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Synchonisierbarer Oszillator hoher Frequenzgenauigkeit und Kon-
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stanz Die Erfindung bezieht sich auf einen synchonisierbaren Oszillator
hoher Pre quenzgenauigkeit und Konstanz in einem Regelkreis, der einen auf eine
arithmetische Reihe von Teilungsfaktoren einstellbaren Frequenzteiler und einen
Phasendiskriminator enthält, welcher aus der Phasendifferenz der frequenzgeteilten
Oszillatorspannung gegenüber einer frequenzgleichen Referenz spannung eine Regelspannung
ableitet, die den Oszillator auf eine von der Frequenz der Referenzspannung und
dem Teilungsfaktor des Frequenzteilers abhängigen Frequenz-Sollwert nachstimmt.
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Bei Schaltungsanordnungen dieser Art, die z.Bo aus der deutschen Patentanmeldung
Sch 17 801 bekannt snd, führt jedoch eine Interpolation zwischen den durch die einzelnen
Werte des Xeilungsfaktors einstellbaren Oszillatorfrequenzen zu schaltungstechnischen
Schwierigkeiten. Eine zu diesem Zweck denkbare Verschiebung der Referenzspannung
würde beispielsweise die Oszillatorfrequenz jeweils in Abhängigkeit von der Einstellung
des Frequenzteilers beeinflussen. Um einen zu interpolierenden Frequenzbereich vorgegebener
Größe zu überstreichen, müßte die Verschiebung der Referenzspannung daher jeweils
unterschiedlich groß sein, je nachdem ob der zu interpolierende Frequenzbereich
am unteren oder am oberen Ende des Oszillatorabstimmbereiches liegt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Schaltungsanordnung
der eingangs genannten Art eine schaltungstechnisch einfache und eindeutige Interpolation
der mittels des Frequenzteilers einstellbaren Frequenzwerte vorzusehen. Dies wird
erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Referenzspannung durch Mischung einer
Bezugswechselspannung vorgegebener Frequenz hoher Genauigkeit und Konstanz mit einer
lnterpolationsspannung gewonnen wird, die über einen wesentlich unterhalb des Ossillatorabstimmbereiches
liegenden Frequenzbereich variierbar ist, dessen Breite dem Abstand zweier durch
aufeinanderfolgende Werte des Teilungsfaktors gegebener Oszillatorfrequenzen entspricht,
wobei die Interpolationsspannung vor der Mischung einen zweiten Frequenzteiler durchläuft,
der synchron mit dem ersten auf jeweils gleiche Werte des Teilungsfaktors einstellbar
ist.
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Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil besteht insbesondere darin,
daß Änderungen der Interpolationsfrequenz unabhängig von der Einstellung des Frequenzteilers
in der Regelschleife jeweils gleich große Änderungen der Oszillatorfrequenz bewirken.
Daher läßt sich eine eindeutige Frequenzeinstellung auch zwischen den einzelnen
Komponenten des durch die Teilerstellungen gegebenen Frequenzrasters mit geringen
Schaltungsaufwand durchführen. Bezugleich seiner Frequenzgenauigkeit und Langzeitkonstanz
entspricht der Oszillator nach der Erfindung bereits hohen Anforderungen.
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Wird die Frequenz der Interpolationsspannung innerhalb eines Variationsbereiches,der
dem Interpolationsbereich entspricht, gewobbelt, so erfährt auch die Oszillatorfrequenz
eine Wobbelung mit demselben Hub. Die Einstellungen der vorgesehenen Frequenzteiler
sind in einfacher Weise fernsteuerbar, so daß eine Anwendung des Oszillators in
Meßautomaten sehr erleichtert wird.
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Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind
den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten,
bevorzugten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigt: Fig. 1 das der Erfindung
zugrunde liegende Schaltungsprinzip, Fig. 2 eine Weiterbildung von Fig. 1 zu einer
Schaltungsstufe, die mit mehreren derselben Art in einfacher Weise zusammenschaltbar
ist, und Fig. 3 eine aus mehreren Schaltungsstufen nach Fig. 2 zusammengesetz Schaltung.
