DE2741351C2

DE2741351C2 - Digital einstellbarer Frequenzerzeuger mit mehreren Oszillatoren

Info

Publication number: DE2741351C2
Application number: DE2741351A
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Ing. 7412 Eningen Harzer
Original assignee: Wandel & Goltermann & Co 7412 Eningen De GmbH
Current assignee: Wandel & Goltermann & Co 7412 Eningen De GmbH
Priority date: 1977-09-14
Filing date: 1977-09-14
Publication date: 1983-12-08
Also published as: FR2403682B1; DE2741351A1; GB2008346A; FR2403682A1; US4191930A; GB2008346B

Description

Die Erfindung betrifft einen digital einstellbaren Frequenzerzeuger mit mehreren Oszillatoren, der insbesondere quasikontinuierlich von Hand einstellbar (= durchstimmbar) und/oder quasikontinuierlich wobbelbar ist und der drei jeweils von einem Phasendiskriminator gesteuerte Oszillatoren enthält, von denen" der letzte (dritte) Oszillator die Ausgangsfrequenz f, des Frequenzerzeugers bildet und von denen die übrigen Oszillatoren in Phasenregelschleifen liegen und eine Rastfrequenz bzw. eine Interpolationsfrequenz bestimmen, wobei den Phasendiskriminatoren der übrigen Oszillatoren einerseits jeweils eine Bezugsfrequenz, die phasenstarr mit der anderen Bezugsfrequenz zusammenhängt, und andererseits über jeweils einen einstellbaren Frequenzteiler die Frequenz des betreffenden übrigen Oszillators zugeleitet ist und wobei dem Phasendiskriminator des letzten (dritten) Oszillators einerseits die durch Mischen der Ausgangsfrquenz mit der Frequenz des zweiten, in einem Seitenzweig liegenden Oszillators gebildete, in Grobstufen einstellbare Rastfrequenz und andererseits die aus der Frequenz des ersten Oszillators durch feste Frequenzteilung gebildete, in Feinstufen einstellbare Interpolationsfrequenz zugeführt ist

Dekadisch einstellbare Frequenzerreger sind immer dann, wenn rasches Einschwingen und günstige spektrale Eigenschaften gewünscht sind, mit Phasendiskriminatoren bzw. mit kombinierten Phasen- und Frequenzdiskriminatoren ausgerüstet, die bei relativ hohen Frequenzen arbeiten. Die Folge ist, daß für feinstufig einstellbare Ausgangsfrequenz mehr als ein Oszillator und Phasenregelkreis benötigt werden, wobei die einzelnen Oszillatorfrequenzen über Teiler und

Mischer in interpolierendem Sinne zu einer Ausgangsfrequenz addiert werden.

Aus der DE-AS 17 66 866 ist ein Frequenzsynthetisator mit mehreren steuerbaren, in KetUratruktur angeordneten Oszillatoren bekannt, die alle in Frequenzregelschleifen liegen, deren Phasendiskriminatoren einerseits ein einstellbarer Bruchteil der Frequenz ihres Oszillators und andererseits ein fester Bruchteil der Differenzfrequenz zwischen einer Bezugsfrequenz und einem festen Bruchteil der Frequenz des in der Kette davorliegenden Oszillators zugeführt ist. Bei dieser bekannten Anordnung hätte ein gleichzeitiges Umstellen der Teilungsverhältnisse der verschiedenen Frequenzteiler mit Hilfe eines gemeinsamen Speicherübernahmesignals aber zur Folge, daß die Phasenlage is der in jeder Frequenzregelschleife erzeugten und zum Phasendiskriminator der folgenden Frequenzregelschleife weitergegebenen Frequenz sich relativ zur Bezugsfrequenz bei jeder Umstellung des Fre quenzteilungsfaktors jedes Frequenzteilers ändern würde.

Aus der AT-PS 2 81 115 ist eine Schaltungsanordnung zur Frequenzstabilisierung eines Oszillators bekannt, bei der das Ausgangssignal eines periodisch während ' Zählzeitintervallen betriebenen Zählers, das bei den Zählerendstellungen 1 bis 5 einen negativen Wert und bei den Zählerendstellungen 6 bis 0 einen positiven Wert aufweist, einem Integrierkreis zugeführt ist, der ausgangsseitig ein Frequenzregelsignal liefert.

