DE2712014A1

DE2712014A1 - Anordnung zum vergleichen der phase und der frequenz von impulsen aus zwei impulsfolgen

Info

Publication number: DE2712014A1
Application number: DE19772712014
Authority: DE
Inventors: Ian Wilfrid Buckner
Original assignee: Plessey Handel und Investments AG
Current assignee: Plessey Handel und Investments AG
Priority date: 1976-03-18
Filing date: 1977-03-18
Publication date: 1977-09-29
Also published as: JPS52132663A; CA1070764A; GB1533597A; US4115728A

Description

Patentanwälte

Dfpl -Ing. Dip).-Chem. Dlpt.-Ine. 9 7 1 9 Π 1 Λ

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser ^L '

Ernsborgorstrasse 19

8 München 60

Unser Zeichen; P 2333 16.Märζ 1977

PLESSEY HANDEL UND INVESTMENTS AG
Gartenstrasse 2
6300 Zug, Schweiz

Anordnung zum Vergleichen der Phase und der Frequenz von Impulsen aus zwei Impulsfolgen.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Frequenzvergleichsanordnung und insbesondere auf eine einfach aufgebaute Anordnung, die dann, wenn ihr an zwei Eingängen Impulsfolgen zugeführt werden, eines von zwei AusgangsSignalen erzeugen kann, je nachdem, ob die Impulsfolgen an den zwei Eingängen die gleiche FQlgefrequenz haben, ob die Impulse an einem Eingang in der einen oder der anderen Richtung in Bezug auf die Impulse am anderen Eingang verschoben sind oder ob die Impulsfolgefrequenzen verschieden sind, also die Impulsfolgefrequenz an einem Eingang höher oder niedriger als die am anderen Eingang ist.

Nach der Erfindung ist eine Anordnung zum Vergleichen der Phasenlage und der Frequenz der Impulse aus zwei einem ersten und einem zweiten Eingang zugeführten Impulfsolgen, w/Ra

709839/0943

" * " 27120U

dadurch gekennzeichnet, daß zwei Ausgangskanäle vorgesehen sind, die jeweils den zwei Eingängen zugeordnet sind und daß die Anordnung derart ausgebildet ist, daß sie im ausgangssignalfreien Zustand auf einen Impuls von einem der zwei Eingänge so anspricht, daß sie an dem dem einen Eingang zugeordneten Ausgangskanal ein Ausgangssignal abgibt, und dieses Ausgangssignal bei Ankunft eines Impulses vom anderen Eingang beendet und dadurch den ausgangssignalfreien Zustand wiederherstellt, worauf der erste weitere Impuls von jedem Eingang die Abgabe eines Ausgangssignals zu dem Ausgangskanal herbeiführt, der dem Eingang zugeordnet ist, von dem der weitere Impuls kommt.

Es ist zu erkennen, daß eine solche Anordnung im ausgangssignalfreien Zustand auf einen Impuls an einem ersten der zwei Eingänge so anspricht, daß zu einem vorbestimmten Ausgangskanal der zwei vorhandenen Ausgangskanäle ein Ausgangssignal geliefert wird, bis ein Impuls aus der anderen Impulsfolge ankommt und dieses Ausgangssignal beendet worauf der dann ankommende Impuls das gleiche Ausgangssignal wiederherstellt, wenn dieser Impuls vom ersten Eingang kommt, während er dann, wenn er ein Impuls vom zweiten Eingang ist, die Ausgangssignalabgabe am anderen Ausgangskanal auslöst.Unter der Annahme, daß die Impulsfolge vom ersten Eingang eine der Drehzahl eines Motors proportionale Frequenz hat, daß die Impulsfolge vom zweiten Eingang aus Zeitimpulsen besteht, die beispielsweise von einem Bezugsoszillator erzeugt werden, daß das durch die Ankunft eines Impulses vom ersten Eingang ausgelöste Ausgangssignal als Abv/ärts Steuer eingangssignal für eine Geschwindigkeitseinstelleinheit des Motors benutzt wird, während das andere Ausgangssignal ein

