Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur auto matischen Regelung von Oszillatoren, ausgenommen in Zeit- messgeräten, sowie die Anordnung zum Durchführen dieses Verfahrens.
Zum Einstellen genauer frequenzstabiler Grundoszillato ren, deren Frequenz zum Steuern sekundärer Frequenz- oder Zeitnormale und dergleichen für die Gebiete der Elek trotechnik, Optik und Mechanik dient, werden Regelanlagen verwendet, welche entweder durch Rundfunksender im Be reich der Langwellen oder Längstwellen ausgestrahlt wer den oder durch andere Mittel zugeführt werden.
Zum Einstel len genauer frequenzstabiler Grundoszillatoren, deren Fre quenz zum Steuern sekundärer Frequenz- oder Zeitnormale und dergleichen dient, werden Regelanlagen verwendet, wel che auf den Oszillator derart einwirken, dass er mit bestän dig kohärenter Phase mit der Frequenz des Steuerfrequenz normales schwingt, selbstverständlich in Grenzen technisch erreichbarer Genauigkeit unter Einwirkung von Messfeh- lern, Übertragungsstörungen des Steuersignals, Alterung der Anordnung, vor allem des Quarzes und anderer äusserer Ein flüsse, wie Temperaturschwankungen und ähnlichem.
Diese Vorrichtungen bewirken dauernd und stetig die Abstim mungsorgane des geregelten Grundoszillators in Abhängig keit von der jeweiligen Grösse seiner Phasenabweichungen vom idealen Zustand, so dass jede Änderung der Parameter des Übertragungsweges des Normalsteuersignals (z. B. Fa ding usw.), der Eigenschaften des Empfängers und weiterer Teile der Regelanlage, welche sich als Änderung der Phasen lage des Normalsteuersignals im Vergleichungspunkt mit dem Signal des geregelten Oszillators ausübt, unerwünschte Regelvorgänge bewirkt. Die Frequenz des geregelten Oszilla- tors wird dadurch mit restlichen Tagesvariationen behaftet.
Die Übertragung von Normalfrequenzsteuersignalen im Be reich von Lang- und Längstwellen ist bekanntlich nur wäh rend des Tages verlässlich, wo die Phasenverschiebung an der Empfangsstelle gegenüber der Sendestelle verhältnismäs- sig beständig ist. Dagegen treten beim Sonnenaufgang und Sonnenuntergang wesentliche Änderungen dieser Verschie bung (auch um mehrere Perioden) und während der Nacht noch zufällige Fluktuationen auf, welche dann zu unerwünsch ten Regelungsvorgängen führen. Beim Ausfall des Normal steuersignals geht der gesamte Regelvorgang verloren. Anla gen, welche diesen Fall verhüten sollen, sind sehr kompli ziert, teuer und störanfällig.
Um grosse Zeitkonstanten des Reglers zu erreichen, ist es notwendig, ein elektromechani sches Prinzip im Regler anzuwenden, welches aber wegen der Forderung des Dauerbetriebes bei kleiner Leistung sehr kompliziert ist.
Die vorliegende Erfindung bezweckt ein Beheben der er wähnten Nachteile bestehender Regelverfahren von Oszilla toren und der betreffenden Anordnungen in einem grösse- ren als derzeit erreichbaren Masse, vor allem eine wesentli che Beschränkung der Möglichkeit des Auftretens einer ir reversiblen Phasenverschiebung der Grösse eines Vielfachen von 2 7c, der grossen Frequenzschwankungen des geregelten Oszillators beim stetigen Regelvorgang, der Abhängigkeit der Tätigkeit des Regelvorganges von zufälligen Änderun gen und Störungen der Übertragung des Normalfrequenz steuersignales.
