DE2406774C3

DE2406774C3 - Elektronischer Frequenzzähler

Info

Publication number: DE2406774C3
Application number: DE2406774A
Authority: DE
Inventors: William Albert Concord Giles; Richard Eldon Moraga Voyles
Original assignee: Systron Donner Corp
Current assignee: Systron Donner Corp
Priority date: 1973-02-14
Filing date: 1974-02-13
Publication date: 1980-04-03
Also published as: DE2406774A1; FR2217855B1; JPS5025155A; US3781678A; DE2406774B2; FR2217855A1; GB1423802A; JPS5431823B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektronischen Frequenzzähler nach dem Oberbegriff des Pateiitan' Ipruchs 1.

Ein bereits bekannter Frequenzzähler dieser Gattung IGB 1 08 877) enthält Phasenkomparatoren und «inen Fhasenverriegelungsiriclikalof. Außerdem ist der OsziU lntor gegenüber dem Eingangssignal phasenverriegelt Die Toleranz gegenüber Frequenzmodulation ist bei •inem solchen Frequenzzähler verhältnismäßig eng begrenzt

Elektronische Frequenzzähler mit Frequenzumsetzern sind zweckmäßig für die Prüfung im Fertigungsablauf, für verschiedene Anforderungen, bei denen Frequenzmessungen in einem breiten Frequenzband benötigt werden. Da eine solche Vorrichtung automatisch die Ordnungszahl der für die Frequenzumsetzung verwendeten Oszillatorharmonischen bei der zu messenden Frequenz feststellt, werden außer der Ablesung des Meßwertes praktisch keine weiteren Aufgaben an ίο die Bedienungsperson gestellt Jedoch akzeptieren derartige Geräte keine mit zu starker Frequenzmodulation behafteten Signale. Ein Grund für diese Eigenschaft liegt in der phasenstarren Synchronisation des verstimmbaren Umsetzeroszillators auf die Eingangsfrei) quenz.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektronischen Frequenzzähler der eingangs genannten Gattung mit gegenüber Frequenzmodulation verbesserter Toleranz zu schaffen.

>o Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in dem Patentanspruch 1 gekennzeichnete Ausbildung gelöst

Eine Möglichkeit zur vorteilhaften weiteren Ausgestaltung eines solchen Frequenzzählers ist in dem 'i Anspruch 2 angegeben.

Dadurch, daß bei einem Frequenzzahler nach der Erfindung das Überlagerungs- und das Zwischenfrequenzsignal während eines gemeinsamen Zeitintervalls gezählt werden, das durch die Zählzeitbasis und eine jo vorgewählte Frequenz bestimmt ist, wird erreicht, daß Schwankungen des Zwischenfrequenzsignals kompensiert werden. Hierzu ist eine besondere Zählschaltung zur gleichzeitigen Zählung der Frequenz des Überlagerungs- und des Zwischenfrequenzsignals während einer υ bestimmten Zeitspanne vorgesehen.

Die Anwendung eines Frequenzdiskriminators in Regelschleifen ist an sich bekannt (US-PS 32 8b 191). Dabei dient aber der Frequenzdiskriminator lediglich dazu, das Fehlersignal in den fangbereich des Phasendetektors zu bringen, wie es bei digitalen Synthesesystemen üblicher Art oft geschieht, d. h. der Zustand der Frequenzverriegelung ist nur ein vorübergehender, was — im Gegensatz zur Lehre der vorliegenden Erfindung — immer zu einer Phasenverriegeiung führt.

Im folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beispielsweise und anhand der Zeichnungen im einzelnen beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein Schaubild zum Vergleich der Kenndaten der vorliegenden Erfindung mit den Kenndaten von bekannten Vorrichtungen,

F i g. 2 ein Blockschaltbild eines Teils einer Schaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 3 ein ausführlicheres Schaltbild eines Teils der Schaltung nach F i g. 2, und

F i g. 4 ein Blockschaltbild, das F i g. 2 zu der vervollständigten erfindungsgemäßen Schaltung ergänzt.