Aus der DE-OS 15 91 722 und aus der DE-OS 25 15 969 ist jeweils eine Frequenzaufbereitung bekannt, bei der in jeder Aufbereitungsstufe eine in einem Oszillator erzeugte elektronisch variable Frequenz in einem Mischer mit der Ausgangsfrequenz der in der Kette davorliegende Aufbereitungsstufe umgesetzt, in einem Teiler mit veränderbarem Teilungsverhältnis geteilt und die geteilte Frequenz zur Erzeugung einer Abstimmspannung für den Generator einem Phasendiskriminator zugeführt wird, dem andererseits eine phasenstarr mit einer gemeinsamen Quarzfrequenz zusammenhängende Bezugsfrequenz zugeführt ist. Darüber hinaus ist es aus der zuletztgenannten Druckschrift bekannt, zwischen den Ausgang des letzten Oszillators und den Eingang des Mischers einen festen Teiler anzuordnen.

Solange nur eine der Oszillatorfrequenzen zur Änderung der Ausgangsfrequenz verändert werden muß, ist das Einschwingverhalten und der phasenmäßige Übergang zur neuen Frequenz durch das Verhalten jeweils nur eines Phasenregelkreises gegeben, was in der Regel keine Nachteile hat.

An bestimmten Stellen der Frequenzeinstellung — z. B. beim Übergang von 9 einer Dekade zur O der nächsten — ist es aber unvermeidlich, daß gleichzeitig zwei oder mehrere Oszillatorfrequenzen verändert werden. Dies kann zur Folge haben, daß für eine relativ geringe Frequenzänderung — z. B. von 999 auf 1000 Hz — vorübergehend extreme Frequenzfehler auftreten und bleibende Phasenfehler entstehen, die in keinem tragbaren Verhältnis zum ausgeführten Frequenzschritt stehen.

Diese Eingenschaft stört immer dann besonders, wenn zum Zwecke der quasikontinuierlichen Handeinstellung oder Wobbelung der Frequenz die dekadische Einstellung digital in rascher Folge verändert wird. Anzeigestörungen oder Störausschläge auf dem Instrument bzw. Bildschirm eines mit dem Frequenzerzeuger gesteuerten Meßgerätes sind die Folge.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Frequenzerzeuger anzugeben, der diese» Nachteil vermeidet und der insbesondere für beliebige Frequenzänderungen, auch für solche, bei denen volle Interpolationsumfänge eines Oszillatorregelkreises mit kleinerer Frequenzschrittweite durch Frequenzschritte eines Oszillatorregelkreises mit größerer Frequenzschrittweite ersetzt werden, keine bleibenden Phasenfehler ergibt.

Ausgehend von dem eingangs beschriebenen Frequenzerzeuger löst die Erfindung diese Aufgabe durch Anwendung der im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Mittel.

Auf diese Weise ist sichergestellt, daß bei einer Änderung der Ausgangsfrequenz kein bleibender Phasenfehler entsteht

Es können aber während der Einschwingzeit vorübergehende Phasen- und Frequenzfehler auftreten. Eine Ausgestaltung der Erfindung, bei der der Übergang zu jedem neuen Frequenzwert ohne Frequenz- und bleibenden Phasenfehler erfolgt, ergibt sich durch Anwendung der im Anspruch 2 angegebenen Maßnahmen. Eine andere Ausgestaltung der Erfindung, die dieses ebenfalls bewirkt, ergibt sich durch Anwendung der im Anspruch 3 angegebenen Maßnahmen.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen'ergeben sich durch Anwendung der in den restlichen Unteransprüchen angegebenen Mittel.

Die Erfindung ist in der Zeichnung anhand dreier Ausführungsbeispiele schematisch dargestellt. Hierbei zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels mit drei phasengeregelten Oszillatoren und einem auf zwei Betriebsarten mit unterschiedlichem Regelumfang umschaltbaren Phasendiskriminator in der Regelschleife des die Ausgangsfrequenz erzeugenden Oszillators,

F i g. 2 einen Ausschnitt aus einem teilweise als Schaltbild und teilweise als Blockschaltbild dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel mit einem sperrbaren Phasendiskriminator, der beim gleichzeitigen Ändern der Teilungsverhältnisse zweier Frequenzteiler gesperrt wird, und

Fig.3 einen Ausschnitt aus einem teilweise als Schaltbild und teilweise als Blockschaltbild dargestellten dritten Ausführungsbeispiels mit einem sperrbaren Phasendiskriminator, der beim bevorstehenden Auftreten eines 0-» 9-Übertragsimpulses im Stellglied für das Teilungsverhältnis eines Frequenzteilers gesperrt wird.

