DE2163971B2

DE2163971B2 - Schaltung zur digitalen Frequenzeinstellung eines Oszillators

Info

Publication number: DE2163971B2
Application number: DE2163971A
Authority: DE
Inventors: Karl 8033 Planegg Schlosser
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-12-22
Filing date: 1971-12-22
Publication date: 1978-11-16
Also published as: US3806825A; JPS4871867A; IT971902B; GB1409290A; FR2164641B1; FR2164641A1; DE2163971A1; DE2163971C3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur digitalen Frequenzeinstellung eines in einer Regelschleife liegenden Oszillators, bei der die zum Zählen einer vorgegebenen Soll-Schwingungszahl erforderliche, über einen voreinstellbaren ersten Frequenzzähler ermittelbare Zählzeit mit einem Soll-Zeitintervall verglichen wird und als Vergleichsergebnis eine Regelspannung entsteht, die einem Frequenzsteuereingang des Oszillators zugeführt wird, bei der ferner ein zweiter, als Vor-Rückwärts-Zähler ausgebildeter Frequenzzähler vorgesehen ist, von dem die außerhalb der Zählzeit des ersten Frequenzzählers, jedoch noch innerhalb des Sollzeitintervalls auftretenden Oszillatorschwingungen in der einen Zählrichtung, die innerhalb der Zählzeit des ersten Frequenzzählers, jedoch bereits außerhalb des Soll-Zeitintervalls auftretenden Oszillatorschwingungen dagegen in der anderen Zählrichtung gezählt werden und bei der die erreichte Endstellung des Vor-Rückwärts-Zählers über einen Digital-Analog-Wandler zur Bildung der Regelspannung dient.

Eine derartige Schaltung ist aus der DE-OS 20 36 368 bekannt

Aus der DE-PS 11 59 043 ist eine Schaltung zur Frequenzeinstellung bekannt, bei der das Vergleichsergebnis als eine Impulsspannungsfolge anfällt, die dann in einer Integrationsstufe zu einer Regelspannung inte- f>5 griert wird. Damit ist jedoch der Nachteil verbunden, daß einerseits eine gewisse Zeitspanne benötigt wird, um das Integrationsergebnis zu bilden, und daß andererseits dieses Ergebnis, d. h. die richtig bemessene Regelspannung, nicht beliebig speicherbar ist. Daraus folgt, daß der eigentliche Stellvorgang am Oszillator weder sofort nach Beendigung des Zeitvergleichs noch in einem größeren zeitlichen Abstand vom Integrationsvorgang erfolgen darf, wenn die Frequenz exakt nachgeregelt werden soll.

In der US-PS 35 29 232 ist ein Regelkreis beschrieben, der einen Generator in seiner Frequenz derart nachregelt, daß er im Zeitraum zwischen zwei aufeinanderfolgenden Ausgangsimpulsen des Differentiators gerade eine eingestellte Zahl von Impulsen liefert. Damit ist ein Frequenzumsetzungsfaktor einstellbar, der die Relation zwischen der Frequenz der von einer Aufnahmeeinrichtung gelieferten Schwingung und der Ausgangsfrequenz des Generators angibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Aufwand bei einer Schaltung zur digitalen Frequenzeinstellung gering zu halten.

Gemäß der Erfindung, welche sich auf eine Schaltung der eingangs genannten Art bezieht, wird dies dadurch erreicht, daß der erste Frequenzzähler in der Weise voreinstellbar ist, daß das Koinzidenzsignal als Überlaufsignal gebildet wird, daß durch eine Zusatzschaltung die ersten η Koinzidenzsignale unterdrückt werden, daß dem Vorwärts-Rückwärts-Zähler eine Torschaltung vorgeschaltet ist, die die Oszillatorschwingungen zwischen dem Auftreten des (n+1)-ten Überlaufsignals und einem das Ende des Sollzeitintervalls definierenden

Signals durchläßt

Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil liegt insbesondere darin, daß der zur Nachregelung des Oszillators auf seine Sollfrequenz erforderliche Zähler in seiner Zählkapazität wesentlich verringert werden kann. Dies fällt vor allem für höherfrequente Oszillatoren sehr ins Gewicht Darüber hinaus ist unabhängig von der Oszillatorfrequenz (z. B. bei stufenweise umschaltbaren Oszillatoren) die Möglichkeit gegeben, den Zähler und die Zählzeit beizubehalten und zur Anpassung nur die Zahl der zu unterdrückenden Koinzidenzsignale zu verändern.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten., bevorzugten Ausführungsbeispiele näher erläutert Dabei zeigt

F i g. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel,

F i g. 2 eine Teilschaltung von F i g. 1,

F i g. 3 ein anderes Ausführungsbeispiel mit kürzerer Einstellzeit der Sollfrequenz und

F i g. 4 eine Teilschaltung von F i g. 1 und F i g. 3.

