DE2948330A1

DE2948330A1 - Frequenzmessgeraet

Info

Publication number: DE2948330A1
Application number: DE19792948330
Authority: DE
Inventors: Shoji Niki
Original assignee: Takeda Riken Industries Co Ltd
Current assignee: Advantest Corp
Priority date: 1978-12-12
Filing date: 1979-11-30
Publication date: 1980-07-10
Also published as: DE2948330C2; US4310891A; JPS5580061A

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Frequenzmeßgerät gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Es ist zum Messen hoher Frequenzen z.B. oberhalb mehrerer Hundert Megahertz bestimmt. Bei einem Frequenzmeßgerät dieser Art werden durch einen Frequenzwandler die Frequenzen eines Eingangssignals, eines Uberlagerungsoszillatorsignals und dessen Oberwellensignale gemischt und die Frequenz des Eingangssignals wird unter Verwendungeines vom Frequenzwandler abgeleiteten Zwischenfrequenzsignals gemessen.

Die Frequenz eines Eingangssignals kann durch unmittelbares Zählen der Wellen bzw. Schwingungen pro Zeiteinheit gemessen werden. Für Eingangssignalfrequenzen die oberhalb des Mikrowellenbereiches liegen ist jedoch kein Zähler zum direkten Zählen derartig hoher Frequenzen verfügbar oder falls er verfügbar ist würde er extrem teuer sein. Es wird deshalb die Methode angewandt, die Eingangssignalfrequenz dadurch zu bestimmen, daß das Eingangssignal in ein Zwischfsnfrequenzsignal umgewandelt wird und die Frequenz dieses Signals gemessen wird. Ferner wird um das Zwischenfrequen^. nal über einen weiten

0 3 ü 0 ν Γ T

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Frequenzbereich zu erhalten ein Frequenzwandler bzw. ein sogenannter Oberwellenmischkreis benutzt, mit dem nicht nur die Differenz zwischen der Eingangssignalfrequenz und der Frequenz des Überlagerungsoszillators sondern auch die Unterschiede zwischen der ersteren und den höheren Harmonischen der letzteren erfassbar sind. Die Eingangssignalfrequenz wird aus der Anzahl der Wellen des erhaltenen Zwischenfrequenzsignals bestimmt.

In diesem Fall ist es erforderlich zu wissen, ob die Eingangssignalfrequenz mit dem Uberlagerungsoszillatorsignal selbst oder mit dessen Harmonischen gemischt ist und im letztgenannten Fall deren Ordnung zu kennen. Dies bedingt mühsame Operationen und eine schnelle Messung kann nicht erreicht werden. Im Hinblick hierauf ist bereits ein Frequenzmeßgerät der genannten Art z.B. durch die US-PS 3,932,814 bekannt geworden, bei dem die Eingangssignalfrequenz auf Grundlage des Zeitunterschieds zwischen den Zeitpunkten bestimmt wird, bei denen das gleiche Zwischenfrequenzsignal erhalten wird, wobei die Uberlagerungsoszillatorfrequenz variiert wird. Das heißt, die Ordnung der höheren Harmonischen des Überlagerungsoszillatorssignals mit dem das Eingangssignal in der Frequenz gemischt wird, um das Zwischenfrequenzsignal zu erhalten, wird aus der obengenannten Zeitdifferenz ermittelt. In diesem Fall wird ein hohes Maß an Linearität zwischen dem Steuersignal zur, Steuern der Frequenz des Überlagerungs-

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Oszillators und dessen Ausgangsfrequenz gefordert und darüberhinaus ist es notwendig, die Überlagerungsoszillatorfrequenz über einen weiten Frequenzbereich zu variieren. Ein derartiger überlagerungsoszillator ist sehr teuer.

Ziel dieser Erfindung ist es, ein Frequenzmeßgerät verfügbar zu machen, mit dem hohe Frequenzen von Eingangssignalen wie Mikrowellensignalen mit relativ hoher Genauigkeit messbar sind und das mit niedrigen Kosten hergestellt werden kann.

Ferner soll ein Frequenzmeßgerät verfügbar gemacht werden, das ein Messen von Mikrowellenfrequenzen über ein breites Frequenzband hinweg erlaubt, wobei die Überlagerungsoszillatorfrequenz innerhalb eines relativ engen Frequenzbandes variiert und keine Linearität zwischen dem Steuersignal des Überlagerungsoszillators und der Überlagerungsoszillatorfrequenz erforderlich ist, so daß das Gerät mit niedrigen Kosten erstellt werden kann.

Schließlich soll das Frequenzmeßgerät ein korrektes Messen der Eingangssignalfrequenz selbst dann ermöglichen, wenn diese über einen relativ weiten Bereich variiert.

Die Erfindung ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 gekennzeichnet. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung

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sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Gemäß der Erfindung wird das von einem Frequenzwobbelüberlagerungsoszillator gelieferte Ausgangsschwingungssignal und ein Eingangssignal einem Frequenzwandler zugeführt um hieraus Zwischenfrequenzsignale abzuleiten, die den Unterschieden zwischen der Eingangssignalfrequenz und der Ausgangsfrequenz des Uberlagerungsoszillators sowie zwischen dem ersteren und den Oberwellenfrequenzen des letzteren entsprechen. Die Zwischenfrequenzsignale werden durch einen Verstärker verstärkt, der die Signale über ein relativ breites Frequenzband verstärkt. Die Ausgangsfrequenz des Verstärkers und die Schwingfrequenz des Uberlagerungsoszillators werden durch eine Zwischenfrequenzmeßeinrichtung bzw. eine Frequenzmeßeinrichtung für die Uberlagerungsschwingung gemessen. Die Frequenzen werden gleichzeitig wenigstens zweimal in einem geeigneten Zeitintervall unter der Steuerung einer Steuereinrichtung gemessen. Es sei angenommen, daß F die Eingangssignal frequenz darstellt, F^₁ und F₁₂ den ersten bzw. den zweiten gemessenen Wert der Uberlagerungsschwingfrequenz, F.. und F.» den ersten bzw. den zweiten gemessenen Wert der Zwischenfrequenz und η die Ordnung einer höheren Harmonischen (Oberwelle) der Schwinyf requenz des über! agerungsor;?. j 1 IüLgl u (falls η = ist, wird die Schv.-i nqf ι equenz des Ub<;rlagerungsoszi Π a tors also dio Grundwrllf reibst, angezeigt). Falls '· --->njs-

0 3 Π 0 2 8 / 0 MU

Signalfrequenz F höher als die Schwingfrequenz des über-

Ji

lagerungsoszillators ist, dann gilt die folgende Gleichung

^Fx - ¹^n ^{= F}ii' ^Fx - ^nFi2 ^{= F}i2

η (F₁₂

Aus Gleichung (1) das heißt F₁₁, F₁₂, F₁₁, und F₁₂ die durch die zweimal durchgeführte Messung erhalten werden, kann die Ordnung η der Harmonischen bestimmt werden, das heißt die Ordnung einer höheren Harmonischen der Schwingung des Uberlagerungsoszillators bei der das Zwischenfrequenzsignal geliefert wird. Demgemäß kann die Eingangssignalfrequenz aus der Ordnungszahl η der Harmonischen, der Schwingfrequenz des Uberlagerungsoszillators und der so erhaltenen Zwischenfrequenz errechnet werden.

Im allgemeinen können die Schwingfrequenz des Uberlagerungsoszillators oder deren Oberwellenfrequenzen höher liegen als die Eingangssignalfrequenz, so daß die Schwingfrequenzen des Uberlagerungsoszillators und die Zwischenfrequenzen die durch zweimaliges Messen erhalten werden, der folgenden Beziehung genügen:

η (F₁₁ ~^ F₁₂) = (F₁₁*^ F. ₂) ...(2)

030028/fjS- *

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Demgemäß

i2

η =

^F12

Aus dieser Beziehung wird die Ordnung η der Harmonischen berechnet. Als Folge eines Fehlers in der Messung und von Schwankungen der Eingangssignalfrequenz wird η von Gleichung (3) nicht immer eine ganze Zahl. Demzufolge kann die korrekte Ordnungszahl N der Oberwelle durch die folgende Gleichung bestimmt werden :

N = ganze Zahl (n +<* ) ...(4)

wobei Oi Null oder eine Dezimale ist. Falls beispielsweise °* =0,5 ist, dann kann N durch Runden von η von Gleichung (3) bestimmt werden.

