DE2336140C3 - Einrichtung zur Synchronisierung eines freischwingenden Oszillators auf die Referenzschwingung eines Quarzoszillators - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Synchronisierung eines freischwingenden Oszillators auf die Referenzschwingung eines Quarzoszillators, die eine Subharmonische der Oszillatorfrequenz darstellt, bestehend aus einem Phasendiskriminator, der als Schalter ausgebildet ist, dem die Oszillatorschwingung unmittelbar und die Referenzschwingung nach Umformung in Einzelpulse zugeführt werden und dessen Ausgangsspannung einem frequenzbeeinflussenden Element des Oszillators über einen Tiefpaß zugeführt wird und von dem schließlich, durch die Einzelpulse gesteuert, jeweils für annähernd die Dauer einer Halbperiode der Oszillatorschwingung diese Schwingung auf seinen Ausgang durchgeschaltet wird.

Eine derartige Einrichtung, bei der die Abtasiung > >.s nach einem Samplingverfahren erfolgt, ist Gegenstand der DT-AS 20 47 682. Die dort beschriebene Schaltung betrifft einen speziellen Phasendiskriminator für diese Einrichtung. Es ist ferner durch die US-PS 29 72 720 eine Phasenregelschleife bekannt, in deren Regelkreis ein Gleichspannungsverstärker liegt, der für Wechse'.spannungen durch eine Verstärkerstufe überbrückt ist, durch die beim Auftreten von Wechsclspannungen in der Schleife beim nichtsynchronisierten Zustand die beiden Verstärkerstufen zu langsamen Schwingungen angeregt

werden.

Aus der Technischen Information Halbleiterbauelemente über zweipolige Oszillatorschaltungen für Parallel- und Serienresonanz, Intermetall Halbleiterwerk der Deutschen ITT Industries GmbH, 1971, Bild 2 ist ein Oszillator mit einem Differenzverstärker bekannt, der zwei Transistoren enthält, bei denen ein Kollektorwiderstand (R 3) im Vergleich zum gemeinsamen Emitterwiderstand (R 1) relativ hoch bemessen ist, und bei dem weiterhin die Abnahme des Rückkopplungssignals am Kollektorwiderstand eines der Transistoren erfolgt und bei dem schließlich eine nur für Wechselspannung wirksame Rückkopplung vorhanden ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung anzugeben, die bei Anwendung eines Samplingverfahrens zur Phasenregelung eines Hochfrequenzoszillators ein auch bezüglich Temperaturänderungen stabiles Halten der Regelschleife und zugleich eine gute Anpassung an die üblicherweise aus Kapazitätsdioden bestehenden Frequenzeinstellglieder erlaubt. Ferner soll die Schaltung einfach und so ausgelegt sein, daß das Fangen der Phasenregelschleife ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird bei einer Einrichtung zur Synchronisierung eines freischwingenden Oszillators auf die Referenzschwingung eines Quarzoszillators, die eine Subharmonische der Oszillatorfrequenz darstellt, bestehend aus einem Phasendiskriminator, der als Schalter ausgebildet ist, dem die Oszillatorschwingung unmittelbar und die Referenzschwingung nach Umformung in Einzelpulse zugeführt werden und dessen Ausgangsspannung einem frequenzbeeinflussenden Element des Oszillators über einen Tiefpaß zugeführt wird und von dem schließlich, durch die Einzelpulse gesteuert, jeweils für annähernd die Dauer einer Halbperiode der Oszillatorschwingung diese Schwingung auf seinen Ausgang durchgeschaltet wird, gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß in der Nachstimmleitung für den freischwingenden Oszillator ein Differenzverstärker liegt, der zwei Transistoren enthält, bei denen die Kollektorwiderstände im Vergleich zum gemeinsamen Emitterwiderstand relativ hoch bemessen sind und die Abnahme des Regelkriteriums am Kollektorwiderstand des ersten Transistors erfolgt, und der eine nur für Wechselspannungen wirksame Rückkopplung aufweist, mi; einer derartigen Dimensionierung der zugehörigen Zeitgüeder im Rückkoppiungskreis, daß der Verstärker nach Anstoß durch die bei Ausfall der Synchronisation auftretende Differenzschwingung eine gedämpfte Schwingung ausführt.

Mit dieser einfachen Schaltungsanordnung werden die Forderungen gemäß der obigen Aufgabenstellung auf einfache Weise erfüllt, d. h., bei einfachstem Schaltungsaufbau für den Gleichspannungsverstärker samt Rückkopplungsschleife für das Fangen wird eine gute Temperaturstabilität und gleichzeitig eine gute Anpassung an die bei Kapazitätsdioden notwendigen Vorspannungsvcrhällnisse erzielt

Weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes finden sich in den Ansprüchen 2 und 3.

