DE2637953C2 - Einrichtung zum Nachstimmen eines frequenzmodulierten Oszillators - Google Patents

Description

digitalen Phasenkomparator über jeweils eine Periodendauer der am Eingang des Phasenkomparator anliegenden Schwingung gemittelL Da diese Periodendauer mit Rücksicht auf die Einlaufzeit bei Einschalten der Anordnung nicht beliebig groß gegen die Periodendauer der niedrigsten Modulationsfrequenz gewählt werden kann, werden durch die Modulation ständig wechselnde Mittenfrequenzablagen vorgetäuscht und Korrektursignale am Ausgang des Phasenkomparator in Form von Impulsen ausgelöst

Um zu verhindern, daß diese Impulse störende Frequenzmodulationen verursachen, ist es günstig, zwischen dem Ausgang des Phasenkomparators PK und dem Nachstimmeingang des Frequenzmodulators FM mehr als einen Tiefpaß einzuschalten. Der zweite oder noch ein weiterer Tiefpaß können auch ein schaltungstechnisch bedingter Bestandteil des Frequenzmodulators sein. Dadurch wird jedoch die Regelschleife poten-ÜGTiell instabil, da die Summe der zusätzlichen Phasendrehungen in der Schleife bei einer Schkifenverstärkung > 1 leicht 180° überschreiten kann. Unter dieser Voraussetzung neigt eine solche Anordnung zum Schwingen oder besitzt zumindest ein ungünstiges Einschwingverhalten beim Auftreten von sprunghaften Frequenzänderungen.

Die Verwendung von Tiefpässen der in F i g. 2 dargestellten Art zur Verringerung der Phasendrehung ist nicht möglich, da diese keine ausreichende Siebwirkung für die vom Phasenkomparator abgegebenen Impulse besitzen.

Die Phasenverhältnisse in der Phasenregelschleife sind insbesonders deshalb ungünstig, weil der Phasenkomparator PK als Integrator wirkt und daher eine konstante Phasendrehung von 90° verursacht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Frequenzregeleinrichtung für Frequenzmodulatoren zu entwickeln, die unter optimaler Ausnutzung des zulässigen Phasendrehbereichs eine sehr hohe Frequenzgenauigkeit — auch bei extremen Modulationen — geringen Platzbedarf, geringen Abgleichaufwand, Verwendbarkeit für verschiedene Mittenfrequenzen (z. B. 70 und 140 MHz) besitzt und die Anwendung moderner Technologien und Schaltungsprinzipien ermöglicht.

Es ist eine Schaltungsanordnung zu schaffen, bei der der Phasenvergleich durch einen echten Frequenzvergleich ersetzt wird und somit die Vorbelastung der Regelschleife durch eine Phasendrehung von 90° beseitigt und der erforderliche Spielraum für die optimale Siebung der Korrekturspannung geschaffen wird. Dabei sollen jedoch die für den vorliegenden Anwendungsfall vorteilhaften Eigenschaften der Phasenregelschleife erhalten bleiben und im wesentlichen die gleichen Bausteine verwendet werden.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale.

Der Übergang vom Phasen- zum Frequenzvergleich erfolgt erdindungsgemäß dadurch, daß zwei aus den beiden Signalen in Teilern ihrer Frequenz auf eine sehr niedrige Frequenz geteilte und in dem Phasenkomparator gebildete Impulse den gleichen Anfangszeitpunkt und eine durch die Frequenzablage unterschiedliche Impulslänge haben und daß aus der Impulslängendifferenz ein Korrekturimpuls gebildet wird, dessen Länge der Frequenzablage des frequenzmodulierten Oszillators proportional ist und dessen Polarität die Richtung der Frequenzablage bestimmt, wobei die Regelspannung durch Integration der Korrekairimpulse gewonnen und durch ein Siebglied geglättei wird Es ist zweckmäßig, daß die Teiler nach jeder im Rhythmus der niederen Frequenz erfolgenden Frequenzablagebestimmung in ihre Nullage zurückgestellt werden. Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Regelspannung durch einen Fenstertriggerbaustein überwacht wird und von diesem ein Anzeigesignal hergeleitet wird Ferner ist es möglich, die Teilverhältnisse programmiert veränderbar zu gestalten. Bei Verstimmung des Modulators durch Korrekturimpulse entgegengesetzter Polarität werden die Rückstellimpulse für die Frequenzteiler unterdrückt. Es ist vorteilhaft wenn das Anzeigesignal, welches vom Fenstertriggerbaustein abgeleitet wurde, die Unterdrückung der Rückstellimpulse bewirkt