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In Fig. 1 ist ein synchronisierbarer Oszillator 1 mittels einer über
einen Frequenzsteuereingang 2 zugeführten Spannung Us auf jede beliebige Frequenz
f innerhalb eines großen Frequenzbandes einstellbar. Die erzeugte Oszillatorfrequenz
£a wird einerseits über einen Oszillatorausgang 3 abgegeben und andererseits einem
Frequenzteiler 4 zugeführt, dessen Eeilungsfaktor n auf unterschiedliche Werte umschaltbar
ist, die nach einer arithmetischen Reihe gegeneinander abgestuft sein können. Die
Einstellung von n erfolgt in Abhängigkeit von entsprechenden digitalen Signalen,
die von einer mit einer Drucktasteneingabe 0. dgl. versehenen logischen Schaltung
5 erzeugt und über Leitungen 6 in binär Codierter Borm übertragen werden. Die über
den Frequenzteiler 4 abgeleitete Oszillatorspannung mit der Frequenz fa/n wird dem
ersten Eingang eines Phastdiskriminators 7 zugeführt, dessen zweiter Eingang mit
einer Referenzspannung UR der Frequenz £R belegt ist. Der Ausgang des Phasendiskriminators
7 ist über ein Tiefpaßfilter 8 mit dem Frequenzsteuereingang 2 verbunden. Die Referenzspannung
UR wird über ein Bandpaßfilter 9 von dem Ausgang einer Mischstufe 10 abgegriffen,
deren erster Eingang mit einer Bezugswechselspannung UO der Frequenz f0 beschaltet
ist, die von einem quarzkontrollierten Frequenzoszillator 11 geliefert eine wird.
Dem zweiten Eingang der Mischstufe 10 wird/von einem in der Frequenz einstellbaren
Interpolationsoszillator 12 erzeugte Interpolationsspannung U der Frequenz f über
einen Frequenzi i
teiler 13 zugeführt. Die eingestellte Interpolationsfrequenz
fi wird in einem Zähler 14 gezählt und digital angezeigt.
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Die Schaltung nach Fig.-1 arbeitet wir folgt: Geht man zunächst davon
aus9 daß dieReferensspannung UR eine feste Frequenz fR aufweist, so liefert der
Phasendiskriminator 7 für den allgemeinen Fall, daß sich die in 4 auf den Wert fa/n
geteilte Oszillatorfrequenz nach einer vorhergehenden Frequenzgrobeinstel lung mittels
einer z.B. fernsteuerbaren Grobeinstellung hiervon geringfügig unterscheidet, eine
Wechselspannung mit einer Frequenz, die der Differenzfrequenz beider Eingangsspannungen
von 7 entspricht. Diese moduliert den Oszillator über den Frequenzsteuereingang
2 in seiner Frequenz solange, bis er eine Frequenz fa abgibt, deren n'terÇeil mit
£R übereinstimmt. Ist dies der Fall, so wird in 7 eine Gleichspannung U5 gebildet,
die von dem jeweiligen Phasenunterschied zwischen den beiden eingangsseitigen Spannungen
abhängt. Fur jede Änderung der Phase von Ua gegenüber der Bezugsphase von UR ergibt
sich dann eine Änderung von U5, die der Phasenänderung von Ua entgegenwirkt, so
daß eine Phasenregelung von Ua eintritt, die gleichzeitig eine sehr genaue Frequenznachstimmung
von fa/n auf bedeutet. Man bezeichnet die Schleife 4, 7, 8 und 2 auch als Frequenzregelschleife
des Oszillators 1 und das jeweilige Nachregeln auf den durch die Gleichung f £ (1)
n R gegebenen Frequenzwert als ein Einrasten des Oszillators 1.
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Durch eine Einstellung des Teilungsfaktoren n auf unterschiedliche
Werte, die einer arithmetischen Reihe entsprechen, ergeben sich entsprechend viele
Raststellen des Oszillators 1, in denen er auf unterschiedliche, ebenfalls nach
einer arithmetischen Reihe abgestufte Frequenzen fa jeweils synchronisiert wird.