Weiter ermöglicht die Erfindung eine wesentliche Verein fachung der Konstruktion der nötigen Vorrichtungen, was sich günstig in einer beträchtlichen Absenkung des notwendi gen Aufwandes und der Störanfälligkeit der Apparatur wider spiegelt. Die Erfindung steigert die Zuverlässigkeit der Rege lung um einen sehr grossen Wert, Sie ermöglicht auch, dass genaue Oszillatoren geregelt werden können, deren Fre quenz von der Normalsteuerfrequenz verschieden ist, sogar nicht einmal in einem harmonischen Verhältnis mit ihr steht.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekenn zeichnet, dass die gemessene Zeitverschiebung des geregel ten Oszillators im Vergleich zu einem Normalfrequenzsteuer signal in eine Grösse überführt wird, deren Wert in einem Speicher gespeichert werden kann und in im voraus bestimm ten, regelmässig mit einem konstanten Zeitintervall sich wiederholenden Ermittlungszeitpunkten eine Frequenzkorrek tur unter Anwendung eines gespeicherten Wertes der Zeit verschiebung im vorangehenden Ermittlungszeitpunkt festge stellten Wertes der Zeitverschiebung berechnet wird und nach dieser Berechnung im Speicher der zuletzt festgestellte Wert gespeichert wird und eine Änderung der Frequenz des geregelten Oszillators um eine berechnete Korrektur ausge führt wird, wobei die Korrektur nach der Gleichung
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erfolgt,
wobei fh die Nennfrequenz des geregelten Oszilla- tors ist.
Ferner kann die Zeitverschiebung aus dem Durchschnitts wert der Zeitverschiebung in der Nähe des Ermittlungsaugen blicks ermittelt werden.
Die Anordnung zum Durchführen des Verfahrens ist da durch gekennzeichnet, dass an den Ausgang eines Zeitverglei- chers eine Rechenvorrichtung mit einem Speicher ange schlossen ist, welche an eine Programmsteuereinheit ange schlossen ist, und gemäss dem im Patentanspruch 1 erwähn ten Algorithmus periodisch in den Ermittlungszeitpunkten in regelmässigen Intervallen durch Steuerimpulse am Eingang der Programmsteuereinheit arbeitet, und dass an den Aus gang der Rechenvorrichtung mit Speicher eine Betätigungs einheit angeschlossen ist, welche die Abstimmung des gere gelten Oszillators um eine Korrektur nachstellt.
Eine genaue Vergleichung von untereinander entfernten Normalen der Frequenz oder der Zeit ist wegen der Eigen schaften der gebräuchlichen Übertragungskanäle nur in genü gend langen Zeitabständen T möglich. In diesen Zeitabstän den (ein Tag und mehr) wir die mittlere Abweichung Af der Frequenz des geregelten Oszillators festgestellt. Dies ist mög lich in einfacher Weise, wenn die Frequenz des Steuernor- mals mit der Frequenz des geregelten Oszillators überein stimmt (f142). Sind diese Frequenzen verschieden (f142), kön nen beide oder nur eine von ihnen auf eine gelegene Fre quenz f3 transponiert oder umgerechnet werden.
Bei sehr ge nauen Oszillatoren wird die Frequenzabweichung durch Mes sen der Phasenabweichung A-9 am Anfang und am Ende des Ermittlungszeitabstandes T durchgeführt. Die Phasenverschie bung 014 eines Signales kann vorteilhaft durch eine Zeit- grösse (Zeitverschiebung Voreilen, Nacheilen)
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ausgedrückt werden, wo die Grösse der Konstante k unbe deutend für die Auswertung der Phasen- oder Frequenzabwei- chungen der verglichenen Normale ist.
Diese Ausdrucks weise ist angemessen, da Frequenz und Zeit physikalisch rezi proke Grössen sind und die Zeiteinheit in Periodenzahl einer genau bekannten Frequenz definiert wird, und ferner ist sie sehr vorteilhaft darin, dass sie leicht und einfach den Vergleich von Signalen mit ganz verschiedenen Frequenzen ermöglicht. Für eine angegebene Frequenz besteht zwischen der Phasenabweichung A.9 und der Zeitverschiebung i(t) prin zipiell kein Unterschied unter der Bedingung, dass beim Er mitteln der Phasenabweichung A9 eine ununterbrochene Inte gration der Teilabweichungen auch beim Überschreiten der Werte Ae = 2n, 4-c <B>...</B> usw. vorgeht.
