DE2339297C3 - Einrichtung und Verfahren zur Synchronisation eines Hochfrequenzsenders - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zur Synchronisation eines Hochfrequenzsenders, der einen über einen großen Bereirh kontinuierlich durchstimmbaren, frei schwingenden, frequenzmodulierbaren Oszillator enthält, der über eine Nachstimmschaltung und eine mit Phasenvergleich arbeitende Regelschleife mit einer hochkonstanten Referenzfrequenz, die in einem sehr kleinen Frequenzbereich abstimmbar ist, synchronisiert wird, bei denen zwischen dem Oszillator und der Phasenvergleichsstufe eine Teileranordnung eingesetzt ist.

In der Hochfrequenztechnik, insbesondere in der Funktechnik, werden hochstabile Senderoszillatoren benötigt. Da für diese Belange Frequenzen von großer spektraler Reinheit gebraucht werden, bevorzugt man hierfüi synchronisierte, frei schwingende Oszillatoren, die in dieser Hinsicht anderen Senderoszillatoren, die aus mehreren Oszillatoren bzw. Spektren aufgebaut sind und deren Frequenz besonders in der Nähe der Trägerfrequenz ein zusammengesetztes Quarzspektrum besitzt, überlegen sind.

Von der Anwendung her gibt es zwei Arten der Synchronisation des HF-Senders. Erstens, man stellt mittels einer digitalen Eingabeschaltung die gewünschte Frequenz ein, und die Schaltungsanordnungen für die Synchronisation bringen automatisch die Frequenz des HF-Senders auf diesen Wert. In anderer Art wird die Senderfrequenz auf übliche, analoge Weise eingestellt, und die Einschaltung der Synchronisation verriegelt die eingestellte Senderfrequenz mit einer hochkonstanten Referenzfrequenz. Dabei muß die durch die Synchronisation bedingte Verschiebung der Senderfrequenz so klein wie möglich gehalten werden. Die Schaltungsanordnung, die hier behandelt wird, gehört zu der letzteren Art.

Die Synchronisation verbessert erheblich die Stabilität der Frequenz. Sie darf nicht andere Eigenschaften des HF-Senders beeinträchtigen. Vor allem die Frequenzmodulation und die Rauschfreiheit sollen voll erhalten bleiben.

Zum Synchronisieren werden daher zwei an sich bekannte Verfahren benutzt:

1. Möglichkeit Synchronisation von zwei Oszillatoren durch Phasenvergleich wobei die durch den Phasenver-

gleich gewonnene Regelspannung zur Nachstimmung des zu synchronisierenden Senderoszillators verwendet wird.

2. Möglichkeit: Synchronisation durch Teilung der Senderfrequenz. Frequenzmodulierte Sender (FM-Sender) kann man nur synchronisieren, wenn der Phasenhub die Grenzen von ±90° nicht überschreitet. Gewöhnlich liegen die Phasenhübe viel höher. Um trotzdem FM-Sender synchronisieren zu können, teilt man die Senderfrequenz auf eine viel tiefere Freqjenz, ,₀ bei der die Synchronisation mit der Referenzfrequenz stattfindet Durch Frequenzteilung wird durch den gleichen Faktor auch der Phasenhub geteilt, so daß die maximale Abweichung von der Referenzphase kleiner als ±90° ist und die Synchronisation nicht beeinträchtigt wird.

Es ist heute üblich, für die Synchronisation von HF-Sendern die Phasenvergleichsschaltung zu verwenden. Dieser Schaltung werden zwei nahezu gleiche Frequenzen zugeführt, eine hochkonstante Frequenz von dem Referenzoszillator und eine vom HF-Sender. Die durch den Vergleich gewonnene Regelspannung stimmt den HF-Sender so lange nach, bis die beiden Frequenzen gleich und fest verkoppelt werden. Das Grundproblem liegt hauptsächlich in der Umsetzung der in weiten Grenzen veränderbaren Frequenz des HF-Senders auf eine tiefere, sehr nah an der Referenz liegenden Frequenz. Für diesen Zweck werden heute digitale Schaltungen und Bauelemente bevorzugt.

Das ganze Frequenzspektrum eines HF-Senders wird in mehrere Bereiche unterteilt. Die einzelnen Bereiche umfassen gewöhnlich die Frequenzen in einem Verhältnis von etwa 1 :1,5 bis 1 :3. Für die digitalen Schaltungsanordnungen liegt das Verhältnis 1 :2 sehr günstig.

Die im HF-Sender eingestellte Frequenz wird möglichst vollautomatisch auf eine feste Referenzfrequenz heruntergeteilt. Eine bekannte Schaltungsanordnung nach der DT-OS 22 62 631 verwendet für die Synchronisation ein Impuls-Tor (UND-Gatter) für die Senderfrequenz, einen Zähler mit Speicher und einen von ihm gesteuerten einstellbaren Teiler. Sein Teilungsverhältnis wird automatisch so eingestellt, daß bei beliebiger Eingangsfrequenz innerhalb eines Bereiches am Ausgang immer die Synchronisationsfrequenz erscheint. Ein bekanntes Schaltungsbeispiel dieser Art zeigt die nachstehend erläuterte F i g. 1. Der Meßsender

107 läßt sich z. B. in mehreren Frequenzbereichen durchstimmen. Der tiefste Bereich liegt zwischen 2,5 und 5MHz, der höchste zwischen 40 und 80MHz. Außerdem beinhaltet er noch eine Nachstimmschaltung

