DE2344278C2

DE2344278C2 - Oszillator mit Phasenregelschleife

Info

Publication number: DE2344278C2
Application number: DE19732344278
Authority: DE
Inventors: Peter Ing.(grad.) 8031 Stockdorf Baier
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-09-03
Filing date: 1973-09-03
Publication date: 1985-02-14
Also published as: DE2344278A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Oszillator gemäß dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs.

Zur Stabilisierung von Oszillatoren auf eine feste Vergleichsfrequenz werden häufig Phasenregeleinrichtungen verwendet. Meist wird hierzu die Oszillatorfrequenz durch Teilung oder Mischung auf eine niedrigere Frequenz umgesetzt, und in diesem Frequenzgebiet mit einer quarzstabilen Schwingung verglichen. Der Vergleich geschieht in Phasendiskriminatoren, die nach den verschiedensten Richtlinien aufgebaut sein können. Besonders im Gebiet der höheren Frequenzen werden jedoch häufig Phasendiskriminatoren verwendet, deren Arbeitsbereich um den ^rbeitspunkt maximal ±90° beträgt, wie beispielsweise bei Ringmodulatoren oder Mischern. Der Ausgang des Phasendiskriminators muß dabei eine Gleichspannung liefern, die möglichst unmittelbar zur Nachregelung des frequenzbestimmenden Elements des Oszillators, z. B. einer Kapazitätsdiode, dienen kann. Einerseits möchte man bei solchen Phasenregelschleifen im gerasteten Zustand eine möglichst enge Anbindung an die stabile Frequenz, d. h. einen geringen Phasennach- oder -vorlauf haben und andererseits ein Kriterium, das das Verlassen dieses Arbeitsbereiches möglichst exakt angibt um ggf. dann eine Fangeinrichtung in Betrieb zu setzen.

Durch die US-PS 35 88 734 ist eine Phasenregelschleife der eingangs genannten Art bekannt bei der die Ausgangsspannung des zweiten Phasendiskriminators über eine die Grenze des linearen Bereiches der Nachregelspannung festlegende Schwellenschaltung dem Steuereingang eines Schalters zugeführt ist der eine die Nachregelspannung beeinflussende Spannungsquelie dann an den zweiten Eingang des Summierers anschaltet wenn die Ausgangsspannung des zweiten Phasendiskriminator den Schwellenwert der Schwellenschaltung unterschreitet Die Schwellenschaltung und die Spannungsquelle sind jeweils Schmitt-Trigger, wobei der die Spannungsquelle darstellende zweite Schmitt-Trigger von der am Ausgang des ersten Phasendiskriminators anstehenden Nachregelspannung angesteuert wird. Durch das Zuschalten der Ausgangsspannung des zweiten Schmitt-Triggers ab einer Phasenabweichung von ±45° wird auf diese Weise die Nachregelspannung betragsmäßig sprunghaft angehoben. Hierdurch wird ein schnelles Synchronisieren der Phasenregelschleife herbeigeführt.

Weiterhin ist eine solche mit zwei Phasendiskriminatoren arbeitende Phasenregelschleife durch die DE-OS 20 21 887 bekannt, bei der jedoch der Fangbereich nicht durch Schwellenschaltungen eindeutig festgelegt ist. Um hier zu eindeutigen Verhältnissen zu gelangen, sind im Signaleingang für das Referenzsignal und im Ausgangskreis des in seiner Phase regelbaren Oszillators Polaritätsumschalter vorgesehen, die in Abhängigkeit der Polarität der Ausgangsspannung eines an den Ausgang des zweiten Phasendiskriminators angeschalteten Spannungsvergleichers betätigt werden.

