DE1766866B1

DE1766866B1 - Frequenzsynthetisator unter verwendung von regelschleifen

Info

Publication number: DE1766866B1
Application number: DE19681766866
Authority: DE
Inventors: Little Jun Knowles Graham
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Bendix Corp
Priority date: 1967-08-24
Filing date: 1968-08-01
Publication date: 1972-02-03
Also published as: GB1176760A; FR1577049A; US3435367A

Description

Die Erfindung betrifft einen Frequenzsynthetisator unter Verwendung von Regelschleifen, die jeweils einen durch eine Regelgröße nachstimmbaren Oszillator, einen einstellbaren Frequenzteiler und einen Phasendiskriminator, dem einerseits die in einem einstellbaren Frequenzteiler geteilte Oszillatorfrequenz und andererseits eine Bezugsfrequenz zugeführt werden, enthalten.

Ein derartiger Frequenzsynthetisator ist bereits bekannt, und dieser besteht beispielsweise aus drei Regelschleifen, und zwar aus einer Haupt-AFC-Schleife, einer Hilfs-AFC-Schleife für die Grobeinstellung der gewünschten diskreten Ausgangsfrequenz, und aus einer Hilfs-AFC-Schleife für die Feineinstellung der gewünschten Ausgangsfrequenz. Die Ausgangsgrößen aus den zwei Hilfs-AFC-Schleifen steuern die Haupt-AFC-Schleife so an, daß ein in der Haupt-AFC-Schleife befindlicher Ausgangsoszillator auf die gewünschte diskrete Ausgangsfrequenz geregelt wird. Die Hilfs-AFC-Schleife für die Feineinstellung enthält hierbei einen einstellbaren Frequenzteiler, jedoch wird die zweite Hilfs-AFC-Schleife unter Verwendung einer von der gemeinsamen Bezugsfrequenz abgeleiteten Harmonischen in groben Schritten von je 10 MHz eingestellt. Diese Einstellung erfolgt weiter mit Hilfe einer Impulsformerstufe, die von der gemeinsamen Bezugsfrequenzquelle angesteuert wird. Die sechste und achte Harmonische der hierbei erhaltenen Impulsfolgefrequenz dient zur Einstellung der Hilfs-AFC-Schleife für die Grobeinstellung (österreichische Patentschrift 245 052).

Mit Hilfe dieses bekannten Mehrkanalgenerators ist jedoch nur eine Frequenzrastung in 10 kHz Schritten innerhalb eines gesamten Regelbereiches von 70 bis 100 MHz möglich.

Ein ebenfalls bekannter Mehrkanalgenerator weist einen Frequenzgenerator auf, der an seinem einen Ausgang eine HF von 34 MHz und an seinem anderen Ausgang eine Frequenz von 10 kHz erzeugt, wobei letztere als Bezugsfrequenz bzw. zum Phasenvergleich dient. Diese beiden Frequenzen werden einem Frequenzsynthetisator zugeführt, und dabei wird zunächst die 10-kHz-Frequenz zu einem festen Teiler geführt, der diese Frequenz durch 10 teilt, so daß dann die Einheitsfrequenz 1 kHz beträgt. Diese Einheitsfrequenz wird einem veränderlichen Harmonischen-Generator zugeführt, der einen veränderlichen Frequenzausgang erzeugt und von 0 bis 9 kHz reichen kann. Diese Frequenz wird dann in einer Mischstufe mit der vom Frequenzgenerator erzeugten HF gemischt, woraus man eine Uberlagerungsfrequenz erhält. Diese Uberlagerungsfrequenz stellt dann die veränderliche Ausgangsfrequenz dar und wird einem Eingang einer weiteren Mischstufe zugeführt, die Teil einer Regelschleife bzw. phasenstarren Schleife ist. Der zweite Eingang der zweiten Mischstufe wird von einem veränderlichen Ausgangsoszillator geliefert, der ebenfalls Teil der phasenstarren Schleife ist. Aus der zweiten Mischstufe erhält man dann die Differenzfrequenz, die ein Vielfaches der festen Frequenz von 10 kHz beträgt. Diese Differenzfrequenz wird einer digitalen Teilerstufe eingespeist, und die Ausgangsfrequenz aus dieser Teilerstufe beträgt dann 10 kHz und wird in einem Phasendetektor mit der ursprünglichen Bezugsfrequenz von 1OkHz verglichen. Aus diesem Vergleich wird ein Fehlersignal abgeleitet, und dieses Fehlersignal wird zur Steuerung des veränderlichen Ausgangsoszillators verwendet, so daß auf diese Weise die Ausgangsfrequenz dieses bekannten Mehrkanalgenerators konstant geregelt wird. Dieser Mehrkanalgenerator ist für eine maximale Frequenz von 30 MHz ausgelegt (französische Patentschrift 1 396 537 bzw. belgische Patentschrift 660 997). Schließlich ist auch ein automatischer Phasenregler mit mehreren phasenstarren Schleifen bekannt, jedoch soll hierbei keine Frequenzsynthese zum Erzeugen vieler stabiler Frequenzen vorgenommen werden, sondern es soll nur eine einzige stabile Ausgangsfrequenz, beispielsweise 100 MHz, aus einer Bezugsoszillatorfrequenz von 1 MHz erzeugt werden (USA.-Patentschrift 3 319 178).

