DE4204229A1 - Phasennormal-steuergenerator - Google Patents

Description

Die phasengenaue Steuerung von Frequenzgeneratoren ist von vorrangiger Bedeutung, wenn zwei oder mehre­ re Generatoren auf gleicher Frequenz in Parallel­ schaltung betrieben werden sollen.

Im Bereich der Energieversorgung über weiträumige Dreh- und Wechselstromnetze ist die Zusammenschaltung mehrerer Generatoren bekanntlich nur realisierbar, wenn diese frequenz- und phasengleich laufen, da sonst hohe Leistungsverluste auftreten. Aus der Forderung, daß diese gegenüber den sonstigen Übertragungsverlu­ sten vernachlässigbar bleiben sollen, ergibt sich die Toleranz für die zulässige Phasenabweichung.

Auch beim Gleichwellen-Rundfunk, bei dem mehrere Rundfunksender auf gleicher Sendefrequenz arbeiten, besteht das Problem, Frequenz und Phasenlage der ein­ zelnen Sender mit hoher Genauigkeit aufeinander abzu­ stimmen, um möglichst ortsfeste Interferenzzonen in den Überlappungsgebieten zu erhalten. Nur dann sind zumindest bei festem Empfängerstandort die mit tota­ len Trägerauslöschungen verbundenen starken Empfangs­ verzerrungen weitgehend vermeidbar.

Besonders hohe Anforderungen an die Frequenz- und Phasenkohärenz von Frequenzgeneratoren bestehen bei der Anwendung sogenannter Tonfrequenz-Rundsteueran­ lagen, mit welchen die Energieversorgungsunternehmen zusätzliche Steuersignale über das Energieleitungsnetz übertragen, um beim Verbraucher z. B. installierte Mehrtarif-Stromzähler und Schaltrelais je nach den gerade gegebenen Lastverhältnissen zentral steuern zu können.

Bei den z.Zt. angewandten Verfahren dieser Art wird der Versorgungsnetzspannung ein impulsgetastetes Steuersignal im Tonfrequenzbereich ( z. B. 170 bis 500 Hz) zugesetzt. Bei einer erforderlichen Ampli­ tude des Steuersignals von etwa 5% der Netz-Nenn­ spannung ergibt sich am Einspeisepunkt eine aufzu­ bringende Impulsleistung des Tonfrequenzsignals von immerhin 0,25% der maximalen Energieversorgungslei­ stung. Um die dabei insgesamt benötigte Steuerlei­ stung klein zu halten und die mit zunehmender Entfer­ nung vom Einspeisepunkt gegebene Verringerung der verfügbaren Steuersignalamplitude auszugleichen, werden die Rundsteuersignale üblicherweise an meh­ reren voneinander entfernten Standorten gleichzeitig eingespeist.

In den Überlappungsbereichen zwischen den Einspeise­ punkten kommt es je nach Amplituden- und Phasenlage der verschiedenen Signalkomponenten zu unerwünschten Interferenzen, durch welche die beim Verbraucher ver­ fügbare Steuersignalamplitude zusätzlich vermindert wird, sowie erhebliche Leistungsverluste verursacht werden können. Diesbezüglich die günstigsten Verhält­ nisse ergeben sich, wenn die Phasenlage der zugeschal­ teten Steuersignale an den Einspeisepunkten mit hoher Genauigkeit den gleichen Wert hat.

