DK154383B - Kredsloeb til sammenligning af frekvenser - Google Patents

Description

i.

DK 154383 B

Opfindelsen omhandler et kredsløb til sammenligning af frekvenser og af den i krav l's indledning angivne art, og som er kendt fra tysk fremlæggelsesskrift nr. 2 653 501.

I det kendte sammenligningskredsløb summeres faseforskydningerne mellem det tilførte signal og to referencesignaler med samme frekvens F og indbyrdes faseforskudt 90°, hvorefter sumværdierne adderes. Da de lavfrekvente støjkomponenter ikke kan bortfiltreres ved summationskredsene, bliver de via absolutværdidannelse ensrettet og derefter adderet, hvilket nedsætter sammenligningskredsløbets følsomhed. Endvidere sker additionen i en efter summationstællerne følgende additionskreds, der skal kunne arbejde meget hurtigt og derfor er kostbar og har et væsentligt strømforbrug.

Opfindelsen har til formål at tilvejebringe et kredsløb til sammenligning af frekvenser, der har en forøget følsomhed, som er økonomisk at fremstille, og som ikke stiller særlige krav til strømforbrug og arbejdshastighed.

Dette opnås ifølge opfindelsen ved et kredsløb af den i krav l's kendetegnende del angivne opbygning, hvor faseforskydningsværdierne adderes eller subtraheres før absolutværdidannelsen, så at der ikke sker nogen systematisk addition af absolutværdi-fejl.

Opfindelsen forklares nærmere nedenfor i forbindelse med tegningen, hvor: fig. 1 viser vektorer i retvinklede koordinater svarende til tre spændinger, og fig. 2 og 3 er strømskemaer for to udførelseseksempler på et kredsløb ifølge opfindelsen.

Fig. 1 er et vektordiagram i retvinklede koordinater (Ox og Oy)

2 DK 154383 B

for to signaler og E2 med samme frekvens P og indbyrdes faseforskudt 90°. De tilsvarende vektorer ligger henholdsvis i de to vinkelret på hinanden stående akser 0X og 0Y og danner vinkler c og c + 90° med aksen Ox. Et tredje signal E, som i en første hypotese antages også at besidde frekvensen F, danner en vinkel d med aksen Ox. I denne fremstilling drejer vektorerne svarende til signalerne E, E^ og E2 sig omkring nulpunktet 0 med en omløbshastighed svarende til frekvensen F.

Lad S(E), S(E^) og S(E2) være tre funktioner af tiden t, der antager værdierne 1 eller 0 alt efter, om sinus til vinklerne d, c og c + 90° er positiv eller negativ, d.v.s. alt efter, om fortegnene for signalerne E og E.^ på tidspunktet t og af signalet E1 på tidspunktet t- T (med 2fr FT = er positive eller negative. I beskrivelsen og i kravene forstås der ved fortegnet af et signal fortegnet for dets amplitude i forhold til dets middelværdi. Det er let at konstatere, at under en periode (J): 1) med E i den første x,y-kvadrant 1* (d.v.s. i tilfældet på fig. 1) og © angivende summen modulus 2, eller udtrykt logisk S(E) © S(E^) = S(E) · S(É^) + S(E) · S(E^), kan følgende ligninger opstilles:

Sp = [S(E) 0 S(E1)] · [S(E) © S(E2)]= O

Sn = [S(E) © SiEj^)] · [S(E) © S(E2)]= 1 under 50 % af perioden og lig med 0 under de andre 50 %,

Dp = [S(E) ©S(E1)] · [S(E) © S(E2)] og

Dn = [S(E) © S(E1)] - [S(E) ©S(E2)] lig med 0 under mere end 50 % af perioden og lig med 1 i resten af perioden. Funktionen D forbliver i øvrigt (i nærværende til- ir fælde, hvor faseforskydningen imellem E og E^ er mindre end 45°) i længere tid lig med 1 end funktionen Dn· 2) med E i den anden x,y-kvadrant, 2*,

D = 0 P

3 DK 154383 B

Dn lig med 1 under 50 % af perioden og lig med 0 under de andre 50. %

Sn og Sp lig med 0 under mere end 50 % af perioden.

