DE2239994A1 - Vorrichtung zur regelung von frequenz und phase eines oszillators - Google Patents

Vorrichtung zur regelung von frequenz und phase eines oszillators

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Description

UIRTH4 GALLO S Co. 8032 Zürich
^STUTTGART! * 2386 /22
POSTFACH1186 ■ LESSINGSTR. 9
TIL
257 3374
Vorrichtung zur Regelung von Frequenz und Phase eines Oszillators
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Regelung von Frequenz und Phase eines Oszillators, voi— zugsweise über ein weites Gebiet von Frequenzen. Solche Voi— richtungen dienen z.B. dazu, eine Steuerfrequenz mit einem vorgegebenen Faktor zu vervielfachen und dieses Frequenzvielfache -nach möglichst kurzer Regelzeit in einer vorgegebenen konstanten Phasenbeziehung zur Steuerfrequenz zu halten. Schaltungsanordnungen zur Regelung eines Schwingkreises auf eine Steuerfrequenz F s.ind bekannt. Grundsätzlich bestehen sie zumeist aus folgenden Baugruppen, die in einer geschlossenen Schlaufe angeordnet sind: einem Schwingkreis, einem Phasendiskriminator, einem Filter und, wenn die Steuerfrequenz vervielfacht werden soll, einem Frequenzteiler. Der Schwingkreis, auch Lokaloszillator genannt, dessen Frequenz und Phase geregelt werden sollen, speist mit seinem Ausgangssignal UQ einerseits den Verbraucher, andererseits den Phasendiskriminator, der als zweites Eingangssignal das Steuersignal Ug erhält, das von einem ausserhalb des Regelkreises liegenden Mutteroszillator erzeugt ist. Ist beabsichtigt, nicht die Frequenz des Mutteroszi I la,tors selbst, sondern ein Vielfaches davon an den Verbraucher weiterzugeben, so wird zwischen Lokaloszillator und Phasendiskriminator ein Frequenzteiler
^ϋ-1°έ . 309849/0778
Frequenzvervielfacher
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geschaltet, der die Oszillatorfrequenz um den gewünschten Faktor untersetzt. Im Phasendiskriminator wird aus der Phasendifferenz der Signale U und U als wesentlichen Bestimmungsgrössen ein Fehlersignal U erzeugt. Dieses speist einen Filter, der als Hoch- oder Tief- oder Bandpassfilter ausgebildet sein kann, und zwar je nach dem Anwendungsziel des Regelkreises»
Als Funktion der Durchlasscharakteristik des Filters erzeugt" dieser ein Regelsignal U , das dem Lokaloszillator zugeleitet wird, der als spannungsgesteuerter Schwingkreis ausgebildet ist, und dessen Frequenz solange verändert, bis das Signal U vom Phasendiskr iminator den Wert erreicht, der dem Gleichlauf von Mutter- und Lokaloszillator entspricht oder, im Falle, dass der spannungsgesteuerte Schwingkreis auf einem Frequenzvielfachen von F schwingen soll, der Vervielfachungsfaktor η
exakt erfüllt ist.
Bedingt entweder durch die Konstruktion des Phasendiskrirainators, des Filters oder des spannungsgesteuerten Schwingkreises oder durch zwei oder all drei dieser Baugruppen, ist de«* Frequenzbereich, innerhalb dessen Regelung eintritt - der sog. Fangbereich des Kreises - verhöltnismässig schmal. Dies ist in vielen Fällen jedoch kein Nachteil, solange die Steuerfrequenz F nur geringe Schwankungen erleidet. Ist jedoch der Frequenzbereich entweder des Mutteroszillators oder des spannungsbesteuerten Schwingkreises über ein breites Gebiet veränderlich, so genügen die erwähnten technischen Mittel im allgemeinen nicht mehr, um den Lokaloszillator auf die Frequenz
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des MutterosziLlators zu,synchronisieren» In der Technik sind Mittel bekannt, die es gestatten, den Fangbereich künstlich zu erweitern, sei es dadurch, dass bei Aussertrittgeraten der beiden Oszillatoren der span'nungsbesteuerte Schwingkreis von einem elektronischen oder elektromechanischen Suchgenerator bis sich seine Frequenz wieder im natürlichen Fangbereich des Regelkreises befindet, gesteuert wird, oder sei es dadurch, dass dieser spannungsgesteuerte Schwingkreis vom Regelsignal U getrennt und schwingungsmässig sich selbst überlassen wird, uodurch bei geeig-neter Schaltung Regel schwingungen auftreten·, die den LokaLosziIlator wieder in den Regelbereich zurückbringen.