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, einen Frequenzsynthetisator der eingangs definierten Art zu schaffen, der bei Vergleichs-

weise geringem elektronischem Aufwand dennoch eine sehr hohe Anzahl an diskreten Ausgangsfrequenzen vorsehen-kann.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß mindestens zwei Regelschleifen vorhanden sind, in denen jeweils der eingestellte Teilerwert einem Ziffernwert der zu erzeugenden Frequenz entspricht, und die Regelschleifen derart in Kaskade geschaltet sind, daß die Ausgangsfrequenz des Oszillators der ersten Schleife unter Zwischenschaltung eines Frequenzteilers, der den gleichen Teilungsfaktor aufweist, wie der in der nächstfolgenden Regelschleife eingestellte, weiter unter Zwischenschaltung einer Mischstufe, in der die Bezugsfrequenz zugemischt wird, ferner unter Zwischenschaltung eines ersten Frequenzteilers, vorzugsweise mit dem Teilungsfaktor 10, als Bezugsfrequenzeingang an den Phasendiskriminator der nächstfolgenden Stufe angelegt wird und daß an den entsprechenden Eingang des Phasendiskriminators der ersten Stufe eine Bezugsfrequenz bzw. zu dieser in ganzzahligem, vorzugsweise dekadischem Verhältnis stehende Frequenz angelegt wird.

Bei dieser Schaltungsanordnung läßt sich im Gegensatz zum Bekannten bereits bei einer vergleichsweise geringen Teilereinstellungsmöglichkeit der einzelnen Frequenzteiler ein vergleichsweise breites Frequenzband in eine große Anzahl stabiler diskreter Frequenzen rasten, wobei jedoch der gesamte technische Aufwand relativ gering ist.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß der die jeweilige Ausgangsfrequenz des Oszillators der vorhergehenden Schleife empfangende Frequenzteiler mit dem digitalen Frequenzteiler der nachfolgenden Schleife im Sinne eines Gleichlaufes umschaltbar ist. Dabei ist weiter vorgesehen, daß die festen digitalen Frequenzteiler, die die Ausgangsgrößen der jeweiligen Mischstufen empfangen, und der digitale Frequenzteiler, der die Bezugsfrequenzquelle mit dem Eingang der ersten Schleife verbindet, eine Zehnerteilung vornehmen.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild eines dreistufigen Frequenzsynthetisators nach der vorliegenden Erfindung,

F i g. 2 eine Tabelle der Frequenzen an bestimmten Punkten des Frequenzsynthetisators der F i g. 1 für verschiedene Werte von N₁ , N₂ und N₃.

In Fig. 1 ist eine stabile Bezugsfrequenz mit 10 angegeben, die in geeigneter Weise von einem quarzgesteuerten Oszillator stammen kann und eine Bezugsfrequenz/i erzeugt, die einem 10:1-Frequenzteiler 11 über eine Leitung 10α zugeführt wird. Der Teiler 11 enthält typisch eine Kaskade von Binärstufen oder Flip-Flops, die so geschaltet sind, daß sie nahezu Rechtecksspannungen mit einer Frequenz von j^ erzeugen. Obwohl die Ausgangsspannung des Teilers 11 keine Sinuswellenform aufweist, sondern eine rechteckige Wellenform mit einem Zehntel

