DE2357358A1

DE2357358A1 - Oszillator und verfahren zu dessen betrieb

Info

Publication number: DE2357358A1
Application number: DE2357358A
Authority: DE
Inventors: John Henry Beesley; Hans Ulrich Friedrich; Alfred Moser
Original assignee: Standard Telephon and Radio AG
Current assignee: Nokia Solutions and Networks Schweiz AG
Priority date: 1972-11-17
Filing date: 1973-11-16
Publication date: 1974-06-06
Also published as: AU6249373A; IL43646A0; IT999347B; ES420459A1; FR2207389B3; JPS5052957A; LU68823A1; BE807472A; GB1415105A; IL43646A; FR2207389A1; NL7315715A; CH548135A

Description

Patentanwalt
Dipl.-Phys. Leo Thul

S tut t g a r t

PCM 17

J.H.Beesley-H.U.Friedrich-A.Moser 22-3-18

STANDARD TELEPHON UND RADIO AG, Z.ürich

Oszillator und Verfahren zu dessen Betrieb

Die vorliegende Erfindung betrifft einen durch ein Bezugssignal in der Phase führbaren Oszillator und ein Verfahren zu dessen Betrieb.

Es sind verschiedene Verfahren und Schaltungen bekannt, um Oszillatoren, z.B., Lokaloszillatoren in einer grösseren Anlage, durch ein Bezugssignal in der Phase zu führen. Meistens handelt es sich dabei um starre Führungen, bei welchen der lokale Oszillator in der Phase starr mit der Phase des Bezugssignales verriegelt ist. Solche Verriegelungsschaltungen sind auch bereits als integrierte Schaltungen käuflich erhältlich.

14.11.1973
Ti/Mr

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- 2 - · PCM 17

: Phasenstarre Verriegelungen haben jedoch den Nachteil, dass die Phase des Ausgangssignales des Lokaloszillators allen Aenderungen der Phase des 'Bezugssignales folgt, also insbesondere auch den mit Phasenzittern bezeichneten statistischen Phasen-' Schwankungen mit kleinem Phasenhub. Ein weiterer Nachteil von phasenstarren Schaltungen besteht darin, dass die Frequenz des Lokaloszillators bei einem· Ausfall des Bezugssignales sprunghaft ändern kann, wenn der lokale Oszillator vor dem Bezugssignalausfall am Rande des Fangbereiches gearbeitet hat.

Es ist daher ein Zweck der vorliegenden Erfindung, einen durch ein Bezugssignal in der Phase führbaren Oszillator und ein Verfahren zu dessen Betrieb anzugeben, der. bezw. das die erwähnten Nachteile vermeidet und den Oszillator beispielsweise verwendbar macht als lokalen Taktoszillator in einer PCM-Fernmeldevermittlungs· anlage, bei welcher wegen der aus anderen Gründen notwendigen Verwendung von Speichern mit Vorteil auf eine starre Kopplung zwischen Bezugssignalphase und der Phase des lokalen Taktsignales verzichtet wird, wobei der lokale Oszillator bei Ausfall des Bezugssignales ohne anfängliche sprunghafte Frequenzänderung weiter laufen soll, · so dass ein asynchroner Betrieb der Vermittlungsanlage ohne grossen Informationsverlust möglich ist. " . ■

Der erfindungsgemässe Oszillator zeichnet sich aus durch einen Umlaufkreis mit der Serieschaltung eines Quarzelementes und mindestens eines Verstärkers, durch ein Phasennetzwerk, das am Umlaufkreis gegen ein Bezugspotential angeschlossen ist, und durch

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'^: - "'■' - 3 - .' ■ PCM 17 ■

Mittel, um die Oszillatorfrequenz mit Hilfe des Phasennetzwerkes > derart zu beeinflussen,, dass die Phasendifferenz zwischen dem Oszillatorsignal und.dem ,Bezugssignal einen bestimmten Betrag nicht übersteigt.- . . ' . \