Durch die folgenden Erläuterungen wird die Erfindung noch näher beschrieben: der Übergang vom Phasen- zum Frequenzvergleich erfolgt dadurch, daß die Frequenzteiler sowohl im Signal- als auch im Referenzzweig auf 0 zurückgestellt und neu gestartet werden, nachdem beide an den Eingängen des Phasenkomparators anliegenden Signale eine halbe Schwingungsperiode gleicher Polarität beendet haben. Durch diese Maßnahme werden die vorderen Flanken der an den beiden Eingängen des Phasenkomparators anliegenden Rechteckschwingungen zwangsläufig zur Deckung gebracht. Der zeitliche Versatz der hinteren Flanken ist dann ein direktes Maß für die Abweichung der Mittenfrequenz des Modulators von dem durch die Referenzfrequenz vorgegebenen Sollwert.

Ein Phasenkomparator spezieller Bauart vergleicht die hinteren Flanken der an seinen beiden Eingängen anliegenden Signale und erzeugt jeweils einen Korrekturimpuls, dessen Länge vom Betrag und dessen Polarität von der Richtung der Frequenzabweichung abhängt. Nach Integration der Korrekturimpulse und anschließender Siebung entsteht eine Regelspannung zur Nachstimmung des Modulators.

Es ist zweckmäßig, die vom Phasenkomparator PK abgeleitete Regelspannung durch einen Fenstertriggerbaustein zu überwachen, der ein Signal abgibt, wenn die Regelspannung einen vorgegebenen Spannungsbereich überschreitet. Der verwendete Phasenkomparator kann beim Einschalten infolge einer dann auftretenden Mehrdeutigkeit KoTekturimpulse falscher Polarität abgeben und dadurch eine starke Verstimmung der Mittenfrequenz des Modulators hervorrufen.

Dieser Zustand wird bei einer echten Phasenregelschleife dadurch beseitigt, daß die Phasen der an den Eingängen des Phasenkomparators anstehenden Signale so lange gegeneinander laufen, bis die Korrekturimpulse die richtige Polarität erreicht haben.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Funktion der beschriebenen Schaltung beim Auftreten von Korrekturimpulsen falscher Polarität in einer Phasenregelschleife umgewandelt, bis die Korrekturimpulse die richtige Polarität aufweisen.

Die Umwandlung geschieht in der beispielhaften Anordnung durch die Unterdrückung der Rückstellimpulse für die Frequenzteiler. Als Kriterium für die Unterdrükkung der Rückstellimpulse wird das Ausgangssignal des oben erwähnten Fenstertriggerbausteins verwendet, der die in Verbindung mit starken Mittenfrequenzverschiebungen auftretenden extremen Regelspannungswertf zuverlässig signalisiert.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, die Teilerverhältnisse der verwendeten Freqauenzteiler programmierbar veränderlich zu gestalten, so daß die Frequenzregeleinrichtung für unterschiedli-

ehe Mittenfrequenzen eingesetzt werden kann.

Mit dieser Anordnung ist es möglich geworden, die abgegebene Regelspannung so weit zu glätten, daß unzulässige Störmodulationen durch die Korrekturimpulse mit Sicherheit vermieden werden und gleichzeitig ein aperiodisches Einregeln der Frequenz nach sprunghaften Frequenzänderungen erreicht wird.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Hier sind an Schaltungsbildern im einzelnen dargestellt:

Inder

Fig. 1 die Anordnung einer bekannten »phase lock Ioop«-Schaltung, in der

Fig. 2 ein Schleifenfilter mit Tiefpaß-Verhalten und in der

Fig.3 die Schaltungsanordnung der gesamten Frequenzregeieinrichtung.