709839/0943

Aufwärtssteuereingangssignal für die gleiche Einheit bildet, und daß ferner die aus der Motordrehzahl abgeleitete Irapulsfolgefrequenz so bemessen ist, daß sie gleich der vom Bezugsoszillator abgeleiteten Frequenz ist, wenn der Motor mit der Solldrehzahl läuft, dann ergibt sich, daß bei einer Motordrehzahl über der Solldrehzahl zwei Impulse vom ersten Eingang von Zeit zu Zeit im Intervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden impulsen vom zweiten Eingang auftreten.Zumindest von diesem Zeitpunkt an bewirken die Impulse vom ersten Eingang die Erzeugung aufeinanderfolgender Perioden des Abwärtssteuerausgangssignals, während die Impulse vom zweiten Eingang diese einzelnen Perioden beenden, und da im Intervall zwischen zwei Impulsen vom ersten Eingang keine zwei Impulse vom zweiten Eingang auftreten können, solange der Motor mit einer Drehzahl über seiner Solldrehzahl läuft, besteht das ^usgangssignal aus abwechselnden Perioden des Abwärtssteuerausgangssignals und aus keinem Ausgangssignal, bis Frequenzgleichheit der Impulsfolgen von den zwei Eingängen erreicht ist. Wenn die zwei Folgefrequenzen gleich gev/orden sind, dann tritt kein Ausgangssignal auf, wenn die Impulse auch phasengleich sind, da ein von einem Impuls an einem der Eingänge ausgelöstes Ausgangssignal im wesentlichen gleichzeitig durch den entsprechenden Impuls am anderen Eingang beendet wird. Wenn andrerseits eine Phasenverschiebung auftritt, die verursacht, daß die Impulse vom ersten Eingang kurz vor oder kurz nach den Impulsen vom zweiten Eingang auftreten, dann werden Abwärtssteuer-bzw. Aufwärtssteuer-Ausgangsimpulse erzeugt, die die zwei Impulsfolgen zu synchronisieren versuchen oder mit anderen V/orten versuchen, die Phasendifferenz zu eliminieren, und die effektiven Länge der einzelnen Steuerperioden, die v/ährend jeder Impulsperiode der Impulsfolgen erzeugt wird, ist der Phasendifferenz zwischen den

709839/0943

27120H

zwei Impulsfolgen im wesentlichen proportional. Da bei Phasengleichheit der zwei Impulsfolgen die erzeugten Ansteuerimpulse (im Idealfall ) unendlich schmal sind und (im Idealfall) keine Energie enthalten, ist in diesem Fall praktisch keine Welligkeit im Ausgangssignal der Schaltung vorhanden.

Ein AusfUhrungsbeispiel der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig.1 ein Schaltbild einer Ausführungsform einer Phasen- und Frequenz-Detektorschaltung,

Fig.2 ein Schaltbild einer Anordnung, mit deren Hilfe die Phasen- und Frequenzbeziehungen der Signale an den zwei Eingängen I₁ und I₂ von Fig.1 in sichtbarer Form angezeigt werden können, und

Fig.3 eine Darstellung zur Veranschaulichung der Verbindung zwischen der erfindungsgemäßen Schaltung und einer Motoreinheit, deren Drehzahl und Phase gesteuert werden soll.