der Frequenz von f_x , so soll der Ausdruck ~ dazu

verwendet werden, diese Rechteckwellenform, die Zeit und die Phasenbeziehung zwischen ihr selbst und /1 zu bezeichnen. In gleicher Weise sollen auch in verschiedenen anderen Teilen dieser Beschreibung der Ausdruck, der J₁ enthält, so verwendet werden, um entweder eine sinusförmige Wellenform oder eine Serie von Impulsen oder Spannungsübergängen zu bezeichnen, die eine feste Zeitbeziehung und eine Phasenbeziehung hinsichtlich der Bezugsfrequenz /_: aufweisen. Aus der Beschreibung wird allgemein klar hervorgehen, ob der Ausdruck zur Bezeichnung von Impulsen oder sinusförmigen Wellenformen verwendet wird.

Der Ausgang des Teilers 11, der eine Untersetzerfrequenz darstellt, wird dem Phasendetektor 14 einer digital gesteuerten phasenstarren Schleife 13 zugeführt, die zusätzlich zum Phasendetektor 14 ein Filter 15, einen veränderlichen Frequenzoszillator 17 und einen durch den Teiler N₁ teilenden variablen Frequenzteiler 18 enthält. Der variable Frequenzoszillator 17 ist zweckmäßig ein spannungsgesteuerter Oszillator mit Varactordioden in einem Oszillatorschwingkreis, der entsprechend einer Fehlerspannung verändert wird, die von einem Phasendetektor erzeugt wird, um die Oszillatorausgangsfrequenz zu steuern. Es können auch andere variable Frequenzoszillatortypen verwendet werden, deren Ausgangsfrequenzbereich abstimmbar ist, und die durch das Fehlersignal des Phasendetektors ansteuerbar sind. Bei dieser Ausführungsform erzeugt der Oszillator 17 eine sinusförmige Spannung, die N₁ -mal der Eingangsfrequenz der Schleife 13 beträgt, auf Grund der Betriebsweise, daß die im Teiler 18 frequenzmäßig herabgeteilte Ausgangsgröße des Oszillators 17 mit der zugeführten Eingangsspannung der Schleife im Phasendetektor 14 verglichen wird.

Es sind auf diesem Gebiet verschiedene Typen an Phasendetektoren bekannt. Der in jedem System verwendete Phasendetektor muß ein Fehlersignal erzeugen, welches von der Phasendifferenz der zu vergleichenden Signale so abhängig ist, daß das erzeugte Fehlersignal in geeigneter Weise zur Steuerung der Oszillatorfrequenz verwendet werden kann. Der Phasendetektor, der speziell für den hier beschriebenen Frequenzsynthetisator als geeignet gefunden wurde, ist ein Diodenringdemodulator. Dieser Phasendetektor verwendet hauptsächlich einen geschlossenen Ring von vier in Serie geschalteten Dioden. Zwei diametral gegenüberliegende Anschlüsse zwischen den Dioden sind an eine Sekundärwicklung eines Eingangsübertragers geschaltet, und die dazu senkrechten Anschlüsse des Ringes sind an die Sekundärwicklung eines zweiten Eingangsübertragers angeschlossen. Die zwei Signale, deren Phasendifferenz verglichen werden soll, werden in folgender Weise an den Detektor angelegt: Ein Signal gelangt an die Primärwicklung eines Eingangsübertragers, und das andere Signal gelangt über die Primärwicklung des zweiten Eingangsübertragers zum Detektor. Die Ausgangsgröße des Detektors wird über die Mittelanzapfungen der Sekundärseiten der Eingangsübertrager abgegriffen. Dieser Phasendetektortyp schafft im wesentlichen eine vollwertige Gleichrichtung, bei der der gleichgerichtete Ausgang eines Eingangssignals mit dem gleichgerichteten Ausgang des anderen Eingangssignals in Bezug gebracht wird, so daß der Phasendetektor eine Gleichspannung erzeugt, die kennzeichnend für die Phasendifferenz zwischen den zwei Eingangsfrequenzen ist. Es wird offensichtlich, daß, wenn die zwei Signale, die dem Phasendetektor zugeführt werden, genau die gleiche Frequenz aufweisen und synchronisiert sind, das Fehlersignal gleich Null wird, die Schleife wird blockiert, und die spannungsgesteuerte Oszillatorfrequenz ist dann gleich

r¹- · Wenn die Schleife nicht blockiert ist, so wird ein

Fehlersignal erzeugt, welches den Oszillator zu einer Veränderung der Frequenz auf den blockierten Betriebszustand hin veranlaßt.