Das erfindungsgemässe.Verfahren zeichnet sich dadurch-" aus, dass der-Oscillator innerhalb von mit.dem'Bezugssignal gekoppelten .Phasenführungsgrenzen frei läuft, dass die Frequenz, des Oszillators- in diskreten Schritten eingestellt"wird, dass bei Erreichen einer einer Phäsenführungsgrenze en1/p(s)rechenden Phasenverschiebung:, des Oszillatorsignales-gegenüber dem Bezugssignal die Oszillatorfrequenz, derart verstellt wird, dass sich die Richtung der genannten Phasenverschiebung umkehrt, dass bei Erreichen" einer der andern Phasenführungsgrenze entsprechenden Phasenverschiebung des Oszillatorsignales gegenüber dem Bezugssignal die Oszillatorfr equenz..derart verstellt wird, dass sich die Richtung der genannten Phasenverschiebung wieder umkehrt, das Ganze derart, dass sich die. "Phase des Oszillatorsignales zwischen den beiden Phasenfuhrungsgrenzen hin .und· her bewegt. ..'..".""

-Ei-η-, Ausführungsbeispiel der Erfindung wird 'nun anhand, der Zeichnung häher erläutert. In der Zeichnung zeigt: Die Fig. 1 ein Blockschema des Oszillators}' ■-' .

*P.ie .Fig. 2. ein Prinzipschema des Phasennetzwerkes von

Die Fig.7,3 Phasenkurven des PhasennetZWerkes nach Fig. ?: Die Fig. 4 ein Flussdiagramm der Arbeitsweise der .Phasenführungsschal tung; . ' -. - · '/■.■■■■ -.'.■■■

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- if - · PCM 17 .

Die Fig. 5 ein Impulsdiagramm, das im Zusammenhang mit Fig. h verwendet wird; und '

Die Fig. 6 eine schematische Darstellung des Verlaufes eines Teils des Konvergenzvorganges der Phasenführung beim Einschalten des Oszillators.

Beim vorliegenden Verfahren zur Phasenführung, eines Oszillators muss die Oszillatorfrequenz in kleinen Schritten ver-■ stellt werden können. Es soll nun daher zuerst anhand der Fig.· ■ 1-3 die Art und Weise der Frequenzverstellung etwas näher betrachtet werden. . · ;

Aus dem Blockschema von Fig. 1 ist ersichtlicht, .dass ein Quarzelement 1 seriell in einem Umlaufkreis liegt, der die beiden Verstärker 2 und 3 enthält. Ein Phasennetzwerk 4· ist parallel gegen Erde an diesen Umlaufkreis angeschlossen. Ueblicherweise trachtet man bei^Quarzoszillatoren, bei welchen das Quarzelement in Serieresonanz betrieben wird, danach, im Umlaufkreis eine möglichst kleine Phasendrehung zu haben, da--^:diese Phasendrehung eine Frequenzserschiebung bewirkt. Im vorliegenden Fall wird diese üblicherweise störende Wirkung, bewusst dazu ausgenützt, die' · Oszillatorfrequenz für die Phasenführung um kleine Beträge zu verändern. . ■ ' ■ ' '

Das Phasennetzwerk nach Fig. 2, das dem Phasennetzwerk,4 von Fig. 1 entspricht, enthält die Parallelschaltung eines Widerstandes R, einer Induktivität L und einer Kapazität C, welcher sechs weitere Kapazitäten ^...Cg durch Schalter, S-...S- parallel-

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PCM 17

geschaltet werden können. Werden die Werte der Kapazitäten C-,... C- so abgestuft, dass sich nebeneinanderliegende Kapazitäten um den Faktor 2 unterscheiden, so lassen sich durch die Schalter S,...S_c

■ Xo

total 2ⁿ-l verschiedene Kapazi.tätswerte zur festen Kapazität C parallelschalten, so dass sich 64 verschiedene Gesamtkapazitätswerte für das Phasennetzwerk und damf 64 mögliche Oszillatorfrequenzen ergeben.

Aus dem bisher Gesagten ist zu entnehmen, dass die erforderliche Frequenzänderung durch Aenderung des Phasenwinkels im Phasennetzwerk erzielt wird. Der Zusammenhang zwischen Phasenwinkeländerung und Frequenzänderung soll, nun näher betrachtet werden. Es sei angenommen, dass die für die Phasenführung wünschbare totale Frequenzänderung .AF = l.lCh Fo betrage, so dass bei F. = 8,192 MHz die Frequenzänderung δF = +,'41 Hz'ist. Die Grundgleichung .für die Frequenzänderung lautet: ·, ; ;. ·.-,·-."