108 (z. B. ein Varicap), mit deren Hilfe die Nachstimmung in engem Bereich durch eine Regelspannung möglich ist. Durch den Vorteiler »ζλ< werden höhere Senderfrequenzbereiche auf den Grundbereich der Synchronisation (2,5 bis 5 MHz) heruntergeteilt. Diese Frequenz wird dem einstellbaren Teiler 111 und über ein UND-Gatter 114 dem Zähler 113 zugeführt. Die Teiler 103 und 105 sind in einem Teiler »M< zusammengelegt. An den Speicher 112 ist eine Anzeigevorrichtung angeschlossen (Fig. 2, Ziffer 29 DT-OS 22 62 631). Diese zeigt die Senderfrequenz, dividiert durch »ζλ<, an. Hierbei funktioniert der Synchronisator gleichzeitig als Frequenzmesser. Die Auflösung der Anzeige ist durch die Stellenzahl von Zähler, Speicher und Teiler begrenzt. Es werden nur die Rasterfrequenzen angezeigt. Um sinnvolle dekadische Anzeigen zu bekommen, müssen die Teiler »ζλ< und »Λ/« in bestimmtem Verhältnis zueinander stehen. Dadurch nimmt die Synchronisationsfrequenz /"unterschiedliche Werte an, und in der vorveröffenilichien Schrift liegt sie zwischen 50 und 400Hz. Der letzte Wert liegt für manche Anwendungen zu hoch und kann unerwünschte Störeffekte im HF-Signal verursachen.

Die Synchronisation nach F i g. 1 fängt mit dem Rücksetzen des Zählers in die Nullage an. Danach folgt ein hochkonstanter Öffnungsimpuls für das Gatter. Während dieser Öffnungszeit fließt das vorgeteilte Meßsendersignal in den Zähler. Nach Beendigung der Meßzeit (ö) wird die gewonnene Information auf den Speicher 112 übertragen. Dieser steuert das Teilungsverhältnis des Teilers 111, so daß in der Vergleichsstufe 109 die Synchronisationsfrequenz erscheint.

Auf diese Weise wird der Sender in seinem Bereich nicht bei allen, sondern nur bei festen, diskreten Frequenzen synchronisiert. Der Abstand zwischen diesen diskreten Rasterfrequenzen gleicht der Synchronisationsfrequenz, beispielsweise 10 000 Hz. Um auch die dazwischenliegenden Frequenzen synchronisieren zu können, wird die Referenzfrequenz veränderbar gemacht. Sie muß sich in der gleichen Prozentzahl ändern lassen wie die vorgeteilte Senderfrequenz. Bei 5 MHz beträgt die Änderung um 10 000 Hz = 2%o und bei 2,5MHz = 4%o. Die Nachstimmstufe im Meßsender soll bei beliebiger Grundeinstellung des HF-Senders eine Verstimmung von Γ um 10 000 Hz gewährleisten. Aus der Theorie des Schwingkreises ist bekannt, daß die maximale Verstimmung mit der Grundeinstellung des HF-Senders zusammenhängt. Diese Abhängigkeit folgt einem kubischen Gesetz, d. h., wenn bei 2,5 MHz (tiefste Frequenz im Bereich) eine maximale Verstimmung von 1OkHz möglich ist, dann wird bei doppelter Frequenz des HF-Senders (höchste Frequenz im gleichen Bereich) die maximale Verstimmung um ein 8faches größer, in diesem Beispiel 80 000 Hz.

Hier liegt ein wesentlicher Nachteil der erwähnten Synchronisationsanordnung. Die volle Aussteuerung der Nachstimmstufe braucht z. B. eine Regelspannung von 10 V₅₅ (z. B. von -2 bis -12 Volt). Jede Regelspannung hat auch Störanteile: Rauschen, Brummspannung usw. Sie tragen zum Störhub bei, der bei einem guten HF-Sender unerwünscht ist. Zum Beispiel liegt der Störhub bei /"'=2,5 MHz (tiefste Frequenz des Bereiches) gerade an der erlaubten Grenze. Bei der höchsten Frequenz (5 MHz) ist der Störhub achtmal so groß bzw. 18 dB oberhalb der Grenze. Eine Verbesserung ist entweder durch den besonderen Bau des HF-Senders oder auch eine Schaltungsanordnung für die Synchronisation möglich, bei der die Rasterfrequenzabstände mit steigender Frequenz proportional anwachsen.

Der zweite Nachteil dieser Schaltungsanordnung für die Synchronisation betrifft die tieferen Frequenzen. Wegen der notwendigen kleinen Rasterfrequenzabstände existiert immer ein Grundbereich für die Synchronisation (im Beispiel: 2,5 bis 5 MHz). Höhere Bereiche des HF-Senders werden durch einen Vorteiler erfaßt. Schwierigkeiten bietet die Synchronisation der Frequenzen, die unterhalb des Grundbereiches liegen, z. B. unterhalb 2,5 bis 5 MHz. Um hier einen Frequenzbereich von 1 :2 mit gleicher Zahl der Rasterfrequenzen erfassen zu können, wird die Teilung mit Brüchen notwendig. Das läßt sich in digitaler Technik mit einfachen Mitteln nicht verwirklichen. Diese Schaltungsanordnung ist daher nicht geeignet für die Synchronisation unterhalb des Grundbereiches. Das geht nur auf dem Umweg über höhere Frequenzen im Meßsender selbst, die dann in tiefere Frequenzen durch

die Teilung (wie in Fig. 1, Schalter 120, Stellung 2, Teiler 110) umgesetzt werden.

Sehr wichtig für die Synchronisation ist die Treffgenauigkeit. Mit einer einfachen Schaltungsanordnung wird die Teffgenauigkeit auf die Rasterfrequenzen s begrenzt. Nur in einem Abstand von der Größe der Synchronisationsfrequenz ist die Synchronisation möglich. Das heißt, nach der Einleitung der Synchronisation wird der HF-Sender auf die nächstliegende Rasterfrequenz springen.

