DE2164007B2

DE2164007B2 - Schaltung zur digitalen Frequenzeinstellung eines in seiner Frequenz geregelten Oszillators

Info

Publication number: DE2164007B2
Application number: DE2164007A
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: 1979-01-04
Also published as: DE2164007A1; DE2164007C3; FR2164640B1; JPS528139B2; US3806826A; IT971903B; GB1409670A; FR2164640A1; JPS4871868A

Description

insbesondere darin, daß durch die zusätzliche Einzahlung der Hilfsfrequenz 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

F i g. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel,

F i g. 2 ein zi/eites Ausführungsbeispiel und

Fig.3 den prinzipiellen Aufbau einer Teilschaltung von F i g. 1 und F i g. 2.

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 ersten Eingang eines NAND-Gatters 3 zugeführt, dessen zweitem Eingang ein Taktsignal T₀ zugeführt wird. Beim Anlegen des positiven Impulses P von T, gelangen die Oszillatorschwingungen über 3 und ein weiteres NAND-Gatter 3' an den Eingang Veines inehr&lüfigen Frequenzzählers 4, dessen Ausgänge 4a mu den ersten Eingängen eines digitalen !Comparators 5 "erbunden sind. Die zweiten Eingänge 5a sind mit digitalen Signalen 5, bis S₅ belegt, die z. B. im BCD-Code codiert sind.

Der als Vor-Rückwärts-Zähler ausgebildete Frequenzzähler 4 weist neben dem für die Vorwärtszählung eingerichteten Eingang Keinen weiteren Eingang R für die Rückwärtszählung auf. V und R sind mit den entsprechenden Eingängen V und R' eines weiteren Vor-Rückwärts-Zählers 6 verbunden, dessen Ausgänge 6a mit einem Analog-Digital-Wandler 7 beschaltet sind. Dieser gibt eine Spannung U_r ab, die dann dem Frequenzsteuereingang la des Oszillators 1 zugeführt wird.

Die Eingangspaare V. V'und R, R'der Zähler 4 und S sind jeweils über NAND-Gatter 8, 9 zugänglich, die in geöffnetem Zustand die Einzahlung einer Hilfsfrequenz fh ermöglicnen. Die Steuerung der NAND-Gatter 8 und 9 erfolgt dabei durch drei Kriterien: Erstens über einen Negator 10 in Abhängigkeit von dem Taktsignal T₁* zweitens durch die Komparatorsignale K\ und K^, von denen K\ erscheint, sofern die an den Klemmen 4a anliegende, z. B. BCD-codierte Zahl, kleiner ist als die an den Klemmen 5a anliegende ebenfalls BCD-codierte Zahl während K2 die umgekehrte Größenrelation zwischen diesen Signalen kennzeichnet, und drittens durch ein Steuersignal S,_h das die NAND-Gatter 8 und 9 in der Zeit zwischen dem Rücksetzen des Zählers 4 und der positiven Flanke Psperrt.

Die Arbeitsweise der beschriebenen Schaltung ist folgende: Beim Anlegen des Torimpulses P von T„ wird die Frequenz Λ der Oszillatorschwingungen in 4 gezählt. Dabei ist die vorgegebene Zählzeit durch die Länge des Torimpulses P gegeben. Das digitale Signals S] bis S5 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 GröBenrelation zwischen !stund Sollwert gibt der Komparator wie bereits erwähnt das Signal K\ oder Ki ab. K\ öffnet bei einer negativen Abweichung dt-s Zählergebnisses vom Sollwert das nach dem Ablauf der Zählzeit über 10 und S₁, vorbereitete NAND-Gatter 8. so daß die Hilfsfreauenz ft, in Vorwärtsrichtung in die Zähler 4 unci 6 eingezählt werden kann. Dabei wird das den Istwert darstellende Zählergebnis in 4 schrittweise dem in 5 eingespeicherten Sollwert angenähert. Erreicht es diesen, so verschwindet das Komparatorsignal Ki, worauf der Einzählvorgang unterbrochen wird. Damit wird jedoch auch gleichzeitig der parallele Einzählvorgang von 4 in den Vor-Rückwärts-Zähler 6 abgeschlossen, so daß in diesen ein Betrag eingezählt wird, der ein digitales Maß für die

ίο Abweichung des Istwertes vom Sollwert darstellt.

