DE2239994B2 - Vorrichtung zur Regelung von Frequenz und Phase eines Oszillators - Google Patents

Description

getrennt unä schwingungsmäßig sich selbst überlassen wird, wodurch bd 5?er»neter Schaltung Regelschwingungen auftreten, die den Lokaloszillator wieder in den Regelbereich zurückbringen.

Zusammenfassend können die in der Technik bekannten Regelkreise in zwei Gruppen gegliedert werden: eine Gruppe enthält die Kreise mit⁵ kleinem Fangbereich, die dafür allgemein kleine Regelzeiten aufweisen; die andere Gruppe enthält die Kreise, deren Fangbereich im Asynchronfall erweitert wird, die aber dadurch verhältnismäßig langsam arbeiten und einen zusätzlichen Aufwand an Schaltmitteln erfordern.

Der begrenzte Fangbereich der Kreise der ersten Gruppe ist zumeist durch die Verwendung eines FiI-ters verursacht, in dem das einlaufende Signal U₁, mit einem apparativ vorgegebenen Kriterium verslichen wird. Die lange Regelzeit der Kreise der zweiten Gruppe erklärt sich aus dem Zuschalten von zusatzlichen elektronischen und/oder elektromechanischen Baugruppen mit eigenen, zumeist großen, Zeitkonstanten.

Der Erfindung liegt 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 der Regelkreis aus einer äußeren und einer inneren Signalfluß-Schleife besteht, wobei die äußere einen Phasendiskriminator, einen DifFerenzintegrator, einen spannungsgesteuerten Schwingkreis und einen Frequenzunterseizer enthält und die innere nur aus dem Differenzintegrator, dem spannungsgesteuerten Schwingkreis und dem Frequenzuntersetzer besteht, und die Wirkungen dieser Baugruppen aufeinander so abgestimmt sind, daß der Phasendiskriminator aus dem ursprünglichen Steuersignal U_s der Frequenz F_s und dem frequenzuntersetzten Signal U₁ der Frequenz F, des spannungsgesteuerten Schwingkreises ein Signal U₁, bildet, das die Information über die Phasendifferenz der beiden Signale enthält, der Differenzintegrator mit nachgeschaltetem ÄC-Glied aus dem Signal U_e und dem der inneren Signalfluß-Schleife entstammenden, ebenfalls mittels eines /?C-Gliedes geglättetem Signal U₁ das Integral der Differenz der beiden Signale bildet, welches als Signal U_r den spannungsgesteuerten Schwingkreis steuert, dessen Signal U₀ der Frequenz F₀ zugleich den Verbraucher und den Frequenzuntersetzer speist, der das nun um den vorgegebenen Faktor η untersetzte Signal U₀ als Signal U₁ der Frequenz F₁ sowohl an den Phasendiskriminator in der äußeren als auch an den Differenzintegrator in der inneren Signalfluß-Schleife abgibt.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes schematisch dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild der Vorrichtung,

F i g. 2 ein ausführliches Schaltbild der Vorrichtung und

F i g. 3 a, 3 b einige Signalformen.

Im Blockdiagramm gemäß F i g. 1 ist der Signalfluß zwischen den verschiedenen Funktionsgruppen des Regelkreises dargestellt. Ein Phasendiskriminator 1 vergleicht Frequenz und Phase der Signale U_s und U, mit den respektiven Frequenzen F_s und F₁, und gibt das aus dem Vergleich gebildete Signal U_e an einem Differenzintegrator 2 weiter. Dieses wird an einem invertierenden Eingang 3 abgenommen, während das Signal U, einem nichtinvertierenden Eingang 4 zugeleitet wird. Aus der Integration der Differenz U, — U_e entsteht das Regelsignal U_n das einen

ίο spannungsgesteuerten Schwingkreis 5 speist. Die der anliegenden Spannung U₁. entsprechende Frequenz F₀ wird in einem Frequenzuntersetzer 6 um den apparativ vorgegebenen Faktor η untersetzt und wird damit zur Frequenz F, des Signales U₁, das den Phasendiskriminator 1 und den Differenzintegrator 2 speist. An Hand des ausführlichen Schaltbildes gemäß Fig. 2 soll die Wirkungsweise der Schaltung noch genauer geschildert werden:

Die dem Phasendiskriminator 1 zugeführten Signale U_s mit der Frequenz F_s und U, mit der Frequenz F₁ sind beide Rechteckpulsfolgen. Diese werden je an einem CR-Glied, bestehend aus einem Kondensator 7 und Widerständen 8, 9 bzw. einem Kondensator 10 und Widerständen 11, 12 differenziert.