Durch Anwendung der folgenden Gleichung auf der Grundlage des so erhaltenen ganzzahligen Viertes, d.h. der korrekten Ordnungszahl N der Oberwelle:

NF₁ + F. = F_v ...(5)

wird die Eingangssignal frequenz F erhalten. In diesem Fall kann F, der obengenannte gemessene Viert F,. oder F,- sein

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oder eine Schwingfrequenz des überlagerungsoszillator die hiervon getrennt gemessen worden ist. Ähnlich kann F. entweder F₁₁ oder F.» sein oder die Frequenz eines Zwischenfrequenzsignals das getrennt gemessen worden ist. In jedem Fall wird jedoch Gebrauch gemacht von der gleichzeitig gemessenen Schwingfrequenz des Uberlagerungsoszillators und der Zwischenfrequenz.

Im allgemeinen kann die Ordnungszahl N der Harmonischen auch unter Verwendung der Zwischenfrequenz und der Schwingfrequenz des Uberlagerungsoszillators bestimmt werden, wenn diese innerhalb eines kurzen Zeitabschnittes gemessen werden. Die Genauigkeit der Messung der Zwischenfrequenz und der Schwingungsfrequenz des Uberlagerungsoszillators kann für die Bestimmung der Ordnungszahl N der Harmonischen relativ gering sein. Um die Genauigkeit der Berechnung von Gleichung 5 zu verbessern, müssen die Schwingungsfrequenz des Uberlagerungsoszillators und die Zwischenfrequenz jedoch im hohen Maße genau sein. Demzufolge ist es beser, die Messung der Schwingungsfrequenz des Uberlagerungsoszillators und der Zwischenfrequenz getrennt durchzuführen, für die Ermittlung der Ordnungszahl N der Harmonischen.

Falls die Schv/inyungsfrequenz des Uberlagerungsoszillators nacli unten verschoben v;vid, wir-J diese Frequenz F.-, kleiner als F₁₁ I¹DfJ -.'ic Kinqai!'!'."'-1''Ji in ι frequenz F ist konstant,

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so daß wenn die Eingangssignalfrequenz F höher als die gemischte Schwingungsfrequenz des überlagerungsoszillator wird, die Zwischenfrequenz F.« höher als F₁₁ wird. In diesem Fall liefert somit Gleichung (5) den Summenwert. Ist die Eingangssignalfrequenz F kleiner als die Schwingungsfrequenz des Überlagerungsoszillator, dann wird die Zwischenfrequenz F.. höher als F.», so daß in diesem Fall Gleichung (5) die Differenz liefert. Mit anderen Worten, es wird entschieden, ob Gleichung (5) die Form der Summe oder der Differenz einnimmt in Abhängigkeit von der Beziehung zwischen den gemessenen Zwischenfrequenzen F₁₁ u_nd F₁-.

Wie beschrieben, werden somit die Zwischenfrequenzen F... und F.- sowie die Schwingungsfrequenzen F₁₁ und F₁₉ des Überlagerungsoszillator gemessen und die Gleichung (3) und (4) worden unter Verwendung einer Rechenschaltung berechnet. Kerner wird erfaßt welche der Zwischenfrequenzen F₁₁ und F.- höher oder niedriger als die andere ist und auf der Grundlage dieses Ergebnisses wird durch Gleichung (4) die Ordnungszahl N der Harmonischen erhalten und durch Anwendung der Gleichung (5) aus der Schwingungsfrequenz F₁ des Überlagerungsoszillator und der entsprechenden 7-wischonfrcqucnz F. die Eingangssignalfrequenz F berechnet.

Dip Zwischenfrequenz und die Schwingungsf requonz des ''br ■.-ΙΓ,οπζ i 1 J.ators können jeweils qcii'osre'i v_:r ■> . ■ ■

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Beispiel kann diese Messung durchgeführt werden, durch Offnen einer Torschaltung während einer bestimmten Zeitperiode mittels einer Steuereinrichtung und durch Zählen der Anzahl der Signalwellen, die die Torschaltung passieren mittels eines Zählers. Demgemäß steuert die Steuereinrichtung die zwei Torschaltungen zweimal. Wenn in diesem Fall das Zwischenfreguenzsignal durch Verschieben (Wobbein) der Schwingungsfrequenz des Überlagerungsoszillators erhalten wird, spricht die Steuereinrichtung darauf an, um in einem geeigneten Zeitintervall zweimal Torimpulse zu erzeugen. Die Steuereinrichtung und die zuvor erwähnte arithmetische Schaltung können durch einen sogenannten Mikrocomputer gebildet werden. In diesem Fall kann das Torsignal vom Mikrocomputer abgeleitet werden. Vorzugsweise wird jedoch ein Torsignalgenerator vorgesehen, der durch eine lediglich für die Erzeugung des Torsignals zuständige Zeitsteuerung gesteuert wird, um Torsignale einer sehr exakten Zeitdauer zu erzeugen.

Falls die Eingangssignalfrequenz variiert, falls zum Beispiel das Eingangssignal ein frequenzmoduliertes Signal ist und falls die Änderung der Frequenz des Eingangssignals größer als die Differenz zwischen der ersten gemessenen Schwingungsfrequenz F... und der zweiten Frequenz F₁₂ des überlagerungsoszillator ist, dann kann die Ordnungszahl N der Harmonischen nicht bestimmt werden. In einem solchen

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Fall werden die Zwischenfrequenz und die Schwingungsfrequenz des Überlagerungsoszillator jeweils wenigstens dreimal gemessen und die Werte von η unter Verwendung von Gleichung (3) wenigstens zweimal berechnet und es wird dann der mittlere Wert von η in Gleichung (4) eingesetzt durch die die Ordnungszahl N der Harmonischen bestimmt wird. Alternativ wird für jeden der wenigstens zweimal erhaltenen Werte von η die Ordnungszahl N der Harmonischen unter Anwendung von Gleichung (4) erhalten und wenn die Werte der so erhaltenen Ordnungszahl N der Harmonischen nicht übereinstimmen, wird die Messung wiederholt. Auf diese Weise kann ein exaktes Messergebnis erhalten werden.

Um die Ordnung der Harmonischen wie oben beschrieben zum Beispiel zweimal zu bestimmen, wird in der folgenden Weise vorgegangen. Bei der ersten Bestimmung der Ordnungszahl N der Harmonischen werden die Schwingungsfrequenz des Uberlagerungsoszillators und die Zwischenfrequenz gleichzeitig zweimal gemessen, wobei die Schwingungsfrequenz des Uberlagerungsoszillators zum Beispiel nach unten verschoben wird und η sowie N berechnet werden. Bei der zweiten Bestimmung von N werden die Schwingungsfrequenz des Uberlagerungsoszillators und die Zwischenfrequenz gleichzeitig zweimal gemessen, wobei die Schwingungsfrequenz des Uberlagerungsoszillators nach oben verschoben wird und es werden η und N in ähnlicher Weise durch Rechnung bestimmt. Sodann werden

