DE2135490C3 - Digitaler Frequenzmesser - Google Patents
Digitaler FrequenzmesserInfo
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R23/00—Arrangements for measuring frequencies; Arrangements for analysing frequency spectra
- G01R23/02—Arrangements for measuring frequency, e.g. pulse repetition rate; Arrangements for measuring period of current or voltage
- G01R23/10—Arrangements for measuring frequency, e.g. pulse repetition rate; Arrangements for measuring period of current or voltage by converting frequency into a train of pulses, which are then counted, i.e. converting the signal into a square wave
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Description
Die Erfindung betrifft einen digitalen Frequenzmesser
mit eii'i-*r in ihrer Frequenz steuerbaren Oszillatoranordnungnach
dem Interpolations- bzw. Transferpiinzip, mit einer Subtraktionsmischanordnung,
welcher ein Ausgam.ssignal der steuerbaren OszillatornnorJimng
und da> Signal mit der zu messenden
Frequenz zugeführt sind, mit einer Steuerschaltung für
Frequenzsteuerung der OszillatoranorcJnung auf
Schwebungsnull 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 Ermitt'ung höchstwertiger Stellen der unbekannten Frequenz, und mit
ίο einem zumindest digitale Ausgänge und Digitalanzeigemöglichkeit
besitzenden, die Frequenz des steuerbaren Oszillators auswertenden Feinfrequenzmesser.
Bei einem bekannten derartigen Frequenzmesiser (FR-PS 1339808) sind zwei in der Frequenz steuer-
bare 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 Frequenzmesser
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 schaffen,
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
eine Frequenzsyntheseschaltung mit Programmiereingängen in jeder Dekadenstufe aufweist sowie eine
Schaltereinrichtung zum wählbaren Anschalten des Oszillators an eine der Dekadenstufen, daß dem
Grobfrequenzmesser das Sifecal unbekannter Fre-
quenz 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 frequenzsteuer-
baren 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
» derartigen Frequenzmesser ergibt sich ein gegenüber
bekannten Schaltungen wesentlich erhöhtes Auflösungsvermögen bei vorgegebener Meßdauer.
Weiterbildungen ergeben sich aus den Untrranspriichen.
Die Erfindung ist im folgenden anhand einer schematischen Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel
ergänzend beschrieben.
Die Figur zeigt das Blockschaltbild eines Frequenzmessers.
W! Der Frequenzmesser umfaßt eine Frequenzsyntheseschaltung
1, die eine Anzahl Frequenz-Dekadenstufen 2, 3, 4 und 5, eine Konstantfrcquenzquelle 6
und einen in seiner Frequenz steuerbaren Oszillator 7 umfaßt. Die erste Dekadenstufe 2 ist an die Konstant -
„-, frequenzquelle 6 angeschlossen und empfängt von
dieser die sogenannte Trägerfrequenz F0, die weiter
unten noch erläutert ist.
Die erste Dekadenstuf.. 2 umfaßt einen Teiler mit
dem TsüungsverhäUnis 10, eine Schaltungseinrichtung
zum Erzeugen der Frequenz 9/10 F0 aus F0 und
einen Mischer zum Erzeugen einer Mischfrequenz
9/10 F0+ F0AO+ Z1 = FnAO + /,,
wobei Z1 eine Frequenz bedeutet, die über die vier Programmiereingänge der Dekadenstufe 2 eingespeist
wird.
Diese Mischfrequenz gelangt an die zweite Dekadenstufe 3, welche ebenfalls einen Teilet mit dem Teilungsverhältnis
10 enthält zum Erzeugen der Frequenz F0AO + /,/10, eine Schaltung zum Erzeugen
eier Frequenz 9 F0ZlO aus F0 und einen Mischer zum
Erzeugen der Mischfrequenz
F0AO + /,/10 + 9F0ZlO+/,,
wobei I2 die an die Programmiereingänge der zweiten
Dekadenstufe 3 gelegte Frequenz bedeutet. Am Ausgang dieser zweiten Dekadenstufe 3 entsteht also die
Mischfrequenz F0+ /,/10+ L.
Die Dekadenstufen 4 und 5 sind gleichartig aufgebaut. Daher entsteht am Ausgang der dritten Dekadenstufe
4 eine Mischfrequenz
F0+ /,/100+ Z2AO + ^,
und am Ausgang der vierten Dekadeastufe 5 die Frequenz
F0 + /,/1000 + Z2AGO + /,/10 + ly
Die Syntheseschaltung umfaßt ferner einen Subtraktionsmischer 5a, dem die Trägerfrequenz F0 aus
der Konstantfrequenzquelle 6 sowie die Ausgangsfrequenz der vierten Dekadenstufe S zugeführt wird.
Dieser Subtraktionsmischer eliminiert die Trägerfrequenz F0, so daß am Ausgang desselben die Frequenz
F=I. + /j/10 + Z2AOO + /,/1000 anliegt.
Ein Grobfrequenzmesser 8, dem die zu messende Frequenz Ft 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
während 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.
1.,I1...Z4 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. /i X 103 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 Frequerizsyntheseschaltung so programmiert,
daß sich'eine synthetisierte Frequenz F ergibt, die möglichst nahe an der zu messenden Frequenz
liegt.