Nach Fig.1 werden die Impulse aus zwei Impulsfolgen I₁ und Ip» deren Impulsfolgefrequenzen f-, bzw. fp betragen, jeweils an die Setzeingänge von zwei Flipflop-Schaltungen B₁ "und B, angelegt, bei denen es sich um RS-Flipflopschaltungen handelt. Der erste Impuls, der aus einer der Eingangsimpulsfolgen I₁ und I₂ ankommt, wenn beide Flipflop-Schaltungen B₁ und Bj rückgesetzt sind, hat zur Folge, daß entweder die zugehörige Flipflop-Schaltung B₁ ein Ausgangssignal an der Leitung Q₁ erzeugt, das als Abwärtssteuerausgangssignal benutzt werden kann, oder daß die zugehörige Flipflop-Schaltung B* an der Leitung Q-, ein Ausgangssignal erzeugt, das als

709839/0943

271201 A

Aufwärtssteuerausgangsslgnal benutzt werden kann. Außerdem werden die von den Flipflop-Schaltungen B₁ und B, in deren gesetzten Zustand erhaltenen Ausgangssignale über eine UND-Schaltung C dem Setzeingang einer weiteren RS-Flipflop-Schaltung B2 zugeführt, was diese veranlaßt, ihren gesetzten Zustand anzunehmen, sobald sich beide Flipflop-Schaltungen B₁ und B, gleichzeitig im gesetzten Zustand befinden; das sich ergebende Ausgangssignal dieser weiteren Flipflop-Schaltung Bp wird an die Rücksetzeingänge der zwei zuvor erwähnten Flipflop-Schaltungen B₁ und B, angelegt.

Das Rücksetzen der weiteren Flipflop-Schaltung B₂» nachdem diese die zwei anderen Flipflop-Schaltungen B₁ und B, zurückgesetzt hat, wird mit Hilfe einer NOR-Schaltung D bewirkt, an deren zwei Eingänge die zwei Eingangsimpulsfolgen I₁ und I2 angelegt werden, sobald in diesen beiden Eingangsimpulsfolgen gleichzeitig Impulse fehlen.

Es ist zu erkennen, daß bei Frequenz- und Phasengleichheit der Impulse der zwei Eingangsimpulsfolgen I₁ und I₂ jeder Impuls der zwei Folgen jeweils die Flipflop-Schaltungen B₁ und B-x in ihren Setzzustand bringt, während im wesentlichen gleichzeitig das von den zwei Flipflop-Schaltungen erzeugte Ausgangssignal über die UND-Schaltung Cden Setzzustand der weiteren Flipflpp-Schaltung·B₂ erzeugt, wodurch die beiden zuerst genannten Flipflop-Schaltungen B₁ und B₂ so zurückgesetzt werden, daß keines der Ausgangssignale dieser Flipflop-Schaltungen B₁ und B, wirksam wird.

Wenn die Frequenzen der zwei Impulsfolgen I₁ und I₂ gleich sind, eine Impulsfolge, beispielsweise die Folge I₁,

709839/0943

gegenüber der anderen hinsichtlich der Phase Jedoch voreilt, dann setzt der erste Impuls aus der voreilenden Impulsfolge (I₁) die Flipflop-Schaltung B₁ so, daß ein Ausgangssignal von der Leitung Q₁ erzeugt wird, das zur Herabsetzung der Frequenz der Impulsfolge benutzt werden kann; dieses Ausgangssignal wird solange aufrechterhalten, bis es durch Rücksetzen der Flipflop-Schaltung B₁ gelöscht wird, wenn nach der Ankunft des ersten Impulses der Folge I₂ bei der Flipflop-Schaltung B, die kombinierten Ausgangssignale der Flipflop-Schaltungen B und B* die weitere Flipflop-Schaltung B₂ veranlassen, die beiden zuerst genannten Flipflop-Schaltungen B₁ und B, zurückzusetzen, bevor die weitere Flipflop-Schaltung B₂ selbst in der obengenannten Weise zurückgesetzt wird. Ein ähnlicher Arbeitszyklus erfolgt für jedes weitere Impulspaar der zwei Impulsfolgen I₁ und I₂, solange die Impulse der Folge I₁ hinsichtlich ihrer Phase voreilen; die Länge jedes Ausgangsimpulses an der Leitung Q₁ ändert sich entsprechend dem Betrag der Phasenvoreilung, und es ist zu erkennen, daß dann,wenn die Voreilung negativ wird, d.h. wenn zu irgendeinem Zeitpunkt der nächste Impuls aus der F_olge I₂ bei der Flipflop-Schaltung B, ankommt, ehe der nächste Impuls aus der Folge I₁ an der Flipflop-Schaltung B₁ ankommt, die Flipflop-Schaltung B, an der Ausgangsleitung Q, einen Ausgangsimpuls erzeugt, dessen Länge der Phasenvoreilung der Impulse der Impulsfolge bezüglich der Impulse der Impulsfolge I₁ proportional ist. Wenn die Frequenz der Impulse einer Folge, beispielsweise der Folge I₁ , höher als die Frequenz der Impulse der