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die beiden Werte der so erhaltenen Ordnungszahl N der Harmonischen auf Übereinstimmung geprüft oder es werden die Werte η ermittelt, um N zu erhalten. Alternativ erfolgt eine gleichzeitige Messung der Schwingungsfrequenz des Überlagerungsoszillators und der Zwischenfrequenz ohne Änderung der Verschiebungsrichtung der Schwingungsfrequenz des Uberlagerungsoszillators wenigstens dreimal und η wird wenigstens zweimal berechnet und gemittelt, um den Mittelwert zu bilden und dann wird N unter Anwendung von Gleichung (4) berechnet oder es wird N unter Anwendung von Gleichung (4) ohne Mittelung der Werte von η erhalten und dann die Übereinstimmung oder nicht Übereinstimmung dieser Werte erfaßt. In diesem Fall wird die Messung vorzugsweise bei unterschiedlichen Zeitintervallen durchgeführt. Das heißt, wenn die Richtung der Änderung in der Eingangssignalfrequenz und der der Schwingungsfrequenz des Überlagerungsoszillators zufällig für die jeweilige Messung gleich sind, falls bei der Bestimmung der Ordnungszahl N der Harmonischen ein Fehler existiert wird das Ergebnis nicht gelöscht. Demgemäß werden für den Fall einer mehrfachen Messung der Zwischenfrequenz und der Schwingungsfrequenz des Überlagerungsoszillators durch die Steuereinrichtung pseudozufällige Impulse erzeugt, um die Torsignale zu liefern. Das heißt, jeweils beim Auftreten eines pseudozufälligen Impulses werden die Zwischenfrequenz und die Schwingungsfrequenz des über-

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lagerungsoszillators gemessen.

Falls beim Zählen der Anzahl der Wellen durch einen Zähler ein dem Zähler zugeführter Signalimpuls zufällig beim Anstieg oder Abfall des der Torschaltung des Zählers zugeführten Torsignals auftritt, dann wird in einigen Fällen der Impuls nicht gezählt. Aber bei der Berechnung der Eingangssignalfrequenz F , wird F₁ N-fach gemacht wie oben angegeben, so daß ein solcher Zählfehler von eins bei der Messung von F₁ sich in F N-fach vergrößert. Um dies zu verhindern, wird vorzugsweise das vom überlagerungsoszillator gelieferte Schwingungsausgangssignal in der Phase mit einem Taktsignal verglichen, um das Torsignal zum Messen der Schwingungsfrequenz des Uberlagerungsoszillators zu erzeugen und den überlagerungsoszillator durch das aus dem Vergleich resultierende Ausgangssignal zu steuern, um das Taktsignal mit dem überlagerungsoszillator zu synchronisieren, Für eine derartige Synchronisation ist der überlagerungsoszillator aus einem Kippspannungsgenerator und einem spannungsgesteuerten Oszillator aufgebaut, dessen Frequenz durch die Ausgangskippspannung des Kippspannungsgenerators gesteuert wird. Das vom spannungsgesteuerten Oszillator gelieferte Ausgangssignal und das Taktsignal zum Erzeugen des Torsignals werden in der Phase verglichen und das Phasendifferenzausgangssignal wird dem vom Kippspannungsgenerator gelieferten Ausgangssignal überlagert und dann dem spannungs-

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gesteuerten Oszillator zugeführt.

Wenn bei einer solchen Anordnung die Steuerspannung durch die Kippspannung (Wobbeispannung) stark verändert wird, ändert sich die Schwingungsfrequenz ohne durch das Phasendifferenzausgangssignal beeinflußt zu werden, wenn aber die Spannungsänderung gestoppt wird, wird das Schwingungs-Signal gleichzeitig in der Phase synchronisiert mit dem Taktsignal.

Die Zwischenfrequenz kann nicht nur durch Zählen der Wellen des Zwischenfrequenzsignals sondern auch durch Berechnen der Frequenz auf der Basis eines Messergebnisses der Periode des Zwischenfrequenzsignals ermittelt werden. Falls bei Anwendung eines Kipp- bzw. Wobbelspannungsgenerators zum Ändern der Schwingungsfrequenz des Überlagerungsoszillators wie oben beschrieben, der Kippspannungsgenerator so ausgebildet ist, daß er zum Beispiel Taktimpulse zählt, den Zählwert in ein analoges Signal umwandelt und das umgewandelte Ausgangssignal als Steuersignal dem spannungsgesteuerten Oszillator zuführt, kann der Wert des Zählerinhalts zum Gewinnen der genannten Steuerspannung multipliziert mit einer konstanten Zahl als Schwingungsfrequenz des Uberlagerungs-Oszillators verwendet werden, statt daß er gemessen wird.

Die Erfindung wird durch Ausführungsbeispiele anhand von

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sieben Figuren näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Frequenzmeßgeräts;

Fig. 2 ein Zeitdiagramm zur Erläuterung der

Arbeitsweise des in Fig. 1 dargestellten Gerätes;

Fig. 3 ein Diagramm das die Beziehung zwischen einem Eingangssignal, der Schwingungsfrequenz des Uberlagerungsoszillators und der beim Umwandeln verwendeten Ordnung einer Harmonischen darstellt;

Fig. 4 ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform der Erfindung das verschiedene Änderungen darstellt;

Fig. 5 ein Blockdiagramm das beispielsweise

eine Anordnung zum Mitteln durch wenigstens dreifaches Messen der Zwischenfrequenz und der Schwingungsfrequenz des Uberlagerungsoszillators und Verschie-

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ben der Schwingungsfrequenz des Überlagerungsoszillator in konstante Richtung darstellt;

Fig. 6 ein Zeitdiagranun zur Erläuterung der

Arbeitsweise der Anordnung nach Fig. 5; und

Fig. 7 ein Blockdiagramm das den wesentlichen Teil eines Beispiels zum Messen der Schwingungsfrequenz des Uberlagerungsoszillators unter Verwendung eines vom Wobbelspannungsgenerator gelieferten Signals darstellt.

Es wird zunächst anhand von Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Frequenzmeßgeräts erläutert. Einem Frequenzwandler 12 wird von einem Eingangsanschluß 11 ein Eingangssignal einer Frequenz F und von einem Frequenzwobbelüberlagerungsoszillator 13 ein Schwingungssignal einer Frequenz F. dieses Uberlagerungsoszillators zugeführt. Der überlagerungsoszillator 13 enthält beispielsweise einen Wobbelspannungsgenerator 14 zum Erzeugen einer Wobbel- bzw. Kippspannung wie einer Sägezahnwellenspannung sowie einen

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spannungsgesteuerten Oszillator 15 dessen Ausgangsfrequenz durch die Ausgangswobbelspannung des Wobbelspannungsgenerators 14 gesteuert wird.

Vom Frequenzwandler 12 werden Zwischenfrequenzsignale abgeleitet, deren Frequenzen jeweils dem Unterschied zwischen der Eingangssignalfrequenz und der Schwingungsfrequenz des Uberlagerungsoszillators sowie dem Unterschied zwischen der Eingangssignalfrequenz und den Oberwellenfrequenzen der Grundschwingung des Uberlagerungsoszillators entsprechen. Das vom Frequenzwandler 12 gelieferte Ausgangssignal wird durch einen Verstärker 16 verstärkt. Der Verstärker 16 weist ein relativ breites Frequenzband der Verstärkung auf, zum Beispiel 10 bis 400 MHz. Die Frequenz F. des vom Verstärker 16 gelieferten Zwischenfrequenzsignals und die Schwingungsfrequenz F, des Uberlagerungsoszillators 13 werden durch die Zwischenfrequenzmeßeinrichtung 17 bzw. die Uberlagerungsoszillatorfrequenzmeßeinrichtung 18 gemessen. Die Zwischenfrequenzmeßeinrichtung 17 enthält zum Beispiel eine Zwischenfrequenztorschaltung 21, der das Ausgangssignal des Verstärkers 16 zugeführt wird, sowie einen Zähler 22, der die Ausgangsimpulse der Torschaltung 21 zählt. Die Uberlagerungsoszillatorfrequenzmeßeinrichtung 18 enthält eine zugeordnete Torschaltung 23, der das Ausgangssignal des Uberlagerungsoszillators 13 zugeführt wird, sowie einen zugeordneten Zähler 24, der die Impulse des von

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der Torschaltung 23 gelieferten Ausgangssignals zählt.