Wie bereits im Zusammenhang mrt dem Stande der Technik erläutert wurde, hat eine bestimmte Art vorbeikannter elektronischer Frequenzzähler mit Frequenzumsetzer eine Regelschleife zur Phasensynchroni* sation (phase locked loop = PLL), Weiche bewirkt, daß der zugehörige spannungsgesteuerte Oszillator auf das Eingangssignal synchronisiert wird. Wie F i g. 1 darstellt, begrenzt die Verwendung socher Regelschleifen zur Phasensynchronisation die Toleranz der Meßgeräte gegenüber Frequenzmodulation auf dem zu messenden

Λ /» "^r *w Λ

UD / [<\

Signal. Wie durch die mit »PLL« gekennzeichnete Kurve angedeutet, bedeutet die Fläche unter dieser Kurve PLL den synchronisierten Zustand im Fangbereich und die Fläche oberhalb dieser Kurve den Zustand außerhalb des Fangbereiches der Synchronisation. =. Daher können diese Geräte bei höheren Modulationsfrequenzen f_m keinen Frequenzhub Af verarbeiten, der größer als beispielsweise zwei bis drei MHz ist Außerdem liegt bei den Modulationsfrequenzen f_m von 10 bis 100 kHz ein kritischer Punkt, an dem eine in Einsattelung der Kurve auftritt Im Gegensatz dazu ist bei der zweiten Kurve entsprechend der vorliegenden Erfindung, die in F i g. 1 oberhalb der Kurve PLL liegt der Spielraum für die Frequenzhübe zl/viel größer; er geht beispielsweise bis zum Bereich von 10 MHz. t ■

Fig.2 veranschaulicht einen Teil der erfindungsgemäßen Zählerschaltung mit automatischer Frequenzumsetzung, die eine Regelschleife 10 für die Frequenzregelung umfaßt die im wesentlichen aus einer Frequenzumsetzerschaltung im oberen Teil von F i g. 2 besteht, >< > und einer Schaltung 11 im unteren Teil von F ig 2, welche die Ordnungszahl A/der Oszillatorharmonischen für die zu messende Frequenz bestimmt Die in der Zeichnung eingetragenen Zahlenwerte sind typisch für die Wirkungsweise; sie dienen lediglich dem Zwecke der Erläuterung.

Das zu messende HF-Signal RF wird an den HF-Eingangsanschluß angelegt. Es gelangt von da aus an eine erste, zu der Regelschleife 10 für die Frequenzregelung gehörenden Oberwellenmischstufe 12, der auch ein aus einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 13 stammendes Überlagerungssignal LO zugeführt wird und die auf ihrer Ausgangsleitung 16 ein Zwischenfrequenzsignal /Fabgibt Das Zwischenfrequenzsignal ist die Differenzfrequenz zwischen den mit der Ordnungszahl N der Harmonischen vervielfachten Überlagerungssignal aus dem VCO 13 und dem HF-Signal RF am Eingang 14, wobei im vorliegenden Beispiel Λ/= 100 ist. Einem Überlagerungssignal von beispielsweise 70 MHz würde somit ein HF-Eingangssignal RF mn einer Frequenz f = (70 χ N + IF) MHz entsprechen. Ein Zwischenfrequenzverstärker 17 dient zur Verstärkung und Schaffung einer passenden Bandbreite für den Zwischenfrequenzkanal, der im vorliegenden Fall eine Mittenfreqvenz von 10 MHz aufweist. Ein Diskriminator 18 ist an den Ausgang des Zwischenfrequenzverstärker 17 angeschlossen; er spricht auf das Signal an diesem Ausgang in der Weise an, daß er eine Gleich?Dannung auf der Leitung 19 erzeugt, die eine Höhe und Polarität aufweist, die durch Frequenzänderungen im Zwischenfrequenzsignal bestimmt wird. Diese Gleichspannung auf der Leitung 19 steuert den spannungsgesteuerten Oszillator 13 an, über einen Suchoszillatcr mit Filter 21. Bekanntlich wird ein solcher Suchoszillator zunächst dazu benutzt, den spannungsgesteuerten Oszillator 13 solange nach der einen und der anderen Richtung zu verstimmen, bis das gewünschte Zwischenfrequenzsignal erreicht wird; darauf wird der Suchoszillator in seiner Steuerwirkung abgeschaltet. Der spannungsgesteuerte Oszillator 13 ist nun genau auf eine Subhärmonische der um die Zwischenfrequenz versetzten Frequenz des Hochfrequenzsignals am Eingang abgestimmt.