Die gewünschte Frequenz kann durch die Feinverstimmung des Referenzoszillators erreicht werden. Gewünscht ist aber, daß diese Feinverstimmung zum Zwecke der Synchronisation so klein wie möglich gehalten wird oder vollkommen entfällt. Um diesen κ Zweck zu erreichen, versucht man bei fast allen Synchronisationsschaltungen die Synchronisationsfrequenz sehr niedrig zu wählen, 5 bis 10 Hz oder noch niedriger. Eine kleine Synchronisationsfrequenz verlangt eine sehr große Regelzeitkonstante (115, F i g. 1). _J0 Die Fangzeit wird dadurch groß, und die Feinverstimmung der Frequenz wird sehr langsam erfolgen.

Es gibt auch Anwendungen, wo eine schnelle Änderung der Frequenz des HF-Senders im synchronisierten Zustand notwendig ist. In diesem Fall muß die ₂s Regelzeitkonstante relativ klein bleiben und die Synchronisationsfrequenz entsprechend groß gewählt werden. Das verschlechtert die Treffgenauigkeit.

Aus der DT-AS 14 66 129 ist eine Schaltungsanordnung zu entnehmen, die zur Synchronisierung eines ,₀ HF-Oszillators mit einem Phasenvergleich arbeitet. Die Besonderheit hierbei ist ein zusätzlicher Teiler zur Erzeugung der Frequenzablage und die gleichzeitige Funktion als Frequenzvergleichsschaltung. Die Abweichung der Synchronisationsfrequenz von der Referenzfrequenz kann jedoch sehr groß werden. Deshalb muß die Synchronisationsfrequenz durch Frequenzvergleich auf eine annähernde Übereinstimmung gebracht werden. Erst dann kann die Phasenvergleichsregelung fangen bzw. synchronisieren. Die Anordnung arbeitet nicht vollautomatisch, und die synchronisierte Frequenz entspricht nicht der ursprünglichen Frequenz des frei schwingenden Oszillators, sondern sie nimmt einen Wert an, der von der Voreinstellung der beiden Teiler abhängig ist

Durch »NTZ«, 1971, Heft 10, S. 545 bis 550 ist eine Schaltungsanordnung zur Stabilisierung der Frequenz eines frei schwingenden Oszillators bekanntgeworden, bei der die Oszillatorfrequenz durch ein Impuls-Tor (UND-Gatter) mit genauer Öffnungszeit einem Zähler zugeführt wird Die so eingemessene Frequenz wird mit einer Zahl verglichen, die die gewünschte Frequenz des Senderoszülators darstellt, und ist von Hand eingestellt Die durch diesen Frequenzvergleich gewonnene Regelspannung steuert den Senderoszfllator so lange nach, bis seine Frequenz der eingestellten Frequenz gleich wird. Hier handelt es sich um eine Schaltung, die mit Frequenzvergleich arbeitet Die Auflösung ist durch die Öffnungszeit des Impuls-Tors und Stellenzahl des Zählers gegeben. Die Rasterfrequenzabstände entspreeben dem Frequenzunterschied vom Wen der niedrigsten Stelle. Sie Abstände sind konstant im ganzen Bereich. Tiefere Frequenzen lassen sich schlecht synchronisieren. Um eine hohe Auflösung und kurze Regelzeit (Fangzeit) zu erhalten, ist eine Interpolation in ä er Öffnungszeit des Impuls-Tors vorgeschlagen. Dafür "werden monostable MuUrvibratoren benutzt. Diese aber können zeitliche Unstabflitäten in ihren Ausgangssignalen aufweisen, was zu unerwünschten Effekten in dem HF-Oszillator beitragen kann.

Die Synchronisation durch eine Phasenvergleichsregelung bringt auch das Problem der Auflösung bzw. der Treffgenauigkeit mit sich. Die kleinsten synchronisierbaren Frequenzabstände gleichen der Synchronisationsfrequenz. Aus vielen Gründen darf die Synchronisationsfrequenz jedoch nicht zu klein gemacht werden. Eine Schaltungsanordnung nach der DT-OS 16 16 289 löst dieses Problem durch ein zwischen dem Oszillator und dem einsteilbaren Teiler angeordnetes Austasttor. Es werden einzelne Oszillatorimpulse durch vorgewählte Impulse der Synchronisationsfrequenz ausgetastet. Dadurch kann die Auflösung um einige Dekadenstellen erhöht werden. Durch die so entstandene Phasenmodulation wird allerdings für die Regelschleife ein Tiefpaß benötigt, dessen Grenzfrequenz noch tiefer liegen muß, als es ohne diese Feinverstimmung notwendig wäre. Auch diese Synchronisation gehört nicht zu der die vorliegende Erfindung betreffenden Art.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zur Synchronisation beliebiger HF-Sender zu schaffen, deren Rasterfrequenzabstände besser an die Nachstimmeigenschaften des HF-Senders angepaßt werden können. Die Frequenz des HF-Senders soll hierbei nicht durch einen Grundbereich begrenzt sein, sondern soll die höchsten mit digitalen Bausteinen noch zu erfassenden und die tiefsten bis hin zur eigentlichen Vergleichsfrequenz reichenden Werte umschließen können. Ferner soll die Treffgenauigkeit der Synchronisationsschaltung verbessert werden.