Zusammenfassend können die in der Technik bekannten Regelkreise in zwei Gruppen gegliedert werden: eine Gruppe ent-· hält die Kreise mit kleinem Fangebereich, die dafür allgemein kleine Regelzeiten aufweisen; die andere Gruppe enthält die Kreise, deren Fangbereich im Asynchronfall erweitert wird, die aber dadurch verhältnisijiässig langsam arbeiten und einen zusätzlichen Aufwand an Schaltmitteln erfordern.
Der begrenzte Fangbereich der Kreise der ersten Gruppe ist zumeist durch die Verwendung eines Filters verursacht, in dem das einlaufende Signal U mit einem apparativ vorgegebenen Kriterium verglichen wird. Die lange Regelzeit der Kreise der zweiten Gruppe erklärt sich aus dem Zuschalten von zusätzlichen elektronischen oder/und elektromechanischen Baugruppen mit eigenen, -zumeist grossen. Zeitkonstanten.
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Der Erfindung Iiegt die Aufgabe zugrunde, die Frequenz eines Lokaloszillators phasentreu mit der Frequenz eines Mutteroszillators zu synchronisieren, wobei die Frequenzregelung schnell und über einen weiten Bereich von Frequenzen z.B. über mehrere Oktaven erfolgen und die Frequenz des Lokaloszillators vorzugsweise ein Vielfaches der Frequenz des Mutteroszillators betragen soll.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass fcler Regelkreis aus einer äusseren und einer inneren Signalfluss-Schlaufe besteht, wobei die äussere einen Phasendiskriminator, einen Differenz integrator, einen spannungsgesteuerten Schwingkreis und einen Frequenzuntersetzer enthält und die innere nur aus dem Differenz integrator, dem spannungsgesteuerten Schwingkreis und dem Frequenzuntersetzer besteht, und die Wirkungen dieser Baugruppen aufeinander dergestalt verlaufen, dass der Phasendi skr injinator aus dem ursprünglichen Steuersignal U der Frequenz F und dem
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frequenzuntersetzten Signal U der Frequenz F des spanriungsgesteuerten Schwingkreises ein Signal U bildet, das die Information über die Phasendifferenz der beiden Signale enthält, der Differenz integrator aus dem RC - gemittelten Signal U und dem der inneren Signalfluss-Schlaufe entstammenden, ebenfalls RC-gemitteIten Signale U das echte Integral derer Differenz bildet, welches als Signal U den spannungsgesteuerten Schwingkreis steuert, dessen Signal U der Frequenz F zugleich den Verbraucher und den Frequenzuntersetzer speist, der das nun um den vorgegebenen Faktor η untersetzte Signal UQ als Signal U der Frequenz F. sowohl
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an den Phasendiskriminator in der äusseren als auch an den Differenzintegrator in der inneren 'signalfluss-Schlaufe abgibt.
In der beiliegenden Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes schematisch dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild der Vorrichtung, Fig. 2 ein ausführliches Schaltbild der Vor?r ichtung.,und Fig. 3a#3b einige Signalformen.
Im Blockdiagramm gemäss Fig« 1 ist der Signalfluss zwischen den verschiedenen Funktionsgruppen des Regelkreises dargestellt. Ein Phasendiskriminator 1 vergleicht Frequenz.und Phase der Signale U und U mit dem respektiven Frequenzen F und F., und gibt das aus dem Vergleich gebildete Signal U an einem Differenzintegrator 2 weiter. Dieses wird an einem invertierenden Eingang 3 abgenommen, während das Signal Ut einem nithtinvertierenden Eingang 4 zugeleitet wird. Aus der Integration der Differenz U - U entsteht das Regelsignal U , das einen spannungsgesteuerten Schwingkreis speist. Die der anliegenden Spannung U entsprechende Frequenz F wird in einem Frequenzuntersetzer 6 um den apparativ vorgegebenen Faktor η untersetzt und wird damit zur Frequenz Ft des Signales U , das den Phasendiskriminator 1 und den Oifferenzintegrator 2 speist.