Fig.3 zeigt, enthält der Diskriminator 18 einen ffionostabilen Multivibrator 18a zur Erzeugung einer Impulsfolge, die der Zwischenfrequenz mit ihren Änderungen entspricht. Das Ausgiingssignal des monostabilen Multivibrators 18a wird einem Integrator 186 zugeführt, der, wie üblich, ein R-C- Netzwerk ist, das die Impulsfoigs integriert, so daß daraus eine langsam in Abhängigkeit von den Änderungen der Zwischenfrequenz veränderliche Gleichspannung erzeugt wird. Diese langsam veränderliche Gleichspannung wird zu einem Spannungsteiler 18cgeleitet,derso eingestellt ist, daß bei der Ausgangsspannung null an diesem Spannungsteiler beispielweise eine Zwischenfrequenz von 10 MHz durch die Einwirkung des spannungsgesteuerten Oszillators 13 erzeugt wird. Eine Polarhätsbewertung ist möglich, wenn die »Masse«-Klemmen ein negatives Potential erhalten, so daß sich das Potential des Spannungsteilerabgriffs von null aus nach beiden Seiten ändern kann. Die Ausgangsspannung des Spannungsteilers 18c wird dem Filter 21 a zugeführt das Bestandteil des Suchoszillators und Filters 21 nach Fi g. 2 ist Der Zweck des Filters 21a, ein aktiver Filter üblicher Art das einen Operationsverstärker 22 und ein RC- Rückkopplungsnetzwerk 23 umfaßt ist die Verringerung der Schleifenverstärkung in £>..- Regelschleife 10 bei höheren Frequenzen, um einen insta; ilen Betriebszustand zu verhindern Das Ausgangssignal des Filters 21a wird anschließend zum Suchoszillator während des Suchbetriebs, oder direkt zum spannungsgesteuerten Oszillat rl3geleitet

Wie F i g. 2 weiter zeigt ist ein Austastdetektor 24 an den Zwischenfrequenzausgang angeschlossen, um die Erzeugung sowohl höher liegender als auch tiefer liegender Mischprodukte der vervielfachten Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 13 und des Hochfrequenzsignals am Eingang 14 zu unterbinden.

Die Regelschleife 10 stellt aKo eine Art von Regelschaltung zur Frequenzsynchronisation dar. Das Überlagerungssignal vom spannungsgesteuerten Oszillator 13, mit der Ordnungszahl N seiner Harmonischen multipliziert und zur Frequenz am Zwischenfrequenz-Ausgang addiert, ergibt die Frequenz des Hochfrequenzsignals am Eingang. Die Ordnungszahl // muß jedoch zunächst bestimmt werden.

In dem Teil 11 der erfindungsgernäßen Schaltung wird die Ordnungszahl N durch Ansteuerung eines Einseitenbandmischers 26 mit dem Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators 13 ermittelt Dieser Einseitenbandmischer 26 wird mit einer Frequenz von 1 kHZ moduliert; das resultierende Signal am Ausgang, auf der Leitung 27, ist frequenzgleich mit dem Signal des spannungsgesteuerten Oszillators 13, wie zahlenwertmäßig angegeben, um 1 kHz frequenzversetzt. Das bedeutet, daß bei dem gewählten Beispiel die Frequenz 70,001 MHz betrap.en würde. Die derart versetzte Oszillatorfrequenz wird sodann einer zweiten Oberwellenmischstufe 28 zuge^führt, die ebenfalls mit dem Hochfrequenz-Eingang 14 verbunden ist Das Ausgangssignal der zweiten Oberwellenmischstufe 28 auf der Leitung 29 ist gsgenüber dem 10 MHz-Zwischenfrequenzsignal zur Synchronisation der Regelschleife IC des genannten Steuersignals um I kHz von der Ausgangsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 13 versetzt. Somit ist die tatsäcnliche Ausgangsfrequenz der zweiten Oberwellenmischstufe 28 gleich der Summe aus der Zwischenfrequenz von 10 MHz and der mit der Ordnungszahl N der Oszillatorimrmonischen vervielfachten Frequenz von 1 kHz, Die Zwischenfrequenz dieses Kanals wird von dem Verstärker 31 verarbeitet und einer dritten Mischstufe 32 zugeführt An dieser Mischstufe 32 liegt auch das Zwischenfrequenzsignal aus der Regelschleife 10, wodurch sich als Differenzfrequenz 1 kHz, multipliziert mit der Ord-

