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Anordnung zur Stabilisierung der von einem Frequenzgenera-
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tor, insbesondere einem Quarzqenerator, ab9esebenen Frequenz Die Erfindung
betrifft eine Anordnung der im Gattungsbegriff des Patentanspruches 1 beschriebenen
Art.
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Solche Anordnungen werden insbesondere für Taktversorgungseinrichtungen
synchroner Daten- und Nachrichtennetze benötigt. Die dort verwendeten Oszillatoren
sollen eine hohe Eigengenauigkeit besitzen und sich mit Hilfe von Regelschaltungen
auf externe Referenzfrequenzen synchronisieren lassen. Die verlangten Genauigkeitswerte
haben konstante Umgebungstemperatur für die frequenzbestimmenden Elemente zur Voraussetzung.
Es ist üblich, diese konstante Umgebungstemperatur durch Thermostatbetrieb herzustellen.
Falls das frequenzbestimmende Element ein Schwingquarz ist, muß die Betriebstemperatur
so gewählt sein, daß sie im Bereich des sogenannten Umkehrpunktes des Quarzes liegt
bzw. es muß ein Schwingquarz gewählt werden, dessen Umkehrpunkt bei einer Temperatur
liegt, die sich mit Rücksicht auf die zu erwartende Umgebungstemperatur durch Regelung
leicht konstant halten läßt.
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Es ist üblich, Schwingquarze und Oszillatorschaltungen innerhalb eines
Thermostatgehäuses anzuordnen, dessen Innentemperatur mit einer elektrischen Verlustleistungsregelung
konstant gehalten wird. Zur Temperaturregelung werden analog arbeitende Regelschaltungen
(Proportionalregler) und Temperaturmeßfühler (z.B. Kaltleiter, Heißleiter) verwendet,
die justiert und an den erwähnten Umkehrpunkt des Quarzes angepaßt werden müssen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der gattungsgemäßen
Art so weiterzubilden, daß auf die manuelle Justierung der Temperaturmeßfühler verzichtet
werden kann und trotzdem eine gegenüber bekannten Temperaturregeleinrichtungen gesteigerte
Genauigkeit erzielt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruches
1 gelöst.
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Eine vorgegebene bzw. geforderte Genauigkeit der Temperaturregelung
und damit der Frequenzstabilität läßt sich mit der Anordnung gemäß der Erfindung
grundsätzlich einfacher erreichen als mit Temperaturmeßfühlern, die eine manuelle
Justierung erfordern, da bei der Anordnung gemäß der Erfindung die im Thermostatgehäuse
wirksame Temperatur nicht an den Temperaturverlauf irgendeines analogen Bauelementes
sondern an eine Bezugsfrequenz gekoppelt ist, die mit großer Genauigkeit zur Verfügung
steht.
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Diese Bezugsfrequenz ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung die
Ausgangsfrequenz des Frequenzgenerators selbst.
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Andere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung
sind Gegenstand der Unteransprüche, auf die hiermit zur Verkürzung der Beschreibung
ausdrücklich verwiesen wird.
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Im folgenden sei die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert:
Fig. 1 zeigt in einem Blockschaltbild einen Frequenzgenerator bei dem die Erfindung
angewandt ist, Fig. 2 zeigt ein detaillierteres Blockschaltbild des in Fig. 1 dargestellten
Frequenzgenerators, Fig. 3 zeigt ein Prinzipschaltbild der in Fig. 2 dargestellten
Rücksetzschaltung.
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In Fig. 1 ist ein Frequenzgenerator dargestellt, dem eingangsseitig
eine Referenzfrequenz RF zugeführt wird. Aus der Referenzfrequenz wird mit Hilfe
eines Frequenzteilers FT3 eine interne Vergleichsfrequenz fRV gewonnen, die ein
Phasendiskriminator PH1 mit einer weiteren, aus der Ausgangsfrequenz des Frequenzgenerators
durch Frequenzteilung in einem Frequenzteiler FT1 gewonnenen Vergleichsfrequenz
V vergleicht. Die bei diesem Vergleich ermittelte Phasendifferenz wird in dem Phasendiskriminator
digitalisiert und als binäre Zahlengröße an einen Phasenregler R1, der bei dem hier
beschriebenen Ausführungsbeispiel aus einem Mikroprozessor gebildet ist, übergeben.
