DE2603543C3 - Taktgenerator mit hoher Frequenzgenauigkeit und -konstanz - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Taktgenerator mit hoher Frequenzgenauigkeit und -konstanz, der in Abhängigkeit von einem Startsignal schnell und definiert anschwingt

Ein bekannter Taktgenerator dieser Art (vgl. »Technical Manual« zum »Model 650, 1-Nanosecond-Digital-Delay Generator« der Eldorado Blectrodata Corp., CaU USA) ist so ausgebildet, daß ein auf die gewünschte Taktfrequenz abgestimmter, selbst nicht stabilisierter Oszillator, der in Abhängigkeit von einem Triggersignal schnell und definiert anschwingt, mittels eines quarzstabilisierten Oszillators, der ebenfalls auf die Taktfrequenz abgestimmt ist, stabilisiert wird. Dies geschieht in der Weise, daß im Moment des Anschwingens die Phasenablage des erstgenannten Oszillators von dem zu diesem Zeitpunkt bereits eingeschwungenen quarzgenauen Oszillator festgestellt und gespeichert wird und anschließend über einen Regelkreis ständig auf diesen einmal festgestellten Wert nachgeregelt wird. Damit sind die Funktionen des schnellen und definierten Anschwingens dem ersten, nicht stabilisierten Oszillator zugeordnet, während der stabilisierte Oszillator die gewünschten Eigenschaften des Taktgenerators hinsichtlich der Genauigkeit und Langzeitkonstanz der Taktfrequenz gewährleistet. Nachteilig ist hierbei jedoch der große schaltungstechnische Aufwand.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Taktgenerator der eingangs genannten Art zu schaffen, der einen wesentlich kleineren Schaltungsaufwand erfordert Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß ein mit seiner Serienresonanz die Taktfrequenz bestimmender Schwingquarz in Serie zum Eingang eines nachgeschalteten Verstärkers angeordnet ist und daß eine in Abhängigkeit vom Startsignal nach Art einer Sprungfunktion von einem ersten Amplitudenwert auf einen zweiten veränderbare Spannung den Schwingquarz beaufschlagt.

Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil besteht insbesondere darin, daß der Taktgenerator die genannten Forderungen nach einem schnellen, definierten Anschwingen und nach einer sehr hohen Frequenzgenauigkeit und -konstanz erfüllt, ohne daß auf einen zwei getrennte Oszillatoren miteinander vergleichenden Phasenregelkreis zurückgegriffen werden muß.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger in der Zeichnung dargestellter, bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 das Prinzipschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels,

Fig.2 Zeitdiagramme einiger in der Schaltung nach Fig, .1 auftretender Spannungen,

Fig.3einzwe1tes\^führungsbeisplel,

Fig.4 Zeitdiagramme einiger in der Schaltung nach F i g. 3 auftretender Spannungen,

Fig.5 das Schaltschema eines dritten Ausführungsbeispielsund

Fig-eeineTeilschaltungvonFig-S. jo

In Fig. 1 Jsteine Gieichspannüngsquelle 1 vorgesehen, die in Abhängigkeit von einem impulsförmigen Startsignal 51 von einem ersten Amplitudenwert seiner Ausgangsspannung Lfe auf einen zweiten, insbesondere höheren, umschaltbar ist Die Änderung von Us erfolgt, wie bei 2 angedeutet, nach Art einer Sprungfunktion. Der Gleichspannungsquelle ist ein Schwingquarz 3 nachgeschaltet, der mit seiner Serienresonanz die zu erzeugende Taktfrequenz bestimmt Der Quarz 3 ist weiterhin mit dem Eingang eines Verstärkers 4 verbunden, der gleichzeitig eine Begrenzerfunktion erfüllt Dabei stellt clei Ausgang 5 von 4 den Ausgang des Taktgenerators dai.

Die Wirkungsweise der Schaltung nach F i g. 1 sei anhand der Zeitdiagramme von Fig.2 näher erläutert. Wie hieraus ersichtlich ist, regt die im Zeitpunkt 11 nach Art einer Sprungfunktion erfolgende Amplitudenänderung 2 von ί/selen Schwingquarz 3 zum Schwingen an, so daß am Schaltungspunkt a eine Spannung 7 auftritt. Diese beginnt gleichfalls im Zeitpunkt /1 bei einer in positivgehenden Amplitudenänderung 2 mit einer positiven Halbwelle, bei einer (nicht durgestellten) negativgehenden Amplitudenänderung dagegen mit einer negativen Halbwelle. Aufgrund seiner großen Güte schwingt der Schwingquarz 3 mit kleiner, nur sehr langsam abnehmender Amplitude auf seiner Serienresonanzfrequenz aus, was sich im weiteren Verlauf der Spannung 7 ausdrückt Durch eine breitbandige Verstärkung und Begrenzung in 4 steht dann am Ausgang 5 eine Rechteckspannung zur Verfügung, deren zeitlicher Verlauf in F i g. 2 mit Ua angedeutet ist.