Analog hierzu wird die Hilfsfrequenz /i beim Auftreten des Signals K2 über 9 in die Zähler 4 und 6 solange in Rückwärtsrichtung eingezählt, bis der Istwert mit dem Sollwert übereinstimmt. Auch hierbei entspricht der in 6 eingezählte Betrag der Ablage des Istwertes. Die Ableitung der Regelspannung L/_rausdem an 6a abgreifbaren Zählerstand erfolgt in herkömmlicher Weise durch den Digital-Analog-Wandler 7.

Betrachtet man den Regelvorgang ausgehend von einem Anfangszustand, bei dem der Zähler 4 durch einen Rückstellimpuls RS auf Null ^stellt wird und der nicht rückgcsiciltc Zähler 6 sich selbsttätig auf einen beliebigen Wert einstellt, so zeigt sich folgendes: Der Oszillator folgt dem Zählerstand von 6 und stellt sich

2~> selbsttätig auf eine entsprechende Frequenz ein. Das in 4 anfallende Zählergebnis wird sodann in 5 mit dem digitalen Sollwert verglichen und bei fehlender Übereinstimmung durch die einsetzende Einzahlung von f/, dem Sollwert angenähert. Der bis zur Übereinstimmung

ti) mittels //, einzuzählende Betrag vcrsnllt den Frequenzzähler 6 gleichzeitig so, daß sich automatisch eine Regelspannung LJ_r ableitet, die den Oszillator 1 auf die Sollfrequenz einstellt. Bei nachträglicher Änderung der Oszillatorfrequenz kann dann der Regelvorgang nach

r> 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 S\ bis S·, drfinierten

-10 Sollwert noch die Funktion, bei dem schrittweisen Annähern des Istwertes an den Sollwert die Übereinst, inmung beider durch Abschaltung des Signales /C₁ oder Av2 festzustellen. Bei hinreichend niedriger Bemessung der Hilfsfrequenz h kann diese Feststellung

r> unabhängig von der Größe der Frequenz /» zuverlässig erfolgen, so daß die Betriebssicherheit der Frequenzregelung auch für hohe Oszillatorfrequenzen f_% gegeben ist. Dabei kann die Hilfsfrequenz //, zweckmäßigerweise durch Teilung aus f, abgeleitet werden. F i g. 2 zeigt ein

in anderes Ausführungsbeispiel bei dem die Oszillatorschwingungen nicht in den ersten Vor-Rückwärts-Zähler 4 eingezählt werden, sondern in einen weiteren Frequenzzähler 11, der das während der Zählzeit P errf'chte Zählergebnis über Ausgabeleitungen 11a auf

3i den Zähler 4 überträgt. Diese Übertragung wird durch einen Speicherbe'ahl 5veranlaßt, der dem Zähler 4 nach Beendigung des Torimpulses ρ 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 erfolgen kann, in dem veder der Torimpuls /"anliegt noch der Speicherbefehl S gegeben wird, ist analog zu dem Negator IO 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

Oszillatorfrcqucnz Λ. bezogen auf die Zählzeit f, ohne weitere Speicher angezeigt werden kann, da sich der Zahlerstand von 11 während des gesamten Nachregel· Vorgangs nicht ändert. Lediglich vor Beginn eines weiteren Kegelvorgangs muß dieser Zähler mittels des Rückstcllimpulscs RSwieder auf Null gestellt werden. Durch die Anzeige des Istwertes kann man beispielsweise leicht kontrollieren, ob der Frequenzrcgelkreis zufriedenstellend arbeitet. F.ine ähnliche Anzeige des Istwertes der Frequenz kann in der Schaltung nach f i g. 1 nur unter Finsatz von Speichern erfolgen, die vor der FinzähliiMg der llilfsfrequenz h in den Zählet 4 eine entsprechende Abspeicheriing des während der Zähl-/eit /verhaltenen Zählergcbnissesermöglichen.