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Die Referenzspannung UR besteht nun in Fig. 1 aus der sich bei der
Mischung von Uo und Ui in der Mischstufe 10 ergebenden oberen Seitenschwingung der
Frequenz fo+fi . Damit gilt am 0-Phasendiskriminator 7 folgende Beziehung:n
woraus folgt: fa n fo+fi. (3) Die Frequenz des Oszillators 1 läßt sich also in Abhängigkeit
von dem jeweils eingestellten Wert des Eeilungsfaktors n auf die durch den Ausdruck
n.f.0 jeweils definierten Frequenzen, vermehrt um den Betrag des variablen Interpolationsfrequenz
fi, synchronisieren. Wählt man den Variationspereich #fi von fi, so groß, daß er
einem Frequenzschritt #fa zwischen zwei Werten von fa gleich kommt, die einander
banachbarten Werten von n entsprechen, so läßt sich jede beliebige Frequenz innerhalb
eines durch einen unteren Grenzwert n1 und einen oberen Grenzwert n2 gegebenen Arbeitsfrequenzbereiches
für den Oszillator 1 einstellen. Unabhängig von der Größe des Teilungsfaktors n
ist der zur vollständigen Interpolation zwischen zwei benachbarten Rast stellen
erforderliche Variationsbereich #fi immer konstant. Wird die Frequenzlage des freilaufenden
Oszillators 12 so gewählt, daß fi wesentlich, d.h. zum Beispiel um zwei Größenordnungen,
unterhalb von fa liegt, so wird f durch ein etwaiges Driften des Oszillators 12
nur in einem so geringen Maße beeinflußt, daß die durch die Synchronisation auf
die quarzkontrollierte Bezugswechselspannung Uo erreichte hohe Frequenzgenauigkeit
und Konstanz hierdurch praktisch nicht beeinträchtigt wird.
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Die der logischen Schaltung 5 über die Drucktasteneingabe eingegebenen
Werte von n können in einem digitalen Anzeigefeld 15
angezeigt
werden. Dabei kann bei der Anzeige berücksichtigt werden, daß die tatsächlich erzeugte
Frequenz fa um denjenigen Wert der Interpolationsfrequenz fi, der der unteren Grenze
des Variationsbereiches entspricht, gegenüber dem Wert von n-fO versetzt ist. In
diesem Fall entspricht der in 15 angezeigte Wert direkt der mittels des Frequenzteilers
4 einstellbaren Oszillatorfrequen £a ohne Berücksichtigung der jeweiligen Interpälatiomseinstellung.
Die letztere wird in 14 angezeigt, wobei derjenige Anteil von fi, der der unteren
Grenze des Variationsbereiches fi entspricht, nicht zur Anzeige gelangt, sondern
nur die Differenz gegenüber diesem Grenzwert.
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Somit ergibt sich aus den in den Anzeigevorrichtungen 15 und 14 erhaltenen
Anzeigewerten die tatsächliche Ausgangsfrequenz des Oszillators 1. Die Interpolationsfrequenz
fi kann zum Unterschied hiervon auch mittels einer geeichten Skala angezeigt werden,
die an die Stelle der Anzeigevorrichtung 14 tritt.
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Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ergibt sich entsprechend
der Beziehung (2) eine solche Bemessung für das Bandpaßfilter 9, daß das in der
ivlischstufe 10 gebildete obere Seite band fofi über tragen wird. In Abweichung
hiervon kann aber das untere eeitenband für die Synchronisation verwendet werden,
wenn dies durch einen entsprechend veränderten Versatz der in 15 angezeigten Zahlenwerte
gegenüber den tatsächlich eingestellten Teilungsfaktoren n berücksichtigt wird.
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In jeden Fall muß die Selektivität von 9 so groß sein, daß das jeweils
nicht benutzteSeitenband weitgehend gedämpft wird, so daß es die Synchronisation
nicht stört.
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Der Interpolationsoszillator 12 kann auch als Wobbeloszillator betrieben
werden, in welchem Ball die Anzeigevorrichtung 14 entbehrlich ist.
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Bei einer Schaltung nach Fig. 1 können beispielsweise folgende Frequenzwerte
in Frage kommen:
f0 = 100 kllz, fi = 500 kHz. .600 kHz, n1 = 235,
n2 = 420, fa = 24 tDHz...42,6 MHz, fa = 100 kHz.