Das nun differenzierte Signal U_s 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 Rückkopplung 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_s eine solche des Signales U₁ folgt und auf diese wieder eine des Signales U_s; 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 17 abgegebene Signal U₁, 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-GUed wird auch das Signal U₁ gemittelt, das auf Grund seiner Entstehungsgeschichte ein symmetrischer Rechteckpulszug ist, dergestalt, daß U₁ im regelmäßigen Wechsel die logischen Zustände EINS und NULL darstellt. Das mittels eines ftC-Gliedes geglättete Signal U_e speist den invertierenden Eingang 3 eines Operationsverstärkers 22, das ebenfalls mittels eines RC-Gliedes geglättete Signal U₁ den nichtinvertierenden Eingang 4. Durch die Gegenkopplung über den Kondensator 19 wirkt der Operationsverstärker als echter Integrator. Sein Ausgangssignal U_r beeinflußt über einen Widerstand 24, zu welchem ein Kondensator 25 parallel geschaltet ist und die Widerstände 23 und 33, 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 F₀ des spannungsgesteuerten Schwingkreises 5. Letzterer besteht aus drei in Serie angeordneten Umkehrschaltungen 28, 29. 30.

einer Diode 31 und dem Kondensator 27. Befindet zwar in F i g. 3 a für den Synchronzustand und in

sich der Ausgang der Umkehrschaltung 28 auf der F i g. 3 b für den Asynchronzustand zwischen U_s und

Sp .ing, die der logischen NULL entspricht, so U₁. Es wurde die vereinfachende Annahme gemacht,

würde am Ausgang der Umkehrschaltung 29 das daß V_SIV, = const., d. h., daß der Kreis offen ist und

Signal EINS liegen, wenn nicht der Ladestrom des 5 keine Regelung stattfindet.

Kondensators 27 der Umkehrschaltung 29 über eine In F i g. 3 a sind auf derselben Zeitachse ein Signal

große Ausgangsimpedanz und die in Durchlaßrich- 40 als Beispiel für U_s und ein Signal 42 als Beispiel

tung betriebene Diode 31 entnommen werden müßte. für U₁ dargestellt. Die Signale 41, 43 sind die mittels

Die Eingangsspannung der Umkehrschaltung 30 der ÄC-Glieder differenzierten Signale i/_s40 und

steigt also nur langsam an, bed ngt durch die Zeit- io [7,42. Ein Zustandwechsel des Signales U_e, das als

konstante, die im wesentlichen aus der Kapazität des Signalform 44 dargestellt ist, findet dann statt, wenn

Kondensators 27 und der Ausgangsimpedanz der entweder Signal 41 oder Signal 43 eine von EINS auf

Umkehrschaltung 29 gebildet ist. Hat die erwähnte NULL gehende Spitze aufweisen, so daß sich der Zu-

Eingangsspannung der Umkehrschaltung 30 den stand des Signales 44 nur dann ändert, wenn die

Schwellwert erreicht, so kippt die Umkehrschaltung 15 Spitzen der Signale 41 und 43 im Wechsel erfolgen.

30, so daß ihr Ausgang nun auf NULL steht, was Ein Analogsignal 45 zeigt den Spannungsverlauf am

den Ausgang der Umkehrschaltung 28 auf EINS invertierenden Eingang 3 des Differenzintegrators 2,

springen läßt. Der Kondensator 27 wirkt nun als Kop- also das mittels /?C-Glied geglättete Signal t/,,44. Ein

pelung und beschleunigt das Kippen der Umkehr- Analogsignal 46 ist das mittels RC-Glied geglättete

schaltung 30. Die Diode 31 verhindert in diesem 20 Signal 42, daß den nichtinvertierenden Eingang 4 des

Spannungszustand das Abfließen der Kondensator- Differenzintegrators 2 speist. Aus der Konstruktion

ladung in die Umkehrschaltung 29. Der Zustand des des Phasendiskriminators 1 ergibt sich, daß im Syn-

