DE2643142A1

DE2643142A1 - Vorrichtung zur phasenregelung eines oszillators

Info

Publication number: DE2643142A1
Application number: DE19762643142
Authority: DE
Inventors: Erhard Dipl Ing Graf; Jean-Pierre Wiedmer
Original assignee: Oscilloquartz SA
Current assignee: Oscilloquartz SA
Priority date: 1976-06-24
Filing date: 1976-09-24
Publication date: 1977-12-29
Also published as: JPS531442A; IT1076765B; FR2356309A1; FR2356309B1; GB1563557A; SE7707116L; FI771927A; CH615789A5; NL7706786A; US4107623A

Description

Oszilloquartz SA _ Neuchätel (Schweiz)

Vorrichtung zur Phasenregelung eines Oszillators

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Phasenregelung eines OszilLators, insbesondere eines Quarzoszillators. Auf mehreren Gebieten, z.B. auf den Gebieten der Nachrichtentechnik und der Zeitmessung;, finden Quarzoszillatoren Verwendung, die in ihrer Phase nach einer langzeitig ausserordentlich konstanten Referenzfrequenz geregelt werden. Diese kann beispielsweise von einem Cäsium-Frequenznormal geliefert werden. Der temperaturgeregelte Quarzoszillator hoher Oualität ist heute die konstanteste, auf dem Markt erhältliche Frequenzquelle für Beobachtungszeiten bis zu einigen Hunderten von Sekunden. Die langsame Frequenzabwanderung (Alterung) macht von Zeit zu Zeit eine Nachstellung der Frequenz des Ouarzoszillators nötig. Die Frequenzabweichung eines Cäsiumfrequenznormals z.B. sind kleiner als die eines Ouarzoszillators für Beobachtungszeiten länger als einige Hunderte von Sekunden. Die Kurven der Fig. 1 geben die Haupteigenschaften des Quarzoszillators und des Cäsiumnormals wieder. Für Beobachtungszeiten T zwischen ungefähr einer und hundert Sekunden hat der Quarzoszillator, dessen Kennwerte durch die strichpunktierte Kurve Q wiedergegeben sind, eine Frequenzabwanderung von etwa 10~^-2. Für Beobachtungszeiten u kleiner als ungefähr hundert Sekunden ist das Cäsiumnormal weniger konstant, was durch die Kurve E dargestellt ist. Auf Fig. 1 sieht man, dass die Frequenzabweichungen eines Atomnormals kleiner sind als die des Quarzoszillators für Beobachtungszeiten T grosser als einige Hunderte von Sekunden. Infolgedessen sollte die Regelzeitkonstante eines Ouarzoszillators für die Regelung durch die Referenzschwingungen eines Atomnormals in der Grössenordnung von 100 bis 500 see liegen,

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MS/mp/19 710
Fall 1

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um (Ii ο Vorteile beider Frequenzquellen auszunutzen. Eine Analog-Regeleinrichtung für die Phasenregelung eines Quarzoszillators nach der Schwingung eines Normals muss eine beträchtliche Verstärkung haben, um die langsame, durch die Alterung hervorgerufene Abwanderung der Quarzfrequenz zu korrigieren. Jedoch ist es ausserordentlich schwierig, praktisch sogar unmöglich, mit analog arbeitenden Mitteln eine Regelschleife aufzubauen, die sowohl die notwendige Verstärkung als auch eine Zeitkonstante von einigen Hunderten von Sekunden hat.

Andererseits ermöglicht eine digital arbeitende Regelsclü eife nicht eine Regelung des Quarzoszillators in so kleinen Schritten, dass die Phasenabweichung zwischen der Schwingung des < uarzoszillators und der des Normals immer innerhalb der gewünschten Grenzen bleibt. Digitale Speicher mit sehr hoher Kapazität und Ausgängen z.B. von 12 Bits gestatten eine Regelung in 4000 Schritten, was ungenügend ist, um einen Ge- ^anitregelbereich zu erhalten, der ausreicht, um den Quarzoszillator währendJahren zu regeln und um gleichzeitig eine genügend feine Regelung zu erhalten.

Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, eine praktisch stufenlose Regelung und eine Korrektur der langsamen Frequenzabwanderung des Quarzoszillators in einem sehr grossen Bereich zu bewirken, wobei die Eigenschaften und Vorteile des Quarzoszillators und des Atomnormals optimal kombiniert werden. Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei parallelgeschaltete Regelschleifen enthält, von denen eine digital arbeitet und zur Steuerung einen vor- und rückwärtszählenden Zählerspeicher enthält, während die andere analog arbeitet und eine Schaltung mit veränderlicher Verstärkung enthält, und dass beide Regelschleifen gleichzeitig die Phase des genannten Osziltdrors regeln.