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Die Schaltung nach Fig. 1"kann in einer aus Fig. 2 ersichtlichen Weise
weiter ausgebildet werdem. So kann dem Ausgang des Bandpaßfilters 9 ein weiterer
Frequenzteiler 16 mit einem festen Teilungsfaktor n'-nachgeschaltet werden. Eine
andere Möglichkeit besteht darin, dem einstellbaren Frequenzteiler 13 einen weiteren
Frequenzteiler 17 mit einem festen Teilungsfaktor nt' vorzuschalten. Bei Einfügung
des Frequenzteilers 16 ergibt sich bei gleicher Größe von f0 und f. unter der weiteren
Voraussetzung, daß die Anzahl der einstellbaren leilungsfaktoren n entsprechend
erweitert wird und die Werte von n gleichzeitig vergrößert werden, eine Verkleinerung
der Frequenzschritte a fa von Fig. 1, die sich für endes Weiterschalten der Frequenzteiler
4 und 13 auf den jeweils benachbarten Wert von n ergeben, um den Faktor n'.
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Der Frequenzteiler 17 erlaubt es, eine um den Faktor nt' in der Frequenz
und im Variationsbereich #fi höher liegende Interpolationsspannung Ui zu verwendens
ohne daß sich die Arbeitsweise der Schaltung gegenüber der in Fig. 1 dargestellten
sonst verändert. In ähnlicher Weise können auch weitere Frequenzteiler in die Frequenzregelschleife
1, 4, 7, 8, 2 eingefügt oder dem Oszillatorausgang 3 vorgeschaltet werden, wodurch
sich jeweils die Frequenslage der Oszillatorfrequenz f und bei entsprechender Abänderung
der Werte von n auch die Schrittweite a fa zwischen benachbarten Raststellen entsprechend
ändern.
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Durch die vorstehend beschriebenen Maßnahmen gelingt es in einfacher
Weise, den durch die Oszillatorfrequenz fa insgesamt zu überstreichenden Frequenzbereich
dem Varia-tionsbereich Afi der Interpolationsspannung Ui nach Frequenzlage und Größe
anzugleichen. Dies ermöglicht es, den Interpolationseingang 18 nicht entsprechend
Fig. 1 mit einem Interpolationsoszillator 12 zu beschalten, sondern mit dem Oszillatorausgang
3 einer weiteren, gleichartig ausgebildeten Schaltungsstufe, die dann dazu dient,
den zu interpolierenden Frequenzbereich zwischen zwei jeweils be-
nachbarten
Raststellungen der in Fig. 2 dargestellten Schaltungsstufe in einzelnen Frequenz
schritten zu interpolieren. In gleicher Weise kann sich dann der letztgenannten
Schaltungsstufe eine weitere, ebenfalls nach Fig. 2 ausgebildete Schaltungsstufe
anschließen, die eine weitere schrittweise Interpolation bringt.
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Der Interpolationseingang der letzten Schaltungsstufe kann dann beispielsweise
mit einem Interpolationsossillator beschaltet sein, der solche Frequen7werte aufweist,
daß er auch an den Interpolationseingang.- 18 von Fig. 2 anschaltbar wäre. Für jede
der Schaltungsstufen nach Fig. 2, denen noch eine weitere gleichartige folgt, werden
nur die über die Frequenzteiler 4 und 13 einstellbaren Frequenzwert f in der Anzeigevorrichtung
15 der logischen Schaltung 5 angezeigt.
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Im einzelnen können für eine Schaltungsstufe gemäß Fig. 2 folgende
Frequenzkennwerte vorgesehen werden: f0 = 100kHz, fi = 5 MHz...6MHz, n' = 10, nß'
= 10, n1 = 495, n2 = 594,#fa = 10 kHz, fa =5MHz...6MHz.
