DE2164007A1

DE2164007A1 - Schaltung zur digitalen frequenzeinstellung eines in seiner frequenz geregelten oszillators

Info

Publication number: DE2164007A1
Application number: DE2164007A
Authority: DE
Inventors: Karl Schlosser
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-12-22
Filing date: 1971-12-22
Publication date: 1973-06-28
Also published as: DE2164007B2; JPS528139B2; US3806826A; JPS4871868A; IT971903B; FR2164640A1; GB1409670A; FR2164640B1; DE2164007C3

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT München, den 2 2. DEZ. 1971

Berlin und München Witteisbacherplatz 2

71/6731 2164007

Schaltung zur digitalen Frequenzeinstellung eines in seiner Frequenz geregelten Oszillators.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur digitalen Frequenzeinstellung eines in seiner Frequenz geregelten Oszillators, bei der ein die Oszillatorschwingungen zählender Frequenzzähler zur Ableitung eines Istwertes dient, der' in einer !Comparatorsehaliung mit einem Sollwert verglichen wird, und bei der als Vergleichsergebnis eine der Ablage des Istwertes entsprechende Hegelspannung gebildet wird, die eine Änderung der Oszillatorfrequenz bewirkt.

Bekannte Schaltungen dieser Art (Vgl. DBP 1 159 043; NTZ 1971, Heft 10, S.545-550) arbeiten nach dem Prinzip, daß die zum Einzahlen einer vorgegebenen Soll-Schwingungszahl in den Frequenzzähler erforderliche Zählzeit als Istwert ermittelt und mit einem Soll-Zeitintervall (Sollwert) verglichen wird, das der Soll-Schwingungszahl bei richtiger Oszillatorabstimmung zuzuordnen ist. Hierbei tritt jedoch der Nachteil auf, daß das Erreichen der Soll-Schwingungszahl bei höheren Oszillatorfrequenzen unter bestimmten Umständen überhaupt nicht feststellbar ist, soda3 auch kein Istwert ermittelt v/erden kann und die Frequenzeinstellung bzw. Nachregelung demzufolge unterbleibt. Diese Umstände liegen dann vor, wenn gerade bei der Soll-Schwingungszahl ein oder mehrere Übertragsignale zwischen den einzelnen Zählerstufen übertragen v/erden müssen und die hierfür benötigte Laufzeit größer ist als der zeitliche Abstand der zu zählenden Oszillacorschwingungen bzw. der aus ihnen abgeleiteten Zählimpulse.

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S t/Mo

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß der vorstehend beschriebene Nachteil auch bei hohen Oszillatorfrequensen vermieden wird. Das wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Istwert, der aus dem durch Einzählen der Oszillatorschwingungen innerhalb einer vorgegebenen Zählzeit in einen ersten Vor-Rückwärts-Zähler erhaltenen Zählergebnis besteht, durch die zusätzliche Einzahlung einer Hilfsfrequena in Vorwärtsoder Rückwärtsrichtung einem der Zählzeit zugeordneten, vorgegebenen Schwingungszahl-Sollwert schrittweise angenähert wird, daß das Erreichen des Sollwertes durch einen an die Zählerausgänge geschalteten, digitalen Komparator feststellbar ist, der daraufhin einen parallel erfolgenden Einzählvorgang der Hilfsfrequenz in einen zweiten Vor-Rückwärts-Zähler unterbricht und daß die Regelspannung aus der erreichten Einstellung dieses Vor-Rückwärts-Zählers über einen Analog-Digital-Wandler ableitbar ist.

Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil besteht insbesondere darin, daß die Betriebssicherheit der digitalen Frequenzeinstellung und- nachregelung bis hinauf zu sehr hohen Oszillatorfrequenzen bei relativ geringem Schaltungsaufwand gewährleistet ist.

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

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiei der Erfindung, Fig.2 ein zweites Ausführungsbeispiei und Fig.3 den prinzipiellen Aufbau einer Teilschaltung von Fig. i und Pig.2.

In Fig.1 ist ein Oszillator I dargestellt, der in seiner Frequenz einstellbar und auf den jeweils eingestellten Wert nachregelbar ist. Ein Teil seiner an der Klemme 2 abgreifbaren