Die Zwischenfrequenzmeßeinrichtung 17 und die Uberlagerungsoszillatorfrequenzmeßeinrichtung 18 führen die Messung gleichzeitig zweimal in bestimmten Zeitintervallen durch. Um die Messung durchzuführen ist zum Beispiel eine Steuerschaltung 25 vorgesehen, die an ihrem Anschluß 26 eine Zeitsignal zur Bestimmung der Meßzeitdauer liefert. Dieses Zeitsignal wird einem Torsignalgenerator 27 zugeführt, um von diesem ein Torsignal einer konstanten Breite zu erhalten, durch das die Torschaltungen 21 und 23 auf- und zugesteuert werden. Ein Teil des vom Verstärker 16 gelieferten Ausgangssignals wird zu einem Detektor 28 abgezweigt und wenn durch den Detektor 28 festgestellt wird, daß ihm vom Verstärker 16 das Zwischenfrequenzsignal geliefert wird, dann wird der Steuerschaltung 25 ein Feststellsignal zugeführt. Wenn dieses an der Steuerschaltung 25 anliegt, liefert diese am Anschluß 26 das erwähnte Zeitsignal. Mit " dem Abfall des vom Torsignalgenerators 27 gelieferten Torsignals wird eine Rechenschaltung 29 gestartet, um den Inhalt der Zähler 22 und 24 aufzunehmen, das heißt die gemessenen Frequenzen und danach werden die Zähler 22 bzw. 24 durch Rückstellsignale zurückgestellt, die von einem Ausgangsanschluß 31 der Steuerschaltung 25 geliefert werden.

Wenn ein Startschalter des Frequenzmeßgerätes auf "Ein"

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geschaltet wird, um dem Wobbelspannungsgenerator 14 von einem Anschluß 33 ein Startsignal zuzuführen, dann steigt die Schwingfrequenz F, des vom überlagerungsoszillator 13 gelieferten Schwingungsausgangssignals linear an, zum Beispiel in der in Fig. 2A dargestellten Weise. Das vom Eingangsanschluß 11 gelieferte Eingangssignal wird durch den Frequenzwandler 12 in der Frequenz mit dem vom Überlagerungsoszillator 13 gelieferten Ausgangssignal und dessen Harmonischen gemischt und die Frequenz F. des Zwischenfrequenzausgangssignals, das vom Frequenzwandler 12 geliefert wird, nimmt in Abhängigkeit von der Zeit ab, wie dies in Fig. 2B dargestellt ist. Obgleich die Eingangssignalfrequenz F konstant ist, steigt die Frequenz NxF, der Harmonischen der ÜDerlagerungsoszillatorschwingung, die mit der Eingangssignalfrequcnz gemischt ist,allmählich an, so daß die Frequenz F. abhängig von der Zeit abnimmt. Wenn die Frequenz F. sich soweit erniedrigt hat, daß sie in das Verstärkungsband des Verstärkers 16 fällt, wird sie durch den Detektor 28 erfaßt, dessen Ausgang wie in Fig. 2C dargestellt, vom Zeitpunkt t„ einen hohen Pegel einnimmt.

Dieses Feststellungssignal wird zur Steuerschaltung 25 geliefert, um hieraus ein Zeitsignal der Breite T₁ abzuleiten, das in Fig. 2E dargestellt ist und dem Torsignalgenerator 27 sowie gleichzeitig dem Wobbelspannungsgenerator 14 des Uberlagerungsoszillators 13 zugeführt wird, um den Wobbel-

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Vorgang, das heißt den Frequenzverschiebungsvorgang zu beenden. Der Torsignalgenerator 27 erzeugt wie in Fig. 2F dargestellt, im Zeitpunkt t_Q ein Torsignal einer Zeitdauer T,, die kleiner als T₁ ist. Durch dieses Torsignal werden die Torschaltungen 21 und 23 geöffnet. Als Folge hiervon wird die Anzahl der Wellen des vom Verstärker 16 gelieferten Zwischenfrequenzsignals über die Periode T₂ gezählt, um die Frequenz F... dieses Zwischenfrequenzsignals zu messen und gleichzeitig wird die Anzahl der Wellen des Schwingungssignals des Überlagerungsoszillators, das die Torschaltung 23 passiert hat, gezählt, um die Schwingungsfrequenz F₁₁ zu diesem Zeitpunkt zu messen. Die Meßwerte werden jeweils aufgenommen und gespeichert in der Rechenschaltung 29, zum Beispiel beim Abfall des Torsignals (T₂).

Nach Beendigung der Zeitdauer T₁ des am Anschluß 26 der Steuerschaltung 25 gelieferten Zeitsignals startet der überlagerungsoszillator 13 erneut mit der Frequenzverschiebung bzw. dem Frequenzdurchlauf mit dem Ergebnis, daß die Schwingungsfrequenz wiederum ansteigt und die vom Verstärker 16 gelieferte Zwischenfrequenz abnimmt, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Es wird sodann am Anschluß 31 der Steuerschaltung 25 ein Rückstellsignal geliefert, das in Fig. 2D dargestellt ist und die Zähler 22 und 24 zurückstellt. Im Zeitpunkt t.., nach Ablauf einer geeigneten Zeitdauer, erzeugt die Steuerschaltung 25 erneut am Anschluß 26 das Zeitsignal, wie es in Fig. 2E dargestellt ist, so daß der

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Torsignalgenerator 27 ein zweites Torsignal wie in Fig. 2F dargestellt, erzeugt, durch welches die Frequenz F,~ des Zwischenfrequenzsignals und die Schwingungsfrequenz F, j des Uberlagerungsoszillators 13 gleichzeitig gemessen werden und die Meßwerte werden in die Rechenschaltung 29 genommen, wie dies zuvor der Fall war.

So werden die auf die oben beschriebene Weise gemessenen Schwingungsfrequenzen F, .. und F,_ des uberlagerungsoszillators und die Zwischenfrequenzen F.. und F.„ in die Rechenschaltung 29 gebracht und auf der Grundlage dieser gemessenen Werte werden die Operationen gemäß der obengenannten Gleichungen (3) und (4) durchgeführt, um die Ordnungszahl N der Harmonischen zu bestimmen. Ferner wird entschieden, welche der Zwischenfrequenzen F.. und F.- größer oder kleiner als die andere ist und sodann wird auf der Grundlage der Ordnungszahl N der Harmonischen, der Größenbeziehung zwischen den Zwischenfrequenzen, der Zwischenfrequenz F₁₁ (oder F._) und der Schwingungsfrequenz F,.. (oder F,~) des Uberlagerungsoszillators mittels der Rechenschaltung 29 die Operation gemäß der Gleichung (5) durchgeführt. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel erfolgt das Wobbein bzw. die Frequenzverschiebung so, daß die Zwischenfrequenz F.. größer als F.- ist und daß die Schwingungsfrequenz des Uberlagerungsoszillators ansteigt. Deshalb wird beim Umwandeln durch den Frequenzwandler die Frequenz des Uber-

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" ³² " 2943330

lagerungsoszillators die N-mal so hoch ist, wie die Grundfrequenz F, von der Eingangssignalfrequenz subtrahiert um ein Zwischenfrequenzsignal zu erzeugen. Da mit anderen Worten, die Eingangssignalfrequenz F größer ist als die

Ji

Frequenz der höheren Harmonischen der Schwingung des Uberlagerungsoszillators, die an der Frequenzumwandlung teilnimmt, erfolgt die Berechnung der Eingangssignalfrequenz F durch Gleichung (5) in Form einer Addition. Das Rechen-

ergebnis wird auf der Anzeigeeinrichtung 34 angezeigt.