Die erfindungsgemäße Lösung ist bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet, daß die Teileranordnung einen Senderimpulszähler, ein Flip-Flop, ein erstes UND- und ein ODER-Gatter umfaßt, die alle gemeinsam auf einen Auslöseimpuls hin die gleichzeitige Öffnung des ersten UND-Gatters und eines weiteren UND-Gatters bewirken, und daß in den Senderimpulszähler eine bestimmte Anzahl von HF-Senderimpulsen einläuft und durch den enstehenden Übertrag des Senderimpulszählers die beiden UND-Gatter geschlossen werden, derart, daß durch das durchgeschaltete zweite UND-Gatter Impulse aus einem hochstabilen Quarzoszillator in einen Speicher-Zähler fließen, der das Teilungsverhältnis eines einstellbaren Teilers steuert, welcher eine der Quarzfrequenz gleiche oder nahezu gleiche Referenzfrequenz in diesem Verhältnis teilt, und daß ferner die durch die Teilung entstandene Frequenz einer Phasenvergleichsstufe, bestehend aus einem Phasenvergleicher, einer Frequenzkoinzidenzschaltung und einem Frequenz/Phasenverglekher, zugeführt wird und daß der zweite Eingang der Phasenvergieichsstuf e über feste Teiler mit dem SenderosziUator verbunden ist

In weiterer Ausbildung der Erfindung mit einer linearen Phasenvergleichsstufe ist eine Frequenzkoinzidenzschaltung vorgesehen, die aus einer Differentiationsschaltung, einem anschließenden Nulldurchgangs-Detektor und ans einem parallel zu diesen beiden gespeisten Phasensprungdetektor mit nachgeschaltetem Inverter and darauffolgender Zeitverzögerungsschaltung besteht, deren Ausgang zusammen mit dem Ausgang des Nufldurchgangs-Detektors einem UND-Gatter zugeführt ist, welches über einen Arbeitskontakt die Sucheinrichtung des Referenzfrequenzgeneraiors ausschaltet Es wird der bei Frequenzgleichheit und bei allen Phasenumsprüngen am Ausgang des Nuildurch-

gangs-Dciektors erzeugte Impuls dem UND-Gatter zugeleitet, und ferner wird das UND-Gatter von den Impulsen, die den Phasenumsprungen entstammen. gesperrt, und es entstehen am Ausgang des UND-Gatters nur die der (■'reqiien/gleiehheit entsprechenden ■; Impulse.

Mit den erfindungsgemäßen Einrichtungen kann das Synchronisationsverfahren wie folgt ablaufen: Zuerst wird die durch die Teileranordnung geteilte Rcfcrcnzfrequenz mit der geteilten Scndcrfrcqucnz nahezu ι ο gleich gemacht, anschließend durch Änderung der Referenzfrequenz auf volle Übereinstimmung gebracht und durch Ausschalten der Steuerung für den Referen/-frequenzgenerator die Refcren/frequenz unverändert gehalten und danach durch Durchschalten eines is weiteren Arbeitskontaktes der Senderoszillator über die Phasenvergleichsstufc. einen Tiefpaß und eine Nachstimmstufe mit der unverändert gehaltenen Referenzfrequenz synchronisiert. In vorteilhafter Weise können das Flip-Flop, das UND-Gatter und der Senderinipulszähler außerdem zum von der Synchronisation unabhängigen Messen der Periodendauer der Senderfrequenz benutzt werden. Der hochstabile Quarzfrequenzoszillator ist gleichzeitig für die Synchronisation und für die digitale Periodendauermessung js verwendbar.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung dient der Frequenzvergleich nur der Erhöhung der Treffgenauigkeit. Dazu ist die neuartige, schnelle und hochgenaue Frcquen/gleielihcitsschaltung geschaffen ,₀ worden. Hier werden durch die Wirkung des einstellbaren Teilers die beiden Frequenzen so weit gleich gemacht, daß die Phasenvergleichssynchronisation mit Sicherheit fängt. Es ist möglich, praktisch alle HF-Scnder von den tiefsten Frequenzen im Langwellenbereich _1S bis zum Gigahertz-Bereich mit einer einzigen Schaltungsanordnung zu synchronisieren. Der Störabstand des HF-Senders kann weitgehend verbessert werden. Vor allem aber macht die hohe Treffgenauigkeit die Synchronisation für fast jede Anwendung zugänglich. Sie macht die Wahl der Synchronisationsfrequenz von der gewünschten Treffgenauigkeit unabhängig. Aul diese Weise kann die Synchronisationsfrequenz besser den anderen Eigenschaften des Meßsenders angepaßt werden. 4s

In den F i g. 2 bis 6 der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und erläutert. Im einzelnen zeigen

F i g. 2 und 6 Synchronisationsschaltungen. Fig. 3 einen Zeitplan der Impulse der Schaltungen se gemäß F i g. 2 und 6.

F i g. 4 eine Frequenzkoinzidenzschaltung und Fig.5 ein Wellenform-Diagramm der Schallung gemäß F ig. 4.

Die Schaltungsanordnung (F i g. 2) besteht aus einem ss Senderimpulszähler 5, einem Flip-Flop 37. einem UND- und einem ODER-Gatter 39. die zusammen die gleichzeitige Öffnung des UND-Gatters 38 und eines weiteren UND-Gatters 4 bewirken. Nachdem im SenderimpnlszänJerS eine bestimmte Zahl der HF-Senderimpulse eingezählt ist werden die beiden UND-Gatter 4, 38 geschlossen. Während der vorangegangenen Öffnungszeit des zweiten UND-Gatters 4 wurden die Impulse aus einem hochstabilen Quarzoszillator 36 in einen Speicher-Zähler 35 eingezählt, dessen Zählstand auch nach der Schließung des zweiten UND-Gatters 4 beibehalten wird. Hierdurch wird das Teilungsverhältnis eines einsteHbaren Teilers 7, der eine Referenzfrequen/ in diesem Verhältnis teilt, gesteuert. Die hierdurcl erzeugte Frequenz wird einer Vergleichsstufe züge führt, die entweder aus einem Phasenverglcicher U oder einem Frequenz/Phasen-Vergleicher Il besteht Dem zweiten Eingang dieser Vcrgleichsstufc werder die im festen Teilungsverhältnis geteilten HF-Senderim pulse zugeführt. Der Ausgang der Vergleichsstufc steuert die Nachstimmstufe 16des HF-Senders.

