DE2322557A1 - Breitband-phasenschiebernetzwerk und verfahren zur genauen phasenverschiebung eines wechselstromsignals - Google Patents

Breitband-phasenschiebernetzwerk und verfahren zur genauen phasenverschiebung eines wechselstromsignals

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DE2322557A1
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  • Networks Using Active Elements (AREA)
  • Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)

Description

iJipl.-Ing. Heinz Bardehle
8 München 22, Herrnstr. 15
München, den 4. Mai 1973
Mein Zeichen: P 1673
Anmelder:, Honeywell Information Systems Inc. 200 Smith Street
Waltham, Mass., Y. St. A.
Breitband-Phasenschiebernetzwerk und Verfahren zur genauen Phasenverschiebung eines WechseIstromsignals
Die Erfindung bezieht sich generell auf Phasenschieber und insbesondere auf einen genauen spannungsgesteuerten Phasenschieber mit einem weiten Frequenzbereich.
Hochfrequenzsysteme weisen eine verschiedentlich wiederholt auftretende Forderung nach einer Einrichtung auf, die ein sinusförmiges Signal beliebiger Frequenz aufnehmen kann und die zwei sinusförmige Signale derselben Frequenz und Amplitude, aber mit einer bestimmten Phasenbeziehung von 90° oder 180° abgibt. Elektrische Breitband-Netzwerke, die Transformatoranordnungen verwenden, stehen derzeit zur Verfügung. Durch solche Netzwerke kann zwar eine 90°-Phasenverschiebung erzielt werden, jedoch mit typischen Phasenfehlern von 3° oder 4° über das
ORIGINAL INSPECTED
jeweilige Arbeitsfrequenzband. Dies stellt jedoch nicht die erforderliche Genauigkeit über den Frequenzbereich vieler Anwendungsfälle dar, wie z.B. für Trenneinrichtungen und in Gabelschaltungsverbindungen. In einigen Signalverarbeitungsvorrichtungen ist es z.B. erwünscht, bestimmte Signale über einen breiten Frequenzbereich zu unterdrücken. In einer Unterdrückungseinrichtung ist es im allgemeinen erforderlich, über ein Signal zu verfügen, welches gegenüber dem,zu unterdrückenden Signal eine 180°-Phasen\rerschiebung aufweist. Während es bei bekannten Einrichtungen möglich ist, ein genaues Signal zu erhalten, das gegenüber dem ursprünglichen Signal um 180° phasenverschoben ist, ist der Frequenzbereich, über den eine hohs Genauigkeit mit Hilfe derartiger bekannter Einrichtungen erzielt wird, im allgemeinen relativ eng. Während sich die Frequenz ändert, wirken sich darüber hinaus Phasenfehler, die typischerweise 3° oder 4° groß sind, auf das phasenverschobene Signal aus.
Durch die Erfindung wird ©ins bestirnte Phasenverschiebung über einen Frequenzbereich erzielt, dessen Frequenzen im Verhältnis 5:1 stehen. Die größte Genauigkeit wird in der Praxis bei 90° erzielt; die Genauigkeit wird hauptsächlich durch die Genauigkeit eines Phasenvergleicher-Nullpunktes festgelegt. Bei einer transformatorIosen Anordnung kann diese Genauigkeit zumindest ^0,1° betragen.
Der Erfindung liegt die Aufgab© zu Grunde, einen verbesserten Phasenschieber zu schaffen«
Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Breitband-Phasenschiebernetswerk, welches die Phase
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eines Wechselstromsignals um einen bestimmten Betrag zu verschieben gestattet. Dieses Phasenschiebernetzwerk ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet,
a) daß eine spannungsgesteuerte elektrische Phasenschieberschaltung vorgesehen ist, die die Phase eines Wechselstromsignals auf ein Spannungssignal/um einen bestimmten Betrag.zu verschieben gestattet,
b) daß ein Phasendetektor vorgesehen ist, der die Phase des Eingangssignals mit der Phase des um einen bestimmten Betrag verschobenen Eingangssignals vergleicht, und zwar zur Gewinnung eines Wechselstrom-Phasendifferenzsignals, welches proportional der Phasendifferenz zwischen den Eingangssignalen ist, wobei der Phasendetektor an dem spannungsgesteuerten Phasenschieber angeschlossen ist,
c) daß mit dem Phasendetektor und dem spannungsgesteuerten Phasenschieber eine Integratoreinrichtung verbunden ist, welche das Phasendifferenzsignal integriert, und
d) daß mit dem Phasendetektor Eingangs- und Aus gangs einrichtungen verbunden sind, welche elektronische Signale an das Breitband-Phasenschiebernetzwerk abgeben bzw. von diesem ableiten.