Durch die Kombination der Wirkung der beiden Regelschleifen erhält man optimale Regelbedingungen. Die digitale Schleife gestattet, die langsame Frequenzabwanderung des Quarzoszillators in verhältnismässig groben Schritten und in einem sehr grossen Bereich zu korrigieren, während die Analogschleife die

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Feinregelung /,wischen den Schritten der digitalen Regel sch I ei i"e ausfülirt. Wenn das Normal ausfällt, speichert der Zäh Lor^pn.ieher der Digii.alsr:hleif e die Frequenz des Ouarzoszil 1 a Lor« , sodass dieser auf der richtigen Frequenz weiterschwin/^t.. ICi ne solche Speicherung eines Korrekturwertes, die auf den f'uarzoszillator einwirkt, wäre mit einer reinen Anal ogregeluii.f nicht möglich. Andererseits benötigt die Analog.schl eii'e nur eine Verstärkung, die ausreicht, um die Feinregelung zwischen zwei Schritten der Digitalschleife durchzuführen; deswegen ist es möglich, eine Analogschleife aufzubauen,deren Zeitkons taute genügend gross ist, um die Vorteile der beiden Frequenzquellen optimal auszunutzen. Die Verstärkung der Analogregelschleife kann verändert werden, sodass de;r Zählerspeicher der Digitalschleife während einer verhältnismässig kurzen Einschaltphase einregelt, wonach fixe Verstärkung der Analogschleife auf einen Wert reduziert wird, bei welchem man leicht eine Zeitkonstante der gewünschten Grosse erhält.

l!ie Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren beschrieben. Diese stellen zwei Ausführungsformen der erfindungsgemässen Regelschleife und zwei Zeitfunktionen dar.

Pig. I gibt die Frequenzkonstanz der beiden Frequenzquellen in Abhängig) von der Zeit wieder.

Pig. 2 ist ein '-Schaltbild einer ersten Ausführungsform der Kegelschleife,

Fig. 3 zeigt Spannungsverläufe zur Erläuterung der Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 2,

Fig. k schliesslich ist eine Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform.

Die in Fig. 2 gezeigte Anordnung enthält einen Quarzoszillator 1, dessen Ausgangsfrequenz f_s zu einer nicht gezeigten Anordnung übertragen wird. Der Quarzoszillator wird nach einem Cäsiuiiinornial 2 geregelt, welches eine Schwingung mit einer Nornialfrequenz f_e liefert. Die Frequenzen f_e und f_s werden zu den Eingängen einer Phasenvergleichsschaltung 3 geführt; das Ausgangssjgnal dieser Phasenvergleichsschaltung geht zu einem

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BAt)

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Integrierfilter k, dessen Ausgang mit dem Eingang einer umschaltbaren Dämpfungsschaltung verbunden ist. In einem ersten Zustand ist der Ausgang der Dämpfungsschaltung auf dem Pegel 1, in dem zweiten Zustand etwa auf dem Pegel 1/100. Das Ausgangssignal der Dämpfungsschaltung 5 wird zu einem der Eingänge einer Addierschaltung 6 geführt, deren Ausgang mit dem Korrektureingang des Quarzoszillators ι verbunden ist.

Der Ausgang des Integrierfilters k ist mit einem der Eingänge von drei Sxjannungsvergleichschaltungen 7> 8 und 9 verbunden. Die anderen Eingänge der Vergleichschaltungen 7 und 8 sind an vorgegebene Schwellenspannungen gleicher Grosse, aber entgegengesetzten Vorzeichens (+UD bzw -UD) angeschlossen. ^Der andere Eingang der Vergleichschaltung 9 ist mit dem Ausgang eines Digital/Analog-Wandlers 10 verbunden. Ein Umschalter 11 verbindet den zweiten Eingang der Additionsschaltung entweder mit einer vorgegebenen Schwellenspannung,.z.B. der Masse, oder mit dem Ausgang des D/A-Wandlers 10.

Die Ausgänge der Vergleichsschaltungen 7 bis 9 sind mit einem der Eingänge der UND-Tore 12 bis l4 verbunden, während ein Inverter 16 zwischen der Spannungsvergleichsschaltung 9 und dem UND-Tor 15 liegt. Die Ausgänge der Tore 12 und l4 bzw. der Tore 13 und 15 gehen zu den Eingängen eines UND-Tores 17 bzw. eines UND-Tores 18. Der Ausgang des Tores 17 ist mit dem Vorwärtseingang (+) des Vor- und RückwärtsZählers 20 verbunden, während der Ausgang des Tores 18 am Rückwärtseingang (-) dieses Zählers 20 liegt. Die Tore lk und 15 werden durch einen Korrekturfrequenzgenerator 21 gesteuert, während die Tore 12 und 13 durch einen anderen Korrekturfrequenzgenerator 22 gesteuert werden. Die Frequenz des Generators 21 ist höher als die des Generators 22, was durch Impulse an den Ausgangsleituiigen dieser Generatoren angedeutet ist.