Anhand des ausführlichen Schaltbildes gemäss Fig. 2 soll die Wirkungsweise des Kreises noch genauer geschildert werden:
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Die dem Phasendiskriminator 1 zugeführten Signale U mit der Frequenz F und U. mit der Frequenz F. sind beide Rechteckpulsfolgen. Diese werden je an einem CR-Glied, bestehend aus einem Kondensator 7 und Widerständen 0,9, bzw. einem Kondensator 10 und Widerständen 11, 12, differenziert. Das nun differenzierte Signal U speist einen Eingang 13 eines NAND-Gliedes 14, das differenzierte Signal U. einen Eingang eines NAND-Gliedes 16. Die Eingänge 13 und 15 werden statisch auf einer Spannung gehalten, die dem logischen Zustand EINS entspricht. Diese Spannung wird durch Spannungsteiler geliefert, die aus den Widerständen 8 und 9, bzw. 11 und 12 gebildet sind. Durch die wechselseitige Rückkoppelung der NAND-Glieder 14, 16 entsteht ein.bistabiles Schaltelement, dessen Ausgang 17 wechselweise die den logischen Zuständen EINS und NULL entsprechenden Spannungen abgibt, derart, dass eine Zustandsänderung nur dann eintritt, wenn auf eine abfallende Flanke des Signales U eine solche
des Signales U folgt und auf diese wieder eine des Signales U ; folgen zwei abfallende Flanken desselben Signales aufeinander, ohne dass eine des anderen erscheint, so bleibt der logische Zustand des Ausganges 17 erhalten. Das vom Ausgang 1? abgegebene Signal U ist also wiederum ein Rechteckpulszug, der nun mit der Zeitkonstanten des aus einem Widerstand 18 und einem Kondensator 19 gebildeten RC-Gliedes gemittelt wird. Durch ein identisch dimensioniertes, aus einem Widerstand 20 und einem Kondensator 21 bestehendes RC-Glied wird auch das Signal Ut gemittelt, das aufgrund seiner Entstehungsgeschichte ein symmetrischer Rechteckpulszug ist, dergestalt,
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dassU.im rege !.massigen Wechsel die Logischen Zustände EINS und NULL darstellt. Das RC-gemitteIte Signal Uß speist den invertierenden Eingang 3 eines Operationsverstärkers 22, das RC-gemittelte Signal U den ηichtinvertierenden Eingang 4. Durch die Gegenkoppelung über den Kondensator 19 wirkt der Operationsverstärker als echter Integrator. Sein Ausgangssignal U beeinflusst über einen Widerstand 24, zu welchem ein Kondensator 25 parallel geschaltet ist und die Widerstände 23 und 33f wobei die Widerstände 24, 23, 32 einen Spannungsteiler bilden, die Spannung an einem Schaltpunkt 26, Diese bestimmt die Entladezeit eines Kondensators 27 und damit die Frequenz F des spannungsgesteuerten Schwingkreises 5. Letzterer besteht aus drei in Serie angeordneten Umkehrschaltungen 28, 29, 30, einer Diode 31 und dem Kondensator 27, Befindet sich der Ausgang der Umkehrschaltung 28 auf der Spannung, di.e der logischen NULL entspricht, so würde am Ausgang der Umkehrschaltung 29 das Signal EIMS liegen, wenn nicht der Ladestrom des Kondensators 27.der Umkehrschaltung 29 über eine grosse Ausgangsimpedanz und die in Durchlassrichtung betriebene Diode 31 entnommen werden müsste. Die Eingangsspannung der Umkehrschaltung 30 steigt also nur langsam an, bedingt durch die Zeitkonstante, die im wesentlichen aus der Kapazität des Kondensators 27 und der Ausgangsimpedanz der Umkehrschaltung 29 gebildet ist. Hat die erwähnte Eingangsspannung der Umkehr schaltung 30 den Schwellenwert erreicht, so kippt die Umkehrschaltung 30, sodass ihr Ausgang nun auf NULL steht, was den Ausgang der Umkehrschaltung 28 auf EINS springen lässt. Der Kondensator 27 wirkt nun als Koppelung und beschleunigt das Kippen der Umkehrschaltung 30. ©ie Diode 31 verhindert in
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_ Q M
diesem Spannungszustand das Abfliessen der Kondensatorladung in die Umkehrschaltung 29. Der Zustand des Kreises ist stabil, bis über den Widerstand 32 genügend Ladung abgeflossen ist, um die Eingangsspannung der Umkehrschaltung 30 unter den Schwellenwert absinken zu lassen. Ist dieser Punkt erreicht, so kippt die Umkehrschaltung 30 und der beschriebene Zyklus beginnt von neuem.