Um einen möglichst störungsfreien Verlauf der rechteckförmigen Ausgangsspannung Ua zu erzielen, ist es zweckmäßig, den Schwingquarz 3 als Grundwellenquarz auszubilden. Ein solcher Quarz zeichnet sich dadurch aus, daß die von ihm abgegebene Spannung 7 nur sehr schwach ausgeprägte Oberwellen aufweist, während die Grundwelle demgegenüber stark in den Vordergrund tritt. Bei einem ausgeführten Schaltungsbeispiel nach Fig. 1 wurde auf diese Weise eine sehr exakte Ausgangsspannung Ua mit einer Schwingdauer von etwa 10⁴ Perioden der Grundwelle erreicht.

Eine bevorzugte Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist dem in F i g. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel entnehmbar. Hierbei ist ein NOR-Gatter 9 vorgesehen, dessen Eingang Ei an den Ausgang der umschaltbaren Gleichspannungsquelle 1 und dessen Ausgang an einen Anschluß des Schwingquarzes 3 geführt ist. Des weiteren ist ein Komparator 10 mit seinem ersten Eingang an den Ausgang des Verstärkers 4 gelegt, der in bo diesem Fall keine Begrenzerfunktion zu erfüllen braucht, während sein zweiter Eingang mit einer Referenzspannung Ur beaufschlagt ist. Der Ausgang Q von 10 ist einerseits mit einem Anschluß Il verbunden, der den Ausgang des Taktgenerators darstellt und hi andererseits über einen Rückkopplungszweig 12, der eine Verzögerungsschaltung 13 enthält, mit der Eingang E2 des NOR-Gatters 9. Die Referenzspannung Ur ist so gewählt daß sie die im Ruhezustand auftretende Ausgangsspannung des Verstärkers 4 geringfügig übersteigt Damit ist gewährleistet daß der; .Ausgang Q im Ruhezustand auf einem niedrigen Pegel liegt, der das NOR-tiatter ? für eine Amplitudenänderung 14 der Spannung Us, die durch eine Umschaltung Von 1 hervorgerufen wird, durchlässig macht Die Spannungsänderung 14, die durch das NOR-Gatter 9 invertiert wird, bringt den Schwingquarz 3 in der bereits anhand der Fig. 1 und 2 beschriebenen Weise zum Anschwingen, so daß nach einer folgenden Verstärkung in 4 am Schaltungspunkt b eine Spannung zur Verfügung steht deren zeitlicher Verlauf in Fig.4 mit 15 angedeutet ist Der Verlauf 15 läßt erkennen, daß das Anschwingen gegenüber der Spannungsänderung 14 um einen Zeitraum /2 verzögert erfolgt, der auf die Laufzeiten des NOR-Gatters9 und des Verstärkers 4 zurückzuführen ist Da der Komparator 10 beim Überschreiten von Ur durch die von 4 abgegebene Spannung 15 einen hohen Ausgangsspannurigspegel abgibt, entsteht am Ausgang H mit einer durch die Laufzeit von XQ gegebenen zeitlichen Verschiebung ti die in Fig.4 mit Ua bezeichnete Rechteckspannung, die zwischen dem niedrigen und dem hohen Ausgangspegel von 10 alterniert. Trägt man dafür Sorge, daß die an der Verzögerungsschaltung 13 einstellbare Verzögerung so gewählt ist, daß die über 12 rückgekoppelten, positiven Flanken von Ua gerade soviel verzögert werden, daß sie etwa um ein Zeitintervall f4, welches der Laufzeit des NOR-Gatters 9 und des Verstärkers 4 und damit i2 entspricht, vor dem Einsetzen der ersten oder irgendeiner nachfolgenden negativen Halbwelle der Spannung 15 am Eingang E 2 von 9 auftreten, wird der Schwingquarz 3 hierdurch ständig angestoßen. Dabei kann der Fall eintreten, daß die Amplitudenabnahnie der Schwingung 15, die ohne eine Rückkopplung vorhanden wäre, überkompensiert wird, so daß durch die Wirkung der Rückkopplung ein Ansteigen der dem Verstärker 4 zugeführten Schwingungsamplitude eintritt. Dies führt jedoch zu keiner Störung, da der Komparator 10 auch in diesem Falle die Spannung Ua auf den gewünschten Wert begrenzt.

