DE2046478C3 - Einrichtung und Verfahren zur Messung der Übertragungsfunktion einer Phasenregelschleife - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Messung der Übertragungsfunktion einer Phasenregelschleife, bestehend aus einem Oszillator mit einer Frequenzmodulationseinrichtung, der ein Modulationssignal zugeführt wird, und einem Phasendiskriminator, dem ein Teil der Ausgangsenergie des Oszillators und eine feste Vergleichsfrequenz zugeführt wird, dessen Ausgangsspannung einer Meßeinrichtung für die Modulationssignale zugeführt ist.

Zur Synchronisierung von Oszillatoren auf eine sehr frequenzstabile, normalerweise Quarz-stabilisierte Vergleichsfrequenz werden häufig Phasenregelschleifen verwendet. Das Ausgangssignal des frei schwingenden und zu synchronisierenden Oszillators wird in einem Phasendiskriminator mit dem frquenzstabilen Signal verglichen. Die Ausgangsspannung des Phasendiskriminators wird über Filtermittel, meist Tiefpässe, einem Frequenzstellglied, raeist dem für die Frequenzmodulation des Oszillators an sich vorhandenen Modulierglied zugeführt. Die Nachstellspannung aus dem Phasendiskriminator wird dabei so an das Stellglied angelegt, daß der Oszillator praktisch phasenstarr an die feste Vergleichsfrequenz angebunden wird. Da die offene Phasenregelschleife für das der Modulationseinrichtung des Oszillators zugeführte Signal im allgemeinen eine Verstärkung wesentlich > 1 bringt, besteht die Schwierigkeit, die bekannte Bode-Bedingung einzuhalten, d. h. zu vermeiden, daß die geschlossene Regelschleife bei irgendeiner Frequenz innerhalb und außerhalb ihrer Übertragungsbandbreite sich dem Schwingungszustand annähert oder schwingt. Es ist hierzu notwendig, den Amplituden- und Phasengang der Schleife zu messen, und zwar möglichst ohne dabei das normale Verhalten der Regelschleife zu stören. Es sind hierzu Verfahren bekannt, um die Schleife im offenen Zustand zu messen, jedoch ist dabei der Oszillator im nicht gerasteten Zustand. Ferner sind Verfahren bekannt, bei denen zwar die Schleife geschlossen ist, jedoch nicht das Gesamtverhalten der Regelschleife hinsichtlich Phase und Amplitude zu ermitteln ist, oder der Meßaufwand sehr groß ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg anzugeben, bei dem die obigen Forderungen mit einfachen Mitteln erfüllt werden.

Diese Aufgabe wird bei einer Einrichtung zur Messung der Übertragungsfunktion einer Phasenregelschleife, bestehend aus einem Oszillator mit einer Frequenzmodulationseinrichtung, der ein Modulationssignal zugeführt wird, und einem Phasendiskriminator, dem ein Teil der Ausgangsenergie des Oszillators und eine feste Vergleichsfrequenz fo (S) zugeführt wird und dessen Ausgangsspannung (Punkt A) einer Meßeinrich= tung für die Modulationssignale fm zugeführt ist, gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die durch die Meßeinrichtung unterbrochene Phasenregelschleife über eine zusätzliche Hilfsregelschleife mit einem zweiten Phassndiskriminator, dem ebenfalls das Vergleichssignal zugeführt ist, die den Oszillator im gerasteten Zustand erhält, überbrückt ist und daß die

Hilfsregelschleife zwischen dem Ausgang des zweiten Phasendiskriminators und dem Eingang der Frequenzmodulationseinrichtung (Modulationssignal M) des Oszillators liegt, daß ferner an diesem Eingang eine die Eingangsreaktanz für die Regelsignale möglichst genau nachbildende Reaktanz angeschlossen ist und die Meßeinrichtung für Amplitude und Phase gegenüber dieser Reaktanz einen vernachlässigbar hochohmigen Parallelzweig darstellt

Durch die Literaturstelle »Electronics«, May 26,1969, Seiten 91 bis 94, ist es zwar bekannt, bei einer durch eine Meßeinrichtung unterbrochenen Rückkopplungsschleife für die genaue Messung der Verstärkungseigenschaften den Punkt der Unterbrechung durch einen gleichen Verstärker abzuschließen, um eine exakte Nachbildung der Impedanz an diesem Punkt wie vorher zu erzielen. Hinweise auf die dem Erfindungsgegenstand zugrunde liegende Problemstellung und -lösung kann aber die erwähnte Literaturstelle über den Abschlußwiderstand hinaus nicht vermitteln.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Hilfsregelschleife einen Tiefpaß enthält mit einer unteren Grenzfrequenz, die im Verhältnis zum Meßfrequenzbereich verhältnismäßigniedrig liegt.