Es heisst also, dass die Werte AS = α ... AS = 2n + α usw. unterschieden werden. Aus den Gründen der allgemeinen Gültigkeit wird weiter aus- schliesslich der Begriff der Zeitverschiebung i (t) angewen det, ohne Rücksicht darauf, ob es sich um Vergleichung von Frequenznormalen oder Zeitnormalen handelt.
Die Erfindung wird anhand eines Regelvorganges und der Wirkungsweise der Anordnung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein Blockschaltbild der Regelvorrichtung; Fig. 2 ein idealisiertes Zeitdiagramm des Verlaufes der Zeitverschiebung in zwei Ermittlungsintervallen und des da zugehörigen Frequenzverlaufes des geregelten Oszillators.
Gemäss Figur 1 gibt der geregelte Oszillator 1 ein Signal mit der Frequenz fh an seinen Ausgang 10 sowie über die Lei tung 13 auf den Eingang 31 der Zeitvergleichervorrichtung 3. Der zweite Eingang 32 der Zeitvergleichervorrichtung 3 ist mit dem Ausgang 23 der Quelle 2 der Normalfrequenz fe verbunden. Diese Quelle 2 ist ein Rundfunkempfänger für Lang- oder Längstwellen. Es ist jedoch selbstverständlich, dass das beschriebene Verfahren nicht ausschliesslich nur für die Regelung von sekundären Frequenz-oder Zeitnorma len durch Lang- oder Längstwellensendung bestimmt und brauchbar ist. Dieses Verfahren kann in allen Fällen angewen det werden, wo es nötig ist, eine periodische Abhängigkeit der Phase des Steuersignals von der Tageszeit auszuschalten (z.
B. bei einer Übertragung des Steuersignals über eine Tele phonleitung, deren Parameter im Laufe des Tages und der Nacht veränderlich sind), oder wo eine ununterbrochene Übertragung des Steuersignals während des ganzen Tages aus ökonomischen oder technischen Gründen nicht möglich ist (z. B. kann die Tonfrequenz 1 kHz benutzt werden, wel che durch manche Rundfunksender während einiger Minu ten täglich regelmässig gesendet wird). Als Quelle 2 der Eich- frequenz fe kann auch ein gleichwertiger Oszillator dienen, falls es sich um Erhaltung beider Oszillatoren im konstanten Frequenzverhältnis handelt.
Die mechanische oder elektri sche Ausgangsgrösse am Ausgang 34 wird dem Eingang eines einfachen Rechners 4, mit Speicher zugeleitet. An den zweiten Eingang 45 dieses Rechners 4 ist der Ausgang 54 der Funktionssteuereinheit 5 geschaltet, an deren Eingang 50 der Anlassimpuls zugeführt wird. Der Ausgang 46 des Rechners 4 ist mit dem Eingang 64 des Servogerätes 6 ver bunden, das mittels der Kopplung 61-16 mit dem geregelten Oszillator 1 so verbunden ist, dass es das Abstimmen seiner Frequenz fe bewirkt.
Die einzelnen Elemente der Anordnung haben die folgen den Eigenschaften: Der auf die erforderliche genaue Fre quenz fh abgestimmte Oszillator ist ein sehr frequenzstabiler Oszillator, der durch einen Kristall, gegebenenfalls durch Quantenprozesse gesteuert wird. Der Ausgang 10 des Oszillators kann zum Steuern von Frequenzsynthesatoren, elektronischen Zählern und derglei chen verwendet werden. Die Zeitvergleichervorrichtung 3 ist im allgemeinen an sich eine bekannte Vorrichtung, deren Ausgang 34 eine der Zeitverschiebung i (t) des Signales fn des geregelten Oszillators 1 vom Steuersignal fe der Normal frequenzquelle 2 proportionale Grösse liefert. Diese Zeitver gleichervorrichtung 3 kann auf verschiedene Art Bekannter weise ausgeführt werden.
