DE2247974C3 - Oszillator mit Phasen- und Frequenzregelschleife - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Oszillator, der über eine einen Phasendiskriminator enthaltende, nach dem Abtastverfahren arbeitende Regelschleife auf die Frequenzen einer Referenzschwingung stabilisiert ist und der ferner für das Fangen des Oszillators eine nach Art eines Frequenzdiskriminators wirksame Einrichtung aufweist, bei dem ein Impulsformer vorgesehen ist, der der vom Oszillator gelieferten Schwingung eine derartige Kurvenform verleiht, daß eine Sägezahnspannung mit der Frequenz des zu regelnden Oszillators entsteht, die einen Anteil mit stetig abfallender Spannung hat, der eine weitgehend von der Frequenz des zu regelnden Oszillators unabhängige Neigung aufweist.

Zur Synchronisierung eines frei schwingenden Oszillators auf eine beispielsweise mittels eines Quarzes stabilisierte Referenzschwingung sind Frequenz- und Phasenregeleinrichtungen bekannt. Bevorzugt wird meist die Phasensynchronisierung, da sie eine exakte Nachführung des frei schwingenden Oszillators gestattet. Da ein Phasendiskriminator jedoch nur maximal einen Phasenunterschied von 360° erfassen kann, ist es erforderlich, eine Fangeinrichtung vorzusehen, die den Oszillator zunächst in den Regelbereich der Phasenregelung bringt. Es sind Einrichtungen bekannt (»Phase lock Techniques«) von Floyd M. Gardner, John Wiley & Sons, Inc, New York, London, Sydney, 1966, Seite 54, F i g. 4 bis 13), die parallel zum Phasendiskriminator noch einen Frequenzdiskriminator enthalten, ■ wodurch mittels des Frequenzdiskriminators im Arbeitsbereich zunächst ein Ziehen der Frequenz auf den angenähert exakten Wert erreicht wird, in dem der Phasendiskriminator in Tätigkeit tritt. Zum Phasenvergleich zweier Schwingungen nach

κ· dem Abtastverfahren sind an sich bereits Anordnungen (genanntes Buch. Kapitel 5-2, Seiten 58 bis 66) bekannt, bei denen die eine der zu vergleichenden Schwingungen in eine zeitlineare Sägezahnspannung (im folgenden Text kurz Sägezahnspannung oder Sägezahn genannt) umgeformt wird, während die andere Schwingung einen Schalter steuert, der im Takte dieser Schwingung während kurzer Tastzeiten den Augenblickswert dieser Sägezahnspannung durchschaltet und der nach Integrierung als Stellgröße für das Frequenznachstellglied des frei schwingenden Oszillators dient. Wenn die beiden Schwingungen exakt übereinstimmen, ist diese Frequenznachstellspannung konstant, da bei der Tastung jeweils der gleiche Augenblickswert der Sägezahnspannung erscheint. Bei Phasenabweichung der beiden Schwingungen entsteht eine Regelspannung, die in bekannter Weise in der Regelschleife der Änderung entgegenwirkt. Die Sägezahnform wird deshalb bevorzugt, da Ue für diesen Zweck den größten Eindeutigkeitsbereich des Phasendiskriminators ergibt, denn dabei geht in einer Periode lediglich der im Vergleich zum Hinlauf sehr kurze Rücklauf für die Ausnutzung verloren, so daß ein erfaßbarer Bereich von fast 360° entsteht.

Sind die Grundfrequenzen der miteinander zu

vergleichenden Schwingungen jedoch verschieden, so erscheint als Stellgröße eine Treppenspannung, da der Austastimpuls jeweils an anderen Stellen des Sägezahns erscheinen wird. Damit entsteht eine Treppenspannung, deren Grundfrequenz gleich der Frequenzdifferenz der miteinander verglichenen Schwingungen ist. Ist diese Diffcienz nicht groß, so kann durch die so entstandene Wobbeispannung auf der Nachstelleitung der frei schwingende, spannungsgesteuerte Oszillator einen derartigen Frequenzhub erhalten, daß er in den Einrastzustand für die Phasenregelung gelangt. Da jedoch aus verschiedenen Gründen die Nachregelspannung für den spannungsgesteuerten Oszillator im allgemeinen relativ große Siebglieder, also Glieder mit hoher Zeitkonstante enthält, wird die Wobbeispannung besonders bei großer Frequenzdifferenz so gering, daß der Oszillator den Rastwert nicht mehr erreicht. Die Oszillatorfrequenz schwankt dann um einen Mittelwert, der dem Mittelwert der Phasenbrückenausgangsspannung entspricht, jedoch mit zu kleinem Frequenzhub.

