DE2239994C3 - Vorrichtung zur Regelung von Frequenz und Phase eines Oszillators - Google Patents

Description

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im natürlichen Fangbereich des Regelkreises befin- zur Frequenz F₁ des Signales U₁, das den Phasendet, gesteuert wird, oder sei es dadurch, daß dieser diskriminator 1 und den Differenzintegrator 2 speist, spannungsgesteuerte Schwingkreis vom Regelsignal U_r An Hand des ausführlichen Schaltbildes gemäß

getrennt und schwingungsmäßig sich selbst überlas- F i g- 2 soll die Wirkungsweise der Schaltung noch sen wird, wodurch bei geeigneter Schaltung Regel- 5 genauer geschildert werden:

schwingungen auftreten, die den Lokaloszillator wie- Die dem Phasendiskriminator 1 zugeführten Si-

der in den Regelbereich zurückbringen. gnale U_s mit der Frequenz F_s und U₁ mit der Fre-

Zusammenfassend können die in der Technik be- quenz F₁ sind beide Rechteckpulsfolgen. Diese werkannten Regelkreise in zwei Gruppen gegliedert den je an einem RC-Glied, bestehend aus einem Konwerden: eine Gruppe enthält die Kreise mit kleinem io densator 7 und Widerständen 8, 9 bzw. einem Kon-Fangbereicli, die dafür allgemein kleine Regelzeiten densator 10 und Widerständen 11,12 differenziert, aufweisen; die andere Gruppe enthält die Kreise, Das nun differenzierte Signal U_s speist einen Einderen Fangbereich im Asynchronfall erweitert wird, gang 13 eines NAND-Gliedes 14, das differenzierte Sidie aber dadurch verhältnismäßig langsam arbeiten gnal U, einen Eingang 15 eines NAND-Gliedes 16. Die und einen zusätzlichen Aufwand an Schaltmitteln er- 15 Eingänge 13 und 15 werden statisch auf einer Spanfordern, nung gehalten, die dem logischen Zustand EINS ent-

Der begrenzte Fangbereich der Kreise der ersten spricht. Diese Spannung wird durch Spannungsteiler Gruppe ist zumeist durch die Verwendung eines FiI- geliefert, die aus den Widerständen 8 und 9 bzw. 11 ters verursacht, in dem das einlaufende Signal IZ₁. und 12 gebildet sind. Durch die wechselseitige Rückmrt einem apparativ vorgegebenen Kriterium ver- 20 kopplung der NAND-Glieder 14, 16 entsteht ein biglichen wird. Die lange Regelzcit der Kreise der zwei- stabiles Schaltelement, dessen Ausgang 17 wechselten Gruppe erklärt sich aus dem Zuschalten von zu- weise die den logischen Zustünden EINS und NULL sätzlichen elektronischen und/oder elektromecha- entsprechenden Spannungen abgibt, derart, daß eine nischen Baugruppen mit eigenen, zumeist großen. Zustandsänderung nur dann eintritt, wenn auf eine Zeitkonstanten. 25 abfallende Flanke des Signales U„ eine solche des

Aus »Regelungstechnik«, 1960, S. 345 ff. ist ein Signales U₁ folgt und auf diese wieder eine des Sidigitaler Regelkreis zur Gewinnung einer großen gnalcs U/, folgen zwei abfallende Flanken desselben Anzahl feinstufig einstellbarer Frequenzen bekannt, Signales aufeinander, ohne daß eine des anderen erbei dem ein Regelkreis sowie ein Proportionalglied scheint, so bleibt der logische Zustand des Ausganges vorgesehen sind, wobei das Proportionalglied den 3° 17 erhalten. Das vom Ausgang 17 abgegebene Si-Schwingkreis in Abhängigkeit von der Einstellung gnal U₁. ist also wiederum ein Rcchtcckpulszug, der des Frequenzteilers grob auf den verlangten "Wert nun mittels des aus einem Widerstand 18 und einem steuert, so daß die digitale Regelung des äußeren Kondensator 19 gebildeten ÄC-Gliedes perioden-Regelkreises nur einen Korrekturwert zu liefern weise integriert wird. Durch ein identisch dimenbraucht. 35 sioniertes, aus einem Widerstand 20 und einem Kon-