Theoretisch soll die Referenzfrequenz sowohl den einstellbaren Teiler 7 als auch dem zweiten UND-Gat ter 4 zugeführt werden. Der Inhalt des zweiten Zähler; 35 zeigt nur dann einen genauen Reziprokwert dei Frequenz des HF-Senders, wenn das zweite UND-Gatter 4 mit stabilen und hochgenauen Impulsen gespeis! wird. Da die Referenzfrequenz veränderbar bleiben soll wird das zweite UND-Gatter mit hochgenauer Quarzimpulsen gespeist. Bei kleiner Differenz zwischen Quarz- und Reterenzfrequenz bleibt die notwendige Bedingung für die Synchronisation erhalten. Größere Differenzen können mit einer Korrektur in dem Teiler

34 (Fig.2) ausgeglichen werden. Einzelheiten dieser Schaltungsanordnung ergeben sich aus den Schaltbildern nach den anliegenden Zeichnungen.

Gemäß Schaltungsanordnung nach Fig. 2 kann grundsätzlich in einem großen Senderfrequenzbereich synchronisiert werden. Zweckmäßigerweise wird man den Senderfrequenzbereich »/« des Senderoszillators 1 auf einen Bereicl· f_mm bis f_m^ von etwa 1 : 2 beschränken, wie es in der Funk- und Meßtechnik üblich ist. Sehr viel größere Senderf^requenzbereiche lassen sich synchronisieren, indem höhere Senderfrequenzen /durch einen umschaltbaren Vorteiler 2 auf eine vorgetcilte Senderfrequenz P herabgemindert werden, deren Schwingungen, in Impulse umgeformt, einem festen Teiler 34 mit dem TeilungsveMältnis ΛΊ in der eigentlichen Synchronisationsschaltupg zugeführt werden. Nach dieser Teilung entsteht die Synchronisationsfrequenz (". Sie wird dem Phaser vergleicher 14. dem Frequenz/Phasen-Vergleicher 11 und der Frequenzkoinzidenzschaltung 12 zugeführt.

Die Frequenzen, die unter dem Grundbereich Γ liegen, lassen sich dadurch synchronisieren, daß das Teilungsverhältnis /V₁ von 34 (Fig. 2) um einen Faktor verkleinert wird und die Kapazität des Speicherzählers

35 um den gleichen Faktor vergrößert wird. Dabei werden aus dem Speicher-Zähler 35 im Teiler 7 nur die höchsten Steller übernommen. Die Zähler 5, 35 der Teiler 34 und 7 können in beliebigem Code arbeiten. Deswegen kann .luch dieser Faktor eine beliebige Zahl annehmen. Weg:n der Anschaulichkeit sind hier die Beschreibung und Beispiele in dekadischem Code dargestellt. Da die Synchronisationsbedingung K=N₁ ist, können die tieferen Frequenzen auch durch gleichmäßige Verminderung des Teilungsverhältnisses Nt und der Kapazität K des Senderimpulszählers 5 erreicht werden.

Die vorgeteflte Senderfrequenz wird auch einem UND-Gatter 38 zugeführt Es bildet zusammen mit einem auf eine bestimmte Zahl K eingestellten Senderimpalszähler 5, einem ODER-Gatter 39 und einem Flip-Flop 37 eine Zählschahung. die nach dem Empfang von Rücksetz-und EinschaitimpulsenlFi g. 3) so lange zählt bis die feste Zahl & erreicht wird and -sich dann ausschaltet Am Anfang des Zählern wird das UND-Gatter 4 geöffnet am Ende wieder gesperrt. Auf dem zweiten Eingang des UND-Gatters 4 liegt die hochgenaue Frequenz aus dem Quarzoszillator Jft. Während der Öffnungszeit des iiatlcrs 4 jräWt der

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Zählerspeicher 35 die hochgenaue Quarzlrequenz. Nach der Sperrung des Gatters 4 bleibt diese Zahl in dem Zähler 35 gespeichert. Er steuert über eine mehrpolige Verbindung den einstellbaren Teiler 7, an dessen Eingang die Referenzfrequenz liegt und dessen * Ausgangssignal den Vergleichsschaltungen 11 12 und 14 zugeführt wird.

Der Quarzoszillator 36 liefert eine hochkonstantc und hochgenaue Frequenz. Im Generator 8 wird diese Quarzfrequenz mit einer viel niedrigeren stabilen i< > NF-Frequenz in solcher Art zusammengesetzt, daß eine in kleinem Bereich um die Quarzfrequenz, veränderbare Referenzfrequenz /Ό entsteht. Die Referenzfrequenz kann sowohl durch Hand- als auch durch eine Sucheinrichtung 9 mittels einer Reaktanz 17 {z.B. is Drehkondensator) im Schwingkreis ces NK-Oszillaiors geändert werden. Der einmal eingestellte Wert wird gespeichert bzw. bis zu neuer Betätigung unverändert beibehalten.

Im Frequenz/Phasenvergleicher 11 wird festgestellt. :₀ ob die Synchronisationsfrequenz f" des HF-Senders größer oder kleiner ist als die Synchronisationsfrequenz ?o' des Referenzoszillators. Das Ausgangssignal von 11 wirkt über den geschlossenen Schalter 10 auf die Sucheinrichtung 9, welche die Reaktanz 17 so lange ändert, bis beide Frequenzen gleich groß werden. In diesem Augenblick spricht die Frequenzkoinzidenzschaltung an, d. h., im Moment der Gleichheit von beiden Frequenzen wird ein Impuls ausgelöst, und öffnet den Schalter 10. Dadurch verbleibt die Reaktanz in dem eben erreichten Zustand. Der Phasenvergleicher 14 liefert aus den Phasenbeziehungen der beiden Synchronisationsfrequenzen /" und /0' eine Regelspannung, die über den Tiefpaß 15 und den Schaltet 13 dem HF-Sender zugeführt wird. Die Regelspannung steuert dessen Frequenz so lange, bis f" und /ö' absolut gleich groß werden und dadurch die Frequenz des HF-Senders fest mit der Referenzfrequenz verkoppelt ist.