Anhand von F i g. 2 sei nun eine Weiterbildung des I rfindiingsgcdankcns erklärt, die auch bei dem in Fi g. 2 dargestellten Ausführungshcispiel angewendet werden kann. Hierzu ist ein weiterer Digital-Analog-Wandler 15 vorgesehen, der diejenigen (jrößen.die die Soll-Schwingiings/ahl im Hereich der höherwertigen Stufen des Komparators 5 definieren, im dargestellten FicisρicI also die digitalen Signale St und .V-. in eine Stellspannung ίΛ umwandelt, die dann einem weiteren Frequcn/.stcuereingang \b des Oszillators I zugeführt wird und eine Voreinstellung desselben in die Nähe seiner Sollfrequenz bewirkt. Die Anwendung einer solchen Maßnahme hat neben einer Verkürzung der Nachregelzcit auch eine Reduzierung der erforderlichen Zählkapazität de? Frequenzzähler 6 bzw. der Zähler 4 und 6 zur Folge.

Zur Steigerung der Treffsicherheit der Naehregelung können der Digital-Analog-Wandler 7 und/oder der Digital-Analog-Wandler 15 entsprechend F i g. 3 ausgebildet sein. Wie hier am lieispicl des Wandlers 7 im Prinzip dargestellt ist, besteht dieser aus einer den Zählerausgängcn 6;) entsprechenden Anzahl von Stufen 7| bis 7s. die untereinander gleichartig aufgebaut sind

in und demzufolge analoge Aiisgangsspannungen gleichartiger Abstufung liefern. Diese wercler sodann in nachgeschalteten, ilen Stufen 7i bis 7 individuell zugeordneten Spannungsteilern .STi bis ST-, entsprechend dem Stellenwert der ein/einen Zählersiiifcn

ι·» bewertet, so daß sie nur mit dem ihrem Stellenwert entsprechenden Teil in einer Summiervorrichtung .S'V'zu der Rcgclsparinung II, bzw. im I alle des Digital-Analog Wandlers 15 zu der Stellspannung IK zusammengesetzt werden.

»ι Um während des Fin/ählens der Hilfsfrcqiienz /λ die Übertragung von Zwischenwerten vom Zähler 6 zum Digital-Analog-Wandlcr 7 zu verhindern, kann zwischen diese Schaltungsteilc ein Speicher geschaltet werden, in den der Zählerstand von 6 erst nach dem

j) Erreichen der Übereinstimmung zwischen Ist- und Sollwert eingespeichert wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnuneen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltung zur digitalen Frequenzeinstellung eines in seiner Frequenz geregelten Oszillators, bei der ein die Oszillatorschwingungen zählender Frequenzzähler zur Ableitung eines Istwertes dient, der in einem digitalen Komparator mit einem Sollwert verglichen wird, und bei der als Vergleichsergebnis eine der Ablage des Istwertes entsprechende Regelspannung gebildet wird, die eine Änderung der Oszillatorfrequenz bewirkt, wobei der Istwert aus denn durch Einzahlen der Oszillatorschwingungen innerhalb einer vorgegebenen Zählzeit in einen ersten Vor-Rückwärts-Zähler erhaltenen Zählergebnis besteht und wobei die Regelspannung aus der erreichten Einstellung dieses Vor-Rückwärts-Zählers über einen Analog-Digital-Wandler abgeleitet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Istwert durch die zusätzliche Einzahlung einer Hilfsfrequenz (fh) in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung einen; der Zählzeit (P) zugeordneten, vorgegebenen Schwingung;szahl-Sollwert (S\ bis S5) schrittweise angenähert wird und daß nach Erreichen des Sollwertes (S\ bis 5s) durch den an die Zählerausgänge (4a) geschalteten Komparator (5) ein parallel erfolgender Einzählvorgang der Hilfsfrequenz (fh) in einen zweiten Vor-Rückwäru-Zähler (6) beendet wird.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsfrequenz (fh) frei wählbar und jo niedriger als die Oszillatorfrequenz (7,) ist und durch Teilung von inr abgeleitet ist.

3. Schaltung nach Anspru λ 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Einzahlung in Vorwärts- und Rückwärtsrich mg vorgesehenen Eingänge (V, R, V, R')be\acr Vor-Rückwärts-Zähler (4. 6) einander parallelgeschaltet und für die Hilfsfrequenz (fh) jeweils über Gatterschaltungen (8,

9) zugänglich sind, die in Abhängigkeit von der über den Komparator(5) feststellbaren Ist-Sollwert-Rela- w tion aufsteuerbar sind.