Der Erfindung liegt ausgehend von einem schnell und sicher synchronisierbaren Oszillators der erwähnten Art die Aufgabe zugrunde, eine weitere Lösung anzugeben, die einen sehr großen Durchstimmbereich ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß hinter dem Oszillatorausgang in der Phasenregelschleife ein die Oszillatorfrequenz herabsetzender Frequenzumsetzer sowie ein im Ausgang des zweiten Phasendiskriminators angeordneter Umschalter vorgesehen sind, daß ferner über den Umschalter durch Polaritätsumkehr eine Steuerung des Schalters in dem Sinne möglich ist, daß die Synchronisierung entweder auf der richtigen oder auf der Spiegelfrequenz erfolgt und daß zur jeweils sicheren Frequenzrastung ein weiterer Schalter vorgesehen ist, der im umgekehrten Sinne wie der erste Schalter gesteuert wird und der bei zufälliger Synchronisierung auf der unerwünschten Frequenz die Phasenregelschleife kurzzeitig öffnet.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei Verwendung einer Frequenzumsetzung in der Phasenregelschleife der Oszillator wahlweise bei der eingestellten Frequenz und deren Spiegelfrequenz dann sicher gerastet werden kann, wenn im Ausgang des zweiten Phasendiskriminators mittels eines Umschalters eine Polaritätsumkehr der Ausgangsgröße ermöglicht wird

und außerdem durch einen weiteren Schalter, der im umgekehrten Sinne wie der erste Schalter gesteuert wird, dafür gesorgt wird, daß bei zufälliger Synchronisation auf der unerwünschten Frequenz die Phasenregelschleife kurzzeitig geöffnet wird. Auf diese Weise wird der an sich mögliche Durchstimmbereich um den Faktor 2 in außerordentlich vorteilhafter Weise vergrößert.

Ein großer Durchstimmbereich des Oszillators bedeutet nänüch einen entsprechend großen Fangbereich, über den hinweg die Oszillatorfrequenz verändert werden können muß, um das Rasten auf eine gewünschte Frequenz in jedem Falle herbeiführen zu können. Dies geschieht mittels eines Fangoszillators in Form eines Wobbiers, der auch Nebenwellen aufweist und die eine unerwünschte Frequenzrastung herbeiführen können. Durch den weiteren Schalter ist dies jedoch mit Sicherheit unterbunden. Solche Wobbeieinrichtungen sind für durchstimmbare von einer Regelschleife Gebrauch machende Oszillatoren beispielsweise durch die DE-OS 19 05 943 bekannt.

Die Ausgangsspannung des zweiten Phasendiskriminators wird zweckmäßig einer Triggerschaltung zugeführt, die nur in einer Polarität ab einer bestimmten Schwelle anspricht.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert.

In der F i g. 1 ist eine Phasenregeleinrichtung im Prinzip dargestellt. Dabei soll ein freischwingender Oszillator G 1, der z. B. als sogenannter VCO ausgebildet ist, auf die Frequenz einer stabilen Referenzschwingung vom Oszillator G 2 stabilisiert werden. Dazu werden die beiden Schwingungen im Phasendiskriminator PDl miteinander verglichen und die Ausgangsspannung des Phasendiskriminators wird über ein sogenanntes Schleifenfilter Lf als Frequenzregelspannung dem frequenzbestimmenden Element, z. B. einer Kapazitätsdiode des Oszillators G1, zugeführt. Hat der Oszillator G 1 gefangen, so bleibt, wie bekannt, seine Frequenz phasenstarr auf die Frequenz des Oszillators G 2 synchronisiert.

Besonders im Gebiet höherer, miteinander zu vergleichender Frequenzen, werden Phasendiskriminatoren bevorzugt, die nach Art eines Ringmodulators oder Mischers arbeiten und an ihrem Ausgang eine Gleichspannung für die erwähnten Regelzwecke abzugeben vermögen. Die Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Phasenablage in der Nähe des Arbeitspunktes AP von solchen Pnasendiskriminatoren haben die Form, wie sie in der F i g. 2 für den Phasendiskriminator PD 1 aufgezeichnet ist. Normalerweise erstreckt sich der Arbeitsbereich eines solchen Phasendiskriminators zwischen den Punkten P\ und P 2, also um ±90° symmetrisch zum Nullpunkt AP. Im Grenzbereich dieses normalen Arbeitsbereiches, also in der Nähe der Punkte P1 und P2, wird jedoch das Halten der Phasenregelschleife schon kritisch, und irgendwelche Störungen können die Synchronisierung leicht unterbrechen. Man ist daher bestrebt; diese Bereiche möglichst zu meiden.