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BAO

Ausgangsspannung der Frequenz f wird über einen weiteren Ausgang A deia ersten Eingang eines NAND-Gatters 3 zugeführt, dessen zweiter Eingang mit einem Taktsignal T "beschaltet ist. Beim Anlegen des positiven Impulses P "von T gelangen die Oszillators chwingungen über 3 und ein weiteres NAND-Gatter 3' an den Eingang V eines mehrstufigen Frequenzzählers 4, dessen Ausgänge 4a mit den ersten Eingängen eines digitalen .Konparators 5 verbunden sind. Die zweiten, beispielsweise vieradrig aufzufassenden Eingänge 5a sind mit digitalen Signalen S^ bis Se belegt, die entsprechend vieladrig codiert sind (BCD-Code). Der als Vor-Rückwärts-Zähler ausgebildete Frequenzzähler 4 v/eist neben dem für die Vorwärtszählung eingerichteten Eingang V einen weiteren Eingang R für die Rückwärtszählung auf. V und R sind mit den entsprechenden Eingängen V und R¹ eines weiteren Vor-Rückwärts-Zählers 6 verbunden, dessen Ausgänge 6a mit einem Analog-Digital-Wandler 7 beschaltet sind. Dieser gibt eine Spannung IJ ab, die dann dem Frequenzsteuereingang 1a des Oszillators 1 zu.geführt v/ird.

Die Eingangspaare Y, V und R, R¹ der Zähler 4 und 6 sind jeweils über HAlTD -Gatter 8,9 zugänglich, die in geöffnetem Zustand die Einzahlung einer Hilfsfrequens f, ermöglichen. Die Steuerung der NAND-Gatter 8 und 9 erfolgt dabei durch drei Kriterien: Erstens über einen Negator 10 in Abhängigkeit von dem Taktsignal T , zweitens durch die Komparatorsignale K₁ und K_?, von denen K₁ erscheint, sofern die an den Klemmen 4a anliegende, z.B. BCD-codierte Zahl, kleiner ist als die an den Klemmen 5a anliegende gleichcodierte Zahl, während Kp die umgekehrte Grössenrelation zwisehen diesen Signalen kennzeichnet, und drittens durch ein Steuersignal S , das die HAIJD-Gatter 8 und 9 in der Zeit zwischen dem Rücksetzen des Zählers 4 und der positiven Flanke von P sperrt.

Die Arbeiteweise der beschriebenen Schaltung ist folgende: Beim Anlegen des Torimpulses P von T wird die Frequenz f der Os-

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iSillatorschwingungen in 4 gezählt. Dabei ist die vorgegebene Zählzeit durch die Länge des Torinipulses P gegeben. Das digitale Signal S₁ bis S_r definiert andererseits einen Schwingungszahl-Sollwert, der dieser Zählzeit bei richtiger Abstimmung des Oszillators 1 zuzuordnen ist. Das in 4 erhaltene..Zählergebnis, das den Istwert darstellt, wird im digitalen Komparator 5 mit dem Schwingungszahl-Sollwert verglichen. Je nach der Größenrelation zwischen Ist- und Sollwert gibt der Komparator wie bereits erwähnt das Signal K.. oder K^ ab. K.. öffnet nun bei einer negativen Abweichung des Zählergebnisses vom Sollwert das nach dem Ablauf der Zählzeit über 10 und S vorbereitete NAND-Gatter 8, sodaß die Hilfsfrequenz f, in Vorwärtsrichtung in die Zähler 4 und 6 eingezählt v/erden kann. Dabei wird das den Istwert darstellende Zählergebnis in 4 schrittweise dem in 5 eingespeicherten Sollwert angenähert. Erreicht es diesen, so verschwindet das Komparatorsignal K., worauf der Einzählvorgang unterbrochen wird. Damit wird jedoch auch gleichzeitig der parallele Einzählvorgang von f, in .den Vor-Rüekwärts-Zähler abgeschlossen, aodaß in diesen ein Betrag eingezählt wird, der ein digitales MaS für die Abweichung des Istwertes vom Sollwert darstellt.

Analog hierzu wird die Hilfsfrequenz f, beim Auftreten des Signals Kp über 9 in die Zähler 4 und 6 solange in Rüekwärtsrich— tung eingezahlt, bis der Istwert mit dem Sollwert übereinstimmt. Auch hierbei entspricht der in 6 eingezählte Betrag der Ablage des Istwertes. Die Ableitung der' Regelspannung U aus dem an 6a abgreifbaren Zählerstand erfolgt in herkömmlicher Weise durch den Digital-Analog~".7andler 7.

Betrachtet man den Regelvorgang ausgehend von einem Anfangszustand, bei dem der Zähler 4 durch einen Rückstellimpuls HS auf Null gestellt wird und der nicht rückgestellte Zähler 6 sich selbsttätig auf einen beliebigen iVert einstellt, so zeigt sich folgendes: Der Oszillator folgt dem Zählerstand von 6 und

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stellt sich selbsttätig auf eine entsprechende Frequenz ein. Das in 4 anfallende Zählergebnis wird sodann in 5 mit dem digitalen Sollwert \rergliehen und bei fehlender Übereinstimmung durch die einsetzende Einzahlung von f^ dem Sollwert angenähert. Der bis zur Übereinstimmung mittels f, einzuzählende Betrag verstellt den Frequenzzähler 6 gleichzeitig so, daß sich automatisch eine Regelspannung U ableitet, die den Oszillator 1 auf die Sollfrequenz einstellt. Bei nachträglicher Änderung der Oszillatorfrequenz kann dann der Regelvorgang nach vorheriger Rückstellung des Zählers 4 jederzeit und insbesondere periodisch wiederholt werden.

