DE2135490C3 - Digitaler Frequenzmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen digitalen Frequenzmesser mit eii'i-*r in ihrer Frequenz steuerbaren Oszillatoranordnungnach dem Interpolations- bzw. Transferpiinzip, mit einer Subtraktionsmischanordnung, welcher ein Ausgam.ssignal der steuerbaren OszillatornnorJimng und da> Signal mit der zu messenden Frequenz zugeführt sind, mit einer Steuerschaltung für Frequenzsteuerung der OszillatoranorcJnung auf Schwebungsnull der Mischfrequenz, mit einem lokalen Festfrequenzgenerator, dessen Ausgangssignal

zusammen mit einem Interpolationsfrequenzsignal einer Frequenzumsetzung unterliegt, mit einem zumindest digitale Ausgänge und Anzeigemöglichkeit besitzenden Grobfrequenzmesser zur Ermitt'ung höchstwertiger Stellen der unbekannten Frequenz, und mit

ίο einem zumindest digitale Ausgänge und Digitalanzeigemöglichkeit besitzenden, die Frequenz des steuerbaren Oszillators auswertenden Feinfrequenzmesser. Bei einem bekannten derartigen Frequenzmesiser (FR-PS 1339808) sind zwei in der Frequenz steuer-

bare Oszillatoren vorgesehen sowie eine Zusatzeinrichtung zum Erzeugen von Oberwellen der Grundfrequenzen dieser Oszillatoren. Die Frequenz des zweiten Oszillators wird von einem Zähler während einer Zeitdauer zugeführt, die einem Vielfachen der zehnfachen Differenz der beiden Oszillatorfrequenzen entspricht. Ferner wird die Zahl der Perioden der ersten Frequenz in einem weiteren Zähler gezählt, wobei dieser Zählwert als Maß für die zu messende Frequenz genommen wird. Bei einem derartigen Frequenzmesser kann ein Fehler in der Größe von einer Periode der Frequenz vorkommen, wodurch die Genauigkeit der Messung begrenzt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Frequenzmesser der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher eine hohe Genauigkeit aufweist, eine sehr schnelle Messung ermöglicht und sowohl für sehr tiefe als auch für sehr hohe Frequenzen geeignet ist.

Die Lösung dieser Aufgabe ist darin zu sehen, daß die in der Frequenz steuerbare Oszillatoranordnung

eine Frequenzsyntheseschaltung mit Programmiereingängen in jeder Dekadenstufe aufweist sowie eine Schaltereinrichtung zum wählbaren Anschalten des Oszillators an eine der Dekadenstufen, daß dem Grobfrequenzmesser das Sifecal unbekannter Fre-

quenz zugeführt ist und seine Digitalausgänge mit den Programmiereingängen der jeweils entsprechenden Dekadenstufen der Frequenzdekade verbunden sind, und daß die Steuerschaltung eine Schaltung zum Erzeugen der Steuerspannung für den frequenzsteuer-

baren Oszillator als Funktion der Ausgangsfrequenz des Subtraktionsmischers enthält, und daß der Feinfrequenzmesser unmittelbar am Ausgang des steuerbaren Oszillators liegt, so daß die Summe von Grob- und Feinanzeige das Meßergebnis darstellt. Bei einem

» derartigen Frequenzmesser ergibt sich ein gegenüber bekannten Schaltungen wesentlich erhöhtes Auflösungsvermögen bei vorgegebener Meßdauer.

Weiterbildungen ergeben sich aus den Untrranspriichen.

Die Erfindung ist im folgenden anhand einer schematischen Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel ergänzend beschrieben.

Die Figur zeigt das Blockschaltbild eines Frequenzmessers.

_W! Der Frequenzmesser umfaßt eine Frequenzsyntheseschaltung 1, die eine Anzahl Frequenz-Dekadenstufen 2, 3, 4 und 5, eine Konstantfrcquenzquelle 6 und einen in seiner Frequenz steuerbaren Oszillator 7 umfaßt. Die erste Dekadenstufe 2 ist an die Konstant -

„-, frequenzquelle 6 angeschlossen und empfängt von dieser die sogenannte Trägerfrequenz F₀, die weiter unten noch erläutert ist.