Kreises ist stabil, bis über den Widerstand 32 ge- chronfall, der in F i g. 3 a dargestellt ist, die Signale

nügend Ladung abgeflossen ist, um die Eingangs- U₁ 42 und U_c 44 synchron und phasengleich sind, des-

spannung der Umkehrschaltung 30 unter den Schwell- 25 halb sind auch die Signale 45 und 46 identisch. Inte-

wert absinken zu lassen. Ist dieser Punkt erreicht, gration der Differenz der Signale 45 und 46 ergibt

so kippte die Umkehrschaltung 30, und der beschrie- eine Konstante, die in einem Signal 47 dargestellt ist.

bene Zyklus beginnt von neuem. Es ist deutlich sichtbar, daß im Synchronfall keine

Während die Ladezeit des Kondensators 27 prak- irgendwie geartete Amplituden- oder Frequenzmotisch konstant ist, hängt die Entladezeit von der Span- 30 dulation des spannungsgesteuerten Schwingkreises 5 nung des Schaltpunktes 26 ab, die ja mit der Ein- durch die Signale U₁ 42 oder U_e 44 eintritt,
gangsspannung der Umkehrschaltung 30 identisch ist. In Fi g. 3b sind Signale 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, Für hohe Werte von U₁. ist auch die Spannung am 67 dargestellt, die den Signalen 40, 41, 42, 43, 44, 45, Schaltpunkt 26 hoch, die Entladezeit des Kondensa- 46, 47 des Synchronfalles von Fig. 3a entsprechen, tors 27 also groß, die Frequenz F₀ damit klein; für 35 Vereinfachend, um die Wirkungsweise des Differenzkleinere Werte von U_r die Frequenz F₀ demnach integrators 2 zu illustrieren, wurde das Verhältnis groß. Das Ausgangssignal der Umkehrschalrung 30 F_s/F,=const, angenommen. Deutlich sichtbar ist die wird durch eine Umkehrschalrung 33 von Rückwir- Niveauverschiebung des Signales 65, das das mittels kungen nachgeschalteter Verbraucher (zum Teil nicht ÄC-Glied geglättete Signal U_e 64 darstellt. Diese gezeichnet) geschützt und vom Frequenzunter- 40 Niveauverschiebung ist jedoch als »virtuell« zu besetzer 6 und den (nicht gezeichneten) Verbrauchern trachten, da sie über den Kondensator 19 kompenals Signal U₀ der Frequenz F₀ übernommen. Im Fre- siert wird bis auf einen kleinen Rest, der durch das quenzuntersetzer 6, der in diesem Ausfiihrungsbei- durch die Verstärkung des Operationsverstärkers dispiel aus drei in Serie geschalteten, bistabilen Schalt- vidierte Signal U₁. geliefert wird. Ein Signal 67 zeigt elementen 34, 35, 36 besteht, wird die Frequenz F₀ 45 den Spannungsverlauf am Ausgang des Differenzum einen apparativ vorgegebenen Faktor η unter- integrators 2. Weichen Frequenz und Phase der setzt. Hier ist der Faktor η durch die Zahl dieser Signale 60 und 62 voneinander ab, so führt dies zu Schaltelemente bestimmt: η = 2^s = 8. Die Fre- einer Verschiebung des Gleichspannungsniveaus am quenz F₁ ist um den Faktor 8 kleiner als F₀ und speist Ausgang des Differenzintegrators 2 und damit auch nun den Phasendiskriminator 1 in der äußeren 50 am Schaltpunkt 26, womit die Frequenz F₁, des span-Schleife und den Differenzintegrator 2 in der inneren nungsgesteuerten Schwingkreises 5 in gegenläufigem Schleife des Regelkreises. Sinne beeinflußt wird. Diese Beeinflussung wurde, dei

In F i g. 3 sind einige Signalformen dargestellt, und besseren Klarheit wegen, hier außer acht gelassen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Regelung von Frequenz und Phase eines Oszillators, dadurch gekennz e i c h η e t, daß der Regelkreis aus einer äußeren und einer inneren Signalfluß-Schleife 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 dem Frequenzuntersetzer (6) besteht, und die Wirkungen dieser Baugruppen aufeinander so abgestimmt sind, daß der Phasendiskriminator (1) aus dem ursprünglichen Steuersignal U, der Frequenz F₅ und dem frequenzuntersetzten Signal U₁ der Frequenz F, des spannungsgesteuerten Schwingkreises (5) ein Signal U_c bildet, das die Information über die ao Phasendifferenz der beiden Signale enthält, der Differenzintegrator (2) mit nachgeschaltetem RC-Glied aus dem Signal U_e und dem der inneren Signalfluß-Schleife entstammenden, ebenfalls mittels eines ÄC-Gliedes geglätteten Signal U₁ das Integral der Differenz dieser beiden Signale bildet, welches als Signal U₁. den spannungsgesteuerten Schwingkreis (5) steuert, dessen Signal U₀ der Frequenz F₀ zugleich den Verbraucher und den Frequenzuntersetzer (6) speist, der das nun um den vorgegebenen Faktor η untersetzte Signal U₀ als Signal U, der Frequenz F_t sowohl an den Phasendiskriminator (1) in der äußeren als auch an den Differenzintegrator (Z) in der inneren Signal-Muß-Schleife abgibt. '