Während die Ladezeit des Kondensators 27 praktisch konstant ist, hängt die Entladezeit von der Spannung des Schaltpunktes 26 ab, die ja mit der Eingangsspannung der Umkehrschaltung 30 identisch ist. Für hohe Werte von U ist auch die Spannung am Schaltpunkt 26 hoch, die Entladezeit des Kondensators 27 also gross, die Frequenz F damit klein; für kleinere Werte von U die Frequenz F demnach gross. Das Ausgangssignal der Umkehrschaltung 30 wird durch eine Umkehrschaltung 33 von Rückwirkungen nachgeschalteter Verbraucher (zum Teil nicht gezeichnet) geschützt upd vom Frequenzuntersetzer 6 und den (nicht gezeichneten) Verbrauchern als Signal U der Frequenz F übernommen. Im Frequenzuntersetzer 6, der in diesem Ausführungsbeispiel aus drei in Serie geschalteten, bistabilen Schaltelementen 34, 35, 36, besteht, wird die Frequenz F um einen apparativ vorgegebenen Faktor η untersetzt. Hier ist der Faktor η durch die Zahl dieser Schaltelemente bestimmt:
η = 2 =8. Die Frequenz F. ist um den Faktor 8 kleiner als F
t ο
und speist nun den Phasendiskritninator 1 in der äusseren Schlaufe und den Differenz integrator 2 in der inneren Schlaufe des Regelkreises.
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In Fig. 3 sind einige SignaLformeη dargestellt, und-zwar in Fig. 3a für den Synchronzustand, und in Fig. 3b .für den Asynchronzustand zwischen U und U.. Es wurde die vereinfachende
st
Annahme gemacht, dass U /U = const., d.h.dass der Kreis offen
S "C
ist und keine Regelung stattfindet.
In Fig. 3a sind auf derselben Zeitachse ein Signal 40 als
Beispiel für U und ein Signal 42 als Beispiel für U dargesteltt. Die SignaLe 41, 43 sinddie CR-dif ferenz ierten Signa.le U 40 und U 42. Ein Zustandwechse L des Signales U "~, das als Signalf-or.ni -44 dargestellt ist, findet dann statt, wenn entweder Signal 41 oder Signal 43 eine von EINS auf WULL gehende Spitze aufweisen, sodass sich der Zustand des Signales 44 nur dann ändert, wenn die Spitzen der Signale 41 und 43 im UechseL erfolgen. Ein Analogsignal 45 zeigt den Spannungsverlauf am invertierenden Eingang 3 des Differenz integrator 2, also das RC-gemittelte Signal U 44. Ein Analogsignal 46 ist das RC-gemittelte Signa-l 42, dass den ni cht invert ierenden Eingang 4 des Differenzintegrators 2 speist. Aus der Konstruktion des Phasendiskriminators 1 ergibt sich, dass im Synchronfall, der in Fig. 3a dargestellt ist, die Signale U 42 und U 44 synchron und phasengleich sind, deshalb sind auch die Signale 45 und 46 identisch. Integration der Differenz der Signale 45 und 46 ergibt eine Konstante, die in einem Signal 47 dargestellt ist. Es ist deutlich sichtbar, dass im ■ SynchronfalI keine irgendwie geartete Amplituden - oder Frequenzmodulation des spannungsgesteuerten Schwingkreises 5 durch die Signale U 42
oder U 44 eintritt,
e
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In Fig. 3b sind Signale 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67 dargestellt, die den Signalen 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47 des Synchronfalles von Fig. 3a entsprechen. Verinfachend, um die Uirkungsweise.des Differenz integrators 2 zu illustrieren, wurde das Verhältnis F /F = const, angenommen. Deutlich sichtbar ist die Niveauverschiebung des Signales 65, das das RC-gemitteIte Signal U 64 darstellt. Diese Niveauverschiebung ist jedoch als "virtuell" zu betrachten, da sie über den Kondensator 19 kompensiert wird bis auf einen kleinen Rest, der durch das durch die Verstärkung des Operationsverstärkers dividierte Signal U geliefert wird. Ein Signal 67 zeigt den Spannungsverlauf am Ausgang des Differenz integrators 2. Weichen Frequenz und Phase der Signale 60 und 62 voneinander ab, so führt dies zu einor Verschiebung des Gleichspannungsniveaus am Ausgang des Differonzintegrators 2 und damit auch am Schaltpunkt 26# womit die Frequenz F des spannungsgesteuerten Schwingkreises 5 in gegenläufigem Sinne beeinflusst wird. Diese Beeinflussung wurde, der besseren Klarheit wegen, hier ausser acht gelassen,