Machstehend wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert
Fig. 1 zeigt ^e'ⁿ Blockschaltbild der Synchronisierein-

" Fig- 2 ~^ε18^{ι e}'^{n Pu}'^{sscnerna zur} Erläuterung der s Funktion der Synchronisiereinrichtung;

F ig. 3 zeigt das Schaltbild des Phasen vergleichers _mit dem nachfolgenden, rückgekoppelten Verstärker.

Inder Fig. 1 ist G 2 ein freischwingender Oszillator, derein Frequenznachstellglied hat, meist in Form einer Kapazitätsdiode, deren Vorspannung durch die vom Phasendiskriminator D abgegebene Stellspannung gebildet wird. Der Generator G 2 schwingt auf einer sehr hohen Frequenz, beispielsweise bei etwa 700 MHz und soll dabei trotzdem auf eine Quarzfrequenz mit wesentlich niedrigerer Frequenz direkt phasensynchronisiert werden. Die Frequenz fg des Quarzoszillators Gt liegt dabei beispielsweise bei etwa 90 MHz. Seine Schwingungen werden in einer Pulsformerstufe PF in Rechteck- oder Dreieckschwingungen umgesetzt, deren Pulsdauer etwa der Breite einer Halbwelle der vom Generator G 2 abgegebenen Schwingung /_o entspricht. Da für die Versorgung des Phasendiskriminators D, der hier zum Zweck der guten Entkopplung der Generatoren Gi und G 2 in Brückenschaltung ausgeführt ist, Gegentaktimpulse benötigt werden, ist noch eine Pulsumkehrstufe PLJ vorgesehen, um an deren Ausgang gegenphasige gleichgroße Pulse zu erhalten. Dem Phasendiskriminator D werden andererseits die Schwingungen des Generators G 2 zugeführt. Durch den Vergleich beider Schwingungen entsteht eine Gleichspannung oder eine langsam sich ändernde Wechselspannung, die vom Verstärker V über einen Tiefpaß TPdem Frequenznachstellglied des Generators G 2 zugeführt wird. 35,

Die Funktion der Einrichtung läßt sich besser anhand des in der F i g. 2 dargestellten Impulsschemas zeigen.

Die Fig.2 zeigt in der Zeile a den sinusförmigen Verlauf der Ausgangsspannung des Quarzoszillators G1 mit der Frequenz Fq. Dessen Schwingung wird bei jeweils einer Periode ein kurzer Puls entnommen, der in der Zeile b dargestellt ist und natürlich auch von verschliffener Form sein kann. In den Zeilen cund e ist eine der Halbwellen der Hochfrequenzschwingung der Frequenz /_o des Generators G 2 dargestellt, die hier gleichzeitig mit dem Impuls aus Zeile b eintrifft. Da der Diskriminator Dwie ein Schalter wirksam ist, wird diese Halbwelle jeweils auf den Ausgang des Phasendiskriminators D durchgeschaltet. Da in diesem Fall die Phasenablage zwischen dem Impuls des Quarzoszillators G1 und der Halbwelle des freischwingenden Oszillators G 2 Null ist, erscheint im Mittel eine positive Regelspannung i/Dmmci am Ausgang des Phasendiskriminators D. In der nächsten Zeiie d ist der Fall dargestellt, bei dem die beiden Schwingungen eine Phasenverschiebung von 90° aufweisen. Da nun durch den Auftastimpuls des Quarzoszillators G1 beide Halbwellen der Hochfrequenzschwingung f_o zu gleichen Teilen auf den Ausgang des Diskriminators geschaltet werden, erscheint im Mittel die Regelspannung i/cmitiei=O. Die nächste Zeile e zeigt den zur Zeile c umgekehrten Fall (Phasenverschiebung um 180°), d.h., daß der Auftastimpuls stets die negative Halbwelle der Hochfrequenz durchschallet, wodurch sich im Mitte! eine negative Regelspannung am Ausgang des Phasen- <\s diskriminators ergibt. Aus dieser Darstellung geht hervor, daß dann, wenn die Auftastimpulsbreite etwa *w Halhwellenbreite des sinusförmigen Ausgangssignals des Hochfrequenzgenerators G 2 entspricht, am Ausgang des Phasendiskriminators je nach positiver oder negativer Phasenablage eine entgegengesetzt gepolte Gleichspannung erscheint. Diese Spannung steigt wegen der verwendeten Pulsbreite erheblich an, wodurch eine große Regelsteilheit erzielt wird und ein großer Fang- und Haltebereich.

