DE2406774C3 - Elektronischer Frequenzzähler - Google Patents
Elektronischer FrequenzzählerInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen elektronischen Frequenzzähler nach dem Oberbegriff des Pateiitan'
Ipruchs 1.
Ein bereits bekannter Frequenzzähler dieser Gattung IGB 1 08 877) enthält Phasenkomparatoren und «inen
Fhasenverriegelungsiriclikalof. Außerdem ist der OsziU
lntor gegenüber dem Eingangssignal phasenverriegelt Die Toleranz gegenüber Frequenzmodulation ist bei
•inem solchen Frequenzzähler verhältnismäßig eng begrenzt
Elektronische Frequenzzähler mit Frequenzumsetzern sind zweckmäßig für die Prüfung im Fertigungsablauf,
für verschiedene Anforderungen, bei denen Frequenzmessungen in einem breiten Frequenzband
benötigt werden. Da eine solche Vorrichtung automatisch die Ordnungszahl der für die Frequenzumsetzung
verwendeten Oszillatorharmonischen bei der zu messenden Frequenz feststellt, werden außer der Ablesung
des Meßwertes praktisch keine weiteren Aufgaben an ίο die Bedienungsperson gestellt Jedoch akzeptieren
derartige Geräte keine mit zu starker Frequenzmodulation behafteten Signale. Ein Grund für diese Eigenschaft
liegt in der phasenstarren Synchronisation des verstimmbaren Umsetzeroszillators auf die Eingangsfrei)
quenz.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektronischen Frequenzzähler der eingangs genannten
Gattung mit gegenüber Frequenzmodulation verbesserter Toleranz zu schaffen.
>o Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in
dem Patentanspruch 1 gekennzeichnete Ausbildung gelöst
Eine Möglichkeit zur vorteilhaften weiteren Ausgestaltung eines solchen Frequenzzählers ist in dem
'i Anspruch 2 angegeben.
Dadurch, daß bei einem Frequenzzahler nach der Erfindung das Überlagerungs- und das Zwischenfrequenzsignal
während eines gemeinsamen Zeitintervalls gezählt werden, das durch die Zählzeitbasis und eine
jo vorgewählte Frequenz bestimmt ist, wird erreicht, daß
Schwankungen des Zwischenfrequenzsignals kompensiert werden. Hierzu ist eine besondere Zählschaltung
zur gleichzeitigen Zählung der Frequenz des Überlagerungs- und des Zwischenfrequenzsignals während einer
υ bestimmten Zeitspanne vorgesehen.
Die Anwendung eines Frequenzdiskriminators in Regelschleifen ist an sich bekannt (US-PS 32 8b 191).
Dabei dient aber der Frequenzdiskriminator lediglich dazu, das Fehlersignal in den fangbereich des
Phasendetektors zu bringen, wie es bei digitalen Synthesesystemen üblicher Art oft geschieht, d. h. der
Zustand der Frequenzverriegelung ist nur ein vorübergehender, was — im Gegensatz zur Lehre der
vorliegenden Erfindung — immer zu einer Phasenverriegeiung führt.
Im folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beispielsweise und anhand der
Zeichnungen im einzelnen beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 ein Schaubild zum Vergleich der Kenndaten der vorliegenden Erfindung mit den Kenndaten von
bekannten Vorrichtungen,
F i g. 2 ein Blockschaltbild eines Teils einer Schaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
F i g. 3 ein ausführlicheres Schaltbild eines Teils der Schaltung nach F i g. 2, und
F i g. 4 ein Blockschaltbild, das F i g. 2 zu der vervollständigten erfindungsgemäßen Schaltung ergänzt.