Die F i g. 1 wurde bereits zum Stand der Technik erläutert.

In der F i g. 3 wird das der Frequenzregeleinrichtung am Eingang E zugeführte Signal 51 eines nachzustimmenden frequenzmodulierten Oszillators durch einen Frequenzteiler FTl vorgeteilt. In einem weiteren Frequenzteiler FT2 erfolgt eine Teilung in eine tiefe Frequenzlage. Das Ausgangssignal dieses weiteren Frequenzteilers FT2 wird auf einen Phasenkomparator PK gegeben. Das im quarzgesteuerten Referenzoszillator Or erzeugte Hochfrequenzsignal 52 wird durch einen dritten Frequenzteiler FT3 ebenfalls in eine tiefe Frequenzlage heruntergeteilt und dem zweiten Eingang des Phasenkomparator PK zugeführt.

Parallel dazu steuern die Ausgangsimpulse der Frequenzteiler FT2 und FT3 ein Gatternetzwerk GWan. Wenn diese Signale je eine Halbperiode gleicher Polarität beendet haben, wird durch das Ausgangssignal des Gatternetzwerkes GW ein Monoflop MF getriggert, der einen Rückstellimpuls IR ausreichender Länge erzeugt, der die Frequenzteiler FT2 und FT3 in ihre NuI-lage zurückversetzt. Nach dem Ablauf des Rücksteilimpulses werden die Frequenzteiler für den nächsten Zähl-Vorgang freigegeben.

Die Länge der Halbperioden der Ausgangssignale an den Frequenzteilern FT2 und FT3 sind der nachzustimmenden Oszillatorfrequenz bzw. der Referenzfrequenz umgekehrt proportional.

Durch den gleichzeitigen Zählbeginn beider Frequenzteiler FT2 und FT3 ist der zeitliche Unterschied zwischen den Impulsenden beider Ausgangssignale ein Maß für die Abweichung der nachzustimmenden Oszillatorfrequenz von ihrem Sollwert.

Der Phasenkomparator ist eine digitale flankengesteuerte Speicherschaltung und besteht aus JK-FWpfiops, Steuergattern und einer Tri-State-Ausgangsschaltung (s. Best: Theorie und Anwendung der Phase-Lokked Loops, Elektroniker Nr. 6/1975, EL 9-16). Im Phasenkomparator PK werden die positiven Flanken der !mpulsenden der an seinem Eingang stehenden Signale miteinander verglichen. Bei Phasenungleichheit der Impulsenden gibt der Ausgang des Phasenkomparators über eine der Phasendifferenz entsprechende Zeitdauer einen Korrekturimpuls ab, dessen Polarität von der zeitlichen Folge der Impulsenden und somit von der Richtung der Frequenzablage des nachzustimmenden Oszillators bestimmt wird. Der Phasenkomparator gibt an seinem Ausgang so lange Korrekturimpulse entsprechender Polarität ab, bis Phasengleichheit zwischen den Enden der Taktimpulse besteht Der nachgestimmte Oszillator schwingt dann auf seiner Sollfrequenz.

Die Korrekturimpulse werden in einem nachfolgenden Speicher 5p 1 integriert. Die dem Speicher 5p 1 eigene Entladezeitkonstante t\e ist sehr groß, während die Ladezeitkonstante Tu. relativ klein ist. Die integrierten Spannungswerte werden somit über eine im Verhältnis zur Korrekturimpulsfolge langen Zeit gespeichert.

Der Gleichspannungsverstärker Vl trägt mit seinem hohen Eingangswiderstand zur Verwirklichung der großen Entladezeitkonstante v\e bei. Die gewonnene Regelspannung wird in einem Siebglied 5 geglättet und ist über einen weiteren Gleichspannungsverstärker V2 an dem Regelspannungsausgang A 1 verfügbar, der mit dem Nachstimmeingang des frequenzmodulierten Oszillators verbunden ist.

Die Regelspannung am Ausgang A 1 wird durch einen Fenstertriggerbaustein FTr überwacht. Am Anzeigeausgang A 2 stellt sich dann ein Signal ein, wenn die Regelspannung um einen fest gelegten Betrag von ihrem Mittelwert abweicht, d. h. wenn eine starke Frequenzverschiebung des nachzustimmenden Oszillators auftritt.