Die Ausgangsfrequenz der Schleife 13 wird dem durch den Teiler N₂-teilenden Frequenzteiler 23 zugeführt, der eine Kaskade an binären Stufen enthält und eine Ausgangsfrequenz mit nahezu rechteckiger Wellenform der Größe \r f

liefert.

10 JV,

N₁

Dieses Signal wird dem Phasendetektor 31 der phasenstarren Schleife 30 als Bezugsfrequenz zugeführt, wobei diese Schleife 30 mit der phasenstarren Schleife 13 identisch ist, mit der Ausnahme, daß der N₂:1 teilende Teiler 35 für Gleichlauf mit dem Teiler 23 gekoppelt ist, so daß seine Zählschritte gleich denen des Teilers 23 sind. Die Ausgangsfrequenz der Schleife 30 ist daher gleich deren Eingangsfrequenz multipliziert mit N₂ oder durch den Ausdruck / \j \r \

f I + ²I

, ⁷¹VlOO 10/

gegeben. ^v '

In ähnlicher Weise, wie dies oben beschrieben wurde, wird die Ausgangsfrequenz der Schleife 30 einem durch N₃ teilenden Teiler 40 und danach durch einen Impulsformer 41 einem Mischer 42 zugeführt, wo sie mit J₁ überlagert und gefiltert wird, um die Frequenz gemäß dem Ausdruck

N₁

1000 N₃ 100 N₃ y

zu bilden.

Dieses letztere Signal wird der phasenstarren Schleife 45 als Bezugsfrequenz zugeführt, die im wesentlichen identisch mit den obenerwähnten phasenstarren Schleifen ist, mit der Ausnahme, daß der Schleifenteiler 50 für Gleichlauf mit dem Teiler 40 gekoppelt ist, so daß er gleiche Zählschritte mit dem Teiler 40 vollführt. Die Schleifenausgangsfrequenz, die an dem Anschluß 51 erscheint, ist daher durch folgenden Ausdruck gegeben:

IO

Diese rechteckige Welle wird in dem Impulsformer 24 geformt und begrenzt, bevor sie in dem Mischer 25 mit der Bezugsfrequenz/!, die aus der stabilen Bezugsfrequenzquelle 10 über die Leitung 10 b zugeführt wird, in Verbindung gebracht wird. Ein geeignetes Filter läßt nur die erhaltene überlagerte Frequenzsumme passieren, so daß der Ausgang des Mischers 25 durch den Ausdruck gegeben ist

f - f(^N*

J₀ - J₁ [jQ

100

Il\ oooy

20

Dieser Ausgang wird dem 10:1-Frequenzteiler 26 zugeführt, der dem Teiler 11 ähnlich ist. Der Ausgang des Teilers 26 ist demnach durch den Ausdruck gegeben / N₁ JA

H ⁺ loy" Bezugsfrequenz bezogen ist. Wenn man N₁, N₂ und N₃ nun so wählt, um einen Bereich von zehn ganzen Zahlen mit einzubeziehen, so erhält man als Ergebnis ein vollständiges Dezimalsystem. Es können auch unterschiedliche Werte der Teilung verwendet werden, um dadurch ein Ergebnis zu erhalten, um z. B. eine andere Beziehung als die Dezimalbeziehung zwischen Bezugsfrequenz und den endgültigen Frequenzen vorzusehen.

Der Frequenzsynthetisator, wie er gezeigt ist, könnte richtig als ein in Kaskade geschalteter, dreistufiger digital gesteuerter Frequenzsynthetisator bezeichnet werden. Die erste Stufe besteht aus der einfachen phasenstarren Schleife 13. Die zweite Stufe beinhaltet nicht nur die phasenstarre Schleife 30, sondern ebenso die Teiler 23 und 26, den Impulsformer 24 und den Mischer 25. Die nachfolgenden Stufen sind der zweiten Stufe ähnlich.

N₁, IV₂ und JV₃ sind über einen Bereich ganzzahliger Werte jeweils einstellbar, wie

Man sieht, daß durch geeignete Auswahl der Frequenzteiler 11, 26 und 44 eine Ausgangsfrequenz erhalten werden kann, die im Zehnersystem auf die N_1A zu ΑΤ-

ι β

N_3AzuN_3B.