Der Komparator 5 hat neben der Ermittlung der Größenrelation des im Zähler 4 anfallenden Zählergebnisses zu dem durch'die Signale S₁ bis Sf- definierten Sollwert noch die Funktion, bei dem schrittweisen Annähern des Istwertes an den Sollwert die Übereinstimmung beider durch Abschaltung des Signals K^ oder Kp festzustellen. Bei hinreichend niedriger Bemessung der Hilfsfrequenz f, kann diese Feststellung unabhängig von der Größe der Frequenz f zuverlässig erfolgen, sodaß die Betriebssicherheit der Frequenzregelung auch für hohe Oszillatorfrequensen f gegeben ist. Dabei kann die Hilfsfrequenz f, zweckmäßigerweise durch Teilung aus f abgeleitet werden. Fig.2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Oszillatorschwingungen nicht in den ersten Vor-Rackwärts-Zähler 4 eingezählt werden, sondern in einen weiteren Frequenzzähler 11, der das während der Zählzeit P erreichte Zähiergebnis über Ausgabeleitungen 11a auf den Zähler 4 überträgt. Diese Übertragung wird durch einen Speicherbefehi S veranlaßt, der dem Zähler nach Beendigung des Torimpulses P zugeführt wird. Die weitere Verarbeitung des Zählergebnisses erfolgt wie in Fig.1, wobei lediglich die Ansteuerung der NAND-Gatter 8 und 9 geringfügig abgeändert -ist. Um nämlich sicherzustellen, daß die Aufsteuerung von 8 und 9 nur zu einem Zeitpunkt orfolgen kann, in dem weder der Torimpuls P anliegt noch der Speicherbefeiil S

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gegeben wird, ist analog zu dem llegator 10 ein weiterer .Negator 12 vorgesehen, denen ein NAND-Gatter 13 und ein Negator 14 nachgeschaltet sind.

Dieses Ausführungsbeispiel zeichnet sich dadurch aus, daß der in den Zähler 11 eingezählte Istwert der Oszillatorfrequenz f. , bezogen auf die Zählzeit P, ohne weitere Speichermittel angezeigt werden kann, da sich der Zählerstand von 11 während des gesamten Nachregelvorgangs nicht ändert. Lediglich vor Beginn eines weiteren Regelvorgangs muß dieser Zähler mittels des Rückstellimpulses RS' wieder auf Null gestellt werden. Durch die Anzeige des Istwertes kann man beispielsweise leicht kontrollieren, ob der Frequenzregelkreis zufriedenstellend arbeitet. Eine ähnliche Anzeige des Istwertes der Frequenz kann in der Schaltung nach Fig.1 nur unter Einsatz von Speichermitteln erfolgen, die vor der Einzahlung der Hilfsfrequenz fV in den Zähler 4 eine entsprechende Abspeicherung des während der Zählzeit P erhaltenen Zählergebnisses ermöglichen.

Anhand von Fig. 1 sei nun eine Weiterbildung des Erfindungsgedankens erklärt, die auch bei dem in Fig.2 dargestellten Ausführungsbeispiel angewendet werden kann. Hierzu ist ein weiterer Digital-Änalog-Wandler 15 vorgesehen, der diejenigen Größen, die die Soll-Schwingungszahl im Bereich der höherwertigen Stufen des !Comparators 5 definieren, im dargestellten Beispiel also die digitalen Signale S. und Sj-, in eine Stellspannung TJ umwandelt, die dann einem v/eiteren Frequenzsteuereingang 1b des Oszillators 1 zugeführt wird und eine Voreinstellung desselben in die Nähe seiner Sollfrequenz bewirkt.. Die Anwendung einer solchen Maßnahme hat neben einer V erkür sung clrr Nachregelze.it auch eine Reduzierung der erforderlichen Zählkapazität des Frequenzzählers 6 bzw. der Zähler 4 und 6 zur Folge.