Die arithmetische Schaltung 29 und die Steuerschaltung können durch den sogenannten Mikrocomputer in einfacher Weise als eine einzige Einheit ausgebildet werden. In diesem Fall wird das vom Detektor 28 gelieferte Ausgangssignal periodisch durch den Mikrocomputer überwacht und wenn der Detektor 28 ein Ausgangssignal erzeugt, wird der in Fig. 2E dargestellte Zeitimpuls erzeugt und das Zeitintervall in dem der Impuls erzeugt wird, wird ebenfalls durch den Mikrocomputer gesteuert, um die Frequenzverschiebung des Uberlagerungsoszillators 13 entsprechend zu stoppen. Gleichzeitig wird im Torsignalgenerator 27 zum Beispiel durch Zählen exakter Taktimpulse das Torsignal erzeugt. Die Zwischenfrequenz und die Schwingungsfrequenz des Uberlagerungsoszillators werden durch die Zähler 22 bzw. 24 gemessen und die Messung kann auch durch den Abfall des Torsignals festgestellt werden. Da aber das in Fig, 2E dargestellte

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Zeitsignal ebenfalls im Mikrocomputer erzeugt wird, kann die Beendigung des Zählvorgangs durch die Zähler 22 und auch mittels des Mikrocomputers selbst festgestellt werden und als Folge hiervon wird der Inhalt der Zähler 22 und herausgenommen und in einer geeigneten Zeit im Mikrocomputer gespeichert. Es ist einfach, die entsprechenden Frequenzen zweimal in geeigneten Zeitintervallen zu messen und die Berechnung nach den Gleichungen (4) und (5) auf der Grundlage der Meßwerte nach einem Programm durchzuführen.

Es sei zum Beispiel angenommen daß die Eingangssignalfrequenz F oberhalb 400 MHz liegt, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist und daß der Zwischenfrequenzverstärker 16 ein Frequenzband der Verstärkung im Bereich zwischen 10 und 400 MHz aufweist. Wenn in diesem Fall für die Schwingungsfrequenz F₁ des Überlagerungsoszillators 800 MHz gewählt werden, dann ist es möglich, vom Verstärker 16 nach der Frequenzumwandlung Eingangssignale zwischen 400 und 790 MHz und zwischen 810 und 1200 MHz in Verbindung mit der Grundwelle auszugeben. Im Hinblick auf die zweite höhere Harmonische 1600 MHz können vom Verstärker 16 nach der Frequenzumwandlung Eingangssignale zwischen 1200 und 1590 MHz sowie zwischen 1610 und 2000 MHz geliefert werden. Im Hinblick auf die dritte höhere Harmonische 2400 MHz können vom Verstärker 16 nach der Frequenzumwandlung Eingangssignale zwischen 2000 und 2390 MHz sowie zwischen 2410 und 2800 MHz erhalten werden.

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Um die beiden genannten Messungen im Hinblick auf den Anteil des Eingangssignals der aus dem Frequenzband des Zwischenfrequenzverstärker 16 herausfällt durchzuführen ist es möglich, durch Verschieben bzw. Wobbein der Schwingungsfrequenz des Uberlagerungsoszillators 13 zum Beispiel um 200 MHz ein Zwischenfrequenzsignal zu erhalten. Auf diese Weise kann ein Eingangssignal einer hohen Frequenz durch Messen einer Uberlagerungsoszillatorschwingfrequenz von etwa 800 MHz und einer Zwischenfrequenz unterhalb etwa 400 MHz gemessen werden. So kann mit einer einfachen, nicht teuren Anordnung eine hochexakte Messung durchgeführt werden. Außerdem kann die Ordnung N der höheren Harmonischen die für die Messung benötigt wird, leicht durch Rechnung erhalten werden, wie dies oben beschrieben ist.

Im Hinblick auf eine rasche Messung der Eingangssignalfrequenz ist es vorteilhaft, wenn die Zwischenfrequenz F. und die Schwingungsfrequenz F. des Uberlagerungsosz-illators die zur Berechnung der Ordnung N der höheren Harmonischen für die Gleichungen (3) und (4) erforderlich sind in relativ kurzer Zeit gemessen werden. Trotzdem ist es wünschenswert, daß da für die Berechnung nach Gleichung (5) zum Erhalten der Eingangssignalfrequenz F eine hohe Genauigkeit gefordert wird, die Zwischenfrequenz und die Schwingungsfrequenz des Uberlagerungsoszillators mit hoher Genauigkeit gemessen

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werden. Im Hinblick hierauf ist es vorteilhaft, wenn beim Messen der Zwischenfrequenz und der Schwingungsfrequenz des Uberlagerungsoszillators ein Torsignal relativ langer Dauer verglichen zu dem beim Messen der Frequenzen zum Berechnen der Ordnung der höheren Harmonischen an die Torschaltungen 21 und 23 angelegt wird. Zu diesem Zweck ist es möglich, als Torsignalgenerator 27 eine integrierte Halbleiterschaltung zu verwenden, die ein sogenannter Frequenzteiler ist, der die von einem Anschluß 36 gelieferten Taktimpulse zählt und Zeitbasis genannt v.'ird, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist, in der Teile die denen von Fig. 1 entsprechen, das gleiche Bezugszeichen aufweisen. Diese integrierte Halbleiterschaltung zählt die Taktimpulse und wählt eine von einer Mehrzahl von Anschlüssen aus, um einen Impuls einer Zeitdauer zu erzeugen, der dem ausgewählten Anschluß entspricht. Demzufolge wird beim Erzeugen des Torsignals zur Bestimmung der Ordnung N der Harmonischen zum Beispiel der Ausgang am Anschluß 37 des Mikrocomputers 35 auf hohen Pegel angehoben und dieser einem der Anschlüsse der Zeitbasis 38 zugeführt, um den in Fig. 2 dargestellten Torsignalimpuls der Impulsbreite T zu erzeugen. Beim Erzeugen des Torsignals für die Frequenzmessung, das heißt für die Messung der Zwischenfrequenz und der Schwingungsfrequenz des Uberlagerungsoszillators zum Berechnen der Eingangssignalfrequenz wird jedoch am Anschluß 37 des Mikrocomputers 35 ein Signal niedrigen Pegels geliefert und über einen Inverter 39 einem anderen vorgegebenen Anschluß der Zeitbasis 38 zuge-

0 3 η η ? 8 / ο π :u

führt um hier ein Torsignal der gewünschten Zeitdauer hervorzurufen, das heißt einer Zeitdauer bzw. einer Impulsbreite die größer als T₂ ist. Damit die Zeitbasis 38 nur arbeiten kann wenn es erforderlich ist, wird vom Anschluß 26 ein Signal an den Rückstellanschluß der Zeitbasis 38 geliefert, um sie nur zu betätigen, während das vom Anschluß 26 gelieferte Signal einen hohen Pegel aufweist und in all den anderen Fällen die Zeitbasis im rückgestellten Zustand zu halten.