. ^Qc V> V^xn . ^:' . ■' ^u

Dabei ists Q_c = Gütefaktor Quarzelement .'·'..- : Q_n = Gütefaktor Phasennetzwerk ■·.

x_c = Verstimmungsfaktor Quarzelement .. ' '. · -. .

Xj\ = Verstimmungsfaktor Phasennetzwerk ·· Weiter ist: .- '; · : . _'!,; . ·;■ . · ."

■ *_G · ψ- - ± ίο"⁵. .' ^^^V..^.^\^:'.-V.f'^: ■■.«■■■■·■■ Aus.Gleichung 1) 'und 2) folgt: ' :■ ' .'.-·■. ·.''■·. \. '

^xc ■ cT^ ^s i¹⁰ · · ■' - '■■ ·' · -·■■■ ³> -

■'. ■' · "·' "4098-23/077? -' "v-" "·.·■..' '

- 6 - .PCM 17 '

Weiter ist:

Wenn nun der Gütefaktor des Quarzelementes mit'Q_c = 50¹OOO ange- · nommen wird, ergibt sich aus Gleichung 3) und 4)

tg/10 = i 0,509 ' . '. ₅₎

M = i 27O

Durch Einsetzen von Gleichung 5) in Gleichung 1) erhält man für' Q_M = 10. Die notwendige Kapazitätsänderung AC lässt sich errechnen mit Δ C_max = + 10 pF.

Aus den obigen Gleichungen kann entnommen werden, dass bei gegebenen Gütefaktoren Q_c und Q_n durch Aenderung des'Verstimmungsfaktors x_N des Phas'ennetzwerkes der Verstimmungsfaktor des Quarzelementes x_p und damit die Oszillatorfrequenz F .geändert werden kann. Anderseits kann durch eine Aenderung von Q_c die maximal erreichbare Frequenzänderung ΔF in einem gewissen Bereich verändert werden. · . ' .

Fig. 3 zeigt nun die Phasenkurven des Netzwerkes. Bei der durch den Koordinatenursprung verlaufenden Kurve ist zur festen Kapazität C im Phasennetzwerk soviel Kapazität zugeschaltet, dass das Netzwerk rein ohmisch ist, während die obere Kurve, die maximale induktive Verstimmung (keine Kapazitäten parallel zu C) und die untere Kurve die maximale kapazitive Verstimmung (C., - Cu parallel zu C) angeben. Der Bereich zwischen den Punkten F_m^_n und F_max auf der horizontalen F-Achse gibt den Resonanzfrequenzbereich des Phasennetzwerkes an, während auf der vertikalen 0 -Achse die Punkte +270 und -27<> die den maximalen Verstimmungen entsprechenden Phasenauslenkungen Δ0 angeben. ' . ··.·.·. ' ^: ■ "·

409823/0777 ;'.\'·

- 7 - ' -. . / PCM 17 ■

Aus den Phasenkurven kann entnommen werden, dass einer Vergrösserung von Λ0 _ relativ enge Grenzen .gesetzt sind durch die Grosse des quasilinearen Bereiches der Phasenkurven. Ausserhalb dieses Bereiches treten Schwierigkeiten bei der praktischen Realisation der ganzen Schaltung auf. . ■

Da wie bereits erwähnt mit den sechs, zuschaltbaren Kapazitäten C,. ».· .Cg 64 Kapazitätsstufen möglich sind,' ergeben sich auch 64 Phasenwinkelstufen, d.h. der totale Phasenwinkel von 54° ist in' 6 3 Bereiche aufgeteilt,, so dass sieh pro Bereich ein Phasenwinkel . " von 0,857° ergibt.