3) med E i den tredje x,y-kvadrant, 3*,

S = 0 P

Sn lig med 1 under 50 % af perioden og lig med 0 under de andre 50 %

Dn Dp me<^ ^ under mere end 50 % af perioden.

4) med E i den fjerde x,y-kvadrant, 4*,

Dn = 0

Dp lig med 1 under 50 % af perioden og lig med 0 under de andre 50 %

Sn ^ρ lig med 0 under mere end 50 % af perioden.

Uanset stillingen af E i forhold til signalerne E^ og vil derfor den ene af de fire funktioner af de to funktionsgrupper Sn, og Dn, Dp forblive identisk lig med 0 og den anden funktionsgruppe lig med 1 under halvdelen af tiden. Såfremt derfor differensen imellem varighederne af tilstandene 1 for Sn og Sp opregnes i en første tæller og forskellen imellem varighederne af tilstandene 1 for D og D i en anden tæller, vil den ene af tællerne (i tilfældet på fig. 1 bliver det den første tæller) kun tælle eller nedtælle og løbe over. Naturligvis skal de to tællere klarstilles i udløsningsøjeblikket for tællingsoperationen.

Det er i den første hypotese antaget, at E har samme frekvens F som E^ og E2. Er dette ikke tilfældet, vil E efterhånden gennemløbe hver af de fire kvadranter, og der vil kun ske overløb, såfremt E forbliver tilstrækkeligt længe i en kvadrant til at skabe overløb af en tæller, da i modsat fald det, som den betragtede tæller har opmagasineret, vil mistes under gennemgangen af E i den modsatte kvadrant. Overløbet vil derfor kun finde sted, når som funktion af én given tællerkapacitet afstanden imellem fre- 4

DK 154383B

kvensen af det modtagne signal og den forventede frekvens er tilstrækkelig ringe. Der sker på denne måde en filtreringsvirkning.

For en given kapacitet af tælleren og ud fra en vis afstand imellem frekvenserne vil der ikke indtræffe noget overløb, og hver af tællerne vil gennemløbe sin oprindelige tællingsværdi ved en frekvens, hvis værdi er det dobbelte af differensen imellem frekvensen af det modtagne signal og frekvensen F. Herved er der mulighed for at måle differensen imellem frekvensen af det modtagne signal og frekvensen F.

I det foregående er referencesignaleme E·^ og Eg faseforskudt 90°. Det forstås, at denne faseforskydningsværdi ikke er en ufravigelig betingelse til at medføre et tælleroverløb i det tilfælde, hvor E har frekvensen F eller en nærliggende frekvens. Den eneste betingelser er faktisk, at faseforskydningen er forskellig fra kT(hvor k er et helt positivt tal eller nul). I det tilfælde, hvor faseforskydningen er forskellig fra k/Γ og fra (k7T + jj?) danner akserne 0X og 0Y to indbyrdes vinkler under 90* og to supplementære vinkler over 90°, og overløbet vil finde sted hurtigere, når vektoren E er beliggende i et spidst vinkelområde, og langsommere, når den ligger i et stumpt vinkelområde.

Fig. 2 viser en udførelsesform for et kredsløb med en amplitudebegrænser 1 og binære logikkredse til sammenligning af frekvenser efter sammenligningsprincippet beskrevet ovenfor i forbindelse med fig. 1.

I det følgende betegnes signalerne svarende til de enkelte funktioner S(E), S(E1), S(E2), S(E) © S(E1) o.s.v. i forbindelse med fig. 1 ved de samme benævnelser som de funktioner, til hvilke de svarer.

Det modtagne signal E påtrykkes indgangen af amplitudebegrænseren 1 til afgivelse af et savtaksignal. De øverste og nederste værdier for takkerne udgør for de efterfølgende logikkredse tilstandene "l" og "0" svarende henholdsvis til positive og negative amplituder af signalet E. Det savtakkede signal repræsenterer altså størrelsen S(E).

5 DK 154383 B

På samme måde fremstilles her størrelserne SiE^) og S(E2) ud fra et savtakket signal B, hvis frekvens er den dobbelte af frekvensen F. Til dette formål påtrykkes signalet B en halveringskreds 2, som leverer et firkantsignal SiE^, medens signalet S(E2) svarende til signalet S(E-^) med en faseforskydning på 90° opnås ved i en modulus to-tæller 3 at addere signalerne B og S(E^).

Signalerne S(E) © S(E^) og S(E) ©S(E2) leveres af to modulus totællere henholdsvis 4 og 5, idet de to indgange af tælleren 4 påtrykkes signalerne S(E) og S(E1) og de to indgange af tælleren 5 påtrykkes, signalerne S(E) og S(E2).

Signalerne S(E) © S(E-^) og S(E) © SCEg) påtrykkes henholdsvis den første og den anden indgang til fire logiske OG-porte 6-9.

De to indgange til porten 7, den anden indgang til porten 8 og den første indgang til porten 9 er indgange med inversion, så at portene 6, 7, 8 og 9 leverer signalerne henholdsvis S , S ,

V‘V

For at opnå et signal for differensen af varighederne af tilstandene "l" af signalerne Sn og omfatter kredsløbet på fig. 2 en op/ned-tæller 15, hvis optællingsindgang ,,+" igennem en på logisk OG-port 10 påtrykkes signalet S^, og hvis nedtællingsindgang over en logisk OG-port 11 påtrykkes signalet Sn< Åbningen af portene 10 og 11 styres ved eksempleringsimpulser p med en eksempieringsfrekvens f meget større end frekvensen F, hvilke impulser p leveres af en impulsgenerator 14. Tælleren 15 har en indgang til en tilbagestilling af tællerværdien lig med halvdelen af dens maksimale tællerværdi styret af et signal i, som leveres af en impulsgenerator 40.

Gennemgangen af tælleren 15 gennem sin maksimalværdi enten ved optælling eller ved nedtælling observeres ved hjælp af en afkodningskreds 17, hvis udgang er forbundet med den første af to indgange til en logisk ELLER-port 19.

Til udarbejdelse af et signal for differensen imellem varighederne af tilstanden "1" af signalerne Dn og har kredsløbet på fig. 2

6 DK 154383B

en op/ned-tæller 16, hvis optællingsindgang ,,+” over en logisk OG-port 12 påtrykkes signalet D^, og hvis nedtællingsindgang over en logisk OG-port 13 påtrykkes signalet Dn. Åbningen af portene 12 og 13 styres af impulserne p fra generatoren 14. Tælleren 16 har en indgang til tilbagestilling af tællerværdien på halvdelen af dens maksimale tællerværdi, styret af det samme signal i som indgangen til tilbagestilling på halvdelen af den maksimale tællerværdi af tælleren 15.

Gennemgangen af tælleren 16 igennem dennes maksimale tællerværdi enten ved optælling eller ved nedtælling observeres ved hjælp af en afkodningskreds 18, hvis udgang er forbundet med den anden af de to indgange til den logiske ELLER-port 19.

Når ELLER-porten 19 leverer et signal, betyder dette, som vist på fig. 1, at signalet S(E) har en frekvens lig med eller nær ved frekvensen F af signalerne S(E-^) og S(E2). Det af ELLER-porten 19 leverede signal er således beslutningssignalet for frekvens-sammenligningskredsløbet. Udgangen fra ELLER-porten er forbundet med indgangen til et ikke vist organ til synliggørelse eller anvendelse af signalet.

Såfremt E har frekvensen F, udtager den tæller, som kun optæller eller nedtæller (under 30% af tiden) i løbet af en periode i et antal impulser lig med · f (hvor f som tidligere nævnt er eksempleringsfrekvensen), dette naturligvis forudsat, at signalet E ikke indblandes med støj. I modsat fald bliver signalet S(E) @ S(E^) forstyrret, og der vil forsvinde visse impulser, som burde være optalt, og indgangen af den tæller, som ikke skulle modtage noget, vil modtage forstyrrende impulser. Dette viser sig ved en forøgelse af kredsløbets reaktionstid. Jo mere støj i det modtagne signal, desto længere reaktionstid af kredsløbet. Ved måling af reaktionstiden og med en forudgående eksemplering er det derved muligt at bestemme signal/støj-forholdet for det modtagne signal.

Man har ikke i det foregående præciseret karakteristikkerne for signalet i til tilbagestilling af op/ned-tællerne 15 og 16 på et tællerbeløb svarende til halvdelen af deres maksimale tællerbeløb.

7 DK 154383 B

Dette signal kan være en enkelt impuls, eksempelvis indsendt af en operator på udløsningstMspunktet for en ny sammenlikgningscyklus, men signalet kan også som nu være et periodisk signal bestående af impulser, hvoraf den første sendes i udløsningsøjéhlikket. Perioden af dette signal vælges tilstrækkelig lang til at modvirke overløbet på grund åf det modtagne signal, når dettes frekvens er lig med eller tilstrækkelig nær ved F, og tilstrækkelig kort til at forhindre ethvert overløb, når det modtagne ^signal har en fra F for afvigende frekvens, og tællerne kunne risikere overløb alene på grund af støj.

Et frekvenssammenligningskredsløb af den på fig. 2 viste art er blevet fremstillet med. F = 1660 Hz, f = 35 kHz og æt signal i med frekvensen 6,25 Hz.

Fig. 3 viser en anden udførelsesform for et kredsMb ifølge opfindelsen. I denne kreds udarbejdes signalerne Sp, Sn, Dp og Dn ud fra signalerne S(E), Si{E]_) og B (hvor B som på fig. 2 er et firkantsignal med frekvensen 2F), og man har:

Sp = [ S (E) ® S(E1)] · I:S(E) Θ S(E2)] = [ S (E) ©rSifE^] * B

sm = [ S (E) © S (E, )] · B m i

D = [S (E) ® S (E, ) ] * B

p 1

= [S(E) @ S(E1)] * B

Som i frekvenssammenligningskredsløbet på fig. 2 påtrykkes det modtagne signal E indgangen til en amplitudebegrænser 20 til afgivelse af et firkantsignal S(E). Et firkantsignal 13„ hvis frekvens er den dobbelte af frekvensen F, leveres af en impulssgenerator 42 og påtrykkes indgangen til en halveringskreds 22, som leverer et firkantsignal S(E^). Signalerne S(E) og S(E^) påtrykkes de respektive to indgange til en modulus to-tæller 21, som ved sin udgang leverer signalet S(E) ©S(E^).

Signalerne S(E) © S(E^) og B påtrykkes henholdsvis den første og den anden indgang til fire logiske OG-porte 23-26. .Den anden indgang af porten 23, de to indgange til porten 24 og den første indgang til porten 26 er inverse indgange, så at portene 23-26

8 DK 154383 B

leverer henholdsvis signalerne S^, og Dn«

Signalet S påtrykkes direkte på optællingsindgangen "+" til en P

op/ned-tæller 27, hvis nedtællingsindgang modtager signalet S . Tælleren 27 har en tidsimpulsindgang og er beføjet til at tælle under tidsrummet for hver impuls, der påtrykkes denne indgang. Eksempleringsimpulser p med en frekvens f meget større end frekvensen F leveres af en generator 33 og påtrykkes tidsimpulsindgangen af tælleren 27. Tælleren 27 har endvidere en indgang til tilbagestilling af tælleren svarende til halvdelen af dennes maksimale tællerbeløb, styret af et signal i, som leveres af en udløsningskreds 32. Signalet i består her af en enkelt impuls, hvis udsendelse bestemmes ved udløsning af en ny sammenligningscyklus.

Det på fig. 3 viste frekvenssammenligningskredsløb anvendes ikke som kredsløbet på fig. 2 til at kontrollere, om det modtagne signal har frekvensen F, men til at måle differensen imellem frekvensen af det modtagne signal og frekvensen F. Denne måling kan naturligvis kun foretages, såfremt frekvensen af det modtagne signal er tilstrækkeligt forskellig fra F.

Gennemgangen af tælleren 27 gennem tællerværdien svarende til halvdelen af dens maksimale tællerværdi (og ikke mere igennem dens maksimale tællerværdi) observeres ved hjælp af en afkodningskreds 29, hvis udgang er forbundet med den første af to indgange til en bistabil vippe 31.

På tilsvarende måde påtrykkes signalerne D og Dn henholdsvis til optællingsindgangen B+n og nedtællingsindgangen af en op/ned-tæller 28, som er identisk med op/ned-tælleren 27, og hvis tidsimpulsindgang også modtager impulserne p, og hvis indgang til tilbagestilling af tælleren på halvdelen af dens maksimale tællerbeløb styres af signalet i leveret fra udløsningskredsen 32.

Gennemgangen af tælleren 28 igennem tællerværdien svarende til halvdelen af dens maksimale tællerværdi observeres ved hjælp af en afkodningskreds 30, hvis udgang er forbundet med den anden indgang af den bistabile vippe 31.

9

iDK 154383 B

Det af vippen 31 leverede signal er et f irkantsignalL., der som angivet i forbindelse med beskrivelsen af fig. 1 hair en frekvens dobbelt så stor som værdien af differensen imellem frekvensen af det modtagne signal og frekvensen F. Værdien af (fenne frekvens måles ved hjælp af et frekvensmeter 34, som er tUlssluttet efter den bistabile vippe 31.

Det bemærkes, at kredsløbet på fig. 3 i den del, sæom går forud for op/ned-tællerne, kræver to modulus to-tællere imindre end kredsløbet på fig. 2. Endvidere har OG-portene 10-13 péå fig. 2 ingen direkte ækvivalenter på fig. 3, hvilket skyldes anvendelsen af op/ned-tællerne 27, 28 med tidsimpulsindgange, på Ihvilke der påtrykkes impulserne p. Hvad angår OG-portene 23-26 jpå fig. 3, kan disse undværes ved at anvende op/ned-tællere med ©n blokeringsindgang. I dette tilfælde skal signalet fra modulus to-tælleren 21 påtrykkes direkte på den ene indgang til op/ned-tællerne 27, 28 og efter inversion påtrykkes den anden indgang af edisse tællere, medens signalet B skal påtrykkes direkte på blokeringsindgangen til tælleren 27 og efter Inversion påtrykkes på Mkokeringsindgangen af tælleren 28.

Det bemærkes, at med to referencesignaler med frekvensen F kan det andet signal opnås med enhver ønsket faseforskydnmng i forhold til det første signal ved at forsinke det første referencesignal med værdien T svarende til desn ønskede faseforskydning. Som regel har dog faseforskydninger forskellig fra 90° ingen interesse.

Op/ned-tællerae og afkodningskredsene i kredsløbene på fig. 2 og 3 kan også erstattes med analoge integratorkredse efterfulgt af lærskelværdikredse.

Claims (6)

10 DK 154383B P_a_t_e_n_t_k_r_a_v_£

1. Kredsløb til sammenligning af frekvenser, hvor et tilført signal omdannes til en analyserbar firkantbølgespænding, der tilknyttes et første og et andet firkantbølgeformet referencesignal i binære forbindelseskredse, hvor i det mindste det første referencesignals frekvens er lig med en frekvens F, og det andet referencesignals frekvens har et rationalt forhold til frekvensen F, hvilke forbindelseskredse leverer resultaterne fra sammenligningen mellem fortegnene a, b, c for amplituderne af henholdsvis det analyserede signal, det første referencesignal og et sammenligningssignal med frekvensen F, hvis faseforskydning i forhold til det første referencesignal er forskellig fra k'/F (hvor k er et positivt helt tal eller nul), og med en sammenligningskreds med to udgangstrin til sammenligning af det analyserede signal med referencesignalerne, en første og en anden tidsmålekreds til måling af varigheden af udgangssignalerne fra sammenligningskredsen og en optællingskreds til afgivelse af et udgangssignal, når mindst én af de to tidsmålekredse når en forud bestemt tællerstand, kendetegnet ved, at sammenligningskredsen (6-9; 23-26) leverer signaler S^, Sn, D^, Dn, af hvilke det ene af de to binærtrin for signalet kendetegner tidsintervaller s^, hvor a Φ b og a + c, for signalet Sn kendetegner tidsintervaller sn, hvor a = b = c, for signalet kendetegner tidsintervaller d , hvor a = b og a ψ c, og for signalet P Dn kendetegner tidsintervaller dn, hvor a =£ b og a = c, at den første tidsmålekreds (15; 27) leverer et udgangssignal, der er proportionalt med differensen mellem de akkumulerede summer for tidsintervallerne s og s , p ^ n' at den anden tidsmålekreds (16; 28) leverer et udgangssignal, der er proportionalt med differensen mellem de akkumulerede summer for tidsintervallerne d og d , samt p ^ n' at optællingskredsen omfatter to detekteringskredse (17, 18; 29, 30), der fødes fra henholdsvis den første og den anden tidsmålekreds, og som for en forud bestemt værdi af deres indgangssignal afgiver et udgangssignal, samt en udgangskreds (19; 31), der modtager udgangssignalerne fra de to detekteringskredse.

11 DK 154383B

2. Kredsløb ifølge krav 1, kendetegnet ved, at de binære forbindelseskredse (4-9; 23-26) er signalværtdibinærsammen-ligningskredse, at tidsmålekredsene omfatter op/ned-tællere (15, 16; 27, 28), som ved deres forlæns og baglæns tælleindgange modtager signalerne henholdsvis S^, Sn og D^, Dn, samt at detekteringskredsene er afkodnimgskredse (17, 18; 29, 30)„ der afgiver en impuls, når op/ned-tællerne passerer en tællersfeand, der svarer til den forud bestemte værdi af deres udgangssignal.

3. Kredsløb ifølge krav 2, kendetegnet ved, at samaenligningssignalet består af det andet referensesignal, og at faseforskydningen er .

4. Kredsløb ifølge krav .2, kendetegnet ved, at den omfatter en frekvenshalveringskreds (2; 22), fer påtrykkes det andet referencesignal,, og hvis udgangssignal er det første referencesignal.

5. Kredsløb ifølge krav"2'til angivelse af væsentlig lighed mellem det tilførte signals frekvens og frekvensen P, kendetegnet ved, at udgamgskredsen (19) omfatter sn logisk ELLER-kreds med to udgange., der er forbundet med detekterings-kredsenes (17, 18) udgange» samt at den nævnte tællærstand for op/ned-tællerne (15, 16) svarer til disses højeste tællerstand.

6. Kredsløb ifølge krav 2 til måling af forskellen mellem det tilførte signals frekvens og frekvensen F, kendetegnet ved, at udgangskredsen (31) omfatter en bistabil viigppe, hvis to indgange er forbundet med detekteringskredsenes (29„ 30) udgange, samt at den nævnte tællerstand for op/ned-tæl lerne {(27, 28) svarer til halvdelen af deres maksimale tællerstand.