DE2344078A1 - Oszillator mit frequenzregelschleife und fangeinrichtung - Google Patents

Description

SIEMENS AKIDIMGESELLSOHAiI¹ München, den 3 I AUG. 197 Berlin und Mönchen Witteisbacherplatz 2

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Oszillator mit Frequenzregelschleife und Fangeinrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf einen Oszillator, der über eine einen Phasendiskriminator enthaltende Regelschleife unmittelbar oder nach Teilung seiner Frequenz auf die !Frequenz einer Referenzschwingung stabilisiert ist, wobei eine Phasenregelung nach dem Abtastverfahren verwendet ist und ein Phasendiskriminator, dessen Regelspannung im nichtgerasteten Zustand die Form eines Sägezahns hat.

Zur Synchronisierung eines frei schwingenden Oszillators auf eine beispielsweise mittels Quarz stabilisierte Refer enzschwingung sind Frequenz- und Phasenregeleinrichtungen bekannt. Bevorzugt wird meist die Phasensynchronisierung, da sie eine exakte Fachführung des frei schwingenden Oszillators gestattet. Da ein Phasendiskriminator jedoch nur maximal einen Phasenunterschied von 360 erfassen kann, besteht die Aufgabe, eine Fangeinrichtung vorzusehen, die den Oszillator zunächst in den Regelbereich der Phasenregelung bringt. Zu diesem Zweck wird bei bekannten Einrichtungen, z.B. durch Wobbelung in einem größeren Bereich die Frequenz des frei schwingenden Oszillators verändert, so daß sie zu irgendeiner Zeit genau mit der Frequenz der Vergleichsschwingung übereinstimmt, wodurch der eingerastete Zustand für die Phasenregelung erreicht wird. Dabei muß jedoch eine Einrichtung dafür sorgen, daß beim Erreichen dieses Zustandes die Wobbeispannung abrupt abgeschaltet wird. Es sind ferner hierzu Einrichtungen bekannt, die parallel zum Phasendiskriminator noch einen Frequenzdiskriminator ent-

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halten, 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.

Die obengenannten Phasendiskriminatoren arbeiten meist nach dem sogenannten Abtastverfahren, bei dem die eine der zu vergleichenden Schwingungen in eine zeitlineare Sägezahnspannung 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 freischwingenden 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 sie 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 z.B. 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 Differenz nicht groß, so kann durch die so entstandene Wobbeispannung auf der Uachstelleitung der freischwingende, spannungsgesteuerte Oszil-

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lator 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, wie oben geschildert, die entstandene Wobbeispannung besonders bei großer Frequenzdifferenz derart herabgesetzt, daß der Oszillator den Rastwert nicht mehr erreicht. Die Oszillatorfrequenz schwankt dann um einen Mittelwert, der dem Mittelwert der Phasenbrückenausgangespannung entspricht, jedoch mit zu kleinem Frequenzhub *

Die obengenannte Treppenspannung erscheint nach Integration als Sägezahnspannung. Am Ausgang des Phasendiskriminators sind auch andere Einrichtungen dieser Art bekannt, bei denen die Ausgangsspannung des Phasendiskriminators im nichtgerasteten Zustand der Phasenregelschleife die Form eines Sägezahns hat.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Fangschaltung anzugeben, die bei den obengenannten Phasendiskriminatoren anwendbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Oszillator, der über eine einen Phasendiskriminator enthaltende Regelschleife unmittelbar oder nach Teilung seiner Frequenz auf die Frequenz einer Referenzschwingung stabilisiert ist, wobei eine Phasenregelung nach dem Abtastverfahren verwendet ist und ein Phasendiskriminator, dessen Regelspannung im nichtgerasteten Zustand die Form eines Sägezahns hat, gemäß der Erfindung, dadurch gelöst, daß die sägezahnförmige Ausgangsspannung des Phasendiskriminators einer Differenzieretufe zugeführt ist, deren Ausgangsspannung einem Spitzenwertintegrator oder einem Begrenzer zugeführt

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wird, und daß die so gewonnene, von der Richtung der Frequenzablage im nichtgerasteten Zustand des Oszillators abhängige Gleichspannung dem Regelspannungseingang des Oszillators zusätzlich zur Phasenregelspannung zum Zweck des Fangens zugeführt wird.

Wird ein Begrenzer verwendet, so ist es vorteilhaft, dessen Pegel etwas höher zu legen als er dem Mittelwert der Spannung entspricht, die bei der Integration aus der Anstiegsflanke des Sägezahns gewonnen wird, wobei die Begrenzung bipolar vorgenommen ist.

Bei Verwendung eines Spitzenwertintegrators soll dieser derart dimensioniert und vorgespannt werden, daß lediglich die durch die Integration aus der steilen Abfallflanke des Sägezahnes gewonnenen Impulse an seinem Ausgang erscheinen.

Um in jedem Fall eine für das Fangen des Oszillators ausreichende Fachregelspannung zu erhalten, ist es zweckmäßig, dem Spitzenwertintegrator bzw. Begrenzer einen verstärkenden Tiefpaß nachzuschalten.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Figuren näher erläutert.