Die Schaltung enthält einen Generator 23 für eine Startimpulsfolge, der eine Folge von Vorgängen vor allem beim Einschalten der Regelschleife steuert. Ein Pegeldetektor 2k liefert ein AuS|-;angssignal A, wenn das Normalfrequenzsignal f_e ausfällt. Dieses Signal A gestattet, den Impulsfolgegenerator 23 zu steuern und sperrt jeden Vorgang, der das zum Quarzoszillator 1 übertragene Korrektursignal ändern könnte.

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Die Re.-yelschleif e ist in ihrem Eins ehalte zustand dargestellt, in dem der Umschalter 11 einen der Eingänge der Addierschal t 6 mit dem Schwelleiipotential 0 verbindet. Der Generator 21 wird durch den Ausgang a des Impulsfοigegenerators 23 eingeschaltet. Dadurch wird eine Impulsreihe zu den Toren I^ und 15 übertragen. Die Normalfrequenz und die Ausgangsfrequenz des Quarzoszillators liegen an der Phasenvergleichsschaltung 3 an. Je nach dem Vorzeichen und der Phasenverschiebung zwischen diesen Frequenzen erzeugt die Vergleichsschaltung 3 ein von der Phasenverschiebung abhängiges, positives oder negatives Ausgangssignal. Dieses Signal der Vergleichsschaltung 3 wird in dem Integrierfilter k integriert und geht dann zur Spannuiigsvergleichsschaltung 9 · Es sei angenommen, dass der Zähler 20 sich in einen Zwischenstellung befindet, d.h. dass er eine Anzahl von Schritten gespeichert hat, die etwa der Hälfte des Zählbereichs des Zählers entspricht. Der Digital/Analog-^

(Hälfte Wandler 10 .liefert ein Ausgangssignal, welches ebenfalls etwa der) der maximalen Korrekturspannung entspricht, die durch diesen Wandler erzeugt werden kann. Diese Ausgangsspannung DA wird in der Spannungsvergleichsschaltung 9 mit der Ausgangsspannung PI des Integrierfilters k verglichen. Je nach dem Vorzeichen der Differenz der beiden Spannungen erzeugt die Vergleichsschaltung 9 ein positives oder negatives Ausgangssignal. Wenn dieses Signal positiv ist, geht jeder Impuls, der vom Generator 21 kommt durch das Tor lk zum Tor 17 und weiter zum Vorwärtseingang des Zählers 20. Zusätzliche Vorwärtszähliiiipulse werden dann auf dem gleichen Wege mit der vom Generator 21 erzeugten Impulsfrequenz übertragen, bis die im Zähler 20

iso Ärossl ist, dass die „ .

gespeicherte Zahl) Ausgangsspannung DA des Digxtal/Analog-Wandlers 10 gleich der Spannung FI ist. Dieser Vorgang ist in Fig. 3 wiedergegeben, welche einen Anstieg der Spannung FI bis zu einem bestimmten Wert zeigt, während die Ausgangsspannung des Wandlers 10 Schritt für Schritt bis/zum gleichen Wert steigt. Während der Anschaltezeit, die auf Fig. 3 mit T_T bezeichnet ist, wird die Ausgangsspannung FI über die Dämpfungsschaltung 5) die Addierschaltung 6 zum Korrektureingang des Quarzoszillators 1 geleitet. Diese Korrekturspannung entspricht der Spannung, die nötig ist, um die Ouarzfrequenz genau auf die Normalfrequenz einzustellen und um die

