DE2344078C3 - Oszillator, der über eine einen Phasendiskriminator enthaltende Regelschleife unmittelbar oder nach Teilung seiner Frequenz auf die Frequenz einer Referenzschwingung stabilisiert - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Oszillator, der über eine einen Phasendisknminator enthaltende Regelschleife unmittelbar oder nach Teilung seiner Frequenz auf die Frequenz einer Referenzschwingung Stabilisiert ist, wobei eine Phasenregelung nach dem Abtastverfahren und ein Phasendiskriminator, dessen Regelspannung im nichtgerasteten Zustand die Form eines Sägezahris hat, verwendet sind Und die sägezahn' förmige Ausgangsspannung des Phasendiskriminators einer Differenzierstufe zugeführt ist.

Zur Synchronisierung eines frei schwingenden Oszillators auf eine beispielsweise mittels eines Quarzes stabilisierte Referenzschwingung sind Frequenz·¹ und Phasenregeleiririchtüngen 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 Zu diesem Zweck wird bei bekannten Einrichtungen, z. B. durch Wobbelung in einem größeren Bereich die Frequenz des frei schwingenden

ίο 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 enthalten, wodurch mittels des Frequenzdiskriminators im Arbeitsbereich zunächst ein Ziehen der Frequenz auf den angenähert exakten Wert erreichi wird und dann der Phasenaiskriminaior in Tätigkeit tritt

Die obengenannten Phasendiskriminatoren arbeiten meist nach dem sogenannten Abtastverfahren, bei dem die eine der zu vergleichenden Schwingungen in eine zeitlineare Sägezahnspannung umgefc.Tnt wird, während die andere Schwingung einen Schalter steuert, der im Takte dieser Schwingung während kurzer Tastzeiten den Augenblickswert dieser Sägezahnspannung durchschaltet, der nach !ntegrierung 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 so groß, so kann durch die so entstandene Wobbeispannung auf der Nachstelleitung der freischwingende, 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.

6q also Glieder mit hoher Zeitkonstante bedingt, wird, wig oben geschildert, die entstandene Wobbeispannung besonders bei großer Freqüenzdifferenz derart herabgesetzt, daß der Oszillator den Rastwert nicht mehr erreicht. Die Oszillatorfrequenz schwankt dann um einen Mittelwert, der dem Mittelwert der Phasenbrük* kenäijsgangsspannung entspricht, jedoch mit zu kiel· nem 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 Phasendiskriminatcren anwendbar ist

Diese Aufgabe wird bei einem Oszillator der einleitend geschilderten Art gemäß der Erfindung auf zweifache Weise gelöst, und zwar dadurch

a) daß die Ausgangsspannung der Differenzierstufe einem Begrenzer zugeführt wird und daß die so gewonnene, von der Richtung der Frequenzablage im nichtgerasteten Zustand des Oszillators abhängige deichspannung dem Regelspannungseingang des Oszillators zusätzlich zur Phasenregelspannung zugeführt wird und daß der ßegrenzerpegel etwas höher gelegt ist als der Mittelwert der Spannung, die bei der Integration aus der Anstiegsflanke des Sägezahns gewonnen wird, und daß die Begrenzung bipolar vorgenommen wird; oder

b) daß die Ausgangsspannung der Differ ;nzierstufe einem Spitzenwertintegrator zugeführt 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 zugeführt wird und daß der Spitzenwertintegrator derart dimensioniert und vorgespannt ist, daß lediglich die durch die Integration aus der steilen Abfallflanke des Sägezahns gewonnenen Impulse ausgewertet werden.

Durch die DE-OS 20 55 998 ist zwar eine Einrichtung zur Frequenzregelung eines Oszillators bekannt, bei dem nach dem Vergleich zweier Schwingungen in einer Mischstufe ein Integrier- bzw. Differenzierglied folgt. Auch bei dieser Einrichtung wird ein Teil der deich spannung, die nach einem Differenzier- und/oder Intcgrierglied auftritt, zur Frequenzregelung verwendet. Weitere Beziehungen zum Erfindungsgegenstand ergeben sich jedoch aus dieser Offenlegungsschrift nicht.

Weiterhin ist durch die DE-AS 19 19 545 eine spezielle Schaltung zur Demodulation einer f-equenzmodulierten elektrischen Schwingung bekannt, bei der die sägezahnförmige Ausgangsspannung eines Phasenmessers einer Differenzierschaltung zugeführt wird. Zum Untei drücken der beim Differenzieren entstehenden Spannungsspitzen ist der Differenzierschaltung eine Unterdrückerschaltung nachgeschaltet. Die so gewonnene Gleichspannung ist von der Richtung der Ablage di;r Empfangsfrequenz von der Bezugsfreiheit abhängig.

Um in jedem Fall eine fur das Fangen des Oszillators ausreichende Nachregelspannung zu erhalten, ist es zweckmäßig, dem Spitzenwertintegrator bzw. Begrenzer einen Tiefpaß und gegebenenfalls einen Verstärker nachzuschalten.

Die Erfii.dung 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 Anwendungsfäil in seiner Frequenz durch den Teiler FTl so weit heruntergeteilt, daß er mit einer stabilen Referenzschwingung, die am Eingang B des Phasendis* kriminators PD liegt, verglichen werden kann. Auch diese Referenzschwingung vom Oszillator OS wird meist in der Frequenz durch den Frequenzteiler FTl auf den entsprechenden Wert herabgesetzt Diese Einrichtung läßt sich besonders dann, wie an sich bekannt mit Vorteil verwenden, wenn der Oszillator VCO in der Frequenz moduliert ist Die Ausgangsspannung am Anschluß Cdes Phasendiskriminators gelangt dann über einen stets vorzusehenden Tiefpaß LF auf den Eingang des frequenzbestimmenden Elements des Oszillators VCO.