Wie bereits im Zusammenhang mrt dem Stande der Technik erläutert wurde, hat eine bestimmte Art
vorbeikannter elektronischer Frequenzzähler mit Frequenzumsetzer eine Regelschleife zur Phasensynchroni*
sation (phase locked loop = PLL), Weiche bewirkt, daß der zugehörige spannungsgesteuerte Oszillator auf das
Eingangssignal synchronisiert wird. Wie F i g. 1 darstellt,
begrenzt die Verwendung socher Regelschleifen zur Phasensynchronisation die Toleranz der Meßgeräte
gegenüber Frequenzmodulation auf dem zu messenden
Λ /» "^r *w Λ
UD / [<\
Signal. Wie durch die mit »PLL« gekennzeichnete Kurve angedeutet, bedeutet die Fläche unter dieser
Kurve PLL den synchronisierten Zustand im Fangbereich und die Fläche oberhalb dieser Kurve den Zustand
außerhalb des Fangbereiches der Synchronisation. =. Daher können diese Geräte bei höheren Modulationsfrequenzen fm keinen Frequenzhub Af verarbeiten, der
größer als beispielsweise zwei bis drei MHz ist Außerdem liegt bei den Modulationsfrequenzen fm von
10 bis 100 kHz ein kritischer Punkt, an dem eine in Einsattelung der Kurve auftritt Im Gegensatz dazu ist
bei der zweiten Kurve entsprechend der vorliegenden Erfindung, die in F i g. 1 oberhalb der Kurve PLL liegt
der Spielraum für die Frequenzhübe zl/viel größer; er
geht beispielsweise bis zum Bereich von 10 MHz. t ■
Fig.2 veranschaulicht einen Teil der erfindungsgemäßen
Zählerschaltung mit automatischer Frequenzumsetzung, die eine Regelschleife 10 für die Frequenzregelung
umfaßt die im wesentlichen aus einer Frequenzumsetzerschaltung im oberen Teil von F i g. 2 besteht, ><
> und einer Schaltung 11 im unteren Teil von F ig 2,
welche die Ordnungszahl A/der Oszillatorharmonischen für die zu messende Frequenz bestimmt Die in der
Zeichnung eingetragenen Zahlenwerte sind typisch für die Wirkungsweise; sie dienen lediglich dem Zwecke der
Erläuterung.
Das zu messende HF-Signal RF wird an den HF-Eingangsanschluß angelegt. Es gelangt von da aus
an eine erste, zu der Regelschleife 10 für die Frequenzregelung gehörenden Oberwellenmischstufe
12, der auch ein aus einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 13 stammendes Überlagerungssignal
LO zugeführt wird und die auf ihrer Ausgangsleitung 16 ein Zwischenfrequenzsignal /Fabgibt Das Zwischenfrequenzsignal
ist die Differenzfrequenz zwischen den mit der Ordnungszahl N der Harmonischen vervielfachten
Überlagerungssignal aus dem VCO 13 und dem HF-Signal RF am Eingang 14, wobei im vorliegenden
Beispiel Λ/= 100 ist. Einem Überlagerungssignal von
beispielsweise 70 MHz würde somit ein HF-Eingangssignal RF mn einer Frequenz f = (70 χ N + IF) MHz
entsprechen. Ein Zwischenfrequenzverstärker 17 dient zur Verstärkung und Schaffung einer passenden
Bandbreite für den Zwischenfrequenzkanal, der im vorliegenden Fall eine Mittenfreqvenz von 10 MHz
aufweist. Ein Diskriminator 18 ist an den Ausgang des Zwischenfrequenzverstärker 17 angeschlossen; er
spricht auf das Signal an diesem Ausgang in der Weise an, daß er eine Gleich?Dannung auf der Leitung 19
erzeugt, die eine Höhe und Polarität aufweist, die durch Frequenzänderungen im Zwischenfrequenzsignal bestimmt
wird. Diese Gleichspannung auf der Leitung 19 steuert den spannungsgesteuerten Oszillator 13 an, über
einen Suchoszillatcr mit Filter 21. Bekanntlich wird ein solcher Suchoszillator zunächst dazu benutzt, den
spannungsgesteuerten Oszillator 13 solange nach der einen und der anderen Richtung zu verstimmen, bis das
gewünschte Zwischenfrequenzsignal erreicht wird; darauf wird der Suchoszillator in seiner Steuerwirkung
abgeschaltet. Der spannungsgesteuerte Oszillator 13 ist nun genau auf eine Subhärmonische der um die
Zwischenfrequenz versetzten Frequenz des Hochfrequenzsignals am Eingang abgestimmt.
