DE2148885B2 - Einrichtung zur synchronisation eines frequenzmodulierten oszillators mit einer festen vergleichsfrequenz - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Synchronisation eines frequenzmodulierten Oszillators mit einer festen Vcrgleichsfrcquenz mittels einer einen Phasendiskriminator enthaltenden Regelschleife, bei der die modulierte Oszillatorfrequenz in einem derartigen Verhältnis /urückgeteilt wird, daß der maximale eindeutige Erfassungsbereich des Phasendiskriminators auch bei den tiefsten Modulationsfrequenzen nicht überschritten wird.

Bei frequen/modulierien Oszillatoren für sehr hohe Frequenzen bereitet normalerweise eine lineare Modulation keine großen Schwierigkeiten, jedoch besteht für solche Oszillatoren das Problem, die Grundfrequenz über längere Zeiten genau einzuhalten. Bei einem frequenzmodulierten Oszillator ist es nämlich mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden, dessen Mittenfrequenz in üblicher Weise zu bestimmen und diese beispielsweise mittels eines Quarzes nöglichst frequenzstarr zu stabilisieren. Es ist üblich, einen derartigen frequenzmodulicrten Oszillator so zu stabilisieren, daß ihm nach einem Mischer oder einem Frequenzteiler ein Frequenzdiskriniinator nachgeschaltet ist, und daß durch die von der Frequenzabweichung abhängige Gleichspannung, die dieser Diskriminator abgibt, eine Frequenznachstelleinrichtunj? so gesteuert wird, daß der Oszillator wieder auf die gewünschte Sollfrequenz hingezogen wird. Jedoch ist der Nachteil eines solchen Systems stets eine gewisse, durch das Regelsystem bedingte Abweichung von der eigentlichen Sollfrequenz. Es handelt sich nämlich um eine Proportionalregelung (siehe Mtinke/Gundlach: »Taschenbuch der Hochfrequenztechnik«, 3. Aufl., Seite 1509 ff). Die Frequenzablage soll jedoch möglichst Null werden. Besonders bei kleinen Frequenzhüben ist es jedoch möglich, den Oszillator in seiner Mittenfrequenz durch Vergleich mit einer Festfrequenz frequenzstarr zu stabilisieren, wenn es gelingt, die Modulation auf der Nathstelleitung für die Frequenz des Oszillators zu beseitigen. Dies geschieht üblicherweise durch einen entsprechend ausgelegten Tiefpaß, dessen Grenzfrequenz möglichst unterhalb der niedrigsten Modulationsfrequenzen liegen soll. Die Modulation ist jedoch auch hierdurch nur bedingt von der Nachregelschleife fernzuhalten, zumindest ergibt sich bei unvollkommener Beseitigung auf der Regelleitung eine Gegenkopplung für das Modulationssignal.

Man kann nun auch bei einem frequenzmoduüerten Oszillator die Oszillatorfrequenz in einem derartigen Verhältnis herunterteilen, daß der maximale, durch die niedrigste Modulationsfrequenz verursachte Frequenzhub den Erfassungsbereich des Phasenhubes eines Phasendemodulators nicht überschreitet. Mit einer derartig aufgebauten Einrichtung kann /war eine frequenzdtarre Synchronisation eines auch auf sehr hohen Frequenzen schwingenden, frequenzinodulierten Oszillators erreicht werden. Wird jedoch die modulierte Oszillatorschwingung durch Teilung auf die erforderliche niedrige Frequenz gebracht, so entsteht besonders für niedrige Modulationsfrequenzen die Gefahr, daß im Phasendemodulator Modulationsprodukte entstehen, die auch durch nachgeschaltete Tiefpässe nicht zu beseitigen sind. Die Modulationsfrequenzen des frequenzmodulierten Oszillators werden nämlich mit der Vergleichsfrequenz des Phasendiskriminators Interferenzen bilden. Phasendiskriminatoren, bei denen Klirrprodukte aufgrund ihres Aufbaus vermieden sind, haben einerseits hohen Aufwand zur Folge oder sie lassen sich kaum in integrierter Schaltungstechnik realisieren. Die besonders störenden Interferenzen liegen unterhalb der Vei gleitfrequenz und ergeben eine Störmodulation des HF-Oszillators über dessen Nachsteuerungseinrichtung. Durchden Tiefpaß in der Frequenznachstelleitung kann nur erreicht werden, daß die herunlergeteilte niedrige Frequenz, also die Mittenfrequenz des Phasendiskriminators, selbst unterdrückt wird, jedoch keineswegs, daß derartige im Verhältnis zu dieser Mittenfrequenz wesentlich frequenzniedrigere (bis herab zur Frequenz 0), durch die Modulationsfrequenz des Oszillators im Phasendiskriminator erzeugte Klirrprodukte unterdrückt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf der Regelleitung das Auftreten von jeglicher Modulation mit einfachen Mitteln zu unterbinden.