Durch die DT-OS 18 13 73<* ist nun eine Einrichtung bekannt geworden, bei der aus der Schwingung des zu synchronisierenden Oszillators eine Sägezahnspannung gewonnen wird, die im gefangenen Zustand des Oszillators einen gegenüber der Periodendauer kurzen Abschnitt hat, in dem'die Sägezahnspannung gleichförmig bis auf einen konstanten Wert oder bis auf Null abfällt. Gerät der Oszillator außer Tritt, so soll dieser Abschnitt der Sägezahnspannung die ganze Periodendauer ausfüllen, um zu vermeiden, daß der Tastpuls im

^fl<> nicht gefangenen Zustand in einen Zeitabschnitt der Sägezahnspannung fällt, der konstante oder Null-Spannung hat. Dazu ist eine Einrichtung erforderlich, die erkennen kann, ob der Oszillator aus dem Haltebereich

der Phasenregelschleife geraten ist Eine solche Zusatzeinrichtung ist dort beschrieben, und sie beginnt dann zu arbeiten, wenn sie feststellt, daß die abgetastete Spannung Null ist, d. h. die Tastung zu einem Zeitpunkt stattfindet, zu dem die Sägezahnspannung bereits beendet ist

Bei einer ähnlichen Anordnung gemäß der DT-AS 12 77 314 wird zur Vermeidung dieser Null-Tastung eine Koinzidenzschaltung verwendet die den Abtastimpuls nur dann passieren läßt, wenn u. U. nach mehreren verstrichenen Perioden der Tastimpuls wieder in den Sägezahnbereich fällt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine demgegenüber vereinfachte Methode anzugeben, die bei guten Halteeigenschaften der Phasenregelschleife ein leichtes Fangen bei Außertriitfalien des Phasenregelkrcises ermöglicht

Diese Aufgabe wird bei einem Oszillator, der über eine einen Phasendiskriminator enthaltende, nach dem Abtastverfahren arbeitende Regelschleife auf die Frequenzen einer Referenzschwingung stabilisiert ist und der ferner für das Fangen des Oszillators eine nach Art eines Frequenzdiskriminators wirksame Einrichtung aufweist bei dem ein Impulsformer vorgesehen ist, der der vom Oszillator gelieferten Schwingung eine derartige Kurvenform verleiht, daß eine Sägezahnspannung mit der Frequenz des zu regelnden Oszillators entsteht, die einen Anteil mit stetig abfallender Spannung hat, der eine weitgehend von der Frequenz des zu regelnden Oszillators unabhängige Neigung aufweist, gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Sägezahnspannung eine derartige Form hat, daß neben dem stetig abfallenden Anteil zwei dem oberen und dem unteren Grenzwert der Sägezahnspannung entsprechende spannungskonstante Abschnitte entstehen, von denen wenigstens einer in seiner Dauer durch die Frequenz des Oszillators bestimmt wird, derart, daß außer der für die Phasenregelung erforderlichen Änderung der Spannung innerhalb jeder Periode auch noch eine Änderung des arithmetischen Mittelwertes der Spannung in Abhängigkeit von der Periodendauer der Schwingung erfolgt.

Durch die FR-OS 20 92 903 ist dagegen ein Phasenvergleichssystem bekannt, bei dem die in Rechteckform gebrachten Schwingungen der zu synchronisierenden und der Vergleichs-Schwingung einen bistabilen Schaltkreis steuern, der abhängig vom Auftreten des ersten Impulses der heruntergeteilten Oszillatorfrequenz einen Sägezahngenerator anläßt und bei Auftreten eines zeitlich unmittelbar folgenden Impulses der hochstabilen Vergleichsfrequenz gestoppt wird. Diese Sägezahnspannung wird jedoch nicht abgetastet, sondern, da der Phasenvergleich bereits im bistabilen Schaltkreis stattgefunden hat, nach mehreren Umformungen dem Oszillator als Regelspannung zugeführt. Die zuletzt erhaltene gespeicherte Amplitude der Sägezahnspannung bildet hier das Regelkriterium.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes besteht darin, daß der Anteil der stetig abfallenden, zur Phasenregelung dienenden Sägezahnspannung durch einen Miller-Integrator erzeugt wird, der von einer monostabilen Kippstufe gesteuert wird, deren Zeitkonstante den im wesentlichen durch die Abschnitte A und B definierten Zeitraum bestimmt und deren Ansteuerung durch einen von der Oszillatorschwingung abgeleiteten Triggerimpuls (F i g. 2, Zeile c) erfolgt

Eine derartige Schaltung ist in der Fig. 1 dargestellt
Die F i g. 2 zeigt Pulsdiagramme, die in der Schaltung nach F ig. 1 auftreten.
Die F i g. 3 zeigt in vergrößerter Darstellung die zur

Regelung verwendete Kurvenform gemäß Zeile /"nach Fig.Z

Bei der Schaltung nach F i g. I werden am Eingang die zweckmäßigerweise in eine Rechteckform gebrachten Schwingungen U,_n des frei schwingenden Oszillators

ίο zugeführt Diese Schwingungsform ist in der Zeile a der F i g. 2 dargestellt Diese Rechteckimpulse werden auf ein Differenzierglied, bestehend aus dem Kondensator C1 und dem Widerstand R1 gegeben und dann dem Transistor Tl zugeführt An der Basis des Transistors Tl steht also dann eine Spannung etwa gemäß dem Kurvenverlauf b in Fi g. 2. Da der Transistor Tl über den Widerstand R 1 so vorgespannt ist, daß er ständig Strom zieht, kann ihn nur ein negativ gerichteter Impuls in den anderen Schaltzustand bringen. Daher erscheint am Kollektor von Tl der Spannungsverlauf nach Zeile c in Fig.2. Der Transistor TI dient lediglich zur Trennung (Emitterfolger), und demzufolge ist an seinem Emitter der gleiche Spannungsverlauf vorhanden. Über die Kapazität C2 wird diese Spannung einem dritten Transistor T3 an seiner Basis zugeführt.