Der Phasenregler berechnet aus der Phasendifferenz die Stellgröße, die sich aus
Proportional- und Integralanteil zusammensetzt. Die Stellgröße wird in einen Spannungswert
umgesetzt, der mit Hilfe einer Varaktordiode, die im Resonanzkreis eines zu einem
Quarzoszillator VCO gehörenden Schwingquarzes liegt, die Frequenz des Quarzoszillators
steuert. Der gerade erwähnte Schwingquarz, dessen Temperaturabhängigkeit kubisch
verläuft, wird im oberen Temperaturumkehrpunkt betrieben. Im Idealfall ist der Temperaturkoeffizient
an diesem Punkt gleich Null. Der Strom durch den Schwingquarz-Resonanzkreis wird
auf einen für Präzisionsoszillatoren erforderlichen kleinen Wert geregelt. Um die
Temperatur des Schwingquarzes konstant zu halten, ist dieser in einem Thermostatgehäuse
untergebracht. Da die übrigen Komponenten der Oszillatorschaltung ebenfalls nennenswerte
Temperaturkoeffizienten aufweisen, sind auch diese innerhalb des Thermostatgehäuses
angeordnet. Der Schwingquarz ist dabei direkt mit dem Gehäuse verbunden, um einen
guten thermischen Kontakt zu erreichen.
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Das Thermostatgehäuse besteht aus einem metallischen Gehäuse mit konstanter
Innentemperatur. Dieses Gehäuse weist eine gegenüber der Umluft isolierende Ummantelung
auf. Das Gehäuse selbst ist aus Metall mit guter thermischer Leitfähigkeit
und
großer spezifischer Wärmekapazität hergestellt. Dadurch werden Temperaturunterschiede
innerhalb des Gehäuses klein gehalten. Die isolierende Ummantelung des Thermostatgehäuses
gegenüber der Umluft bewirkt eine Verminderung von Störeinflüssen durch die Umgebung
und eine Reduzierung der Betriebsleistung.
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Das Thermostatgehäuse ist zusammen mit einem Temperaturregler Bestandteil
einer Thermostatanordnung. Dieser Temperaturregler weist als Temperatursensor einen
temperaturabhängigen Hilfsoszillator TCO auf, dessen temperaturabhängiges Element
aus einem Temperatur-Meßquarz gebildet ist. Dieser Temperatur-Meßquarz ist zusammen
mit einem Heiztransistor, der ebenfalls Bestandteil des Temperaturreglers ist, in
dem genannten Thermostatgehäuse angeordnet. Der Temperaturkoeffizient des Temperatur-Meßquarzes
ist im übrigen annähernd konstant und relativ hoch gegenüber dem Temperaturkoeffizienten
eines normalen Schwingquarzes. Damit verläuft die Temperaturabhängigkeit der Frequenz
des Hilfsoszillators in einem vorgegebenen Temperaturbereich monoton bzw. annähernd
linear.
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Die sich aufgrund der Innentemperatur des Thermostatgehäuses sich
einstellende Frequenz des Hilfsoszillators fT wird in einem Frequenzteiler FT2 um
einen vorgegebenen Betrag heruntergeteilt und in einem Phasendiskriminator PH2 mit
einer Normalfrequenz verglichen. Bei dieser Normalfrequenz handelt es sich um die
in dem Frequenzteiler FT1 um einen vorgegebenen Betrag verminderte Frequenz des
Quarzoszillators VCO. Aus der bei diesem Vergleich sich ergebenden Phasendifferenz
ermittelt ein Temperaturregler R2 mit PI-Verhalten den Proportional- und Integralteil
für die dem Hilfsoszillator TCO zuzuführende Stellgröße und steuert die Leistung
des Heiztransistors, der sich in dem bereits erwähnten Thermostatgehäuse befindet.