Die Wirkungsweise dieser Schaltungsanordnung ist sehr gut an Hand eines Zahlenbeispiels zu erkennen. Beispielsweise liegt der Grundbereich des Meßsenders von 2,5 bis 5 MHz. Der Quarzoszillator hat 5 MHz. Die Referenzfrequenz läßt sich in kleinem Umfang um 5 MHz ändern. K = 2500: M = 250.

Wegen des statistischen Fehlers ist K lOmal größer als M- Der Ausgleich wird durch die Teilung des Inhalts im Zähler 35 mit 10 geschaffen, d. h„ die niedrigste Dezimalstelle wird für die Teilung nicht benutzt.

Das Synchronisieren des HF-Senders erfolgt automatisch in vier Schritten durch entsprechende Programmsteuerung.

Schritt 1: Alle Zähler und Flip-Flops in der Synchronisationsschaltung und Programmsteuerung werden durch die Rücksetzimpulse in »0«-Lage gesetzt.

Schritt 2z Em Einschalt-Impüls setzt das Flip-Flop 37 in die Lage »1« (<?=1). Das öffnet die beiden UND-Gatter 38 und 4. Bei einer HF-Sendefrequenz von: "a) /'=5 MHz. 5-MHz-Impulse füllen den Senderim-

pulszähler, bis er die Zahl 2500 erreicht. In diesem ' Augenblick geht das Flip-Flop 37 in die »O«-Lage ■-.-■ zurück: und sperrt beide UND-Gatter 38 und 4. Die Öffnungszeit von diesem Gatter beträgt

2500

5 -10"

= 500

den Spcicher/iihler 35. Sein Stand beträgt nach 500 nsec

M = 50OuSeC/;,- 1/10 250.

Der einslellbare Teiler 7 teilt die Referenzfrequenz mit 250. Das ergibt die Synchronisationsfrequenz

5- K)"
250

20 000 Hz .

b) V= 2,5 MHz. 2.5-MHz-lmpulsc füllen den Senderimpulszähler 5. bis er die Zahl 2500 erreicht. Dann geht das Flip-Flop in die »0«-Lage zurück und sperrt beide UND-Gatter 38 und 4. Die Öffnungszeit dieser beiden Gatter beträgt

2500

10"

IO(K)7.sec.

In dieser Zeit füllen die Referenzfrequenzimpulse den SpeicherzählerSS. Er erreicht nach 1000 nsec:

M= 1000

-1/10= 500.

Der einstellbare Teiler 7 teilt die Referenzfrequenz mit 500. Das ergibt die Synchronisationsfrequenz

5- K)"
500

= K)(KX)Hz

In dieser Zeit füllen die Referenzfrequenzimpulse Da die Synchronisationsfrequenz f" durch die Teilung der Senderfrequenz f mit dem Teilungsverhältnis N₁ = 250 des festen Teilers 34 gewonner wird, kann die Synchronisation stattfinden, denr wie unter a) sind

⁵f₅₍f- = 2.,(X)OHz
und wie unter b) sind

2.5 MHz
-T₅-Q-- = 10000 Hz

Schritt 3: Der Schalter 10 wird geschlossen. Di< Frequenzvergleichsstufe steuert über die Sucheinrich tung 9 die Reaktanz 17. Die Referenzfrequenz wire geändert, und bei der Gleichheit /"'Wo' schaltet di< Frequenzkoinzidenzschaltung 12 den Schalter 10 aus.

Schritt 4: Durch Einschalten des Schalters 13 wird dei HF-Sender fest mit der Referenzfrequenz synchroni siert. Die Rasterfrequenzabstände werden im gleiche! Beispiel erklärt.

a) bei /'=5 MHz: Die nächste Rasterfrequenz lie]g bei dem um 1 vergrößerten Teüungsverhaltnisde Teilers 7, das ist 251. Der Inhalt M de Speicherzählers 35 wird 2510. Manirhält ihn m dem Produkt: A - 7=2510. Dabei stellt Feine Zai proportional der Periodendauer der HF-Sender&e quenzdar:

Nach der Umwandlung beider Atisdrücke bt

kommt man den Ausdruck für die nächstliegende Rasterfrequenz:

Cl £.{7

/■'

K ■
M

K ■ ft,
2510

= 4.980 MH/.

Daraus ergibt sich der Rasierfrequenzabstand zu:
5 MHz-4,980 M Hz = 0,02 M Hz = 20 000 H/.

b) bei /"'=2,5 MHz liegt die nächste Rasterfrequenz bei dem Teilungsverhältnis M= 4990.

K- k
4990

= 2.505 MH/.

Hier beträgt der Rasterfrequenzabstand 5000 Hz, also 'Λ von dem bei /'=5 MHz. Der volle Regelspannungshub muß den HF-Sender um 5000 Hz durchstimmen können. Das ist die Hälfte von dem, was im Beispiel Fig. 1 notwendig war. Deswegen ist bei dieser Schaltungsanordnung für die Synchronisation des HF-Senders der Störhub um die Hälfte kleiner als im Beispiel Fi g. 1.
Die Frequenzen, die unterhalb des Grundbereichs liegen, lassen sich mit dieser Schaltung gut synchronisieren. Zum Beispiel geschieht die Synchronisation eines Senders mit der Ausgangsfrequenz von 250 bis 500 kHz in folgender Weise:

Das Teilungsverhältnis N\ des Teilers 34 wird auf 25 verkleinert Die Kapazität des Speicherzählers 35 wird noch um eine dekadische Stelle erweitert. Berücksichtigt werden im einstellbaren Teiler 7 nach wie vor nur die drei höchsten Stellen. Das gibt bei 500 kHz:

M-K M-K

also das gleiche Teilungsverhältnis und die gleiche Synchronisationsfrequenz: /b' = 20 000 Hz. Entsprechend bei 250 kHz:

M=K ■£- · -1- = 500

J'

I (X)

10 000Hz.