Die erste Dekadenstuf.. 2 umfaßt einen Teiler mit

dem TsüungsverhäUnis 10, eine Schaltungseinrichtung zum Erzeugen der Frequenz 9/10 F₀ aus F₀ und einen Mischer zum Erzeugen einer Mischfrequenz

9/10 F₀+ F₀AO+ Z₁ = F_nAO + /,, wobei Z₁ eine Frequenz bedeutet, die über die vier Programmiereingänge der Dekadenstufe 2 eingespeist wird.

Diese Mischfrequenz gelangt an die zweite Dekadenstufe 3, welche ebenfalls einen Teilet mit dem Teilungsverhältnis 10 enthält zum Erzeugen der Frequenz F₀AO + /,/10, eine Schaltung zum Erzeugen eier Frequenz 9 F₀ZlO aus F₀ und einen Mischer zum Erzeugen der Mischfrequenz

F₀AO + /,/10 + 9F₀ZlO+/,,

wobei I₂ die an die Programmiereingänge der zweiten Dekadenstufe 3 gelegte Frequenz bedeutet. Am Ausgang dieser zweiten Dekadenstufe 3 entsteht also die Mischfrequenz F₀+ /,/10+ L.

Die Dekadenstufen 4 und 5 sind gleichartig aufgebaut. Daher entsteht am Ausgang der dritten Dekadenstufe 4 eine Mischfrequenz

F₀+ /,/100+ Z₂AO + ^,

und am Ausgang der vierten Dekadeastufe 5 die Frequenz

F₀ + /,/1000 + Z₂AGO + /,/10 + l_y

Die Syntheseschaltung umfaßt ferner einen Subtraktionsmischer 5a, dem die Trägerfrequenz F₀ aus der Konstantfrequenzquelle 6 sowie die Ausgangsfrequenz der vierten Dekadenstufe S zugeführt wird. Dieser Subtraktionsmischer eliminiert die Trägerfrequenz F₀, so daß am Ausgang desselben die Frequenz F=I. + /j/10 + Z₂AOO + /,/1000 anliegt.

Ein Grobfrequenzmesser 8, dem die zu messende Frequenz F_t zugeführt wird, weist vier parallele Digitalausgänge auf, der die zu messende Frequenz in der Codierung 1-2-4-8 angibt und einen Speicher aufweist. Die Ziffern der höchsten Ordnung der zu messenden Frequenz sind in der oben angegebenen Codierung während der gesamten Dauer der Messung an den Digitalausgängen des Grobfrequenzmessers 8 vorhanden.

Die vier Digitalausgänge sind mit den Programmiereingängen der Dekadenstufen 2 bis 5 verbunden.

1.,I₁...Z₄ bedeuten, wie bereits oben erwähnt, die an die aufeinanderfolgenden Dekadenstufen 2 bis 5 gelegten Frequenzen, die von den Ausgängen des Grobfrequenzmessers 8 herrühren. Diese Frequenzen sind z. B. /i X 10³ Hz, wobei η zwischen 0 und 9 liegen kann und bei jeder Dekadenstufe als codierter Wert in der Form 1-2-4-8 anliegt.

Die Zahl η wird so gewählt, oder anders ausgedrückt, die Frequerizsyntheseschaltung so programmiert, daß sich'eine synthetisierte Frequenz F ergibt, die möglichst nahe an der zu messenden Frequenz liegt.

Es sei beispielsweise angenommen, daß die zu synthetisierende Frequenz 9724 Hz sei. Die Frequenzen /. bis I₄ müssen dann folgende Werte haben: /_i=4xl0³Hz; /₂ = 2xl0³Hz; /₃ = 7xl0³Hz und I₄ = 9 X 10¹ Hz. Die Programmierung auf diese Frequenzen erfolgt durch die vier Programmiereingänge, die in dem Code 1-2-4-8 codiert sind.