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Fig. 3 zeigt eine Schaltung, bei der die Frequenzbereiche zwischen
den Raststellungen eines synchronisierbaren Oszillators gemäß Fig 1 wahlweise stetig
interpolierbar sind oder durch den Einsatz weiterer nach Fig. 2 ausgebildeter Schaltungsstufen
schrittweise interpoliert werden können. Im einzelnen entspricht de»hit A bezeichnete
Schaltungsteil der Schaltung nach Fig. 1, wobei lediglich der quarzkontrollierte
Oszillator 11 und der Interpolationsoszillator 12 einschließlich des Zähler 14 getrennt
dargestellt sind. Über die rechte nicht gezeichnete Schaltstellung eines Umschalters
S wird der Interpolationsossillator 12 an den im Schaltungsteil Ä befindlichen Frequenzteiler
13 geschaltet, wobei sich die bereits anhand von Fig. 1 beschriebene Wirkungsweise
der Schaltung ergibt.
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In der gezeichneten Stellung von S wird die Interpolationsspannung
Ui über einen Frequenzteiler 19 mit dem festen eilungs-
faktor
m von dem Oszillatorausgang 3r einer Schaltungsstufe B1 abgegriffen, die gemäß Fig.
2 aufgebaut ist. Der Frequenzteiler 19 dient dabei zur Anpassung des von 31 überstreichbaren
Frequenzbereiches an den Variationsbereich Afi, der der Stufe A zugeordnet ist.
Die an der Schaltungsstufe B1 einstellbaren und mittels der Anzeigevorrichtung 15'
anzeigbaren Frequenzschritte interpolieren hierbei die an der Schaltung A einstellbaren
und mittels der Anzeigevorrichtung 15 anzeigbaren Frequenzschritte Der Interpolationseingang
18' von 31 ist mit dem Oszillatorausgang einer weiteren Schaltungsstufe 32 beschaltet,
die entsprechend Fig. 2 aufgebaut ist. Diese bewirkt mittels der an ihr einstellbaren,
in der Anzeigevorrichtung 15" anzeigbaren Frequenzschritte eine Interpolation-der
von B1 gelieferten Frequenzschritte. Eine dem Interpolationseingang 18 " von 32
nachgeschaltete Schaltungsstufe B3 erlaubt schließlich eine schrittweise Interpolation
der von 32 gelieferten Frequenzschritte. Zu diesem Zweck genügt es, B3 gemäß dem
oberen.Teil der Schaltung nach Fig.
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2 einschließlich des Frequenzteilers 16 aufzubauen und diesem letzteren
die Bezugswechselspannung UO des quarzkontrollierten Oszillators 11 zuzuführen.
In B3 ist daher nur ein steuerbarer Frequenzteiler 4 vorgesehen, der mit seinen
in der Anzeigevorrichtung 75"' anzeigbaren Einstellungen die an B2 einstellbaren
Frequenzschritte weiter interpoliert. Den Schaltungsstufen A, B1, B2, und 33 wird
die von dem quarzkontrollierten Oszillator 11 erzeugte BezVgswechselspannung UO
gemeinsam zugeführt.
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Vorteilhafte Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich für den synchronisierbaren
Oszillator insbesondere auf dem Gebiet der Meßsender und der Überlagerungsempfänger.
Im letzteren Fall wird er als Überlagerungsoszillator eingesetzt, der in Verbindung
mit einem stetig frequenzvariablen Interpolationsoszillator 12 eine kontinuierliche
Empfängerabstimmung an einer einzigen Umsetzungsstufe ermöglicht. Dabei ist es vorteilhaft,
daß eine Abstimmung
des Empfängers auf eine eingangsseitige Eichwechselspannung
durch bloßes Umschalten des Oszillators auf einen vorgegebenen d Wert des Teilungsfaktors
nullauf einen vorgegebenen Wert der Interpolationsfrequenz durchführbar ist.
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Die digitalen Signale für die Einstellung der einzelnen Frequenzteiler
in den Schaltungsstufen A, B1, 32 und B3 der Fig. 3 können über die Leitungen 6
(Fig. 1, Fig. 2) von einem fernen Ort her übertragen werden, so daß der nach der
Erfindung ausgebildete synchronisierbare Oszillator in einfacher Weise fernsteuerbar
ist. Dies ermöglicht seine Anwendung in Schaltungen der automatischen Meßtechnik,
so z.B. in Meßautomaten, die zur Messung vor Vierpolgrößen eingesetzt werden.
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9 Patentansprüche 3 Figuren
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