In Fig. 2 ist jeder der Schalter S^,..Sg, die in Wirklichkeit elektronische Schalter sind, mit einer Betätigungsleitung L-V ••■•Lg versehen. Es sei nun angenommen,; ein Schalter sei geschlossen,- d.h. die entsprechende Kapazität zur Kapazität C parallelgeschaltet, wenn an seiner Betätigungsleitung eine logische Ml" ansteht, und"offen, wenn eine'logische "0" ansteht^ d.h. die Stellung dieser Schalter entspricht der logischen Bedeutung eines 6 Bit-Codewortes, das parallel an diesen Betätigurigsleitungen ansteht.

Dieses 6 Bit-Codewört wird von einer nicht näher erläuterten Steuerlogik geliefert, welche die im Flussdiagramm der noch zu erklärenden Fig. 4 angegebenen Operationen .durchführen kann. Am Ausgang dieser Steuerlogik sind zwei mit Z bzw. Z, bezeichnete . Zähler vorhanden, welche je vorwärts und rückwärts zählen können. Durch die Steuerlogik wird jeweils der Zählstand eines .dieser. Zäh- " ler parallel an. die Betätigungsleitungen Ll._e.L6 angelegt. Da sich

■'."'· 409823/0777: ,

- 8 - . PCH 17 _Λ__Λ

die Vierte nebeneinanderliegender Kondensatoren,-wie bereits erwähnt, um den Faktor zpi unterscheiden, ist der Gesamtwert der zur Kapazität C'parallelgeschalteten Kapazität(en) proportional zum jeweiligen Zählerstand und die aus einer Zählerstandsänderung resultierende Oszilla'torfrequenzänderung proportional zur Zähler- ■ Standsänderung.

Das Flussdiagramm von Fig. ^ gibt einen Algorithmus für die Arbeitsweise der Steuerlogik, d.h. der Phasenführungsschaltung. An die Steuerlogik ist ein externes Bezugssignal mit einer üblicherweise hochkonstanten Frequenz f„ angelegt., mit welchem die in Fig. 5 sichtbaren Impulse T_£ synchron sind. Weiter ist das Oszillatorsignal mit der Frequenz f. an die Steuerlogik angelegt, mit welchem die in Fig. 5 sichtbaren impulse a, b, c und. d synchron sind.

Die Rhomben im Flussdiagramm bedeuten Fragen, die mit ja oder nein zu beantworten sind. Rechtecke bedeuten Befehle, die auszuführen sind. Im obersten Rechteck bedeutet "0—i-S", dass ein bistabiles Element auf "O¹¹ zu stellen ist, wobei im vorliegenden · Fall S=O bedeutet, dass Zähler Z_Q eingeschaltet ist, d.h. auf das Phasennetzwerk einwirkt, während S=I bedeutet, dass Zähler Z, aktiv geschaltet ist. Ferner bedeutet im obersten' Rechteck "Z -1·—<Z_o", dass der Zähler Z um eine Einheit rückwärts zählen soll. Im obersten Rhombus bedeutet "aT_E=l", dass der mit f^ synchrone Impuls a mit dem mit f_£ synchronen Impuls T„ koinzidiert, wobei bei' diesen Koinzidenzen nur die Impulsflanken der Impulse a-d massgebend sind, da eine Operation startet, sobald ein mit f^ synchroner Impuls

^: '■■·.■·■ 4098^3/07*7?· ' Y

. . · - s - 'pcm 17 ' :

partiell zur Deckung kommt mit einem Ίν,-Impuls o ei .. -komm^fe---l--eder eine Deckung verlässt.

In Zusammenhang mit Fig. 6 .soll nun das Phasenführungsverfahren, wie es das Flussidagramm von Fig. 4 darstellt, näher erläutert werden. Fig. 6 zeigt einen Teil des■Konvergenzvorganges de*" Phasenführung ν wie er sich einstellt, wenn der Oszillator eingeschaltet wird. Die Steuerlogik ist mit einer automatischen Rückstellung der beiden Zähler Z und Z, versehen, welche beim Ein-, schalten des Oszillators den Zähler Z auf den Zählstand 111111 und den. Zähler Z₁ auf den Zählstand 000000 stellt. Diese Rückstellung beschleunigt den Konvergenzvorgang und erleichtert die Erklärung der Arbeitsweise der .Steuerlogik wesentlich, die Schaltung arbeitet jedoch auch dann einwandfrei, wenn die beiden Zähler beim Einschalten des Oszillators beliebige Zählerstände aufweisen.