Bei Erscheinen des positiven Impulses nach Zeile can der Basia von Transistor T3 fließt ein starker Basisstrom, der C2 auflädt. Ab der hinteren Flanke des Impulses ist der Transistor T3 gesperrt, bis er entsprechend der Zeitkonstante R 4 ■ C2 wieder leitend wird. An seiner Basis tritt dann also eine Spannung gemäß Zeile t/auf. Während T3 gesperrt ist, wirkt T4 in Verbindung mit Ci, R5 und RS als Miller-Integrator und erzeugt an seinem Kollektor einen zeitlinearen

M Spannungsabfall. Während T3 leitet, ist die Basis von T4 mit dem Nullpotential verbunden, daher liegt der Kollektor auf hohem Potential, bis beim nächsten Sperren von T3 der Miller-Integrator wieder freigegeben wird. Es erscheint also dann am Kollektor von T4 ein Spannungsverlauf (Spannung Ei) nach Zeile fin F i g. 2, der in F i g. 3 nochmals vergrößert wiedergegeben ist und der die gewünschte Form hat. Diese Spannung wird im Schaltbeispiel einer Diodenbrücke (Gl, G 2, G 3, G 4) zugeführt, die den eingangs erwähnten Schalter bildet, an den ferner die von der Vergleichsschwingung abgeleiteten Gegentakt-Tastimpulse angelegt sind. Am Ausgang A erscheint dann die durch C4 geglättete Regelspannung.

Bei der Kurvenform nach der F i g. 3 ist der Abschnitt A der zeitlineare Spannungsabfall beim Miller-Integrator und seine Neigung wird durch die von R 5 und C3 bestimmte Zeitkonstante festgelegt. Im Abschnitt B ist der Transistor T4 gesättigt. Die Gesamtzeit von Abschnitt A und B zwischen 11 und f 2 ist gleich der Sperrzeit von T3 und wird vorwiegend durch die Zeitkonstante R 4 - C2 bestimmt Die Gesamtperiode der Abschnitte A und B und C ist gegeben durch die Periodendauer der Oszillatoreingangsspannung, daher wird der Abschnitt C in Abhängigkeit von dieser

(10 verändert und damit der Gleichspannungsmittelwert des gesamten Spannungsverlaufs zwischen 11 und 13.

Der erfindungsgemäße Spannungsverlauf kann auch auf andere Art gewonnen werden, z. B. so, daß die Dauer der Abschnitte Sund Cin Abhängigkeit von der

<><; Frequenz des frei schwingenden Oszillators entgegengesetzt verändert wird.

Hierzu ζ Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Oszillator, der über eine einen Phasendiskriminator enthaltende, nach dem Abtastverfahren arbeitende Regelschleife auf die Frequenzen einer Referenzschwingung stabilisiert ist und der ferner für das Fangen des Oszillators eine nach Art eines Frequenzdiskriminators wirksame Einrichtung aufweist, bei dem ein Impulsformer vorgesehen ist, der der vom Oszillator gelieferten Schwingung eine derartige Kurvenform verleiht, daß eine Sägezahnspannung mit der Frequenz des zu regelnden Oszillators entsteht, die einen Anteil mit stetig abfallender Spannung hat, der eine weitgehend von der Frequenz des zu regelnden Oszillators unabhängige Neigung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Sägezahnspannung eine derartige Form hat, daß neben dem stetig abfallenden Anteil (A) zwei dem oberen und dem unteren Grenzwert der Sägezahnspannung entsprechende spannungskonstante Abschnitte (B, C) entstehen, von denen wenigstens einer in seiner Dauer durch die Frequenz des Oszillators bestimmt wird, derart, daß außer der für die Phasenregelung erforderlichen Änderung der Spannung innerhalb jeder Periode auch noch eine Änderung des arithmetischen Mittelwertes der Spannung in Abhängigkeit von der Periodendauer der Schwingung erfolgt.

2. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil (A) der stetig abfallenden, /ur Phasenregelung dienenden Sägezahnspannung durch einen Miller-Integrator (TA, C3, RS, Rb) erzeugt wird, der von einer monostabilen Kippstufe (Γ2, C2, R 4) gesteuert wird, deren Zeitkonstante (C2, R A) den im wesentlichen durch die Abschnitte A und B definierten Zeitraum bestimmt und deren Ansteuerung durch einen von der Oszillatorschwingung abgeleiteten Triggerimpuls (Fig.2, Zeile c ) erfolgt.