Hierzu wird ein zweiter Phasendiskriminator PD 2 (Fig. 1) dem ersten Phasendiskriminator parallel geschaltet und diesem zweiten eine der zu vergleichenden Schwingungen über einen Phasenschieber PS, der die Phase um 90° dreht, zugeführt. Die Ausgangsspannung dieses zweiten Phasendiskriminators ist in der F i g. 1 mit RK bezeichnet, und ihr Verlauf ist in der F i g. 2 mit der gleichen Bezeichnung versehen dargestellt. Es ist ersichtlich, daß dann, wenn der richtige Arbeitspunkt AP erreicht ist. die Ausgangsspannung des einen Phasendiskriminators PD1 ein absolutes Minimum durchläuft, die des zweiten jedoch ein absolutes Maximum. Man kann also aus der Ausgangsspannung des zweiten Phasendiskriminators ein Kriterium dafür entnehmen, daß die Phasenregelschleife sich im richtigen Arbeitspunkt befindet. Aus der Größe dieser Spannung kann. man außerdem ein Kriterium dafür gewinnen, wie weit sich die Schleife vom Arbeitspunkt AP entfernt hat. Hierzu ist es lediglich nötig, die Ausgangsspannung des

ίο zweiten Phasendiskriminators einer Schwellenschaltung zuzuführen, die beispielsweise nur dann das Rastkriterium abgibt, wenn die Schwelle 5 überschritten wird. Auf diese Weise läßt sich der Arbeitsbereich der Schleife auf den durch die gestrichelten Linien angedeuteten Bereich AS beschränken. Die Schwellenschaltung kann einerseits eine entsprechende Anzeige steuern, und/oder eine Einrichtung, die dann, wenn die Schwellenspannung unterschritten wird, eine an sich bekannte Wobbeieinrichtung anschaltet, die dafür sorgt, daß der Fangvorgang durch Grobwobbelung der Frequenz des Oszillators G 1 eingeleitet wird.

Dies wird später anhand der F i g. 3 näher erläutert. An sich könnte der Phasendiskriminator PDl auch im Gebiet um + oder —180° vom eingezeichneten Nullpunkt arbeiten. Dies ist jedoch ausgeschlossen, da dort die Spannungen für die Nachregelung beidseits dieser Punkte umgekehrt verlaufen wie im NormalfaH, d. h. in diesen beiden Arbeitspunkten würde der Oszillator von selbst statt auf die Rasterung hin davon weggezogen. Dieser Fall hat jedoch dann Bedeutung, wenn eine Einrichtung vorgesehen ist, die nicht gemäß der nach F i g. 2 arbeitet, sondern bei der der Phasendiskriminator PD1 den Vergleich auf einer Zwischenfrequenz durchführt. Dies ist häufig bei den modernen Synthesizeraufbauten von Sendern oder Empfängern der Fall, da gerade bei diesen der Hauptoszillator G 1 sowohl in einem sehr weiten Frequenzgebiet, beispielsweise zwischen 200 und 1600MHz, arbeiten soll, als auch in relativ feinen Frequenzstreifen einstellbar sein soll. Die Fig. 3 zeigt in ihrem unteren Teil hierfür ein Ausführungsbeispiel. In diesem wird die Frequenz des Oszillators G 1 in einer Mischstufe Ml mit der Frequenz des Oszillators G 3 auf eine niedrigere Frequenz /ZFgebracht und in dieser Ebene erst mit der weiteren Konstantfrequenz vom Oszillator G 2 im Diskriminator PD 1 verglichen. Zwischen der Mischstufe M1 und dem Diskriminator PD1 liegt noch ein Zwischenfrequenzfilter F/und ein nachfolgender Verstärker Ver. Die Schleife schließt sich dann über einen Summierer SU, dessen Funktion später erklärt wird und dem bekannten Schleifenfilter LF. In diesen Fällen ist es nämlich möglich, daß bei entsprechenden Frequenzverhältnissen der freischwingende Oszillator G 1 sich auch a'if der Spiegelfrequenz fangen kann, da dort wegen des umgekehrten Spannungsverlaufes abhängig von der Frequenz, der Arbeitspunkt bei z.B. +180° in der Fig.2 zu liegen kommt. An dieser Stelle hat jedoch das Rastkriterium RK die umgekehrte Polarität wie im obenerwähnten ersten Fall, so daß hier dieses Kriterium zur Erkennung, ob richtige oder Spiegelfrequenz-Rasterung vorliegt, herangezogen werden kann. Wird besonders bei großen Arbeitsfrcquenzbereichen des Oszillators G 1 eine Rasterung auf der Spiegelfrequenz gewünscht, so läßt sich diiich einen Schalter, der die Polarität des Rastkrilc-