Die Fig.1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Phasenregeleinrichtung für einen spannungsgesteuerten Oszillator VCO. Die Frequenz solcher Oszillatoren wird meist durch Kapazitätsdioden bestimmt, die zu diesem Zweck entsprechend vorgespannt werden. Ein Teil der Ausgangsspannung des Oszillators wird im dargestellten Anwendungsfall in seiner Frequenz durch den Teiler FT1 so weit heruntergeteilt, daß er mit einer stabilen Referenzschwingung, die am Eingang B des Phasendiskriminators PD liegt,

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verglichen werden kann. Auch diese Referenzschwingung vom Oszillator OS wird meist in der Frequenz durch den Frequenzteiler FT2 auf den entsprechenden Wert herabgesetzt. Diese Einrichtung läßt sich besonders dann, wie an sich bekannt, mit Vorteil verwenden, wenn der Oszillator YCO in der Frequenz moduliert ist und die Ausgangsspannung am Anschluß C des Phasendiskriminators gelangt dann über einen stets vorzusehenden Tiefpaß (Loop-Filter) LF auf den Eingang des frequenzbestimmenden Elements des Oszillators VCO.

Wie eingangs bereits geschildert, besteht bei bestimmten Ausführungen von Phasendiskriminatoren im nichtgerasteten Zustand am Ausgang des Phasendiskriminators eine sägezahnförmige Spannung. Diese Spannung hat, wie in Fig.2 dargestellt, je nach Richtung der Frequenzablage einen entsprechenden Verlauf. Die Frequenz fA soll dabei die der am Anschluß A liegenden Oszillatorschwingung sein und die Frequenz fB die der am Anschluß B liegenden Referenzschwingung.

Werden diese sägezahnförmigen Spannungen einer Differenzierung unterworfen, so erscheinen die in der Fig.3 dargestellten Spannungen, die je nach Richtung der Frequenzablage umgekehrte Polarität haben. Diese Spannungen geben nun bereits wegen ihrer unterschiedlichen Polarität ein Kriterium für die Richtung der Frequenzabweichung, wenn sie dementsprechend ausgewertet werden und dem frequenzbestimmenden Element des Oszillators im entsprechenden Sinn zum Zwecke des Fangens zugeführt werden. Zweckmäßig erfolgt die Auswertung entweder durch bipolare Begrenzung, so daß die beim Rücklauf der Sägezahnspannung entstehenden " Spannungsspitzen mehr oder weniger unterdrückt werden oder durch eine Schwellenschaltung, die gerade diese Spitzen zur Auswertung gelangen läßt.

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Die eine Art der Auswertung ist in der Pig.4a dargestellt und es ist daraus ersichtlich, daß dann, wenn der Begrenzerpegel Bo und Bu symmetrisch nur Nullachse so eingestellt wird, daß er kurz über dem Mittelwert der Spannungs liegt, die nach Differenzierung aus der Anstiegsflanke des Sägezahns entsteht, eine entsprechende Gleichspannung gewonnen werden kann, da die kurzen Impulse in der umgekehrten Richtung jeweils abgeschnitten werden. Nach Integration im Anschluß an die Begrenzung entsteht eine Gleichspannung mit je nach Frequenzablage unterschiedlicher Polarität, wie sie in der Fig.4b dargestellt ist. Diese Spannung kann dann entweder unmittelbar oder nach Verstärkung dem frequenzbestimmenden Element des Oszillators VCO im richtigen Sinn zum Zwecke des Fangens zugeführt werden, und zwar zusätzlich zur normalen Phasenregelspannung.

Die andere Art der Auswertung der differenzierten Ausgangsspannung kann durch Auswertung der Spitzenwerte, wie in Fig.5a dargestellt, vorgenommen werden. Dazu wird eine entsprechend vorgespannte Spitzenwertgleichrichtung verwendet, die bipolar so vorgespannt sein muß, daß sie erst oberhalb der Spannungspegel So und Su eine Spannung an diesem Ausgang erscheinen läßt. Wird die so gewonnene Spannung integriert, so erscheint wiederum eine Ausgangsgleichspannung wie in Fig.5b dargestellt.

Schaltungsbeispiele für die entsprechende Auswertung der Sägezahnspannung sind in den Fig.6 bis 8 dargestellt.