Fig.3 zeigt, enthält der Diskriminator 18 einen ffionostabilen Multivibrator 18a zur Erzeugung einer
Impulsfolge, die der Zwischenfrequenz mit ihren Änderungen entspricht. Das Ausgiingssignal des monostabilen
Multivibrators 18a wird einem Integrator 186 zugeführt, der, wie üblich, ein R-C- Netzwerk ist, das die
Impulsfoigs integriert, so daß daraus eine langsam in
Abhängigkeit von den Änderungen der Zwischenfrequenz veränderliche Gleichspannung erzeugt wird.
Diese langsam veränderliche Gleichspannung wird zu einem Spannungsteiler 18cgeleitet,derso eingestellt ist,
daß bei der Ausgangsspannung null an diesem Spannungsteiler beispielweise eine Zwischenfrequenz
von 10 MHz durch die Einwirkung des spannungsgesteuerten Oszillators 13 erzeugt wird. Eine Polarhätsbewertung
ist möglich, wenn die »Masse«-Klemmen ein negatives Potential erhalten, so daß sich das Potential
des Spannungsteilerabgriffs von null aus nach beiden Seiten ändern kann. Die Ausgangsspannung des
Spannungsteilers 18c wird dem Filter 21 a zugeführt das Bestandteil des Suchoszillators und Filters 21 nach
Fi g. 2 ist Der Zweck des Filters 21a, ein aktiver Filter
üblicher Art das einen Operationsverstärker 22 und ein RC- Rückkopplungsnetzwerk 23 umfaßt ist die Verringerung
der Schleifenverstärkung in £>..- Regelschleife 10
bei höheren Frequenzen, um einen insta; ilen Betriebszustand
zu verhindern Das Ausgangssignal des Filters 21a wird anschließend zum Suchoszillator während des
Suchbetriebs, oder direkt zum spannungsgesteuerten Oszillat rl3geleitet
Wie F i g. 2 weiter zeigt ist ein Austastdetektor 24 an den Zwischenfrequenzausgang angeschlossen, um die
Erzeugung sowohl höher liegender als auch tiefer liegender Mischprodukte der vervielfachten Frequenz
des spannungsgesteuerten Oszillators 13 und des Hochfrequenzsignals am Eingang 14 zu unterbinden.
Die Regelschleife 10 stellt aKo eine Art von
Regelschaltung zur Frequenzsynchronisation dar. Das Überlagerungssignal vom spannungsgesteuerten Oszillator
13, mit der Ordnungszahl N seiner Harmonischen multipliziert und zur Frequenz am Zwischenfrequenz-Ausgang
addiert, ergibt die Frequenz des Hochfrequenzsignals am Eingang. Die Ordnungszahl // muß
jedoch zunächst bestimmt werden.
In dem Teil 11 der erfindungsgernäßen Schaltung wird die Ordnungszahl N durch Ansteuerung eines
Einseitenbandmischers 26 mit dem Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators 13 ermittelt Dieser
Einseitenbandmischer 26 wird mit einer Frequenz von 1 kHZ moduliert; das resultierende Signal am Ausgang,
auf der Leitung 27, ist frequenzgleich mit dem Signal des spannungsgesteuerten Oszillators 13, wie zahlenwertmäßig
angegeben, um 1 kHz frequenzversetzt. Das bedeutet, daß bei dem gewählten Beispiel die Frequenz
70,001 MHz betrap.en würde. Die derart versetzte Oszillatorfrequenz wird sodann einer zweiten Oberwellenmischstufe
28 zugeführt, die ebenfalls mit dem Hochfrequenz-Eingang 14 verbunden ist Das Ausgangssignal
der zweiten Oberwellenmischstufe 28 auf der Leitung 29 ist gsgenüber dem 10 MHz-Zwischenfrequenzsignal
zur Synchronisation der Regelschleife IC des genannten Steuersignals um I kHz von der
Ausgangsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 13 versetzt. Somit ist die tatsäcnliche Ausgangsfrequenz
der zweiten Oberwellenmischstufe 28 gleich der
Summe aus der Zwischenfrequenz von 10 MHz and der mit der Ordnungszahl N der Oszillatorimrmonischen
vervielfachten Frequenz von 1 kHz, Die Zwischenfrequenz dieses Kanals wird von dem Verstärker 31
verarbeitet und einer dritten Mischstufe 32 zugeführt An dieser Mischstufe 32 liegt auch das Zwischenfrequenzsignal
aus der Regelschleife 10, wodurch sich als Differenzfrequenz 1 kHz, multipliziert mit der Ord-
nungszahl N der Harmonischen, ergibt. Dieses Signal wird durch ein Tiefpaßfilter 33 gefiltert. Da die
ursprüngliche Modulationsfrequenz von 1 kHz für den Einseitcnbandmischer 26 vorliegt, kann durch digitalen
Vergleich dieser beiden Frequenzen die Ordnungszahl 5 der Harmonischen /Vgewonnen werden.
