DE2164007C3

DE2164007C3 - Schaltung zur digitalen Frequenzeinstellung eines in seiner Frequenz geregelten Oszillators

Info

Publication number: DE2164007C3
Application number: DE2164007A
Authority: DE
Inventors: Karl 8033 Planegg Schlosser
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-12-22
Filing date: 1971-12-22
Publication date: 1979-09-06
Also published as: DE2164007A1; FR2164640A1; US3806826A; JPS4871868A; DE2164007B2; IT971903B; FR2164640B1; JPS528139B2; GB1409670A

Description

insbesondere darin, daß durch die zusätzliche Einzahlung der Hilfsfrequenz die Betriebssicherheit der digitalen Frequenzeinstellung und- nachregelung bis hinauf zu sehr hohen Oszillatorfrequenzen bei relativ geringem Schaltungsaufwand gewährleistet ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigt

F i g. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel,

F i g. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel und

F i g. 3 den prinzipiellen Aufbau einer Teilschaltung von F i g. 1 und F i g. 2.

In F i g. 1 ist ein Oszillator 1 dargestellt, der in seiner Frequenz einstellbar und auf den jeweils eingestellten Wert nachregelbar ist Ein Teil seiner an der Klemme 2 abgreifbaren Ausgangsspannung der Frequenz f_x wird über einen weiteren Ausgang A dem ersten Eingang eines NAND-Gatters 3 zugeführt, dessen zweitem Eingang ein Taktsignal 7]>zugeführt wird. Beim Anlegen des positiven Impulses P von T₀ gelangen die Oszillatorschwingungen über 3 und ein -veiteres NAND-Gatter 3' an den Eingang Veines mehrstufigen Frequenzzählers 4, dessen Ausgänge 4a mit den ersten Eingängen eines digitalen !Comparators 5 verbunden sind. Die zweiten Eingänge 5a sind mit digitalen Signalen Si bis Ss belegt, die z. B. im BCD-Code codiert sind.

Der als Vor-Rückwärts-Zähler ausgebildete Frequenzzähler 4 weist neben dem für die Vorwärtszählung eingerichteten Eingang Veinen weiteren Eingang R für die Rückwärtszählung auf. V und R sind mit den entsprechenden Eingängen V und R' eines weiteren Vor-Rückwärts-Zählers 6 verbunden, dessen Ausgänge 6a mit einem Digital-Analog-Wandler 7 beschaltet sind. Dieser gibt eine Spannung U_r ab, die dann dem Frequenzsteuereingang la des Oszillators 1 zugeführt wird.

Die Eingangspaare V, V'und R, R'der Zähler 4 und 6 sind jeweils über NAND-Gatter 8, 9 zugänglich, die in geöffnetem Zustand die Einzahlung einer Hilfsfrequenz fh ermöglichen. Die Steuerung der NAND-Gatter 8 und 9 erfolgt dabei durch drei Kriterien: Erstens üDer einen Negator 10 in Abhängigkeit von dem Taktsignal 7Ό, zweitens durch die Komparatorsignale K\ und K.2, von denen Am erscheint, sofern die an f'en Klemmen 4a anliegende, z. B. BCD-codierte Zahl, kleiner ist als die an den Klemmen 5a anliegende ebenfalls BCD-codierte Zahl während K₂ die umgekehrte Größenrelation zwischen diesen Signalen kennzeichnet, und drittens durch ein Steuersignal 5» das die N AN D-Gatter 8 und 9 in der Zeit zwischen dem Rücksetzen des Zählers 4 und der positiven Flanke Psperrt

Die Arbeitsweise der beschriebenen Schaltung ist folgende: Beim Anlegen des Torimpulses P von T₀ wird die Frequenz f, der Oszillatorschwingungen in 4 gezählt. Dabei ist die vorgegebene Zählzeit durch die Länge des Torimpulses P gegeben. Das digitale Signals Si bis 5s definiert andererseits einen Schwingungszahl-Sollwert, der dieser Zählzeit bei richtiger Abstimmung des Oszillators 1 zuzuordnen ist. Das in 4 erhaltene Zählergebnis, das den Istwert darstellt, wird im digitalen Komparator 5 mit dem Schwingungszahl-Sollwert verglichen. Je nach der Größenrelation zwischen !stund Sollwert gibt der Komparator wie bereits erwähnt das Signal K, oder K₄. ab. K\ öffnet bei einer negativen Abweichung des Zählrreebnisses vom Sollwert das nach dem Ablauf der Zählzeit über 10 und S₀ vorbereitete NAND-Gatter 8. so daß die Hilfsfreauenz fh in Vorwärtsrichtung in die Zähler 4 und 6 eingezählt werden kann. Dabei wird das den Istwert darstellende Zählergebnis in 4 schrittweise dem in 5 eingespeicherten Sollwert angenähert Erreicht es diesen, so verschwindet das Komparatorsignal K\, worauf der Einzählvorgang unterbrochen wird. Damit wird jedoch auch gleichzeitig der parallele Einzählvorgang von fh in den Vor-Rückwärts-Zähler 6 abgeschlossen, so daß in diesen ein Betrag eingezählt wird, der ein digitales Maß für die