,In Fig. 6 stellen die Pfeilspitzen der nach oben gerichteten Pfeile den Zählerstand des Zählers Z dar, während jene

. ο ■ .

der nach unten gerichteten Pfeile den Zählerstand des Zählers Z, darstellen, wobei die Zählstandswerte längs' der vertikalen Achse markiert sind. Ausgezogene Pfeile bedeuten-, dass der betreffende Zähler an das. Phasennetzwerk angeschaltet ist, gestrichelte Pfeile ■· bedeuten den nichtaktiven Zustand des betreffenden Zählers. Die stark ausgezogene horizontale Linie stellt die Bezugsfrequenz f_£ dar. Auf dieser Linie ist auch angegeben,, welcher, der Impulse a-d als nächster Impuls mit einem-T_E-Impuls in'Koinzidenz kommen wird. Es ist zu bemerken, dass die horizontale Zeitachse nicht masss'täblich ist. Die einzelnen Intervalle können zeitliche Dauern von . ■■■■■"."".■ 409823/0777

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einigen ,us bis zu einigen min haben. . '.

Die Darstellung des Konvergenzvorganges beginnt einige

ms nach Einschalten des Oszillators. Im Ausgangspunkt der Betrachtung ist Stufe 36 im Phasennetzwerk eingeschaltet, wobei der Zähler Z aktiv geschaltet ist und f.<f„. Entsprechend der in

O . J. Jj

Fig. 5 für diesen Fall angegebenen Schieberichtung der f.-Impulse gegenüber den'T_E-Impulsen wird ein Impuls d als nächster Impuls zur Koinzidenz mit einem Tg-Impuls kommen. Bis dies der Fall ist, passiert nichts. Kommt der Impuls d zur' Koinzidenz mit T_E, dann wird die Frage "dT_E=l" mit ja beantwortet, die nächste Frage "S=O" wird ebenfalls mit ja beantwortet, so dass die Befehle "1 —-S" und '¹¹Z₁+! —β- Z₁" folgen. Dies bedeutet, dass der Zähler Z₁ an das Phasennetzwerk angeschaltet wird, jedoch mit einem gegenüber dem alten Zählstand um eine Einheit erhöhten Zählstand, so dass Stufe 27 wirksam wird. Dieser Zustand bleibt erhalten bis die letzte Frage "letzte Koinzidenz verschwunden" mit ja beantwortet wird,.worauf als nächste. Koinzidenz aT_£=l eintreten wird. Sobald dies der Fall ist, erfolgt wieder eine Umschaltung auf Zähler Z_Q mit einem um eine Einheit reduzierten Zählstand. Dieser Vorgang läuft weiter, bis ein Beharrungszustand erreicht ist, bei"welchem im vorliegenden Beispiel zwischen den Stufen 28 und 29 umgeschaltet wird.

Aus dem bisher Gesagten kann entnommen werden, dass der Oszillator innerhalb der Phasenführungsgrenzen frei läuft,, dass immer erst dann etwas passiert, wenn eine. Phasengrenze erreicht

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ι.

- 11 - . . PCM 17.

wird, und dass bei der relativ raschen Phasenverschiebung zu Be*- ginn des Konvergenzvorganges, links in Fig. 6, die Phasengrenzen enger gelegt sind als im" Beharrungs zustand, rechts in/Fig. 6, wo die Phasenverschiebung langsam verläuft. Die Zulassung einer grösseren Phasenverschiebung im Beharrungsfall bewirkt, dass die · Umschaltung zwischen den beiden Stufen links und rechts der Bezugsfrequenz f_, nur in relativ gross en Zeitabständen erfolgen muss. Durch diese Art der Phasenführung wird erreicht, dass; z.B. alterungsbedirigte Frequenzänderungeh derart ausgeglichen werden, dass der Beharrungszustand zwischen zwei anderen Zählerständen erreicht wird. Dies bedeutet nun aber, dass bei einem Ausfall des externen Bezugssignales die Frequenz f. immer nur langsam abwandern wird. Ueblicherweise wird man die Frequenz des lokalem Oszillators manuell so einstellen, dass der Beharrungszustand ungefähr in der Mitte der· 64- Stufen erreicht wird. Es kann nun vorteilhaft sein, diese Einstellung periodisch z.B. einmal pro Jahr, zu wiederholen, was ohne Betriebsunterbrechung erfolgen kann, da die Phasenführungsschaltung einen Abwanderungsversuch der Oszillatorfrequenz infolge manueller Verstellung genau gleich ausregelt wie alte'rungsbedingte Abwanderungstendenzen. . ■"-·-."'.-