Es sei beispielsweise angenommen, daß die zu synthetisierende Frequenz 9724 Hz sei. Die Frequenzen
/. bis I4 müssen dann folgende Werte haben:
/i=4xl03Hz; /2 = 2xl03Hz; /3 = 7xl03Hz
und I4 = 9 X 101 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 7. S. der Schalter 10 geschlossen sei. Die
Dekadenstufe 3 erzeugt dann an ihrem Ausgang die Frequenz F0 + /, i A. Wenn nämlich der Schalter 10
geschlossen ist, ist die Dekadenstufe 3 nicht mehr mit der Dekadenstufe 2 gekoppelt und empfängt einerseits
die Frequenz F0 + A von dem steuerbarep OszU'
lator 7 und andererseits die Frequenz I1, Schaltungen
zum Durchfuhren dieses Vorganges sind bei Frequenzdekaden
an sich bekannt.
Die Dekadenstufe 4 ergibt die Ausgangsfrequenz F0+ Z2AO+ 4/10+ Z3, so daß die Ausgangsfrsquenz
F der Syntheseschaltung schließlich wird: F= Zj+ Z3AO +Z2AGO+ Λ/100. In dem obigen
Beispiel ergibt die Syntheseschaltung also die Frequenz 9720 Hz + Δ /100, wobei A von - 1Ü KHz bis
+10 KHz variabel ist.
Das entsprechend geformte Ausgangssignal des Subtraktionsmischers 13 ist an einen Verstärker 14
mit parallelgeschaltetem Kondensator 15, also an einen 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 derien 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 ebe;i 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 A,
welche eine lineare Funktion der Steuer spannung 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 η-ten
so Teil der Frequenzanzeige des Feinfrequenzmessers 16, wobei η das Teilungsverhältnis der durch den
steuerbaren Oszillator 7 hinzugefügten Frequenzänderung A in den Dekadenstufen ist, die auf diejenige
Mgen, bei der der betreffende Schalter geschlossen ist.
In dem betrachteten Ausführungsbeispiel ist η = 103. Der auf den Fein-Frequenzmesser 16 folgende
Teiler 16a hat eben dieses Teilungsverhältnis, so daß der A usgangswert dieses Teilers mit dem Ausgangswert
des Grobfrequenzmessers 8 die zu messende Frequenz ergibt.
Das Auflösungsvermögen der beschriebenen Schaltung wird bei einer genügenden Anzahl von Dekadenstufen
für eine gegebene Meßdauer um einen b5 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
von 1 /1000 Hz messen. Die Wahl von η, also das Auf-
lösungsvermögen in den durch die Anzahl der Dekadenstufen festgelegten Grenzen geschieht nach folgenden Überlegungen:
Einerseits muß η so groß sein, daß der Wert Δ/η,
ganz gleich ob positiv oder negativ, um den sich der steuerbare Oszillator verändern kann, die Bildung der
Frequenz Fx + c, in der Syntheseschaltung bewirken
kann, wobei E1 der maximale Wert des Frequenz-Zusatzterms ε ist. Andererseits darf das Phasenrauschen
oder Frequenzrauschen der zu messenden Frequenzquelle nicht zu größeren Frequenzabweichungen führen als Δ/η.
Der Frequenzmesser nach der Erfindung ermöglicht sowohl die Messung tiefer als auch hoher Frevquenzen, wenn die Syntheseschaltung entsprechend
aufgebaut ist.
Es ist eine einzige Konstantfrequenzquelle vorgesehen mit einem günstigen Frequenzwert von beispielsweise 1 bis S MHz, die quarzstabilisiert sein
in kann.
Claims (4)
1. Digitaler Frequenzmesser mit einer in ihrer Frequenz steuerbaren OszüJatoranordnung nach
dem Interpolations- bzw, Transferprinzip, mit einer Subtraktions-Mischanordnung, welcher ein
Ausgangssignal der steuerbaren Oszillatoranordnung und das Signal mit der zu messenden Frequenz
zugeführt sind, mit einer Steuerschaltung für Frequenzsteuerung der Oszillatoranordnung
auf Schwebungsnull der Mischfrequenz, mit einem lokalen Festfrequenzgenerator, dessen Ausgangssignal
zusammen mit einem Interpolationsfrequenzsignaf
einer Frequenzumsetzung unterliegt, mit einem zumindest digitale Ausgänge und Anzeigemöglichkeit
besitzenden Grobfrequenzmesser zur Ermittlung höchstwertiger Stellen der unbekannten
Frequenz, und mit einem zumindest digital^ 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 Dekaderatufe 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 Cigitalausgänge mit den Programmiereingängen der jewpils entfnrechenden 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
Schaltereinrichtung (9 bis 12) gewichtes ist, und durch einen an den Teiler (16a) und den Grobfrequenzmesser
(8) angeschlossenen Binäraddierer (17).
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- 1970-07-30 FR FR7028299A patent/FR2098922A5/fr not_active Expired
-
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- 1971-07-15 DE DE2135490A patent/DE2135490C3/de not_active Expired
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NL7110303A (de) | 1972-02-01 |
GB1359209A (en) | 1974-07-10 |
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