DE1762746A1 - Verfahren zur Syntonisation genauer Oszillatoren und Anordnung zum Durchfuehren dieses Verfahrens - Google Patents

Description

Aktenzeichen: P 17 62 746. 2-31

Anmelder: SYNCHRON, druzstvo pro vj^oj α kusovou vjrobu mericich pristroju, Praha 3, Borivojova 33

"Verfahren zur Syntonisation genauer Oszillatoren und Anordnung zum Durchfuhren dieses Verfahrens"

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Regelung von genauen Schwingungserzeugern, vor allem von Grundoszillatoren der sekundären Normalfrequenz- oder Normalzeitanlagen mittels Normalfrequenzsignalen, welche entweder durch eine Reihe von Rundfunksendern der Welt im Bereich der Langwellen oder Längstwellen gesendet werden oder durch andere Mittel zugeführt werden. Die Erfindung betrifft weiter die dazugehörige Anordnung.

Zum Einstellen genauer frequenzstabiler Grundoszillatoren, deren Frequenz zum Steuern sekundärer Frequenz- oder Zeitnormale und dgl. dient, werden Regelanlagen verwendet, welche auf den Oszillator derart einwirken, daß er mit beständig kohärenter Phase mit der Frequenz des Steuerfrequenznoraales schwingt, selbstverständlich

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in Grenzen technisch erreichbarer Genauigkeit unter Einwirkung von Messfehlern, Ubertragungsstärungen des Steuersignals, Alterung der Anordnung, vor allem des Quarzes und anderer äußerer Einflüsse, wie Temperaturschwankungen, Spannungsschwankungen und ähnlichem. Diese Vorrichtungen betätigen dauernd und stetig die Abstimmungsorgane des geregelten Grundoszillators in Abhängigkeit von der jeweiligen Grüße seiner Phasenabweichungen vom idealen Zustand, so daß jede Änderung der Parameter des Ubertrqgunsweges des Normalsteuersignals (z. B. Fading, usw.), der Eigenschaften des Empfängers und weiterer Teile der Regelanlage, welche sich als Änderung der Phasenanlage des Normalsteuersignals im Vergleichungspunkt mit dem Signal des geregelten Oszillators ergibt, unerwünschte Regelvorgänge bewirkt· Die Frequenz des geregelten Oszillators wird dadurch mit restlichen Tagesvariationen belastet· Die Übertragung von Normalfrequenzsteuersignalen im Bereich von Lang- und Längstwellen ist bekanntlich nur während des Tages verläßlich, wo die Phasenverschiebung an der Empfangsstelle gegenüber der Sendestelle verhältnismäßig beständig ist. Dagegen treten beim Sonnenaufgang und Sonnenuntergang wesentliche Änderungen dieser Verschiebung (auch um mehrere Perioden) und während der Nacht noch zufällige Fluktuationen tevf, welche dann zu unerwünschten Regelungsvorgängen fuhren. Beim Ausfall des Normalsteuersignals geht der ganze Regelvorgang verloren. Anlagen, welche diesen Falls verhüten sollen, sint sehr kompliziert, teuer und störanfällig. Um große Zeitkonstanten des Reglers zu erreichen, ist es notwendig* das elektromechanische Prinzip im Regler anzuwenden, welcher aber wegen der Forderung des Dauerbetriebes bei kleiner Leistung sehr anspruchsvoll ist.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die erwähnten Nachteile bekannter Regelverfahren von Oszillatoren zu beseitigen , vor allem aber eine wesentliche Beschränkung der Möglichkeit des Auftretens einer irreversibilen Phasenverschiebung der Größe eines Vielfachens vom 2 Tf" , der großen Frequenzschwankungen des geregelten Oszillators beim stetigen Regelvorgang, der Abhängigkeit der Tätigkeit des Regelvorganges von zufälligen Änderungen und Störungen der Übertragung des Norsalfrequenzsteuersignales zu erreichen·

Weiter ermöglicht die Erfindung eine wesentliche Vereinfachung der Konstruktion der Vorrichtungen, was sich gUnstig hinsichtlich des notwendigen Aufwandes und der Störanfälligkeit der Apparatur auswirkt. Die Erfindung steigert die ZuVerläßlichkeit der Regelung um einen sehr großen Wert. Sie ermöglicht auch, daß genaue Oszillatoren geregelt werden können, deren Frequenz von der Normalsteuerfrequenz verschieden ist, sogar nicht einmal in einem harmonischen Verhältnis mit ihr steht.

