DE4232037A1 - Schaltung mit zwei sich gegenseitig synchronisierenden spannungsgeregelten Oszillatoren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung mit zwei sich gegenseitig synchronisierenden spannungsgeregelten Oszillatoren. Es ist oft notwendig, Oszillatoren so zu synchronisieren, daß sie mit der gleichen Frequenz und zueinander konstanter Phase schwingen. Bei Richtfunkver­ bindungen müssen z. B. die Oszillatoren zweier Modulatoren miteinander synchronisiert werden, wenn die den Modulato­ ren zugeordneten Nutzsignale über das Funkfeld kreuzpola­ risiert übertragen werden und XPIC′s (crosspolar inter­ ference cancellers) eingesetzt sind.

Gebräuchlich sind Schaltungen, bei denen der eine Oszilla­ tor (Master) den zweiten (Slave), mit einer Phasenregel­ schleife versehenen Oszillator synchronisiert. Der Zieh­ bereich des zweiten Oszillators muß so groß wie seine mög­ liche Frequenzabweichung plus der möglichen entgegenge­ setzten Frequenzabweichung des Master-Oszillators sein. Der sich daraus ergebende erforderliche große Ziehbereich ist oft nachteilig. Diese Bedingung kann auch nicht immer erfüllt werden, wie beispielsweise bei Quarzozillatoren, die auf einem Oberton des Quarzes schwingen.

Bei Verwendung hierfür geeigneter Oszillatoren, z. B. Quarzorzillatoren, die auf dem Grundton des Quarzes schwingen und damit einen relativ großen Ziehbereich auf­ weisen, entsteht ein zusätzlicher Aufwand durch Verviel­ fachung und Filterung.

Um zu erreichen, daß die zu synchronisierenden Oszillator­ schaltungen einschließlich ihrer jeweiligen Regelschaltun­ gen identisch sind und keinerlei Voreinstellungen, wie z. B. Master- oder Slave-Betrieb benötigen, wurde bisher eine manuelle Voreinstellung der Oszillatorschaltungen vorgenommen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Schaltung mit zwei sich gegenseitig synchronisierenden spannungsgeregelten Oszillatoren zu schaffen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch zwei aus jeweils einem Oszillator, einem Phasendiskriminator und einem für Gleichspannung eine endliche Verstärkung aufweisenden Schleifenfilter bestehende identische Pha­ senregelschleifen, die über zwei jeweils zwischen dem Ver­ bindungspunkt von Ozillator und Phasendiskriminator der einen Regelschleife und dem Phasendiskriminator der ande­ ren Regelschleife angeordnete Koppelleitungen mit einer Summen-Phasendrehung von 180° ± s so miteinander gekoppelt sind, daß beide Oszillatoren mit einem sich wenigstens teilweise überlappenden Ziehbereich nach einer Einschwing­ zeit eine gemeinsame Frequenz und konstante Phasendiffe­ renz aufweisen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Er­ findungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen angege­ ben.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 zwei gekoppelte, identische Phasenregelschlei­ fen im Blockschaltbild,

Fig. 2 zwei Phasenregelschleifen gemäß Fig. 1 mit zusätzlicher Arbeitspunktregelung,

Fig. 3 ein Gesamtschaltbild von zwei sich gegen­ seitig synchronisierenden Oszillatoren mit Wobbelschaltungen und Arbeitspunktreglern und die

Fig. 4 bis 6 in Teildarstellungen das Schleifenfilter, die Wobbelschaltung und den Arbeitspunkt­ regler.

Die Schaltung nach Fig. 1 ist aus zwei identischen, über Koppelleitungen K, K′ miteinander verbundene Phasenregel­ schleifen aufgebaut, die jeweils aus einem Oszillator VCO1 bzw. VCO2, einem Phasendiskriminator PD1 bzw. PD2 und einem Schleifenfilter TP1 bzw. TP2 bestehen. Dabei ist die eine Koppelleitung K zwischen dem Verbindungspunkt von Os­ zillator VC2 und Phasendiskriminator PD2 der zweiten Regel­ schleife und dem Eingang des Phasendiskriminators PD1 der ersten Regelschleife eingeschaltet, die andere Koppelleitung K′ zwischen dem Verbindungspunkt von Oszillator VCO1 und Phasendiskriminator PD1 der ersten Regelschleife und dem Eingang des Phasendiskriminators PD2 der zweiten Regel­ schleife. Die beiden Phasenregelschleifen werden so mitein­ ander gekoppelt, daß beide Oszillatoren VCO1 und VCO2 nach einer Einschwingzeit eine gemeinsame Frequenz und konstan­ te Phasendifferenz aufweisen. Für ein sicheres Funktionie­ ren der Schaltung ist vorgesehen, daß sich die Ziehberei­ che der Oszillatoren VCO1, VCO2 wenigstens zum Teil über­ lappen, daß die Schleifenfilter TP1, TP2 für Gleichspan­ nung eine endliche Verstärkung haben und daß die Koppel­ leitungen K, K′ zwischen den einzelnen Phasenregelschlei­ fen in der Summe eine Phasendrehung von 180° ± s aufwei­ sen. Die zulässige Abweichung s ist von den Schaltungs­ kenngrößen abhängig.

Fig. 2 zeigt eine erweiterte Ausführung der Schaltung nach Fig. 1, bei der eine Arbeitspunktregelung zugefügt ist. Dabei werden die Regelspannungen beider Oszillatoren VCO1 und VCO2 gemittelt, wozu sie innerhalb der Regel­ schleife jeweils einen Summierer A1 bzw. A3 mit Bewer­ tungsfaktor zugeführt werden und deren Ausgangssignal zu­ sammen mit dem Ausgangssignal des betreffenden Phasendis­ kriminators PD1 bzw. PD2 auf die beiden Eingänge eines weiteren, ausgangsseitig mit dem Eingang des Schleifenfil­ ters TP1 bzw. TP2 verbundenen Summiergliedes A2 bzw. A4 mit Bewertungsfaktor gegeben wird. Danach wird der Ar­ beitspunkt eines dem Schleifenfilter zugehörigen Opera­ tionsverstärkers geregelt, wodurch über einen großen Län­ genbereich der Verbindungskabel Synchronisation auftritt. Durch die Arbeitspunktregelung kann die Steilheit der Ge­ samtschleife reduziert bzw. der erlaubte Phasenbereich der Koppelleitungen (± s) vergrößert werden.

Fig. 3 zeigt eine Schaltung mit sich gegenseitig synchro­ nisierenden Oszillatoren, die ferner mit Wobbelschaltungen als Fanghilfe und Arbeitspunktregler ausgestattet ist. Die beiden Phasenregelschleifen von zwei Geräten G1 und G2 sind über die Kabel K und K′ miteinander gekoppelt. Jede Phasenregelschleife besteht, wie bereits vorstehend bei der Beschreibung von Fig. 1 ausgeführt wurde, aus jeweils einem Oszillator VCXO1 bzw. VCXO2, einem Phasendiskrimi­ nator PD1 bzw. PD2 sowie einem Schleifenfilter TP1 bzw. TP2. Dabei ist vom Verbindungspunkt von Oszillator VCXO1 und Phasendiskriminator PD1 der ersten Regelschleife über das Kabel K′ eine Verbindung zu einem zweiten Eingang des Phasendiskriminators PD2 der zweiten Regelschleife ge­ führt; eine entsprechende Verbindung besteht über das Kabel K vom Verbindungspunkt vom Oszillator VCXO2 und Pha­ sendiskriminator PD2 der zweiten Regelschleife zu einem zweiten Eingang des Phasendiskriminators PD1 der ersten Regelschleife. Ferner ist in jeder Regelschleife ein Ar­ beitspunktregler AR1 bzw. AR2 vorgesehen mit zwei Eingän­ gen, deren einer jeweils mit dem Verbindungspunkt von Oszillator VCXO1 und Schleifenfilter TP1 der ersten Regel­ schleife und deren anderer jeweils mit dem entsprechenden Verbindungspunkt der zweiten Regelschleife verbunden ist. Der Ausgang der Arbeitspunktregler ist jeweils an ein Summierglied S1 bzw. S2 angeschlossen, dessen zweiter Ein­ gang mit einer Wobbelschaltung WS1 bzw. WS2 und dessen Ausgang mit einem Eingang des Schleifenfilters TP1 bzw. TP2 der betreffenden Regelschleife verbunden ist. Die von einer Steuerung angesteuerten Wobbelschaltungen WS1 bzw. WS2 sind eingangsseitig mit dem Ausgang der Schleifenfil­ ter TP1 bzw. TP2 der betreffenden Regelschleife verbunden.

Die Teilschaltungen und ihr Verhalten in der Gesamtschal­ tung werden nachfolgend näher beschrieben. Dabei werden zunächst die Oszillatoren betrachtet, deren Frequenz von der angelegten Regelspannung UR abhängig ist. Die Regel­ spannungen der Oszillatoren VCXO müssen sich so einstellen, daß sich eine gemeinsame Frequenz ergibt. Für den Phasen­ diskriminator ist die Verwendung eines Exklusiv-Oder-Gatters gebräuchlich. Die Ausgangsspannung ist von der Phasendiffe­ renz der Eingangssignale abhängig.

Die Regelschaltung bewirkt, daß sich auf einer der beiden Flanken der Phasendiskriminator-Kennlinie ein stabiler Ar­ beitspunkt einstellt. Im Fall der gegenseitigen Synchroni­ sierung beider Oszillatoren sind die Phasenlagen der vier Phasendiskriminator-Eingangssignale - zwei bei jedem Pha­ sendiskriminator PD1 bzw. PD2 in der jeweiligen Regel­ schleife - durch die beiden Synchronisierkabel K und K′ starr zueinander. Je nach Kabellänge, wobei die Summe beider Kabel maßgebend ist, können sich die Ausgangs­ spannungen der Phasendiskriminatoren PD1 und PD2 und damit auch die Frequenz der Oszillatoren in gleicher oder ent­ gegengesetzter Richtung verändern. Es hat sich gezeigt, daß sich der Synchronzustand bei fast allen praktisch denkbaren Kabellängen einstellen kann, wenn die Frequen­ zen der beiden Oszillatoren beim spezifizierten Arbeits­ punkt nur wenig voneinander abweichen und der Frequenzoff­ set durch die übrigen Schaltungen gering ist. Durch die zu berücksichtigenden Toleranzen sind jedoch, abhängig von der Frequenz, bestimmte Längen der Synchronisierkabel vor­ zusehen. Die zulässige Längentoleranz läßt sich durch den Arbeitspunktregler ausreichend groß halten.

Fig. 4 zeigt ein Beispiel für ein Schleifenfilter, beste­ hend aus einem Schleifenfilter 1. Ordnung (2. Grades) mit einem Operationsverstärker OV. Die beiden Eingänge des Operationsverstärkers OV sind an Massepotential bzw. über einen ohmschen Widerstand R1 an die Eingangsspannung U an­ geschlossen. In einem Rückkopplungskreis liegen ein ohm­ scher Widerstand R3 und parallel zu diesem die Reihen­ schaltung aus einem ohmschen Widerstand R2 und einem Kon­ densator C.

Das Schleifenfilter für dieses Bespiel ist so zu dimensio­ nieren, daß beim anlegen und Fortnehmen des Synchronisier­ ungssignals nur sehr kleine Frequenzsprünge auftreten, die keinen Bitfehler verursachen. Die sich dadurch ergebende kleine Schleifenfilterbandbreite erfordert eine Fanghilfe, um die Synchronisierung sicherzustellen, auch bei zwei Oszillatoren, die jeweils am entgegengesetzten Ende der Toleranzgrenze ihre Ruhefrequenz haben. Eine einfache Rea­ lisierung dieser Fanghilfe besteht darin, daß der Opera­ tionsverstärker des Schleifenfilters mit einer Rückkopp­ lung mit Bandpaßverhalten versehen wird. Eine solche Schaltung zeigt Fig. 5, in der das Schleifenfilter gemäß Fig. 4 ergänzt ist durch eine Rückkopplung aus zwei ohm­ schen Widerständen und einem Kondensator sowie einem zwi­ schen den beiden ohmschen Widerständen und Massepotential liegenden, von einer Steuerung angesteuerten Transistor Tr. Die Wobbelschaltung wird abgeschaltet, indem der Tran­ sistor Tr leitend gesteuert wird, z. B. bei nicht vorhande­ nem Synchronisierungssignal oder erfolgter Synchronisie­ rung.

Fig. 6 zeigt den Arbeitspunktregler einer Regelschleife, durch den die Regelspannungen beider Oszillatoren gemittelt werden und der Arbeitspunkt des Schleifen-Operationsver­ stärkers OV1 geregelt wird, wodurch über einen großen Län­ genbereich der Verbindungskabel Synchronisation auftritt. Hierbei werden die Regelspannungen der beiden Oszillatoren VCXO1 und VCXO2 dem einen Eingang eines Operationsverstär­ kers OV2 zugeführt, an dessen zweiten Eingang eine Referenz­ spannung anliegt. Der Ausgang dieses Operationsverstärkers OV2 ist mit dem einen Eingang des Schleifenfilter-Opera­ tionsverstärkers OV1 verbunden, an dessen zweitem Eingang der Phasendiskriminator der betreffenden Regelschleife an­ geschlossen ist. Die Kennlinie für die Abhängigkeit der Regelspannung von der Kabellänge hat bei Verwendung des Arbeitspunktreglers einen wesentlich flacheren Verlauf über einen längeren Bereich gegenüber der entsprechenden Kennlinie für eine Schaltung ohne Arbeitspunktregler.

Mit Hilfe einer adaptiv arbeitenden Schaltung, z. B. ein geregelter bzw. gesteuerter Phasenschieber und/oder Um­ poler, kann die Unabhängigkeit von bestimmten Koppellei­ tungslängen erreicht werden. Eine solche Schaltung kann an beliebiger Stelle in der Regelschleife eingefügt werden, beispielsweise in Serie zur Koppelleitung. Auf diese Weise ist eine intern einstellbare variable Länge auf einer die Regelschaltungen tragenden Leiterplatte gegeben und die Anordnung ist damit unabhängig von der Länge äußerer An­ schlußleitungen für weitere Baugruppen.

Claims (6)

1. Schaltung mit zwei sich gegenseitig synchronisierenden spannungsgeregelten Oszillatoren, gekennzeichnet durch zwei aus jeweils einem Oszillator, einem Phasendiskrimi­ nator und einem für Gleichspannung eine endliche Verstär­ kung aufweisenden Schleifenfilter bestehende identische Phasenregelschleifen, die über zwei jeweils zwischen dem Verbindungspunkt von Oszillator und Phasendiskriminator der einen Regelschleife und dem Phasendiskriminator der anderen Regelschleife angeordnete Koppelleitungen mit einer Summen-Phasendrehung von 180° ± s so miteinander gekoppelt sind, daß beide Oszillatoren mit einem sich wenigstens teilweise überlappenden Ziehbereich nach einer Einschwingzeit eine gemeinsame Frequenz und konstante Phasendifferenz aufweisen.

2. Schaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch, eine Arbeitspunktregelung derart, daß die Regelspannungen beider Oszillatoren gemittelt werden und danach der Ar­ beitspunkt eines dem Schleifenfilter zugehörigen Opera­ tionsverstärkers geregelt wird.

3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Mittelung der Regelspannungen diese in einem ersten Summierglied zusammengefaßt werden, dessen Ausgang und der Ausgang des Phasendiskriminators an die beiden Eingänge eines weiteren, ausgangsseitig mit dem Schlei­ fenfilter verbundenen Summiergliedes geführt sind.

4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Schleifenfilter mit einer Fanghilfe versehen ist, bestehend aus einer Rückkopplung des Operationsverstär­ kers des Schleifenfilters.

5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch ein im Leitungsweg der Oszillatoren oder in Serie zu den Koppelleitungen angeordnetes adaptiv arbeitendes Schalt­ element.

6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement aus einem geregelten Phasenschie­ ber und/oder Umpoler besteht.