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In Fig. 2 ist der gerade erläuterte Frequenzgenerator detaillierter
dargestellt. Hierbei ist anstelle der in Fig. 1 angegebenen Phasendiskriminatoren
PH1 und PH2 lediglich ein einziger Phasenvergleicher vorgesehen. Dieser Phasenvergleicher
wird im Multiplexbetrieb ausgenutzt. Hierzu ist der Phasenvergleicher mit den Frequenzteilern
FT2 und FT3 eingangsseitig verbunden. Die von diesen Frequenzteilern abgegebenen
Frequenzsignale werden abwechselnd dem Takteingang einer Kippstufe FF1 zugeführt.
Ein Signaleingang dieser Kippstufe ist mit dem Ausgang des Frequenzteilers FT1 verbunden.
Das von diesem Frequenzteiler abgegebene Frequenzsignal wird außerdem einer weiteren
Kippstufe FF2 zugeführt. Am Ausgang der Kippstufe FF1 tritt ein binäres Signal mit
einem der Phasendifferenz. proportionalen Impulsverhältnis auf. Während eines der
beiden Zustände wird ein Takteingang eines der Kippstufe FF1 nachgeschalteten Zählers
ZLR freigegeben. Am Ende der Meßperiode entspricht der Zählerstand dem Binärwert
des quantisierten Phasendifferenzsignals. Eine Unterbrechungsschaltung INT veranlaßt
einen Mikroprozessor MP den Zählerstand des Zählers ZLR zu lesen.
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Dieser Mikroprozessor realisiert sowohl die Funktionen des in Fig.
1 dargestellten Phasenreglers R1 als auch die des in Fig. 1 dargestellten Temperaturreglers
R2.
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Die bereits erwähnte Kippstufe FF2, die mit der Unterbrechungsschaltung
INT verbunden ist, steuert den Multiplexbetrieb des Phasenvergleichers. Sie ordnet
dazu dem Phasenvergleicher abwechselnd die von den Frequenzteilern FT2 und FT3 abgegebene
Frequenzsignale zu und meldet dem Mikroprozessor über eine Meldeleitung die Zuordnung
des gemeinsamen Unterbrechungssignals. Der Mikroprozessor ist im übrigen mit dem
Phasenvergleicher zur Übernahme der Meldesignale bzw.
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der von dem Zähler ZLR bereitgestellten Zählerstände über einen Datenbus
DB verbunden.
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Der Mikroprozessor MP realisiert die Funktion des Phasenreg-
lers
R1 in der Weise, daß er aus dem ihm von dem Phasenvergleicher her zugeführten Zählerstand,
der ein Maß für die aufgetretene Phasendifferenz ist, den Proportional- und den
Integralanteil ermittelt und die Summe dieser beiden Anteile als Stellgröße abgibt.
Die Koeffizienten, die die Zeitkonstanten des Reglers bestimmen, sind variabel.
Sie werden nach einem adaptiven Verfahren während des Betriebes ermittelt und eingestellt.
Hierzu dienen als Kriterium die Phasendifferenz und die Frequenzabweichung, die
in Toleanzbereiche eingeteilt sind. Bei Ausfall der Referenzfrequenz RF bleibt der
zuletzt errechnete Integralwert gespeichert und wird als Stellgröße ausgegeben.
Falls erforderlich, kompensiert der Mikroprozessor die nichtlineare Frequenzsteuerkennlinie
der bereits genannten Varaktordiode des Quarzoszillators VCO.
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Als Temperaturregler, der als PI-Regler ausgelegt ist, ermittelt der
Mikroprozessor aus dem ihm von dem Phasenvergleicher her zugeführten Phasendifferenzwert
durch Differenzieren die Frequenzdifferenz, die ein Maß für die Temperatur ist.
