LU80587A1 - Verfahren zur digitalen frequenzteilung - Google Patents

Description

D. 5ο.171

-----GRAND-DUCHÉ DE LUXEMBOURG

Brevet N» .............g A......1 7 du .2.S....nO.V&5£)J?& 13.1O yJssM# Monsieur le Ministre de l’Économie Nationale et des Classes Moyennes

Titre délivré : ........................................ jgn „ , . . „ C^aan Service de la Propriété Industrielle

LUXEMBOURG

Demande de Brevet d’invention I. Requête Σί3 SQC·'tfêt.O dite.: SÏKMEHS BSRXjLÎÎ üîTD IiUiT*· ^ ...CES!?.,.....mtv0.1^haohûrDlatz....2^..A.....3ooo KüKICH 2,.....Allonaçne Fg-3S-.......

... raie, - - uepras snfcâa par....I-!onsisur J&QgRâÆ. de. J'uy.sert (2> ...sa....Qualité....de....m.andataire............................................................................................................................................................... ........

dépose........ ce ........VlngtrIRl.it.....llOv.INêhre.....1.9o.O.....SC.iXcintC“d ........(3) à........15............ .... heures, au Ministère de l’Économie Nationale et des Classes Moyennes, à Luxembourg : 1. la présente requête pour l’obtention d’un brevet d’invention concernant : ....." Verfahren aii.r._..dig-1.talenJErecnienstei.5ung"............................................................................._ (4) déclare, en assumant la responsabilité de cette déclaration, que l’(es) ir.ver.teur(s) est (sont) : ,1,.-- 1,1ôl j u.ll.A. t; al" .2 2.1,. ä ΙΖ.Ι,.ΙΙγ^..13 - -3 , * ............. (5) ......................ige 3 ZMp.315q.................................................................................................................................................................................................

.....2.- ~r-?·?-.;> QQ\ lltl 3,....11:.- ôbt.ilj;.A" .. .12,......1 .3 · 3 xCm.....il.r....................

.....................1.1.1·.-.: ..-·· Ί .;· ' .A:/ ] a...................................................................................................................................................................

2. la délégation de pouvoir, calée de .......„. ·;Λ.ν..ΐ|................................. llo.COCOt·!^....-!!?.........

3. la description en langue.............ρΛ..ι eNr.'............................. de l’invention en deux exemplaires ; 4.............6................. planches de dessin, en deux exemplaires ; 5. la quittance des taxes versées au Bureau ne l'Enregistrement à Luxembourg, le ......2.3....-..:-..-..1::3.....15.2.8.................................................................................................-.............................-......................................................

revendique pour la susdite demande de brevet la priorité d’une (des) demandées) de (6) ...........................lé 1 1 h......................................... dépcsée's) en (7)...... M' hZ Al 1.1lin............................................

le 8b....ûé·- -:1:::3 13 1.1...........(.3. E_2.7 13,,13.3.,8},, et.1 e le : .................(8) ...............137.7..........Cio.,......P, 27, 33 ,% 53..8) ......................................................................................................................

au nom de J Ί il .g. h O........................... .............................................----- ----- - .............................................(9) élit domicile pour lui (elle) et, si désigné, pour son msrdsisire, à Luxembourg ......................................

......3 5 , .1 ! ....................................................................................................... ............................................................................... (]0) sollicite la délivrance d’un brev al d’invention pour l’objet décrit et représenté dans les annexes susmentionnées, —· avec ajournement de cette délivrance à ..............·~Ί................ ..... mois.

Le ;1......:--1 *1 3-3......1........1.....:......

Π. Pièces-verbal de Dépôt

La susdite demande de brevet d’invention a été déposée su Ministère de l’Économie Nationale et. des Classes Moyennes, Service de la Propriété Industrielle à Luxembourg, en date du :

2E 13? S

?r- -- -dmli-'.re à... .15...........heures /’ \ de l'Érc remis Nationale et ei5 Clasoes Moyennes, P- d.

1/02K j;:w. : j D, 5ο.171

BEANSPRUCHUNG DER PRIORITÄT

^ der Patent/ßütfdi/ - Anmeldung

* IN: DER BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Vom: 30. NOVEMBER 1977

Vom: 30. NOVEMBER 1977

PATENTANMELDUNG

in

Luxemburg

Anmelder: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT BERLIN UND MÜNCHEN

Betr.: "Verfahren zur digitalen Frequenzteilung".

tr ♦ ·* t SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen

Berlin und München VPA 77 P 6801

Auslandsfassung 5 Verfahren zur digitalen Frequenzteilung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur digitalen Frequenzteilung bei einem Teilungsverhält- 7 nis u < 1 und einer Schaltungsanordnung mit einem pro-10 grammierbaren Zähler, der eine Eingangsimpulsreihe zugeführt ist.

Bei der Frequenzsynthese, z.B. der Trägererzeugung in der TF-Technik, stellt sich die Aufgabe, eine vorhande- Z 11 15 ne Frequenz durch Multiplikation mit g, z.B. umzu-wandeln.

Diese Aufgabe wäre ideal, d.h. frei von unerwünschten Nebenwellen, gelöst, wenn aus N Perioden der Ursprungs-20 frequenz f Z gleiche Perioden abgezählt werden könnten. Dies ist nicht möglich, wenn Z in N nicht ganzzahlig enthalten ist.

Bisher mußte deshalb mit einem Frequenzteiler ein Ober-Zk 1 Bri / 20.6.1978 * - 2 - VPA 77 P 6801

Auslandsfassung f wellenspektrum der Grundfrequenz erzeugt und davon die Z. Harmonische ausgesiebt werden. Bekannter Nachteil dieses Verfahrens ist die mit Z abnehmende Energie höherer Harmonischer und der damit verbundene hohe 5 Filteraufwand zur Unterdrückung des gesamten Oberwel- f lenspektrums neben der gewünschten "Frequenz Z*|j.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur digitalen Frequenzteilung zu schaffen, durch das 10 eine Frequenzteilung auch bei nicht ganzzahligen Teilungsverhältnissen direkt ohne Vervielfachung ermöglicht wird, wobei die jeweils gewünschte Harmonische mit möglichst großer Amplitude erhalten wird.

15 Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen digitalen Frequenzteiler für nicht ganzzahlige Teilungsverhältnisse zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung so 20 verfahren, daß Nenner und Zähler des Teilungsverhältnisses in Bezug auf Gerad- und Ungeradzahligkeit stets entgegengesetzt sind, daß aus der Eingangsimpulsreihe mit Hilfe von Gatterschaltungen eine periodische Ausgangsimpul sreihe gebildet ist, daß der schmälste Impuls 25 hzw. die schmälste Pause dieser Impulsreihe als Einheit szeitwert betrachtet wird, und daß alle in der Ausgangsimpulsreihe vorkommenden Impulse und Pausen bezüglich ihrer Dauer E einfache oder ganzzahlige Vielfache dieses Zeitwertes sind, und daß die Anzahl der 30 vorhandenen Zeitwerte pro Periode stets geradzahlig ist, daß, wenn die Anzahl der Zeitwerte nur einmal durch zwei teilbar ist, und eine ungeradzahlige Harmonische am Ausgang erhalten werden soll, die Periode der Ausgangsimpulsreihe in der Mitte eines Zeitabstandes und 35 in allen anderen Fällen am Anfang beginnt, daß die bei- * e h- - 3 - VPA 77 P 6801

Auslandsfassung den Kalbperloden der Ausgangsimpulsreihe axialsymme-trisch zueinander in Bezug auf ihre Impulsfolge aufgebaut sind, daß ferner bei einem geradzahligen Zähler des Teilungsverhältnisses die beiden Viertelperioden 5 jeder Halbperiode ebenfalls axialsymmetrisch zueinander ausgebildet sind, und daß bei ungeradzahligem Zähler das jeweils andere Viertel der Halbperiode gegenüber dem ersten Viertel invertiert ist.

10 Dadurch erhält man eine Impulsfolge mit maximal erreichbarem Anteil der gewünschten Harmonischen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird so verfahren, daß an den Übergängen von Impuls zu Pause Impulse 15 mit jeweils einer Zeitwertbreite so addiert bzw. subtrahiert werden, daß die neben der gewünschten Harmonischen der AusgangsSpannung liegenden Nebenwellen geschwächt werden.

20 Dadurch läßt sich die Dämpfung der unmittelbar neben der gewünschten Harmonischen liegenden Nebenwellen erheblich vergrößern. Frequenzerzeuger nach diesem Verfahren benötigen außerdem nur noch wenig Selektionsaufwand. Dieses Verfahren eignet sich vor allem zur Erzeugung der • 25 Grundtertiärgruppenpilotfrequenz 1552 kHz, die aus Se kundärgruppenträgern 2108 und 2356 kHz mittels der Ab-' leitung 1552 kHz = ^»2356 kHz + ^»2108 kHz erzeugt wird.

30 Jede Frequenzteilung kann als Multiplikation mit einem Bruch | aufgefaßt werden.

Jeder Teiler erzeugt eine N Eingangsperioden dauernde Ausgangsperiode und davon kann eine gewünschte Harmoni- 35 sehe Z=1, 2... ausgesiebt werden.

*

V

» - 4 - VPA 77 p 6801

Auslandsfassung

Die Periode des einfachsten Teilers besteht aus einem Impuls und einer Pause. Für die Grundwelle mit Z=1 ist mit gleicher Impuls- und Pausenlänge, also einer symmetrischen Rechteckspannung, das Optimum gefunden.

5

Bisher wurde der einfache Teiler auch bei Harmonischen mit Z>1 verwendet, aber mit steigender Ordnungszahl der Harmonischen nimmt deren Energieanteil ab, und die gewünschte ist von den benachbarten nur mit hohem Fil-10 teraufwand zu trennen.

Die integrierten digitalen Bausteine bieten sich an, die Periode N mit Z Impulsen und Pausen zu versehen, um dadurch Filteraufwand einzusparen.

15

Die ideale Impulsfolge mit Z gleichlangen Impulsen und Pausen kann nur angenähert werden, weil Z in N nicht ganzzahlig enthalten ist.

20 Mit einer oder beiden Flanken der Rechteckspannung des Eingangs kann der Zustand des Ausgangs bestimmt werden. Die Periode besteht aus N- oder 2N-Zeitabständen, die eine ganze Eingangsperiode oder eine halbe ^ lang sind. Dafür können Impulse oder Pausen gewählte werden, 25 die alle das gleiche Spektrum enthalten. Das Maximum der gewünschten Harmonischen erhält man folgendermaßen.

= Die Anzahl der Zeitabstände wählt man geradzahlig, was mit beiden Flanken immer möglich ist.

30 Ist die Anzahl nur einmal durch zwei teilbar, und es wird eine ungeradzahlige Harmonische gewünscht, läßt man die Periode in der Mitte eines ZeitabStandes, sonst mit dessen Anfang beginnen.

35 Die Phasenwinkel für die Grundwelle werden vom Perioden- * * % ^ - 5 - VPA 77 P 6801

Auslandsfassung anfang bis zur Mitte jedes Zeitabstandes gemessen und sind mit der Ordnungszahl der Harmonischen zu multiplizieren.

5 Die Zeitabstände des ersten Periodenviertels, deren Phasenwinkel für die gewählte Harmonische positiven Cosinus ergeben, werden zu Impulsen gewählt.

Die Impulsfolge des zweiten Viertels ist entsprechend 10 des ersten zu bilden. Es treten nur geradzahlige Harmonische auf, wenn vom Ende des ersten Periodenviertels ^ ausgehend in beiden Vierteln gleiche Schaltzustände vorhanden sind. Es treten nur ungeradzahlige Harmonische bei verschiedenen Schaltzuständen auf. Die zwei-15 te Periodenhälfte ist symmetrisch zur ersten.

Nun wird versucht, die Dämpfung der nächstliegenden Harmonischen gegenüber der gewünschten zu vergrößern. Dazu kann am Anfang und Ende jedes zusammengesetzten Impul-20 ses entweder ein Einzelimpuls dazu oder weggenommen werden. So ergeben sich Verkürzungen, Verlängerungen oder nur Verschiebungen, die Anzahl der zusammenhängenden Impulse bleibt erhalten und für die in Frage kommenden Zeitabstände des ersten Periodenviertels werden die 25 Cosinus-Werte für die gewünschte und die nächstliegenden Harmonischen errechnet und mit 4 multipliziert, weil - jedes Viertel entsprechend zu ändern ist. Für dazuge nommene Impulse werden die Werte zum ursprünglichen Spektrum addiert, für weggenommene subtrahiert.

30

Der digitale Frequenzteiler gemäß der Erfindung wird derart ausgebildet, daß der Zähler auf einen vorgegebenen, sich wiederholenden Zyklus von Impulsgruppen, die sowohl aus einer Anzahl nur ganzer als auch ganzer und 35 halber Impulse bestehen, programmierbar ist und der da- i fr t - 6 - VPA 77 P 6801

Auslandsfassung durch veranlaßt wird, halbe Impulse wie ganze zu zählen, daß dem ersten Eingang einer Gatterschalttang Eingangsimpulse zugeführt sind, und über deren zweiten Eingang ein Signal zuführbar ist, das bei Anwesenheit eine In-5 version am Ausgang des Gatters bewirkt, daß der Gatterausgang mit dem programmierbaren Zähler verbunden ist und daß Steuersignale einer Logikschaltung zugeführt sind und daß der Ausgang der Logikschaltung mit dem Reset-Eingang des Zählers, mit dem Eingang einer ersten 10 bistabilen Kippstufe sowie mit den Eingängen digitaler Teiler zur Erzeugung der Steuersignale verbunden ist, daß das eine Steuersignal den Gruppenwechsel und das andere Steuersignal den Wechsel von einer Gruppe mit halben und ganzen Impulsen auf eine Gruppe von nur ganzen 15 Impulsen und umgekehrt signalisiert und daß die Ausgänge der digitalen Teiler als auch des Zählers mit der Logikschaltung verbunden sind.

Durch diese Maßnahmen erhält man den Vorteil, daß die 20 erwünschten Harmonischen auch bei nicht ganzzahligen Teilungsverhältnissen direkt erzeugt werden können unter gleichzeitiger hoher Dämpfung der benachbarten unerwünschten Harmonischen.

25 Vorzugsweise kann das die Inversion bewirkende Steuersignal am Gatter von einer weiteren bistabilen Kipp-- stufe erzeugt werden, deren einer Eingang mit einem Zählerausgang und deren zweiter Eingang von einer weiteren Inversionsstufe angesteuert wird, die abhängig 30 vom Steuersignal gesteuert ist.

Die Logikschaltving kann dabei aus einem Exklusiv-ODER-Gatter zweier NAND-Gatter und einem Inversionsgatter bestehen, daß an den beiden Eingängen des Exklusiv-0DER-35 Gatters die beiden Steuersignale anliegen und dessen Aus- * * w - 7 - VPA 77 P 6801

Auslandsfassung gang mit dem einen Eingang des ersten NAND-Gatters verbunden ist, daß der Ausgang des ersten NAND-Gatters mit dem Eingang eines zweiten NAND-Gatters verbunden ist und daß der zweite Eingang dieses zweiten NAND-Gat-5 ters mit dem Ausgang eines Inversionsgatters verbunden ist.

Der erste Teiler für das erste Steuersignal besteht aus zwei bistabilen Kippstufen, wobei der invertierte Aus-10 gang der zweiten Kippstufe mit dem Eingang der ersten Kippstufe verbunden ist und die Set-Eingänge beider Kippstufen mit einem Ausgang des zweiten Teilers verbunden ist.

15 Der zweite Teiler besteht aus zwei Schieberegistern gleicher Bitzahl, wobei der Ausgang (4. Stufe) des zweiten Schieberegisters mit dem Reset-Eingang des ersten Schieberegisters und die dritte Stufe des ersten Schieberegisters mit dem Eingang der ersten Stufe des 20 zweiten Schieberegisters verbunden ist.

Anhand des Blockschaltbildes nach Fig.7 sowie der Diagramme nach den Fig.1 bis 6, 8 und 9 wird die Erfindung näher erläutert.

25

Anhand der Impulsdiagramme nach den Fig.1 und der dazu-" gehörigen Berechnungen wird die Richtigkeit des Verfah rens nach der Erfindung bewiesen.

30 Wenn einer Frequenzteilung eine Vervielfachung folgt, wäre ein Teiler günstig, der die gewünschte Harmonische bevorzugt abgibt. Es wird von der Fourieranalyse eines periodisch auftretenden Rechteckimpulses ausgegangen. Dieser kann aus einer gerad- oder ungeradzahligen Anzahl 35 von schmalen Impulsen zusammengesetzt werden. Ist die * - 8 - VPA 77 P 6801

Auslandsfas sung

Impulsdauer gleich der Pause, erscheint die Grundwelle mit der maximalen Energie. Es erscheinen nur imgeradzahlige Harmonische. Da die Pause ebenfalls aus kurzen Pausen gebildet werden darf, kann die Periodendauer aus 5 einer Summe gleicher Zeitabstände bestehen. In der Mitte jedes Zeitabstandes liegt der dazugehörende Phasenwinkel. Impulse und Pausen können so gelegt werden, daß nur ge-rad- oder ungeradzahlige Harmonische auftreten. In beiden Fällen ist die erste Periodenhälfte symmetrisch zur 10 zweiten.

Der Teiler soll z.B. die elfte Harmonische der 62 Eingangsperioden dauernden Ausgangsperiode abgeben. Die kürzesten Zeitabstände sind durch die halbe Perioden-15 dauer einer symmetrischen Rechteckspannung des Eingangs gegeben. In der Mitte jedes Zeitabstandes liegt der dazugehörende Phasenwinkel für die Grundwelle der Ausgangsperiode. Die Phasenwinkel für die elfte Harmonische sind elf mal so groß und die, dafür im ersten und 20 vierten Quadranten liegenden, ergeben die Auswahl für die Impulsfolge mit der maximalen Energie der gewünschten Harmonischen. Am Beginn und Ende jedes so zusammengesetzten Impulses kann entweder ein Impuls, der einen Zeitabstand dauert, dazu oder weggenommen werden. Da-25 durch ergibt sich entweder eine Verlängerung, Verkürzung oder nur Verschiebung. Mit der gleichen Anzahl zu-- sammenhängender Impulse kann eine geringfügig geänder te Impulsfolge gefunden werden, bei der die nächstlie-genden Nebenwellen, die 9. und 13. Harmonische, weiter 30 gedämpft werden, ohne die 11. Harmonische wesentlich zu schwächen.

Fig.1 zeigt eine beliebige halbperiodisch axialsymmetrisch weitere Eingangsimpulsbreite. A = Impulshöhe, 35 p = Zeitwert. Nach Fourier ist die n-te Harmoni- - 9 - VPA 77 P 6801

Auslandsfassung sehe iL = ψ S±ÏU!E .

η π n

Fig.2 zeigt ein Impulsdiagramm, bei dem man sich die Rechteckimpulse der Impulsbreite aus zwei Impulsen zu-5 sammengesetzt denkt. Dann ist nach Fig.2 j 2λ sin n Sr Aß = —--—-[cos n ïf + ô sin n ^ + cos(-n sin 10 §Ü ,, sin n ® p, sin 2-n § π n 2 π n Λ 2A sin np An ~ π n 15

Allgemein gilt für eine geradzahlige Anzahl g gleich-langer Teilimpulse; Z=g-1 sin n n.

20 A = —^ --—& . 2. X cos Ζ·η· § = — · sil^ PB (1) η π n 2:- g η n ' Z=1,3...

Fig.3 zeigt ein Impulsdiagramm, bei dem man sich die Rechteckimpulse aus drei Impulsen zusammengesetzt denkt.

25 2A sin η £

An = --jj—(cos n g + j sin n g + cos-n S + j 2A sin n ·§ 2 « sin -n g) + --—^(cos η =ψ + j sin n ^ + cos -n ^ + 3 sin -η . 2A SlP 2a g 2A Sln n § , 2n 35 ^η π η π n · 2 cos n ^ * *' * « - 10 - VPA 77 P 6801 αΊ·„ „ £ Auslandsfassung 2A sin n 3 Λ/1 . . _ .. 2όν Αη=π--η 2(j + cos η ^).

Allgemein gilt für eine ungeradzahlige Anzahl u gleichlanger Impulse 5 ^ Zi=u-1 ν#!^·2<2 + ΣΙ cosZngHMiïU* (2)

Zi=2; 4...

10 Aus den Fig.1...3 ist ersichtlich, daß beim Winkel π eine Symmetrieachse gezeichnet werden kann.

Mit p ^ ist die Grundwelle mit dem maximal erreichbaren Anteil vorhanden, weil sin ^ = 1.

15

Es gibt keine geradzahligen Harmonischen, weil der Sinus für geradzahlige Vielfache von | zu 0 wird.

Aus einer geraden Anzahl z gleichlanger Zeitabstän-20 de Z^, die entweder ein Impuls oder eine Pause sein können, wird eine Periode gebildet. Ein Impuls enthält eine Amplitude an, eine Pause -an· Es gibt vier Zeitabstände mit den Phasenwinkeln α, ττ-α, -(π-α), -<x, wenn die positiven Winkel vom Anfang 0 und die negativen vom En-25 de 2n der Periode ausgehen.

Daraus läßt sich eine Summenamplitude An mit dem Winkel nYermitteln. Die exponentielle Schreibweise ergibt: 30

An βχράη'Τ^ expjna+anexp;3n(7T-a)+anexp-ôn(TE-cc)+an exp-jna 35 = an(exp^na+exp-jna)+an(exp0nn.exp-,ina-exp-jnn«expdna) s r * - 11 - VPA 77 P 6801

Auslandsfassung A 2 cos na+2 cos n7i*cos na η n

An=2 cos na (an+an cos ηπ). (3) 5 Alle Harmonischen sind bezogen auf den Periodenanfang in Phase oder Gegenphase. Es gibt nur ungeradzahlige Harmonische, wenn bei α und π-α die Amplituden an verschiedene Vorzeichen haben. Dem einen Schaltzustand im ersten Periodenviertel folgt der andere im zweiten Vier-10 tel. Die Periodenhälften sind zueinander symmetrisch.

n » ungerade:

An=2 cos na cos na 15 n * gerade;

An=2 cos na 1^+(-^)-13=0.

20 Es gibt nur geradzahlige Harmonische, wenn gleiche Schaltzustande vorhanden sind.

62

Anhand eines Teilers wird nunmehr die Erfindung weiter erläutert.

25

Die Ausgangsperiode ist 62 Eingangsperioden lang. Es ist möglich, mit jeder Flanke der symmetrisehen Rechteckspannung des Eingangs den Schaltzustand des Ausgangs zu bestimmen.

30

Damit soll aus 124 möglichen Einzelimpulsen oder Pausen die Synthese einer Impulsfolge mit möglichst nur der elften Harmonischen als Grundfrequenz durchgeführt werden.

> « ψ - 12 - VPA 77 P 6801

Auslandsfassung

Die ideale Impulsfolge, bei der aus 62 Eingangsperioden elf gleiche Ausgangsperioden entstehen, kann nur angenähert werden.

5 In Fig.4 sind die Phasenwinkel der 62 Halbwellen bis zur Periodenhälfte durchnumeriert. Es ist nur angedeutet, daß dies in der zweiten Periodenhälfte mit negativen Vorzeichen erfolgt.

10 Für die elfte Harmonische sind die Winkel elf mal so groß wie für die Grundwelle. Da 0 und Vielfache von 2π identisch sind, kann einfach durchgezält werden. Die Winkel bleiben erhalten, nur sind sie jetzt anderen Halbwellen zugeordnet. Zum Beispiel ist der Winkel für die Grund-

A

15 welle = -gg der Halbwelle 1 gleich dem Winkel für die elfte Harmonische der Halbwelle -25. Würde ein Impuls von 1...31 und -1...31 dauern, so wäre die Grundwelle mit dem maximal erreichbaren Anteil vorhanden und deren Amplitude A,j läßt sich allgemein aus der Fourieranalyse 20 eines Rechteckimpulses, sowie nach Formel 1 errechnen.

Z=g-1 A- = sin p = ~ sin Ç«2 cos Z § 1 π * π g Z._ g Z=1, 3...

25 Für die Amplitude AQ der n-ten Harmonischen gilt: si„ „ 2 235=1

An = V —Τ'*·2 Z_ cos Zin 1 30 Z-1, 3...

* 2A T3

A1 —-sinp 2A.sinnS,^r_____P

A„=7— *A^=W7...... —« . n«2 / cos z n ~ n A1 n ^(sin 2).27cosZE n ZL· g π g' Z— g

V

» - 13 - VPA 77 P 6801

Auslandsfassung

Weil die Winkel erhalten bleiben, sind beide^> cos identisch, 2A . sin n |

An = ~sin P —T§ c n*sin “ 5 g p: Winkelsumme der zur Impulsfolge ausgewählten Einzelimpulse des ersten Periodenviertels O...^.

10 Für § kann der Winkel φ für die Hälfte des Einzelimpul-

S

ses eingeführt werden, A , --sin p &n.. (4) η π * n«sm φ v ' 15 Diese Formel gilt nur für die erwünschte Harmonische

2A π Sin 11*T25 2A

= — sin §--- = — 0,987211 11 Tt £ 4* τι π 11 sin TJ25 20

Mit diesem Ergebnis kann die aus der Impulsfolge abzuleitende, für jede beliebige ungeradzahlige Harmonische geltende Formel überprüft werden, 25 Gestrichelt gezeichnet wurden in Fig.6 eingeführt:

Ein positiver Impuls von J ... π und drei negative Impulse. Zum Beispiel gibt es damit für den Impuls mit dem Winkel einen gleichen negativen Impuls mit dem

Winkel π - .

cosn ^2? " cosn (π - = cosn :¾ - (cosnTicosn + 35 + sinnnsinn T2ÏÏ* " % - 14 - VPA 77 P 6801

Auslandsfassung cos n - cos ηπ cos n = 2 cos n für n » ungeradzahlig * 0 für η = geradzahlig.

5 Für die Amplitude an des von J π eingeführten Impulses gilt: 2A sln n ? _____ 3π 2Â sln n t ®n * ~ 5--COS n -¾. = —---- · 10 • cos η (π - 5j)

?A sin n J

= · (cos η π cos n ^ + sin ηπ sin n 15 2k sin n?,cos nS_____ - ......—' cos ηπ π η 1 β,··« ν, π 2Α 1 sin η 1 a_ = — -----cos ηπ η π η 20 aQ=0 für n=geradzahlig, weil sin n ^ = 0 2A sln n f aQ = —— -2n— weil cos η π=-1.

Es treten keine geradzahligen Harmonischen auf.

25

Um den- Wert der abgegebenen n-ten Harmonischen zu errechnen, müssen die Werte für die Impulse bis J mit dem Faktor 4 und der doppelte Wert für den breiten Impuls berücksichtigt werden, weil die zweite Perioden-30 hälfte dieselben Anteile liefert.

π ¥ \ - 15 - VPA 77 Ρ 6801

Auslandsfassung V-τ l(sin η -ri5*cos η τϋ+ sin η -Μ 008 η fi+ + sin η ^|j*cos η - 0,25 sin η jf) (5) 5 Α9 * - τρ0,033849048 Α^ = ^.0,987211130 10 Α13 = ^-0,032102377.

Zur Vergrößerung der Dämpfung der Nebenwellen in Bezug auf die Grundwelle läßt sich nach Ermittlung einer Impulsreihe, in der die gewünschte Harmonische optimal 15 enthalten ist, wie dies vorher an einigen Beispielen aufgezeigt wurde, eine weitere korrigierte Impulsreihe erstellen, wie dies das Impulsdiagramm nach Fig.5 zeigt.

Die Formel für die korrigierte Impulsreihe lautet: 20

An = !Tn(sin n ï!rcosn îlS + sin n ^-cos n f|S + + sin n cos n tIS " °»2^ sin n Ψ (6) 25

Ag - 0,013582732 A^ = 0,964442733-^ 30 A13 - 0,004575759·^

Die bisherigen Beispiele wurden unter der Voraussetzung gegeben, daß die ursprüngliche Eingangsimpulsreihe 35 symmetrisch ist. Für den Fall, daß für die ursprüngli-

-V

- 16 - VPA 77 P 6801

Auslandsfassung che Eingangsimpulsreihe Unsymmetrie vorliegt, wird anschließend ebenfalls anhand der Fig.6 ein Ausführungsbeispiel gegeben.

5 Die Änderung der in Fig.6 dargestellten Impulsreihe wird durch Addieren bzw. Subtrahieren von Impulsen gezeigt.

Durch die gezeichnete Unsymmetrie müssen 2 £ breite Im-10 pulse in der ersten Periodenhälfte dazugezählt werden und in der zweiten abgezogen werden.

Zu dem Impuls mit dem Winkel cc+6 ergeben sich je ein Impuls in den drei anderen Periodenvierteln.

15

Die Exponentialform ergibt: expjna expjnS + expjnn exp-jna expjn<5-(exp-jna expjnS+exp-jnn expjna expjn£) = 20 expjnS (expjna+expjnn exp-jna-exp-jna-exp-jna expjna)= expjn<$ [expjna (1-exp-jnn)-exp-jna (1-expjmi)] * expjn$(1-cos ηπ) (expjna-exp-jna)= 25 (cos n ό+j sin n£) (1-cos ηπ) 2 j sin na = 2 (1-cos ηπ) sin na (-sin n<S+ j cos n<5).

30 Es gibt keine geradzahligen Harmonischen, weil dafür cos ηπ=1. Trotz Unsymmetrie erscheinen Nebenwellen nur im doppelten Frequenzabstand der Grundfrequenz.

* k * ♦ - 17 - VPA 77 P 6801

Auslandsfassung

Der Zuschlag an für ungeradzahlige Vielfache ist komplex.

a^. ^.4 si|.....-(-sin n<S+j cos nS) (sin n + sin n 5 (7) a = ££.£(-sin2nS+d 1 sin2 n$)(sin n + sin n ^). η τι n tL υ<£·

Die Symmetriedämpfung von z.B. 20 dB der Eingangsspan-10 nung, das heißt, die Grundwelle ist zehnmal so groß wie die zweite Harmonische, entspricht einem Winkel S-Φ 15 ag = ~ (0,000051697-j 0,003555146) a11 = ^(“0,000222376+d 0,012511628) a13 “ (0»°0°106826-0 0,005085521).

20

Die Symmetriedämpfung 20 dB ergibt die folgenden Amplituden und Dämpfungen gegenüber der 11. Harmonischen.

25 |Ag|= ^.0,014090306 36,7 dB

UJ- ^*0,964301528

|a15|= —·0,006912968 42,9 dB

30

Fig.7 zeigt die Schaltungsanordnung mit dem programmierten Teiler. Dem aus einem 4-bit-Schieberegister bestehenden Zähler B werden die Eingangsimpulse über das Exklusiv-ODER-Gatter A zugeführt. Die Ausgänge der drit-35 ten und vierten Stufe des Zählers B führen an die Logikschaltung L. Diese Logikschaltung besteht aus zwei % - 18 - VPA 77 P 6801

Auslandsfassung NAND-Gattern C, E sowie einer Inversionsstufe D und einem Exklusiv-ODER-Gatter F. Die Verschaltung der einzelnen Gatter ist dabei so, daß der Ausgang der dritten Stufe des Zählers B mit dem einen Eingang des NAND-Gat-5 ters C und der Ausgang der vierten Stufe des Zählers B mit dem Eingang der Inversionsstufe D verbunden ist. Der zweite Eingang des ersten NAND-Gatters C wird über dem Ausgang des Exklusiv-ODER-Gatters F angesteuert. Die Ausgänge des NAND-Gatters C und der Inversionsstufe D 10 sind jeweils an einen der Eingänge des zweiten NAND-Gatters E geführt, wobei der Ausgang dieses NAND-Gatters mit dem Reset-Eingang des Zählers B mit dem Eingang einer ersten bistabilen Kippstufe H und mit den Eingängen der nachstehend noch näher beschriebenen digi-15 talen Teiler T1, T2 verbunden ist. Die Ausgänge der beiden Teiler T1 und T2 sind außerdem mit den Eingängen des zweiten Exklusiv-ODER-Gatters F verbunden. Der Ausgang des zweiten Teilers T2 ist außerdem über ein weiteres Inversionsgatter J an die Steuereingänge einer 20 zweiten bistabilen Kippstufe G geführt, deren Ausgang mit dem zweiten Eingang des ersten Exklusiv-ODER-Gatters A verbunden ist. Ein weiterer Eingang (Takteingang) dieser zweiten bistabilen Kippstufe G ist außerdem mit dem Ausgang der zweiten Stufe des Zählers B ver-25 bunden. Zwischen dem Ausgang der Logikschaltung L und den Eingängen (Takteingänge) des ersten Teilers T1 wird ein Verzögerungsglied 0 eingeschaltet, um die Ansteuerung dieses Teilers T1 gegenüber dem Teiler T2 zu verzögern.

30

Der erste Teiler T1 besteht dabei aus zwei weiteren bistabilen Kippstufen K, L, wobei die Kippstufen so miteinander verbunden sind, daß der invertierte Ausgang der zweiten Kippstufe L mit einem Steuereingang der 35 ersten bistabilen Kippstufe K verbunden ist, während der % - 19 - VPA 77 P 6801

Auslandsfassung nicht invertierte Ausgang der ersten weiteren Kippstufe K und der invertierte Ausgang dieser Kippstufe jeweils mit einem Steuereingang der zweiten weiteren bistabilen Kippstufe L verknüpft ist.

5

Der zweite Teiler T2 besteht aus zwei weiteren 4-bit-Schieberegistern, wobei der Reset-Eingang des ersten Schieberegisters M mit dem Ausgang der vierten Stufe des zweiten Schieberegisters N und der Ausgang der drit-10 ten Stufe des ersten Schieberegisters M mit dem Steuereingang der ersten Stufe des zweiten Schieberegisters N verbunden ist.

Die Funktionsweise der Schaltung ist wie folgt.

15

Der programmierbare Zähler B ist so programmiert, daß er 2 1/2, 3 und 3 1/2 Eingangsimpulse zählen kann. Dabei entsprechen 21/2 und 3 Eingangsimpulse einem Zählstand 3 und 31/2 Eingangsimpulse einem von 4. Für die 20 Programmierung sind zwei Steuersignale notwendig, wobei eines für die Zählzustände 3 und 4 und das andere für die halben und ganzen Eingangsimpulse dèr zu zählenden Eingangsimpulse zuständig ist.

25 Der zyklische Wechsel zwischen einer Impulsgrauppe von 2 1/2, 3 1/2 und 3 Impulsen in einer vorgegebenen Reihenfolge ermöglicht die Realisierung eines nicht ganzzahligen Teilungsfaktors, der es gestattet, die gewünschte Harmonische mit hoher Amplitude zu entneh-30 men, wobei die benachbarten Harmonischen sehr stark gedämpft werden.

Die Steuersignale SI, SII zur Umschaltung von Impulsgruppen mit halben Impulsen auf Impulsgruppen mit nur 35 ganzen Impulsen werden dabei von den Frequenztei- « « ► - 20 - VPA 77 P 6801

Ausiandsfassung lern T1 und T2 geliefert. Das Steuersignal SI zeigt dabei den Wechsel in der Periode von beispielsweise 31/2 auf 2 l/2 oder 3 Impulse an, während das Steuersignal SII maßgeblich ist für die Umschaltung von Grup-5 pen mit halben Impulsen auf Gruppen mit reinen ganzen Impulsen.

Das erste Exklusiv-ODER-Gatter A am Eingang des Zählers B bewirkt immer dann eine Inversion des Eingangs-10 signais, wenn der Ausgang der zweiten bistabilen Kippstufe G ihren Ausgangszustand wechselt. Dieser Wechsel wird im vorliegenden Falle stets von dem eingangsseitig anliegenden Steuerimpuls, der von der zweiten Zählerstufe des Zählers B kommt, ausgelöst, sofern nicht 15 durch die Inversionsstufe J die bistabile Kippstufe blockiert wird. Beim Wechsel eines Zählstandes mit halben Eingangsimpulsen auf einen solchen mit nur ganzen, wird die bistabile Kippstufe G über die Inversionsstufe J vom Steuersignal SII blockiert und damit die In-20 version des Eingangssignales verhindert. Die Zählstände 3 und 4, entspricht 2 1/2 und 3 bzw. 3 1/2 Eingangsimpulse, werden über die Logikschaltung L bestimmt. Der Zählstand 3 wird über das Gatter C erkannt und damit Zähler B über den reset-Eingang zurückgesetzt. Dabei 25 ist der Ausgang des Exklusiv-ODER-Gatters F auf einer logischen 1, hervorgerufen durch die beiden auf den Eingängen anliegende Steuersignale SI und SII. Die Polarität von SI und SII ist dabei immer entgegengesetzt.

30 Beim Zählstand 4 wird über die Inversionsstufe D der reset-Impuls gebildet. Hierbei wird das Gatter C über das Exklusiv-ODER-Gatter F (logische 0 am Ausgang) blockiert. Hierbei besitzen die an den beiden Eingängen anliegenden Steuersignale SI und SII gleiche Polarität.

* ψ % - 21 - VPA 77 P 6801

Auslandsfassung

Die Erzeugung des Steuersignales I erfolgt mittels einer Zählschaltung, bestehend aus den Flip-Flops K und L.

Dabei handelt es sich um einen Teiler mit dem Teilungsfaktor 3:1» der noch zusätzlich von der Zählschaltung -5 bestehend aus den 4-Bit-Schieberegistern M und N -gesteuert wird. Die Zählschaltung(M und N) dient zur Erzeugung des Steuersignales II und ist als Teiler mit dem Teilungsfaktor 11:1 (Puls/Pause = 3/8) ausgebildet. Soll ganzzahlig gezählt werden (3x3 Eingangsimpulse), 10 so wird der Zähler (K und L) über seinen Set-Eingang auf "ln (”0” am ö-Ausgang) von der Zählschaltung (M und N) gehalten. Damit wird gleichzeitig eine Synchronisierung beider Steuersignalerzeuger erzwungen. Dem Eingang der Teiler (K und L) ist eine Verzögerungsstu-15 fe 0 vorgeschaltet, da der Set-Impuls auf den Set-Eingängen des Teilers (K und L) schon auf H0" liegen muß, bevor die positive Flanke des Taktes am Eingang dieses Teilers anliegt.

20 Die Fig.8 zeigt in der ersten Reihe die Eingangsimpulse, die gruppenweise in jeweils 2 1/2, 3 und 3 1/2 Eingangsimpulse mit einem entsprechenden vorgegebenen Zyklus aufgeteilt sind, wobei der Einfachheit halber nicht die Einzelimpulse, sondern jeweils nur die Impulsgruppen 25 dargestellt sind. In der zweiten Zeile sind dann die gewünschten Ausgangsimpulse, die am Ausgang der ersten bistabilen Kippstufe H erhalten werden, und im wesentlichen der Zahl der Löschimpulse am reset-Ausgang des Zählers B entsprechen, aufgezeichnet, während in den 30 Zeilen 3 und 4 die von den Teilern T1 und T2 erzeugten Steuersignale SI und SII dargestellt sind. Das Steuersignal SI ist dabei positiv, was einer logischen 1 entspricht, solange Impulsgruppen von 2 1/2 Impulsen am Eingang ansteht, während bei Impulsgruppen von 3 1/2 35 und 3 das Steuersignal SI negativ ist, was einer logi- * À ¥ - 22 - YPA 77 P 6801

Auslandsfassung sehen 0 entspricht. Das Steuersignal SU hingegen ist solange negativ, solange Impulsgruppen mit halben Impulsen am Eingang des Zählers B auftreten, und wird SI lediglich positiv, wenn Impulsgruppen mit reinen ganzzah-5 ligen Impulsen, im vorliegenden Fall mit jeweils drei Impulsen, erscheinen. Daraus ersieht man, daß am Ausgang des zweiten Exklusiv-ODER-Gatters F nur dann eine 0 ansteht, wenn die Impulsgruppe mit 3 1/2 Impulsen auf-tritt, weil nämlich nur für diesen Fall die beiden Ein-10 gänge des zweiten Exklusiv-ODER-Gatters F mit einer logischen 0 belegt sind. Für diesen Fall ergibt sich dann eine Blockierung des NAND-Gatters C, wie vorstehend beschrieben, so daß der Zähler B bis 4 zählen kann.

15 Eine detailliertere Darstellung der Impulsdiagramme zeigt die Fig.9. In der ersten Zeile sind dabei die Eingangsimpulse am Eingang A1 des ersten Exklusiv-ODER-Gat-ters A gezeigt, während die zweite Zeile das Impulsdiagramm für den Eingang A2 darstellt. In der dritten Zei-20 le sind die Ausgangsimpulse am ersten Exklusiv-ODER-Gatter A mit A3 bezeichnet, dargestellt. Bei jedem Polaritätswechsel der Impulse A2 tritt eine Inversion am Ausgang des Exklusiv-ODER-Gatters A auf, wodurch die gezeigten Halbimpulse entstehen. Die vierte Zeile zeigt 25 das Impulsdiagramm für die Ausgangsimpulse an der zweiten Zählerstufe Q1 des Zählers B, während in der fünften Zeile die Löschimpulse am Ausgang des NAND-Gatters E gezeigt sind. Am Ende eines jeden ZählVorganges des Zählers B wird ein solcher Löschimpuls erzeugt. Die sechste 30 Zeile zeigt die Ausgangsimpulse an der ersten bistabilen Kippstufe H, die aus den am Eingang der Kippstufe anliegenden reset-Impulse durch Teilung 2:1 entstehen. In der siebten Zeile ist schließlich das Impulsdiagramm, wie man es am Inversionsausgang Q der ersten bistabilen 35 Kippstufe K des Teilers T1 erhält, dargestellt, während * « * - 23 - VPA 77 P 6801

Auslandsfassung in der achten Zeile das Diagramm für den Ausgang der vierten Zählerstufe Q3 des ersten Zählers M des zweiten Teilers T2 erhält. Dieser zweite Teiler ist durch seine Beschaltung so gesteuert, daß zunächst im ersten Zäh-5 1er M die logische 1 bis zur dritten Stufe durchgezählt, anschließend im zweiten Zähler N bis zur vierten Stufe und da nun der erste Zähler M auf Null gesetzt ist, viermal die logische 0 im zweiten Zähler N durchgezählt wird. Dadurch ergibt sich ein Teilungsverhältnis 11:1 10 bei einem Impulspauseverhältnis 8:3.

7 Patentansprüche 9 Figuren

Claims (7)

1, Verfahren zur digitalen Frequenzteilung hei einem Teilungsverhältnis ^ 4. 1 und einer Schaltungsanordnung 5 mit einem programmierbaren Zähler, der eine Eingangsimpulsreihe zugeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß Nenner und Zähler des Teilungsverhältnisses in Bezug auf Gerad- und Ungeradzahligkeit stets entgegengesetzt sind, daß aus der Ein-10 gangsimpulsreihe mit Hilfe von Gatterschaltungen eine periodische Ausgangsimpulsreihe gebildet ist, daß der schmälste Impuls bzw. die schmälste Pause dieser Impulsreihe als Einheitszeitwert betrachtet wird, und daß alle in der Ausgangsimpulsreihe vorkommenden Impulse 15 und Pausen bezüglich ihrer Dauer E einfache oder ganzzahlige Vielfache dieses Zeitwertes sind, und daß die Anzahl der vorhandenen Zeitwerte pro Periode stets geradzahlig ist, daß, wenn die Anzahl der Zeitwerte nur einmal durch zwei teilbar ist, und eine ungeradzahlige 20 Harmonische am Ausgang erhalten werden soll, die Periode der Ausgangsimpulsreihe in der Mitte eines Zeitabstandes und in allen anderen Fällen am Anfang beginnt, daß die beiden Halbperioden der Ausgangsimpulsreihe axialsymmetrisch zueinander in Bezug auf ihre Impulsfolge aufge-25 baut sind, daß ferner bei einem geradzahligen Zähler des Teilungsverhältnisses die beiden Viertelperioden jeder Halbperiode ebenfalls axialsymmetrisch zueinander ausgebildet sind, und daß bei ungeradzahligem Zähler das jeweils andere Viertel der Halbperiode gegen-30 über dem ersten Viertel invertiert ist.

1. VPA 77 P 6801 Auslandsfassung

2. VPA 77 P 6801 Àuslandsfassung die neben der gewünschten Harmonischen der Ausgangsspannung liegenden Nebenwellen geschwächt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet , daß vorrangig an den Übergängen von Impuls zu Pause, Impulse mit jeweils einer

35 Zeitwertbreite so addiert bzw. subtrahiert werden, daß * ♦ 4

3. VPA 77 P 6801 Auslandsfassung gesteuert ist.

3. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens 5 nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Zähler (B) auf einen vorgegebenen, sich wiederholenden Zyklus von Impulsgruppen, die sowohl aus einer Anzahl nur ganzer als auch ganzer und halber Impulse bestehen, programmier-10 bar ist und der dadurch veranlaßt wird, halbe Impulse wie ganze zu zählen, daß dem ersten Eingang (1) einer GatterSchaltung (A) Eingangsimpulse zugeführt sind, und über deren zweiten Eingang (2) ein Signal zuführbar ist, das bei Anwesenheit eine Inversion am Ausgang (3) des 15 Gatters (A) bewirkt, daß der Gatterausgang (A) mit dem programmierbaren Zähler (B) verbunden ist und daß Steuersignale (SI,SIl) einer Logikschaltung (L) zugeführt sind und daß der Ausgang der Logikschaltung (L) mit dem Reset-Eingang des Zählers (B), mit dem Eingang 20 einer ersten bistabilen Kippstufe (H) sowie mit den Eingängen digitaler Teiler (T1,T2) zur Erzeugung der Steuersignale (SI,SII) verbunden ist, daß das eine Steuersignal (SI) den Gruppenwechsel und das andere Steuersignal (SII) den Wechsel von einer Gruppe mit 25 halben und ganzen Impulsen auf eine Gruppe von nur ganzen Impulsen und umgekehrt signalisiert und daß die Ausgänge der digitalen Teiler (T1,T2) als auch des Zählers (B) mit der Logikschaltung (L) verbunden sind.

4. VPA 77 P 6801 Auslandsfassung

4. Digitaler Frequenzteiler nach Anspruch 3, d a - durch gekennzeichnet, daß das die Inversion bewirkende Steuersignal am Gatter (A) von einer weiteren bistabilen Kippstufe (G) erzeugt wird, deren einer Eingang mit einem Zählerausgang und deren 35 zweiter Eingang von einer weiteren Inversionsstufe (J) angesteuert wird, die abhängig vom Steuersignal (SII) * ♦ A

5· Digitaler Frequenzteiler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e η n -5 zeichnet, daß die Logikschaltung (L) aus einem Exklusiv-ODER-Gatter (F) zweier NAND-Gatter (C,E) und eines Inversionsgatters (D) besteht, daß an den beiden Eingängen des Exklusiv-ODER-Gatters (F) die beiden Steuersignale (SI,SII) anliegen und dessen Ausgang mit 10 dem einen Eingang des ersten NAND-Gatters (C) verbunden ist, daß der Ausgang des ersten NAND-Gatters (C) mit dem Eingang eines zweiten NAND-Gatters (E) verbunden ist und daß der zweite Eingang dieses zweiten NAND-Gatters (E) mit dem Ausgang eines Inversionsgatters (D) 15 verbunden ist.

6. Digitaler Frequenzteiler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teiler (T1) für das erste 20 Steuersignal (Sl) aus zwei bistabilen Kippstufen (KL) besteht, wobei der invertierte Ausgang der zweiten Kippstufe (L) mit dem Eingang der ersten Kippstufe (K) verbunden ist und die Set-Eingänge beider Kippstufen (KL) mit einem Ausgang des zweiten Teilers (T2) verbunden ist. * * Λ *

7. Digitaler Frequenzteiler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Teiler (T2) aus zwei Schieberegistern (MN) gleicher Bitzahl besteht, wobei 5 der Ausgang des zweiten Schieberegisters (N) mit dem Reset-Eingang des ersten Schieberegisters (M) und die Stufe des ersten Schieberegisters mit einem Eingang des zweiten Schieberegisters verbunden ist.