Bei der Schaltung nach F i g. 3 könnte die durch einen Pulsformer und einen Phasendiskriminator erzeugte, am Punkt Λ erscheinende Regelspannung an sich unmittelbar bzw. über einen Tiefpaß bzw. Verstärker dem Frequenznachstellglied des freischwingenden Oszillators G 2 zugeführt werden, um diesen in der Phase starr an die Quarzfrequenz anzubinden. Da es jedoch immer nötig ist, eine Einrichtung vorzusehen, die beim Einschalten der ganzen Anlage bzw. beim Außertrittfallen den Oszillator G 2 in die Nähe der Oberwelle der Quarzfrequenz bringt, wird häufig eine sogenannte Fangeinrichtung vorgesehen. Diese besteht hier aus einem Verstärker V, der gleichzeitig eine Regelspannungsverstärkung liefert und ferner in vorteilhaft einfacher Weise als Fangeinrichtung ausgebildet ist. Dieser Verstärker überträgt normalerweise die sich sehr langsam ändernde Nachstellspannung, die am Punkt A erscheint. Da eine schnelle Änderung der Nachstellspannung besagt, daß der Oszillator außer Tritt ist, kann der Verstärker durch eine für Wechselspannungen wirksame Rückkopplung beim Auftreten einer Wechselspannung am Punkt A eine Teilschwingung mit relativ großer Amplitude durchführen. Die an seinem Ausgang erscheinende Nachstellspannung UR, die letztlich zur Nachstimmdiode des freischwingenden Oszillators G2 gelangt, wird zu irgendeinem Zeitpunkt bzw. bei irgendeiner Amplitude den freischwingenden Oszillator in den Synchronisierzustand versetzen. Die Rückkopplungsimpedanz besteht zweckmäßigerweise aus einer Kapazität C10 in Serie mit einem Widerstand R 12 und ist so zu dimensionieren, daß der Verstärker dann kurzzeitig eine langsame Schwingung ausführt, wenn auf seinen Eingang ein Spannungsstoß gelangt. Ein solcher Spannungsstoß tritt immer dann auf, wenn der Oszillator plötzlich außer Tritt fällt oder eine Frequenzablage beim Einschalten der Einrichtung vorliegt. Dann steht nämlich am Ausgang des Diskriminators eine Wechselspannung mit der Differenz zwischen Soll- und Ist-Schwingung. Bei einer Phasenregelschleife ist dies normalerweise die Differenz der Frequenzen der beiden Generatoren G 1 und G 2.

Damit der Verstärker V die kurzzeitige Schwingung ausführt, und damit die Regelspannung UR beaufschlagt, muß er über eine Reaktanz rückgekoppelt werden. In der Schaltung gemäß der F i g. 3 erfolgt diese Rückkopplung über die Kapazität ClO und den Widerstand R 12. Die Dimensionierung dieser Rückkopplungsschleife ist so vorgenommen, daß der Verstärker bei Auftreten des obenerwähnten Kriteriums an seinem Eingang einen Schwingungszug mit niedriger Frequenz ausführt. Beim Ausführungsbeispiel ist ClO und R 12 so dimensioniert, daß die Frequenz 1 Hz ist. Um die Rückkopplungsbedingungen zu erfüllen, ist der Verstärker zweistufig mit den beiden Transistoren Tl und T2 ausgeführt. Besonders vorteilhaft ist ein Differenzverstärker, wie er hier vorliegt, deshalb, weil dann gleichzeitig die Nachstellspannung, die hier vom Kollektorwiderstand R 16 des Transistors Tl abgenommen ist, in eine Größenordnung gebracht werden kann, die im Arbeitsbereich von

Kapazitätsvariationsdioden liegt. Ferner wird durch den Differenzverstärker eine gute Stabilisierung gegenüber Schwankungen insbesondere auch der Temperatur, erreicht. Mit den Widerständen R 13, R14, R 15, den Kollektorwiderständen R16 und R 17 und den Widerständen R 18, R19 zur Einstellung der Basisvorspannung des Transistors T2 wird im wesentlichen der mittlere Arbeitspunkt für die Kapazitätsdioden festgelegt. Die Nachsteuerspannung wird am Kollektor des Transistors Tl entnommen und durch die Kapazität ₎₀ C13 weitgehend von Wechselspannungsanteilen der Differenzfrequenz befreit. Zur Erleichterung des Fangvorganges wird die Geschwindigkeit der Frequenzänderung beim Schwingen des Verstärkers im ganzen Suchbereich nahezu konstant gehalten. Aus diesem Grund ist dem Kollektorwiderstand des Transistors T2 ein Kondensator C12 parallel geschaltet, der eine hohe Umladezeitkonstante hat und dadurch die Form des Suchvorganges bestimmt.