Dieses Verfahren zur Ableitung eines Signals, das die
Ordnungszahl N der Harmonischen darstellt, ist allgemein bekannt. Der dritte Mischer wird üblicherweise
meist mit einem Zwischenfrequenzsignal beaufschlagt, das extern statt in der Regelschleife 10 erzeugt
wird. Bei der erwähnten speziellen Zwischenfrequenzeinspeisung in die dritte Mischstufe 32 können
Schwankungen der Zwischenfrequenz die Genauigkeit des die Ordnungszahl N enthaltenden Signals nicht
beeinträchtigen. In vorbekannten Umsetzerschaltungen mit einer frequenzstabilen externen Signalquelle können
.Schwankungen oder litter auftreten, wenn sich die
Zwischenfrequenz ändert. Bei bekannten Frequenzumsetzerschaltungen wurde versucht, derartige Schwankungen
durch die Verwendung einer Regelschleife zur Phasensynchronisation statt einer Regelschleife 10, wie
sie in der vorliegenden Erfindung dargestellt ist, gering zu halten. Jedoch hat eine Regelschleife zur Phasensynchronisation
den in F i g. 1 veranschaulichten Nach- 2"> teil, daß sie gegenüber Frequenzmodulation auf dem am
Eingang anliegenden HF-Signal relativ empfindlich ist Durch die Erfindung wird mittels der Regelschleife 10
erreicht daß die mit einer Frequenzmodulation auf dem HF-Signal verbundenen raschen Schwankungen durch Jo
Mittelwertbildung unschädlich gemacht werden, oder anders ausgedrückt, bewirkt die erfindungsgemäße
Regeischleife 10 eine gewissermaßen elastische Frequenzsynchronisation statt einer absoluten Phasensynchronisation.
Somit braucht die Regelschleife 10 schnellen Frequenzänderungen nicht exakt nachzufolgen.
Da das Zwischenfrequenzsignal innerhalb der Regelschleife 10 gemäß dem Anteil an Frequenzmodulation
schwankt, der auf dem Hochfrequenzsignal am Eingang vorhanden ist, muß der Mittelwert dieser Zwischenfrequenz
über einen Zeitraum gebildet werden. Noch wichtiger jedoch ist es, das Überlagerungssignal LO
vom spannungsgesteuerten Oszillator 13 über demjenigen Zeitraum auszuzählen, der jeweils gleich dem
Zeitraum ist. in welchem der Mittelwert des Zwischenfrequenzsignales gebildet wird, weil dieses Überlagerungssignal
LO zur Berechnung der Frequenz des Hochfrequenzsignals am Eingang herangezogen wird.