Der Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur automatischen Regelung von Oszillatoren, insbesondere für sekundäre Normalfrequenz- oder Normalzeitanlagen, bei dem die gemessene Zeitverschiebung (T* ) des geregelten Oszillators im Vergleich zum Normalfrequenzsteuersignal in eine Größe Überfuhrt wird, deren Wert in einem Speicher gespeichert werden kann, und in voraus bestimmten, regelMttßig nit einen konstanten Zeitintervall (T) sich wiederholenden Ermittlungszeitpunkten (t.) eine Frequenzkorrektur (F, )

unter Anwendung eines gespeicherten Wertes Cl ·ι) der Zeitver-

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Schiebung im vorangehenden Ermittlungsaugenblick (t. .) und des im eben vorliegenden Ermittlungsaugenblicks (t.) festgestellten Wertes CC .) der Zeitverschiebung berechnet wird und nach AusfU-hren dieser Berechnung im Speicher der zuletzt festgestellte Wert ( L .) gespeichert wird und eine Änderung

der Frequenz (f.) des geregelten Oszillators um eine berechnete h

Korrektur (F, ) ausgeführt wird, wobei die Korrekter (F, ) nach der Gleichung

^Fko J_ ( 2 T . fi , ) erfolgt,

_f β 1 1-1

h · T

wobei f die Nennfrequenz des geregelten Oszillators ist. Ferner

kann erfindungsgemäß die Zeitverschiebung als Durchschnittswert der Zeitverschiebung in der Nähe des Ermittlungsaugenblick ermittelt werden. Die Anordnung zum Durchfuhren des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht aus einem Zeitvergleicher, an dessen Ausgang eine Rechenvorrichtung mit einfachen Speicher angeschlossen ist, welche an eine Programmsteuereinheit angeschlossen ist und gemäß dem früher erwähnten Algorithmus periodisch in Ermittlungsaugenblicken arbeitet, welche durch Steuerimpulse am Eingang der Programmsteuereinheit bestimmt werden, und aus einer an den Rechner mit Speicher gekoppelten Betätigungseinheit, welche die Abstimmung des geregelten ftszillators bewirkt·

Eine genaue Vergleichung von untereinander entfernten Normalen der Frequenz oder der Zeit ist wegtn der Eigenschaften der gebräuchlichen Ubertragungskanäle nur in genügend langen Zeitabttttnden (T) möglich. In diesen Zeitabständen (1 Tag und mehr) wird die mittlere

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Abweichung Δ f der Frequenz des geregelten Oszillators festgestellt. Dies ist möglich in einfacher 'Weise, wenn die Frequenz des Steuernormals mit der Frequenz des geregelten Oszillators Übereinstimmt (^₁ = f«)» Sind diese Frequenzen verschieden

(f. £ fn)r können beide oder nur eine von ihnen auf eine anders

gelegene Frequenz f_o transponiert oder umgerechnet werden. Bei

sehr genauen Oszillatoren wird die Frequenzabweichung durch Messen der PhasenabweichungΔγ am Anfang und am Ende des Ermittlungszeitabstandes T durchgeführt. Die Phasenverschiebung Δ ^P eines Signals kann vorteilhaft durch eine Zeitgröße (Zeitversehiebung Voreilen, Nacheilen) Z (t) = <f (t) , resp. Γ (t) = ^ (t) + k,

2T f 2Jf

ausgedruckt werden, wobei die Größe der konstante k unbedeutend für die Auswertung der Phasen- oder Frequenzabweichungen der verglichenen Normale ist. Diese Ausdrucksweise ist angemessen, da Frequenz und Zeit physikalisch reziproke 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. FUr eine gegebene Frequenz besteht zwischen der Phasenabweichung Δ C-f und der Zeitverschiebung ^C (t) prinzipiell kein Unterschied unter der Bedingung, daß beim Ermitteln der Phasenabweichur.g Δ ^f eine ununterbrochene Integration der Teilabweicbungen auch beim Überschreiten der Wertet Φ = 2 IT» 4~j{~ . ,,»* U3w.

vorgeht, Ee heißt also, daß die WerteAC^ = <Κ ··· 4 ^ -■ * If"

+ CTv usw. unterschieden werden. Aue den Gründen der ■-Ilgemeinen Gültigkeit wird weiter ausschließlich der Begriff der Zeitverschiebung Έ (t) angewendet, phne Rücksicht darauf, ob »s sich um der; Vergleich von Frequenznormalen oder Zeitnormalne bördelt.