Ein letzter (dritter) spannungssteuerbarer Oszillator 1 erzeugt die Ausgangsspannung des Frequenzerzeugers mit der Ausgangsfrequenz f_a und liefert sie an eine Ausgangsklemme 2 und an einen Mischer 3, dessen zweiter Eingang mit dem Ausgang eines zweiten spannungssteuerbaren Oszillators 4 mit der Frequenz /2 verbunden ist. Der Ausgang des Mischers 3 speist über einen Tiefpaß 5 einen Phasendiskriminator 6, dessen Ausgangsspannung am Steuereingang des letzten Oszillators 1 und dessen zweiter Eingang am Ausgang eines Frequenzteilers 7 mit dem feiten Teilungsfaktor t liegt. Dem Eingang des Frequenzteilers 7 wird die Ausgangsspannung eines ersten spannungssteuerbaren Oszillators 8 mit der Frequenz f\ zugeführt.

Mit den Steuereingängen der Oszillatoren 8 bzw. 4 ist jeweils der Ausgang eines der Phasendiskriminatoren 9 bzw. 10 verbunden, deren erste Eingänge jeweils am Ausgang eines Frequenzteilers 11 mit dem digital einstellbaren Teilungsverhältriis m bzw. eines Frequenzteilers 12 mit dem digital einstellbaren Teilungsverhält-

nis π liegen und deren zweite Eingänge jeweils mit dem Ausgang eines Frequenzteilers 13 mit dem festen Teilungsverhältnis a, der eine Referenzfrequenz fr/a liefert bzw. eines Frequenzteilers 14 mit dem festen Teilungsverhältnis b verbunden sind, der die tiefste Referenzfrequenz f/(a ■ b) liefert. Die beiden Frequenzteiler 13 und 14 bilden zusammen mit einem weiteren Frequenzteiler 15 eine von einer Referenzfrequenzquelle 16 mit der Frequenz /_r festgeschaltete Teilerkette 13, 14, 15, an deren Ausgang ein Vielfaches c der Periode a ■ b:f_r der tiefsten Bezugsfrequenz erscheint

Zum digitalen Einstellen eines gewünschten Frequenzteilungsverhältnisses /η bzw. η weisen die Frequenzteiler 11 und 12 Paralleleingänge auf, die jeweils mit Parallelausgängen eines als Stellglied dienenden Speichers 17 bzw. 18 verbunden sind. Eine an die Paralleleingänge der Speicher 17 und 18 angelegte, durch je einen Pfeil 19 bzw. 20 symbolisierte Frequenzeinstellinformation wird in nicht näher dargestellter Weise entweder von einer Handeinstellvorrichtung oder von den Parallelausgängen eines zwecks quasikontinuierlicher Handeinstellung bzw. quasikontinuierlicher Wobbelung mittels Fortschaiiimpulsen weiterschaltbaren Zählers oder von einem Rechner geliefert und in die Speicher 17 und 18 im Takt eines vom letzten Frequenzteiler 15 der Teilerkette 13,14,15 von einer Koinzidenzschaltung 21 erzeugten Speicherübernahmesignals übernommen. Ein ebenfalls vom Speicherübernahmesignal gesteuertes Monoflop 22 gibt an den Phasendiskriminator 6, der den ersten Oszillator 1 steuert, während seiner Standzeit ein Steuersignal ab, das den Phasendiskriminator 6 jeweils kurzzeitig in eine erste Betriebsart bringt, in der sein Regelumfang stark vermindert ist. Das Steuersignal beginnt mit dem Speicherübernahmesignal, und es dauert während der gegebenenfalls auftretenden Einschwingvorgänge der Oszillatoren 4 und 8 an. Der Regelumfang beträgt dabei nur einige Hz, bezogen auf die Ausgangsfrequenz, ist aber noch so groß, daß Rauschen und Drift des Oszillators ausgeregelt werden. Nach dem Zurückkippen des Monoflops 22 kehrt der Phasendiskriminator 6 in seine zweite normale Betriebsart zurück, in der sein Regelumfang in bekannter Weise dem zu interpolierenden Frequenzumfang entspricht Frequenzänderungsbefehle treten zufolge des Speicherübernahmesignals nur synchron mit der (den) Bezugsfrequenz(en) in einem Rhythmus auf, der ein ganzzahliger Teil der (tiefsten verwendeten) Bezugsfrequenz ist (f_r ·. abc).