Es kann jedoch auch ausreichend sein, daß nur jede n'te positive Flanke von Ua zum Anstoßen des Schwingquarzes 3 herangezogen wird. Erreicht wird dies dadurch, daß ein Frequenzteiler 16 vorgesehen ist, der die Frequenz von Ua im Verhältnis η: 1 teilt. Bei richtiger Wahl von η erfolgt dann das Anstoßen des Schwingquarzes 3 erst zu einem Zeitpunkt, in dem die Amplitude der Spannung 15 bereits geringfügig abgesunken ist, so daß durch den Einfluß der Rückkopplung eine im wesentlichen gleichbleibende Amplitude von 15 erreicht wird.

In Abweichung von dem in Fig.3 dargestellten Ausführungsbeispiel kann das NOR-Gatter 9 auch durch eine andere Gatterschaltung ersetzt werden, sofern diese gewährleistet, daß sowohl die Spannungsänderung 14 über einen ersten Eingang als auch die Flanken der rückgekoppelten Ausgangsspannung Ua über einen zweiten Eingang dem Schwingquarz 3 zugeführt werden. Andererseits kann der Komparator 10 entfallen, wenn der Verstärker 4 begrenzend arbeitet und im Ruhezustand eine solche Ausgangsspannung abgibt, daß die verwendete Gatterschaltung für die zum Start des Taktgenerators erforderliche Spannungsänderung 14 durchlässig ist.

Da eine Rückschaltung der in Fig.3 dargestellten Gleichspannungsquelle 1 in den hohen AuseanesDeeel

zwar durch das Schließen des Gatters 9 ein weiteres Anstoßen des Schwingquarzes 3 verhindert, jedoch das Ausschwingen des letzteren nicht gleichzeitig unerbindet, hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, die Quarzschwingung in der Weise abzustoppen, daß die Verzögerungsschaltung 13 in Abhängigkeit von einem Stopsignal S2 auf einen solchen Wert umgeschaltet wird, daß die Flanken von Ua den Schwingwaurz 3 gegenphasig anstoßen. Hierdurch wird ein schnelles Stoppen des Taktgenerators gewährleistet.

Eine mögliche Temperaturabhängigkeit der an der Verzögerungsschaltung 13 einstellbaren Verzögerungszeit beeinflußt die durch die Serienresonanz des Schwingquarzes 3 gegebene Taktfrequenz nicht, sondern reduziert nur die Rückkopplungswirkung geringfügig, da in diesem Fall die rückgekoppelten Flanken von Ua mit den Nulldurchgängen der Schwingung 15 zeitlich nicht exakt zusammenfallen.

in Fig.5 ist ein Taktgenerator nach der Erfindung dargestellt, der zur quarzgenauen, stufenweisen Einstellung eines Zeitintervalls dient. Der durch den Block 17 dargestellte Taktgenerator ist dabei mit einem RS-Flipflop 18 versehen, welches die umschaltbare Gleichspannungsquelle 1 bildet. Im einzelnen wird 18 von der positiven Flanke des Startsignals 51, das dem Setzeingang S zugeführt wird, gesetzt, so daß am invertierenden Ausgang Q' der im Ruhezustand relativ hohe Pegel auf einen niedrigeren Pegel umgeschaltet wird. Diese Pegeländerung entspricht der Spannungsänderung 14 von Us in Fig.3. Die durch den Block 19 dargestellte Zusammenfassung der Schaltungsteile 9,3, 4, 10, 12 und 13 von Fig.3 liefert dann in der beschriebenen Weise an den Ausgang 11 eine Rechteckspannung Ua, die einen Rückwärtszähler 20 zugeführt wird. Dieser ist auf einen dem zu bildenden Zeitintervall entsprechenden Zählwert voreingestellt, wobei dieser Zählwert über Leitungen 20a in herkömmlicher Weise eingebbar ist Nach einer diesem Zählwert entsprechenden, über den Zähleingang erhaltenden Anzahl von Schwingungen Ua gibt 20 einen Nullübertragsimpuls 21 aus, der an einem Schaltungsausgang 22 zur Verfügung steht und das Ende des an 20 eingestellten Zeitintervalls signalisiert. Andererseits wird 21 dem Rücksetzeingang R von 18 zugeführt, so daß der Ausgangszustand durch das Rücksetzen des RS-Flipflops wieder erreicht wird.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung kann der Nullübertragsimpuls 21 auch dazu verwendet werden, einen auf einer höheren Taktfrequenz als 17 schwingenden, nicht quarzstabilisierten weiteren Taktgenerator 23 zu triggern, der zwischen den einzelnen am Rückwärtszähler 20 einstellbaren Stufen des Zeitintervalls interpoliert. Zweckmäßigerweise ist der Taktgenerator 23 dabei unter Verwendung eines eingangsseitigen RS-Flipflops 24 aufgebaut, welches dem.Ffipflop 18 entspricht und in Abhängigkeit von der vorderen Flanke des Impulses 21 eine ausgangsseitige Pegeländerung Us' von einem hohen in einen relativ niedrigen Pegel liefert.

F.ine mit 25 bezeichnete Schwingschaltung erzeugt dann in Abhängigkeit von dieser Pegeländerung eine Ausgangsspannung Ua', deren Schwingungen in einen voreingestellten Rückwärtszähler 26 eingezählt werden. Diesen kann man auf ein interpolierendes Zeitintervall einstellen, welches sich dann dem durch die Signale 51 und 21 grob eingestellten Zeitintervall anschließt. Auch hier ist der voreinstellbare Zählwert über eine Leitung 27 in herkömmlicher Weise eingebbar. Nach dem Einzählen der voreingestellten Anzahl von Schwingungen Ua' liefert 26 einen Nullübertragsimpuls 28, der einerseits am Schaltungsausgang 29 auftritt und mit seiner Vorderflanke das Ende des eingestellten Zeitintervalls signalisiert und andererseits über den Rückstelleingang R des Flipflops 24 den Ausgangszustand wieder herstellt.

Eine besonders zweckmäßige Schaltung des Taktgenerators 23 ergibt sich aus Fig.6. Hierbei wird von einer Verstärkerschaltung 30 mit zwei gleichwertigen Eingängen 31 und 32 ausgegangen, deren invertierender Ausgang mit A' bezeichnet ist. Nach der Darstellungsweise von Fig.6 kann hierzu ein NOR-Gatter in integrierter Schaltungstechnik herangezogen werden. A' ist über einen Rückkopplungszweig 33, der einen aus der Induktivität L 1 und der Kapazität Ci bestehenden Serienresonanzkreis enthält, mit dem Eingang 32 verbunden, der andererseits über einen Widerstand R1 und ein einpolig an der Betriebsspannung -Ub liegendes Potentiometer 34 an Masse geschaltet ist. Der Eingang 31 ist an den Ausgang Q' des RS-Flipflops 24 geführt, dessen Setzeingang S mit dem Nullübertragsimpuls 21 (Fig.5) beaufschlagt ist. Mittels des entsprechend gewählten hohen Pegelwertes am Ausgang Q' von 24 wird nun am Eingang 31 eine solche Vorspannung eingestellt, daß der Verstärker 30 in einem ersten Aussteuerungszustand gehalten wird, der vom Arbeitsbereich nur so weit in Richtung auf den Sättigungsbereich verschoben ist daß die für eine Selbsterregung notwendige Amplitudenbedingung in dem Rückkopplungskreis A', 33, Li, Ci, Ri, 34, 32 gerade nicht mehr erfüllt ist Beim Auftreten der Pegeländerung L/s'ergibt sich ein im Arbeitsbereich des Verstärkers 30 liegender, mittels 34 einstellbarer, zweiter Aussteuerungszustand, der am Ausgang A'eine die Schwingung definiert einleitende Potentialverschiebung P zur Folge hat Anschließend schwingt der rückgekoppelte Verstärker 30 mit derjenigen Frequenz, für die sich im Gesamtkreis eine Phasenverschiebung von 360° ergibt.

so Obwohl die Schwingungen des Taktgenerators 23 im Gegensatz zu denen des Taktgenerators 17 keine Quarzgenauigkeit und -konstanz aufweisen, gelingt es mit der in der Fig.5 beschriebenen Anordnung, das durch die positiven Flanken des Startsignals S1 und des Nullübertragsirnpulses 28 gegebene Zeitintervall sehr genau zu definieren, da die Ungenauigkeit des Taktgenerators 23 infolge seiner Interpolationseigenschaft weit weniger ins Gewicht fällt