Wie eingangs bereits geschildert, entsteht bei bestimmten Ausführungen von Phasendiskrirninatoren 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 /B die der am Anschluß B liegenden Referenzschwingung

V/erden diese sägezahnförmigen Spannungen einer Differenzierung unterworfen, so erscheinen die in der F i g. 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. Zweckmäßigerweise 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

Die eine Art der Auswertung ist in der Fig.4a dargestellt und es ist daraus ersichtlich, drß dam, wenn die Begrenzerpegel Bo und Bu symmetrisch zur Nullachse so eingestellt werden, daß sie kurz über dem M'itelwert der Spannung liegen, 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 F i g. 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 zusp'züch zur normalen Phasenregelspannung.

Die andere Art der Auswertung der differenzierten Ausgangsspannun^ kann durch Auswertung der Spitzenwerte, wie in Fig. 5a dargestellt, vorgenomme.i werden. Dazu wird eine entsprechend vorgespannte Spitzenwertgleichrichtung verwendet, die bipolar so vorgespannt sein muß, daß erst oberhalb der Spannungspegei So und Su eine Spannung am Ausgang erscheint. Wirddie so gewonnene Spannung integriert, so erscheint wiederum eine Aiisgangsgleichsparinung wie in F i g. 5b dargestellt.

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

Die F i g. 6 zeigt ein Schaltbeispiel für die Begrenzung nach Fig.4. Die Ausgangsspannung am Punkt Cdes

Phasendiskriminators PD gemäß F i g. 1 wird einem der Differenzierung dienenden Koppelkondensator CK dem Eingang eines Begrenzers zugeführt. Dieser Begrenzer besteht aus zwei Dioden DX, D2, die entgegengesetzt gepoit sind und mit einer mittels P einstellbaren Spannung UV, die durch C3 gesiebt wird, vorgespannt sind. Die beidseits begrenzte Spannung wird dann Ober einen Widerstand Λ3 einer verstärkenden und integrierenden Schaltung zugeführt, deren wesentliches Element ein Operationsverstärker OP ist. Die Funktion solcher Schaltungen ist an sich bekannt, und die Elemente /J4 und C4 dienen zur Vervollständigung dieser verstärkenden und integrierenden Schaltung, wobei im wesentlichen die Elemente R3, C4 als Integrationsglied wirksam sind. Die Aüsgangsspannung 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 F i g. 7 zeigt ein Schaltbeispiel für die Auswertung nach Fig.5. Bei dieser Schaltung liegt am Eingang wieder der Koppelkondensator CKzur Differenzierung des Signals. Ihm folgt eine Spitzenwertauswerteschaltung, bestehend im wesentlichen aus zwei Längsdioden £33 und £34. Zur Erzeugung des Vorspannungspegels So bzw. Su nach Fig.5a dient eine Schaltung, bestehend aus P und d sowie dem Entkopplungswiderstand RS. Der übrige Teil der Schaltung ist wie in Fig.6 ausgeführt.

Fig.8 zeigt schließlich ein Ausführungsbeispiel für die Zusammenfassung der Phasenregelspanfiung und der aus der oben geschilderten Fangschaltung gewonnenen Fangspannung. Die hier dargestellte Kombinationsschaltung ist hinsichtlich der Polarität der Regelspan- fiungen auf das Ausführungsbeispiel nach Fig.6 ausgerichtet. Die Ausgangsspannung am Punkt C des Phasendiskriminators PD ist also einerseits einer Fangschaltung FS und andererseits der Phasenregelschleife zugeführt Die Ausgangsspannung UR der Fangschaltung 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 LFdem unteren Anschlußpunkt der Diode KD 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 Fangschal-

2ö tung und der normalen Fhäserifegeischäilung efzieibar. Wie angedeutet, kann zwischen den Entkoppelgliedern am oberen Anschlußpunkt der Kapazitätsdiode KD dem Oszillator noch eine zusätzliche Modulationsspannung bei /mod zugeführt werden.

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

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

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 und ein Phasendiskriminator, dessen Regelspannung im nichtgerasteten Zustand die Form eines Sägezahns hat, verwendet sind und die sägezahnförmige Ausgangsspannung des Phasendiskriminators einer Differenzierstufe zugeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung der Differenzierstufe einem Begrenzer zugeführt 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 zugeführt wird und daß der Begrenzerpegel etwas höher gelegt ist als der Mittelwert der Spannung, die bei der integratiun aus der Anstiegsflanke des Sägezahns gewonnen wird, und daß die Begrenzung bipolar vorgenommen wird (F i g. 4a, b).

2. Oszillator, der über eine einen Phasendisknminator enthaltende Regelschle^:fe unmittelbar oder nach Teilung seiner Frequenz auf die Frequenz einer Referenzschwingung stabilisiert ist, wobei eine Phasenregelung nach dem Abtastverfahren und ein Phasendiskriminator, dessen Regelspannung im nichtgeraste "n Zustand die Form eines Sägezahns hat, verwendet sind und die "gezahnförmige Ausgangsspannung des Phasendiskriminaiors einer Differenzierstufe zugeführt ist dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung Jer Differenzierstufe einem Spitzenv/ertintegrator zugeführt 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 zugeführt wird und daß der Spitzenwertintegrator derart dimensioniert un^. vorgespannt ist, daß lediglich die durch die Integration aus der steilen Abfallflanke des Sägezahns gewonnenen Impulse ausgewertet werden (F i g. 5a. b).

3. Oszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Spitzenwertintegrator bzw. dem Begrenzer ein Tiefpaß und gegebenenfalls ein Verstärker nachgeschaltet sind.