Aus dem Beispiel geht hervor, daß die Synchronisation von tieferen Frequenzen ohne Schwierigkeiten durchführbar ist

Der Frequenz/Phasen-Vergleicher 11 und der Phasenvergleicher 14(Fig.2) können durch einen linearen Phasenvergleicher 25 (Fig.6) ersetzt werden. Die Gleichheit der Synchronisationsfrequenz (F i g. 6) /""und der Referenzfrequenz fo' wird durch die stetige Regelung erreicht Im Schritt 3 wird die Referenzfrequenz langsam geändert Bei der Frequenzgleichheit liefert die Frequenzkoinzidenzschaltung 12 einen Impuls, mit dem die weitere Änderung der Referenzfrequenz unterbunden wird. Die Zusammenhänge bei der Frequenzgleichheitsmessung sind in den F i g. 4 und 5 dargestellt

Der Phasenvergleicher 25 soll eine lineare Abhängigkeit zwischen der Phasenlage und der Ausgangsspannung haben, zweckmäßigerweise in Dreiecksform (F ig. 5A). In dem Beispiel wird als Phasenvergleicher ein exklusives ODER-Tor mit einem Tiefpaß bzv Integrator am Ausgang verwendet. Bei unterschiedli chen Frequenzen liegt am Ausgang dieser Schaltung 2 die dreieckförmige Spannung (Fig.5A). Die Steilhei des Spannungsverlaufs ist bei weit auseinanderliegen den Frequenzen groß, während sie bei Frequenzgleich heit auf Null fällt. Dieses Merkmal wird zun Frequenzvergleich benutzt.

Zu diesem Zweck wird die Phasenvergleichsspannunj einer Differentiationsschallung 30 zugeführt, die der Spannungsverlauf nach Fig. 5B zeigt. Dieser Span nungsverlauf zeigt bei Frequenzgleichheit einen Sprung von einer maximalen auf eine minimale Amplitude odei umgekehrt. Dieser Sprung wird mittels eines Nulldurch gangs-Detektors in einen Impuls umgewandelt. Dei Detektor kann einfach in der Form eines Fensterdiskri minators mit der Öffnung bei 0 Volt Spannung gebaui werden.

Der Ausgang des Phasenvergleichers in Abhängigkeil von der Zeit liegt in Fig. 5A im rechtwinkligen Koordinatensystem (statt im polaren) vor. Er stellt die Phasendifferenz zweier Wechselspannungen dar. Bei 0" und 180° Differenz springt in diesem Koordinatensystem die Phase von der Nacheilung in die Voreilung und umgekehrt. Diese Richtungsänderung gibt nach der Differentialion einen Nulldurchgang mit dem entsprechenden Impuls ab.

Da nur die Impulse bei Frcquenzgleichheit wirksam werden sollen, werden die unerwünschten Impulse der Nulldurchgänge bei den Phasenlagen 0° und 180° durch Austastung gesperrt. Zu diesem Zweck werden durch einen 0°- bis 180°-Detektor 32 die Impulse gewonnen, die diesen Lagen entsprechen (F i g. 5c).

Diese Impulse werden in der Stufe 33 verzögert und dem UND-Tor 34 zugeführt. Zum gleichen UND-Tor werden auch die Impulse aus dem Nulldurchgangs-Detektor geführt (Fig. 5D). Auf diese Art werden unerwünschte Impulse (Phasenlage 0° und 180°) gesperrt. Nur echte Frequenzgleichheitsimpulse werden durchgelassen (F ig. 5E).

Diese Schaltung zeichnet sich durch große Auflösung und schnelle Wirkung aus. Dadurch kann die Treffgenauigkeit der Synchronisation um ein Mehrfaches von hundert verbessert werden.

In Fig.6 ist ein praktisches Beispiel der Schaltungsanordnung für die Synchronisation angegeben. Es sind die gleichen Werte für die vorgeteilte Senderfrequenz F angenommen (gleiche Schaltungselemente tragen gleiche Bezugsziffern). Der Synchronisationsbereich des Senders beträgt genauso 1 : 2. In diesem Fall ändert sich die Synchronisationsfrequenz f' von 10 000 bis 20 000 Hz, genauso wie die geteilte Referenzfrequenz. Die Referenzfrequenz selbst wird wieder durch Mischen aus dem hochstabilen Quarzoszillator von 5 MHz und einem verstimmbaren Referenzfrequenzgenerator 8 viel niedrigerer Frequenz gewonnen. Sie ist in den Grenzen von 5000 bis 5000 ± 20 kHz veränderbar.

Die Synchronisation kann wieder in vier Schritten automatisch wie folgt ablaufen:

1. Rücksetzen aller Zählstufen auf 0 durch Betätigung des Schalters 26 in die Stellung »Ein«. Dadurch löst das Monoflop 21 die Rücksetzimpulse aus.