nungszahl N der Harmonischen, ergibt. Dieses Signal wird durch ein Tiefpaßfilter 33 gefiltert. Da die ursprüngliche Modulationsfrequenz von 1 kHz für den Einseitcnbandmischer 26 vorliegt, kann durch digitalen Vergleich dieser beiden Frequenzen die Ordnungszahl 5 der Harmonischen /Vgewonnen werden.

Dieses Verfahren zur Ableitung eines Signals, das die Ordnungszahl N der Harmonischen darstellt, ist allgemein bekannt. Der dritte Mischer wird üblicherweise meist mit einem Zwischenfrequenzsignal beaufschlagt, das extern statt in der Regelschleife 10 erzeugt wird. Bei der erwähnten speziellen Zwischenfrequenzeinspeisung in die dritte Mischstufe 32 können Schwankungen der Zwischenfrequenz die Genauigkeit des die Ordnungszahl N enthaltenden Signals nicht beeinträchtigen. In vorbekannten Umsetzerschaltungen mit einer frequenzstabilen externen Signalquelle können .Schwankungen oder litter auftreten, wenn sich die Zwischenfrequenz ändert. Bei bekannten Frequenzumsetzerschaltungen wurde versucht, derartige Schwankungen durch die Verwendung einer Regelschleife zur Phasensynchronisation statt einer Regelschleife 10, wie sie in der vorliegenden Erfindung dargestellt ist, gering zu halten. Jedoch hat eine Regelschleife zur Phasensynchronisation den in F i g. 1 veranschaulichten Nach- 2"> teil, daß sie gegenüber Frequenzmodulation auf dem am Eingang anliegenden HF-Signal relativ empfindlich ist Durch die Erfindung wird mittels der Regelschleife 10 erreicht daß die mit einer Frequenzmodulation auf dem HF-Signal verbundenen raschen Schwankungen durch Jo Mittelwertbildung unschädlich gemacht werden, oder anders ausgedrückt, bewirkt die erfindungsgemäße Regeischleife 10 eine gewissermaßen elastische Frequenzsynchronisation statt einer absoluten Phasensynchronisation. Somit braucht die Regelschleife 10 schnellen Frequenzänderungen nicht exakt nachzufolgen.

Da das Zwischenfrequenzsignal innerhalb der Regelschleife 10 gemäß dem Anteil an Frequenzmodulation schwankt, der auf dem Hochfrequenzsignal am Eingang vorhanden ist, muß der Mittelwert dieser Zwischenfrequenz über einen Zeitraum gebildet werden. Noch wichtiger jedoch ist es, das Überlagerungssignal LO vom spannungsgesteuerten Oszillator 13 über demjenigen Zeitraum auszuzählen, der jeweils gleich dem Zeitraum ist. in welchem der Mittelwert des Zwischenfrequenzsignales gebildet wird, weil dieses Überlagerungssignal LO zur Berechnung der Frequenz des Hochfrequenzsignals am Eingang herangezogen wird. Dies geschieht in der Zählschaltung nach F i g. 4, die die verschiedenen Ausgangssignale der Schaltung nach Fig.2 aufnimmt Zu diesen Signalen gehört, wie angegeben, das Zwischenfrequenz-Ausgangssignal IF, das Überlagerungssignal LO vom spannungsgesteuerten Oszillator 13 und das Signal, das die Frequenz von 1 kHz, multipliziert mit der Ordnungszahl N der Harmonischen, enthält

