DE2616234C3 - Einrichtung zur Synchronisation von mindestens zwei elektrischen Oszillatoren - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Synchronisation von mindestens zwei elektrischen Oszillatoren mit mindestens annähernd gleicher Eigenfrequenz, welche je ein Kippelement aufweisen, dessen Eingang über einen Integrator mit seinem Ausgang verbunden ist und das bei einem Vorzeichenwechsel in der Summe leiner Eingangssignale von einem stabilen Zustand in den anderen kippt.

Unter mindestens annähernd gleichen Eigenfrequenzen wird verstanden, daß Abweichungen in den Eigenfrequenzen gewisse Werte — von beispielsweise 5% — nicht überschreiten sollen, damit eine Synchronilation der Oszillatoren möglich bleibt.

Es ist bekannt, die Stellung bewegter Teile, z. B. den Hub von Ventilspindeln, induktiv zu messen. Dabei wird von einem Oszillator mit vorgegebener Frequenz ein Wechselfeld erzeugt, das — abhängig von der Lage eines Kerns, der mit dem Teil, dessen Hüb bestimmt werden soll, fest verbünden ist — in einem feststehen^ den Leiter eine Spannung induziert, die ein Maß für die Lage des Teils bildet.

Müssen derartige Hubgeber zur Erhöhung der Sicherheit als redundante Systeme ausgebildet werden, so kann es vorkommen, daß zwei oder mehrere solcher Einrichtungen so nahe beieinander angeordnet werden müssen, daß eine gegenseitige Beeinflussung nicht vermieden werden kann. Weisen die sich beeinflussenden Einrichtungen — ebenfalls aus Redundanzgründen — getrennte Oszillatoren auf, so kann sich diese Beeinflussung in einer störenden Schwebung auswirken, die sich nicht durch Eichung korrigieren läßt, da die Oszillatoren ohne besondere Maßnahme nicht genau dieselbe Frequenz und Phase aufweisen werden. Derartige Schwebungen können zu Fehlern in der Stellungsanzeige führen.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Oszillatoren derartiger redundanter Anordnungen zu synchronisieren, um die erwähnten Schwebungen zu unterdrücken.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß jedem der Oszillatoren am Ausgang seines Kippelementes je ein einen — gegenüber der Oszillatorperiode kurzzeitigen — Impuls mit steilem Anstieg erzeugendes Zeitglied zugeordnet ist, dessen Ausgangssignal dem Eingang jedes Kippeiementes aller Oszillatoren aufgeschaltet ist

Bei der neuen Einrichtung wird eine Synchronisation dadurch erzwungen, daß der als erster kippende Oszillator durch einen Impuls, der zeitlich spätestens nach einem Bruchteil der Oszillator-S>-hwingungsdauer wieder verschwindet alle dem System zugeordneten Oszillatoren ebenfalls zum Kippen veranlaßt Bei diesem zuerst kippenden, raschesten Oszillator wird das Kippen durch eiren Vorzeichenwechsel in der Summe der Eingangssignale seines Kippelementes ausgelöst; dieses Kippen erzeugt in dem Zeitglied den Kurzzeit-Impuls. Der Impuls wirkt auf die nachlaufenden Oszillatoren in der Weise, daß er diesen Vorzeichenwechsel bei den langsameren Oszillatoren durch ein vorzeitiges Überschneiden der subtraktiv zu vergleichenden Eingangssignale ihrer Kippelemente erzwingt.

Im Zusammenhang mit Phasen-Synchronisationsschaltungen von Oszillatoren fürTiägerfrequenz-Systeme ist die Verwendung von Kippelementen und Zeitgliedern an sich bekannt; so zeigt die DE-OS 24 12 966 eine digitale Überwachungseinrichtung für Trägerfrequenz-Systeme, bei der dem Ausgang von Kippelementen ein Flip-Flop-Element nachgeordnet ist, das jedoch kein Zeitglied ist sondern einen zeitunabhängigen Schalter bildet. Da durch diese bekannte Anordnung nicht der Effekt erzielt wird, daß der schnellste von an sich gleichberechtigten Oszillatoren beim Kippen seines Kippelements die anderen Oszillatoren ebenfalls zum Kippen veranlaßt, werden weder die gestellte Aufgabe, noch deren Lösung durch diese Überwachungseinrichtung tangiert.

Aus der DE-AS 15 91 465 ist es bekannt, bei einem Phasen-Diskriminator zur digitalen Frequenznachstellung von Trägerfrequenz-Generatoren Kippelemente zu verwenden und darüber hinaus Auswerte-Impulse zu erzeugen. Ein Mitreißen eines oder mehrerer gleichwertiger Oszillatoren durch den zuerst durch Kippen seines Kippelementes ansprechenden Oszillator ist hier ebenfalls night vorgesehen=

Aus der DEOS 23 54 749 ist eine Signalerkennungsschaltung zum Identifizieren des Zustandes zur Herstellung des Synchronismus einer Phasen-Synchronisierschaltung bekannt; diese Schaltung enthält zwar ebenfalls ein Kippelement. Um die Einrichtung nach dieser bekannten Schaltung funktionstüchtig zu erhalten, muß jedoch zwingend eine Phasenverschiebung

zwischen einem steuernden Mutter-Oszillator und den gesteuerten Oszillatoren vorhanden sein. In dieser Anordnung sind also mehrere gleichberechtigte Oszillatoren, von denen der schnellste die anderen zum Kippen veranlaßt, nicht vorhanden.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich, wenn das Kippelement ein in Sättigung arbeitender Verstärker ist, an dessen Eingängen zum einen sein Ausgangssignal und zum anderen sein über ein RC-Elemznt integriertes Ausgangssignal aufgeschaltet sind, und wenn das Ausgangssignal eines ebenfalls als ÄC-EIement ausgebildeten Zeitgliedes auf einen allen Oszillatoren gemeinsamen Sammelleiter geführt ist, der mit einem Eingang jedes Verstärkers verbunden ist.

Bei den eingangs geschilderten rendundanten Systemen ist es darüber hinaus erwünscht, wenn der Ausfall eines Oszillators die Funktionstüchtigkeit des übrigen Systems in keiner Weise beeinträchtigt. Um dies sicherzustellen, kann daher in jedem Oszillator das Zeitglied mindestens doppelt vorhanden sein, wobei die Ausgänge beider Zeitgiieder auf zwei verschiedene Sammelleiter geführt sind; darüber hinaus Können zu diesem Zweck die Sammelleiter als in sich geschlossene Leiterschlaufen ausgebildet sein. Müssen mehr als zwei Oszillatoren miteinander synchronisiert werden, so ist es vorteilhaft, wenn das Ausgangssignal jedes Differenziergliedes über einen Amplitudenbegrenzer und über einen Spannungsteiler auf den Verstärkereingang geführt sind.

Nachfolgend wird die Erfindung im Zusammenhang mit den Zeichnungen an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert:

F i g. 1 zeigt ein Signalflußbild für den Oszillator;

F i g. 2 und 3 stellen schematisch die Überlagerung der verschiedenen Signale in der Einrichtung nach F i g. 1 dar, wobei F i g. 2 diese Überlagerung für den schnellsten, d. h. als erster kippenden. Oszillator wiedergibt, während Fig.3 für einen nachlaufenden Oszillator gilt;

F i g. 4 ist ein elektrisches Schaltschema für die in Fig. 1 gezeichnete Einrichtung, während

Fi g. 5 das Schaltschema einer aus Redundanz-Gründen erweiterten Anordnung nach F i g. 4 zeigt.

Zur Erzeugung eines mindestens nahezu sinusförmigen Ausgangssignals d — alle Signale sind in den folgenden Beispielen als elektrische Spannungen realisiert — dient in Fig. 1 ein Kippelement 1, dessen Ausgangssignal a zu einem Additionspunkt 2 an seinem Eingang zurückgeführt ist; zum zweiten gelangt dieses Signal a in einen Integrator 3, dessen mindestens nahezu sägezahnformiges Ausgangssignal c ebenfalls zu dem Punkt 2 geführt ist Weiterhin fließt das Signal c über einen Funktionsgeber 4, in dem es in eine Sinusform transponiert wird, als das gewünschte Ausgangssigna! d einem nicht dargestellten Stellungsanzeiger zu.

Ein dritter Teil des Signals a gelangt über ein zeitabhängiges Element 5 (Zeitglied) - beispielsweise ein Differenzierglied —, dessen Ausgangssignal dann eo nach einer gewissen Zeit verschwindet, auf eine der Signalweitergabe dienende Verbindung 7 aller zu dem zti synchronisierenden System gehörenden Oszillatoren. Von der Verbindung 7 aus können die Signale e aller Oszillatoren über einen Amplitudenbegrenzer 8 als (,■> Signal /zum Punki 2 gelangen, von dem aus dann ein — unter Berücksichtigung der am Punkt 2 angegebenen Vorzeichen gebildetes '■- Summensignal aus a, c und / als Eingangssignal Λ in das Kippelement 1 gelangt.

Das Zusammenspiel der vorstehend erläuterten Signale a, c und / ist in F i g. 2 für den ersten oder schnellsten Oszillator dargestellt; die schematische und idealisierte Wiedergabe zeigt, daß das in der dünn ausgezogenen Linie gezeichnete Signal a ein Rechtecksignal ist, das zwischen einem festen positiven und einem festen negativen Wert hin und her springt. Signal c als Integral von Signal a stellt sich als Zick-Zack-Kurve dar und ist in strichpunktierten Linien wiedergegeben. Eine Änderung von a erzeugt die punktiert eingetragene, eine Spitze bildende und dann abklingende Signalkurve e.

Wie schon beschrieben, ändert a seinen Wert von positiv auf negativ oder umgekehrt, wenn die Signale unterschiedlichen Vorzeichens a und c sich gerade gegenseitig aufheben, so daß ihr Summensignal verschwindet In Fig.2 ist der dadurch ausgelöste Impuls, also das Signal e, zeitlich verzögert eingetragen, weil es ja eine Folge der Änderung von a ist

Als begrenztes Signal / addiert . '.ch das Signal e im Punkt 2 zum Wert a—cund trägt so zur 1 Eingangssignal h für das Kippelement 1 sowohl des schnellsten als auch der nachfolgenden Oszillatoren bei. Das Summensignal h ist in F i g. 2 und 3 durch dick ausgezogene Linien einge'-agen.

Für einen nachfolgenden Oszillator sind die Signale a, c, P und h in F i g. 3 wiedergegeben, wobei zur Erläuterung der Funktionsweise ebenfalls eine Zeitverzögerung in stark übertriebener Weise gezeigt ist. Selbstverständlich sind die gezeichneten Verzögerungen in der Praxis nicht in dem Umfang vorhanden, wie sie in den Zeichnungen zur Verdeutlichung eingetragen worden sind. Sie sind im Gegenteil vernachlässigbar klein gegenüber der Frequenz der Oszillatoren, die zwischen 50 Hz und etwa 10 kHz betragen kann.

Ein von der Verbindung 7 an den Punkt 2 eines nachlaufenden Oszillators gelangendes Signal P des schnellsten Oszillators überlagert sich nur, addn, / der zu diesem Zeitpunkt noch einen endlichen positiven oder negativen Wert aufweisenden — Differenz zwischen a und c aller nachlaufenden Oszillatoren und bewirkt dadurch einen vorzeitigen Durchgang dieser Differenz durch den Nullpuiikt, was — wie schon beschrieben — ein Kippen auch dieser Oszillatoren zur Folge hat, obwohl, wie an der Stelle A in Fig. 3 versinnbildlicht, a und c dem Betrag nach noch nicht gleich sind; dieser Nulldurchgang löst seinerseits den dargestellten Verlauf des Signals h mit der überlagerten Spitze durch das Signal Λ aus. Man kann dabei das von außen kommende Signal /' entweder als einen sprungartigen Zuwachs des Momentanwertes von r in Richtung zu höheren Absolutbeträgen oder als eine plö: iliche Erniedrigung des Absolutbetrages des Signals a ansehen.

In der Schaltung nach F i g. 4 sind mehrere untereinander gleichartige Systeme S gezeigt, die je einen Oszillator enthalten, wobei nur der Oszillator O, für das System 5, ausführlich dargestellt ist.

In F i g. 4 dient als Kippelement 1 eines Oszillators O₁ ein Verstärker 11, der über Leitungen 12 und 13 mit ±15 Volt Gleichspannung gespeist wird. Sein Ausgang 14 ist über drei Widerstände 15,16,17, die als Spannungsteiler wirken, mit dem Bezugspotential 18 verbunden. Zwischen den Widerständen 15 und 16 wird durch einen Leiter 19 eine Teilspannung abgegriffen und einem Eingang 20 des Verstärkers 11 zugeführt

Der Auseane 14 des Verstärkers 11 ist überdies über

einen Widerstand 22 und einen Kondensator 23, die zusammen den Integrator 3 von F i g. 1 bilden, mit dem Punkt 18 verbunden. Von einem Abgriff 24 zwischen den beiden Komponenten des Integrators 3 führt eine Leitung 25 zurück zum Eingang 26 des Verstärkers 11 und gleichzeitig eine Verbindung 30 über den Funk' tionsgeber 4 an den Ausgang 31 für die zumindest nahezu sinusförmige Ausgangsspannung des Oszillators Oj, die, wie beschrieben, z. B. einem Stellungsanzeiger zugeleitet wird.

Vom Ausgang des Verstärkers 11 führt darüber hinaus ein Leiter 41 über einen Widerstand 42 und einen Kondensator 43 — beide bilden das Differenzierglied 5 — sowie über einen Leiter 44 zu einem Anschlußpunkt 45, wobei der Leiter 44 über zwei parallel entgegengesetzt geschaltete Dioden 46 und 47 ebenfalls mit dem Bezugspotential 18 verbunden ist. Die Dioden 46 und 47 bilden den Amplitudenbegrenzer 8 von Fig. 1. Über pinp Λ/prKinHnniT ^l ici rlpp ÄncnHlnR AK rr*ii dem Oszillator O, jedoch nicht der schnellste ist, empfängt er auf diesem Weg über die Widerstände 50 und 16 einen Spannungsimpuls, der ihn zum Kippen bringt. Auf diese Weise richten sich die Oszillatoren in ihrer Frequenz stets nach dem raschesten unter ihnen.

Wie ein Vergleich der Fig. 1 und 4 zeigt, entspricht die Realisierung der Synchronisationseinrichtung in der elektrischen Schaltung nicht exakt der Darstellung des Signalflusses; denn der Additionspunkt 2 der Fig. 1 ist in F i g. 4 nicht vorhanden, sondern durch den Punkt 51 und die beiden Eingänge 20 und 26 in den Verstärker 11 verwirklicht.

Fällt einer der Oszillatoren O infolge eines Defekts aus, so kann je nach Art der Störung sein Beitrag am Spannungsverlauf im Signalleiter 40 und damit im Punkt 51 innerhalb des Bereichs der positiven und negativen Durchlaß-Spannung der Dioden 46 und 47 liegen. Ist der vom defekten Oszillator beigetragene Strom — >'rrlmUon mit

gemeinsamen die Verbindung 7 von F i g. 1 verkörpernden Sammelleiter 40 verbunden, an den auch alle anderen Oszillatoren angeschlossen sind.

Der Anschluß 45 ist zudem über einen Widerstand 50 mit einem Punkt 51 zwischen den Widerständen 16 und 17 verbunden; der Punkt 51 dient dabei als Eingangsstelle des Signals f in den Oszillator Oi. Durch das vom ■Signal /'(Fig.3) des schnellsten Oszillators bewirkte periodisch stoßweise Anheben bzw. Absenken der Spannung im Punkt 51 wird die Spannung am Eingang 19 eines nachlaufenden Oszillators, die das rückgeführte Signal a wiedergibt, in ihrem Absolutwert erniedrigt, so daß dieser Oszillator, wie beschrieben, vorzeitig zum Kippen kommt.

Wenn also der betrachtete Oszillator O,der schnellste der auf den Leiter 40 geschalteten Oszillatoren Oi...O„ ist, gibt dieser beim Kippen auf den Leiter 40 einen scharfen Spannungsimpuls ab, der sämtliche übrigen Oszillatoren zum Kippen bringt; wenn der betrachtete fähigen Oszillatoren — klein, so arbeiten jene störungsfrei, d. h. untereinander synchronisiert, weiter. Dominiert jedoch der Strom des defekten Oszillators denjenigen der anderen, so laufen diese unsynchronisiert weiter, wobei dann wieder die eingangs erwähnten Schwebungen auftreten können.

Um auch in diesem Fall einen störungsfreien Betrieb sicherzustellen, können, wie in Fig.5 dargestellt, zusätzlich redundante Mittel eingeführt sein. Diese bestehen in einer Verdoppelung der Bauelemente 41 bis 47 und in einem zweiten Sammelleiter 40 sowie einem zweiten Spannungsteiler 50. Diese redundanten Mittel sind in Fig.5 mit denselben Ziffern wie in Fig.4 bezeichnet und zusätzlich durch einen Strich (41' bis 47', 40' und 50') unterschieden.

Als weitere Maßnahme zur Erhöhung der Sicherheit sind in F i g. 5 die Sammelleiter 40 als geschlossene Leiterschlaufen ausgebildet, so daß ein einfacher Bruch dieser Sammelleiter keine Störung hervorruft

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1. Patentansprüche:

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   J. Einrichtung zur Synchronisation von mindestens zwei elektrischen Oszillatoren mit mindestens annähernd gleicher Eigenfrequenz, welche je ein Kippelement aufweisen, dessen Eingang über einen Integrator mit seinem Ausgang verbunden ist und das bei einem Vorzeichenwechsel in der Summe seiner Eingangssignale von einem stabilen Zustand in den anderen kippt, dadurch gekennzeichnet, daß jedem der Oszillatoren (O) am Ausgang seines Kippelementes (1) je ein einen — gegenüber der Oszillatorperiode kurzzeitigen — Impuls mit steilem Anstieg erzeugendes Zeitglied (5) zugeordnet ist, dessen Ausgangssignal (ejdem Eingang jedes Kippelementes (1) aller Oszillatoren (O) aufgeschaltet ist
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kippelement (1) ein in Sättigung arbeitender Verstärker (11) ist, an dessen Eingängen (20, 26) zun, einen sein Ausgangssignal (a) und zum anderen sein über ein «C-Element (22, 23) integriertes Ausgangssignal (c) aufgeschaltet sind, und daß das Ausgangssignal (e) eines ebenfalls als ÄC-Element (42, 43) ausgebildeten Zeitgliedes (5) auf einen allen Oszillatoren (O) gemeinsamen Sammelleiter (40) geführt ist, der mit einem Eingang (20) jedes Verstärkers (11) verbunden ist
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Oszillator (O₁) das Zeitglied (5) mindestens doppelt vorhanden ist und daß die Ausgänge (-'5; beider Zeitglieder (5) auf zwei verschiedene SammelHter^ 40') geführt sind.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausg'-ngssignal (e) jedes Zeitgliedes (5) über einen Amplitudenbegrenzer (8) und über einen Spannungsteiler (50, 17, 16) auf den Verstärkereingang (20) geführt ist
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammelleiter (40,40') als in sich geschlossene Leiterschlaufen ausgebildet sind.

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