Die Fig.6 zeigt ein Schaltbeispiel für die Begrenzung nach Fig.4. Die Ausgangsspannung am Punkt G des Phasendiskriminators PD gemäß Fig.1 wird einem der Differenzierung dienenden Koppelkondensator CK dem Eingang eines Begrenzers zugeführt. Dieser Begrenzer besteht aus zwei Dioden D1 , D2,

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die entgegengesetzt gepolt sind und mit einer mittels P einstellbaren Spannung UV, die durch C3 gesiebt wird, vorgespannt sind. Die beidseits begrenzte Spannung wird dann über einen Widerstand R3 einer verstärkenden und integrierenden Schaltung zugeführt, deren wesentliches Element ein Operationsverstärker OP ist. Die Funktion solcher Schaltungen ist an sich bekannt und die Elemente R4 und C4 dienen zur Vervollständigung dieser verstärkenden und integrierenden Schaltung, wobei im wesentlichen die Elemente R3, C4 als Integrationsglied wirksam sind. Die Ausgangsspannung UR bildet die Fangspannung für den spannungsgeregelten Oszillator und wird auf irgendeine Weise gegebenenfalls nach Entkopplung gegen die normale Phasenregelspannung UP dem frequenzbestimmenden Element des Oszillators VCO zugeführt.

Die Pig.7 zeigt ein Schaltbeispiel für die Auswertung nach Pig.5. Bei dieser Schaltung liegt am Eingang wieder der Koppelkondensator OK zur Differenzierung des Signals. Ihm folgt eine Spitzenwertauswerteschaltung, bestehend im wesentlichen aus zwei Längsdioden D3 und D4. Zur Erzeugung des Vorspannungspegels So bzw, Su nach Pig.5a dient eine Schaltung, bestehend aus P und C3 sowie dem Entkopplungswiderstand R5. Der übrige Teil der Schaltung ist wie in Pig.6 ausgeführt.

Pig.8 zeigt schließlich ein Ausführungsbeispiel für die Zusammenfassung der Phasenregelspannung und der aus der oben geschilderten Fangschaltung gewonnenen Pangspannung, Die hier dargestellte Kombinationsschaltung ist hinsichtlich der Polarität der Regelspannungen auf das Ausführungsbeispiel nach Pig.6 ausgerichtet. Die Ausgangsspannung am Punkt C des Phasendiskriminators PD ist also einerseits einer Fangschaltung PS und andererseits der Phasenregelschleife zugeführt. Die Ausgangsspannung UR der Fangschal-

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tung ist über Entkoppelglieder der Kapazitätsdiode KD des spannungsgesteuerten Oszillators VCO zugeführt. Andererseits wird die Ausgangsspannung des Phasendiskriminators als Phasenregelspannung über das stets vorzusehende Loop-Filter LF dem unteren Anschlußpunkt der Diode O über einen Entkopplungswiderstand zugeführt. Die Ausgangsspannung der Fangschaltung ist mit UR bezeichnet und die normale Phasenregelspannung mit UP. Auf diese Weise ist eine einfache Entkopplung zwischen der Fangschaltung und der normalen Phasenregelschaltung erzielbar. Wie angedeutet, kann zwischen den Entkoppelgliedern am oberen Anschlußpunkt der Kapazitätsdiode KD dem Oszillator noch eine zusätzliche Modulationsspannung bei f mod zugeführt werden.

Bei der Fig.9 ist eine Kombinationsschaltung dargestellt, die hinsichtlich der Polarität der Regelspannungen auf das Schaltbild nach Fig.7 abgestellt ist. Is findet hier eine Summierung der Regelspannungen mit gleicher Polarität in SU statt. Bei Verwendung von nicht invertierenden Operationsverstärkern kehren sich die Polarisationsverhältnisse entsprechend um.

4 Patentansprüche
9 Figuren

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Claims (4)

1. ■ - 9 - P a t en tan s ρ r ü c h e

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   [ 1.!Oszillator, der über eine einen Phasendiskriminator enthaltende Regelschleife unmittelbar oder nach Teilung seiner Frequenz auf die Frequenz einer Referenzschwingung stabilisiert ist, wobei eine Phasenregelung nach dem Abtastverfahren verwendet ist und ein Phasendiskriminator, dessen Regelspannung im nichtgerasteten Zustand die Form eines Sägezahns hat, dadurch g e k e η ,n zeichnet , daß die sägezahnförmige Ausgangsspannung des Phasendiakriminators einer Differenzierstufe zugeführt ist, deren Ausgangsspannung einem Spitzenwertintegrator oder einem Begrenzer zugeführt wird, und daß die so gewonnene, von der Richtung der Frequenzablage im nichtgerasteten Zustand des Oszillators abhängige Gleichspannung dem Regelspanmmgseingang des Oszillators zusätzlich zur Phasenregelspannung zum Zweck des Fangens zugeführt wird.
2. 2. Oszillator nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet , daß der Begrenzerpegel etwas höher gelegt ist als dem Mittelwert der Spannung entspricht, die bei der Integration aus der Anstiegsflanke des Sägezahns gewonnen wird, und daß diese Begrenzung bipolar vorgenommen wird.
3. 3. Oszillator nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet , daß der Spitzenwertintegrator derart dimensioniert und vorgespannt ist, daß lediglich die durch die Integration aus der steilen Abfallflanke des Sägezahnes gewonnenen Impulse an seinem Ausgang erscheinen.
4. 4. Oszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

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   --,ο- 23A4078

   dem Spitzenwertintegrator bzw. dem Begrenzer ein Tiefpaß und gegebenenfalls ein Verstärker nachgeschaltet ist.

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