Der in Serie zum Siebkondensator C13 noch eingeschaltete Widerstand R 20 dient dazu, den Frequenzgang der Regelschleife mitzubestimmen. Der Frequenzgang wird bekanntlich noch durch die Empfindlichkeit des Diskriminator, die Verstärkung des Verstärkers V und die Eigenschaften der Nachstimmdioden beeinflußt

Die in der Nachregelschleife gelegenen Elemente einschließlich insbesondere des Tiefpasses sollten so gewählt sein, daß die Grenzfrequenz der Nachregelschleife in denjenigen Frequenzbereich und vorzugsweise etwas darunter gelegt ist, in dem der Phasenrauschbeitrag des Referenzoszillators, gemessen im Ausgangssignal des freischwingenden Oszillators, gleich dem des freischwingenden Oszillators ist.

Der V/iderstand RIl am Eingang £ der Schaltung dient der Entkopplung gegenüber dem vorgeschalteten Diskriminator. Im Ausführungsbeispiel liegen folgende Werte der Schaltelemente vor.

/?15= 4.7 K;
RiS= 3.9 K;
CIO= 2 LiF;
R 16 = 20K;
(713 = 330 nF.

/?13=100Ω:
R Il = 100Ω;
/?19= 12K:
Λ 17= 2OK;

R 14=100 Ω:
K 12= 2OK;
/?20=l60Ri:
Γ12= 22 μΡ:

Dabei wurde der freischwingende Oszillator bei etws 700 MHz auf die achte Oberwelle eines Quarzoszillator« stabilisiert.

1st beim Einschalten dieser Schaltung der freischwin gende Oszillator so eingestellt, daß seine Frequenz irr Haltebereich der Phasenregelung liegt, so schwingt dei Verstärker Ti, T2 einmal durch. Die Differenzfrequen; wird bei Annäherung an die Synchronisierung schnei kleiner, wodurch die Wirksamkeit der Wechselspan nungsrückkopplung des Verstärkers abnimmt und der Suchvorgang beendet. Liegt die Frequenz des frei schwingenden Oszillators so weit von der Sollfrequen; ab, daß die Phasenregelung nicht fangen kann, so trit auf der Regelspannungsleitung im ganzen Nachstimm bereich eine Schwingung von 1 Hz auf, die unte anderem als Anzeigekriterium für Nichtsynchronisie rung verwendet werden kann.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Synchronisierung eines freischvvingenden Oszillators (G 2) auf die Referenzschwingung eines Quarzoszillators (G 1), die eine Subharmonische der Oszillatorfrequenz (Z₀) darstellt, bestehend aus einem Phasendiskriminator (D) der als Schalter ausgebildet ist, dem die Oszillatorschwingung (To) unmittelbar und die Referenz- ι ο schwingung nach Umformung in Einzclpulse zugeführt werden und dessen Ausgangsspannung einem frequenzbeeinflussenden Element des Oszillators (G 2) über einen Tiefpaß (TP) zugeführt wird und von dem schließlich, durch die Einzelpulse gesteuert, jeweils für annähernd die Dauer einer rialbperiode der Oszillatorschwingung (f_o) diese Schwingung auf seinen Ausgang durchgeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nachstimmleitung für den freischwingenden Oszillator (G 2) ein Differenzverstärker (V) liegt, der zwei Transistoren (Tl, T2) enthält, bei denen die Kollektorwiderstände (R 16, R17) im Vergleich zum gemeinsamen Emitterwiderstand (R 15) relativ hoch bemessen sind und die Abnahme des Regelkriteriums am Kollektorwiderstand (R 16) des ersten Transistors (Ti) erfolgt, und der eine nur für Wechselspannungen wirksame Rückkopplung (ClO, R 12) aufweist, mit einer derartigen Dimensionierung der zugehörigen Zeitgüeder im Rückkopplungskreis, daß der Verstärker (V) nach Anstoß durch die bei Ausfall der Synchronisation auftretende Differenzschwingung eine gedämpfte Schwingung ausführt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Kollektorwiderstand des ersten Transistors die Serienschaltung eines Widerstands (R 20) mit einer Kapazität (C13) liegt und daß diese Elemente einen Tiefpaß bilden, dessen Grenzfrequenz derart gewählt ist, daß das Phasenrauschen des Oszillators (G 2) gering wird.

3. Einrichtung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die bei Selbsterregung des Verstärkers auftretende Frequenz durch Wahl der Elemente (CiO, C12, Ri2) im Rückkopplungsweg derart gewählt ist, daß der Fangvorgang mit einem optischen Anzeigegerät beobachtbar ist.