Sie kann aber auch aus Verstär kern des Steuersignals; aus Kreisen für eine Transformation (Synthese) und Kombination der Frequenzen des geregelten Oszillators und des Steuersignals, aus einem Phasendiskrimi- nator und einem servomechanisch gesteuerten Phasenschie ber bestehen, dessen Welle 34 stetig durch. seine Drehung allen Änderungen der Zeitverschiebung (Phasenverschie bung) im nötigen Bereich, z. B. 50 s, folgt. Die Zeitver gleichervorrichtung 3 ist aber auch ohne elektromechani- \ sche Kreise realisierbar, z. B. durch Gebrauch der Elemente der Analog- oder Digitaltechnik.
Die Angabe der Zeitverschiebung c (t), welche als mecha nische oder elektrische Grösse ermittelt werden kann, muss fähig sein, im Speicher des Rechners 4 aufgenommen zu wer den. Der Rechner 4 ist ein einfacher Einzweckrechner, der nach einem einfachen, später erwähnten Algorithmus arbei tet. Er muss fähig sein, in seinem Speicher den Wert der Zeit verschiebung Ti-1 im vorangehenden Zeitpunkt ti-1 für das Feststellen bis zum vorliegenden Zeitpunkt t; aufzubewahren und nach beendeter Berechnung der Korrektur der Fre quenz Fko aus dem Wert ti-1 und aus dem ti der Zeitverschie bung im Zeitpunkt ti diesen letzten Wert Ti im Speicher zu behalten. Das Ausführen dieser Operation wird durch die Programmsteuereinheit 5 gesteuert. Als Befehl zur Ausführung dient ein dem Eingang 50 zugeführter Impuls.
Dieser Impuls kann beliebig ausgelöst werden, z. B. von Hand, am besten jedoch selbsttätig durch eine beliebige Uhr, die vorteilhaft durch den Oszillator 1 gesteuert wird. Am Ausgang 46 des Zählers 4 ist ein Korrektursignal vorhan den, das mittels des Steuergerätes 6 die Korrektur der Ab stimmung des Oszillators 1 um den Wert Fko vornimmt.
Zum Ableiten des Algorithmus des Rechners 4 mit Spei cher dient Figur 2. Hier ist in A der Verlauf der Zeitverschie bung i (t) des geregelten Oszillators gegenüber dem Normal steuersignal in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt. Es sei vorausgesetzt, dass die Ermittlungspunkte in regelmässigen Zeitintervallen der Länge T aufeinanderfolgen. Die Zeit T kann beliebig gewählt werden. Für sehr genaue Oszillatoren ist z. B. die Zeitspanne eine Tages, das ist T = 24 Stunden, ge eignet. Es genügt nämlich eine Tageszeit zu wählen, in wel cher der Empfang des Normalsteuersignals voll gesichert ist und da die Korrektur vorzunehmen. Falls gleichzeitig eine graphische Aufzeichnung der Zeitverschiebung u (t) vorge nommen wird, kann ihr entnommen werden, ob der gere gelte Oszillator eine oder mehrere Perioden der Normalsteu erfrequenz fe übersprungen hat.
Es sei vorausgesetzt, dass im Ermittlungszeitpunkt ti-1 der geregelte Oszillator verstimmt ist und eine gewisse Zeit verschiebung (ti-1 = 0) besitzt. Nach Figur 2 ist der Zeit punkt ti-1 die Zeitverschiebung ii-1 = i (ti-1), die mit einer durch die Vorrichtung gegebenen Genauigkeit festgestellt wurde (was in Figur 2 durch den Toleranzbereich Ai ange deutet ist). In diesem Zeitpunkt besteht die Frequenzabwei chung Fi-1 (wie in B angedeutet ist), die theoretisch für die ganze Zeit T bis zum weiteren Ermittlungszeitpunkt ti kon stant bleibt (die eigene Unstabilität des Oszillators 1 wegen der Vereinfachung der Erklärung nicht berücksichtigt). Der Wert ti-1 ist im Speicher des Rechners 4 gespeichert.