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die densator 21 bestehendes /?C-Glied wird auch das Frequenz eines Lokaloszillators phasentreu mit der Signal U_h das auf Grund seiner Entstehungs-Frequenz eines Mutteroszillators zu synchronisieren, geschiente ein symmetrischer Rechteckpulszug ist, wobei die Frequenzregelung schnell und über einen dergestalt entsprechend integriert, daß U₁ im regelweiten Bereich von Frequenzen z. B. über mehrere 40 mäßigen Wechsel die logischen Zustände EINS und Oktaven erfolgen und die Frequenz des Lokaloszilla- NULL darstellt. Das mittels eines /?C-Gliedes peritors ein Vielfaches der Frequenz des Mutteroszillators odenweise integrierte Signal U_c speist den invertiebetragen soll. renden Eingang 3 eines Operationsverstärkers 22,

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden das ebenfalls mittels eines ftC-Gliedes periodenweise Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale der 45 integrierte Signal U₁ den nichtinvertierenden Einerfindungsgemäßen Vorrichtung gelöst. gang 4. Durch die Gegenkopplung über den Konden-

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des sator 19 wirkt der Operationsverstärker als echter Erfindungsgegenstandes schematisch dargestellt. Es Integrator. Sein Ausgangssignal U, beeinflußt über zeigt einen Widerstand 24, zu welchem ein Kondensator 25

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Vorrichtung, 50 parallel geschaltet ist und die Widerstände 23 und 32,

F i g. 2 ein ausführliches Schaltbild der Vorrich- wobei die Widerstände 24, 23, 32 einen Spannungstung und teiler bilden, die Spannung an einem Schaltpunkt 26.

F i g. 3 a, 3 b einige Signalformen. Diese bestimmt die Entladezeit eines Kondensators 27

Im Blockdiagramm gemäß F i g. 1 ist der Signal- und damit die Frequenz F₁, des spannungsgesteuerfluß zwischen den verschiedenen Funktionsgruppen 55 ten Schwingkreises 5. Letzterer besteht aus drei in des Regelkreises dargestellt. Ein Phasendiskrimina- Serie angeordneten Umkehrr.chaltungen 28, 29, 30, tor 1 vergleicht Frequenz und Phase der Signale U_s einer Diode 31 und dem Kondensator 27. Befindet und U₁ mit den respektiven Frequenzen F_s und F₁ sich der Ausgang der Umkehrschaltung 28 auf der und gibt das aus dem Vergleich gebildete Signal U_e Spannung, die der logischen NULL entspricht, so an einen Differenzintegrator 2 weiter. Dieses wird an ^6o würde am Ausgang der Umkehrschaltung 29 das einem invertierenden Eingang 3 abgenommen, wäh- Signal EINS liegen, wenn nicht der Ladestrom des rend das Signal U, einem nichtinvertierenden Ein- Kondensators 27 der Umkehrschaltung 29 über eine gang 4 zugeleitet wird. Aus der Integration der Dif- große Ausgangsimpedanz und die in Durchlaßrichferenz U₁ — U₁. entsteht das Regelsignal U_r, das einen turg betriebene Diode 31 entnommen werden müßte. spannungsgesteuerten Schwingkreis 5 speist. Die der 65 rjj_e Eingangsspannung der Umkehrschaltung 30 anliegenden Spannung U₀ entsprechende Frequenz F₀ steigt also nur langsam an, bedingt durch die Zeitwird in einem Frequenzunf.ersetzer 6 um den appara- konstante, die im wesentlichen aus der Kapazität des tiv vorgegebenen Faktor η untersetzt und wird damit Kondensators 27 und der Ausgangsimpedanz der

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Umkehrschaltung '?.*) gebildet ist. Hat die erwähnte für U₁ dargestellt. Die Signale 41, 43 sind die mittels Eingangsspamuing der Umkehrschaltung 30 den der /{('-Glieder differenzierten Signale L/,40 und Schwellen erreicht, so kippt die Umkehrschaltung /7,42. Hin Zuslandwechsel des Signalcs U₁., das als 30. so daß ihr Ausgang nun aiii NULI. steht, was Signalform 44 dargestellt ist, findet dann statt, wenn den Ausgang der Umkehrschaltung 28 auf LiINS 5 entweder Signal 41 oder Signal 43 eine von HINS auf springen UiBi. Der Kondensator 27 wirkt nun als Kop- NULL gehende Spitze aufweisen, so daB sich der Zupelung und beschleunigt das Kippen der Umkehr- stand des Signales 44 nur dann ändert, wenn die schaltung 30. Die Diode 31 verhindert in diesem Spitzen der Signale 41 und 43 im Wechsel erfolgen. Spannungs/iistand das Abfließen der Kondensator- Ein Analogsignal 45 zeigt den Spannungsverlauf am ladung in die Umkehrschaltung 29. Der Zustand des io invertierenden Eingang 3 des Diffcrcn/intcgrators 2, Kreises ist stabil, bis über den Widerstand 32 ge- also das mittels RC-Glied periodenweise integrierte nügend Ladung abgeflossen ist. um die Eingangs- Signal U₁, 44. Ein Analogsignal 46 ist das mittels spannung der Umkchrschallung 30 unter den Schwell- RC-G\ied periodenweise integrierte Signal 42, das wert absinken zu lassen. 1st dieser Punkt erreicht, den nichtinvertierenden Eingang 4 des Differenzen kippt Hie Umkehrschaltung 30 und der beschrie- '5 integrators 2 speist. Aus der Konstruktion des bene Zyklus beginnt von neuem. Phasendiskriminators 1 ergibt sich, daß im Syn-