Eine beim Einschalten der Anordnung mögliche größere Verstimmung der Mittenfrequenz eines Modulators ruft am Ausgang des Fenstertriggerbausteins FTr ebenfalls ein Signal hervor, das dem Gatternetzwerk G W zugeführt wird und dort die Erzeugung der Rückstellimpulse für die Frequenzteiler FT2 und FT3 unterbricht.

Die Schaltungsanordnung arbeitet so lange als Phasenregelschleife, bis die Regelspannung am Ausgang A 1 in den Fensterbereich des Fenstertriggerbausteins FTr gezogen ist und die Erzeugung der Rückstellimpulse freigegeben wird.

Durch ein umschaltbares oder programmierbares Verändern des Teilungsverhältnisses der Frequenzteiler FT1, FT2 oder FT3 läßt sich die Frequenzregeleinrichtung auf unterschiedliche Mittenfrequenzen von Frequenzmodulatoren anpassen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Regelung der Mittenfrequenz eines frequenzmodulierten Oszillators, mit einem ersten Frequenzteiler zur Teilung der Frequenz dieses Oszillators und einem zweiten Frequenzteiler zur Teilung der Frequenz eines Referenzoszillators, wobei zur Regelung die bei der Frequenzteilung erzeugten zwei Signale, in einem Phasenkomparator miteinander verglichen werden, der seinersejts Korrekturimpulse erzeugt, aus denen durch Integration eine Regelspannung für den frequenzmodulierten Oszillator erhalten wird, dadurch gekenn-

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bzw. in der Frequenz modulierbare Oszillatoren benötigt, deren Mittenfrequenzen sehr genau konstant gehalten werden müssen. Da die Frequenzmodulatoren, die mit Rücksicht auf gute Moduiationseigenschaften überwiegend als LC-Oszillatoren oder Multivibratoren ausgebildet sind, die geforderte Frequenzkonstanz meist nicht von selbst erreichen, werden besondere Frequenzregeleinrichtungen benötigt

Eine Frequenzregeleinrichtung, wie sie aus Internationale Elektronische Rundschau, 1974, Nr. 12, S. 214—245 bekannt ist vergleicht die Mittenfrequenz des von einem Frequenzmodulator abgegebenen Signals mit einer Referenzfrequenz hoher Genauigkeit und erzeugt eine zur Frequenzablage proportionale Regel-

zeichnet, daß die durch die Frequenzteilung er- 15 spannung, mit deren Hilfe der Frequenzmodulator autohaltenen zwei Signale sowohl dem Phasenkompara- matisch nachgestimmt werden kann, tor (PK) als auch einer Verknüpfungsschaltung

(GW) zugeführt werden, daß das aus der Verknüpfung erhaltene Signal (JR) zur gleichzeitigen Zurückstellung der Frequenzteiler (FTl, FT3) im Oszillator- und Referenzfrequnzzweig verwendet wird, und daß die Zurückstellung erst nach Ablauf der längeren der den zwei Signalen zugehörenden Halbwellen erfolgt

Da das von einem Frequenzmodulator abgegebene Signal in der Frequenz moduliert ist soll dessen Mittenfrequenz als Mittelwert über einen Zeitraum definiert werden, der groß gegen die Periodendauer der tiefsten vorkommenden ModuJationsfrecjuenz ist

Die Entwicklung geeigneter Frequenzregeleinrichtungen wird durch extreme Modulationen — wie sie beispielsweise in der Richtfunktechnik vorkommen —

2. Einrichtung zur Regelung der Mittenfrequenz 25 erschwert. So können bei einer Mittenfrequenz von eines frequenzmodulierten Oszillators nach An- 70 MHz Frequenzhübe von ±14 MHz und Modulaspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal
(JR) zur Zurückstellung der Frequenzteiler (FT2,

