DE1591215C3 - Phasendetektor für harmonische Rechteckschwingungen mit einem Taktzähler in (insbes. Hyperbel-) Navigationssystemen - Google Patents

Description

zählt, wobei NF die Frequenz der Taktimpulse und nF die Frequenz der niedrigsten gemeinsamen Harmonischen ist.

2. Phasendetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Start-Stop-Logik (16, 17) unter Zwischenschaltung einer weiteren UND-Schaltung (14) zusätzlich ein Freigabeimpuls (9) eines Freigabeimpulsgenerators (8) zugeführt wird.

3. Phasendetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke der Mittelwertbildung über eine Anzahl von Meßperioden dem Zähler (2) ein Frequenzteiler (21) vorgeschaltet ist, der die Anzahl der hindurchgelassenen Zählimpulse bei entsprechend verlängertem Freigabeimpuls (9) durch die Anzahl der Meßperioden teilt.

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Die Erfindung betrifft einen Phasendetektor, wie im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegeben.

Ein derartiger Phasendetektor ist in der DT-AS 16 388 beschrieben. Bei diesem Phasendetektor werden die beiden empfangenen Signale mit den Frequenzen av und bv zunächst in zwei Impulsfolgen mit den Folgefrequenzen av und bv umgeformt. Diese beiden Impulsfolgen werden Frequenzteilern zugeführt, die zwei Impulsfolgen mit der Folgefrequenz ν abgeben. Diese Impulse werden einer bistabilen Kippschaltung zugeführt, die eine Torschaltung steuert. Der Eingang dieser Torschaltung empfängt weitere Impulse aus einem Impulsgenerator, wobei die Folgefrequenz dieser Impulse groß gegenüber den Frequenzen ν ist. Um zu erreichen, daß die Ausgangssignale der Frequenzteiler mit der Frequenz ν in Phase sind mit der Grundfrequenz ν der beiden Signale, sind zusätzliche Schaltungen vorhanden.

Aufgabe der Erfindung^ ist es, einen vereinfachten Phasendetektor anzugeben.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den in den Ansprüchen angegebenen Mitteln.

Es ist ein Vorteil dieser Erfindung, daß ohne zusätzliche Schaltungen stets die gleiche relative Phasendifferenz, bezogen auf eine beiden Signalen gemeinsame Harmonische, gemessen wird, unabhängig davon, wann die Phasenmessung begonnen wird. Außerdem sind bei dem erfindungsgemäßen Phasendetektor keine Frequenzteiler notwendig.

Die Erfindung wird an Hand von Figuren näher erläutert, von denen

Fig.l ein Blockschaltbild des Phasendetektors gemäß der Erfindung darstellt, in

F i g. 2 sind Spannungskurven an den verschiedenen, entsprechend bezeichneten Punkten der Schaltung dargestellt, und

Fig. 3 zeigt noch einmal die Schaltung des Phasendetektors, jedoch mit einer Stufe zur Mittelwertbildung.

Der Phasendetektor gemäß F i g. 1 enthält einen Ringzähler 2, der der Start-Stop-Logik 1 über eine Taktimpulsleitung 4 nachgeschaltet ist. In die Start-Stop-Logik 1 werden aus Signalquellen 5 und 6 Signale eingegeben, die Frequenzen m F bzw. mF haben; die Phasendifferenz dieser Signale soll gemessen werden. Der Start-Stop-Logik 1 wird auch zu ihrer Freigabe ein Freigabeimpuls aus einem Impulsgenerator 8 zugeführt; weiterhin werden Taktimpulse eines Taktgenerators 7 der Start-Stop-Logik 1 eingegeben, die als Zählfrequenz dienen. Die Taktimpulse der Frequenz NFs'md von weit höherer Frequenz als die Frequenzen mF und mF; sie sind in F i g. 2 (F) dargestellt. Dem Ringzähler 2 wird ein Rückstellimpuls aus einem Generator 18 zugeführt, durch den der Ringzähler auf Null zurückgestellt wird, bevor die nächste Phasenmessung anfängt.

Die besondere Ausführungsform der an sich bekannten Start-Stop-Logik arbeitet folgendermaßen: Der Freigabeimpuls des Impulsgenerators 8 und das Signal der Signalquelle 5 werden den Eingängen einer UND-Schaltung 14 zugeführt, deren Ausgangsimpuls dem einen Eingang eines bistabilen Multivibrators 16 eingegeben wird. Das Signal aus der Signalquelle 6 wird dem anderen Eingang des Multivibrators 16 zugeführt. Es ist eine weitere UND-Schaltung 17 vorgesehen, deren Eingängen das Ausgangssignal des Multivibrators 16 und die Taktimpulse des Taktgenerators 7 (Frequenz NF) eingegeben werden. Der Ausgangsimpuls der UND-Schaltung 17 wird über die Taktimpulsleitung 4 dem Ringzähler 2 zugeführt.

Die Ausgangssignale der Signalquellen 5 und 6 (s. Fig. 1 und 2) haben die Frequenzen /21Fbzw. mF; sie sind in den Fig. 2 (A) bzw. 2 (B) dargestellt. Bei der weiteren Beschreibung ist vorausgesetzt, daß die Signale digitaler Natur, also Impulse sind. Die niedrigste gemeinsame-Harmonische sei nF Der Ringzähler 2 wird anfangs durch einen Rückstellimpuls aus dem Generator 18 in seine Anfangsstellung '•'gebracht. Nach Auftreten des Freigabeimpulses (Impulsgenerator 8), der in F i g. 2 (C) bei 9 dargestellt ist, wird die UND-Schaltung 14 freigegeben; dann wird beim Auftreten des nächsten Impulses mit nach der positiven Richtung gehender Vorderflanke — das ist das Signal der Frequenz n\F — die UND-Schaltung 14 durchgesteuert, und diese erzeugt an ihrem Ausgang ein Signal »1«, das wiederum den Multivibrator 16 veranlaßt, an seiner Ausgangsleitung 20 ebenfalls ein Signal »1« auszugeben. Dieses Signal »1« ist der Anfang des in F i g. 2(E) dargestellten Torimpulses 12. Dieser gibt die UND-Schaltung 17 frei, die nun die vom Taktgenerator 7 erzeugten Taktimpulse NF hindurchläßt und in den Ringzähler eingibt. Diese sind in F i g. 2 (G) dargestellt. Der Ringzähler 2 zählt von Null bis Ni — 1 und beginnt dann automatisch seine Zählung wieder von Null an, wo TVi = NIn ist. Nach dem Empfang der unmittelbar

darauffolgenden, in positiver Richtung gehenden Vorderflanke 13 des nächsten Impulses, der dem Signal der Frequenz mF entspricht, wird der an der Ausgangsleitung 20 des Multivibrators 16 anstehende Torimpuls beendet, indem durch die Vorderflanke 13 der Multivibrator 16 in die andere Lage geschaltet wird. Dadurch können die Taktimpulse des Taktgenerators 7 die UND-Schaltung 17 nicht mehr passieren und in den Ringzähler 2 gelangen. Während der zwischen dem Auftreten der Impulsvorderflanken 11 und 13 verflossenen Zeit »ft< hat der Ringzähler 2 einen bestimmten Stand erreicht. Es ist hier zu erinnern, daß der Ringzähler 2 nur bis Λ/ι — 1 zählt und bei /Vi =Nln wieder von vorn mit der Zählung beginnt. Der Endstand des Ringzählers 2 ist proportional der Phasendifferenz (in Grad) in bezug auf die gemeinsame Harmonische der beiden Signale mit den Frequenzen n\ F und mF. Zu diesem Zeitpunkt wird der Freigabeimpuls 9 beendet, wodurch die UND-Schaltung 14 gesperrt wird. Bei dieser speziellen Ausführungsform muß der Freigabeimpuls 9 genügend lange andauern, so daß die Phasenmessung beendet werden kann.

Die Genauigkeit der Phasenmessung ist in der Hauptsache von der Frequenz NF der Taktimpulse abhängig; je höher diese Frequenz ist, desto genauer kann die Messung ausgeführt werden.

Ein einfacher Beweis dafür, daß der Endstand des Ringzählers 2 der Phasendifferenz wischen den beiden Eingangssignalen n\ F und mF proportional ist, ergibt sich aus der folgenden Betrachtung, bei der gemäß F i g. 2 die nach positiver Richtung gehenden Vorderflanken 11 und 13 der Signale mF bzw. mF zu irgendeiner Zeit auftreten mögen. Das Zeitintervall »i« zwischen diesen Vorderflanken ist dann bestimmt durch: t = t_t + (XInF)M = i, + T, (1)

wobei Meine ganze Zahl, π — KiM = K2N2 ist; dabei bedeuten Ki und Kz ebenfalls ganze Zahlen, und es gilt für t\ :

0 ^ i,

nF

Wenn Λ/2 gleich ist der Anzahl der Taktimpulse, die während der Zeit »f« in den Ringzähler 2 eingezählt worden sind, dann gilt:

N₂ = I₁NF + N₁M ,

(2)

wobei N/n = N₁ ist.

Der zweite Ausdruck NiM ist — da M eine ganze Zahl ist — ein Vielfaches von Ni; deshalb ist der Endstand /V3 des Ringzählers 2 nur von »fi« abhängig, und zwar deshalb, weil der Ringzähler jeweils nach VVi Impulsen von vorn mit dem Zählen beginnt, was — anders ausgedrückt — bedeutet, daß er nur bis M — 1 zählt und dann wieder bei Null beginnt Es gilt also:

N₃ = I₁NF, (3)

wobei 0 ^ N₃ < N₁ ist.

Der Phasenwinkel θ (nF) ist daher gegeben durch

Daraus ersieht man, daß die Phasendifferenz θ (nF) proportional dem Endstand Λή des Ringzählers 2 ist, da die Größe von /Vi eine Konstante ist und den Ausgang nicht beeinflußt, weil der Ringzähler jeweils nach dem Stande Ni wieder von vorn zu zählen anfängt.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß die relative Phasendifferenz (oder Zeitdifferenz) zwischen den beiden Eingangssignalen, bezogen auf die gemeinsame Harmonische, zeitlich unabhängig ist von dem Punkt, wo die Messung begonnen hat, weil der Ringzähler 2 bei 360° der gemeinsamen Harmonischen von vorn zu zählen anfängt, d. h. jedesmal nach /Vi — 1 Zählungen der Frequenz NF. Deshalb ist der Bruchteil des Zählzyklus, der — unabhängig davon, wievielmal der Zählzyklus ausgeführt wird — im Zähler ansteht, immer proportional der Phasendifferenz zwischen den beiden Signalen, bezogen auf die gemeinsame Harmonische.

Die in F i g. 1 beispielsweise dargestellte Start-Stop-Logik kann in bekannter Weise auch anders ausgelegt sein, wenn sie nur die gestellte Aufgabe zu erfüllen vermag. Der Ringzähler 2 ist ebenfalls bekannt, und es erübrigt sich daher eine nähere Beschreibung. Ebenso bekannt sind Generatoren zur Erzeugung von Rückstellimpulsen.

Es ist auch nicht unbedingt notwendig, einen

Freigabeimpuls vorzusehen; es muß nur dafür gesorgt werden, daß der Ringzähler 2 vor Beginn der nächsten Phasenmessung auf Null rückgestellt wird. Wenn man jedoch die Phasenmessung periodisch durchführen will, ist der Impulsgenerator 8 für den Freigabeimpuls erforderlich; der Freigabeimpuls (9, F i g. 2C) muß dann auch periodisch erzeugt werden.

In F i g. 3 ist ein Schema zur Bildung des Mittelwertes zwischen mehreren Phasenmessungen angegeben. Die den Fig.3 und 1 gemeinsamen Bauteile sind auch mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet. Das aus der Start-Stop-Logik kommende, an der Taktimpulsschaltung 4 anstehende Signal wird einem Teiler 21 eingegeben, der durch die Anzahl der Messungen, von denen der Mittelwert gebildet werden soll (Na), teilt. Der Ausgangswert des Teilers 21 wird dann dem Ringzähler 2 zugeleitet, der nach /Vi — 1 Zählungen von vorn zu zählen beginnt. Bei dieser Schaltung müssen die Phasenmessungen alle bei den gleichen relativen Zeitlagen durchgeführt werden, damit M für alle Messungen gleich ist. Beispielsweise können bei Frequenzen von 5/ und 6/ die Messungen alle Ns/f Sekunden vorgenommen werden. Es ist auch klar, daß in einem solchen Falle der Freigabeimpulsgenerator vorhanden sein muß, um alle NsIf Sekunden einen Freigabeimpuls zu erzeugen (/ ist der gemeinsame Faktor und /Vs eine ganze Zahl).

Als Beispiel sei angenommen, daß der Mittelwert über 5 Messungen (Na = 5) gebildet werden soll. Wie in F i g. 1 entsprechen /Vi Zählungen des Ringzählers 2 360° der Frequenz nF. Der Einfachheit der Erläuterungen wegen sei angenommen, daß die beiden Signale n\ F und mF gleichfrequent sind (d. h. ni = m) und daß der Freigabeimpuls eine solche Länge hat, die gleich der erforderlichen Zeit ist, in der alle 5 Messungen durchgeführt werden können. Der zuerst erzeugte Rückstellimpuls (Impulsgenerator 18) stellt zunächst den Teiler 21 und den Ringzähler 2 auf Null. Dann wird der Freigabeimpuls vom Impulsgenerator 8 erzeugt. Vom Auftreten der Vorderflanke des nächstfolgenden ersten Eingangssignals ab werden die Taktimpulse des Taktgenerators 7 (Frequenz NF) über die Taktimpulsleitung 4 in den Teiler 21 und dann in den Ringzähler 2 eingegeben. Die Vorderflanke des zweiten Eingangssignals beendet diesen Vorgang, aber die nächste Vorderflanke des ersten Eingangssignals bewirkt wieder das Einzählen der Taktimpulse, weil ja der Freigabeimpuls noch andeuert. Dieser Vorgang wiederholt sich so lange, wie der Freigabeimpuls andauert; dieser ist so lang gemacht, daß die gewünschte Anzahl

von Messungen durchgeführt werden können. Der Teiler 21 teilt durch die Anzahl der Messungen, über die gemittelt werden soll; der Anteil von jeder Messung wird in den Ringzähler 2 eingespeichert, der die einzelnen Werte summiert. Der Endstand des Ringzählers 2 ist dann proportional der gemittelten Phasendifferenz zwischen den beiden Eingangssignalen. Da, wie bei diesem Beispiel angenommen, die beiden Eingangssignale die gleiche Frequenz haben, ist der Wert Mfür alle Messungen gleich, und diese können jeweils zwischen den Vorderflanken der Signale durchgeführt werden, wodurch die Technik der Mittelwertbildung vereinfacht wird.

Die Anzahl M der in den Ringzähler 2 eingespeicherten Impulse, wenn »f« für die Meßperiode konstant ist, beträgt:

JV₄ = tNFNa/Na = tNF
Nach den Gleichungen (1) und (2) ergibt sich:

(5)

JV₄ = I₁NF + MNjn = I₁NF + MN₁ (6)

Da Meine ganze Zahl ist und der Ringzähler 2 jeweils nach A/i — 1 Einzählungen wieder von Null zu zählen anfängt, kann der Ausdruck MNi in Gleichung (6) vernachlässigt werden; der Endstand des Ringzählers 2, in den M Impulse eingezählt worden sind, ist demnach proportional zu Θ (nF), wie in den Gleichungen (3) und (4) gezeigt worden ist.

Die Mittelwertbildung kann natürlich auch mit Eingangssignalen verschiedener, in harmonischer Beziehung stehenden Frequenzen ausgeführt werden, indem die Start-Stop-Logik 1 geringfügig modifiziert wird und der Freigabeimpulsgenerator 8 so ausgelegt ist, daß er Na Freigabeimpulse erzeugt, die einen solchen Abstand haben, daß die Frequenz eine gemeinsame Subharmonische der beiden Eingangssignale ist. Dadurch wird sichergestellt, daß M für alle Messungen konstant ist. Bei der Mittelwertbildung mit verschiedenfrequenten Eingangssignalen wird der Rückstellimpuls für den Teiler 21 und den Ringzähler 2 nur von dem ersten der Na Freigabeimpulse erzeugt. Derartige Modifikationen sind jedoch dem Fachmann geläufig.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Phasendetektor für Navigationssysteme (insbesondere Hyperbel-Navigationssysteme) zur Bestimmung der Phasendifferenz von zwei als Rechteckschwingungen vorliegenden Signalen, die verschiedene Harmonische einer Grundfrequenz sind, unter Verwendung einer Start-Stop-Logik und einem dieser nachgeschalteten Zähler, wobei die Start- ι ο Stop-Logik nach Umschaltung eines bistabilen Multivibrators mit Beginn der Vorderflanke des ersten Signals Taktimpulse eines Taktgenerators durch eine UND-Schaltung in den Zähler so lange hindurchläßt, bis mit Beginn der Vorderflanke des zweiten Signals der Multivibrator wieder zurückgeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Zähler (2), der der Start-Stop-Logik (16,17) nachgeschaltet ist, zyklisch von null bis zu einem Maximalwert

NF