Bei der Berechnung der Eingangsignalfrequenz F wird die

Ji

Schwingungsfrequenz F, des Überlagerungsoszillators N-fach gemacht, so daß falls in der Schwingungsfrequenz des Überlagerungsoszillators ein Fehler vorhanden ist, dieser N-fach vergrößert wird. Demgemäß ist es erwünscht, daß kein Fehler von selbst einem Bit gemacht wird. Zu diesem Zweck wird im überlagerungsoszillator 13 das vom Wobbelspannungsgenerator 14 gelieferte Ausgangssignal einem Addierer 41 zugeführt, dessen Ausgangssignal wiederum über ein Tiefbassfilter 42 an den spannungsgesteuerten Oszillator 15 angelegt wird. Das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators 15 wird einem Phasenkomparator 4 3 zugeführt, in dem es in der Phase mit dem vom Anschluß 36 gelieferten Taktsignal zum Bestimmen der Genauigkeit des Torsignalgenerators 27 verglichen wird und das erhaltene Phasendifferenzausgangssignal wird dem Addierer 41 zugeführt, in dem es zur Wobbel-

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2943330

spannung des Wobbelspannungsgenerators 14 addiert wird. Wenn bei einer solchen Anordnung in der Rückkopplungssteuerschleife vom Phasenkomparator 43 zum spannungsgesteuerten Oszillator 15 die vom Wobbelspannungsgenerator 14 gelieferte Spannung größer als ein bestimmter Wert wird, fällt sie aus dem Phasensteuerbereich der Rückkopplungssteuerschleife und die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 15 wird durch die Wobbelspannung gesteuert. Ist eine Änderung in der Wobbelspannung des Wobbelspannungsgenerators 14 kleiner als der vorgegebene Wert oder wird das Wobbein bzw. Verschieben der Wobbelspannung gestoppt, dann wird die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 15 durch das Ausgangssignal des Phasenkomparators 4 3 gesteuert, so daß der vom Anschluß 36 gelieferte Taktimpuls und die Schwingung des Uberlagerungsoszillators 15 in der Phase miteinander synchronisiert werden. Das heißt die Schwingungsphase des Uberlagerungsoszillators 13 wird mit dem Torsignal zum Steuern der Torschaltungen 21 und 2 3 synchronisiert. Als Folge hiervon kann mit dem Zähler 24 der die Schwingungsfrequenz des Uberlagerungsoszillators mißt eine exakte Messung ohne irgendeinen Zählfehler erhalten werden.

In Fig. 4 ist ein Zähler als Wobbel- bzw. Kippspannungsgenerator 14 verwendet und der vom Anschluß 36 gelieferte Taktimpuls wird über eine Inhibit-Torschaltung 44 zu einem

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Zähler 45 gegeben. Der durch den Zähler 45 gezählte Wert wird durch einen Digital-/Analog-Wandler 46 in ein Analogsignal umgewandelt, wodurch eine sägezahnförmige Wobbelspannung entsteht. Um die Spannungsänderung dieses Wobbelspannungsgenerators 14 zu unterbrechen, wird das Ausgangssignal des Anschlusses 26 der Inhibit-Torschaltung 44 zugeführt und solange das Signal vom Anschluß 26 einen hohen Pegel aufweist, wird das Taktsignal des Anschlusses 36 dem Zähler 45 nicht zugeführt und der Zähler 45 hält seinen Zählwert in dieser Zeit. Die Frequenz des Taktsignals am Anschluß 36 wird zum Beispiel etwa 1 MHz gewählt. Das Taktsignal zum Erzeugen des Torsignals, das vom Torsignalgenerator 27 geliefert wird und das Taktsignal das dem Zähler 45 im Wobbelspannungsgenerator 14 zugeführt wird, können voneinander verschieden sein. Der Wobbelspannungsgenerator 14 kann durch einen Zähler wie beschrieben gebildet sein, er kann auch so ausgebildet sein, daß er eine konstante Gleichspannung integriert, um die Wobbelspannung zu erhalten. Ferner können verschiedene andere Wobbelspannungsgenerator verwendet werden. Durch zweimalige gleichzeitige Messung der Zwischenfrequenz und der Schwingungsfrequenz des Überlagerungsoszillator in der beschriebenen Weise kann die Ordnung N der Harmonischen bestimmt werden. Falls aber die Eingangssignalfrequenz F variiert und wenn diese Änderung größer als die Änderung der Schwingungsfrequenz

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■ ³⁹ " 294*330

₁₁ F₁₂) des Überlagerungsoszillators im Zeitintervall zwischen der ersten gleichzeitigen Messung von Zwischenfrequenz und Schwingungsfrequenz des überlagerungsoszillator und der zweiten gleichzeitigen Messung dieser Größen ist, kann die Ordnung N der Harmonischen nicht korrekt bestimmt werden. Dieses Problem kann nun zum Beispiel in der folgenden Weise gelöst werden.

Nachdem die Zwischenfrequenz und die Schwingungsfrequenz des Überlagerungsoszillators jeweils gleichzeitg zweimal in einem Zeitintervall gemessen sind, wird die Richtung der Frequenzverschiebung des Überlagerungsoszillators 13 umgekehrt und es werden dann die Zwischenfrequenz und die Schwingungsfrequenz des Überlagerungsoszillators erneut gleichzeitig zweimal in einem Zeitintervall gemessen, η wird durch Gleichung

(3) unter Verwendung der Ergebnisse der zwei gleichzeitigen Messungen berechnet. Die erhaltenen zwei Werte für η werden gemittelt und die Ordnung N der Harmonischen wird durch Gleichung (4) unter Verwendung des Mittelwertes berechnet. Alternativ wird, falls die beiden Werte N die aus Gleichung

(4) in Verbindung mit den genannten zwei Werten η erhalten worden sind, nicht miteinander übereinstimmen, die Messungen erneut ausgeführt. Zur Umkehr der Richtung wird zum Beispiel bei der Schaltung nach Fig. 4 von einem Anschluß 4 7 des Mikrocomputers 35 ein Steuersignal geliefert und ein Aufwärts/

030028/08SA

" ⁴⁰ ' 2943330

Abwärts-Zähler wird als Zähler 45 i^m Wobbelspannungsgenerator 14 verwendet. Wenn das vom Anschluß 47 gelieferte Steuersignal einen kleinen Pegel aufweist, dann wird der Zähler 45 in seinen Aufwärts-Zählzustand gebracht, während falls das Steuersignal einen hohen Pegel hat, der Zähler 45 in seinen Abwärts-Zählzustand gebracht wird. Wie in Fig. 2G dargestellt wird zum Beispiel bei der Frequenzmessung in den Zeitpunkten t_fl und t₁ die Schwingungsfrequenz des Überlagerungsoszillators so gesteuert, daß sie abhängig von der Zeit ansteigt, wie dies oben beschrieben worden ist und das vom Anschluß 47 gelieferte Steuersignal wird auf niedrigem Pegel gehalten. Das vom Anschluß 47 gelieferte Steuersignal wird aber auf den hohen Pegel erhöht in einem Zeitpunkt t_, der den Zeitpunkten t_Q und t.. folgt, bei denen die Zwischenfrequenz und die Schwingungsfrequenz, des Überlagerungsoszillators gleichzeitig zweimal gemessen worden sind. Durch das Steuersignal wird der Aufwärts/Abwärts-Zähler 45 in seinen Abwärts-Zählzustand gebracht, um jedesmal beim Auftreten eines Taktimpulses eine Subtraktion von seinem Zählinhalt zu bewirken. Ferner erzeugt der Mikrocomputer 35 am Anschluß 26 in den Zeitpunkten t~ und t. Zeitsignale (siehe Fig. 2E) und in diesen Zeitpunkten werden wie in Fig. 2F dargestellt, Torsignale geliefert, mit dem Ergebnis, daß die Zwischenfrequenz und die Schwingungsfrequenz des Überlagerungsoszillators gleichzeitig zweimal in der gleichen Weise wie zuvor gemessen werden. Die Ordnung

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294:^330

der Harmonischen wird unter Verwendung der Ergebnisse der
Messung berechnet. Bei der Berechnung der Ordnung der Harmonischen durch Verwendung der Meßergebnisse, bei denen die

F - F

Ί * *"J

Frequenz erhöht wird, wird jedoch

F - F
12 ^rl1

berechnet und auch in Verbindung mit den Meßergebnissen,
die in den Zeitpunkten t-, und t. ausgeführt worden sind, bei denen die Schwingungsfrequenz des Überlagerungsoszillators
verringert wurde, wird die Berechnung auf der Grundlage der
genannten Gleichung ausgeführt. Die beiden Rechenergebnisse
werden einschließlich ihrer Vorzeichen gemittelt. Wie durch
Gleichung (4) angegeben.wird der so erhaltene Durchschnittswert mit o< addiert, um einen ganzzahligen Wert zu bestimmen, der die Ordnung N der Harmonischen darstellt. Wenn bei
dieser Art der Bestimmung der Ordnung N der Harmonischen sich die Eingangssignalfrequenz in konstanter Richtung ändert, ist die Richtungsänderung der Schwingungsfrequenz des Uberlagerungs-Oszillators bei der zweiten Berechnung von η entgegengesetzt zu der der ersten Berechnung von η so daß ein Fehler bei der zweiten Berechnung im Vorzeichen gegenüber dem Fehler der
ersten Berechnung umgekehrt wird. Demgemäß kann der Fehler
durch Mitteln der durch die zwei Rechnungen erhaltenen Werte von η herabgesetzt werden. Die Richtung der Frequenzänderung der Schwingungsfrequenz des Überlagerungsoszillators kann so gesteuert werden, daß sie nicht nur durch Umkehr der Zählrichtung der Taktimpulse im Wobbelspannungsgenerator 14 wie oben

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2943330

beschrieben umgekehrt wird, sondern auch dadurch daß die Kippspannung durch ein Integrationsverfahren erzeugt wird und dann die Polarität der Eingangsgleichspannung gewechselt wird.