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 Spannungswert gehalten wird und jeder andere Eingang mit dem Ausgang des anderen NAND-Gliedes galvanisch verbunden ist, daß die kapazitiv an die beiden Eingänge gekoppelten Signalquellen von Rechteckpulsen den Ausgang des Phasendiskriminator (1), der identisch ist mit dem Ausgang eines der NAND-Glieder, im Takte der abfallenden Flanken ihrer Rechteckpulse, die durch die kapazitive Kopplung differenziert werden, vom einen logischen Zustand in den anderen bringen, dergestalt, daß ein Zustandswechsel nur dann stattfindet, wenn eine abfallende Flanke am 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 nichtinvertierenden Eingang besteht, die beiden Eingänge mit gleichdimensionierten KC-Gliedern so beschaltet sind, daß der Kondensator am invertierenden Eingang diesen mit dem Ausgang des Operationsverstärkers verbindet, während der nichtinvertierende Eingang über seinen Kondensator an Erde gekoppelt ist und die Signale den Eingängen über die Widerstände zugeführt werden.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Regelung von Frequenz und Phase eines Oszillators, vorzugsweise über em weites Gebiet von Frequenzen. Solche Vorrichtungen 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 sind bekannt. Grundsätzlich bestehen sie zumeist aus folgenden Baugruppen, die in einer geschlossenen Schleife angeordnet sind: einem Schwingkreis, einem Phasendiskriminator, einem FiI-ter 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 U₀ einerseits den Verbraucher, andererseits den Phasendiskriminator, der als zweites Eingangssienal das Steuersignal U_s erhält, das von einem außerhalb des Regelkreises liegenden Mutteroszillator erzeugt ist. Ist beabsichtigt, nicht die Frequenz des Mutteroszillators selbst, sondern ein Vielfaches davon an den Verbraucher weiterzugeben, so wird zwischen Lokaloszillator und Phasendiskriminator ein Frequenzteiler geschaltet, der die Oszillatorfrcquenz um den gewünschten Faktor untersetzt. Im Phasendiskriminator wird aus der Phasendifferenz der Signale U_s und U₀ als wesentlichen Bestimmungsgroßen ein Fehlersignal U_e erzeugt. Dieses speisi 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 FiI-ters erzeugt dieser ein Regelsignal U_n das dem Lokaloszillator zugeleitet wird, der als spannungsgesteuerter Schwingkreis ausgebildet ist, und dessen Frequenz so lange verändert, bis das Signal U₁. vom Phasendiskriminator den Wert erreicht, der dem Gleichlauf von Mutter- und Lokalos.ulator entspricht oder, im Falle, daß der spannungsgesteuerte Schwingkreis auf einem Frequenzvielfachen von F_s schwingen soll, der Vervielfachungsfaktor η exakt er füllt ist.

Bedingt entweder durch die Konstruktion des Phasendiskriminators, des Filters oder des spannungsgesteuerten Schwingkreises oder durch zwei oder alle drei dieser Baugruppen, ist der Frequenzbereich, innerhalb dessen Regelung eintritt — der sogenannte Fangbereich des Kreises —, verhältnismäßig schmal. Dies ist in vielen Fällen jedoch kein Nachteil, solange die Steuerfrequenz F_s nur geringe Schwankungen erleidet. Ist jedoch der Frequenzbereich entweder des Mutteroszillators oder des spannungsgesteuerten Schwingkreises über ein breites Gebiet veränderlich, so genügen die erwähnten technischen Mittel im allgemeinen nicht mehr, um den Lokaloszillator auf die Frequenz 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 spannungsgesteuerte 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 U₁