" _ Dieser Oszillator mit Phasennetzwerk im Umlaufkreis könnte auch als frequenzmodulierter Oszillator verwendet werden, indem die Schalter im Phasennetzwerk statt durch die Zählerstände der beiden Zähler durch ein binär codiertes .Tonfrequenzsignal ange-. steuert werden, wodurch sich eine.direkte· Umsetzung eines PCM-Signa* les in ein FM-Signal ergibt, ohne dass eine Decodierung des PCM-Signales vor der Modulation oder nach der Demodulation notwendig wäre. 409823/0777 V

Claims

Patentansprüche

( l.jDurch ein Bezugssignal in der Phase führbarer Oszillator, gekennzeichnet durch einen Umlaufkreis mit der Serieschal- ' · tung eines Quarzelernentes (1) und mindestens eines Verstärkers (2, 3), durch ein Phasennetzwerk (4), das am Umlaufkreis gegen ein Bezugspotential angeschlossen ist, und durch Mittel, um die Oszillatorfrequenz mit Hilfe des Phasennetzwerkes derart zu beeinflussen, dass die Phasendifferenz zwischen dem Oszillatorsignal und dem Bezugssignal einen bestimmten Betrag nicht übersteigt.
2. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasennetzwerk die Parallelschaltung einer Induktivität (L) und einer Kapazität (C) aufweist, welcher weitere Kapazitäten (C,...Cg) paralJeLschaltbar sind.
3. Oszillator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte der zuschaltbaren Kapazitäten (C... .Cg). eine geometrische Reihe bilden.
4. Verfahren zum Betrieb des Oszillators nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das der Oszillator innerhalb von mit dem Bezugssignal gekoppelten Phasenführungsgrenzen frei läuft, dass die Frequenz des Oszillators in diskreten Schritten eingestellt wird, dass bei Erreichen einer einer Phasenführungsgrenze entsprechenden Phasenverschiebung des Oszillatorsignales gegenüber dem Bezugssignal die Oszillatorfrequenz derart verstellt wird, dass sich die Richtung der genannten Phasenverschiebung umkehrt, dass bei Erreichen einer der anderen Phasenführungsgrenze entsprechenden Phasen*· verschiebung des Oszillatorsignales gegenüber dem Bezugs-

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signal die Oszillatorfrequenz derart verstellt wird, dass' sich die Richtung der genannten Phasenverschiebung wieder umkehrt, das Ganze derart, dass sich die Phase des Oszillator· signales zwischen den beiden Phasenführungsgrenzen hin und her bewegt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Oszillatorfrequenz bei jedem Verstellvorgang um einen Schritt verstellt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenführungsgrenzen durch zwei η-stufige Binärzähler für Vorwärts- und Rückwärtszählung bestimmt werden, von denen bei jedem Frequenzverstellvorgang nur jeweils einer um einen Schritt verstellt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangssignale deren Stufen der Binärzähler über eine Umsehaltelogik, welche jeweils einen der Zähler aktiv schaltet, parallel an η Schaltstufen im Phasennetzwerk angelegt werden. -
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass

jede der.η Schaltstufen die Frequenz des Oszillators um einen Betrag beeinflusst, der gegenüber dem der benachbarten Stufen um den Faktor zwe;
Schritte ergeben.

um den Faktor zwei verschieden ist, so dass sich 2ⁿ diskrete
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass n=6 ist.
10. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass beim Einschalten des Oszillators die beiden Zähler auf entgegengesetzte Endwerte gesetzt werden.

409823/077?

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