b5 riunis RK auswählt, bzw. umpolt, festlegen, ob der Oszillator G 1 auf der richtigen oder der Spiegclfrequenz rasten soll. In diesem Fall arbeitet dann die Phasenregelschleife im Arbeitsbereich ,4 5'(F i g. 2).

In jedem der erwähnten Fälle ist es jedoch vorteilhaft, die Schwellenschaltung mit der Schwelle S bzw. 5' vorzusehen, da dann durch Auswertung des Rasikritcriums nach seiner Größe solche Fälle ausgeschaltet werden können, bei denen der Oszillator G I auf Nebenwellen relativ kleiner Amplitude anspricht, insbesondere dann, wenn durch eine große Verstärkung in der Phasenregelschleife ein Fangen auf solchen Nebenwellen möglich wird. Nebenwellen dieser Art können beispielsweise beim Fangen mittels einer Wobbeleinrichtung auftreten, da der Wobbelgenerator beim Überstreichen des großen Frequenzbereiches mit den Frequenzen der übrigen Generatoren Mischfrequenzen erzeugen kann. Normalerweise wird nämlich das Fangen einer solchen Phasenregelung mittels eines solchen Wobbcloszillators r> WG vorgenommen, der mit relativ kleiner Frequenz den Hauptoszillator G I über seinen ganzen Abstimmbcreich periodisch ziehen kann. In der Fig.3 ist dieser Oszillator WG über den Schalter 5 1 an die erwähnte Summiereinrichtung SU für die Regelspannung und die Fangspannung gelegt. Der Schalter 5 I ist natürlich im Normalfall offen und nur dann geschlossen, wenn die Schleife, beispielsweise beim Einschalten der Einrichtung oder beim Außertrittfallen nicht gerastet ist. Der Schalter 5 1 ist mit dem Schalter 52 verbunden, der im nichtgerasteten Zustand eine Anzeige FA bringt. Der obere Teil der Fig.3 zeigt ein prinzipielles Ausführungsbeispiel für die Auswertung des Rastkriteriunis. Dabei werden dem zweiten Phasendiskriminator PD 2, hier in Form eines Ringmodulators, die beiden zu ver- jo gleichenden Signale zugeführt, eines unmittelbar, das andere über den Phasenschieber PS. Die Ausgangsspannung dieses Phasendiskriminators wird über den Schalter SBU. der für die Seitenbandauswahl. d. h ob richtige oder Spiegelfrequenzrasterung erfolgen soll, den An- js Schlüssen α oder b einer nachfolgenden Schwellenschaltung zugeführt. Mittels der Potentiometer Pot I oder Pot 2 lassen sich die Schwellen einstellen, und zwar soll die eine Schwelle, die sich mittels Pot I einstellen läßt, dazu dienen, über einen Transistor Π ein Relais R 1 zu betätigen, wodurch die Schalter 51 und 52 dann ausgelöst werden sollen, wenn sich die Schleife außerhalb des vorgesehenen Rastbereiches befindet, z. B. unterhalb der Schwelle 5 in F i g. 2. Da bei der Spiegelfrequenz die umgekehrte Polarität erscheint, kann man mittels der über Pot 2 führenden Spannung und den Transistor Γ2 das Relais R 2 betätigen, das den Schalter 53 auslöst. Diese Maßnahme soll verhindern, daß unter allen Umständen eine Rastung auf der Spiegelfrequenz stattfindet, was in einem gewissen Übergangsbereich trotz der Schalter 5 t und 52 auftreten kann. Wird diese zweite Schwelle, z. B. 5'^ nämiich überschritten, wird der Schalter 53 betätigt und hebt den Schleifenschluß der Regelung kurzzeitig auf, wodurch eine Rastung auf der falschen Frequenz vermieden wird. Durch den Schalter SBU kann die gewünschte Rastfrequenz, d. h. Summenoder Differenzfrequenz der Mischung, festgelegt werden.