Bisher wurde angenommen, daß der steuerbare Oszillator 7 abgeschaltet ist. Nunmehr sei angenommen, daß 7. S. der Schalter 10 geschlossen sei. Die Dekadenstufe 3 erzeugt dann an ihrem Ausgang die Frequenz F₀ + /, i A. Wenn nämlich der Schalter 10 geschlossen ist, ist die Dekadenstufe 3 nicht mehr mit der Dekadenstufe 2 gekoppelt und empfängt einerseits die Frequenz F₀ + A von dem steuerbarep OszU' lator 7 und andererseits die Frequenz I₁, Schaltungen zum Durchfuhren dieses Vorganges sind bei Frequenzdekaden an sich bekannt.

Die Dekadenstufe 4 ergibt die Ausgangsfrequenz F₀+ Z₂AO+ 4/10+ Z₃, so daß die Ausgangsfrsquenz F der Syntheseschaltung schließlich wird: F= Zj+ Z₃AO +Z₂AGO+ Λ/100. In dem obigen Beispiel ergibt die Syntheseschaltung also die Frequenz 9720 Hz + Δ /100, wobei A von - 1Ü KHz bis +10 KHz variabel ist.

Das entsprechend geformte Ausgangssignal des Subtraktionsmischers 13 ist an einen Verstärker 14 mit parallelgeschaltetem Kondensator 15, also an einen Miller-Integrator gelegt, der eine Ausgangsspannung erzeugt, die ein Maß der Ausgangsfrequenz des Subtraktionsmischers 13 ist. Diese Ausgangsspannung gelangt als Steuerspannung U an den steuerbaren Oszillator 7 und stellt derien Frequenz so nach, daß der Unterschied zwischen der synthetisierten Frequenz und der zu messenden Frequenz verschwindet, so daß man durch Addition der Anzeige des Grobfrequenzmessers 8 und des Fein-Frequenzmessers 16 die zu messende Frequenz erhält.

Ein Wandern der verhältnismäßig hohen Frequenz des Oszillators 7 hebt sich durch die Rückmischung der von diesem Abwandern beeinflußten synthetisierten Frequenz in der Mischstufe. 5a mit ebe;i dieser Oszillatorfrequenz auf.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist an den Feinfrequenzmesser 16, da dieser keine Frequenz in binärcodierter Form ausgibt, ein Teiler 16a angeschlossen, der die Binärcodierung durchführt, und zwar durch einen in den Teiler integrierten Analog-Digitalwandler, wie an sich bekannt.

Die Digitalsignale aus dem Grobfrequenzmesser 8

und dem Teiler 16a werden in einem Binäraddierer 18 addiert und ergeben die zu messende Frequenz,

die in der Digitalanzeigevorrichtung 18 angezeigt wird.

Die Frequenz des steuerbaren Oszillators 7 kann

man sich zusammengesetzt denken aus einer festen

Grundfrequenz F₁ und einer variablen Frequenz A,

welche eine lineare Funktion der Steuer spannung U ist.

Offensichtlich ist die zu messende Frequenz Fx + ε gleich der Summe der Frequenz Fx, wie sie von dem Grobfrequenzmesser 8 angezeigt wird, und dem η-ten so Teil der Frequenzanzeige des Feinfrequenzmessers 16, wobei η das Teilungsverhältnis der durch den steuerbaren Oszillator 7 hinzugefügten Frequenzänderung A in den Dekadenstufen ist, die auf diejenige Mgen, bei der der betreffende Schalter geschlossen ist.

In dem betrachteten Ausführungsbeispiel ist η = 10³. Der auf den Fein-Frequenzmesser 16 folgende Teiler 16a hat eben dieses Teilungsverhältnis, so daß der A usgangswert dieses Teilers mit dem Ausgangswert des Grobfrequenzmessers 8 die zu messende Frequenz ergibt.