War der Frequenzänderungsbefehl nun so geartet daß bei einer insgesamt geringfügigen Änderung der Ausgangsfrequenz starke Änderungen der beteiligten Oszillatorfrequenzen erfolgen, so wirkt sich deren unterschiedliches Einschwingen bei der Addition zur Ausgangsfrequenz nicht aus, weil der begrenzte Regelumfang die Regelschleife des die Ausgangsfrequenz /_a liefernden Oszillators 1 nicht folgen läßt Beim Obergang zum vollen Regelumfang (zweite Betriebsart) sind diese Einschwingvorgänge aber abgeschlossen, und die einzelnen Oszillatoren weisen dann frequenz- und phasenmäßig den richtigen Zustand auf.

Bewirkt der Frequenzänderungsbefehl eine insgesamt große Änderung der Ausgangsfrequenz, so wirkt die Anordnung so, daß erst nach Ablauf des ersten Teilintervalls (erste Betriebsart) dieser Änderungsbefehl im Ausgangsregelkreis wirksam wird, was praktisch jedoch kein Nachteil ist.

Beim zweiten Ausführungsbeispiel sind Schaltungseinzelheiten, die denjenigen des ersten Ausführungsbeispiels entsprechen, mit durch einen Strich ergänzten Bezugszahlen versehen. Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom ersten im wesentlichen dadurch, daß der Phasen- und Frequenzdiskriminator

ίο 23, der den die Ausgangsfrequenz erzeugenden Oszillator Γ steuert, einen Sperreingang 24 aufweist, mit dem seine Arbeit unterbrochen werden kann, ohne daß sich an der am Steuereingang des Oszillators Γ liegenden Ausgangsspannung eines von ihm gesteuer-

! 5 ten Integrators 25 etwas ändert.

Der Phasen- und Frequenzdiskriminator 23 weist zwei Ausgänge auf, und er gibt je nach Richtung der festgestellten Phasen- oder Frequenzablage an einem dieser beiden Ausgänge Impulse ab, die jeweils einen von zwei Schaltern 26, 27 kurzzeitig betätigen. Die Schalter 26 und 27 liegen einerseits an einer positiven bzw. an einer negativen Normalspannung, und sie liegen andererseits am Eingang 28 des Integrators 25.

Das Monoflop 22' wird von einer Und-Schaltung 29 gesteuert, deren drei Eingänge an den Ausgängen zweier digitaler Vergleicher 29,30 und der Koinzidenzschaltung 21' liegen. Die ersten Eingänge der Vergleicher 30 bzw. 31 sind jeweils mit einem der Eingänge der Speicher 17' bzw. 18' und die zweiten Eingänge der Vergleicher 30 bzw. 31 sind jeweils mit einem der Ausgänge der beiden Speicher 17' bzw. 18' verbunden. Auf diese Weise gelangt an den Sperreingang 24 immer dann ein Sperrsignal, wenn durch den Speicherübernahmebefehl der Koinzidenzschaltung 21' gleichzeitig beide Frequenzteiler 11' und 12' umgestellt werden.

Beim dritten Ausführungsbeispiel sind Schaltungseinzelh' ' n, die denjenigen des ersten bzw. des zweiten Ausfünrungsbeispiels entsprechen, mit durch einen Strich bzw. durch zwei Striche ergänzten Bezugszahlen versehen. Das dritte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom zweiten im wesentlichen dadurch, daß das Monoflop 22" von einer Und-Schaltung 32 gesteuert wird, deren einer Eingang am Ausgang der Koinzidenzschaltung 21" und deren anderer Eingang am Ausgang einer Oder-Schaltung 33 liegt, deren Eingänge mit 9_* O-Übertragsimpulsen der Speicherschaltungen 17" bzw. 18" beaufschlagt werden. Auf diese Weise gelangt an den Sperreingang 24" des Phasen- und Frequenzdiskriminators 23" immer dann ein Sperrsignal, wenn durch den Speicherübernahmebefehl der Koinzidenzschaltung 21" in mindestens einem der Frequenzteiler 11" bzw. 12" ein voller Interpolationsumfang gegen einen Schritt in der nächsthöherwertigen Dekade ausgetauscht wird, d.h. in einem niedrigerwertigen