Die Kapazität Cdient dazu, die Wechselspannung, die im nichtgerasteten Zustand auftritt, zu glätten. Die ω durch diese einen Tiefpaß bildende Kapazität festgelegte Verzögerung für das zeitliche Ansprechen der Schwellenschaltungen darf jedoch nicht so groß werden, daß die rechtzeitige Betätigung der Schalter 51 bis 53 verhindert wird, d. h. beispielsweise eine Rastung praktisch nicht mehr stattfinden kann. Dieser Tiefpaß muß an die Bandbreite und damit an den natürlichen Fangbereich der Phasenregelschleife angepaßt werden.

und ferner muß die Wobbeifrequenz, wie an sich bekannt, auf all diese Faktoren abgestimmt werden.

Selbstverständlich können die durch die Relais R 1. R 2 und die npn- bzw. pnp-Transistorcn T\ und 7"2 nur als Prinzipbeispiel gezeigten Schalteinrichtungen durch entsprechende elektronische Einrichtungen, insbesondere in integrierter Technik, ersetzt werden.

Die gestrichelt in der Fig. 2 eingezeichnete Kurve Ki soll lediglich zeigen, wie die Verhältnisse dann liegen, wenn einer der Phasendiskriminatoren. z. B. der Phasendiskriminator PD 2. umgepolt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Oszillator, der mittels eines steuerbaren frequenzbestimmer.den Elements, insbesondere einer Kapazitätsdiode, Ober eine Phasenregelschleife auf eine stabile Vergleichsfrequenz (Referenzschwingung) synchronisiert ist, mit Hilfe zweier gleichartiger Phasendiskriminatoren in der Regelschleife, die im Bereich um ±90° arbeiten und einen Gleichstromausgang haben, wie Ringmodulatoren, von denen dem ersten die zu vergleichenden Signale unmittelbar und dem zweiten das eine Signal unmittelbar und das andere über einen 90°-Phasenschieber zugeführt wird, bei dem ferner der Ausgang des ersten Phasendiskriminators mit dem ersten Eingang eines Summierers verbunden ist, dessen Ausgang die Nachregelspannung für den Oszillator entnommen ist, und bei dem die Ausgangsspannung des zweiten Phasendiskriminators über eine die Grenzen des linearen Bereiches der Nachregelspannung festlegende Schwellenschaltung dem Steuereingang eines Schalters zugeführt ist, der eine die Nachregelspannung beeinflussende Spannungsquelle dann an den zweiten Eingang des Summierers anschaltet wenn die Ausgangsspannung des zweiten Phasendiskriminators den Schwellenwert der Schwellcnschaltung unterschreitet dadurch gekennzeichnet, daß hinter dem Oszillatorausgang in der Phasenregelschleife ein die Oszillatorfrequenz herabsetzender Frequenzumsetzer sowie ein im Ausgang des zweiten Phasendiskriminators (PD 2) angeordneter Umschalter (SBU) vorgesehen sind, daß ferner über den Umschalter durch Polariiätsumkehr eine Steuerung des Schalters (Si)\n dem Sinne möglich ist, daß die Synchronisierung entweder auf der richtigen oder auf der Spiegelfrequenz erfolgt und daß zur jeweils sicheren Frequenzrastung ein weiterer Schalter (S 3) vorgesehen ist, der im umgekehrten Sinne wie der erste Schalter (S 1) gesteuert wird und der bei zufälliger Synchronisierung auf der unerwünschten Frequenz die Phasenregelschleife kurzzeitigöffnet.

2. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung des zweiten Phasendiskriminators zur Steuerung eines Schalters über eine Trigger-Schaltung zugeführt ist, die nur in einer Polarität ab einer bestimmten Schwelle anspricht.