Dies geschieht in der Zählschaltung nach F i g. 4, die die verschiedenen Ausgangssignale der Schaltung nach
Fig.2 aufnimmt Zu diesen Signalen gehört, wie angegeben, das Zwischenfrequenz-Ausgangssignal IF,
das Überlagerungssignal LO vom spannungsgesteuerten Oszillator 13 und das Signal, das die Frequenz von
1 kHz, multipliziert mit der Ordnungszahl N der Harmonischen, enthält
Gemäß Fig.4 wird das Zwischenfrequenzsignal IF
durch einen Vor-ZRückwärtszähler 36 gezählt, der über
ein Zeitintervall zählt das durch eine vorbestimmte Zeitbasis bestimmt wird, multipliziert mit der Harmonischen,
Ordnungszahl N, oder kurz TB χ Ν. Dies geschieht durch ein »UND«-Gatter 37, das als erstes
Eingangssignal das Zwischenfrequenzsignal /Fund als zweites Eingangssignal ein Rechtecksignai erhält das t>5
als TB χ N bezeichnet wird. Da dieses Gatter 37 die Multiplikation des Zwischenfrequenzsignals IF mit der
Ordnungszahl N der Harmonischen bewirkt, teilt eine Teilerschaltung 38 das Ausgangssignal des »UND«*
Gatters 37 durch N, so daß das richtige Zwischenfrequenzsignal
(IF χ N)I A/erhalten wird.
Zu derselben Zeit, in der der Vor-/Rückwärtszähler 36 über das Zeitintervall TB χ Nm Abhängigkeit vom
Zwischenfrequenzsignal IF an seinem Eingang vorwärtszählt, zählt ein erster Zwischenspeicher 39 das
Überlagerüngssignal vom spannungsgesteuerten Oszillator 13 über denselben Zeitraum aus, mittels eines
»UND«-Gatters 41, dessen Ausgangssignal dem ersten Zwischenspeicher 39 zugeführt wird, und das ein
zweites Eingangssignal fur das Zeitintervall TB χ Ν aufweist.
Das gemeinsame Zeitintervall wird in der folgenden Weise erzeugt: Zuerst wird die Ordnungszahl N der
Harmonischen abgeleitet und in einem zweiten Zwischenspeicher 42 für die Ordnungszahl N gespeichert.
Her einem »UND«-Clatter 43 nachgeschattet ist.
das von dem die Ordnungszahl in Form der Frequenz 1 kHz χ Ν enthaltenden Ausgangssignal angesteuert
wird, sowie durch ein Auftastsignal mit einer Periodendauer entsprechend dem Kehrwert von 1 kHz. Das
Ausgangssignal des zweiten Zwischenspeichers 42 für die Ordnungszahl N wird der Teilerschaltung 38
zugeführt, die das multiplizierte Zwischenfrequenzsignal IF χ Nm der Frequenz teilt und einer weiteren
Teiler'chaltung 44, die eine ausgewählte Grundtaktfre
quenz /Vb teiit, wodurch eine Impulsfolge 46, wie angedeutet, erzeugt wird, wobei ein Zeitraum von
TBxN zwischen den Impulsen liegt. Eine bistabile
Multivibratorschaltung 47 erzpugt sodann den Impuls
48. der das gemeinsame Zeitintervall oder TB χ Ν darstellt, und der, wie oben erläutert, den Eingängen der
»UND«-Gatter 41 und 37 zugeführt wird. Die ausgewählte Grundtaktfrequenz /Vb hängt von der für
die Frequenzmessung gewünschten Auflösung ab.
