DE2905395A1

DE2905395A1 - Digitaler frequenzumsetzer

Info

Publication number: DE2905395A1
Application number: DE19792905395
Authority: DE
Inventors: Frank Lynch
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1978-02-15
Filing date: 1979-02-13
Publication date: 1979-08-16
Also published as: GB2014768B; GB2014768A; US4166249A; CA1104663A; JPS54117667A

Description

Die Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen frequenzstarren Umsetzer zu schaffen, welcher ein Ausgangssignal liefert_r dessen Frequenz in einem vorgegebenen Verhältnis zur Frequenz eines überwachten Eingangssignales liegt» Diese Aufgabe wird gelöst durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung. Der digitale Frequenzumsetzer umfaßt einen binären Frequenzmultiplizierer, der zwischen einem Festfrequenzgenerator und dem Umsetzerausgang derart eingeschaltet ist, daß er das Generatorausgang sslgnal entsprechend einem dem Multiplizierer zugeführten Digitalwort ändert. Ein Vor-/Rückwärtszähler liefert ein dem Zählstand entspxfechendes Digitalwort an den Multiplizierer. Seine Frequenz wird während einer Periode des Eingangssignals mit der Eingangssignalfrequenz verglichen, um auf diese Weise eine vorgegebene Beziehung zwischen den beiden Frequenzen aufrecht zu erhalten. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den UnterAnsprüchen.

Die Erfindung wird nachfolged anhand in der Zeichnung wiedergegeben«_rAusführungsbeispiele erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 das Blockschaltbild eines digitalen Frequenzumsetzers und

Fig. 2 einen abgewandelten Teil der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1.

Der in Fig. 1 dargestellte digitale Frequenzumsetzer erzeugt eine Ausgangsfrequenz, welche frequenzstarr ein vorgegebenes Vielfaches der Eingangssignalfrequenz darstellt. Ein Eingangssignal veränderbarer Frequenz wird der Eingangsklemme 2 am Eingang eines Schmitt-Triggers 4 zugeführt. Sein Ausgang ist mit dem Eingang einer digitalen Differenzierschaltung 6 verbunden, welche beispielsweise aus Flip-Flops und Gattern aufgebaut sein kann. Eine solche Differenzierschaltung speichert das Ausgangssignal des Schmitt-Triggers 4 und benutzt ein Taktsignal, um zwei mit dem Taktsignal sychronisierte Impulse zu bilden, welche die Periodendauer des Rechteckssignals des

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Schmitt-Triggers bestimmen. Der Ausgang der Differenzierschaltung 6 ist einerseits an den einen Eingang eines UND-Gatters 8 und andererseits an die Löscheingänge L eines Zählers 10 sowie eines Flip-Flops 12 angeschlossen. Ein in Fig. 1 nicht dargestellter Aktivierungseingang E des Zählers 10 liegt ständig an Spannung. Der Übertragausgang U dieses Zählers ist mit dem einem Eingang eines NOR-Gatters 14 verbunden, dessen zweiter Eingang an eine Eingangskleirane 16 liegt. Der Ausgang des NOR-Gatter ε 14 steht mit dem zweiten Eingang des UND-Gatters 8 in Verbindung, dessen Ausgang mit dem Aktivierungseingang E eines Vor-/Rückwärtszählers 18 verbunden ist. Die Ausgangsleitungen 20 dieses Zählers 18, welche ein dem jeweiligen Zählstand entsprechendes Binärwort übertragen, sind an einen Freguenzmultiplizierer 22 angeschlossen. Hierfür eignet sich beispielsweise ein binärer Freguenzmultiplizierer vom Typ 7697 der Firma Texas Instruments.

Dem Freguenzmultiplizierer 22 wird ferner das Ausgangssignal eines Festfrequenzgenerators 24 zugeleitet, während sein Ausgangssignal einerseits an der Klemme 26 als Ausgangssignal des Umsetzers zur Verfügung steht und andererseits über Leitungen 28 an die Takteingänge T der Zähler 18 und 10, des Flip-Flops 12 sowie der Differenzschaltung 6 geleitet wird. Der Ubertragausgang des Zählers 10 liegt ferner am Setzeingang des Flip-Flops 12 dessen Ausgang Q mit dem Steuereingang C des Zählers 18 in Verbindung steht und dort die Zählrichtung des Zählers 18 bestimmt.

Bei der abgewandelten Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist der komplementäre Ausgang Q des Flip-Flops 12 mit dem in Fig. 2 eingezeichneten Aktivierungseingang E des Zählers 1OA verbunden, wodurch der Frequenzbereich des Umsetzers zu niedrigen Frequenzen hin vergrößert wird. Während in Fig. 1 der dort nicht eingezeichnete Aktivierungseingang ständig an Spannung liegt und damit den Zähler fortlaufend zur Aufnahme von Eingangssignalen bereithält, wird in Fig. 2 der Aktivierungseingang selektiv

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- 5 -durch das Ausgangssignal Q des Flip-Flops 12 gesteuert.

Der digitale Frequenzumsetzer gemäß Fig. 1 erzeugt ein Ausgangssignal veränderbarer Frequenz am Ausgang 26. Dieses Ausgangssignal ist auf ein vorgegebenes Vielfaches (K) der Frequenz des Eingangssignals an der Eingangssklemme 2 verriegelt. Dieses Vielfache (K) ist ein ganzzahliges Vielfaches und zugleich der Moduli— 1

lus des Zählers 10 der bei einem Zählstand von 2 ein Übertragsignal liefert. Die Ausgangsfrequenz am Ausgang 26 entspricht der Frequenz des, Generators 24 multipliziert mit dem Verhältnis der im Zähler 18 gespeicherten Zahl H dividiert durch 2^N, wobei N die Bit-Länge des Frequenzmultiplizierers und des Vor-/RückwärtszShlers 18 ist. Nach jedem Zyklus des Eingangssignals an der Klemme 2, wird der Zählstand Im Zähler 18 um einen Schritt herauf- oder herabgesetzt, um auf diese Weise die Frequenzregelschaltung abzugleichen. Diese Steuerung des Zählers 18 erfolgt durch den Modulo-K-Zähler 10, welcher die Anzahl der während einer Periode des Eingangssignals auf der Leitung 28 auftretenden Impulse zählt.

Die Dauer der Eingangssignalperiode wird durch Umwandlung des Eingangssignals in ein Rechtecksignal bestimmt. Hierzu dient der Schmitt-Trigger 4. Anschließend wird das Rechtecksignal in der digitalen Differenzierschaltung 6 differenziert, so daß zwei Ausgangsimpulse Im Abstand der Periodendauer des Eingangssignals entstehen.

Entspricht der Zählstand des Zählers 10 während einer Periode des Eingangssignals an der Eingangsklemme 2 gerade Modulo-K so wird der Zählstand M im Zähler 18 nicht verändert und die Ausgangsfrequenz bleibt erhalten. Ist der Zählstand hingegen größer als K, so wird der Zählstand im Zähler 18 um einen Schritt erniedrigt, um auf die Weise die Ausgangsfrequenz des Multiplizierers 22 zu ändern. Diese Änderung des gespeicherten Zählstands im Zähler 18 geht solange von statten, bis die Regelschleife abgeglichen ist und der Zählstand im Zähler 10 gleich

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K ist. Zu diesem Zweck wird das differenzierte Signal an Ausgang der Differenzierschaltung 6 gleichzeitig den Löscheingängen L des Zählers 10 und des Flip-Flops 12 zugeführt. Der zähler 10 wird durch die Rückflanke des die erste Eingangssignalperiode definierenden Ausgangsimpulses der Differenzierschaltung 6 gelöscht. Diese Rückflanke fällt mit dem Beginn einer Periode des Taktsignals am Ausgang des Multiplizierers 22 zusammen/ weil auch die Differenzierschaltung 6 einer Taktsteuerung unterliegt. Somit erfolgt ein synchrones Löschen des Zählers 10 jeweils mit der Rückflanke der Differenzierimpulse zugleich mit dem Beginn eines Taktimpulses am Ausgang des Multiplizierers 22. Der Zähler 10 weist somit während des ersten Taktimpulses einen

Zählstand Null auf, während des zweiten Taktimpulses ein Zähl-

K—1 stand 2 und während des K.Taktimpulses einen Zählstand 2

K—1 Damit wird der Übertragimpuls bei einem Zählstand 2 erzeugt, also nach K-Taktimpulsen.

Der Zähler 10 zählt die Takt impulse auf der Ausgangsleitung 28 des Multiplizierers 22 während der Zeitspanne zwischen den von der Differenzierschaltung erzeugten Impulse entsprechend Beginn und Ende einer Periode des Eingangssignal. Sobald das Ende des Eingangssignals, dargestellt durch einen wei-

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teren Impuls der Differenzierschaltung 6,beim Zählstand 2 im Zähler 10 auftritt, ist damit angezeigt, daß dies der K-Taktimpuls ist und sich somit der Frequenzregelkreis im abgeglichenen Zustand befindet.und keine Änderung des Ausgangssignals des Multiplizierers 22 erforderlich ist. Der Zähler 18 wird folglich nicht aktiviert, weil vom Zähler 10 beim Zähl-

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stand 2 ein Übertragsignal ^H1" erzeugt wird. Dieses Übertragsignal "1" wird vom NOR-Gatter 14 invertiert in ein Signal "0". Dieses Signal an dem einen Eingang des UND-Gatters 8 verhindert , daß «in Aktivierungssignal "1" vom UND-Gatter 8 erzeugt wird; sein Ausgangssignal !bleibt somit "0".

Ist andererseits der Zääilstand im Zähler 10 beim Auftreten des das Ende der Eingangssignalperiode anzeigenden Impulses· am Ausgang der Differenzierschaltung 6 nicht gleich 2^K~ , so befindet

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sich der Frequenzregelkreis im Ungleichgewicht. Deshalb wird der Zähler 18 aktiviert und kann von nächsten Taktimpuls synchron fortgeschaltet werden. Die Zählrichtung wird durch das Signal am Ausgang Q des Flip-Flops 12 bestimmt. Ist dieses Signal beim Auftreten des Aktivierungsimpulses am Zähler 18 gleich "1", so wird der Zähler 18 in Rückwärtsrichtung fortgeschaltet. Ist andererseits das Ausgangssignal des Flip-Flops 12 z.Zt. des Aktivierungssignals gleich "O", so wird die Steuerleitung des Zählers nicht aktiviert, d.h. sie erhält ein Signal "0", und der Zählstand im Speicher 18 wird um einen Schritt fortgeschaltet.

Das Umschalten des Flip-Flops 12 wird vom Übertragssignal des Zählers 10 und vom Löschsignal aus der Differenzierschaltung 6 bestimmt. Letzteres ergibt sich aus den die Länge des Eingangssignalzyklus bestimmenden Impulsen. Fehlt ein übertrag -signal vom Zähler 10, so liegt der untere Eingang des NOR-Gatter s 16 auf "0", so daß durch Invertierung im NOR-Gatter 14 am unteren Eingang des UND-Gatters 8 ein Signal "1" steht. Kommt zu dieser Zeit der zweite,das Ende der Eingangssignalperiode anzeigende Impuls von der Differenzierschaltung 6 an, so wird das UND-Gatter 8 durchgeschaltet und erzeugt ein Ausgangssignal "1", welches als Aktivierungssignal zum Eingang E des Zählers 18 gelangt. Da das Flip-Flop 12, welches durch den ersten Impuls der Differenzierschaltung 6 gelöscht wurde, . ein Ausgangssignal "0" am Ausgang Q hat, gelangt dieses Ausgangssignal zum Steuereingang C des Zählers 18 und stellt diesen auf Vorwärtszählen. Beim nächsten Taktimpuls auf der Leitung 28 wird folglich der Zähler 18 um einen Schritt fortgeschaltet. Diese Zählrichtung zeigt an, daß die Frequenz an der Ausgangsklemme 26, welche zugleich das Taktsignal auf der Leitung 28 bildet, in bezug auf das Eingangssignal an der Klemme 2 zu niedrig* ist. Folglich wird die im Zähler 18 gespeicherte Binärzahl erhöht, mit dem Erfolg, daß der Multiplizierer 22 seine Ausgangsfrequenz ebenfalls erhöht. Dieses Erhöhen derAusgangsfrequenz wird während jedes Zyklus des Eingangssignals an der Klemme 2 fortgesetzt, bis der Regelkreis

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abgeglichen 1st. Dies zeigt sich dadurch, daß das Übertragsignal am Ausgang des Zählers 10 zur gleichen Zeit auftritt, wie der Rückflankenimpuls am Ausgang der Differenzierschaltung 6 welcher das Ende der Eingangssignalperiode anzeigt.

Ist die Ausgangsfreguenz des Multiplizieren 22 hingegen zu hoch, so wird das Flip-Flop durch ein übertragsignal "1" vom Zähler 10 gesetzt, ehe der Rückflankenimpuls auftritt. Der Zähler 10 erzeugt also ein Übertragsignal vor Beendigung der Eingangssignalperiode. Wird der Ausgang Q des Flip-Flops 12 durch ein Übertragsignal "1" an seinem Setzeingang auf "1" gesetzt, so wird der Zähler 18 am Ausgangssignal Q auf Rückwärtszählen eingestellt. Das Übertragsignal "1" des Zählers 18 hört dem nächsten Zählschritt des Zählers 10 auf, wodurch wiederum ein Ausgangssignal "0" am übertragausgang U entsteht und somit ein Eingangssignal "1" am unteren Eingang des UND-Gatters 8. Sobald der Rückflankenimpuls aus der Differenzierschaltung 6 eintrifft, stehen zwei Signale "1" an den beiden Eingängen des UND-Gatters 8, so daß dieses ein Aktivierungssignal "1" für den Zähler 18 liefert. Da dieser vom Ausgangssignal des Flip-Flops 12 auf Rückwärtszählen geschaltet ist, schältet der nächste Taktimpuls auf der Leitung 28 den Zählstand des Zählers 18 um einen Schritt zurück. Dieses Zurückschalten hält während der nachfolgenden Zyklen des Eingangssignals an, bis der Regelkreis erneut abgeglichen ist und das Übertragsignal am Zähler 10 zur gleichen Zeit auftritt, wie der Rückflankenimpuls von der Differenzierschaltung 6. Die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 hält somit eine vorgegebene Beziehung zwischen dem Ausgangssignal an der Klemme 26 und dem Eingangssignal an der Klemme 2 aufrecht.

Eine solche Abhängigkeit eines Ausgangssignals von einem Eingangssignal ist beispielsweise erforderlich, wenn die Frequenz an der Ausgangsklemme 26 in einem bestimmten Verhältnis zur Eingangsfrequenz _; beispielsweise der Netzfrequenz an der Klemme 2 •tehen muß. Damit ist sichergestellt, daß die Anzahl der wäh-

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rend einer Periode des Eingangssignals erzeugten Impulse des Generators 24 gleich bleibt. Die digitale Steuerung gemäß der Erfindung führt darüberhinaus zu einer eigensicheren Betriebsweise im EaIl eines Verschwindens oder Aussetzens des Eingangssignals. Xn diesen Fall wird das Ausgangssignal an der Klemme 26 auf der zuletzt vom Multiplizierer 22 eingestellten Frequenz gehalten, weil kein Aktivierungssignal für den Zähler 18 auftreten kann. Eine ähnliche Betriebsweise läßt sich erreichen, in dem man ein Haltesignal "1" an den oberen Eingang 16 des NOR-Gatters 14 legt. DiesesSignal wird vom NOR-Gatter 14 invertiert und hält den Ausgang-des UND-Gatters 8 auf "O^H, so daß kein Aktivierungssignal für den Zähler 18 auftreten kann. Auch in diesem Zustand verharrt der Multiplizierer 22 auf seinem zuletzt eingestellten Wert.

Fig. 2 zeigt eine Abwandlung eines Teils der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1, um größere Änderungen der Eingangsfrequenz verarbeiten zu können. Diese Schaltungsanordnung erlaubt es beispielsweise, die Eingangsfrequenz auf den halben Wert herabzusetzen, ohne hierbei die Arbeitsweise des Frequenzumsetzers zu beeinträchtigen. Bei dieser Ausführungsform wird der Ausgang Q des Flip-Flops 12 über eine Leitung 30 mit dem Aktivierungseingang des Zählers 10 verbunden. Wie oben erwähnt, ist bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 dieser Aktivierungsein-.gang ständig an Spannung gelegt, so daß der Zähler 10 dort von einem Aktivierungssignal unabhängig ist. In Fig. 2 steuert das Ausgangssignal vom Ausgang Q des Flip-Flops 12 den Zähler 10 derart, daß er nur während eines Ausgangssignals"1" vom Ausgang Q des Flip-Flops 12 zählt. Fällt die Frequenz des Eingangssignals an der Klemme 2 genügend weit ab, so kann der Zähler 10 während einer Periode des Eingangssignals mehr als ein übertragsignal erzeugen. Bewirkt jedoch das Ausgangssignal Q des Flip-Flops 12 die Unwirksamkeit aller übertragsignale mit Ausnahme von einem, indem nur das erste Übertragsignal während der Eingangssignalperiode zur Kenntnis genommen wird, so setzt das erste Übertragsignal das Flip-Flop 12, welches ein Signal