Eine überprüfung der mathematischen Darstellung der Ausgangsfrequenz des Frequenzsynthetisators läßt erkennen, daß die vollständige Zahl der zur Verfügung stehenden Frequenzkanäle folgende ist:

{N_1A-N_1B)-{N_2A-N_2B)-{N_3A-N_3B).

In dem vorliegend beschriebenen Ausführungsbeispiel stehen 1000 Kanäle zur Verfügung, wenn N₁, N₂ und N₃ über einen Bereich von jeweils 10 Werten einstellbar sind.

In den bekannten Frequenzsynthetisatoren mit nur einer einzelnen Stufe, bei denen die Ausgangsfrequenz gleich N₁ ■ J₁ ist, stellt J₁ die Bezugsfrequenz dar und N₁ die Teilerzahl, und der minimale Kanalabstand beträgt J₁ , da N₁ nur eine ganze Zahl sein kann. In einem kaskadengeschalteten vielstufigen Frequenzsynthetisator nach der Erfindung ist der Kanalabstand gleich der Bezugsfrequenz, geteilt durch alle festen Teilungsfaktoren. In dem vorliegend beschriebenen Frequenzsynthetisator wird die Bezugsfrequenz nacheinander in den Teilern 11, 26 und 44 durch 10 geteilt, und sie wird daher in 1000 Teile untersetzt. Der Kanalabstand beträgt daher

/1

1000 "

In F i g. 2 ist ein typischer Bereich von Frequenzwerten an verschiedenen Punkten in dem Frequenzsynthetisator für eine Bezugsfrequenz von 1000 kHz aufgeführt, wobei N₁ von 50 zu 59 gestuft ist, und N₂ und N₃ von 45 zu 54 gestuft sind. Der Kanalabstand wird somit zu

= 1 kHz

gefunden. ¹⁰⁰°

Der Bereich des Frequenzsynthetisators erstreckt sich von 5000 bis 5999 oder 1000 kHz Gesamtbereich bei 1 kHz Kanalabstand für eine gesamte Zahl von 1000 Kanälen.

Es sei angeführt, daß man z. B. auch verschiedene Bezugsfrequenzen für verschiedene Stufen und verschiedene Teilerwerte verwenden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Frequenzsynthetisator unter Verwendung von Regelschleifen, die jeweils einen durch eine Regelgröße nachstimmbaren Oszillator, einen einstellbaren Frequenzteiler und einen Phasendiskriminator, dem einerseits die in einem einstellbaren Frequenzteiler geteilte Oszillatorfrequenz und andererseits eine Bezugsfrequenz zugeführt werden, enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Regelschleifen (13, 30) vorhanden sind, in denen jeweils der eingestellte Teilerwert einem Ziffernwert der zu erzeugenden Frequenz entspricht und die Regelschleifen (13,30, 45) derart in Kaskade geschaltet sind, daß die Ausgangsfrequenz des Oszillators (17) der ersten Schleife (13) unter Zwischenschaltung eines Frequenzteilers (23), der den gleichen Teilungsfaktor aufweist wie der in der nächstfolgenden Regelschleife (30) eingestellte, weiter unter Zwischenschaltung einer Mischstufe (25, 42), in der die Bezugsfrequenz zugemischt wird, ferner unter Zwischenschaltung eines festen Frequenzteilers (26, 44), vorzugsweise mit dem Teilungsfaktor 10, als Bezugsfrequenzeingang an den Phasendiskriminator (31, 46) der nächstfolgenden Stufe angelegt wird und daß an den entsprechenden Eingang des Phasendiskriminators (14) der ersten Stufe (13)

eine Bezugsfrequenz j~ bzw. zu dieser in ganzzahligem, vorzugsweise dekadischen Verhältnis stehende Frequenz angelegt wird.

2. Frequenzsynthetisator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der die jeweilige Ausgangsfrequenz des Oszillators der vorhergehenden Schleife empfangende Frequenzteiler (23, 40) mit dem digitalen Frequenzteiler (35, 50) der nachfolgenden Schleife (30, 45) im Sinne eines Gleichlaufes umschaltbar ist.

3. Frequenzsynthetisator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die festen digitalen Frequenzteiler (26, 44), die jeweils die Ausgangsgröße der jeweiligen Mischstufen (25, 42) empfangen, und der digitale Frequenzteiler (11), der die Bezugsfrequenzquelle (10) mit dem Eingang der ersten Schleife (13) verbindet, eine Zehnerteilung vornehmen.