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Das Wesen der Erfindung wird näher durch die eingehende Beschreibung des Regelvorganges und der Wirkungsweise der Anordnung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein Blockschaltbild der er*findungsgemäßen Regelvorrichtung und

Figur 2 ein idealisiertes Zeitdiagramm des Verlaufes der Zeitverschiebung in zwei Ermittlungsintervallen und des dazugehörigen Frequenzverlaufes des geregelten Oszillators.

In Blockschaltbild nach Figur 1 ist mit 1 ein geregelter Oszillator

bezeichnet, der ein Signal mit Frequenz f, an seinem Ausgang 10

und mittels der Verbindungsleitung 13-31 in den Eingang 31 der Zeitvergleichervorrichtung 3 liefert. Der zweite Eingang 32 der Zeitvergleichervorrichtung 3 ist mit dem Ausgang 23 der Quelle 2 der Normaleichfrequenz f verbunden. Diese Quelle 2 ist in unser·· Beispiel ein Rundfunkempfänger für Lang- oder Längstwellen· Es ist jedoch selbstverständlich, daß das beschriebene Verfahren nicht ausschließlich nur für die Regelung von sekundären Frequenz- oder Zeit-Normalen durch Lang- oder Längstwellensendung bestimmt und brauchbar ist. Dieses Verfahren kann in allen Fällen angewendet 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 Telefonleitung, deren Parameter im Laufe des Tages und der Nacht veränderlich sind), oder wo eine ununterbrochen· Übertragung des Steuersignals während des ganzen Tages aus ökonomischen oder technischen Gründen nicht möglich ist (z. B, kann die Tonfrequenz 1 kHz benutzt werden, welche

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durch manche Rundfunksender während einiger Hinuten täglich regelmäßig gesendet wird). Als Quelle 2 der Eichfrequenz f kann

auch ein gleichwertiger Oszillator dienen, falls es sich um Erhaltung beider Oszillatoren im konstanten Frequenzverhältnis handelt. Die mechanische oder elektrische 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 verbunden, das mittels der Kopplung 61-16 mit dem geregelten Oszillator 1 so verbunden ist, daß es das Abstimmen seiner Frequenz f, bewirkt.

Die einzelnen Elemente der Anordnung haben die folgenden Eigenschaften: Der auf die erforderliche genaue Frequenz f, 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 Uhren, von Frequenzsynthesatoren, von elektronischen Zählern und dergleichen verwendet werden. Die Zeitvergleichervorrichtung 3 ist im allgemeinen eine an sich bekannte Vorrichtung, deren Ausgang 34 eine der Zeitverschiebung L/ (t) des Signals JF, des geregelten Oszillators 1

vom Steuersignal f der Normalfrequenzquelle 2 proportionale Größe liefert. Diese Zeitvergleichervorrichtung 3 kann auf verschiedene Art bekannterweise ausgeführt werden. Sie kann aber auch aus Verstärkern des Steuersignals, aus Kreisen fUr eine Transformetion (Synthese) und Kombination der Frequenzen des geregelten Oszillator^ und des Steuersignals, aus einem Phasendiskriminator ιφο einem servomechanisch gesteuerten Phasenschieber bestehen, des&sn VjIJU 3-

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stetig durch seine Drehung allen Änderungen der Zeitverschiebung (Phasenverschiebung) im nötigen Bereich, z„ B. - 50 fjs_t folgt. Die Zeitvergleichervorrichtung 3 ist aber auch ohne elektromechanisch^ Kreise realisierbar, z. B. durch Gebrauch der Elemente der Analog- oder Digitaltechnik,

Die Angabe der Zeitverschiebung ^ (t), welche als mechanische oder elektrische Größe ermittelt werden kann, muß fähig sein, im Speicher des Rechners 4 aufgenommen zu werden. Der Rechner 4 ist ein einfacher Einzweckrechner, der nach einem einfachen, später erwähnten Algorithmus arbeitet. Er muß fähig sein, in seinem Speicher den Wert der Zeitverschiebung f ·. . im vorangehenden Zeitpunkt t. . fUr das Feststellen bis zum vorliegenden Zeitpunkt t. aufzubewahren und

nach beendeter Berechnung der Korrektur der Frequenz F, aus dem Wert \f . . und dem C · der Zeitverschiebung im Zeitpunkt t.