Zähler ein 9-+ 0-Übertragsimpuls auftritt

Im Rahmen der Erfindung kann an Stelle des ersten Oszillators 8 oder auch an Stelle des zweiten Oszillators 4 auch eine Anordnung mit drei Oszillatoren treten, die ihrerseits einer der drei dargestellten Anordnungen entspricht Auf diese Weise ergibt sich eine kettenförmige Kaskade mit Seitenzweigen, und die Ausgangsfrequenz kann in feinen, mittleren und groben Stufen durchgestimmt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Digital einstellbarer Frequenzerzeuger mit mehreren Oszillatoren, der insbesondere quasikontinuierlich von Hand einstellbar (= durchstimmbar) und/oder quasikontinuierlich wobbelbar ist und der drei jeweils von einem Phasendiskriminator gesteuerte Oszillatoren enthält, ι ο

von denen der letzte (dritte) Oszillator die Aiisgangsfrequenz /„ des Frequenzerzeugers erzeugt,

und von denen die übrigen Oszillatoren in Phasenregelschleifen liegen und eine Rastfrequenz bzv/. eine InterpcJations- f requenz bestimmen,

wobei den Phasendiskriminatoren der übrigen Oszillatoren

einerseits jeweils eine Bezugsfrequenz f/a bzw. f/(a · b)(a,b ganze Zahlen), die phasenstarr mit einer Referenzfrequenz f_r zusammenhängt,
und andererseits über jeweils einen einstellbaren Frequenzteiler die Frequenz des betreffenden übrigen Oszillators zugeleitet ist

und wobei dem Phasendiskriminator des letzten (dritten) Oszillators

einerseits die durch Mischen der Ausgangsfrequenz mit der Frequenz des zweiten, in einem Seitenzweig liegenden Oszillators gebildete, in Grobstufen einstellbare Rastfrequenz
und andererseits die aus der Frequenz des ersten Oszillators durch feste Frequenzteilung gebildete, in Feinstufen einstellbare Interpolationsfrequenz
zugeführt ist,

dadurch gekennzeichnet,daß
alle Phasendiskriminatoren (6, 9, 10) integrierende Phasendiskriminatoren sind und daß die Umstellung der Teilungsverhältnisse (n, m) der einstellbaren Frequenzteiler (11, 12), die jeweils für eine Neueinstellung (Änderung) der Ausgangsfrequenz f_a erforderlich ist,

gleichzeitig und innerhalb einer Teilperiode der höchsten zu teilenden Oszillatorfrequenz (f\ oder /2)
und höchstens einmal während eines Vielfachen c (c=\, 2, 3 ...;) der Periode der tiefsten Bezugsfrequenz (f/a ■ b)

erfolgt.

2. Frequenzerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasendiskriminator (6) des letzten Oszillators (1) zwischen zwei Betriebsarten mit stark unterschiedlichem Regelumfang in der Weise umgeschaltet wird, daß der kleinere Regelumfang während einer Umschaltung der Teilungsverhältnisse und der dadu.ch verursachten Einschwingvorgänge und der größere Regelumfang nach Abschluß der Einschwingvorgänge eingeschaltet ist.

3. Frequenzerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasendiskriminator (23) des letzten, die Ausgangsfrequenz erzeugenden Oszillators (V) sperrbar ist und während der Umstellung der Teilungsverhältnisse und der da- ^fe5 durch verursachten Einschwingvorgänge gesperrt gehalten ist und währenddessen die zuvor erzeugte Ausgangsspannung seines Integrators (25) beibehält.

4. Frequenzerzeuger nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung der Teilungsverhältnisse n, m periodisch mit dem Vielfachen c der Periode der tiefsten Bezugsfrequenz erfolgt (Periode a ■ b ■ c/f^.

5. Frequenzerzeuger nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasendiskriminator des letzten Oszillators nur dann auf die Betriebsart mit dem kleineren Regelumfang umgeschaltet ist bzw. gesperrt gehalten ist, wenn der Frequenzänderungsbefehl eine Umstellung der Teilungsverhältnisse von mindestens zwei Frequenzteilern (11', 12') bewirkt.

6. Frequenzerzeuger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasendiskriminator des letzten Oszillators nur dann auf die Betriebsart mit dem kleineren Regelumfang umgeschaltet ist bzw. gesperrt gehalten ist, wenn Übertragungsimpulse (9-» O-Überträge) von Einstellzählern vorliegen, deren Ausgänge mit den Eingängen von Speichern (17", 18") für die Einstellung der Teilungsverhältnisse (m, n) der Frequenzteiler (U", 12") bzw. unmittelbar mit Steuereingängen der Frequenzteiler verbunden sind (F i g. 3).

7. Frequenzerzeuger nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasendiskriminator des letzten Oszillators von einem Rechner auf die Betriebsart mit dem kleineren Regelumfang umgeschaltet ist bzw. gesperrt gehalten ist, der auch die Umstellung von Speichern für die Einstellung der Teilungsverhältnisse der Frequenzteiler bewirkt