach, daß der Unterschied zwischen der synthetisierten Frequenz und der zu messenden Frequenz verschwindet, so daß man durch Addition der Anzeige des Grobfrequenzmessers 8 und des Fein-Frequenzmessers 16 die zu messende Frequenz erhält.

Ein Wandern der verhältnismäßig hohen Frequenz des Oszillators 7 hebt sich durch die Rückmischung der von diesem Abwandern beeinflußten synthetisierten Frequenz in der Mischstufe 5a mit eben dieser Oszillatorfrequenz auf.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist an den Feinfrequenzmesser 16, da dieser keine Frequenz in binärcodierter Form ausgibt, ein Teiler 16a angeschlossen, der die Binärcodierung durchführt, und zwar durch einen in den Teiler integrierten Analog-Digitalwandler, wie an sich bekannt.

Die Digitalsignale aus dem Grobfrequenzmesser 8 und dem Teiler 16a werden in einem Binäraddierer 18 addiert und ergeben die zu messende Frequenz, die in der Digitalanzeigevorrichtung 18 angezeigt wird.

Die Frequenz des steuerbaren Oszillators 7 kann man sich zusammengesetzt denken aus einer festen Grundfrequenz F₁ und einer variablen Frequenz Δ, weiche eine lineare Funktion der Steuerspannung U ist.

Offensichtlich ist die zu messende Frequenz Fx + ε gleich der Summe der Frequenz Fx, wie sie von dem Grobfrequenzmesser 8 angezeigt wird, und dem «-ten Teil der Frequenzanzeige des Feinfrequenzmessers 16, wobei η das Teilungsverhältnis der durch den steuerbaren Oszillator 7 hinzugefügten Frequenzänderung Δ in den Dekadenstufen ist, die auf diejenige folgen, bei der der betreffende Schalter geschlossen ist.

In dem betrachteten Ausführungsbeispiel ist /J = 10·¹. Der auf den Fein-Frequenzmesser 16 folgende Teiler 16a hat eben dieses Teilungsverhältnis, so daß der Ausgangswert dieses Teilers mit dem Ausgangswert des Grobfrequenzmessers 8 die zu messende Frequenz ergibt.

Das Auflösungsvermögen der beschriebenen Schaltung wird bei einer genügenden Anzahl von DekaJenstufen für eine gegebene Meßdauer um einen Faktor vergrößert, der bis zu 10⁶ betragen kann. Man kann beispielsweise eine Frequenz von 60 MHz bei einer Meßdauer von 1 Sekunde mit einer Genauigkeit

VOIl IZ 1000 H7 messen. Dip Wahl mn Ii nlcorlüc Auf.

lösungsvermögen in den durch die Anzahl der Dekadenstufen festgelegten Grenzen geschieht nach folgenden Überlegungen:

Einerseits muß η so groß sein, daß der Wert AIn, ganz gleich ob positiv oder negativ, um den sich der steuerbare Oszillator verändern kann, die Bildung der Frequenz Fx + C₁ in der Syntheseschaltung bewirken kann, wobei ε, der maximale Wert des Frequenz-Zusatzterms ε ist. Andererseits darf das Phasenrauschen oder Frequenzraiischen der zu messenden Frequenzquelle nicht zu größeren Frequenzabweichungen füh ren als AIn.

Der Frequenzmesser nach der Erfindung ermög licht sowohl die Messung tiefer als auch hoher Fre ^r> quenzen, wenn die Syntheseschaltung entsprechenc aufgebaut ist.

Es ist eine einzige Konstantfrequenzquelle vorge

sehen mit einem günstigen Frequenzwert von bei spielsweise 1 bis 5 MHz, die quarzstabilisiert seit

ίο kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Digitaler Frequenzmesser mit einer in ihrer Frequenz steuerbaren Oszillatoranordnung nach dem Interpolations- bzw. Transferprinzip, mit einer Subtraktions-Mischanordnung, welcher ein Ausgangssignal der steuerbaren Oszülatoranordnung und das Signal mit der zu messenden Frequenz zugeführt sind, mit einer Steuerschaltung für Frequenzsteuerung der Oszillatoranordnung auf SchwebungsnuU der Mischfrequenz, mit einem lokalen Festfrequenzgenerator, dessen Ausgangssigna! zusammen mit einem Interpolationsfrequenzsignal einer Frequenzumsetzung unterliegt, mit einem zumindest digitale Ausgänge und Anzeigemöglichkeit besitzenden Grobfrequenzmesser zur Ermittlung höchstwertiger Steller; der unbekannten Frequenz, und mit einem zumindest digitale Ausgänge und Digitalanzeigemöglichkeit besitzenden, die Frequenz des steuerbaren Oszillators auswertenden Feinfrequenzmesser, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Frequenz steuerbare Oszillatoranordnung eine Frequenzsyntheseschaltung mit Programmiereingängen in jeder Dekadenstufe aufweist sowie eine Schaltereinrichtung (9 bis 12) zum wählbaren Anschalten des Oszillators (7) an eine der Dekadenstufen (2 bis 5), daß dem Grobfrequenzmesser das Signal unbekannter Frequenz zugeführt ist und seine Digitalausgänge mit den Programmiereingängen der jeweils entsprechenden Dekadenstufen der Frequenzdekade verbunden sind und daß die Steuerschaltung eine Schaltung zum Erzeugen der Steuerspannung für den frequenzsteuerbaren Oszillator (7) als Funktion der Ausgangsfrequenz des Subtraktionsmischers (13) enthält, und daß der Fein-Frequenzmesser (16) unmittelbar am Ausgang des steuerbaren Oszillators (7) liegt, so daß die Summe von Grob- und Feinanzeige das Meßergebnis darstellt.

2. Frequenzmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Subtraktionsmischer (13) angeschaltete Steuerschaltung (14,15) einen Integrator umfaßt.

3. Frequenzmesser nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Spannungsmeßeinrichtung zum Messen der Ausgangsspannung U der Steuerschaltung (14, 15).

4. Frequenzmesser nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen an den Fein-Frequenzmesser (16) angeschlossenen Teiler (16a), dessen Teilungsverhältnis entsprechend der Stellung der Schaltercinrichtung (9 bis 12) gewichtet ist, und durch einen an den Teiler (16a) und den Grobfrequenzmesser (8) angeschlossenen Binäraddierer (17).