Gemäß Fig.4 wird das Zwischenfrequenzsignal IF durch einen Vor-ZRückwärtszähler 36 gezählt, der über ein Zeitintervall zählt das durch eine vorbestimmte Zeitbasis bestimmt wird, multipliziert mit der Harmonischen, Ordnungszahl N, oder kurz TB χ Ν. Dies geschieht durch ein »UND«-Gatter 37, das als erstes Eingangssignal das Zwischenfrequenzsignal /Fund als zweites Eingangssignal ein Rechtecksignai erhält das t>5 als TB χ N bezeichnet wird. Da dieses Gatter 37 die Multiplikation des Zwischenfrequenzsignals IF mit der Ordnungszahl N der Harmonischen bewirkt, teilt eine Teilerschaltung 38 das Ausgangssignal des »UND«* Gatters 37 durch N, so daß das richtige Zwischenfrequenzsignal (IF χ N)I A/erhalten wird.

Zu derselben Zeit, in der der Vor-/Rückwärtszähler 36 über das Zeitintervall TB χ Nm Abhängigkeit vom Zwischenfrequenzsignal IF an seinem Eingang vorwärtszählt, zählt ein erster Zwischenspeicher 39 das Überlagerüngssignal vom spannungsgesteuerten Oszillator 13 über denselben Zeitraum aus, mittels eines »UND«-Gatters 41, dessen Ausgangssignal dem ersten Zwischenspeicher 39 zugeführt wird, und das ein zweites Eingangssignal fur das Zeitintervall TB χ Ν aufweist.

Das gemeinsame Zeitintervall wird in der folgenden Weise erzeugt: Zuerst wird die Ordnungszahl N der Harmonischen abgeleitet und in einem zweiten Zwischenspeicher 42 für die Ordnungszahl N gespeichert. Her einem »UND«-Clatter 43 nachgeschattet ist. das von dem die Ordnungszahl in Form der Frequenz 1 kHz χ Ν enthaltenden Ausgangssignal angesteuert wird, sowie durch ein Auftastsignal mit einer Periodendauer entsprechend dem Kehrwert von 1 kHz. Das Ausgangssignal des zweiten Zwischenspeichers 42 für die Ordnungszahl N wird der Teilerschaltung 38 zugeführt, die das multiplizierte Zwischenfrequenzsignal IF χ Nm der Frequenz teilt und einer weiteren Teile^r'chaltung 44, die eine ausgewählte Grundtaktfre quenz /Vb teiit, wodurch eine Impulsfolge 46, wie angedeutet, erzeugt wird, wobei ein Zeitraum von TBxN zwischen den Impulsen liegt. Eine bistabile Multivibratorschaltung 47 erzpugt sodann den Impuls

48. der das gemeinsame Zeitintervall oder TB χ Ν darstellt, und der, wie oben erläutert, den Eingängen der »UND«-Gatter 41 und 37 zugeführt wird. Die ausgewählte Grundtaktfrequenz /Vb hängt von der für die Frequenzmessung gewünschten Auflösung ab.

Der Inhalt des Vor-/Rückwärtszählers 36 wird in den ersten Zwischenspeicher 39 übertragen, wo sich das endgültige Zählergebnis für das Hochfrequenzsignal am Eingang 14 in der folgenden Weise ergibt: Ein bistabiler Multivibrator 49 spricht auf die Rückflanke des Zeitmtervallimpulses 48 an, die durch den Buchstaben A .gekennzeichnet ist, so daß ein Ausgangssignal auf der Leitung 51 des »UND«-Gatters 52 erzeugt wird, welches bewirkt, daß der Vor-/Rückwärtszähler 36 beginnt, rückwärts zu zählen. Das »UND«-Gatter ist außerdem mit einer Quelle eines Signals fn konstanter Frequenz, beispielsweise 10 MHz, verbunden. Der Ausgang 51 des »UND«-Gatters 52 ist außerdem mit einem weiteren »UND«-Gatter 53 verbunden dessen Ausgang an den ersten Zwischenspeicher 39 angeschlossen ist Somit wird, wenn der Zähler 36 rückwärts zählt, der Inhalt dieses Zählers in der Tat zum Inhalt des ersten Zwischenspeichers 39 hinzugezählt Sobald der Vor-ZRückwärtszähler 36 null erreicht betätigt ein Nullsignal, das über einen Inverter 34 zum »UND«-Gatter 53 gelangt gleichzeitig den bistabilen Multivibrator