Der Inhalt des Vor-/Rückwärtszählers 36 wird in den ersten Zwischenspeicher 39 übertragen, wo sich das
endgültige Zählergebnis für das Hochfrequenzsignal am Eingang 14 in der folgenden Weise ergibt: Ein bistabiler
Multivibrator 49 spricht auf die Rückflanke des Zeitmtervallimpulses 48 an, die durch den Buchstaben A
.gekennzeichnet ist, so daß ein Ausgangssignal auf der Leitung 51 des »UND«-Gatters 52 erzeugt wird,
welches bewirkt, daß der Vor-/Rückwärtszähler 36 beginnt, rückwärts zu zählen. Das »UND«-Gatter ist
außerdem mit einer Quelle eines Signals fn konstanter
Frequenz, beispielsweise 10 MHz, verbunden. Der Ausgang 51 des »UND«-Gatters 52 ist außerdem mit
einem weiteren »UND«-Gatter 53 verbunden dessen Ausgang an den ersten Zwischenspeicher 39 angeschlossen
ist Somit wird, wenn der Zähler 36 rückwärts zählt, der Inhalt dieses Zählers in der Tat zum Inhalt des
ersten Zwischenspeichers 39 hinzugezählt Sobald der Vor-ZRückwärtszähler 36 null erreicht betätigt ein
Nullsignal, das über einen Inverter 34 zum »UND«-Gatter 53 gelangt gleichzeitig den bistabilen Multivibrator
49, stellt diesen zurück und hält die Rückwärtszählung
an, wie durch den Buchstaben B am Ausgangsimpuls 50 des bistabilen Multivibrators 49 angedeutet ist Gleichzeitig
ergibt das Nullsignal ein Auslesesignal, das anzeigt daß der Zwischenspeicher 39 nunmehr die
Summe enthält, die gebildet ist aus der Zwischenfrequenz /Fund der mit der Ordnungszahl Nmultiplizierten
Überiagerungsfrequenz LO χ Ν, welche der gesuchten
Frequenz des Hochfrequenzsignals am Eingang entspricht
Somit schafft die in den Fig.2 und 4 dargestellte
erfindungsgemäDe Schaltung einen Frequenzzähler mit verbesserter, automatischer Frequenzumsetzerschaltung,
die gegenüber Frequenzmodulation auf dem zu messenden Höchfreqüerizsighal eine verbesserte Toleranz
aufweist.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
1. Elektronischer Frequenzzähler zur Messung der Frequenz eines Hochfrequenzsignals mit vorgeschaltetem
Frequenzumsetzer, der eine Oberwellenmischstufe und einen spannungsgesteuerten Oszillator
aufweist, die ein Zwiscbenfrequenzsignal erzeugen, bei dem die Oberwellenmischstufe, der spannungsgesteuerte
Oszillator, ein Verstärker und ein Diskriminator eine Regelschleife bilden und der
Diskriminator ein _GIeichspannungssignal liefert, dessen Größe von Änderungen einer Winkelgröße
des Zwischenfrequenzsignals abhängt und das den spannungsgesteuerten Oszillator ansteuert, und bei
dem ferner eine die Ordnungszahl der jeweils in der Oberwellenmischstufe verwerteten Harmonischen
des vom spannungsgesteuerten Oszillator gelieferten Überbjerungssignals ermittelnde und das
Ergebnis in einem Ausgangssignal abbildende Schaltung, sowie Zählung der Frequenz des Oberlagerungssignals
vorgesehen sind und das genannte Ausgangssignal zur Bildung der Zählzeitbasis dient,
dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschleife als frequenzverriegelte, aber nicht phasenverriegelte
Rückkopplungsscineife (10) ausgebildet ist, und daß eine Zählschaltung (38,42,44,36,39) zur
gleichzeitigen Zählung der Frequenz des Oberlagerungssignals (LO) und des Zwischenfrequenzsignals
(IF) während eines gemeinsamen, durch die Zeitbasis und eine vorgewählte Frequenz (fre) bestimmten
Zeitintervalls vorgesehen ist, s-y daß die Summe aus
beiden Zählergebnissen Jie gesuchte Frequenz des Hochfrequenzsignals am Eingan^ {14) darstellt.
2. Elektronischer Frequenzzähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zählschaltung
eine Vorrichtung (38) zur Division des Zählergebnisses der Zwischenfrequenz (IF) durch die Ordnungszahl (N) der Harmonischen, mit welcher die
Oberwellenmischstufe (12) arbeitet, einen Vor/ Rückwärtszähler (36), der das dividierte Zählergebnis
der Zwischenfrequenz (IF) aufnimmt, und einen Zwischenspeicher (39) zur Speicherung des Zähler·
gebnis&es des Überlagerungssignals (LO) und eine Vorrichtung umfaßt, die zur Durchführung der
Rückwärtszählung des Vor-/Rückwärtszählers (36) auf das Ende des gemeinsamen Zeitintervalle»
(TB χ N) anspricht, so daß das Zählergebnis der
Zwischenfrequenz zu dem im Zwischenspeicher (39) befindliche Wert addiert wird und der Zwischenspeicher
(39) die Summe der Zählergebnisse der Zählung des Überlagerungs· und des Zwischenfrequenzsignales
(IF bzw. LO χ N) bildet.
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C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |