DE931536C - Frequency discriminator, especially for frequency stabilization - Google Patents
Frequency discriminator, especially for frequency stabilizationInfo
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Description
Es sind Schaltungen zur Stabilisierung der Frequenz eines. Oszillators mittels eines auf einer festen Frequenz schwingenden Quarzes bekannt. Bei diesen Schaltungen wird die Spannung des Oszillators mit der festen Frequenz gemischt und das Mischprodukt an einen Diskriminator gelegt, welcher entsprechend der Abweichung der Oszillatorfrequenz von der Sollfrequenz eine positive oder negative Gleichspannung erzeugt, welche über eine Rea'ktanzrö'hre den zu stabilisierenden Oszillator steuert.There are circuits to stabilize the frequency of a. Oscillator by means of an on one known fixed frequency oscillating quartz. In these circuits, the voltage of the The oscillator is mixed with the fixed frequency and the mixed product is applied to a discriminator, which is positive according to the deviation of the oscillator frequency from the setpoint frequency or negative DC voltage is generated, which via a Rea'ktanzrö'hre the oscillator to be stabilized controls.
Die Regelung soll das Erreichen einer möglichst kleinen Abweichung der geregelten Frequenz von der Sollfrequenz ermöglichen. Daneben hat sie aber auch der Forderung zu genügen, bei größeren Abweichungen der ungeregelten Frequenz von der Sollfrequenz wirksam zu sein. Es sind vier Größen, welche die vorgenannten Eigenschaften des geregelten Systems bestimmen, nämlich Steilheit, Frequenzstabilität und Fangbereich des Diskriminators und Steilheit der Regelung.The regulation should achieve the smallest possible deviation of the regulated frequency from allow the setpoint frequency. In addition, however, it also has to meet the requirement for larger deviations of the unregulated frequency from the setpoint frequency to be effective. There are four sizes which determine the aforementioned properties of the controlled system, namely steepness, Frequency stability and capture range of the discriminator and steepness of the regulation.
Die Steilheit des Diiskriminators gibt die erzeugte Regelspannung in Funktion der Abweichung der Frequenz an und sollte möglichst groß sein. Da sich Frequenzversdiiebuingm der Diskriminatorcharakteri'stik auf die geregelte Frequenz auswirken, sollte die Frequenzstabilität des Discriminators ebenfalls groß sein.The steepness of the discriminator gives the generated Control voltage as a function of the frequency deviation and should be as large as possible. That I Frequency shift in the discriminator characteristics affect the regulated frequency, the frequency stability of the discriminator should also be great.
Mit Fangbereich wird derjenige Bereich bezeichnet, aus welchem die ungeregelte Frequenz auf den geregelten Wert zurückgeführt wird. Der Fangbereich kann graphisch aus der Kurve des; Diskriminators und aus der Regelsteilheit bestimmt werden. Er sollte nicht zu klein isein, damit an die Stabilität des ungereglten Oszillators nicht zu hohe Anforderungen gestellt werden müssen.The capture range denotes the range from which the unregulated frequency is sent to regulated value is returned. The capture range can be shown graphically from the curve of the; Discriminator and can be determined from the control steepness. It shouldn't be too small for them to be Stability of the uncontrolled oscillator need not be too high demands.
Die Steilheit der Regelung gibt die erzeugte Frequenzänderung in Funktion der Regelspannung an. Sie sollte gleichermaßen möglichist hoch sein.The steepness of the regulation gives the generated frequency change as a function of the control voltage. It should be equally as high as possible.
Eine große Steilheit der Regelung läßt sich meist ohne weiteres erreichen. Schwierigkeiten ergeben sich für die anzustrebende große Steilheit des Disr kriminatars. Sie kann zwar für Diskriminatoren der bekannten Bauarten erreicht werden durch Verwendung von Schwingkreisen hoher Güte, z. B-. ίο Kriistallresonatoren, welche 'entsprechenden Aufwand bedingen. Als Hauptnachteil ist dann jedoch der zu kleine Fangbereich anzusehen. Ein weiterer Nachteil der bekannten Bauarten besteht in den Schwierigkeiten zur Einhaltung der Sollfrequenz, da die Schaltelemente insbesondere wegen Temperatureinflüssen unkonstant sind, wodurch die Genauigkeit der Stabilisierung leidet. A great steepness of the regulation can usually be achieved without further ado. Difficulties arise for the great steepness of the discriminatory that is to be striven for. They may be for discriminators of the known types can be achieved by using resonant circuits of high quality, e.g. B-. ίο Kriistallresonatoren, which 'appropriate effort condition. However, the main disadvantage is that the capture range is too small. Another The disadvantage of the known designs is the difficulty in maintaining the target frequency, since the switching elements are inconsistent, in particular due to temperature influences, as a result of which the accuracy of the stabilization suffers.
Die Erfindung ermöglicht nun, die Unzulänglichkeiten der bisherigen Diskriminatoren zu beheben und einen großen· Fangbereich mit großer Steilheit und Stabilität zu verbinden. Sie betrifft einen Frequenzdiskriminator, insbesondere für Frequenzstabilisierung, der mindestens zwei auf verschiedene Frequenzen abgestimmte Sehwingkreisie enthält, wobei die an jedem Schwingkreis liegende Spannung einzeln gleichgerichtet wird und die entstehenden Gleichspannungen gegeneinander .in Serie geschaltet sind; das Ernndungskennzeichen besteht im wesentlichen darin, daß die Speiseenergie dem einen Schwingkreis über einen Schwingkristall und . dem anderen Schwingkreis diurtih. kapazitive oder induktive Kopplung ohne einen Schwingkristall zugeführt wird, wobei die Resonanzfrequenz des Schwingkristall» zwischen den Resonanzfrequenzen der beiden Schwingkreise liegt.The invention now makes it possible to remedy the shortcomings of the previous discriminators and a large · catching range with great steepness and stability. It concerns a frequency discriminator, especially for frequency stabilization, which contains at least two oscillation circles tuned to different frequencies, whereby the voltage applied to each resonant circuit is individually rectified and the resulting voltage DC voltages are connected in series against each other; the appointment indicator exists essentially that the feed energy is one oscillating circuit via an oscillating crystal and . the other oscillation circle diurtih. capacitive or inductive coupling is supplied without a vibrating crystal, the resonance frequency of the Oscillating crystal »lies between the resonance frequencies of the two oscillating circuits.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend beschrieben.An embodiment of the invention is described below.
Fig. ι zeigt das Blocksehema eines Oszillators mit Stabilisierungsanordnung, in welchem der erfindungsigemäße Diskriminator beispielsweise verwendet werden kann.Fig. Ι shows the block diagram of an oscillator with stabilization arrangement in which the inventive Discriminator for example can be used.
Fig. 2 zeigt gleichzeitig das Schaltungsschema eines Diskriminiators bekannter Ausführung und
eines solchen gemäß der Erfindung.
Fig. 3 zeigt verschiedene iSlpannungskurven in Funktion der Frequenz einer Regelungseinrichtung
mit einem Diskriminator bekannter Ausführung.Fig. 2 shows at the same time the circuit diagram of a discriminator of known design and one according to the invention.
3 shows various voltage curves as a function of the frequency of a control device with a discriminator of known design.
Fig. 4 zeigt verschiedene Kurven in Abhängigkeit der Frequenz; welche sich auf den erfindungsgemäßen Diskriminator beziehen.4 shows various curves as a function of the frequency; which is based on the invention Refer to discriminator.
Die bekannte Schaltung eines durch Quarz stabilisierten Oszillators in Fig. 1 arbeitet folgendermaßen :The known circuit of a quartz stabilized oscillator in Fig. 1 operates as follows :
Ein Oszillator 1 ist durch die Reaktanzröhre 8, welche ihrerseits durch eine Regelspannung gesteuert· wird, in seiner Frequenz beeinflußbar. Er gibt seine Energie in Richtung 0 an einen Verbraucher ab. Ein Teil der Energie wird jedoch in Richtung 3 einer Mischistufe 4 zugeführt. Der Ausgang S eines andern Oszillators 6>, dessen Schwingungen direkt von denjenigen eines Schwingkristalls abgeleitet sind, wird ebenfalls der Mischstufe 4 zugeführt. Diese Miischsitufe bildet u. a. die Differenz und die Summe der beiden Oszillatorfrequenzen. Der Diskriminator 7 ist auf die Diffeneinzfrequenz abgestimmt und erzeugt in Funktion dieser Frequenz eine Regelspannung, welche der Reaktanzröhre 8 zugeführt wird, welche ihrerseits die Frequenz des Oszillators 1 in dem der Abweichung entgegengesetzten Sinne beeinflußt.The frequency of an oscillator 1 can be influenced by the reactance tube 8, which in turn is controlled by a control voltage. It releases its energy in the direction of 0 to a consumer. However, some of the energy is fed to a mixer stage 4 in direction 3. The output S of another oscillator 6>, the oscillations of which are derived directly from those of an oscillating crystal, is also fed to the mixer 4. This mixing stage forms, among other things, the difference and the sum of the two oscillator frequencies. The discriminator 7 is tuned to the differential frequency and, as a function of this frequency, generates a control voltage which is fed to the reactance tube 8, which in turn influences the frequency of the oscillator 1 in the opposite sense to the deviation.
Eine unter dem Namen »Differenzdiiskriminator« bekannte Schaltung eines Diskriminators zeigt Fig. 2. Die Vierbindungen io° sollen als vorhanden, die Verbindungen 30" als nicht vorhanden gedacht werden. Er arbeitet folgendermaßen: Di© Energie wird dem Schwingkreis 9 zugeführt. Über' die Kapazitäten 110 und 11 sind zwei weitere Schwingkreise 12 und 13 lose gekoppelt. Die Spannung dieser Schwingkreise wird in den Gleichrichtern 14 und 15 gleichgerichtet und den Widerständen 16 und 17 zugeführt.' Durch die Kondensatoren iS und 19 werden die Widerstände wechsdstrommäßig kurzgeschlossen, so daß an ihnen Gleichspannungen entstehen.A circuit of a discriminator known under the name "difference discriminator" is shown in FIG. 2. The four bonds are to be thought of as being present, the connections 30 ’being not present. It works as follows: Energy is fed to the oscillating circuit 9 Capacitors 110 and 11 are loosely coupled to two further oscillating circuits 12 and 13. The voltage of these oscillating circuits is rectified in rectifiers 14 and 15 and fed to resistors 16 and 17. ' The resistors are short-circuited in terms of alternating currents by the capacitors iS and 19, so that direct voltages arise across them.
Der- Schwingkreis 12 ist auf eine niedrigere Frequenz abgestimmt als der Kreis 13. Durch die Anordnung der Gleichrichter 14 und 15 entsteht an Widerstand 16 eine der Spannung am Schwingkreis 12 proportionale positive und am Widerstand 17 eine der Spannung am Schwingkreis 13 propor- g0 tionale negative Gleichspannung. Die Widerstände 16 und 17 sind in Serie geschaltet, und die Summe der an 'ihnen liegenden Spannungen ergibt die Regelspannung U%. DER resonant circuit 12 is tuned to a lower frequency than the circuit 13. The arrangement of the rectifier 14 and 15 is produced across resistor 16 is a voltage at the resonant circuit 12 proportional positive and the resistor 17 a of the voltage at the resonant circuit 13 g propor- 0 tional negative DC voltage. The resistors 16 and 17 are connected in series, and the sum of the voltages across them gives the control voltage U%.
In Fig. 3 ist dier Verlauf der Spannungen am Widerstand 16 (Kurve .210) und am Widerstand 17 (Kurve 21) abgebildet. Kurve 212 zeigt die Resultierende der beiden Spannungen, die Ragelsipannung U%. Die Gerade 23 stellt den beispiefeweisen Verlauf der Frequenz des Oszillators in Funktion der Regelspannung dar. Wegen der im Hinblick auf dieDiskriminatorkurve gewählten Anordnung der Koordinatenachsen ergibt sich für eine steile Regelcharakteristik ein flacher Verlauf der Geraden, und umgekehrt. Die Frequenz, auf welche der Oszillator geregelt wird, ergibt sich aus dem Schnittpunkt 24 dar beiden Kurven 22 und 23. Weicht die dem Diskriminator zugeführte Frequenz sehr stark von der Frequenz der Diskriminatormitte ab, so wird dies beispielsweise durch die Gerade 215 dargestellt. Diese weist mehr als einen Schnittpunkt mit der Diskriminatorkurve auf. Der Oszillator kann dementsprechend auf zwei verschiedenen Frequenzen (Punkte 26 und 27) stabilisiert werden, von denen nur die eine (Punkt 26) die richtige ist. Für eine dermaßen starke Abweichung funktioniert die Regeleinrichtung nicht mehr richtig; die Abweichung liegt deshalb außerhalb des Fangberaiches des Diskriminators. Die Grenzen des -Fangbereiches für das Einsetzen der Regelung bei Inbetriebsetzung werden durch die beiden Geraden 28 und 29 bestimmt, und der Fangbereich entspricht somit der Strecke 30.In Fig. 3 the course of the voltages at resistor 16 (curve .210) and at resistor 17 (curve 21) is shown. Curve 212 shows the resultant of the two voltages, the Ragelsi voltage U%. The straight line 23 represents the course of the frequency of the oscillator as a function of the control voltage. Because of the arrangement of the coordinate axes chosen with regard to the discriminator curve, a flat course of the straight line results for a steep control characteristic, and vice versa. The frequency to which the oscillator is regulated results from the intersection point 24 of the two curves 22 and 23. This has more than one point of intersection with the discriminator curve. The oscillator can accordingly be stabilized at two different frequencies (points 26 and 27), of which only one (point 26) is the correct one. For such a large deviation, the control device no longer works properly; the deviation is therefore outside the range of the discriminator. The limits of the catch range for the commencement of the regulation upon commissioning are determined by the two straight lines 28 and 29, and the catch range thus corresponds to the distance 30.
Es ist leicht einzusehen, daß bed einem steileren Diskriminator dieser bekannten Art die Abweichung 3a der geregelten Frequenz vom SollwertIt is easy to see that with a steeper discriminator of this known type the deviation 3a the regulated frequency from the setpoint
zwar kleiner wird, daß aber der Fangbereich ebenfalls stark abnimmt.although it becomes smaller, the capture range also decreases significantly.
Der erfindungsgemäße Diskriminator wird ebenfalls durch Fig. 2 dargestellt, indem auf der genannten Figur die Verbindungen 32" als vorhanden und ro0 als nicht vorhanden gedacht werden sollen. An Stelle desi Kondensators 10 ist damit der Kreis 12 durch einen Schwingkristall 312· an dem Kreis· 9 gekoppelt.The discriminator according to the invention is also represented by FIG. 2, in that the connections 32 ″ are to be thought of as present and ro 0 as not present in the cited figure. In place of the capacitor 10, the circle 12 is thus represented by an oscillating crystal 312 on the circle · 9 paired.
Die Kopplung zwischen den Kreiseng und 13, welche in der Figur kapazitiv durch den Kondensator 11 erfolgt, könnte auch induktiv oder gleichzeitig induktiv und kapazitiv erfolgen.· Die Speisung des Diskriminators muß auch nicht durch einen Schwingkreis 9 erfolgen; die Ankopplung der Schwingkreise 12 und 13 .ist an beliebige Schaltelemente möglich.The coupling between Kreiseng and 13, which takes place capacitively in the figure through the capacitor 11, could also inductively or simultaneously inductive and capacitive. · The discriminator does not have to be fed by a Oscillating circuit 9 take place; the coupling of the resonant circuits 12 and 13 .is to any switching elements possible.
Die Entstehung der Spannung UR im erfindungsgemäßen Diskriminator wird in Fig. 4 gezeigt.The development of the voltage U R in the discriminator according to the invention is shown in FIG.
Kurve 33 zeigt den bekannten Impedanzverlauf eimieis Schwingkristalls, Kurve 34 seinen Leitwert. Kurve20 ist die iSpannungskurvie an Widerstand 16 unter Voraussetzung einer kapazitiven Kopplung 10 an Stelle der Quarzkopplung 32. Da sich die' Stärke der kapazitiven Kopplung in dem in Frage kommenden Frequenzbereich praktisch nicht ändert, stellt die Kurve 20 die normale Resonanzkurve des Kreisiasi 1121 dar.Curve 33 shows the known impedance curve of a vibrating crystal, curve 34 its conductance. Curve 20 is the voltage curve across resistor 16 assuming a capacitive coupling 10 instead of the quartz coupling 32. Since the 'strength the capacitive coupling practically does not change in the frequency range in question, the curve 20 represents the normal resonance curve of the circular alias 1121.
Unter Voraussetzung der Ouarzkopplung ergibtAssuming the Ouarz coupling results
sich an Widerstand 16 die Kurve 35, welche durch Multiplikation der Kurven 20 und 34 entsteht. Am Widerstand 17 entsteht die mit Kurve 21 gezeigte Spannung. Die Addition der beiden Kurven 21 und 35 ergibt die Kurve 36 der Regelspannung UR. MitCurve 35, which is produced by multiplying curves 20 and 34, appears at resistor 16. The voltage shown by curve 21 arises at resistor 17. The addition of the two curves 21 and 35 results in curve 36 of the control voltage U R. With
28 und 29 sind wiederum die Geraden, welche den Fangbereich 30 begrenzen, angegeben.28 and 29, in turn, the straight lines which delimit the capture range 30 are indicated.
Wie aus diesen letzten. Kurven in Fig. 4 hervorgeht, ist der Fangbereich des erfindungsgemäßen Diskriminators gleich groß wie derjenige auf Fig. 3; der Mittelteil der Diskriminatorkurve ist jedoch wesentlich steiler, so daß die Abweichung der geregelten Frequenz vom Sollwert außerordentlich klein ist. Die absolute Lage des steilen Mittelteiles der Diskriminatorkurve bezüglich Frequenz ist durch die Resonanzfrequenzen des Schwingquarzes 32 bestimmt und unabhängig von Verstimmungen der Kreiise 12 und 13. Da die große Stabilität der Schwingkristalle· bekannt ist, ist der erfindungsgemäße Diskriminator auch in der Hinsicht auf absolute Frequenzgenauigkeit den bekannten Schaltungen weit überlegen. Er bietet daher wesentliche Vorteile.As from this last one. Curves shown in Fig. 4 is the capture range of the invention Discriminator the same size as that in Fig. 3; however, the middle part of the discriminator curve is much steeper, so that the deviation of the regulated frequency from the setpoint is extraordinary is small. The absolute location of the steep middle section the frequency of the discriminator curve is determined by the resonance frequencies of the quartz crystal 32 determined and independent of the upsets of circles 12 and 13. Because the great stability of oscillating crystals is known, the discriminator according to the invention is also in this respect Far superior to known circuits in terms of absolute frequency accuracy. It therefore offers essentials Advantages.
Claims (2)
Deutsche Patentschrift Nr: 662 456;
französische Patentschrift Nr. 9161 639.Referred publications:
German Patent No. 662 456;
French patent specification No. 9161 639.
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