Zur Steigerung der Treffsicherheit der Nachregelung können der

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BAD ORfGINAt,

Digital-Analog-Wandler 7 und/oder der Digital-Analog-Wandler entsprechend Pig.3 ausgebildet sein. Wie hier am Beispiel des Y/andlers 7 im Prinzip dargestellt ist, besteht dieser aus einer den Zählerausgängen 6a entsprechenden Anzahl von Stufen 7^ bis 7j-j die untereinander gleichartig aufgebaut sind und demzufolge analoge Ausgangsspannungen gleichartiger Abstufung liefern. Diese werden sodann in nachgeschalteten, den Stufen 7-, bis 7_R individuell zugeordneten Spannungsteilern ST₁ bis ST₁-entsprechend dem Stellenwert der einzelnen Zählerstufen bewertet, sodass sie nur mit dem ihrem Stellenwert entsprechenden Teil in einer Summiervorrichtung SV zu der Regelspannung U . bzw. im Falle des Digital-Analog-Wandlers 15 zu der Stell- | spannung U zusammengesetzt werden.

TJm während des Einzählens der Hilfsfrequenz f, die Übertragung von Zwischenvverten vom Zähler 6 zum Digital-Analog-Wandler 7 zu verhindern, kann zwischen diese Schaltungsteile ein Speieher geschaltet v/erden, in den der Zählerstand von 6 erst nach dem Erreichen der Übereinstimmung zwischen Ist- und Sollwert eingespeichert wird.

6 Patentansprüche
3 Figuren

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Claims

P a t e η t a η s ρ r ü c h e

Schaltung zur digitalen Frequenzeinstellung eines in seiner Frequenz geregelten Oszillators, bei der ein die Oszillatorschwingungen zählender Frequenzzähler zur Ableitung eines Istwertes dient _} der in einer Komparatorschaltung rait einem Sollwert verglichen wird, und bei der als Vergleichsergebnis eine der Ablage des Istwertes entsprechende Regelspannung gebildet wird, die eine Änderung der Osziilatorfrequenz bewirkt, dadurch g. e k e η η zeichnet , daß der Istwert,der aus dem durch 3inzählen der Oszillatorschwingungen (f ) innerhalb einer vorgegebenen Zählzeit (P) in einen ersten Vor-Rückv/ärts-Zäh- |P ler (4) erhaltenen Zählergebnis besteht, durch die zusätzliche Einzahlung einer Hilfsfrequenz (i-_h) in Vorwärtsoder Hückwärtsrichtung einem der Zählzeit (P) zugeordneten, vorgegebenen Schwingungszahi-Soilwert (S^bis S₅) schrittweise angenähert wird, daß das Erreichen des Sollwertes (S-. bis Sc) durch einen an die Zählerausgänge (4a) geschalteten, digitalen Komparator (5) feststellbar ist, der daraufhin einen parallel erfolgenden Binzählvorgang der Hilfsfrequenz (f^) in einen zweiten Vor-Rückwärts-Zähler (6) unterbricht und daß die Regelspannung (U ) aus der erreichten Einstellung dieses Vor-Rückwärts-Zählers (6) über einen Analog-Digital-Wandler (7) ableitbar ist.

^ 2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Hilfsfrequenz (f^) frei wählbar und niedriger als die Oszillatorfrequenz (f ) ist und' vorzugsweise durch Teilung von ihr abgeleitet ist.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e -

die kennzeichnet , daß die für Einzahlung in

Vorwärts- und Rückwärtsrichtung vorgesehenen Eingänge VPA 9/660/1004b -9-

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(V,R,V,R') "beider Vor-Rückwärts-Zähler (4,6) einander parallelgeschaltet und für die Hilfsfrequenz (fj,) jeweilö ü"ber Gatterschaltungen (8*9) zugänglich sind, die in Abhängigkeit von der über den Komparator (5) feststellbaren Ist-Sollwert-Relation aufsteuerbar sind. \

4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzei chnet , daß die OsziHatorschwingungen (f ) nicht direkt in den ersten Vor-Rückwärts-Zähler (4) einzählbar sind, sondern in einen weiteren Frequenzzähler (11), der das erreichte Zählergebnis über Ausgabeleitungen (11a) auf die entsprechenden Stufen des ersten Vor-Rückwärts-Zählers (4) überträgt. ™

5. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß von den den Sollwert (S....S₅-) im Bereich der höheren Stellenwerte festlegenden Größen, insbesondere digitalen Signalen (8,,S₅), unter vorzugsweiser Verwendung eines weiteren Digital-Analog-Wandlers (15) eine Stellspannung (TJ ) ableitbar ist,

die zur Voreinstellung des Oszillators (1) dient. ί

6. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Digital-Analog-Wandler (7,15) aus untereinander gleichartig aufgebauten Stufen (7^...7c) besteht, deren Ausgangsspannungen ihre den individuell zugeordneten Komparator- bzw. Zählerstufen entsprechenden Wertigkeiten durch geeignet bemessene, den einzelnen Stufen nachgeschaltete Spannungsteiler (ST₁...ST₅), erhalten.

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