Vorteilhaft wird in die Leitung, die von der Quelle für die Vergleichsfrequenz zum Phasendiskriminator führt, eine Phasenschiebeeinrichtung, vorzugsweise eine Leitung variabler Länge, eingefügt, die so eingestellt ist, daß die demodulierte Meßfrequenz an der Meßeinrichtung die größte Amplitude hat.

Zur besseren Anpassung an die normalen Arbeitsbedingungen des Phasendiskriminators ist es ferner vorteilhaft, wenn zusätzlich zur Phasenschiebeeinrichtung ein variables Dämpfungsglied in die Schleife eingeschaltet ist, mit dem der Pegel für die Vergleichsfrequenz gleich dem normalerweise am Eingang des ersten Phasendiskriminators herrschenden Pegel eingestellt wird.

Vorteilhaft ist es ferner, wenn zwischen dem Ausgang des Oszillators und dem zugehörigen Eingang des zweiten Phasendiskriminators ein Entkopplungsglied, ausgebildet als Verstärkungs- oder Dämpfungsglied, vorgesehen ist.

Zweckmäßig wird in der Hilfsregelschleife ein weiteres Entkopplungsglied vorgesehen, das Richteigenschaft in der Art hat, daß ein Signalfluß nur vom Ausgang des zweiten Phasendiskriminators in Richtung Regeleingang des Oszillators möglich ist.

Eine vorteilhafte Alternative hierzu besteht darin, daß die Hilfsregelschleife bei Verwendung eines Varaktors als Frequenzmodulationseinrichtung an dem gegenüber dem Einspeisepunkt für die Modulationssignale anderen Ende der Varaktordiode angekoppelt ist.

Ein vorteilhaftes Meßverfahren für die geschilderte Einrichtung besteht darin, daß durch Beobachtung der Signale an der Meßeinrichtung das Übertragungssignal der Hilfsregelschleife derart eingestellt wird, daß sich Dämpfungsänderungen in der Hilfsregelschleife im Meßsignal nicht mehr bemerkbar machen.

Nachstehend wird die Erfindung anhand einer Figur näher erläutert.

Die Figur zeigt im strichpunktierten Rahmen eine zu prüfende Phasenregelschleife PR im Blockschaltbild. Darin ist der frei schwingende Oszillator mit 3 bezeichnet. Dieser Oszillator besitzt wie üblich eine Frequenzmodulationseinrichtung, vorzugsweise eine an den frequenzbestimmenden Resonator angekoppelte Varaktordiode, deren Vorspannung durch eine Stellgröße mit der Frequenz ist beeinflußbar ist. Ein Teil der Ausgangsenergie des Oszillators 3 im auf einen Phasendiskriminator 1 gegeben, dem ferner eine stabile Vergleichsfrequenz zugeführt wird. Die Ausgangsspannung des Phasendiskriminators. die ein Kriterium für die Phasenabweichung der beiden Schwingungen darstellt, wird ggf. über einen Gleichstrom übertragenden Verstärker 4 und die gestrichelt eingezeichnete Leitung A, B dem Stellglied des Oszillators 3 wieder so

ίο zugeführt, daß der Oszillator auf die stabile Vergleichsfrequenz synchronosiert wird. Die stabile Vergleichsfrequenz liefert im Normalfall ein temperaturstabilisierter Quarzgenerator, der hier durch einen für die Meßeinrichtung genügend genauen Meßsender S ersetzt ist.

Die Nachbildung des Eingangswiderstandes für den Stelleingang des Oszillators 3 mit der Impedanz Z ist nur für das nachfolgend beschriebene Meßverfahren von Bedeutung.