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"O" am Ausgang 5 liefert. Dieses Ausgangssignal gelangt zum Aktivierungseingang des Zählers 1OA und verhindert dessen Fort' schaltung. Der Zählbetrieb und die Einstellung des Multiplizierers 22 wird bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 somit nur während der Iweitspanne zwischen dem Vorderflankensignal, d.h. dem Beginn der Eingangssignalperiode und dem ersten Übertragsignal am Ausgang: U des Zählers 10 durchgeführt.

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Claims

HONEYWELL INC.

Honeywell Plaza 04-4143 Ge

Minneapolis, Minn., USA

Digitaler Frequenztansetzer

Patentansprüche:

Π J Digitaler Frequenzumsetzer gekennzeichnet durch einen Festfrequenzgenerator (24); einen Frequenzmultiplizierer (22), welcher mit einem Signaleingang an den Ausgang des Festfrequenzgenerators (24) angeschlossen ist und ferner einen Steuereingang sowie einen Ausgang (26) aufweist;

einen Vor-/Rückwärtszähler (18) mit einem Aktivierungseingang (E), einem Takteingang (T), einem Steuereingang (C) und einem Ausgang, welcher ein im Zähler gespeichertes Bigitalwort an den Steuereingang (C) des Multiplizierers (22) liefert;

eine Differenzierschaltung (6), welche eine Periode eines hinsichtlich seiner Frequenz zu überwachenden Eingangssig-" nals in eine entsprechende Zeitspanne definierende Ausgangssignale umwandelt;

einen zweiten Zähler (10) mit einem Takt- und einem Löscheingang sowie einem Ubertragungsausgang (U) welcher ein einem vorgegebenen Zählstand entsprechendes Ausgangssignal liefert;

ein Flip-Flop (12) mit einem Setz-, einem Takt- und einem Löscheingang sowie einem dem Setzeingang (S) zugeordneten Ausgang (Q);

Leitttngsverbindungen vom Ausgang der Differenzierschaltung (6) ζ« den Löscheingängen (L) des Flip-Flops (12) und des zweiten Zählers (10) sowie vom Ausgang (Q) des Flip-Flops (12) zum Steuereiagaag (C) des ersten Zählers (18); eine Torschaltung (8,14) mit einem an den Ausgang der

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Differenzierschaltung (6) angeschlossenen Eingang, einem an den Aktivierungseingang (E) des ersten Zählers (18) angeschlossenen Ausgang sowie einem an den Übertragausgang (Q) des zweiten Zählers (10) angeschlossenen Steuereingang; und Leitungsverbindungen (28) vom Ausgang (26) des Umsetzers an die Takteingänge (T) der beiden Zähler (18,10) und des Flip-Flops (12).
2. Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Freguenzmultiplizierer ein binärer Frequenzmultiplizierer und das im Speicher (18) gespeicherte-Digitalwort ein Binärwort ist.
3. Umsetzer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Torschaltung (8,14) ein mit seinem ersten Eingang an den Ausgang der Differenzierschaltung (6) angeschlossenes UND-Gatter (8) sowie ein dem zweiten Eingang des UND-Gatters vorgeschaltetes NOR-Gatter (14) aufweist, dessen einem Eingang das Obertragsignal (U) des zweiten Zählers (10) zugeleitet wird.
4. Umsetzer nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet , daß das Flip-Flop (12) einen zweiten, dem Löscheingang (L) zugeordneten Ausgang (Q) aufweist, der mit einem Aktivierungseingang (E) des zweiten Zählers (10 A) verbunden ist (Fig. 2).

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