Während die Ladezeit des Kondensators 27 prak- chronfall, der in Fig. 3a dargestellt ist, die Signale tisch konstant ist, hangt die Entladezeit von der Span- ί/,42 und ί/₍.44 synchron und phasengleich sind,desnung des Schaltpunktes 26 ab. die ja mit der Ein- halb sind auch die Signale 45 und 46 identisch. Integangsspannung der Umkehrschaltung 30 identisch ist. ²⁰ gration der Differenz der Signale 45 und 46 ergibt Für hohe Werte von L'_r ist auch die Spannung am eine Konstante, die in einem Signal 47 dargestellt ist. Schaltpunkt 26 hoch, die Entladezeit des Kondensa- Es ist deutlich sichtbar, daß im Synchronfall keine tors 27 also groß, die Frequenz /·"„ damit klein: für irgendwie geartete Amplituden- oder Frcquenzmokleincre Werte son U, die Frequenz F₁, demnach dulation des spannungsgesteuerten Schwingkreises 5 groß. Das Ausgangssigna! der Umkehrschaltung 30 ²5 durch die Signale (7,42 oder U₁ 44 eintritt,
wird durch eine Umkehrschaltung 33 von Rückwir- In Fi g. 3b sind Signale 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, kungen nachgeschalteter Verbraucher (zum Teil nicht 67 dargestellt, die den Signalen 40, 41, 42, 43, 44, 45, gezeichnet) geschützt und vom Frequenzunter- 46, 47 des Synchronfalles von Fig. 3a entsprechen, setzer6 und den (nicht gezeichneten) Verbrauchern Vereinfachend, um die Wirkungsweise des DilTcrenzals Signal (.'„ der Frequenz F₁, übernommen. Im Fre- 3° integrators 2 zu illustrieren, wurde das Verhältnis quenzuntersetzer 6. der in diesem Ausführungsbei- F_SF, — const, angenommen. Deutlich sichtbar ist die spiel aus drei in Serie geschalteten, bistabilen Sch.ilt- Niveauverschiebung des Signales 65, das das mittels elementen 34. 35. 36 besieht, wird die Frequenz/-,, RC-Glied periodenweise integrierte Signal (/,. 64 darum einen apparativ vorgegebenen Faktor η unter- stellt. Diese Niveauverschiebung ist jedoch als »virtusetzt. Hier ist der Faktor« durch die Zahl dieser 35 eil« zu betrachten, da sie über den Kondensator 19 kom-Schaltelcmente bestimmt: η — 2^:' ■-- 8. Die Fre- pensiert wird bis auf einen kleinen Rest, der durch das quenz F. ist um den Faktor 8 kleiner als F,, und speist durch die Verstärkung des Operationsverstärkers dinun den Phasendiskriminator 1 in der äußeren vidiertc Signal U_r geliefert wird. Ein Signal 67 zeigt Schleife und den Differenzinteerator 2 in der inneren den Spannungsverlauf am Ausgang des Diffcrenz-Schleife des Regelkreises. 4° inteerators 2. Weichen Frequenz und Phase der

in f- i g. 3 sind einige Signalformen dargestellt, und Signale 60 und 62 voneinander ab, so führt dies zu

zwar in Fig. 3a für den Synchronzustand und in einer Verschiebung des Gleichspannungsniveaus am

Fig. 3 b für den Asynchronzustand zwischen L'_s und Ausgang des Differenzintegrators 2 und damit auch

L₁. Es wurde die vereinfachende Annahme gemach", am Schaltpunkt 26, womit die Frequenz F₁, des span-

daß Uy U. — const., d.h.. daß der Kreis offen ist und 45 nunesgesteuerten Schwingkreises 5 in gegenläufigem

keine Regelung stattfindet. Sinne beeinflußt wird. Diese Beeinflussung wurde, der

In F i g. 3 a sind auf derselben Zeitachse ein Signal besseren Klarheit wegen, hier außer acht gelassen.
40 als Beispiel für L'. und ein Signal 42 als Beispiel