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Claims (3)

~ " " 2239S94 PATENTANSPRUECHE
1. Vorrichtung zur Regelung von Frequenz und Phase eines Oszillators, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelkreis aus einer äusseren und einer inneren Signalfluss-Schlaufe besteht, wobei die äussere einen Phasendiskriminator (1), einen Differenzintegrator (2), einen spannungsgesteuerten Schwingkreis (5) und einen Frequenzuntersetzer (6) enthält und die innere nur aus dem Differenzintegrator (2), dem spannungsgesteuerten Schwingkreis (5) und den^ Frequenzuntersetzqr (6) besteht, und die Wirkungen dieser Baugruppen aufeinander' dergestalt verlaufen, dass der Phasendiskriminator (1) aujs dem ursprünglichen Steuersignal U der Frequenz F und dem frequenz-
S S
untersetzten Signal U" der Frequenz F. des spannungsgesteuerten Schwingkreises (5) ein Signal U bildet, das die Information über die Phasendifferenz der beiden Signale enthält, der Differenzintegrator (2) aus dem RC-gemittelten Signal U und dem der inneren Signalfluss-Schläufe entstammenden ebenfalls RC gemittelten Signal U das echte Integral derer Differenz bildet, welches als Signal U den spannungsgesteuerten Schwingkreis (5) steuert, dessen Signal U der Frequenz F zugleich der) Verbraucher und den Frequenzuntersetzer (6) speist, der das nun um den vorgegebenen Faktor η untersetzte Signal U als Signal U der Frequenz F. sowohl an'den Phasendiskriminator (1) in der äusseren als auch an den Differenzintegrator (2) in der inneren Signalfluss-Schlaufe abgibt.
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2. Vorrichtung nach Anspruch 1 ,dadurch gekennzeichnet, dass der Phasendiskriminator (1) aus zwei NAND-Gliedern besteht, von denen je ein Eingang durch je einen Spannungsteiler auf dem der logischen EINS entsprechenden Spannugswerte gehalten wird und je der andere Eingang mit dem Ausgang des anderen NAND-Gliedes galvanisch verbunden ist, sodass kapazitiv an die beiden mit Spannungsteilern versehenen Eingänge gekoppelten Signalquellen von Rechteckpulsen den Ausgang des Phasendiskriminators <1), der identisch ist mit dem Ausgang eines der NAND-Glieder, im Takte der abfallenden Flanken ihrer Rechteckpulse, die durch die Art der Koppelung differenziert werden, vom ^ einen logischen Zustand in den anderen bringen, dergestalt, dass ein Zustandswechsel nur dann stattfindet, wenn eine abfallende Flanke an-} einen Eingang durch eine solche am anderen gefolgt wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 ,dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzintegrator (2) aus einem Operationsverstärker mit einem invertierenden und einem nicht invertierenden Eingang besteht, die beiden Eingänge mit identisch dimensionierten Kompenenten RC-beschaltet sind, sodass
■der Kondensator am invertierenden Eingang diesen mit dem Ausgang des Operationsverstärkers verbindet, während der nicht invertierende Eingang über seinen Kondensator an Erde gekoppelt ist und die Signale den Eingängen über die Widerstände zugeführt werden.
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