709839/0943

- r-

27120H

'40-

anderen Folge ist, dann wird auch unter der Annahme, daß anfänglich die Impulse aus dieser Impulsfo^ mit niedrigerer Frequenz hinsichtlich der Phase voreilen, diese Phasenvoreilung nach einer kurzen Zeit verschwinden und umgedreht, und von diesem Zeitpunkt an erscheinen Ausgangs-Impulse nur an der Ausgangsleitung Q₁, bis die Frequenzdifferenz verschwindet oder umgedreht wird. Wegen der höheren Frequenz der zuerst genannten Impulsfolge kommt es von Zeit zu Zeit vor, daß ein zweiter Impuls dieser Folge vor dem Eintreffen des nächsten Impulses aus der anderen Folge ankommt, d.h. an einem Zeitpunkt, an dem die Flipflop-Schaltung, an die der Impuls angelegt wird, noch gesetzt ist; diese Flipflop-Schaltung bleibt daher von der Ankunft dieses besonderen Impulses aus der ersten Impulsfolge unbeeinflußt, so daß das gleiche Ausgangssignal (Q₁) weiterhin wirksam wird, bis es durch die Ankunft des nächsten Impulses aus der anderen Folge unterbrochen wird, worauf das gleiche Ausgangsignal Q₁ wieder bis zur Ankunft des nächsten Impulses aus der ersten Impulsfolge wirksam wird, da auf Grund der höheren Frequenz dieser Folge die Ankunft dieses Impulses vor der Ankunft des nächsten Impulses aus der anderen Folge stattfindet.

Eine Detektorschaltung, wie sie unter Bezugnahme auf Fig.1 beschrieben wurde, kann dazu verwendet werden, eine Anzeige für eine Phasen- und Frequenzdifferenz zwischen Impulsfolgen zu erhalten, die an die zwei Eingänge angelegt sind. Eine solche Anzeige kann dadurch erhalten werden, daß die zwei Ausgangsleitungen Q₁ und Q, an die Schaltung von Fig.2 angeschlossen werden. Diese Schaltung enthält im wesentlichen zwei Integrationsschaltungen, die jeweils aus einem Gleichrichter F₁ und F, und einem damit jeweils in Serie geschalteten Kondensator K₁ bzw. K, bestehen; parallel zu