Durch die Erfindung ist ferner ein Verfahren zur genauen Verschiebung der Phase eines Wechselstromsignals um einen bestimmten Betrag geschaffen. Dieses Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet,
a) daß die Phase eines Wechselstromsignals um einen bestimmten Betrag verschoben wird,
b) daß die Phase des Wechselstromsignals, welches um einen bestimmten Betrag verschoben worden ist, mit der Phase eines eintreffenden Signals verglichen wird,
c) daß ein Wechselstrom-Phasendifferenzsignal gewonnen wird,
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welches kennzeichnend ist für die Phasendifferenz zwischen dem eintreffenden Signal und dem phasenverschobenen Signal,
d) daß das Wechselstrom-Phasendifferenzsignal integriert wird und
e) daß der Betrag der bestimmten Phasenverschiebung des Wechselstromsignals auf das betreffende Phasendifferenzsignal hin korrigiert wird.
Die nachstehend angegebene Anordnung stellt, mit wenigen Worten gesagt, einen Phasenschieber mit einem breiten Frequenzbereich bzw. Frequenzband dar, welcher Phasenschieber eine Phasenverschiebung um einen bestimmten Betrag vornimmt und einen Phasenfehler von weniger als 1° über ein Frequenzband besitzt, dessen Frequenzen zumindest im Verhältnis 5:1 stehen. Ein Phasendetektor vergleicht die Phase eines Eingangssignals mit der Phase eines Signals, dessen Phase um einen bestimmten Betrag verschoben worden ist, und gibt ein Ausgangssignal ab, welches proportional der Phasendifferenz zwischen den beiden Signalen ist, Das erzielte Ausgangssignal wird integriert, wodurch ein Gleichstrom-Phasenfehlersignal erhalten wird, welches an den spannungsgesteuerten Phasenschieber zurückgeleitet wird, der die Anfangsphasenverschiebung vorgenommen hat. Das Phasenfehlersignal wird mit solcher Richtung abgegeben, daß jeglicher Fehler im Betrag der bestimmten Phasenverschiebung korrigiert wird. Ändert sich somit die Phasendifferenz zwischen dem ursprünglichen Signal und dem verschobenen Signal von dem bestimmten Betrag aus, und zwar auf Grund von Frequenzänderungen oder aus anderen Gründen, so wird diese Änderung ermittelt und in ein elektrisches Signal umgesetzt, welches dann in der Weise abgegeben wird, daß die Genauigkeit der bestimmten Phasenverschiebung aufrechterhalten wird.
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An Hand von Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend an einem Ausiuhrungsbeispiel näher erläutert. Bnig. 1 zeigt schematisch eine bevorzugte Aus führung s form der Erfindung.
Fig. 2 zeigt in einem Blockschaltbild verschiedene Phasenschiebereigenschaften der Ausführungsform der Erfindung.
In B'ig. 1 ist ein vereinfachtes Diagramm einer Ausführungsform der Einrichtung dargestellt. Die betreffende Ausführungsform stellt grundsätzlich eine phasenstarre Schleife erster Ordnung dar, die durch einen Breitband-Phasendetektor 2 (bei dem es sich um einen symmetrischen Breitband-Mischer handeln kann), einen Analog-Integrator 4 und einen spannungsgesteuerten Breitband-Phasenschieber 7 ausgeführt ist (phasenstarre Schleifen und ihre Funktion sind in dem Buch "Principles of Coherent Communication", von Andrew J. Viterbi, McGraw-Hill Book Company 1966) erläutert. Herkömmliche phasenstarre Schleifen verwenden jedoch einen spannungsgesteuerten Oszillator und ein Tiefpaßfilter, durch das üblicherweise jedoch nicht ein Breitbandbetrieb erzielt wird. Dies folgt aus der Theorie bezüglich der phasenstarren Schleife, gemäß der das Signal S2, das verzögerte Signal (in Fig.1), eine genaue 90°-PhasenverSchiebung (oder eine Verschiebung um irgendeinen anderen bestimmten Betrag) zu dem Signal S^, dem ursprünglichen Signal, unter Dauerzustandsbedingungen haben soll.