4. Schaltung nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillatorschwingungen (f_x) nicht direkt in den ersten Vor-Rückwärts-Zähler (4) eingezählt werden, sondern in einen weiteren Frequenzzähler (11), der das erreichte Zählergebnis über Ausgabeleitungen (Wa) auf die entsprechenden Stufen des ersten Vor-Rückwärts-Zählers (4) überträgt.

5. Schaltung nach einem der vorhergehenden v> Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß von den den Sollwert (Si... 55) im Bereich der höheren Stellenwerte festlegenden digitalen Signalen (Sa, S·,) unter Verwendung eines weiteren Digital-Analogwandlers (15) eine Stellspannung (U_s) ableitbar ist, >*> die zur Voreinstellung des Oszillators(l)dient.

6. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Digitaü-Analog-Wandler (7, 15) aus untereinander gleichartig aufgebauten Stufen (7\... <■« 7i) besteht, deren Ausgangsspannungen ihre den individuell zugeordneten Komparatorstufen oder Zählerstufen entsprechenden Wertigkeiten durch geeignet bemessene, den einzelnen Stufen nachgeschaltete Spannungsteiler(ST\...ST$)erhalten.

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 einem digitalen Komparator mit einem Sollwert verglichen wird, und bei der als Vergleichsergebnis eine der Ablage des Istwertes entsprechende Regelspannung gebildet wird, die eine Änderung der Oszillatorfrequenz bewirkt, wbei der Istwert aus dem durch Einzählen der Oszillatorschwingungen innerhalb einer vorgegebenen Zählzeit in einen ersten Vor-Rückwärts-Zähler erhaltenen Zählergebnis besteht und wobei die Regelspannung aus der erreichten Einstellung dieses Vor-Rückwärts-Zählers über einen Analog-Digital-Wandler abgeleitet ist.

Eine Schaltung dieser Art ist aus der US-PS 31 85 938 bekannt

Diese und ähnliche bekannte Schaltungen (Vgl. DE-PS 1159 043; NTZ 1971, Heft 10, S. 545-550) arbeiten nach dem Prinzip, daß die zum Einzählen 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 O-szillatorfrequenzen unter bestimmten Umständen überhaupt nicht feststellbar ist, so daß auch kein Istwert ermittelt werden kann und die Frequenzeinstellung bzw. Nachregelung demzufolge unterbleibt. Diese Umstände liegen dann vor, wenn gerade bei der Soll-Schwingungszahl ein oder mehrere Übertragungssignale zwischen den einzelnen Zählerstufen übertragen werden müssen und die hierfür benötigte Laufzeit größer ist als der zeitliche Abstand der zu zählenden Oszillatorschwingungen bzw. der aus ihnen abgeleiteten Zählimpulse.

Aus der DE-OS 20 36 J68 ist es bekannt, einen Vor-Rückwärts-Zähler zu verwenden, dessen Ausgangssignal auf das Erreichen des Sollwertes hin von einem digitalen Komparator (Akkumulator) geprüft wird. Aus der erreichten Einstellung des Vor-Rückwärts-Zählers wird die Regelspannung für den Oszillator über einen Digital-Analog-Wandler abgeleitet. Dabei handelt es sich aber in erster Linie um eine Grobregelung des variablen Oszillators.

Aus der GBPS U 68 438 ist es bekannt, bei einer geregelten Oszillatorschaltung die Oszillatorfrequenz innerhalb einer vorgegebenen Zählzeit einer Anordnung aus zwei Zählstufen zuzuführen, die zusammen teilweise ähnlich wie ein Vor-Rückwärts-Zähler wirken. Dabei wird eine Subtraktion vom Istwert vorgenommen, was in der kurzen zur Verfügung stehenden Zeit schwierig durchzuführen ist und zu Fehlern führen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß diese auch bei hohen Oszillatorfrequenzen zuverlässig arbeitet.

Das wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Istwert durch die zusätzliche Einzahlung einer Hilfsfrequenz in Vorwärts- oder Rückwärlsrichlung einem der Zählzeit zugeordneten, vorgegebenen Schwingungszahl-Sollwert schrittweise angenähert wird und daß nach Erreichen des Sollwertes durch den an die Zählerausgänge geschalteten Komparator ein parallel erfolgender Einzählvorgang der Hilfsfrequenz in einen zweiten Vor-Rückwärts-Zähler beendet wird.

Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil besteht