DE3436926A1

DE3436926A1 - Frequenzgenerator mit digitaler einstellung

Info

Publication number: DE3436926A1
Application number: DE19843436926
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Ing. 7412 Eningen Harzer
Original assignee: Wandel and Golterman GmbH and Co
Current assignee: Wandel and Golterman GmbH and Co
Priority date: 1984-10-09
Filing date: 1984-10-09
Publication date: 1986-04-17
Also published as: DE3436926C2

Description

Frequenzgenerator mit digitaler Einstellung

Die Erfindung betrifft einen Generator mit digitaler Frequenzeinstellung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solcher mit ganzzahligen Frequenzteilungsverhältnissen arbeitender Frequenzgenerator ist aus SEL-Nachrichten 16 Jg. (1968) Heft 2, Seite 57, Bild 2, bekannt.

Ein dem vorgenannten Frequenzgenerator entsprechender Frequenzgenerator ist aus der DE-PS 22 40 216 bekannt. Bei ihm werden jedoch gebrochene Frequenzteilungsverhältnisse, die in der Phasenregelschleife für die Erzeugung der gewünschten Ausgangsfrequenz notwendig sind, dadurch realisiert, daß einer Frequenzteilerkette mit festem Teilungsverhältnis eine Impulsunterdrückungsschaltung (sog. Impulsbewerter) vorgeschaltet ist, die jeweils bei Eintreffen eines Impulses an ihrem Eingang eine Periode der Oszillatorfrequenz im Wege vom Oszillator zum Teiler unterdrückt. Die dieser Schaltung zugeführten Steuerimpulse werden über Auswahl schaltungen aus dem Teiler direkt gewonnen und sind teils ganzzahlige Vielfache der Phasenvergleichsfrequenz (harmonsiche Teilung), teils Teile der j Phasenvergleichsfrequenz (subharmonische Teilung). :

Bei einem derartigen, sowohl mit ganzzahliger als auch mit gebrochener

Frequenzteilung arbeitenden Frequenzgenerator ist es grundsätzlich j

auch denkbar, die ganzzahlige Teilung in der bei dem eingangs genannten j

Frequenzgenerator bekannten Weise mittels herkömmlicher voreinstellbarer j

Frequenzteiler vorzunehmen. I

Bei derartigen Frequenzgeneratoren liegt es nahe, zur Frequenzeingabe und Einstellung der notwendigen Frequenzteilungsverhältnisse einen Mikrorechner vorzusehen.

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Ein solcher mikrorechnergesteuerter Frequenzgenerator hat den Nachteil, daß er viele aufwendige Bauelemente enthält, die viel Raum benötigen und viel Energie verbrauchen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem mikrorechnergesteuerten Frequenzgenerator der eingangs genannten Art diejenige einem Phasenmessereingang zugeführte Wechselgröße, deren Phasenvergleichsfrequenz fv in dem einstellbaren Frequenzverhältnis η zur Ausgangsfrequenz fa bzw. zur Referenzfrequenz fr steht, unmittelbar mit Hilfe des Mikrorechners zu erzeugen.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Zweckmäßige Ausführungsformen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 und 3 gekennzeichnet. In beiden Fällen stellt der ohnedies zur Frequenzeinstellung benötigte Mikrorechner diejenige der beiden Wechsel größen ohne Zuhilfenahme eines Frequenzteilers und/oder einer Impulsunterdrückungsschaltung: selbst her, deren Frequenz in dem einstellbaren und gegebenenfalls gebrochenen Frequenzverhältnis η zur Ausgangsfrequenz fa bzw. zur Referenzfrequenz fr steht.

Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und 5 gekennzeichnet. Sie ermöglichen das Erzeugen einer die Schwankung der Frequenzsteuergröße ausgleichenden Kompensationsgröße durch den Mikrorechner bzw. eine Mitverwendung des Mikrorechners zu anderen Zwecken.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Hierbei zeigt

Fig. 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines bekannten Frequenzgenerators

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Fig. 2 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispieles, bei dem der Mikrorechner mit der Ausgangsfrequenz des Oszillators getaktet wird

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispieles, bei dem der Mikrorechner mit der Referenzfrequenz getaktet wird, und

Fig. 4 ein Blockschaltbild eines dritten Ausführungsbeispieles, das sich von der in Figur 2 dargestellten Anordnung dadurch unterscheidet, daß der Mikrorechner eine Schwankungen der Frequenzsteuergröße kompensierende Zusatzspannung erzeugt ■

In Figur 1 ist der eingangs erwähnte bekannte Frequenzgenerator vereinfacht dargestellt. Ein Oszillator 1 liefert an eine Klemme 2 eine Ausgangsspannung mit der gewünschten Ausgangsfrequenz fa. Sie ist mittels einer Steuerspannung Ust elektronisch einstellbar. Die Steuerspannung Ust wird vom Ausgang eines Phasenmessers 3 geliefert, an dessen beiden Eingängen zwei Wechselgrößen mit gleichen Vergleichsfrequenzen fvl bzw. fv2 liegen, von denen die eine (fvl) mit Hilfe eines Frequenzteilers 4, dessen Frequenzteilungsverhältnis η einstellbar ist, aus der Ausgangsfreqeunz fa abgeleitet ist und von denen die andere (fv2) aus einer Referenzfrequenzquelle 5 mit Hilfe eines Frequenzteilers 6 mit festem Frequenzteilungsverhältnis m abgeleitet ist. Die Ausgangsfrequenz fa = - fr kann hier durch Verändern des Frequenzteilungsverhältnisses η um jeweils eine Einheit in Frequenz-

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fr schritten verändert werden, die der Vergleichsfrequenz fv2 = —-entsprechen.

Wird in naheliegender, nicht dargestellter Weise die in Figur 1 dargestellte Anordnung so abgewandelt, daß der mit der Ausgangsfrequenz fa gespeiste Frequenzteiler 4 bei einem festen Frequenzteilungsverhältnis m¹ arbeitet und der an der Ref erenzf requenz-quell e liegende Frequenzteiler 6 ein einstellbares Frequenzteilungsverhältnis n' aufweist, so treten beim Verändern des einstellbaren Teilungsverhältnisses n' um jeweils eine Einheit Ausgangsfrequenzen fa auf, dere
scheiden.

ggq auf, deren Periodendauern j- sich jeweils um feste Werte ■ - unterWird in bekannter, nicht näher dargestellter Weise die Anordnung gemäß Figur 1 so abgewandelt, daß anstelle des einstellbaren Frequenzteilers 4 eine ein gebrochenes Frequenzteiluhgsverhältnis n¹¹ ergebende Einrichtung eingefügt ist, (z.B. nach DE-PS 22 40 216), so können bei Änderungen von n¹¹ auch kleinere Frequenzschritte realisiert werden. Es tritt dann aber in der Steuerspannung Ust eine langsame störende Schwankung auf. Diese kann jedoch kompensiert werden. Hierzu kann eine in Figur 1 gestrichelt dargestellte, geeignet gesteuerte Kompensationsspannungsquelle 7 an die Ausgangsseite des Phasenmessers 3 angeschlossen werden. Sie liefert eine Zusatzspannung Uz, die zur Steuerspannung Üst addiert wird.

Schließlich liegt es auch nahe, das zum Erzeugen einer gewünschten Äusgangsfrequenz fa notwendige einstellbare Frequenzteilungsverhältnis η in einem Mikrorechner zu berechnen, der an den Freqeunzteiler 4 zur Einstellung seines Teilungsverhältnisses η eine Steuergröße N liefert. Dem Mikrorechner 8, dem die Information über die Referenzfrequenz fr und das feste Frequenzteilungsverhältnis m fest eingegeben ist, wird die Information FA über die gewünschte Ausgangsfrequenz fä zugeführt. Diese Version ist in Figur 1 durch den gestrichelt gezeichneten Mikrorechner 8 angedeutet.