Die bedeutendsten Hindernisse hinsichtlich der Erzielung der gewünschten Ergebnisse betreffend eine gewünschte Genauigkeit sind in der Praxis gegeben durch die Verschiebung von Spannungen, wie z.B. einer Drift, und von Strömen, die dem Phasendetektor und Operationsverstärker zugehörig sind. Mit der heutigen Technologie und mit Hilfe von mittlere Kosten verursachenden
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Bauelementen werden Jedoch gewünschte Ergebnisse mit einem Phasenfehler von 1'
Erfindung erzielt.
Phasenfehler von 1° oder einem geringeren ¥ert gemäß der
Der Frequenzbereich, in welchem diese Einrichtung arbeitet, ist hauptsächlich durch den spannungsgesteuerten Phasenschieber begrenzt. Mit Hilfe verfügbarer spannungsabhängiger Kapazitätsdioden ist das Verhältnis von hohem Frequenzbereich zu niedrigem Frequenzbereich begrenzt auf etwa 5:1· Die Einrichtung kann z.B. so ausgebildet sein, daß sie mit einem Eingangs-Sinussignal arbeitet, welches irgendeine Frequenz zwischen 2MHz und 10MHz besitzt. Durch automatische Umschaltung der spannungsabhängigen Kapazitätsdioden können viel größere Verhältnisse erzielt werden.
Ein zusätzliches Merkmal der Einrichtung bzw. Anordnung stellt die Fähigkeit dar, eine künstliche Verschiebe spannung Vc an einem Anschluß 18 einzuführen, um eine gesteuerte Phasenabweichung von dem bestimmten Phasenzustand von z.3. 90 zu bewirken. Da die Empfindlichkeit oder Verstärkung des Phasendetektors normalerweise ziemlich linear bis zu Phasenfehlern von 30° ist, wird daher der Phasenabweichungsfehler "g" leicht spannungsgesteuert j er stellt eine lineare Funktion der Steuerspannung V entsprechend folgender Beziehung dar: £(Grad) = K1SIn(K2V0) S? KVQ
Hierin bedeuten K eine gewisse Konstante, die durch die Schleifenparameter bestimmt ist, und V die zuvor bereits definierte Größe. Da K1 der Amplitude des Ausgangssignals S2 proportional ist, wird eine maximale Phasenschiebergenauigkeit dann erzielt, wenn Vc = 0 ist, was zu einer Gesamtverschiebung von 90° führt.
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Das an einer Ausgangsklemme 16 auftretende phasenverschoben Ausgangssignal S- kann daher durch die Steuerspannung V_ in einer linearen Weise deutlich phasenmoduliert sein. Damit kann diese Anordnung auch als linearer Phasenmodulator mit einem Spitzenji.ub von etwa 30° wirken.
Im folgenden sei die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung näher erläutert. Gemäß Fig. 1 wird ein sinusförmiges Signal einer !öingangsklemme 1 zugeführt. Ein Teil dieses Signals wird einem Phasendetektor 2 zugeführt, bei dem es sich um einen Breitband-Gegentaktmischer handeln kann, und ein anderer Teil des betreffenden Signals wird über die Wege K und /3 einem spannungsgesteuerten Phasenschieber 7 zugeführt. Obwohl es für die Zwecke der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich ist, kann ein Teil des Eingangs signal s auch im Bedarfsfall den Ausgangsklemmen zugeführt werden, und zwar für Vergleichszwecke. Der spannungsgesteuerte Phasenschieber 7 besteht allgemein aus einer LC-Schaltungsanordnung mit einem oder mehreren Induktivitäten 8, 10 und 11, die in Reihe geschaltet sind und die mit Kapazitätsdioden 12, 13 und 14 verbunden sind, bei denen es sich um sogenannte Varicaps oder Varaktor-Dioden handeln kann. Es sei jedoch bemerkt, daß auch andere spannungsabhängige Reaktanzeinrichtungen verwendet werden können. Der in Reihe mit der LC-Schaltung liegende Kondensator 8 verhindert, daß jegliche Gleichspannung in dem Eingangskreis auftritt. Eine für die Kapazitätsdioden 12, 13 und 14 dienende Gleichvorspannung wird über eine Induktivität 30 an eine Klemme 31 abgegeben. Die betreffende Induktivität bzw. Spule 30 ist so gewählt, daß sie Wechselstromanteile ausfiltert.