In Fig. 1 ist ein Oszillator 1 dargestellt, der in seiner Frequenz einstellbar und auf den jeweils eingestellten Wert nachregelbar ist. Ein Teil seiner an der Klemme 2 abgreifbaren Ausgangsspannung der Frequenz f_x wird über einen weiteren Ausgang A'dem Eingang A einer steuerbaren Torschaltung 3 zugeführt, die neben A die weiteren Eingänge B und C sowie die Ausgänge V", Z' und R' aufweist. Z'ist mit dem Eingang Z eines ersten Frequenzzählers 4 verbunden, der beim Erreichen einer an ihm einstellbaren Soll-Schwingungszahl über eine Ausgangsklemme 5 ein Koinzidenzsignal K abgibt. Ein zweiter Frequenzzähler 6 ist als Vor-Rückwärts-Zähler ausgebildet und dementsprechend mit zwei Eingängen versehen, von denen der mit V bezeichnete für die Vorwärtszählung und der mit R bezeichnete für die Rückwärtszählung eingerichtet ist. Die Eingänge V und R sind jeweils mit den Ausgängen V und R' der gesteuerten Torschaltung 3 verbunden. Die Zählerausgänge 6a des Zählers 6 sind mit entsprechenden Eingängen eines Digital-Analog-Wandlers 7 beschaltet, der eine dem digitalen Zählergebnis entsprechende Ausgangsspannung U_r bildet, die sodann dem Frequenzsteuereingang 8 des Oszillators I als Regelspannung zugeführt wird und beispielsweise die Kennwerte eines frequenzbestimmenden Elements der Oszillatorschaltung, z. B. einer Kapazitätsdiode, beeinflußt.

Die Arbeitsweise der Schaltung nach F i g. 1 ist wie folgt: Die Frequenzablage des Oszillators 1 vor. seinem Sollwert wird durch einen Zeitvergleich der zum Abzählen der vorgegebenen Soll-Schwingungszahl durch den Frequenzzähler 4 erforderlichen Zählzeit mit einem dieser Zahl zugeordneten Soll-Zeitintervall ermittelt, welches durch die Länge des positiven Impulses P eines Taktsignals 7o definiert wird. 7J wird der gesteuerten Torschaltung 3 über den Eingang B zugeführt und veranlaßt die Durchschaltung des Eingangs A auf den Ausgang Z", so daß die Oszillatorschwingungen über A, Z' und Z dem Frequenzzähler 4 zugeführt werden. Dieser gibt nach Erreichen der Soll-Schwingungszahl über einen Ausgang 5 ein Koinzidenzsignal K ab, welches dem Eingang Cder Torschaltung 3 mitgeteilt wird. Die Torschaltung 3 ist so ausgebildet, daß die von 1 gelieferten Oszillatorschwingungen oder von ihnen abgeleitete Impulssignale während des Zeitraumes vom Eintreffen des Koinzidenzsignals K bis zum Ablauf des Soll-Zeitintervalls, d. h. bis zum Auftreten der negativen Flanke von P, an den Ausgang V durchgeschaltet werden. Andererseits werden diese Signale für den Fall, daß P vor dem Auftreten von K beendet ist, während des Zeitraumes vom Ablauf des Soll-Zeitintervalls bis zum Eintreffen des Koinzidenzsignals K vom Eingang A auf den Ausgang R 'durchgeschaltet

Tritt dabei das Koinzidenzsignal K früher auf als die negative Flanke von To, so bedeutet dies, daß der Oszillator 1 die Soll-Schwingungszahl früher erreicht als dies dem Soll-Zeitintervall entsprechen würde, so daß er