Diese Aufgabe wird bei einer Einrichtung zur Synchronisation eines frequenzmoduüerten Oszillators mit einer festen Vergleichsfrequenz mittels einer einen Phasendiskriminator enthaltenden Regelschleife, bei der die modulierte Oszillatorfrequenz in einem derartigen Verhältnis zurückgeteilt wird, daß der maximale eindeutige Erfassungsbereich des Phasendiskriminators auch bei den tiefsten Modulationsfrequenzen nicht überschritten wird, gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß dem einen der Eingänge des Phasendiskriminators eine vom Modulationssignal abgeleitete Komponente in geeigneter Phase und Amplitude derart

zusätzlich überlagert wird, daß das Modulationssignal selbst und die Produkte, die durch Überlagerung von Modulationssignalen und der Vergleichsfrequenz entsiJhen, auf der Leitung für die Frequenznachstellung des Oszillators kompensierend unterdrückt werden.

Es ist zweckmäßig, einen Phasendisknminator zu verwenden, bei dem die Regelspannung eine lineare Funktion der Phasendifferenzen der Eingangssignal dprstellt, weil dabei weniger Störfunktionen, die nicht mehr kontrollierbar sind, entstehen. Ein hierfür besonders geeigneter Phasendiskriminaicr ist /. B. durch die Literaturstelle »SEl.-Nachrichten«. 16. Jg., 1968, H. 2, Seite 56ff, insbesondere Seite 61. bekannt und er arbeitet mit einein getasteten Sägezahn. Die integrierte Modulationsspannung wird hier vorteilhaft dem Sägezahn überlagert.

Vorteilhaft besteht die Einrichtung darin, daß ein Teil der Modulationsspannung für den Oszillator abgezweigt und über ein einstellbares Dämpfungsglied und einen einstellbaren Phasenschieber sowie einem Integrierglied dem Sägezahneingang des Diskriminators überlagert ist.

Durch diese Einrichtung ist es möglich, die Modulation und/oder daraus im Zusammenhang mit der Vergleichsfrequenz entstehende Störfrequenzen auf der Nachstelleitung des Oszillators zu unterdrücken. Dadurch kann die Bandbreite der Regelschleife erheblich gesteigert werden, wodurch letztlich die Stabilität des Oszillators steigt. Es werden nicht nur die bereits erwähnten Störkomponenten im Phasendiskriminator nachträglich unterdrückt, sondern deren Entstehung aus Modulation und Vergleichsfrequenz wird bereits im Phasendiskriminator verhindert.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. j₅

Fig. 1 zeigt die erfindungsgemaße Einrichtung im Blockschaltbild. Ein freischwingender, jedoch durch die Einrichtung FMF. frequenzmoduliert)^ er Oszillator O' wird mit der Modulationsspannung Umod (Frequenz Fmod) beaufschlagt. Ein Teil des Ausgangssignals UHF wird durch die Sonde S abgezweigt und hier einem Frequenzteiler FT zugeführt. Die Frequenzgeteilte Spannung wird dann einem Phasendiskriminator PD zugeführt. Dem zweiten Eingang des Phasendiskriminators wird ein auf der gleichen Frequenz liegendes Vergleichssignal mit der Frequenz FV zugeführt, das, falls es nicht bereits in der Form eine* Sägezahns vorliegt, in der Einrichtung SZ in einen solchen umgewandelt wird, so daß es die gleiche Wiederholungsfrequenz hat wie die Vergleichsfrequenz FV. Die Ausgangsspannung des Phasendiskriminators, die. wie bekannt, ein Maß für die Phasenabweichurg der heruntergeteilten Oszillatorfrequenz von der Vergleichsfrequenz darstellt, wird einem Frequenznachregelorgan im Oszillator O zugeführt, so daß der Oszillator in seiner Frequenz auf die Vergleichsfrequenz synchronisiert wird. Die Frequenznachstelleinrichtung des Oszillators besteht vorteilhaft aus der bereits für dei Modulation vorgesehenen Frequenzmodulationseinrichtung FME, beispielsweise in Form einer Varaktordiode oder einer neben der für die Modulation vorgesehenen gleichartigen Einrichiung.

Da der Oszillator O im Normalfall moduliert sein wird, und diese Modulation sich vor dem Phasendiskriminator nicht unterdrücken läßt, muß das Teilerverhältnis des Frequenzteilers so groß und die Vergleichsfrequenz so niedrig sein, daß der maximale eindeutige des Phasendiskriminators hinsichtlich der Phasenänderung bei der Modulation nicht überschritten wird.

Auf der Nachregelleitung Sr für die Oszillatorfrequenz erscheinen jedoch in jedem Fall Anteile der Vergleichsfrequenz FV und solche Produkte, die durch Überlagerung der Vergleichsfrequenz mit Modulationsfreq'ienzen entstehen. Dies ist besonders bei Phasendiskriminatoren der Fall, die hinsichtlich der Bildung solcher Produkte ein völlig lineares Verhalten zeigen, und gerade diese Typen von Phasendiskriminatoren lassen sich sehr leicht in integrierter Technik ausführen, was in Zukunft von großer Bedeutung sein wird.

Gemäß der Erfindung kann nun auf einfache Weise auf der Leitung Srdas Auftreten der Vergleichsfrequenz und der Modulationsfrequenzen wie folgt verhindert werden. Dem Phasendiskriminator wird eine Komponente der Moduiationsspannung Umod an einem seiner Eingänge in solchem Sinn zugeführt, daß die Modulation bereits im Phasendiskriminator selbst kompensiert wird und damit auf der Leitung Sr nicht mehr erscheint. Hierzu ist über ein einstellbare Dämpfungsglied DG ein Teil des Modulationssignals abgezweigt und über einen Phasenschieber sowie ein Integrierglied / dem entsprechenden Eingang des Phasendiskriminators zugeführt. Durch das Dämpfungsglied und den Phasenschieber läßt sich die Kompensationsspannung UK nach Größe und Amplitude einstellen. Da, wie bekannt, die Phasenabweichung das Integral der wirksamen Frequenzabweichung durch die Modulation ist, muß auch die Kompensationsspannung einer Integration in / unterworfen werden.

Besonders vorteilhaft läßt sich für die geschilderte Kompensationsmethode, wie schon erwähnt, ein Phasendiskriminator verwenden, der nach dem Prinzip des getasteten Sägezahns arbeitet. Dabei wird vorzugsweise aus dem quar/genauen Vergleichssignal mit der Frequenz FV eine gieichfrequente, zeitlineare Sägezahnspannung (in Sz) abgeleitet, während aus der Oszillatorausgangsspannung vorzugsweise nach Frequenzteilung in FT kurze Tastimpulse gewonnen werden. Im Diskriminator werden beide Signale überlagert. Die:, kann beispielsweise dadurch geschehen, daß bei Vorhandensein des Tastimpulses dieser in einer Vierdiodenschaltung oder in einer MOS-FET-Schaltung den Augenblickswert der Sägezahnspannung auf die Regelleitung Sr durchschaltet. Solche Phasendiskriminatoren und deren Funktion sind jedoch an sich hinreichend bekannt und in der Literatur beschrieben.

In den Fig. 2 und 3 sind die Vorgänge, die zur Kompensation führen, anhand von Diagrammen besser erklärbar.

Die F i g. 2 zeigt in der Zeile a die Tastimpulse, die aus der Oszillatorspannung abgeleitet sind, als Pfeile. Die nach oben stehenden Pfeile To haben voneinander gleichen zeitlichen Abstand (Abszisse ist die Zeitachse; linearer Maßstab) und geben somit d^;e Oszillatorfrequenz im unmoduliertem Zustand wieder. Die senkrecht nach unten gerichteten Pfeile Tm deuten den modulierten Zustand an, demzufolge sind sie zeitlich gegen die nach oben stehenden Pfeile vor- und nacheilend versetzt. In der Zeile b ist das aus der Vergleichsspani.ung gewonnene Sägezahnsignal Sz dargestellt. Bei völliger Synchronisation des Oszillators mit der Vergleichsfrequenz treffen im idealen Regelstand — ohne Phasennachlauf — die unmodulierten Tastimpulse stets auf die Mitte der Sägczahnflanke. Die Ausgangsspannung des Diskriminators ist also Null. In jedem anderen Tastzeitpunkt wird die momentane Größe der

Sägezahnspannung in der Ausgangsspannung abgebildet. Daraus ergibt sich die eingezeichnete Treppenspannung Ts als Ausgangsspannung des Diskriminators bei modulierten Tastimpulsen. Deren Grundfrequenz ist gleich FV-Fmod Da erfindungsgemäß der Sägezahnspannung eine aus der Modulationsspannung selbst durch Integration abgeleitete Kompensationsspannung Uk nach Fig. 2, Zeile c, in entsprechender Phase und Amplitude zugesetzt ist, entsteht eine Summenspannung US, wie sie in der Zeile d der Fi g. 2 aufgetragen ist. Diese zeigt, daß dann die durch die Modulation der Tastimpulse in Zeile a hervorgerufene Treppenspannung, die in Zeile b dargestellt ist, verschv/indet, da die modulierten Tastimpulse wegen der Kompensation stets wiederum auf den Nullpunkt des verformten Sägezahns treffen. Dies bedeutet, daß die Modulation beseitigt ist und damit auch die durch sie hervorgerufenen Störprodukte. Bei der F i g. 2 ist die Modulationsfrequenz das 0,9fache der Vergleichsfrequenz FV. Daher ist die Grundfrequenz der Treppenspannung = 0,1 FV.

F i g. 3 zeigt den gleichen Vorgang für rechteckförmiges Modulationssignal, das in deren Zeile e eingetragen ist. Die Zeilen a und b bleiben unverändert, die Zeile c zeigt die aus dem Modulationssignal durch Integration gewonnene Kompensationskomponente. In der Zeile d ist die Überlagerung dieser mit dem Sägezahn aufgetragen und es läßt sich daraus wieder entnehmen, daß die Tastimpulse auch im modulierten Zustand jeweils auf die Nullpunkte des verformten Sägezahns treffen, so daß jegliche Modulation auf der Nachregelleitung beseitigt ist.

In Fig.4 ist schließlich ein etwas ausführlicheres Schaltungsbeispiel für die erfindungsgemäße Einrichtung dargestellt; die gegenüber F i g. 1 gleich gebliebenen Teile sind gleich bezeichnet und haben dieselbe Funktion wie dort. Dem Frequenzteiler FT folgt ein Taslimpulsformcr, der im wesentlichen aus drei Transistoren besteht und mit TIF bezeichnet ist. Die Phasenbrücke PD besteht aus einer an sich bekannten Vierdiodenschaltung, an deren einen Brückendiagonale die Taslimpulse in Gegenphase angelegt sind. Die vom Modulationssignal abgeleitete Komponente wird über ein Potentiometer DG geführt, das die Funktion des Dämpfungsgliedes DG in Fig. 1 hat. Die Modulationsspannung wird anschließend dem Integrator /zugeführt, der hier aus einem Operationsverstärker besteht, der durch eine Kapazität C rückgekoppelt ist. Das

ίο integrierte Signal, nämlich die Kompensationsspannung UK, wird dann über ein Widerstandsnetzwerk dem Anschluß der Vierdiodenbrücke zugeführt, der den Eingang für das Vergleichssignal bildet. Das Vergleichssignal mit der Frequenz FV, das von einem Quarzoszilla- tor abgeleitet ist, wird einem Impulsformer IF und einem darauf folgenden Operationsverstärker OV zugeführt. Beide Einheiten bilden zusammen die Einrichtung SZ von Fig. 1, die aus dem sinusförmigen Vergleichssignal mit der Frequenz FV eine gleichfrequenzte zeitlineare Sägezahnspannung ableitet. Letztere wird über einen weiteren Widerstand dem schon erwähnten Eingang der Phasenbrücke PD zugeführt. Am anderen Diagonalpunkt der Vierdiodenbrücke liegt die Regelleitung SR. Die Amplitude der Kompensationsspannung kann mit DG justiert werden. Die Einstellung der Grundphasenlage geschieht in der Hochfrequenzlage durch geeigneten Abgleich der Frequenz des freilaufenden Oszillators. Durch die große Regelverstärkung dieser Schaltung ist sichergestellt, daß diese sich im Betrieb nur wenig ändert, so daß die Kompensationswirkung nicht beeinträchtigt wird.

Es läßt sich also mit der erfindungsgemäßen Methode auf relativ einfache Weise gegebenenfalls auch ohne einen zusätzlichen Tiefpaß in der Nachregeileitung das Modulationssignal unterdrücken, d. h. die Modulatior beseitigen, und damit werden auch die eingang« erwähnten Störmodulationen beseitigt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Synchronisation eines frequenz moduiierten Oszillators mit einer festen Vergleichsfrequenz mittels einer einen Phasendiskriminator enthaltenden Regelschleife, bei der die modulierte Oszillatorfrequenz in einem derartigen Verhältnis zurückgeteilt wird, daß der maximale eindeutige Erfassungsbereich des Phasendiskriminators auch bei den tiefsten Modulationsfrequenzen nicht überschritten wird, dadurch gekennzeichnet, daß dem einen der Eingänge des Phasendiskriminators (PD) eine vom Modulationssignal (U_mOd) abgeleitete Komponente in geeigneter Phase und Amplitude derart zusätzlich überlagert wird, daß das Modulationssignal (U_mad) selbs» und die Produkte, die durch Überlagerung von Modulationssignalen uüd der Vergleichsfrequenz (FV) entstehen, auf der Leitung (Sr) für die Frequenznachstellung des Oszillators (O)kompensierend unterdrückt werden.

2. Einrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Phasendiskriminator (PD) eine Einrichtung ist, bei der die Regelspannung ("Steine lineare Funktion der Phasendifferenzen der Eingangssignale darstellt.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem mit einem getasteten Sägezahn arbeitenden Phasendiskriniinalor (PD)die integrierte Modulationsspannung dem Sägezahn überlagert ist.

4. Einrichtung nach einen", der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der abgezweigte Teil der Modulationsspannung (U,„od) über ein integrierglied und vorzugsweise über ein einstellbares Dämpfungsglied (DG) und einen einstellbaren Phasenschieber (.^geführt wird.