2. Die hintere Flanke dieses Impulses setzt das

Flip-Flop 22 in die SteDung »1«. Der Spannungs-

sprung am (^-Ausgang stellt den Einschaltimpuls für Flip-Flop 37 dar. Dieser öffnet beide Torschaltungen 38 und 4. Nach 2500 Senderimpulsen flöst der Senderimpulszähler 5 einen Übertragsimpuls

aus und kippt das Flip-Flop 37 und das Flip-Flop 22 in ihre Ausgangsstellungen zurück. Durch diese Wirkung hat der einstellbare Teiler 7 ein entsprechendes feilungsverhältnis bekommen, und an seinem Ausgang liegt die geteilte Referenzfrequenz fo'.

3. Das Flip-Flop 23 kippt in die Stellung »1« zurück. Dadurch bekommt die Schrittmotorsteuerung 9 durch das Gatter 10 die 250-Hz-lmpulse und verändert durch den Drehkondensator 17 die Referenzfrequenz. Nach erreichter Frequenz-

gleichheit wird in der Frequenzkoinzidenzschaltung 12 ein Impuls erzeugt, der das Flip-Flop 23 in seine Ruhestellung bringt und dadurch eine weiiere Beeinflussung der Referenzfrequenz verhindert.
4. Die Beendigung des Schrittes 3 leitet den Schritt 4 ein. Die im Phasenvergleich^ 25 gewonnene Regelspannung wird zu der Nachstimmschaltung 16 des Senderoszillators 1 durchgeschaltet. Dadurch entsteht die phasenstarre Verriegelung zwischen der Senderfrequenz und der Referenzfrequenz.

Hierzu 5 Blau Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Synchronisation eines Hochfrequenzsenders, der einen über einen großen Bereich s kontinuierlich durchstimmbaren, frei schwingenden. frequenzmodulierbaren Oszillator enthält, der über eine Nachstimmschaltung und eine mit Phasenvergleich arbeitende Regelschleife mit einer hochkonstanten Referenzfrequenz, die in einem sehr kleinen ι ο Frequenzbereich abstimmbar ist, synchronisiert wird, bei der zwischen dem Oszillator und der Phasenvergleichsstufe eine Teileranordnung eingesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Teileranordnung einen Senderimpulszähler (5), ein Flip-Flop(37), ein erstes UND- und ein ODER-Gatter (38,39) umfaßt, die alle gemeinsam (5,37,38,39) auf einen Auslöseimpuls hin die gleichzeitige Öffnung des ersten UND-Gatters (38) und eines weiteren UND-Gatters (4) bewirken, und daß in den Senderimpulszähler (5) eine bestimmte Anzahl von HF-Senderimpulsen einläuft und durch den entstehenden Übertrag des Senderinipulszählers (5) die beiden UND-Gatter (4,48) geschlossen werden, derart, daß durch das durchgeschaltete zweite UND-Gatter (4) Impulse aus einem hochstabilen Quarzoszillator (36) in einen Speicher-Zähler (35) fließen, der das Teilungsverhältnis eines einstellbaren Teilers (7) steuert, welcher eine der Quarzfrequenz gleiche oder nahezu gleiche Referenzfrequenz in diesem Verhältnis teilt, und daß ferner die durch die Teilung entstandene Frequenz einer Phasenvergleichsstufe, bestehend aus einem Phasenvergleicher (14) einer Frequenzkoinzidenzschaltung (12) und einem Frequenz/Phasenvergieicher (11), jj zugeführt wird und daß der zweite Eingang der Phasenvergleichsstufe über feste Teiler (2, 34) mit dem Senderoszillator verbunden ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1 mit einer linearen Phasenvergleichsstufe, dadurch gekennzeichnet, daß eine Frequenzkoinzidenzschaltung vorgesehen ist, die aus einer Differentiationsschaltung (30), einem anschließenden Nulldurchgangs-Detektor (31) und aus einem parallel zu diesen beiden gespeisten Phasensprungdetektor (32) mit nachgeschaltetem Inverter und darauffolgender Zeitverzögerungsschaltung (33) besteht, deren Ausgang zusammen mit dem Ausgang des Nulldurchgangs-Detektors (31) einem UND-Gatter (34) zugeführt ist, welches über einen Arbeitskontakt (10) die Sucheinrichtung (9) des Referenzfrequenzgenerators (8) ausschaltet, und daß der bei Frequenzgleichheit und bei allen Phasenumsprüngen am Ausgang des Null-Durchgangsdetektors (31) erzeugte Impuls (F i g. 5. Ordern UND-Gatter (34) zugeleitet wird und daß das UND-Gatter (34) von den Impulsen, die den Phasenumsprüngen entstammen, gesperrt wird (C.

Fig.4 und 5), und am Ausgang des UND-Gatters (34) nur die der Frequenzgleichheit entsprechenden Impulse entstehen (£, Fig. 4 und 5).

3. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der hochstabile Quarzfrequenzoszillator (36) gleichzeitig für die Synchronisation und für eine digitale Periodendauermessung verwendbar ist.

4. Verfahren zur Synchronisation von Hochfrequenzsendern, unter Verwendung der Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst die durch die Teileranordnung (3) geteilte Referenzfrequenz mit der geteilten Senderfrequenz nahezu gleich gemacht wird, daß anschließend beide Frequenzen durch Änderung der Referenzfrequenz auf volle Übereinstimmung gebracht werden und daß durch Ausschalten der Steuerung für den Referenzgenerator (8) die Referenzfrequenz unverändert gehalten wird und danach durch Durchschalten eines weiteren Arbeitskontaktes (13) der Senderoszillator (1) über die Phasenvergleichsstufe (15,12,14), einen Tiefpaß (15) und eine Nachstimmstufe (16) mit der unverändert gehaltenen Referenzfrequenz synchronisiert wird.

5. Verfahren zur Synchronisation mit einer Einrichtung nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß das Flip- Flop (37), das UN D-Gatter (38) und der Senderimpulszähler (5) außerdem zum von der Synchronisation unabhängigen Messen der Periodendauer der Sendefrequenz benutzt werden.