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Schwingung des Oszillators 1 in Phase mit der Schwingung des Frequenznormals 2 zu halten. Am Ende der Anschaltzeit T_T wird der Generator 2J angehalten; praktisch im gleichen Zeitpunkt werden die Ausgänge t>, £ und d_ des Impulsfolgegenerators 23 aktiviert, sodass der Generator 22 eingeschaltet und der Umschalter Il umgelegt wird, womit der Ausgang des Wandlers 10 mit der Spannung DA zur Addierschaltung 6 durchgeschaltet wird. Nach dem Umlegen des Umschalters ist die Korrekturspannung des Oszillators 1 gleich der Summe der Spannungen DA und FI, die Analogschleife bringt die Spannung FI auf einen Wert annähernd gleich Null. Die Korrekturwirkung bleibt so dieselbe und der Ouarzoszillator 1 schwingt weiter mit der gewünschten Frequenz in Phase mit dem Normalsignal, welches vom Normalfrequenzgonerator 2 erzeugt wird. Die Spannungsvergleichsschaltungen 7 und 8 erzeugen Ausgangssignale des Wertes Null und keine Korrektur wird vorgenommen. Dieser Zustand ist in der Figur 3 durch die Zeit T_n angezeigt. Die Länge dieser Zeitspanne T_n wird durch den Impulsfolgegenerator 23 bestimmt und dauert einige Sekunden. Der normale Betriebszustand T_n beginnt mit der Veringerung der Analogverstärkung mit Hilfe der Dämpfungsschaltung 5 (Ausgang d_ des Impulsfolgegenerators 2k) und dem Einschalten des Generators 22, das durch den Ausgang b_ desselben Generators gesteuert wird. Die Regelung erfolgt dann mit einer grossen Zeitkonstante. Wegen des langsamen Abwanderns der Frequenz des Quarzoszillators, die durch die Alterung des Ouarzes hervorgerufen wird, entsteht später eine Frequenz- und Phasenabweichung, die eine steigende Spannung am Ausgang des Integrierfilters k zur Folge hat. Wenn diese Spannung den Pegel U erreicht, erzeugt je nach Vorzeichen der Spannung F_T entweder die Vergleichsschaltung 7 oder die Vergleichsschaltung 8 ein .Signal, das einen Impuls des Generators 22 über eines der Tore 12 oder 13 und eines der Tore 17 oder 18 zu einem der Eingänge des Zählers 20 durchschaltet. Auf diese Weise wird der Zähler und infolgedessen das Ausgangssignal des Digital/Analog-Wandlers 10 angepasst. Zur gleichen Zeit wird das Integrierfilter h auf Null zurückgestellt. Die gleichen Vorgänge wiederholen sich, wie in Fig. 3 gezeigt, während der Zeit T„ des normalen Betriebes. Diese Figur zeigt, wie die Ausgangsspannung DA kor-

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rigiert wird, entweder schrittweise erhöht, wie im Βαχπμ.ϊοΐ dargestellt oder erniedrigt. Zwischen diesen Schritten bewirkt: die Analogschleife eine Feinregelung des Quarzoszillators, in welcher ungefähr 1/100 der Spannung FI durch die Dämpfuiigssdu» L-tung 5 und die Additionsschaltung 6 zum Quarzoszillator übertragen wird. Dieser Oszillator ist al .so ständig f eingertsfel t. Die Schritte der Spannung DA sind beispielsweise etwa 2 , ^r) mV Lioch. Für 4000 Schritte des Zählers 20 ergibt sich damLt ein Regelbereich"von etwa 10 V.

Die hohe Dämpfung des Aus gangs signals der Integriert'! 1 Lors 4 hat besondere Vorteile. Wegen dieser Dämpfungist die Zeitkonstante der Analogschleife sehr gross, d.h. die besonderen Eigenschaften der beiden Frequenzquellen werden auf das Vorteilhafteste genutzt. Ausserdem kann die Messung durch die Vergleichsschaltungen 7 bis 9 auf einem Spannungspegel von beispielsweise 2.50 mV durchgeführt werden.

Wenn der Zähler 20 am Ende seines Zählbereichs ankommt, wird der Trimmer des Quarzoszillators in der gewünschten Richtung verstellt und die Regelanordnung wird in ihren Einschaltezustand gebraclit, wie in der Figur dargestellt. Der Zählerspeicher 20 wird wieder auf einen zweckmässigen Wert eingestellt, der in der Mitte des vollen Zählbereiches dieses Zählers liegen kann. Wenn man die Richtung der systematischen Frequenzabweichung des Quarzoszillators kennt, kann man auch eine Anfangsstellung des Zählers 20 wählen, die nachher eine gross ere Korrektur in einer Richtung ermöglicht.

Wenn die Norinalfrequenz f_e ausfällt, übermittelt der Pegeldetektor 24 ein Signal A an den Impulsfolgegenerator 231 durch welches die Ausgänge a und b_ gesperrt werden, sodass die Generatoren 21 und 22 angehalten werden. Dann wird keine Korektur mehr durchgeführt und der Zählerspeicher 20 zusammen mit dem Wandler 10 speichert die letzte Korrekturspannung für den Oszillator.