FT3) unterdrückt wird, wenn der frequenzmodulier-

tionsfrequenzen bis zu 10 MHz auftreten, die in Verbindung mit Nichtlinearitäten des Frequenzdiskriminators der Frequenzregeleinrichtung Mittenfrequenzverschie-

te Oszillator durch Korrekturimpulse mit der zur 30 bungen verursachen können. Bei der Übertragung von normalen Arbeitsweise entgegengesetzten Polarität Fernsehsignalen ergeben sich durch schwarz/weißverstimmt anstatt nachgestimmt wird. Sprünge im Fernsehbild in Verbindung mit den Koppel-

3. Einrichtung zur Regelung der Mittenfrequenz zeitkonstanten vor der Modulation langsam verlaufeneines frequenzmodulierten Oszillators nach An- de Einschwingvorgänge mit einer Periodendauer von spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Pha- 35 ca. ί sec, die durch die Frequenzregeleinrichtung nicht senkomparator (PK) abgeleitete Regelsignal (A 1) in unzulässiger Weise beeinflußt werden dürfen, durch einen Fenstertriggerbaustein (FTr), der beim Es sind bereits eine Vielzahl von Frequenzregeiein-Über- oder Unterschreiten eines bestimmten Span- richtungen bekannt, die den gestellten Anforderungen nungsbereiches anspricht, überwacht wird. nur zum Teil gerecht werden. Eine unter modernen Ge-

4. Einrichtung zur Regelung der Mittenfrequenz 40 Sichtspunkten vorteilhafte Anordnung zur Frequenzreeines frequenzmodulierten Oszillators nach An- gelung ist die bekannte »phase lock loop«-Schaltung,

spruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß von dem Fenstertriggerbaustein (FTr) ein Anzeigesignal (A 2) zur Alarmanzeige hergeleitet wird.

5. Einrichtung zur Regelung der Mittenfrequenz eines frequenzmodulierten Oszillators nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Anzeigesignal des Fenstertriggerbausteins (FTr) die Unterdrückung des Signals (JR) zur Zueine Phasenregelschleife (s. Best: Theorie und Anwendung der Phase-Locked Loops, Elektroniker Nr. 6/1975, EL 9-16.)

Diese Einrichtung soll anhand von F i g. 1 erläutert werden.

Das vom Frequenzmodulator FM abgegebene freuqenzmodulierte Signal wird durch einen ersten Frequenzteiler FTt bis auf eine niedrigere Frequenz her-

rückstellung der Frequenzteiler (FT2, FT3) bewirkt 50 untergeteilt und dem einen Eingang des Phasenkompawird. rators PK zugeführt. Der zweite Eingang des Phasen

komparator PK wird mit einer Referenzfrequenz fr

gespeist, die zweckmäßigerweise über einen zweiten

Frequenzteiler FT2 aus einem quarzgesteuerten Oszillator Or abgeleitet wird.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung Das am Ausgang des Phasenkomparators PK entste-

zur Regelung der Mittenfrequenz eines frequenzmodu- hende Korrektursignal UK wird über mindestens einen lierten Oszillators, mit einem ersten Frequenzteiler zur ersten Tiefpaß TPX mit sehr niedriger Grenzfrequenz, Teilung der Frequenz dieses Oszillators und einem vorzugsweise noch über einen zweiten Tiefpaß PT2, zweiten Frequenzteiler zur Teilung der Frequenz eines 60 dem Nachstimmeingang des Frequenzmodulators FM Referenzoszillators, wobei zur Regelung die bei der zugeführt.

Frequenzteilung erzeugten zwei Signale in einem Pha- Durch ein ausreichend hohes Teilerverhältnis des

senkomparator miteinander verglichen werden, der sei- Frequenzteilers FTi kann der Modulationsindex des nerseits Korrekturimpulse erzeugt, aus denen durch In- frequenzmodulierten Signals am Eingang des Phasentegration eine Regelspannung für den frequenzmodu- 65 komparator PK so weit reduziert werden, daß ein Auslierten Oszillator erhalten wird. rasten der Regelschleife durch extreme Modulationen

In der Nachrichtentechnik — insbesondere in der vermieden wird. Die durch die Modulation bedingten

Richtfunktechnik — werden

insbesondere in der Frequenzmodulatoren

Frequenzschwankungen werden bei Verwendung eines