Für dieses Meßverfahren wird die Schleife zwischen den Punkten A und B aufgetrennt und der Punkt A über die Nachbildung Z mit dem Lvhaltungsnullpunkt verbunden. Der Ausgang des Verstärker.4 findet so den im Normalbetrieb vorliegenden Abschlußwiderstand. Da nun die Schleife unterbrochen ist, würden einem Meßverfahren für das Übertragungsverhalten der Phasenregelschleife hinsichtlich Amplitude und Frequenzgang sowie Phasengang unwirkliche Verhältnisse zugrunde liegen. Gemäß dem Vorschlag der Erfindung wird dem dadurch abgeholfen, daß eine zweite Phasenregelschleife eingeführt wird, die mit möglichst schwacher Ankopplung den Oszillator im gerasteten Zustand erhält. Hierzu ist ein zweiter Phasendiskriminator 2 vorgesehen, dessen beiden Eingängen wieder die Oszillatorfrequenz Fo und die Vergleichsfrequenz fo vom Meßsender S zugeführt wird. Der Ausgang dieses Phasendiskriminators ist über einen Gleichstrom übertragenden Verstärker 5 und eine vorzugsweise variable Reaktanz 6 zur Überbrückung der ansonsten offenen Regelschleife wieder mit dem Steileingang des Oszillators 3 verbunden. Zur Ermittlung der Übertragungseigenschaften der Hauptregelschleife wird nun an den Stelleingang des Oszillators über einen weiteren Sender M ein Modulationssignal fm angelegt. Dieses zusätzliche Modulationssignal erscheint am Ausgang Λ der Phasenregelschleife in der durch die Eigenschaften der Schleife veränderten Form. Es wird von dort aus einem Phasenmeßplatz oder Oszillograph PM zugeführt, dem zum Vergleich gleichzeitig das Modulationssignal fm zugeführt ist. Die Eingangsimpedanz des Meßplatzes ist im Vergleich zur Impedanz Z groß, so daß das Meßergobnis durch die Anschaltung des Meßgerätes PM möglichst wenig beeinflußt wird.

Für die Hilfsschleife ist Bedingung, daß ihr Übertragungsverhalten das der zu prüfenden Regelschleife möglichst wenig beeinflußt. Dies wird dadurch erreicht, daß die Hilfsregelschleife eine im Verhältnis zum Meßfrequenzbereich niedrige untere Grenzfrequenz hat und andererseits dadurch, daß die Ankopplung an den Stelleingang schwach ist. Ferner ist, um den unmittelbaren Üoertritt von Modulationssignale fm über die hilfsschleife auf den zweiten Diskriminator 2 zu vermeiden, in der Hilfsschleife HS eine gerichtete Kopplung vorgesehen, zweckmäßig aus einem möglichst rückwirkungsfreien Verstärker 5 bestehend. Mit dem variablen Dämpfungsglied 6 kann dann die Ankopplung an den Stelleingang des Oszillators so schwach eingestellt werden, daß sich eine Rückwirkung auf die Hauptregelschleife nicht mehr ergibt. Dies kann

einfach dadurch festgestellt werden, daß sich Dämpfungsänderungen in der Hilfsregelschleife im Meßsignal der Hauptregelschleife nicht mehr bemerkbar machen.

Die Entkopplung der Hilfsregelschleife HS vom Modulationssignal fm kann vorteilhaft auch, wie durch die gestrichelte Linie 7 angedeutet, so vorgenommen werden, daß das über die Hilfsschleife rückgeführte Regelsignal dem Fußpunkt der Varaktordiode zugeführt ist. d. h. also dem gegenüber dem Anschluß für das Modulationssignal anderen Anschluß. Da die Varaktor- im diode meist in einem relativ hochohmigen Vorspannungskreis liegt, ist diese Entkopplungsmethode in vielen Fällen einfach /u verwirklichen.