Hierzu 3 Blatt Zeichnuneen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Regelung von Frequenz und Pifiase eines Oszillators mit einem (äußeren) Regelkreis aus einem Phasendiskriminator, welcher aus dem ursprünglichen Steuersignal und diem frequenzuntersetzten Signal des spannungsgesteuerten Schwingkreises ein Signal bildet, welches die Information über die Phasendifferenz der beiden Signale enthält, einem Differenzintegrator, einem spannungsgesteuerten Schwingkreis und einem Frequenzuntersetzer, wobei das Signal vom Schwingkreis zugleich den Verbraucher und den Frequenzuntersetzer speist, dadurch gekennzeichnet, daß ein eine Signalflußschleife bildender zusätzlicher (innerer) Regelkreis vorgesehen ist, der aus einem beiden Regelkreisen gemeinsamen Differenzintegrator (2), dem spannungsgesteuerten Schwingkreis (5) und dem Frequenzuntersetzer (6) besteht und daß die Wirkungen dieser Baugruppen aufeinander so abgestimmt sind, daß der Differenzintegrator (2) aus dem mittels eines ÄC-GIiedes periodenweise integrierten Signal U_e und dem der inneren Signalflußschleife entstammenden, ebenfalls mittels eines ÄC-GIiedes penodenweise integrierten Signal U₁ das Integral der Differenz dieser beiden Signale bildet, welches als Signal U_r den spannungsgesteuerten Schwingkreis (S) steuert, dessen Ausgangssignal über den Frequenzuntersetzer (6) auch an den Differenzintegrator (2) in der inneren Signalflußschleife zugeführt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasendiskriminator (1) aus zwei NAND-Gliedern besteht, von denen je ein Eingang durch je einen Spannungsteiler auf dein der logischen EINS entsprechenden Spanmingswert gehalten wird und jeder andere Eingang mit dem Ausgang des anderen NAND-Glieder galvanisch verbunden ist, daß die kapazitiv an die beiden 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 dii; kapazitive Kopplung differenziert werden, vorn 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 I, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzintegrator (2) aus einem Operationsverstärker mit einem invertierenden und einem nichtin vertierenden Eingang besteht, die beiden Eingänge mit gleichdimensionierten fiC-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 Erfindung betrifft eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art

Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der DE-AS 15 91465 bekannt

Ferner sind Vorrichtungen zur Regelung von Frequenz und Phase eines Oszillators, vorzugsweise über ein weites Gebiet von Frequenzen, bekannt Solche Vorrichtungen dienen z. B. dazu, eine Steuerfrequenz mit einem vorgegebenen Faktor zu vervielfachen und

ίο 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

,₅ sie zumeist aus folgenden Baugruppen, die in einer geschlossenen Schleife angeordnet sind: einem Schwingkreis, einem Phasendiskriminator, einem Filter und, wenn die Steuerfrequenz vervielfacht werden soll, einem Frequenzteiler. Der Schwingkreis, auch

ao Lokaloszillator genannt, dessen Frequenz und Phase geregelt werden sollen, speist mit seinem Ausgangssignal U₁, einerseits den Verbraucher, andererseits den Phasendiskriminator, der als zweites Eingangssignal das Steuersignal U_s erhält, das von einem

a_S 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 Oszillatorfrequenz um den gewünschten Faktor untersetzt. Im Phasendiskriminatoi wird aus der Phasendifferenz der Signale t/, und U_n als wesentlichen Bestimmungsgrößen ein Fehlersignal U₁. erzeugt. Dieses speist ein Filter, das als Hoch- oder Tief- oder Bandpaßfilter ausgebildet sein kann, und zwar je nach dem Anwendungsziel des Regelkreises.

Als Funktion der Durchlaßcharakteristik des Filters erzeugt dieses ein Regelsignal U_n das dem Lokaloszillator zugeleitet wird, der als spannungsgesteuerter Schwingkreis ausgebildet ist und dessen Frequenz so lange verändert wird, bis das Signal U_e vom Phasendiskriminator den Wert erreicht, der dem Gleichlauf von Mutter- und Lokaloszillator entspricht oder, im Falle, daß der spannungsgesteuerte Schwingkreis auf einem Frequenzviclfachen von F₁ schwingen soll, der Vcrvielfachungsfaktor η exakt erfüllt ist.

Bedingt entweder durch die Konstruktion des Pha-

So sendiskriminators, 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

SS schmal. Dies ist in vielen Fällen jedoch kein Nachteil, solange die Stcuerfrequenz F_s nur geringe Schwankungen erleidet. Ist jedoch der Frequenzbereich entweder des Mutteroszillators oder des spannungsgesteuerten Schwingkreises über ein breites Gebiet verändcrlich, 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