Im Zeitpunkt ti hat die Zeitverschiebung des Oszillators 1 gegenüber dem Normalsteuersignal den Wert ti = t (ti), der wieder durch den Zeitvergleicher 3 im Bereich der Ge nauigkeit Ai des Gerätes festgestellt wurde. Der Verlauf des Wertes der Zeitverschiebung i (t) zwischen diesen Punkten ist in Wirklichkeit nicht linear, wie gezeichnet, sondern be sitzt im allgemeinen zufällige Werte, inbegriffen die Alte rungskomponente; zwecks Erklärung genügt es jedoch, einen theoretisch linearen Verlauf, wie gezeichnet, anzuneh men.
Falls im Zeitpunkt ti keine Korrektur ausgeführt wor den wäre, wird vorausgesetzt, dass der Verlauf der Ände rung der Zeitverschiebung i (t) gemäss der strichlierten Linie des Verlaufes die Fortsetzung der Verbindungslinie der Punkte (ti_l, ii_1) und (ti, ii) sein würde, und der Wert der Verschiebung würde im Zeitpunkt 4;+l den Wert ii+l = 2ii - ii_1 erreichen.
Da man jedoch die Verschiebung ii-1 = 0 erreichen will, muss eine Korrektur Fko der Frequenz fh ein geführt werden, die proportional dem Wert 2ii - Ti-, ist.
Es gilt die Beziehung, dass
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in Worten, dass die Änderung der Zeitverschiebung (t) in glei chem Verhältnis zur Länge des Ermittlungsintervalles T ist, wie die Verschiebung der Frequenz Fi-1 in diesem Intervall zum Frequenz-Nominalwert fh ist.
Ähnlich ist es für das Inter vall ti------- ti+1
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Die Frequenzkorrektur, die im Zeitpunkt ti ausgeführt werden muss, damit im folgenden Ermittlungsaugenblick ti+1 eine Zeitverschiebung ti+l entsteht, muss nach (1) und (2) sein Fk = Fi = Fi-1 =fh 1/T (ti+1 - 2 ti + ti-1) Die relative Frequenzkorrektur ist somit
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Falls im Zeitpunkt ti+1 der Wert Ti+1 Null erreichen soll, beträgt die nötige Frequenzkorrektur des geregelten Oszilla- tors
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Gemäss dieser Beziehung muss der Rechner 4 mit Speicher arbeiten. Eine Verwirklichung eines gemäss diesem Algorith mus arbeitenden Rechners ist auf verschiedene Weise mög lich und ist nicht Gegenstand dieser Erfindung.
In einer Reihe von Fällen ist es vorteilhafter, den durch schnittlichen Wert der Zeitverschiebung T (t) in der Nähe des Ermittlungszeitpunktes ti statt des augenblicklichen Wer tes festzustellen, wodurch die Wirkung von zufälligen Fluk tuationen behoben wird. Da Vorrichtungen, die als Zeitver gleichen 3 verwendet werden können, üblicherweise mit Inte grierelementen ausgestattet sind, ist diese Forderung üblicherweise erfüllt.
Durch das Verfahren und die Anordnung wird gesichert, dass die Frequenzkorrekturen, die für die Erhaltung der Ver schiebung der Phase des geregelten Oszillators in den erfor- derlichen bzw. feststellbaren Grenzen nötig sind, in ihrer ab soluten Grösse kleiner sind als bei anderen Nachstimm-Me thoden bei gleichen Grenzen der zulässigen Phasenabwei chungen. Diese Korrekturen sind bekannt und während eines Intervalls konstant und ein derart geregelter 0szillator kann z. B. auch besser zum genauen Messen von Frequen zen dienen als bekannte Typen dar geregelten Oszillatoren.