709839/0943

27120U

jedem Kondensator 1st ein Widerstand W₁ bzw. W, geschaltet und ein Differenzvoltmeter verbindet die zwei Integrationsschaltungen am Verbindungspunkt zwischen dem Gleichrichter und dem Kondensator. Wenn und solange die Impulse am Eingang I₁ hinsichtlich ihrer Phase gegenüber den Impulsen am Eingang Ig voreilen, erscheinen am Ausgang Q₁ Ausgangsimpulse mit gleicher Länge entsprechend dem Betrag der Phasenverschiebung, während am Ausgang Q, keine Impulse erscheinen. Am Kondensator K₁ entsteht daher eine der Phasenverschiebung proportionale Spannung, die am Differenzvoltmeter V durch eine entsprechende Auslenkung nach einer Seite angezeigt wird. Andrerseits wird der Zustand der Voreilung der Impulse am Eingang I₂ gegenüber den Impulsen am Eingang I₁ in der gleichen Weise durch eine entsprechende Auslenkung zur anderen Seite angezeigt. Wenn die Frequenz der Impulse am Eingang I₁ geringfügig höher als die der Impulse am Eingang I₂ ist, dann treten wieder nur am Ausgang Q₁ Ausgangsimpulse auf, jedoch ändert sich die Länge dieser Impulse mit einer der Frequenzdifferenz proportionalen Geschwindigkeit, so daß zumindest bei relativ kleinen Frequenzdifferenzen am Differenzvoltmeter V eine Anzeige zu beobachten ist, die zur gleichen Seite wie die bei Phasenvoreilung der Impulse am Eingang I₁ gegenüber den Impulsen am Eingang Ip erhaltene Anzeige geht, die jedoch entsprechend der Frequenzdifferenz Amplitudenschwankungen zeigt; in der gleichen Weise zeigt das Differenzvoltmeter eine Ablenkung zur anderen Seite, die sich ebenfalls rhytmisch mit einer der Frequenzdifferenz proportionalen Geschwindigkeit ändert, wenn die Impulsfrequenz am Eingang I₂ höher als die am Eingang I₁ ist.

709839/0943

27120H

In Fig.3 ist die Anwendung der Phasen-und Frequenzdetektorschaltung nach der Erfindung bei der Regelung eines Motors dargestellt. Diese Schaltung, die vorzugsweise so ausgebildet ist, wie in Fig.1 dargestellt ist, ist in Fig.3 als Block A angegeben, dem eine von der Motordrehzahl abhängige Eingangsimpulsfolge I- mit der Frequenz f^ aus einem von der Welle F der gesteuerten Motoreinheit G angetriebenen Tachogenerator E geliefert wird; die Zeitimpulsfolge der Frequenz Fp wird dabei von einem Bezugsoszillator H geliefert. Das Aufwärtssteuerausgangssignal Q, und das Abwartssteuerausgangssignal Q.. der Schaltung A wird dem Drehzahlsteuerteil G₁ der Motoreinheit G über eine Leitung X und eine Verstärker- und Filtereinheit J so zugeführt,daß die Zufuhr des Aufwärtssteuerausgangssignals zum Drehzahlsteuerabschnitt G₁ die Drehzahl der Motoreinheit G erhöht, während die Zufuhr des Abwartssteuerausgangssignal s zum Abschnitt G₁ die Motordrehzahl erniedrigt.

Aus der obigen Beschreibung von Fig.1 ist zu erkennen, daß dann, wenn die Impulse der Folge I₁ eine höhere Frequenz als die Impulse der Folge Ip oder eine Phasenvoreilung gegenüber den Impulsen dieser Folge Ip aufweisen, die Steuereinheit G₁ eine Folge von Abwärtssteuerimpulsen empfängt, so daß die Drehzahl der Motoreinheit G fortschreitend erniedrigt wird, bis der Frequenzüberschuß oder die Phasenvoreilung der Impulse der Folge I₁ in Bezug auf die Folge I₂ eliminiert oder umgedreht ist. Y/enn andrerseits die Impulse der Folge I₂ eine höhere Frequenz als die der Folge I₁ haben, oder hinsichtlich der Phase gegenüber den Impulsen der Folge I₁ voreilen,

27120H

'13-

dann bewirkt die Steuereinheit G₁ in gleicher Weise eine Erhöhung der Drehzahl der Motoreinheit G. Die Phasen- und Frequenzdetektorschaltung von Fig.1 ist zwar besonders einfach und wirksam, doch ist die Erfindung nicht auf die Anwendung dieser speziellen Schaltung beschränkt, die durch eine andere Schaltung ersetzt werden könnte, die abhängig von der Zuführung der zwei Impulsfolgen mit den jeweiligen Frequenzen F₁ und Fp ein Aufwartssteuerausgangssignal oder ein Abwärtssteuerausgangssignal in der gleichen Weise liefert, in der auch die zwei Ausgangssignale Q₁ und GU durch die Schaltung vonFig.1 erzeugt werden.