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Das in Figur 2 dargestellte erste Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von der in Figur 1 dargestellten bekannten Anordnung im wesentlichen dadurch, daß an die Stelle eines mit der Ausgangsfrequenz fa angesteuerten Frequenzteilers (4 in.Figur 1) mit einstellbarem Frequenzteilungsverhältnis η ein Mikrorechner 9 tritt. Sein Takteingang liegt am Ausgang des Oszillators 1 und wird von dessen Ausgang mit der Frequenz fa getaktet, und ein Port- oder Flag-Ausgang 11 des Mikrorechners 9 ist mit einem Eingang des Phasenmessers 3 verbunden und legt an diesen eine Wechselgröße mit der Vergleichsfrequenz fvl = -j~- an. Damit wirkt der Mikrorechner 9 in Bezug auf seine Klemmen 10 und 11 wie der einstellbare Frequenzteiler 4 in Figur 1, und es gilt hier wie dort die Beziehung fa = fr ·- .

Das in Figur 3 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich im wesentlichen dadurch von der in Figur 2 dargestellten Anordnung, daß der das variable Frequenzteilungsverhältnis n¹ bewirkende Mikrorechner 9¹ von der Referenzfrequenzquelle 5 und der das feste Frequenzteilungsverhältnis n/aufweisende Frequenzteiler 6¹ vom Oszillator 1 mit den Frequenzen fr bzw.fa angesteuert werden, so daß hier der Phasenmesser 3 nicht mit einer konstanten, sondern mit einer variablen, von der Ausgangsfrequenz fa abhängigen Vergleichsfrequenz fv arbeitet.

In beiden Fällen wird also die Dauer des Programmablaufes in Abhängigkeit von der eingegebenen Frequenzinformation FA über die gewünschte Frequenz fa so gesteuert, daß eine passende Anzahl von Rechenzyklen (z.B. durch Dekrementieren eines Registerinhaltes) ausgeführt wird, bis der Ausgang 11 des Mikrorechners einen Impuls an den Phasenmesser abgibt. Je nachdem, ob es sich um eine PLL mit fester (Figur 2) oder mit variabler (Figur 3) Vergleichsfrequenz handelt, kann die von außen eingegebene Frequenzinformation FA direkt zur Steuerung des Programmablaufes herangezogen werden oder erst nach einer vorangegangenen Kehrwertbildung.

In beiden Fällen kann der Mikrorechner die Impulse für die Speisung des Phasenmessers auch schon nach einer wesentlich geringeren Anzahl von

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Rechenzyklen erzeugen, als sie der vollen Länge der Frequenzinformation bzw. deren Kehrwert entsprechen würde, wenn, z.B. aus Gründen einer flinken Oszillatorregelung, eine relativ hohe Referenzfrequenz gewählt wird. Der verbleibende Rest der Information muß dann von einem Referenzfrequenztakt zum nächsten Referenzfrequenztakt aufaddiert werden, wobei Überträge für die Rechenzykluszahl bis zur Abgabe des Impulses an den Phasenmesser zu berücksichtigen sind. Dies stellt das vollständige Analogen zu einer PLL mit subharmonischem (gebrochenem) Teilungsverhältnis dar, wie es z.B. aus der DE-PS 22 40 216 bekannt ist.

Bei beiden Ausführungsbeispielen kann eine praktische Dimensionierung wie folgt aussehen:

der Oszillator 1 ist im Frequenzbereich von 4 MHz bis 6 MHz durchstimmbar. Die Referenzfrequenzquelle 5 liefert eine Normal frequenz von 4 MHz. Der Frequenzteiler 6 bzw. 6¹ hat ein festes Teilungsverhältnis m=4000. Der Mikrorechner 9 bzw. 9¹ benötigt u*4 Taktimpulse pro Rechenzyklus.