Das Auflösungsvermögen der beschriebenen Schaltung wird bei einer genügenden Anzahl von Dekadenstufen für eine gegebene Meßdauer um einen _b5 Faktor vergrößert, der bis zu 10⁶ betragen kann. Man kann beispielsweise eine Frequenz von 60 MHz bei einer Meßdauer von 1 Sekunde mit einer Genauigkeit von 1 /1000 Hz messen. Die Wahl von η, also das Auf-

lösungsvermögen in den durch die Anzahl der Dekadenstufen festgelegten Grenzen geschieht nach folgenden Überlegungen:

Einerseits muß η so groß sein, daß der Wert Δ/η, ganz gleich ob positiv oder negativ, um den sich der steuerbare Oszillator verändern kann, die Bildung der Frequenz Fx + c, in der Syntheseschaltung bewirken kann, wobei E₁ der maximale Wert des Frequenz-Zusatzterms ε ist. Andererseits darf das Phasenrauschen oder Frequenzrauschen der zu messenden Frequenzquelle nicht zu größeren Frequenzabweichungen führen als Δ/η.

Der Frequenzmesser nach der Erfindung ermöglicht sowohl die Messung tiefer als auch hoher Frevquenzen, wenn die Syntheseschaltung entsprechend aufgebaut ist.

Es ist eine einzige Konstantfrequenzquelle vorgesehen mit einem günstigen Frequenzwert von beispielsweise 1 bis S MHz, die quarzstabilisiert sein in kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Digitaler Frequenzmesser mit einer in ihrer Frequenz steuerbaren OszüJatoranordnung nach dem Interpolations- bzw, Transferprinzip, mit einer Subtraktions-Mischanordnung, welcher ein Ausgangssignal der steuerbaren Oszillatoranordnung und das Signal mit der zu messenden Frequenz zugeführt sind, mit einer Steuerschaltung für Frequenzsteuerung der Oszillatoranordnung auf Schwebungsnull der Mischfrequenz, mit einem lokalen Festfrequenzgenerator, dessen Ausgangssignal zusammen mit einem Interpolationsfrequenzsignaf einer Frequenzumsetzung unterliegt, mit einem zumindest digitale Ausgänge und Anzeigemöglichkeit besitzenden Grobfrequenzmesser zur Ermittlung höchstwertiger Stellen der unbekannten Frequenz, und mit einem zumindest digital^ Ausgänge und Digitalanzeigemöglichkeit besitzenden, die Frequenz des steuerbaren Oszillators auswertenden Feinfrequenzmesser, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Frequenz steuerbare Oszillatoranordnung eine Frequenzsyntheseschaltung mit Programmiereingängen in jeder Dekaderatufe aufweist sowie eine Schaltereinrichtung (9 bis 12) zum wählbaren Anschalten des Oszillators (7) an eine der Dekadenstufen (2 bis 5), daß dem Grobfrequenzmesser das Signal unbekannter Frequenz zugeführt ist und seine Cigitalausgänge mit den Programmiereingängen der jewpils entfnrechenden Dekadenstufen der Frequenzdekade" verbunden sind und daß die Steuerschaltung eine Schaltung zum Erzeugen der Steuerspannung für den frequenzsteuerbaren Oszillator (7) als Funktion der Ausgangsfrequenz des Subtraktionsmischers (13) enthält, und daß der Fein-Frequenzmesser (16) unmittelbar am Ausgang des steuerbaren Oszillators (7) liegt, so daß die Summe von Grob- und Feinanzeige das Meßergebnis darstellt.

2. Frequenzmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Subtraktionsmischer (13) angeschaltete Steuerschaltung (14,15) einen Integrator umfaßt.

3. Frequenzmesser nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Spannungsmeßeinrichtung zum Messen der Ausgangsspannung U der Steuerschaltung (14, 15).

4. Frequenzmesser nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen an den Fein-Frequenzmesser (16) angeschlossenen Teiler (16a), dessen Teilungsverhältnis entsprechend der Stellung der Schaltereinrichtung (9 bis 12) gewichtes ist, und durch einen an den Teiler (16a) und den Grobfrequenzmesser (8) angeschlossenen Binäraddierer (17).