Wie beschrieben wird die Berechnung des Wertes η (Gleichung 3) mehrmals durchgeführt und die berechneten Werte werden gemittelt. Dann wird unter Verwendung von Gleichung (4) aus dem Mittelwert die Ordnung N der Harmonischen erhalten. Alternativ wird wenn die Rechenergebnisse von Gleichung (4) die mehrmals für mehrere Werte von η ausgeführt wurde, nicht übereinstimmen, die Messung erneut durchgeführt. Auf diese Weise kann die Ordnung N der Harmonischen richtig bestimmt werden. Dies ist auch anwendbar für den Fall, daß die Verschiebung der Schwingungsfrequenz des Uberlagerungsoszillators in der gleichen Richtung erfolgt. In diesem Fall werden die Frequenzmessungen bei verschiedenen Zeitintervallen durchgeführt. Insbesondere wenn die Messung mehrmals erfolgt, wird eine genauere Messung erhalten, wenn die Zeitintervalle der Messung willkürlich variiert werden, da die Eingangsignalfrequenz nicht willkürlich variiert. In diesem Fall kann selbst wenn die Eingangsignalfrequenz verglichen zum Verschiebungsbereich der Schwingungsfrequenz des Uberlagerungsoszillators stark variiert eine korrekte Messung erhalten werden. Dies wird im folgenden anhand von Fig. 5 erläutert, in der die Teile, die denen von Fig. 1 entsprechen,das gleiche Bezugszeichen haben. Der Torsignalgenerator 27 ist das charakter-

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2943330

istische Element der dargestellten Anordnung und dieser Torsignalgenerator ist so ausgebildet, daß er die Torsignale zufällig bzw. willkürlich erzeugt. Zu diesem Zweck ist zum Beispiel ein Pseudozufalls-Impulsgenerator 51 vorgesehen. Zum Beispiel wird ein Taktsignal einer Frequenz von 1 MHz am Anschluß 36 durch einen Frequenzteiler 52 auf 1/100 in der Frequenz herabgeteilt und dann dem Pseudozufalls-Impulsgenerator 51 zugeführt. Koinzindenz zwischen dem Ausgangssignal des Pseudozufalls-Impulsgenerators 51 und des vom Anschluß 36 gelieferten Taktsignals wird durch ein NAND-Glied 53 erfaßt. Das vom Pseudozufalls-Impulsgenerator 51 gelieferte Ausgangssignal wird zum Beispiel wie das in Fig. 6A dargestellte Signal erzeugt, dessen Impulsbreite und Impulsintervall zufällig sind und im Augenblick des Ansteigens des jeweiligen Impulses werden wie in Fig. 6B dargestellt, am Ausgang des NAND-Gliedes 53 negative Pseudozufalls-Zeitsignale geliefert. Um bei dieser Zeitsteuerung Torsignale konstanter Breite zu erhalten, wird durch den vom NAND-Glied 53 gelieferten Ausgangsimpuls ein Flipflop 54 gesetzt und das Ausgangssignal des Flipflops 54 wird einem Verknüpfungsglied 55 und den Torschaltungen 21 und 23 zum Zählen der Zwischenfrequenz bzw. der Schwingungsfrequenz des Überlagerungsoszillators zugeführt. Das Verknüpfungsglied 55 wird mit den Taktsignalen vom Anschluß 36 beliefert und die Ausgangstaktsignale des Verknüpfungsgliedes 55 werden der Zeitbasis 38 zugeführt. Durch deren Ausgangssignal wird

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das Flipflop 54 zurückgestellt. Als Folge hiervon wird jeweils beim Auftreten eines vom NAND-Glied 53 gelieferten Ausgangsimpulses ein Torsignal der konstanten Dauer T_ erzeugt (siehe Fig. 6C) und den Torschaltungen 21 und 23 zugeführt.

So werden die Zwischenfrequenz und die Schwingungsfrequenz des Uberlagerungsoszillators mehrmals gemessen und jedes Torsignal wird von seiner Rück- bzw. Abfallflanke durch den Mikrocomputer 35 überwacht und beim Abfall des Torsignals werden die Zählinhalte der Zähler 22 und 24, das heißt die Meßwerte für die Zwischenfrequenz und die Schwingungsgfrequenz des Uberlagerungsoszillators an den Mikrocomputer 35 geliefert. Die Torsignale werden außerdem einer Verzögerungsschaltung zugeführt, um von dieser eine Rücksetζimpulsfolge wie in Fig. 6D dargestellt abzuleiten, wobei jeder Rücksetzimpuls um eine bestimmte Zeitdauer gegenüber der Hinterkante des jeweiligen Torsignals verzögert ist und diese Rücksetzimpulse werden den Zählern 22 und 24 zugeführt, um sie zurückzustellen. Für jede Gruppe von zwei Paaren aus Zwischenfrequenz und Schwingungsfrequenz des Uberlagerungsoszillators die in zwei aufeinanderfolgenden Zeitpunkten gemessen worden

ρ — ν

11 i2 sind, wird die Berechnung durchgeführt und

F-F *12 *11

die jeweils berechneten Werte werden gemittelt und es wird dann zu dem Mittelwert O( hinzuaddiert um die ganze Zahl N

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294^330

zu erhalten. Auf diese Weise wird die Ordnung N der Harmonischen bestimmt. Ferner wird nachdem oder bevor eine derartige Bestimmung der Ordnung der Harmonischen durchgeführt ist, von einem Anschluß 57 des Mikrocomputers 35 über ein ODER-Glied 58 ein Impuls geliefert, um den Setzanschluß des Flipflops 54 zu setzen und gleichzeitig wird das Ausgangssignal am Anschluß 37 auf niedrigen Pegel herabgesetzt und das Ausgangssignal des Inverters 39 auf hohen Pegel angehoben, wodurch die Zeit der Zeitbasis 38 umgeschaltet wird um die Zeitdauer des Torsignals ausreichend zu vergrößern. Durch das so ausreichend vergrößerte Torsignal werden die Zwischenfrequenz und die Schwingungsfrequenz des Überlagerungsoszillators gemessen und auf Grundlage dieser gemessenen Frequenzen und der Ordnung der Harmonischen die wie oben beschrieben durch Mitteln bestimmt worden ist wird die Eingangssignalfrequenz F berechnet.