Bei dem in Figur 2 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ergibt sich damit eine konstante Vergleichsfrequenz fv2 von 1,000 kHz. Wird beispielsweise eine Ausgangsfrequenz fa = 4522,314 kHz gewünscht, müßte ein Programmablauf fa:u= 1130,5785 Rechenzyklen umfassen, damit fvl genau 1 kHz betragen würde. Da der Rechner an seinen Ausgang 11 nur nach Ablauf ganzer Rechenzyklen einen Impuls abgeben kann, gibt er in diesem Falle einen Impuls schon nach 1130 Rechenzyklen ab und addiert den Rest von 0,5785 Rechenzyklen zur nächsten Programmabi aufdauer: Deren Soll-Dauer beträgt also 1130,5785+0,5785 = 1131, 1570 Rechenzyklen. Die Impulsgabe erfolgt jetzt nach 1131 Rechenzyklen, und es wird ein Rest von 0,1570 Rechenzyklen zur nächsten Sollprogrammdauer addiert, die demnach 1130,5785+0,1570 = 1130,7355 Rechenzyklen umfaßt. Daher wird jetzt schon nach 1130 Rechenzyklen ein Impuls ausgelöst, und der Rest von 0,7355 Rechenzyklen führt beim nächsten Programmablauf wieder zu 1131 Rechenzyklen usw.

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Aus dem Beispiel ist ersichtlich, daß die Frequenz des Phasenmessersignales (subharmonisch) um ca. 0,88 MHz schwankt, also im langfristigen Mittel zwar zur richtigen Frequenz führt, aber phasenstörungsbehaftet ist.

Bei dem in Figur 3 dargestellten zweiten Äusfuhrungsbei spiel führt die jeweils gewünschte Ausgangsfrequenz fa wegen ihrer Teilung durch den festen Frequenzteiler 6¹ mit dem Teilungsverhältnis m¹ zu einer Vergleichsfreqeunzperiode TvI = γ-. Dieser entspricht die mittlere Programmabi aufdauer des Mikrorechners 9', dessen zeitliche Auflösung (4 Perioden von 4 MHz) 1 us beträgt.

Wird wiederum eine gewünschte Ausgangsfrequenz von fa = 4,522314 MHz angenommen, beträgt die mittlere Vergleichsfrequenzperiode bzw. Programmabi auf dauer ψ- = 884,502934 us. Zufolge der auf 1 iis begrenzten zeitlichen Auflösung führt der Mikrorechner einen Programmablauf mit 884 Rechenzyklen aus und addiert den Rest von 0,502934 tis zur Dauer des nächsten Programmablaufs, die demnach 885,005868^uS betragen sollte. Der Mikrorechner führt nun einen Programmablauf mit 885 Rechenzyklen aus und addiert den neuen Rest zur Dauer des folgenden Programmablaufes. Diese beträgt jetzt 884,502934+0,005868 = 884,508802 us. Der folgende Programmablauf umfaßt also 884 Rechenzyklen, und 0,508802 ^us werden zur nächsten Programmabi aufdauer geschlagen usw. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Ausgangsfrequenz zwar langfristig richtig, aber phasenstörungsbehaftet.

Eine im Anspruch 4 angegebene Weiterbildung der Erfindung kompensiert die bei den beiden vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen auftretenden Schwankungen der Frequenzsteuergröße, die Phasenstörungen der Ausgangsfrequenz fa bewirken, mit Hilfe einer Kompensationsgröße, die einer zusätzlichen Zeitverschiebung des Phasenmessersignals entspricht und die der Mikrorechner 9 bzw. 9¹ aus den bei der Ermittlung jedes Programmablaufes anfallenden Überträge (Nachkommastellen) laufend berechnet.

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Bei dem in Figur 3 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel ist dies besonders einfach, da hier die Nachkommastellen jeweils direkt die notwendige Kompensationszeitverschiebung bedeuten, so daß die Verwendung eines Phasenmessers 3, bei dem sich Spannungen leicht in Zeit umwandeln lassen, (was nahezu immer der Fall ist), zur Erzeugung der Kompensationsgröße Uz lediglich ein Digital-Anal og-Wandl er 7.¹', (in Figur 3 gestrichelt dargestellt) vom Mikrorechner 9' mit dem Digitalwert der Nachkommastellen (Überträge) geladen werden muß.