Die Synchronisation der Steuersignalfrequenzen an den verschiedenen Einspeisepunkten wird bisher u. a. über zwischen diesen bestehende Leitungsverbindungen mit entsprechendem Laufzeitausgleich realisiert. Kurz- und Langzeitstabilität der damit erzielten Phasenko­ härenz haben sich infolge der vielfältigen äußeren Ein­ flüsse auf den langen Leitungswegen jedoch als nicht befriedigend erwiesen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine kostengünstige und besonders für diesen Anwendungsbereich geeignete tech­ nische Lösung bereitzustellen, mit der einerseits eine vielfach genauere und über einen längeren Zeitraum stabile Phasenlage bzw. Phasenkohärenz eines bzw. meh­ rerer voneinander unabhängiger Frequenzgeneratoren er­ reicht wird, als mit den bisher bekannten Maßnahmen. Darüberhinaus hat die Erfindung die Aufgabe, eine Mög­ lichkeit zu schaffen, mit welcher das Ausgangssignal eines Frequenzgenerators zu einem vorgegebenen Zeit­ punkt mit einer frei wählbaren Anfangsphasenlage und mit hoher zeitlicher Genauigkeit gestartet bzw. vor­ eingestellt werden kann.

Die zuerst angeführte Teilaufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebene techni­ sche Lehre gelöst.

Basis des Phasennormal-Steuergenerators nach der Er­ findung ist ein digitaler Signalgenerator, welcher von einem mit konstant geregelter Heizofentemperatur betriebenen, quarzkontrollierten Referenzoszillator getaktet ist. Damit wird ohne die erfindungsgemäßen Maßnahmen eine Frequenzstabilität von 5·10^-8/Monat zugrunde gelegt.

Mit der erfindungsgemäßen, weiteren und vorrangig zur Wirkung gebrachten Synchronisation des digita­ len Frequenzgenerators durch von einem Satelliten­ empfänger zugeführte Zeittaktsignale wird die Anfangs­ phasenlage der digital erzeugten Schwingung, z. B. je­ weils im Sekundentakt, auf einen festen Wert gelegt. Der weitere Schwingungsverlauf folgt dem vom Refe­ renzoszillator bestimmten Taktsignal.

In einer Prozessorschaltung wird zugleich die Frequenz des Referenzoszillators über eine vom Zeittaktsignal des Satellitenempfängers gesteuerte Torschaltung in der so definierten Torzeit gemessen und mit der Sollfre­ quenz verglichen, deren Wert in der Prozessorschaltung gespeichert ist.

Aus der Frequenzabweichung wird in einem von ihrem Anfangsbetrag abhängigen, zeitlich entsprechend ab­ gestuften Prozeß auf digitalem Wege eine Korrektur­ spannung aufgebaut, mithilfe welcher schrittweise eine Feinkorrektur der Frequenzabstimmung des Refe­ renzoszillators in Richtung auf den theoretischen Sollwert herbeigeführt wird.

Damit wird erreicht, daß der Schwingungsverlauf der Signalspannung des Referenzoszillators auch in der gesamten Zeitspanne zwischen den - z. B. im Sekunden­ takt - zur vorrangigen Synchronisation ausgewerteten Satelliten-Zeittaktsignalen mit hoher Präzision den angestrebten Verlauf beibehält. Der Wert des bei je­ dem Zeittakt durch diese Zwangssynchronisation be­ wirkten Phasensprunges der Referenzschwingung strebt mit jedem Schritt dieses automatischen Feinabstimm­ vorganges weiter gegen den Wert null.

Eine erste Erfindungsweiterbildung beinhaltet die technische Lehre gemäß dem Kennzeichen des Patent­ anspruchs 2.

Hiermit wird - nach vorausgegangener, ausreichender Einlaufzeit und weitgehender Annäherung der automa­ tischen Feinabstimmung des Referenzoszillators an die Sollfrequenz - erreicht, daß der erfindungsgemäße Steuergenerator die gewünschte Phasenlage der erzeug­ ten Schwingung auch bei Ausfall der Satelliten-Zeit­ taktsignale mit einer Toleranz aufrechterhält, die bis zu einer Größenordnung besser ist, als bei bis­ her bekannten Anordnungen.

Der zweite Teil der zuvor genannten Erfindungsaufgabe wird durch die Erfindungsweiterbildung gemäß dem Kenn­ zeichen des Patentanspruchs 3 gelöst.