ι ο Abweichung des Istwertes vom Sollwert darstellt

Analog hierzu wird die Hilfsfrequenz //, beim Auftreten des Signals Kz über 9 in die Zähler 4 und 6 solange in Rückwärtsrichtung eingezählt bis der Istwert mit dem Sollwert übereinstimmt Auch hierbei entspricht der in 6 eingezählte Betrag der Ablage des Istwertes. Die Ableitung der Regelspannung £/_raus dem an 6a abgreifbaren Zählerstand erfolgt in herkömmlicher Weise durch den Digital-Analog-Wandler 7.

Betrachtet man den Regelvorgang ausgehend von einem Anfangszustand, bei dem de· Zähler 4 durch einen Rückstellimpuls RS auf Null gestellt wird und der nicht rückgestellte Zähler 6 sich selbsttätig auf einen beliebigen Wert einstellt, so zeigt sich folgendes: Der Oszillator folgt dem Zählerstand von 6 und stellt sich selbsttätig auf eine entsprechende Frequenz ein. Das in 4 anfallende Zählergebnis wird sodann in 5 mit dem digitalen Sollwert verglichen und bei fehlender Übereinstimmung durch die einsetzende Einzahlung von //, dem Sollwert angenähert. Der bis zur Übereinstimmung

jo mittels /* einzuzählende Betrag verstellt den Frequenzzähler 6 gleichzeitig so, daß sich automatisch eine Regelspannung U_r ableitet, die den Oszillator i auf die Sollfrequenz einstellt. Bei nachträglicher Änderung der Oszillatorfrequenz kann dann der Regelvorgang nach

3> vorheriger Rückstellung des Zählers 4 jederzeit und insbesondere periodisch wiederholt werden.

Der Komparator 5 hat neben der Ermittlung der Größenrelation des im Zähler 4 anfallenden Zählergebnisses zu dem durch die Signale Si bis Ss definierten Sollwert noch die Funktion, bei dem schrittweisen Annanern des Istwertes an den Sollwert die Übereinstimmung beider durch Abschaltung des Signales K\ oder Ki festzustellen. Bei hinreichend niedriger Bemessung der Hilfsfrequenz fh kann diese Feststellung

■4Ί unabhängig von der Größe der Frequenz f_x zuverlässig erfolgen, so daß die Betriebssicherheit der Frequenzregelung auch für hohe Oszillatorfrequenzen f_x gegeben ist. Dabei kann die Hilfsfrequenz /» zweckmäßigerweise durch Teilung aus f, abgeleitet werden. F i g. 2 zeigt ein

■>o anderes Ausführungsbeispiel bei dem die Oszillatorschwingungen nicht in den ersten Vor-Rückwärts-Zähler 4 eingezählt werden, sondern in einen weiteren Fr-;qu-iiizähler 11, der das während der Zählzeit P erreichte Zählergebnis über Ausgabeleitungen Ha auf

den Zähler 4 überträgt Diese Übertragung w^:rd durch einen Speicherbefehl S veranlaßt, der dem Zähler 4 nach Beendigung des Torimpulses ρ zugeführt wird. Die weitere Verarbeitung des Zählergebnisses erfolgt wie in Fig. 1, wobei lediglich die Ansteuerung der NAND-

' Gatter 8 unci 9 geringfügig abgeändert ist, Um nämlich sicherzustellen, daß die Aufsteuerung von 8 und 9 nur zu einem Zeitpunkt erfolgen kann, in dem weder der Torimpuls P anliegt noch der Speicherbefehl Sgegeben wird, ist analog zu dem Negator IO ein weiterer Negator 12 vorgesehen, denen ein NAND-Gatter 13 und ein Negator 14 nachgeschaltet sind.

Dieses Ausführungsbeispiel zeichnet sich dadurch aus. daß der in den Zähler 11 eingezählte Istwert der

Oszillatorfrequenz f,, bezogen m-f die Zählzeit P, ohne weitere Speicher angezeigt werden kann, da sich der Zählerstand von 11 während des gesamten Nachrcgclvorgangs nicht ändert. Lediglich vor Beginn eines weiteren Regelvorgangs muß dieser Zähler mittels des ■> Rückstellimpulses RS' wieder auf Null gestellt werden. Durch die Anzeige des Istwertes kann man beispielsweise leicht kontrollieren, ob der Frequenzregelkreis zufriedenstellend arbeitet. Fine ähnliche Anzeige des Istwertes der Frequenz kann in der Schaltung nach F i g. I mir unter Einsatz von Speichern erfolgen, die vor der Einzahlung der Hilfsfrequenz f/, in den Zähler 4 eine entsprechende Abspeicherung des während der Zählzeit ρ erhaltenen Zählergebnisses ermöglichen.