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Derjenige Teil des Eingangssignals, der der spannungsgesteuerten Phasenschieberschaltung 7 zugeführt wird, wird um einen bestimmten Betrag in der Phase verschoben. Der betreffende Betrag hängt dabei von den Werten der Spulen bzw. Induktivitäten 8, 10 und 11 und Kapazitäten 12, 13 und 14 der LC-Schaltung ab. Die betreffenden Werte sind so gewählt, daß normalerweise eine Phasenverschiebung von 90° auftritt. Dieses verschobene Signal wird dann einem Breitbandverstärker 15 zugeführt, der für das verzögerte Signals als Pufferverstärker wirkt, Das Ausgangssignal des Verstärkers 15 wird einer Ausgangsklemme 16 und ferner dem Phasendetektor 2 zugeführt. Zu diesem Zeitpunkt sollten die Eingangssignale des Phasendetektors eine von der Hohe der Phasenverschiebung abhängige bestimmte Phasendifferenz aufweisen. Der Phasendetektor 2 ermittelt diese bestimmte Differenz der Eingangssignale und erzeugt ein Signal (SpXS^), welches der Integratorschaltung 4 zugeführt wird. Diese Integratorschaltung 4 integriert das Wechselstromsignal und gibt ein Gleichstrom-Steuerausgangssignal ab. Die Integratorschaltung 4 besteht grundsätzlich aus einem Operationsverstärker 4A und einem über den Operationsverstärker geschalteten Kondensator 4B, Das betreffende integrierte Gleichstromsignal des Eingangssignals (SpXS^) ist dasjenige Signal, welches abgegeben wird, um die Kapazität der spannungsgesteuerten Kondensatoren 12, 13 und 14 zu ändern, wenn zwischen den Signalen S1 und S2 ein Phasenfehler vorhanden ist. Dabei erfolgt eine solche Kapazitätsänderung, daß die richtige bestimmte Phasenverschiebung herbeigeführt wird, in diesem Fall sind es 90°. Sollten irgendwelche unerwünschten Wechselstromsignale in dem Ausgangssignal des Integrators 4 auftreten, so dient ein Ableitkondensator 6 dazu, diese unerwüns chten Wechselstromsignale nach Erde abzuleiten. Der Widerstand 3 und der Kondensator 4B legen die Zeitkonstante des Integrators-fest.
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Diese Zeitkonstante zusammen mit der Spannungshöhe in Volt des Phasendetektors pro Radiantenkonstante und den Phasenschieber-Radianten für die jeweilige Spannungs-Strom-Kennlinie legen die Schleifenbandbreite und die dynamischen Eigenschaften fest. Bei geeigneter Wahl der Konstanten kann somit die Eingangsfrequenz der an der Klemme 1 auftretenden Signale zeitlich schnell geändert werden, und an der Klemme 16 tritt eine Nachbildung dieses Signals auf, und zwar mit der ausgewählten Phasenverschiebung und mit einem sehr kleinen dynamischen Phasenfehler. Der Widerstand 19 bestimmt die Grade pro Voltkonstante der externen Phasenschiebersteuerspannung V^.
Das phasenverschobene Ausgangssignal wird von der Ausgangsklemme 16 erhalten, während das ursprüngliche Signal an der Ausgangsklemme 17 erhalten werden kann, so daß die beiden Signale , das ohne eine Phasenverschiebung auftretende Signal und das phasenverschobene Signal, weiter verarbeitet werden können. In einem Signalverarbeitungssystem ist es z.B. häufig erwünscht, über Signale gleichzeitig zu verfügen, die phasenmäßig alle Vielfache von 90° sind. Erreicht werden kann dies dadurch, daß drei dieser Anordnungen hintereinander angeordnet werden, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist. Gemäß Fig. 2 sind drei 90°-Phasenschieber 100, wie sie in Fig. 1 gezeigt und oben beschrieben sind, über Klemmen 16, 17 hintereinandergeschaltet. (Es sei darauf hingewiesen, daß die in Fig. 2 angegebenen Bezugszeichen die gleichen sind wie die in Fig. 1 angegebenen, um nämlich die Verbindung im Hinblick auf Fig. 1 anzugeben.) Die erzielten Phasenverschiebungen von 90°, 180° und 270° sind durch die Pfeile 102, 103 und 104 angedeutet .