diesen letzten Wert T~ . im Speicher zu behalten. Das Ausfuhren dieser Operation wird durch die Programmsteuereinheit 5 gesteuert· Als Befehl zur Ausfuhrung dient ein dem Eingang 50 zugefUhrter 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 ist ein Korrektursignal vorhanden, das mittels des Steuergerätes die Korrektur der Abstimmung des Oszillators 1 um den Wert F, vornimmt·

Zum Ableiten des Algorithmus des Rechner· 4 mit Speicher dient Figur 2. Hier ist in A der Verlauf der Zeitverschiebung \j (t) des geregelten Oszillators gegenüber dem Normalsteuersignal in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt· Es sei vorausgesetzt, daß

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die Ermittlungspunkte in regelmäßigen Zeitintervallen der Länge T aufeinanderfolgen,) Die Zeit T kann beliebig gewählt werden· FUr sehr genaue Oszillatoren ist z.B„ die Zeitspanne eines Tages_y d.i. T = 24 Stunden, geeignet· Es genUgt nämlich eine Tageszeit zu wählen, in welcher der Empfang des Normalsteuersignals voll gesichert ist und da die Korrektur vorzunehmen. Falls gleichzeitig eine graphische Aufzeichnung der Zeitverschiebung ^f (t) vorgenommen wird, kann ihr entnommen werden, ob der geregelte Oszillator eine oder mehrere Perioden der Normalsteuerfrequenz f Über-Sprüngen hat.

Es sei vorausgesetzt, daß im Ermittlungszeitpunkt t. . der geregelte Oszillator verstimmt ist und eine gewisse Zeitverschiebung (C., / 0) besitzt. Nach Figur 2 ist im Zeitpunkt t. , die Zeitierschiebung C · ι = C (t. .), die mit einer durch die Vorrichtung

gegebene Genauigkeit festgestellt wurde (was in Figur 2 durch den Toleranzbereich Λ O angedeutet ist). In diesem Zeitpunkt besteht die Frequenzabweichung F. . (wie in B angedeutet ist), die theoretische fUr die ganze Zeit T bis zum weiteren Ermittlungszeitpunkt t. konstant bleibt (die eigene Unstabilität des Oszillators 1 wegen der Vereinfachung der Erklärung nicht berücksichtigt). Der Wert C . . ist im Speicher des Rechners 4 gespeichert.

Im Zeitpunkt t. hat die Ze.ltverechiebung des Oszillators 1 gegenüber dem Normaleteuereignal den Wert u . s ^f (t,)_f der wieder durch den

Zeitvergleicher 3 im Bereich der Genauigkeit ^u des derates festgestellt wurde. Der Verlauf des Wertes der Zeitverschiebung {/ (t) ist zwischen diesen Punkten in Wirklichkeit nicht linear, wie ge-

00«83*/OeSS ' ^!C "_BAD G-IGlNAL

zeichnet, sondern besitzt im allgemeinen zufällige Werte, inbegriffen die Alterungskomponente« Zum Zwecke der Erklärung genügt es jedoch, einen theoretisch linearen Verlauf, wie gezeichnet, anzunehmen. Falls im Zeitpunkt t. keine Korrektur ausgeführt

worden wäre, wird vorausgesetzt, daß der Verlauf der Änderung der Zeitverschiebung t (t) gemäß der strichlierten Linie des Verlaufes (Fortsetzung der Verbindungslinie der Punkte (t. ., "V * ,) und

(t., C .) sein wUrde, und der Wert der Verschiebung wUrde im Zeitpunkt t. . den Wert C . ,«2C/.-V/.. erreichen. Da man jedoch die Verschiebung £, . . s 0 erreichen will, muß eine Korrektur F, der Frequenz f. eingeführt werden, die proportional

dem Wert 2C₁- C . , ist.
Es gilt die Beziehung, daß

i - ι =

^{T f}h

in Worten, daß die Änderung der Zeitverschiebung (t) in gleichem Verhältnis zur Länge des Ermittlungsintervalles T ist, wie die Verschiebung der Frequenz F. . in diesem Intervall zum Frequenz-Nominalwert f. ist. Ähnlich ist es für das Intervall t. —"""*·₊ι

^H-I₁" ^i u ^Fi (2)

^{T f}h

Die Frequenzkorrektlr, die im Zeitpunkt t, ausgeführt werden muß, damit im folgenden Ermittlungeaugenblick t. . eine Zeitverschiebung C". . entsteht, nufi noch (1) und (2) sein

00983W0665 "»- _{MD 0R|<3WAL}

F, = F. - F. . = f. \ (Γ . ,-2 Γ.+ t . , ) k ι i-l h T ^υ l+l ι l-l '

Die relative Frequenzkorrektur ist somit

Λ . ι . {γ _M -2 -C_{1 +} ^₁

h '

Falls im Zeitpunkt t. . der Vfert L . .. Null erreichen soll, beträgt die nötige Frequenzkorrektur des geregelten Oszillators

^Fko = - 1 . ( 2 X - IT ).