Anhand von Fig. 2 sei nun eine Weiterbildung des r> Erfindungsgedankens erkiärt, die auch bei dem in F i g. 2

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kann. Hierzu ist ein weiterer Digital-Analog-Wandler 15 vorgesehen, der diejenigen Größen, die die Soll-Schwingungszahl im Bereich der höherwertigen Stufen des m !Comparators 5 definieren, im dargestellten Beispiel also die digitalen Signale & und 5$, in eine Stellspannung U, umwandelt, die dann einem weiteren Frcquenzstcucreingang 16 des Oszillators 1 zuueführt wird und eine Voreinstellung desselben in die Nähe seiner Sollfrequenz bewirkt. Die Anwendung einer solchen Maßnahme hat neben einer Verkürzung der Nachr^gcizeit auch eine Reduzierung der erforderlichen Zählkapazität des Frequenzzählers 6 bzw. der Zähler 4 ;ind 6 zur Folge.

Zur Steigerung der Treffsicherheit der Nachrcgclung können der Digital-Analog-Wandler 7 und/oder der Digital-Analog-Wandler 15 entsprechend F i g. 3 ausgebildet sein. Wie hier am Beispiel des Wandlers 7 im Prinzip dargestellt ist, besteht dieser aus einer den Zählerausgängen 6a entsprechenden Anzahl von Stufen 7i bis 7s, die untereinander gleichartig aufgab;».¹' .ir.d und Jrmzufolge analoge Ausgangsspannungen gleichartiger Abstufung liefern. Diese werden sodann in nachgeschaltetcn. den Stufen 7i bis 7, individuell zugeordneten Spannungsteilern SI] bis S 7 5 entsprechend dem Stellenwert der einzelnen Zählerstufen bewertet, so daß sie nur mit dem ihrem Stellenwert entsprechenden Teil in einer Summiervorrichtung SV < • ier Regelsnanniing f/_rb7w. im l.i'.li: ιίρς Digitnl-Annlop-Wandlers 15 zu der Stellspannung i', zusammengesetzt werden.

Um w '-end des Einzählens der Hilfsfrequenz ff, die Übertragung von Zwischenwerten vom Zähler 6 zum Digital-Analog-Wandler 7 ?u verhindern, kann zwisch·· diese Schaltungsteile ein Speicher geschaltet werden, in den der Zählerstand von 6 erst nach dem Erreichen der I !brreinstimmung zwischen Ist- und 5' liiert ringespeichen wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltung zur digitalen Frequenzeinstellung eines in seiner Frequenz geregelten Oszillators, bei der ein die Oszilla'orschwingungen zählender Frequenzzähler zur Ableitung eines Istwertes dient, der in einem digitalen Komparator mit einem Sollwert verglichen wird, und bei der als Vergleichsergebnis eine der Ablage des Istwertes entsprechende Regelspannung gebildet wird, die eine Änderung der Oszillatorfrequenz bewirkt, wobei der Istwert aus dem durch Einzählen der Oszillatorschwingungen innerhalb einer vorgegebenen Zählzeit in einen ersten Vor-Rückwärts-Zähler erhaltenen Zählergebnis besteht und wobei die Regelspannung aus der erreichten Einstellung dieses Vor-Rückwärts-Zählers über einen Digital-Analog-Wandler abgeleitet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Istwert dufh die zusätzliche Einzahlung einer Hilfsfrequenzf/Ä) in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung einem der Zählzeit (P) zugeordneten, vorgegebenen Schwingungszahl-Sollwert (S\ bis Si) schrittweise angenähert wird und daß nach Erreichen des Sollwertes (Sj bis Ss) durch den an die Zählerausgänge (4a) geschalteten Komparator (5) ein parallel erfolgender Einzählvorgang der Hilfsfrequenz (ft) in einen zweiten Vor-Rückwärts-Zähler (6) beendet wird.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsfrequenz (f_h) frei wählbar und niedriger als ciie Oszillatorfrequenz (f,) ist und durch Teilung von "hr abgeleitet ist.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die für 'ie Einzahlung in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung vorgesehenen Eingänge (V, R, V, R')beider Vor-Rückwärts-Zähler (4, 6) einander parallelgeschaltet und für die Hilfsfrequenz (fh) jeweils über Gatterschaltungen (8,

9) zugänglich sind, die in Abhängigkeit von der über den Komparator (5) feststellbaren Ist-Sollwert-Relation aufsteuerbar sind.