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

1. Patentansprüche:

   !.Taktgenerator, der In Abhängigkeit von einem Startsignal schnell und definiert anschwingt, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit seiner Serienresonanz die Taktfrequenz bestimmender Schwingquarz (3) in Serie zum Eingang eines nachgeschalteten Verstärkers (4) angeordnet ist und daß eine in Abhängigkeit vom Startsignal nach Art einer Sprungfunktion von einem ersten Amplitudenwert auf einen zweiten veränderbare Spannung (Us) den Schwingquarz (3) beaufschlagt
2. 2. Taktgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gatterschaltung vorgesehen ist, die sowohl die in ihren Amplituden werten is veränderbare Spannung (Us) als auch die am Ausgang des Verstärkers (4) abgreifbaren und begrenzten .Schwingungen (Ua) dem Schwingquarz

   (3) zuführt und daß die am Ausgang des Verstärkers

   (4) abgreifbaren und begrenzten Schwingungen (Ua) dem Eingang der Gatterschaltung über eine Verzögerungsschaltung (13) mit einer solchen Verzögerung zuführbar sind, daß der Schwingquarz (3) gleichphasig angestoßen wird.
3. 3. Taktgenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gatterschaltung als NOR-Gatter (9) ausgebildet ist
4. 4. Taktgenerator nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsschaltung (13) auf einen solchen Verzögerungs- Jo wert einstellbar ist, daß der Schwingquarz (3) zum Zwecke eines Abstoppens der Schwingungen (Ua) gegenphasig angestoßen wird.
5. 5. Taktgenerator nach einem, der Ansprüche 2 bis

   4, dadurch gekennzeichnet, daß die am Ausgang des « Verstärkers (4) abgreifbaren Schwingungen (15) in einem Komparator (10) mit einer Referenzspannung (Ur) derart verglichen werden, daß eine Rechteckspannung (Ua) entsteht, deren Impulsflanken beim Unter- bzw. Überschreiten der Referenzspannung (Ur) durch die vom Verstärker (4) abgegebenen Amplituden der Schwingungen (15) auftreten.
6. 6. Taktgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sein Ausgang mit dem Zähleingang eines ersten voreinstellbaren Zählers (20) verbunden ist, der nach dem Erreichen einer vorgegebenen Schwingungszahl ein Ausgangssignal (21) abgibt, welches durch seinen zeitlichen Abstand von dem Startsignal (51) ein erstes einstellbares Zeitintervall bestimmt. so
7. 7. Taktgenerator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal (21) einen zweiten, nicht stabilisierten und auf einer höheren Taktfrequenz schwingenden Taktgenerator (23) triggert, der seinerseits mit dem Zähleingang eines zweiten voreinstellbaren Zählers (26) verbunden ist, welcher nach dem Einzählen einer vorgegebenen Anzahl von Schwingungen (Ua') ein zweites Ausgangssignal (28) abgibt, welches ein sich dem ersten Zeitintervall anschließendes, zweites, interpolierendes Zeitintervall bestimmt.
8. 8. Taktgenerator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Taktgenerator (23) einen invertierenden, über einen Serienresonanzkreis (LX, Ci) rückgekoppelten Verstärker (30) hs enthält, daß der invertierende Verstärker (30) durch eine eingangsseitige Vorspannung (Us') in einem ersten Aussteuerungszustand gehalten wird, der vom Arbeitsbereich nur so weit in Richtung auf den Sättigungsbereich verschoben ist, daß die zur Selbsterregung erforderliche Amplitudenbedingung gerade nicht mehr erfüllt ist, und daß die Vorspannung (US') in Abhängigkeit von dem Acsgangssignal (21) des ersten Taktgenerators (17) nach Art einer Sprungfunktion um einen solchen Betrag änderbar ist, daß ein im Arbeitsbereich liegender zweiter Aussteuerungszustand erreicht wird und zugleich eine ausgangsseitige, die Schwingung (Ua') definiert einleitende Potentialverschiebung ^entsteht.
9. 9. Taktgenerator nach Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der invertierende Verstärker (30) als NOR-Gatter in vorzugsweise integrierter Schaltungstechnik ausgebildet ist