ίο eine zu hohe Frequenz abgibt, wobei eine der bestehenden Frequenzablage proportionale Anzahl von Schwingungen in den Frequenzzähler 6 in Vorwärtsrichtung eingezählt wird Tritt dagegen (bei Einstellung von 1 auf eine zu niedrige Frequenz f_x) das Koinzidenzsignal K erst nach dem Auftreten der negativen Flanke von 7o auf, so wird eine der Frequenzablage proportionale Anzahl von Schwingungen in den Frequenzzähler 6 in Rückwärtsrichtung eingezählt Der jeweils neue Zählerstand von 6 wird von den Ausgängen 6a über entsprechende Ausgabeleitungen dem Digital-Analog-Wandler 7 zugeführt und in eine neue analoge Regelspannung U_r umgewandelt

Betrachtet man den Regelvorgang ausgehend von einem Anfangszustand, bei dem der Zähler 4 durch einen Rückstellimpuls Ri auf Null gestellt wird und der nicht rückgestellte Zähler 6 sich selbsttätig auf einen beliebigen Wert einstellt, so zeigt sich folgendes: Der Oszillator 1 folgt dem Zählerstand von 6 und stellt sich selbsttätig auf eine entsprechende Frequenz ein. Das im Zähler 6 in Abhängigkeit von der eingestellten Soll-Schwingungszahl anfallende Zählergebnis wird sodann in eine Regelspannung umgeformt, die den Oszillator 1 auf die Sollfrequenz einstellt Bei nachträglicher Änderung der Oszillatorfrequenz kann dann der Regelvorgang nach vorheriger Rückstellung des Zählers 4 beim Auftreten eines weiteren Impulses P wiederholt werden.

Tritt P periodisch auf, so wird in regelmäßigen Zeitabständen ein Vergleich zwischen der zum Abzählen der Soll-Schwingungszahl notwendigen Zählzeit und dem Soll-Zeitintervall erfolgen, wobei die nach jedem Vergleichsvorgang gebildete Regelspannung Cl_r zur schrittweisen Nachstellung des Oszillators 1 verwendet werden kann.

Mit besonderem Vorteil ist der Frequenzzähler 4 als setzbarer Zähler ausgeführt und auf eine solche Zahl voreinstellbar, daß das Koinzidenzsignal K beispielsweise aus dem beim Erreichen der vollen Zählkapazität auftretenden Überlaufsignal besteht. Das bedeutet bei einer dekadischen Ausführung, daß der Zähler 4 in der niedrigsten Dekade auf das lOer-Komplement und in c ? übrigen Dekaden auf das 9er-Komplement voreingestellt wird.

F i g. 2 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der gesteuerten Torschaltung 3. Dabei sind die Eingänge B und Cmit den Zähleingängen zweier 7/C-Flipflops 9 und 10 verbunden, deren Eingänge / jeweils mit einer logischen »1«, abgeleitet von ihren gegenseitigen (^-Ausgängen, und deren Eingänge K jeweils mit einer

bo logischen »0«, d. h. mit Masse, beschaltet sind. Die Ausgänge Q von 9 und 10 liegen im Ruhezustand auf »0«, während ihre Ausgänge Q mit einer logischen »1« belegt sind. Trifft im Falle einer zu hohen Frequenzlage des Oszillators 1 ein Koinzidenzsignal K ein, bevor die

f>5 negative Flanke von P erreicht ist, so gibt das am Eingang /gesetzte Flipflop 10 die logische »1« an den Ausgang Q weiter. Damit wird der Eingang / eines nachgeschalteten /K-Flipflops 12 mit einer logischen

»1« belegt, die dann beim Auftreten der ersten negativen Flanke der Oszillatorschwingung f, oder einer von ihr abgeleiteten Impulsspannung, die über die Eingangsklemme A zugeführt wird, an den Ausgang Q von 12 und damit an den ersten Eingang des NAND-Gatters 13 weitergegeben wird. Damit wird dieses Gatter geöffnet und läßt die Impulse von /, zum Ausgang V durch. Dieser Ausgang wird erst dann wieder geschlossen, wenn mit dem Auftreten der negativen Flanke des Impulses P am Eingang B ein Rücksetzen des yK-Flipflops 10 in die Ruhestellung erfolgt und durch das Abschalten der logischen »1« vom Ausgang Q beim Auftreten der nächstfolgenden negativen Flanke von f_x auch das //C-Flipflop 12 in die Ruhelage zurückkippt und somit die logische »1« vom Eingang des NAND-Gatters 13 abschaltet.

In analoger Weise wird der Ausgang R' über die /X-Flipflops 9 und 11 für die Impulse von f_x geöffnet, wobei in diesem Fall das Kippen von 9 und 11 durch die zeitlich zuerst auftretende negative Flanke von Perfolgt und das Rücksetzen mittels des K.oinzidenzsignals K.

Der Ausgang Z' der Torschaltung wird über ein NAND-Gatter 15 angesteuert, das über ein weiteres NAND-Gatter 16 und einen Negator 17 in Abhängigkeit von P geöffnet wird, wobei für den Zeitraum nach dem Auftreten der negativen Flanke von P die weitere öffnung von 15 mittels der am Ausgang Q von 9 anliegenden, logischen »1« erzielt wird, die über den Negator 18 das NAND-Gatter 16 zur Abgabe einer öffnenden Spannung veranlaßt.

Fig.3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Regelkreis des Oszillators 1, der die Schaltungsteile 3,6,7 und 8 enthält, arbeitet dabei in der gleichen Weise wie in F i g. 1. Lediglich das Koinzidenzsignal K wird in anderer Weise erzeugt. Zu diesem Zweck werden die Ausgänge 4a des Frequenzzählers 4 mit den entsprechenden Eingängen eines digitalen Komparators 19 verbunden, an dessen zweite Eingänge 19a ein die Soll-Schwingungszahl festlegendes, digitales Signal angeschaltet ist. Sobald die Zählerausgänge 4a in der Weise markiert sind, daß der Komparator 19 eine Übereinstimmung mit der vorgegebenen Soll-Schwingungszahl feststellt, gibt er das Koinzidenzsignal K an den Eingang Cder Torschaltung 3 ab.

An diesem Beispiel sei nun eine Weiterbildung des Erfindungsgedankens erklärt, die auch bei dem in F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel angewendet werden kann. Hierzu ist ein weiterer Digital-Analog-Wandler 20 vorgesehen, der diejenigen Größen, die die Soll-Schwingungszahl im Bereich der höherwertigen Stufen des Frequenzzählers 4 definieren, insbesondere also die den entsprechenden Eingängen 19a zugeführten digitalen Signale, in eine analoge Stellspannung LZ₁ umwandelt, die dann einem weiteren Frequenzsteuereingang 8' des Oszillators 1 zugeführt wird und eine Voreinstellung desselben in die Nähe seiner Sollfrequenz bewirkt. Selbstverständlich läßt sich diese Maßnahme auch anwenden, wenn der Frequenzzähler 4 ohne einen digitalen Komparator 19 arbeitet und beispielsweise das Koinzidenzsignal als Überlaufimpuls bildet. In diesem

ίο Fall wird dem Digital-Analog-Wandler 20 ein digitales Signal zugeführt, das den am Zähler eingestellten, höherwertigen Stellen der Soll-Schwingungszahl entspricht. Die Anwendung einer solchen Maßnahme zur Voreinstellung des Oszillators 1 hat neben einer Verkürzung der Nachregelzeit auch eine Reduzierung der erforderlichen Zählkapazität des Frequenzzählers 6 zur Folge.

Bei der Schaltung zur digitalen Frequenzeinstellung wird dem Eingang C der Torschaltung 3 eine Zusatzschaltung vor- oder nachgeschaltet, die jeweils eine bestimmte Zahl η von Koinzidenzsignalen K unterdrückt und erst das erste darauf folgende also (n+ l)-te Koinzidenzsignal durchläßt. Dadurch kann das volle Regelvolumen auch bei einer Verringerung der Zählkapazität des Zählers 4 um den Wert η aufrechterhalten werden, was insbesonders bei höheren Frequenz lagen des Oszillators 1 von Bedeutung ist.

Zur Steigerung der Treffsicherheit der Nachregelung können der Digital-Analog-Wandler 7 und/oder der

)" Digital-Analog-Wandler 20 entsprechende F i g. 4 ausgebildet sein. Danach besteht z. B. der Wandler 7 aus einer den Zählerausgängen 6a entsprechenden Anzahl von Stufen 7i bis 74, die untereinander gleichartig aufgebaut sind und demzufolge analoge Ausgangsspannungen gleichartiger Abstufung liefern. Diese werden sodann in nachgeschaheten, den Stufen 7i bis 7t individuell zugeordneten Spannungsteilern STi bis S entsprechend dem Stellenwert der einzelnen Zählerstufen bewertet, so daß sie nur mit dem ihrem Stellwert

-in entsprechenden Teil in einer Summiervorrichtung SVzu der Regelspannung t/_rbzw. im Falle des Digital-Analog Wandlers 20 zu der Stellspannung U, zusammengesetzt werden.