4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillatorschwingungen (f_x) nicht direkt in den ersten Vor-Rückwärts-Zähler (4) eingezählt werden, sondern in einen weiteren Frequenzzähler (11), der das erreichte Zählergebnis über Ausgabeleitungen (HaJ auf die entsprechenden Stufen des ersten Vor-Rückwärts-Zählers (4) überträgt.

5. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß von den den Sollwert (Sj...Ss) im Bereich der höheren Stellenwerte festlegenden digitalen Signalen (Sa, Ss) unter Verwendung eines weiteren Digitai-Analogwandlers (15) eine Stellspannung (U₁) ableitbar ist, die zur Voreinstellung des Oszillators (1) dient.

6. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Digital-Analog-Wandler (7, 15) aus untereinander gleichartig aufgebauten Stufen (7,... w> 75) besteht, deren Ausgangsspannungen ihre den individuell zugeordneten Komparatorstufen oder Zählerstufen entsprechenden Wertigkeiten durch geeignet bemessene, den einzelnen Stufen nachgeschaltete Spannungsteiler (ST\... 5T₅) erhalten.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur digitalen Frequenzeinstellung eines in seiner Frequenz geregelten Oszillators, bei der ein die Oszillatorschwingungen zählender Frequenzzähler zur Ableitung eines Istwertes dient, der in einem digitalen Komparator mit einem Sollwert verglichen wird, und bei der als Vergleichsergebnis eine der Ablage des Istwertes entsprechende Regelspannung gebildet wird, Öse eine Änderung der Oszillatorfrequenz bewirkt, wobei der Istwert aus dem durch Einzählen der Oszillatorschwingungen innerhalb einer vorgegebenen Zählzeit in einen ersten Vor-Rückwärts-Zähler erhaltenen Zählergebnis besteht und wobei die Regelspannung aus der erreichten Einstellung dieses Vor-Rückwärts-Zählers über einen Digital-Analog-Wandler abgeleitet ist.

Eine Schaltung dieser Art ist aus der US-PS 31 85 938 bekannt.

Diese und ähnliche bekannte Schaltungen (Vgl. DE-PS 1159043; NTZ 1971, Heft 10, S.545-550) arbeiten nach dem Prinzip, daß die zum Einzählen einer vorgegebenen Soll-Schwingungszahl in den Frequenzzähler erforderliche Zählzeit als Istwert ermittelt und mit einem Soll-Zeitintervall (Sollwert) verglichen wird, das der Soll-Schwingungszahl bei richtiger Oszillatorabstimmung zuzuordnen ist. Hierbei tritt jedoch der Nachteil auf, daß da*. Erreichen der Soii-Schwingungszahl bei höheren Oszillatorfrequenzen unter bestimmten Umständen überhaupt nicht feststellbar ist, so daß auch kein Istwert ermittelt werden kann und die Frequenzeinstellung bzw. Nachregelung demzufolge unterbleibt Diese Umstände liegen dann vor, wenn gerade bei der Soll-Schwingungszahl ein oder mehrere Übertragungssignale zwischen den einzelnen Zählerstufen übertragen werden müssen und die hierfür benötigte Laufzeit größer ist als der zeitliche Abstand der zu zählenden Oszillatorschwingungen bzw. der aus ihnen abgeleiteten Zählimpulse.

Aus der DE-OS 20 36 368 ist es bekannt, einen Vor-Rückwärts-Zähler zu verwenden, dessen Ausgangssignal auf das Erreichen des Sollwertes hin von einem digitalen Komparator (Akkumulator) geprüft wird. Aus der erreichten Einstellung des Vor-Rückwärts-Zählers wird die Regelspannung für den Oszillator über einen Digital-Analog-Wandler abgeleitet. Dabei handelt es sich aber in erster Linie um eine Grobregelung des variablen Oszillators.

Aus der GB-PS 11 68 438 ist es bekannt, bei einer geregelten Oszillatorschaltung die Oszillatorfrequenz innerhalb einer vorgegebenen Zählzeit einer Anordnung aus zwei Zählstufen zuzuführen, die zusammen teilweise ähnlich wie ein Vor-Rückwärts-Zähler wirken. Dabei wird eine Subtraktion vom Istwert vorgenommen, was in der kurzen zur Verfügung stehenden Zeit schwierig durchzuführen ist und zu Fehlern führen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß diese auch bei hohen Oszillatorfrequenzen zuverlässig arbeitet.

Das wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Istwert durch die zusätzliche Einzahlung einer Hilfsfrequenz in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung einem der Zählzeit zugeordneten, vorgegebenen Schwingungszahl-Sollwert schrittweise angenähert wird und daß nach Erreichen des Sollwertes durch den an die Zählerausgänge geschalteten Komparator ein parallel erfolgender Einzählvorgang der Hilfsfrequenz in einen zweiten Vor-Rückwärts-Zähler beendet wird.

Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil besteht