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Claims (9)

  1. 2322Ϊ57
    Patentansprüche
    /1./Breitband-Phasenschiebernetzwerk zum Verschieben der Phase eines Wechselstromsignals um einen bestimmten Betrag, dadurch gekennzeichnet,
    a) daß eine elektrische spannungsgesteuerte Phasenschieberschaltung (7) vorgesehen ist, die ein Wechselstrom-i)ingangssignal in der Phase um einen bestimmten Betrag auf ein Spannungssignal hin verschiebt,
    b) daß ein Phasendetektor (2) vorgesehen ist, der die Phase des Eingangssignals mit der Phase des um einen bestimmten Betrag phasenverschobenen Eingangssignals vergleicht und der ein der Phasendifferenz zwischen diesen beiden EingangsSignalen proportionales Wechselstrom-Phasendifferenzsignal abgibt, wobei der Phasendetektor (2) mit der spannungsgesteuerten Phasenschieberschaltung (7) verbunden ist,
    c) daß an dem Phasendetektor (2) und dem spannungsgesteuerten Phasenschieber (7) eine Integratoreinrichtung (4) angeschlossen ist, welche das Phasendifferenzsignal integriert, und
    d) daß mit dem Phasendetektor (7) Eingangs- und Ausgangseinrichtungen für die Abgabe bzw. Ableitung von elektronischen Signalen verbunden sind.
  2. 2. Phasenschiebernetzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasendetektor (2) einen Breitband-Gegentaktmischer enthält.
  3. 3. Phasenschiebernetzwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die- spannungsgesteuerte Phasenschieberschaltung (7) eine LC-Schaltung ist, welche aus Induktivitäten (9,10,11) und Kapazitätsdioden (12,13,14) besteht.
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  4. 4. Phasenschiebernetzwerk nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitätsdioden (12,13,14) Varicaps sind.
  5. 5. Phasenschiebernetzwerk nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitätsdioden (12,13,14) Varaktor-Dioden sind.
  6. 6. Phasenschiebernetzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Integratoreinrichtung (4) einen über einen Operationsverstärker (4A) liegenden Kondensator (4B) enthält.
  7. 7. Phasenschiebernetzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Phasendetektor (2) und dem spannungsgesteuerten Phasenschieber (7) eine Addiereinrichtung (6) verbunden ist, welche ein zusätzliches veränderliches Eingangssignal zu dem Phasendifferenzsignal addiert.
  8. 8. Phasenschiebernetzwerk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,' daß die Addiereinrichtung (6) einen Kondensator enthält, der an dem Operationsverstärker (4A) angeschlossen ist, und daß ein Widerstand (19) in Reihe mit der Kondensator-Integratorschaltung (6,4) geschaltet ist.
  9. 9. Phaschenschiebernetzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Phasendetektor (2) und der Integratoreinrichtung (4) eine zusätzliche Eingangssignaleinrichtung (18) verbunden ist, über die ein zusätzliches Eingangssignal (Vc) zuführbar ist.
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    10» Phasenschiebernetzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzelehnet, daß die Ausgangseinrichtung einen Ausgang (17), an welchem ein Ausgangssignal ohne eine Phasenverschiebung» und ©inen Ausgang (16) enthält, an welchem ein phasenverzöger-tes Ausgangssignal auftritt»
    11« Verfahren zum genauen Verschieben der Phase eines Wechselstromsignals um einen bestimmten Betrage insbesondere unter Verwendung eines Phasenschiebernetzwerks nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
    a) daß die Phase des Wechselstromsignals um einen bestimmten Betrag -verschoben wird,
    b) daS die Phase des Wechselstromsignals, welches um einen bestimmten Betrag verschoben worden ist, mit der Phase eines eintreffenden Signals verglichen wird,
    c) daß ein für die Phasendifferenz zwischen dem eintreffenden Signal und dem phasenverschobenen Signal charakteristisches Wechselstrom-Phasendifferenzsignal gebildet wird,
    d) daß das Wechselstrom-Phasendifferenzsignal integriert wird und
    e) daß dsr- Betrag der bestimmten Phasenverschiebung des Wechselstromsignals auf das Phasendifferenzsignal hin korrigiert wird.
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DE2322557A 1972-05-04 1973-05-04 Breitband-phasenschiebernetzwerk und verfahren zur genauen phasenverschiebung eines wechselstromsignals Pending DE2322557A1 (de)

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