Bei dem in Figur 2 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist zu berücksichtigen, daß die Überträge (Nachkommastellen) hier keine Zeit, sondern eine Frequenz, also Phase pro Zeiteinheit, bedeuten. Die gewünschte Ausgangsfrequenz fa = 4 522, 314 kHz bedeutet also 4 522 kHz + 0,314 -^* · Werden 4 522 Perioden der gewünschten Ausgangsfrequenz zu einem Takt der Vergleichsfreqeunz fvl, so reduziert sich der Phasenhub von 2 Ά. entsprechend auf jwkö · ^r wird im Rhythmus von 0,314 kHz durchlaufen. Die Größe des Störphasenhubes am Phasenmesser ist also (wie bekannt) abhängig von der gewählten Momentanfrequenz. Der Mikrorechner muß deshalb den von Taktimpuls zu Taktimpuls aufaddierten Nachkommastellenwert noch mit dem Wert der Vorkommastellen reziprok bewerten (dividieren), ehe er zur Erzeugung der Kompensationsgröße Uz in den D-A-Wandler 7¹ geladen wird. Dafür entfällt die beim zweiten Ausführungsbeispiel notwendige Reziprokwertbildung des eingegebenen Frequenzwertes.

EP Ku/Eu

08. Oktober 1984

Claims

1. Frequenzgenerator mit digitaler Frequenzeinstellung mit einem elektronisch abstimmbaren Oszillator (1), der entsprechend einer dem Generator eingebbaren Frequenzinformation FA eine gewünschte Ausgangsfrequenz fa unmittelbar erzeugt oder diese mittelbar beeinflußt und dessen Frequenz von einer Frequenzsteuergröße bestimmt ist; die ein Phasenmesser (3) liefert, an dem zwei Wechsel größen anliegen, von denen die erste aus der Ausgangsfrequenz fa gemäß einer ein erstes Frequenzverhältnis (n bzw. m) enthaltenden Beziehung und von denen die zweite aus einer Referenzfrequenz fr gemäß einer ein zweites Frequenzverhältnis enthaltenden Beziehung (m bzw. n) abgeleitet ist, wobei das eine Frequenzverhältnis (m) fest und ganzzahlig und das andere Frequenzverhältnis (n) einstellbar und gegebenenfalls gebrochen ist, d a d u r.c h gekennzeichnet, daß ein Mikrorechner (9) vorgesehen ist, der an seinem Takteingang (10) von derjenigen Quelle einer der beiden Wechsel größen getaktet ist, deren Frequenz mit der von ihr abgeleiteten Frequenz (Phasenvergleichsfrequenz fv) in der das einstellbare Frequenzverhältnis η enthaltenden Beziehung steht, daß ein Ausgang (11) (Port bzw. Flag-Ausgang) des Mikrorechners mit einem der Eingänge des Phasenmessers (3) verbunden ist und nach Vollendung jedes Programmablaufs einen Impuls abgibt und daß der Mikrorechner die Dauer jedes Programmablaufes hinsichtlich der Anzahl der Rechenzyklen und der Dauer bzw. der Anzahl der für diese benötigten Taktperioden in Abhängigkeit von der jeweils eingegebenen Frequenzinformation FA und unter Berücksichtigung der Referenzfrequenz fr und des festen FrequenzteilungsVerhältnisses m gleich der Periodendauer der Phasenvergleichsfrequenz fv macht.

2. Generator nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß der Takteingang mit der Ausgangsfrequenz fa getaktet ist, (Fig. 2)

3. Generator nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß der Takteingang mit der Referenzfrequenz fr getaktet ist. (Fig. 3)

4. Generator nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das einstellbare Frequenzverhältnis η gebrochen ist und zu einer störenden, eine

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, Z-

größere Periode als diejenige der Phasenvergleichsfrequenz fv aufweisenden Schwankung der Frequenzsteuergröße führt, die mittels einer ebenfalls subperiodisch.en Kompensationsgrö'ße ausgeglichen wird,dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrorechner Augenblickswerte der Kompensationsgröße laufend berechnet und mit den Ergebnissen einen diese erzeugenden Digital /Anal og-Wandl er ( "?', J^) steuert.

5. Generator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzei cn net, daß der Mikrorechner während eines nicht zur Berechnung seiner Programmdauer und gegebenenfalls der Augenblickswerte der Kompensationsgröße benötigten Teiles seines Programmablaufes andere Rechen- und/oder Steuerungsaufgaben versieht.

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