Um ferner den optimalen Arbeitspunkt auf der Kennlinie des Phasendiskriminators 1 einstellen zu können, liegt in der Leitung zwischen dem Meßsender 5 und dem zugehörigen Vergleichsfrequenzeingang des PhuSeridiskriiiiirisiorf: \ ein einstellbarer Phasprisrhipbcr 9. vorzugsweise eine Leitung variabler Länge. Es IaUt sich dann auf einfache Weise ein Arbeitspunkt im Nullpunkt, also im steilsten Teil der Diskriminatorkenn linie, einstellen. Um ferner zu erreichen, daß der Pegel des Vergleichssignals am zugehörigen Eingang de« Diskriminator 1 den normalen Arbeitsverhältnissen für die geschlossene Phasenregelschleife entspricht, ist ei zweckmäßig, in die Leitung mit dem Phasenschiebei auch ein veränderbares Dämpfungsglied einzuschalten. Es kann mit der geschilderten Meßeinrichtung vorteilhaft einfach und genau das Verhalten der Phasenregelschleife untersucht werden, insbesondere ir den Randbezirken des Übertragungsbereiches. Wie an sich für solche Meßeinrichtungen bekannt, kommt es dabei auf die Ermittlung des sogenannten Amplituden· und Phasenrandes in diesen Bezirken an. d. h. den Wen der Dämpfung, bei dem die Phase 180° erreicht hat bzw die Phasendifferenz zu 180°. wenn die Verstärkung und Dämnfune der Schleife amnlitudenmäßie Bleich 0 ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Messung der Übertragungsfunktion einer Phasenregelschleife, bestehend aus einem Oszillator mit einer Frequenzmodulationseinrichtung, der ein Modulationssignal zugeführt wird, und einem Phasendiskriminator, dem ein Teil der Ausgangsenergie di;s Oszillators und eine feste Vergleichsfrequenz fo zugeführt wird und dessen Ausgangsspannung (Punkt A) einer Meßeinrichtung für die Modulationssignale zugeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Meßeinrichtung unterbrochene Phasenregelschleife (PR) über eine zusätzliche Hilfsregelschleife (HS)d\e den Oszillator (3) im gerasteten Zustand hält mit einem zweiten Phasendiskrimator (2), dem ebenfalls das Vergleichssignal (S) zugeführt ist, überbrückt ist und daß die Hilfsregelschleife (HS) zwischen dem Ausgang des zweiten Phasendiskriminators (2) urd dem Eingang (B) der Frequenzmodulationseinncrftung (Modulationssignal M) des Oszillators (3) liegt, daß ferner an diesem Eingang (B) eine die Eingangsreaktanz für die Regelsignale möglichst genau nachbildende Reaktanz (Z) angeschlossen ist und die Meßeinrichtung (PM) für Amplitude und Phase gegenüber dieser Reaktanz (Z) einen vernachlässigbar hochohmigen Paralleizweig darstellt.

2. Einrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsregelschleife (HS) einen Tiefpaß enthält mit einer unteren Grenzfrequenz, die im Verhältnis zum Meßfrequenzbereich verhältnismäßig nieorig liegt.

3. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Leitung, die von der Quelle (S) P Y die Vergleichsfrequenz fo zum ersten Phasendiskriminator (1) führt, eine Phasenschiebeeinrichtung (9), vorzugsweise eine Leitung variabler Länge (Δ1) eingefügt ist, die so eingestellt ist, daß die demodulierte Meßfrequenz an der Meßeinrichtung die größte Amplitude hat.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zur Phasenschiebeeinrichtung (9) ein variables Dämpfungsglied (8) in die Schleife eingeschaltet ist, mit dem der Pegel für die Vergleichsfrequen2 fo gleich dem normalerweise am Eingang des ersten Phasendiskriminators (1) herrschenden Pegel eingestellt wird.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang des Oszillators (3) und dem zugehöri- 5^ gen Eingang des zweiten Phasendiskriminators (2) ein Entkopplungsglied, ausgebildet als Verstärkungs- oder Dämpfungsglied, vorgesehen ist.

6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Hilfsregelschleife (HS) ein weiteres Entkopplungsglied liegt, das Richteigenschaft in der Art hat, daß ein Signalfluß nur vom Ausgang des zweiten Phasendiskriminators (2) in Richtung Regeleingang (3 bzw. 7) des Oszillators (3) möglich ist.

7. Einrichtung nach Anspruch I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsrgelschleife (HS) bei Verwendung eines Varaktors als Frequenzmodulationseinrichtung an dem gegenüber dem Einspeisepunkt für die Modulationssignale anderen Ende (7) der Varaktordiode angekoppelt ist.

8. Meßverfahren für die Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch Beobachtung der Signale an der Meßeinrichtung (PM) das Übertragungssignal der Hilfsregelschleife (HS) derart eingestellt wird, daß sich Dämpfungsänderungen in der Hilfsregelschieife (HS)im Meßsignal nicht mehr bemerkbar machen.