Eine Anordnung zur Frequenzerzeugung mit hoher Redundanz kann mittels zweier Quarzoszillatoren erhalten werden, wobei der zweite durch den ersten und dieser durch das Cäsiumnormal phasengeregelt wird. Eine Anordnung dieser Art ist in Fig. 4

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dargestellt, auf welcher der Ouarzoszillator 1 und das Cäsiumnormal 2 erkennbar sind, die den in Fig. 2 dargestellten Ki η-heiten 1 und 2 entsprechen. Die Regelanordnung 30 entspricht der in Fig. 2 dairgestellten. Der zweite Quarzoszillator 31 wird iuich der Phase des ersten Quarzoszillators 1 initteLs einer Regelschleife 32 geregelt, die der in Fig. 2 wiedergegebenen entspricht. Die Ausgänge der beiden Quarzoszillatoren werden aussohlieaslich durch passive Elemente vektoriell addiert, was wegen der verschwindenden oder sehr kleinen Phasenverschiebung zwischen den beiden Signalen möglich ist. Wenn die Normalfrequenz ausfällt, sind die Oszillatoren weiter in Phase und ihre Frequenzen entsprechen^ im Augenblick des Ausfalls der Normal·- frequenz f_e>der letzten Korrektur des digitalen Teiles der Regelung des ersten Quarzoszillators. Bei Ausfall des Signals des Cuarzoszillators 1 fährt der zweite Quarzoszillator 31 in entsprechender Weise fort, mit der letzten Korrektur zu arbeiten. Eine solche Anordnung ist sehr zuverlässig; ihre Frequenzkonstanz setzt sich aus der der Quarzoszillatoren und der des Cäsiumnorrnals zusammen.

Die Umschaltung der Stromkreise, die in Fig. 2 am Ende der Einschaltzeit Ti gezeigt ist, kann von Hand erfolgen, ist aber normalerweise automatisch gesteuert. Die Umschaltung kann durch eine nicht dargestellte Zeitschaltung ausgelöst werden, die auf eine feste Zeit eingestellt ist, während der die Einschaltphase mit Sicherheit zu Ende geht, d.h. der Zählerspeicher 20 eingestellt ist. Die Umschaltung kann aber auch durchgeführt werden, wenn die Ausgangsspannung der Vergleichsschaltung9 während der Einschaltzeit zwischen 0 und 1 hin und her wechselt und damit anzeigt, dass die Spannungen DA und FI den gleichen Wert haben bis auf den Auflösungsfehler des Wandlers 10.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

[ Iy Vorrichtung zur Phasenregelung eines Präzisionsoazil1atο rs, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei parallelgerchaltele Kegelschleifen enthält, von denen eine digital arbnitet und zur steuerung einen vor- und rückwär tszälil end en Zäh] erspeicfmr enthält, t^ährend die andere analog arbeitet und eine Schaltung mit veränderlicher Verstärkung enthält, und dass beide Regelschleifen gleichzeitig die Phase des genannten Oszillators regeln.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Einschaltzustand und einen normalen Betriebszustand gibt und dass eine Umschaltmöglichkeit zwischen beiden Zuständen besteht.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung automatisch erfolgt.
h. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenfehlersxgnal für die analoge und die digitale Regelschleife gemeinsam ist.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Phasenfehlersignal mit wenigstens einer Referenzspannung verglichen wird.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass

die genannte Referenzspannung im Einschaltezustand gleich der

<ist Au s gangs spannung des Digital/Analog-WandlerS) und. im normalen Betrieb aus zwei festen Spannungen gleicher Grosse, aber entgegengesetzter Polarität besteht.
7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Einschaltzustand der vorwärts- und rückwärtszählende Zälilerspeicher solange vorwärts geschaltet wird, bis das Phasenfohlersignal und das- Aus gangs signal des Digital/Analog-Waiidl ers gleich sind.
8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung des Verstärkers mit veränderlicher Verstärkung im Einschaltezustand grosser als 1, im normalen Betriebszustand aber kleiner als 1 ist.

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ORIGINAL /NSPECTED

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^l>. Anordnung naoii Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass iμ normalen Betriebszustand die Verstärkung kleiner als 1 so gewählt ist, da.'-H die Zeitkonstante der analogen RegelschLeife gross ist, damit der Aenderungsbereich der genannten Schleife eine kontinuierliche Feinregelung zwischen zwei Grobregelstufen der digitalen Regelschleife erlaubt.

10 Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Verstärkung des genannten Stromkreises im Ein-.schal tezus tand zur Verstärkung des genannten Stromkreis es im normalen Betriebszustand mindestens gleich 10 ist.

Ll. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Additionsschaltung, die durch die digitale und analoge Re_;";oJ schleif e erzeugten Korrektursignale addiert.

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