709839/0943

Leerseite

Claims

Pat3nianwä:te

Dipl-Ing. Dipl-Chem. Dipl.-Ing.

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

Ernsbergerstrasse 19

8 München 60 2712014

Unser Zeichen: P 2333 i6.März 1977

PLESSEY HANDEL UND INVESTMENTS AG
Gartenstrasse 2
6300 Zug, Schweiz

Patentansprüche

M-/Anordnung zum Vergleichen der Phasenlage und der Frequenz der Impulse aus zwei einem ersten und einem zweiten Eingang zugeführten Impulsfolgen, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Ausgangskanäle (Q₁, Q,) vorgesehen sind, die ,jeweils den zwei Eingängen (I₁, I₂) zugeordnet sind und daß die Anordnung derart ausgebildet ist, daß sie im ausgangssignalfreien Zustand auf einen Impuls von einem der zwei Eingänge so anspricht, daß sie an dem dem einen Eingang zugeordneten Ausgangskanal ein Ausgangssignal abgibt, und dieses Ausgangssignal bei Ankunft eines Impulses vom anderen Eingang beendet und dadurch den ausgangssignalfreien Zustand wiederherstellt, worauf der erste weitere Impuls von jedem Eingang die Abgabe eines Ausgangssignals zu dem Ausgangskanal herbeiführt, der dem Eingang zugeordnet ist, von dem der weitere Impuls kommt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine erste und eine zweite RS-Flipflop-Schaltung (B₁, B₃), die jeweils den zwei Eingängen^ , I₂) zugeordnet sind und .jeweils einen Setzeingang (S) aufweisen, der mit dem Eingang verbunden ist, dem die Flipflop-Schaltung zugeordnet ist, sowie einen Ausgang aufweisen, der im gesetzten

709839/0943

ORIGINAL INSPECTED

27120H • I.

Zustand der Flipflop-Schaltung ein Ausgangssignal zu einem zugehörigen Ausgangskanal (Q₁, Q,) abgibt und im rückgesetzten Zustand der Flipflop-Schaltung kein Ausgangssignal an einem zugehörigen Ausgangskanal (Q₁, Q,) abgibt, und eine UND-Schaltung (C) mit zwei Eingängen, von denen einer jeweils an einem der zwei Ausgangskanäle (Q) angeschlossen ist, sowie mit einem Ausgang, der mit dem Setzeingang (S) einer dritten Flipflop-Schaltung (B₂) verbunden ist, wobei diese dritte Flipflop-Schaltung (B₂) in ihrem gesetzten Zustand ein Rücksetz-Eingangssignal an die erste und an die zweite Flipflop-Schaltung (Rj, B₂) liefert.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Flipflop-Schaltung(B₂) ebenfalls eine RS-Flipflop-Schaltung ist, und daß eine NOR-Schaltung (D) vorgesehen ist, die zwei Steuereingänge aufweist, von denen jeweils einer mit einem der zwei Eingänge (I₁, I₂) der Anordnung verbunden ist, während ihr Ausgang mit dem Rücksetzanschluß (R) der dritten Flipflop-Schaltung (B₂) verbunden ist.

U. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Frequenzregler (G₁) für die die erste Impulsfolge abgebende Quelle (G, E), wobei dieser Frequenzregler einen Abwärtssteuereingang aufweist, zu dem der erste Ausgangskanal (Q₁) geführt ist, sowie einen Aufwärtssteuereingang aufweist, zu dem der zweite Ausgangskanal (Q,) geführt ist.

709839/0943

27120U

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die die erste Impulsfolge abgebende Quelle ein Tachogenerator (E) ist, der von einem r^otor (G) angetrieben ist, dessen Drehzahl und Winkelposition gesteuert werden soll.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die die zweite Impulsfolge abgebende Quelle ein mit konstanter Frequenz arbeitender Bezugsoszillator (H), beispielsweise ein quarzgesteuerter Oszillator ist.