Um zu vermeiden, daß die während des Einzählens der Oszillatorschwingungen in den Vor-Rückwärts-Zähler 6 erfolgende Markierung der Zählerausgänge 6a die Regelspannung U_r beeinflußt, wird zweckmäßigerweise ein Zwischenspeicher 6b vorgesehen, der den nach Beendigung des Einzählens erhaltenen Zählerstand abspeichert und nur diesen an den Digital-Analog-Wandler 7 überträgt

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

21 63 97! Patentansprüche:

1. Schaltung zur digitalen Frequenzeinstellung eines in einer Regelschleife liegenden Oszillators, bei der die zum Zählen einer vorgegebenen Soll-Schwingungszahl erforderliche, über einen voreinstellbaren ersten Frequenzzähler ermittelbare Zählzeit mit einem Soll-Zeitintervall verglichen wird und als Vergleichsergebnis eine Regelspannung entsteht, die einem Frequenzsteuereingang des Oszillators zugeführt wird, bei der ferner ein zweiter, als Vor-Rückwärts-Zähler ausgebildeter Frequenzzähler vorgesehen ist, von dem die außerhalb der Zählzeit des ersten Frequenzzählers, jedoch noch innerhalb des Sollzeitintervalls auftretenden Oszilla- ι s torschwingungen in der einen Zählrichtung, die innerhalb der Zählzeit des ersten Frequenzzählers, jedoch bereits außerhalb des Soü-Zemntervalls auftretenden Oszillatorschwingungen dagegen in der anderen Zählrichtung gezählt werden und bei der die erreichte Endstellung des Vor-Rückwärts-Zählers über einen Digital-Analog-Wandler zur Bildung der Regelspannung dient, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Frequenzzähler (4) in der Weise voreinstellbar ist, daß das Koinzidenzsignal (K) als Überlaufsignal gebildet wird, daß durch eine Zusatzschaltung die ersten η Koinzidenzsignale unterdrückt werden, daß dem Vorwärts-Rückwärts-Zähler (6) eine Torschaltung (3) vorgeschaltet ist, die die Oszillatorschwingungen zwischen dem Auftreten des (n-fl)-ten Oberlauf signals und einem das Ende des Sollzeitintervalls definierenden Signal (T₀) durchläßt.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von den die Soll-Schwingungszahl im Bereich der höheren Stellenwerte definierenden digitalen Signalen unter Verwendung eines weiteren Digital-Analog-Wandlers (20) eine Stellspannung (U₁) abgeleitet wird, die zur Voreinstellung des Oszillators (1) dient

3. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Digital-Analog-Wandler (7, 20) aus untereinander gleichartig aufgebauten Stufen (7i bis 7₄) besteht, deren Ausgangsspannungen ihre den individuell zugeordneten Zählerstufen entsprechenden Wertigkeiten durch geeignet bemessene, den einzelnen Stufen nachgeschaltete Spannungsteiler (ST\ bis 57;) erhalten.

4. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Ausgänge der Torschaltun? (3) durch Gatter (13,14, 15) gebildet werden, deren ersten Eingängen jeweils die Oszillatorschwingung (f_x) oder eine von ihr abgeleitete Impulsspannung zugeführt wird, und daß der zweite Eingang des dem zweiten Ausgang der Torschaltung zugeordneten Gatters (13, 14) durch Torimpulse angesteuert wird, die von einer Kippstufe (9, 10, 11, 12) gebildet werden, die vom Koinzidenzsignal gesetzt und vom Taktsignal wieder rückgesetzt wird.

5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge (4a) des ersten Frequenzzählers (4) mit den ersten Eingängen eines das Koinzidenzsignal (K) liefernden, digitalen Komparator (19) verbunden sind, an dessen zweite Eingänge (19a) ein die Soll-Schwingungszahl festlegendes, digitales Signal angeschaltet ist.