_{f T} ι i-l

Gemäß dieser Beziehung muß der Rechner 4 mit Speicher arbeiten. Eine Verwirklichung eines gemäß diesem Algorithmus arbeitenden Rechners ist auf verschiedene Weise möglich und ist nicht Gegenstand dieser Erfindung.

In einer Reihe von Fällen ist es vorteilhafter, den durchschnittlichen Wert der Zeitverschiebung X~(t) in der Nähe des Ermittlungszeitpunktes-t. statt des augenblicklichen Wertes festzustellen wodurch die Wirkung von zufälligen Fluktuationen behoben wird. Oa Vorrichtungen, die als Zeitvergleicher 3 verwendet werden können. Üblicherweise mit Integrierelementen ausgestattet sind, ist dies· Forderung Üblicherweise erfüllt.

Durch das Verfahren und die Anordnung wird gesichert, daß die Frequenzkorrekturen, die für die Erhaltung der Verschiebung der Phase des geregelten Oszillators in den erforderlichen bzw, feststellbaren Grenzen nötig sind, in ihrer absoluten Größe kleiner si.nl

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als bei anderen Nachstimmethoden bei gleichen Grenzen der zusätzlichen Phasenabweichungen· Diese Korrekturen sind bekannt und während eines Intervalls konstant und ein derart geregelter Oszillator kann z.B. auch besser zum genauen Messen von Frequenzen dienen als bekannte Typen der geregelten Oszillatoren.

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Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE :

   le Verfahren zur automatischen Regelung von Oszillatoren, insbesondere für sekundäre Normalfrequenz- oder Normalzeitanlagen, dadurch gekennzeichnet, daß die gemessene Zeitverschiebung ( (, (t) ) des geregelten Oszillators im Vergleich zum Noramlfrequenzsteuersignal in eine Größe Überfuhrt wird, deren Wert in einem Speicher gespeichert werden kann und in voraus bestimmten, regelmäßig mit einem konstanten Zeitintervall (T) sich wiederholenden Ermittlungszeitpunkten (t.) eine Frequenzkorrektur (F, ) unter Anwendung eines gespeicherten Wertes ( Tj . « ) der Zeitverschiebung ( C) im vorangehenden Ermittlungszeitpunkte (t. ,) und des im vorliegenden Ermittlungszeitpunkt (t.) festgestellten Wertes (T\)

   der Zeitverschiebung berechnet wird und nach dieser Berechnung im Speicher der zuletzt festgestellte Wert (C-.) gespeichert

   wird und eine Änderung der Frequenz (f.) des geregelten Oszillators um eine berechnete Korrektur (F, ) ausgeführt wird, wobei die Korrektur (F, ) nabh der Gleichung

   ^Fko » I ( 2 1 . - T₄₁ ) erfolgt,

   π
   wobei f, die Nennfrequenz des geregelten Oszillators ist.

   2· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitverschiebung ("£*) als Durchschnittswert der Zeit-

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   verschiebung in der Ntthe des Ermittlungsaugenblicks ermittelt wird«

   3. Anordnung zur Durchfuhrung des Verfahrens nach Anspruch 1 und/ oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang (34) eines an sich bekannten Zeitvergleichers (3) eine Rechenvorrichtung (4) mit einfachem Speicher angeschlossen ist, welche an eine Programmsteuereinheit (5) angeschlossen ist, und gemäß dem im Anspruch 1 erwähnten Algorithmus periodisch in Ermittlungszeitpunkten (t.) in regelmäßigen Intervallen (T) durch Steuerimpulse am Eingang (50) der Programmsteuereinheit (5) arbeitet, und daß an den Ausgang (46) der Rechenvorrichtung (4) mit Speicher eine Betätigungseinheit (6) angeschlossen ist, welche die Abstimmung des geregelten Oszillators (1) um eine Korrektur (F₁ ) nachstellt.

   KO

   PATENTANWALT

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