49, stellt diesen zurück und hält die Rückwärtszählung an, wie durch den Buchstaben B am Ausgangsimpuls 50 des bistabilen Multivibrators 49 angedeutet ist Gleichzeitig ergibt das Nullsignal ein Auslesesignal, das anzeigt daß der Zwischenspeicher 39 nunmehr die Summe enthält, die gebildet ist aus der Zwischenfrequenz /Fund der mit der Ordnungszahl Nmultiplizierten Überiagerungsfrequenz LO χ Ν, welche der gesuchten Frequenz des Hochfrequenzsignals am Eingang entspricht

Somit schafft die in den Fig.2 und 4 dargestellte

erfindungsgemäDe Schaltung einen Frequenzzähler mit verbesserter, automatischer Frequenzumsetzerschaltung, die gegenüber Frequenzmodulation auf dem zu messenden Höchfreqüerizsighal eine verbesserte Toleranz aufweist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektronischer Frequenzzähler zur Messung der Frequenz eines Hochfrequenzsignals mit vorgeschaltetem Frequenzumsetzer, der eine Oberwellenmischstufe und einen spannungsgesteuerten Oszillator aufweist, die ein Zwiscbenfrequenzsignal erzeugen, bei dem die Oberwellenmischstufe, der spannungsgesteuerte Oszillator, ein Verstärker und ein Diskriminator eine Regelschleife bilden und der Diskriminator ein _GIeichspannungssignal liefert, dessen Größe von Änderungen einer Winkelgröße des Zwischenfrequenzsignals abhängt und das den spannungsgesteuerten Oszillator ansteuert, und bei dem ferner eine die Ordnungszahl der jeweils in der Oberwellenmischstufe verwerteten Harmonischen des vom spannungsgesteuerten Oszillator gelieferten Überbjerungssignals ermittelnde und das Ergebnis in einem Ausgangssignal abbildende Schaltung, sowie Zählung der Frequenz des Oberlagerungssignals vorgesehen sind und das genannte Ausgangssignal zur Bildung der Zählzeitbasis dient, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschleife als frequenzverriegelte, aber nicht phasenverriegelte Rückkopplungsscineife (10) ausgebildet ist, und daß eine Zählschaltung (38,42,44,36,39) zur gleichzeitigen Zählung der Frequenz des Oberlagerungssignals (LO) und des Zwischenfrequenzsignals (IF) während eines gemeinsamen, durch die Zeitbasis und eine vorgewählte Frequenz (fre) bestimmten Zeitintervalls vorgesehen ist, s-y daß die Summe aus beiden Zählergebnissen Jie gesuchte Frequenz des Hochfrequenzsignals am Eingan^ {14) darstellt.

2. Elektronischer Frequenzzähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zählschaltung eine Vorrichtung (38) zur Division des Zählergebnisses der Zwischenfrequenz (IF) durch die Ordnungszahl (N) der Harmonischen, mit welcher die Oberwellenmischstufe (12) arbeitet, einen Vor/ Rückwärtszähler (36), der das dividierte Zählergebnis der Zwischenfrequenz (IF) aufnimmt, und einen Zwischenspeicher (39) zur Speicherung des Zähler· gebnis&es des Überlagerungssignals (LO) und eine Vorrichtung umfaßt, die zur Durchführung der Rückwärtszählung des Vor-/Rückwärtszählers (36) auf das Ende des gemeinsamen Zeitintervalle» (TB χ N) anspricht, so daß das Zählergebnis der Zwischenfrequenz zu dem im Zwischenspeicher (39) befindliche Wert addiert wird und der Zwischenspeicher (39) die Summe der Zählergebnisse der Zählung des Überlagerungs· und des Zwischenfrequenzsignales (IF bzw. LO χ N) bildet.