Aus dieser Frequenzdifferenz wird anschließend der Proporional- und Integralanteil
ermittelt und eine entsprechende Stellgröße ausgegeben. Durch eine gegenüber der
Zeitkonstanten der Thermostatanordnung großen, für das Integralverhalten bestimmenden
Zeitkonstanten wird eine Schwingneigung des Regelkreises verhindert. Der Integralanteil
bewirkt, daß der Regelfehler im gesamten Arbeits-Temperaturbereich im Mittel Null
ist. Der Mikroprozessor erhält für die Ermittlung der Stellgröße für den Hilfsoszillator
zusätzlich eine Führung';sgröBe zugeführt. Der Wert dieser Führungsgröße entspricht
dem Temperatur-Umkehrpunkt des Quarzoszillators VCO und ist in einem nicht flüchtigen
Schreib-/ Lesespeicher EEPROM gespeichert. Der Wert der Führungsgrösse steht damit
auch nach einem Stromversorgungsausfall wieder zur Verfügung. Diesen Umkehrpunkt
ermittelt der Mikroprozessor selbsttätig während eines Eichvorganges im Prüf-
feld.
Bei diesem Vorgang wird an den Frequenzteiler FT3 eine Normalfrequenz angeschaltet
und mit dem beschriebenen Vergleicher die Phasendifferenz zum Quarzoszillator VCO
gemessen. Daraus ermittelt der Mikroprozessor die Frequenzdifferenz und deren Ableitung
nach der Temperatur. Hierzu wird während des Eichvorganges die Temperatur des Thermostatgehäuses
variiert. Auf diese Weise wird der Temperatur-Umkehrpunkt des Schwingquarzes ermittelt,
bei dem der Temperaturkoeffizient Null ist. Dieser Temperatur-Umkehrpunkt wird,
wie bereits oben erwähnt, in dem nicht flüchtigen Lese-/ Schreibspeicher gespeichert.
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Für die Abgabe der für den Quarzoszillator VCO und für den Hilfsoszillator
TCO ermittelten Stellgrößen ist der Mikroprozessor MP über den bereits erwähnten
Datenbus DB mit jeweils einem Digital-/Analog-Wandler D/A verbunden.
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Diese Digital-/Analog-Wandler geben jeweils eine Analogspannung an
die bereits genannte Varaktordiode des Quarzoszillators VCO bzw. des Hilfsoszillators
TCO ab. In Fig. 2 ist die Beschaltung der genannten Oszillatoren mit den Varaktordioden
schematisch dargestellt. Außerdem ist der zu dem Quarzoszillator gehörende Schwingquarz
und der zu dem Hilfsoszillator gehörende Temperatur-Meßquarz Q2 angedeutet.
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Die von dem Mikroprozessor errechnete Stellgröße für die Heizung des
Thermostatgehäuses wird ebenfalls an einen Digital-/Analog-Wandler D/A abgegeben.
Diesem Digital-/Analog-Wandler ist ein Operationsvert ärker nachgeschaltet, der
die nunmehr analog vorliegende Stellgröße dem in dem Thermostatgehäuse sich befindenden
Heiztransistor zuführt.
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Mit dem Mikroprozessor MP ist schließlich noch über den Datenbus DB
eine Rücksetzschaltung RS verbunden, deren prinzipieller Aufbau in Fig. 3 angedeutet
ist. Diese Rücksetzschaltung setzt in bestimmten Betriebsfällen die Frequenz-
teiler
in eine definierte Bezugslage zum Vergleichstakt To Eine solche Rücksetzschaltung
ist für jeden der Frequenzteiler vorgesehen. Diese Rücksetzschaltungen werden jeweils
über Ausgabeleitungen des Mikroprozessors aktiviert. Wie in Fig. 3 dargestellt,
enthält jede dieser Rücksetzschaltungen zwei Kippstufen, in denen der Rücksetzbefehl
bis zum diskreten Zeitpunkt gespeichert und nach Ausführung automatisch gelöscht
wird. In Fig. 3 sind außerdem die Ausgangssignale der beiden Kippstufen sowie die
Vergleichsfrequenz Tg und die von dem jeweiligen Frequenzteiler abgegebene Frequenz
Tx dargestellt.
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8 Patentansprüche 3 Figuren
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