Mit der Möglichkeit, die Ausgangsspannung des digita­ len Synthesizers zu einem beliebigen, auf Absolutzeit bezogenen Zeitpunkt mit einem definierten, hochpräzi­ sen Wert der Anfangsphase starten bzw. voreinstellen zu können, eignet sich der erfindungsgemäße Steuerge­ nerator auch für sehr spezielle Anwendungsfälle, wie z. B. in der Elektromedizin, wenn gefordert ist, einen etwa unterbrochenen magnetischen oder elektrischen Er­ regungsvorgang ohne Phasensprung und ohne den damit ver­ bundenen Amplitudensprung, wieder fortsetzen bzw. neu beginnen zu müssen.

Bevorzugte Anwendungsfälle für den Steuergenerator nach der Erfindung liegen im übrigen in der Verwendung als Frequenz- und/oder Phasennormal allgemein, sowie gene­ rell im Bereich der Präzisionsmeßtechnik. Hier sind z. B. Kabelvermessungen über große Entfernungen zu nen­ nen, bei denen zeitlich exakt definierte Wobbelvorgänge zur Bestimmung der Vierpolparameter auszuführen sind.

Auch für die Synchronisation von Richtfunkstrecken ist der erfindungsgemäße Generator besonders geeignet, da jede gewünschte Zeit- und Phasenvorgabe für alle Sig­ nalformen (z. B. Sinus, Sägezahn, Rechteck) einstell­ bar ist.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild des Phasennormal-Steu­ ergenerators nach der Erfindung mit den wichtigsten Datenbus- und Steuerverbindungen. Darin ist:
1 Digitaler Synthesizer (DDS),
2 Referenzoszillator,
3 SAT-Empfänger (z. B. GPS),
4 Prozessor,
5 Steuer-Keybord mit Display.

Claims (3)

1. Phasennormal-Steuergenerator für synchronisierbare und/oder fremd gesteuerte Frequenzgeneratoren mit einem digitalen Synthesizer, dessen Taktsteuersig­ nale von einem Referenzoszillator hoher Frequenz­ genauigkeit geliefert werden, und mit einem Satel­ litenempfänger zum Empfang der Zeittaktsignale ei­ nes oder mehrerer Kommunikations-, Wetter- oder Navigationssatelliten, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Satellitenempfänger empfangenen und decodierten Zeittaktsignale dem digitalen Synthe­ sizer in solcher Weise und Bemessung zugeführt sind, daß dieser mit jedem Zeittakt vorrangig und mit ho­ her Genauigkeit in der Phase synchronisiert ist, und daß eine Torschaltung vorgesehen ist, deren Torzeit ebenfalls von den Satelliten-Zeittaktsig­ nalen gesteuert wird und über welche die Frequenz des Referenzoszillators mithilfe eines Zählers ge­ messen wird, und daß eine Prozessorschaltung vor­ handen ist, mithilfe welcher die Frequenzabweichung des Referenzoszillators von der Sollfrequenz ermit­ telt und zur Gewinnung einer digital aufbereiteten Korrekturspannung benutzt wird, welche dem Refe­ renzoszillator als Nachstimmspannung zugeführt ist.

2. Phasennormal-Steuergenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachstimmspan­ nung für den Referenzoszillator mittels eines Digital-Analog-Wandlers in der Weise aufbereitet wird, daß bei Ausfall der Satelliten-Zeittaktsig­ nale der letzte von der Prozessorschaltung bereit­ gestellte Wert der Nachstimmspannung solange als Festwert für die Nachstimmung unverändert bleibt, bis wieder Satelliten-Zeittaktsignale verfügbar sind.

3. Phasennormal-Steuergenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anfangsphasenlage der Ausgangsspannung des digitalen Synthesizers, durch Einfügung einer geeignet bemessenen Verschie­ bespannung für die Anwahl der Startadresse zum Aus­ lesen der Spannungswerte aus dem Signalwertspeicher des Prozessors, zu einem beliebig definierbaren Zeitpunkt auf einen frei wählbaren Phasenwert vor­ einstellbar ist.