Ji

Bei der obigen Schaltung wird die Schwingungsfrequenz des Uberlagerungsoszillators durch direktes Zählen der Wellen dieser Schwingung mittels des Zählers 24 gemessen. Sie kann aber auch beispielsweise durch ein Signal gemessen werden, das vom Wobbelspannungsgenerator 14 geliefert wird. Wie zum Beispiel in Fig. 7 dargestellt, wird nämlich im Wobbelspannungsgenerator 14 der Inhalt des Zählers 45 durch einen Koeffizientenmultiplikator 59 in ein Signal umgewandelt, das der

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Schwingungsfrequenz des Überlagerungsoszillators entspricht und dieses Signal wird dem Mikrocomputer 35 zugeführt, um den Inhalt des Koeffizientenmultiplikators 59 zu dem Zeitpunkt einzugeben, zu dem die durch den Zähler 22 gemessene Zwischenfrequenz in den Mikrocomputer 35 eingegeben wird. Die Zwischenfrequenz kann auch durch Messen seiner Periode unter Verwendung einer üblichen Periodenmeßeinrichtung und umwandeln der Periode in die Frequenz ermittelt werden. Bei der obigen Schaltung wird für die jeweilige Messung der Zwischenfrequenz bzw. der Schwingungsfrequenz des Überlagerungsoszillators zur Bestimmung der Ordnung der Harmonischen die Frequenzverschiebung des Überlagerungsoszillators gestoppt. Die Frequenz kann auch ohne stoppen der Frequenzverschiebung des Überlagerungsoszillators gemessen werden, demgemäß also in einem Zustand in dem sich die Frequenz ändert. Natürlich ist eine derartige Meßmethode auf den Fall beschränkt, bei dem innerhalb der Meßzeit T₂ die Zwischenfrequenz innerhalb des Frequenzbandes der Verstärkung des Zwischenfrequenzverstärker 16 liegt. Wenn sich in diesem Zustand die Schwingungsfrequenz des Überlagerungsoszillators linear abhängig von einer Steuerspannung des Überlagerungsoszillators ändert, kann eine mittlere Frequenz innerhalb der Meßzeit T_, das heißt eine Frequenz in der Mitte der Zeit T₂ gemessen werden. Selbst wenn sich die Schwingungsfrequenz des Überlagerungs-Oszillators abhängig von der Steuerspannung nicht linear ändert, kann falls die Meßzeit T₂ kurz ist und falls die

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Frequenzänderung bzw. die Nicht-Linearität ausreichend klein ist die Messung ähnlich ohne Anhalten der Frequenzverschiebung durchgeführt werden.

Wie beschrieben kann mit dem erfindungsgemäßen Frequenzmeßgerät die Ordnung der Harmonischen relativ einfach erhalten werden und es reicht ein überlagerungsoszillator aus, der einen Frequenzänderungsbereich von zum Beispiel etwa 200 MHz aufweist, so daß hierfür kein teures Gerät benötigt wird. Da der Frequenzänderungsbereich klein sein kann, kann eine Schwingfrequenz guter Linearität abhängig von der Steuerspannung erhalten werden, wodurch eine sehr exakte Messung möglich wird. Insbesondere wenn die Ordnung der Harmonischen wie oben beschrieben durch Mitteln bestimmt wird, kann die Eingangssignalfrequenz selbst wenn sie schwankt, gemessen werden.

030028/058A

Leerseite

Claims

BLUMBACH · WESER · BERGEN · KRAMER ZWlRNER . BREHM PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN Petentconsult Radedcestraße 43 8000 München 60 Telefon (089) 88 3603/883604 Telex 05-212 J13 Telegramme Patentconsult Patentconsult Sonnenberger StraOe 4J 6200 Wiesoaden Telefon (06121) 5629 43/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult Takeda Riken Kogyo Kabushikikaisha, 79/8773 32-1, Asahi-cho 1-chome, Nerima-ku, RK/mü Tokyo, Japan Frequenzmeßgerät Patentansprüche

1. Frequenzmeßgerät bei dem das von einem Frequenzwobbelüberlagerungsoszillator gelieferte Schwingungsausgangssignal und ein Eingangssignal einem Frequenzwandler zugeführt werden, der hieraus Zwischenfrequenzsignale ableitet, die den Differenzen zwischen der Eingangssignalfrequenz und der Schwingungsfrequenz des Überlagerungsoszillators entsprechen sowie zwischen der ersteren und den Frequenzen der Harmonischen der letzteren, die
Zwischenfrequenzsignale durch einen Verstärker verstärkt

Mündnen: R. Kramer Dipl.-Ing. . W. Weser Dipl -Phys. Dr. rer. nat. · H. P. Brehm Dipl.-Chem. Dr. phil. nat.
Wiesbaden: P. G. Elumbadi Dipl.-Ing. · P. Bergen Dipl.-Ing. Dr. jur. . G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing

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ORIGINAL INSPECTED

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werden, die Ausgangsfrequenz des Verstärkers durch eine Zwischenfrequenzmeßeinrichtung und die Schwingungsfrequenz des Uberlagerungsoszillators durch eine Uberlagerungsoszillatorfrequenzmeßeinrichtung gemessen werden, um die Eingangssignalfrequenz zu bestimmen, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung zum Steuern der Zwischenfrequenzmeßeinrichtung und der Uberlagerungsoszillatorfrequenzmeßeinrichtung um gleichzeitig die Ausgangsfrequenzen des Verstärkers und des Uberlagerungsoszillators zweimal in einem Zeitintervall zu messen, sowie durch eine Rechenschaltung zum Berechnen aus den durch die Zwischenfrequenzmeßeinrichtung gemessenen Frequenzen F₁₁ und F._ und aus den durch die Uberlagerungsoszillatorfrequenzmeßeinrichtung gemessenen Frequenzen F,.. und F,-

ρ •-»•^ ρ

N = ganze Zahl ( ⁺ °/

F ^ F

wobei OC Null oder ein Dezimalwert ist und zum Entscheiden welche der Frequenzen F... und F._ größer oder kleiner als die andere ist, sowie zum Berechnen der Eingangssignalfrequenz aus dem Ergebnis der Entscheidung, dem berechneten Viert N, der Ausgangsfrequenz F. des Uberlagerungsoszillators und der dieser

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Frequenz entsprechenden Zwischenfrequenz F..

2. Frequenzmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung einen Detektor zum Feststellen des vom Verstärker gelieferten Zwischenfrequenzsignals und einen durch das Ausgangssignal des Detektors gesteuerten Steuerkreis enthält, um Zeitsignale für die erste Messung und die darauffolgende, die jeweils durch die Zwischenfrequenzmeßeinrichtung und die überlagerungsoszillatorrequenzmeßeinrichtung durchgeführt werden, zu erzeugen.

3. Frequenzmeßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkreis und die Rechenschaltung durch einen gemeinsamen Mikrocomputer gebildet werden.

4. Frequenzmeßgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Zwischenfrequenzmeßeinrichtung eine durch ein Torsignal aus der Steuereinrichtung gesteuerte Zwischenfrequenztorschaltung enthält, um das vom Verstärker gelieferte Ausgangssignal passieren zu lassen, sowie einen Zwischenfrequenzzähler zum Zählen der Wellen des von der Zwischenfrequenztorschaltung ge-

0 3 Q 0 2 8 / 0 5 8

29*3330

lieferten Ausgangssignal und daß die überlagerungsoszillatorfrequenzmeßeinrichtung eine Uberlagerungsoszillatorfrequenztorschaltung enthält, die gleichzeitig mit der Zwischenfrequenztorschaltung gesteuert wird, um das vom überlagerungsoszillator gelieferte Ausgangssignal passieren zu lassen, sowie einen Uberlagerungsoszillatorfrequenzzähler zum Zählen der Wellen des von der überlagerungsoszillator frequenz tor schaltung gelieferten Ausgangssignals.

5. Prequenzmeßgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenfrequenztorschaltung und die überlagerungsoszillatorfrequenztorschaltung direkt durch ein Ausgangssignal des Mikrocomputers gesteuert werden.

6. Frequenzmeßgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß ein Torsignalgenerator vorgesehen ist, der durch das vom Mikrocomputer gelieferte Ausgangssignal gesteuert wird, um Torsignale einer konstanten Zeitdauer zu erzeugen und an die Zwischenfrequenztorschaltung sowie die überlagerungsoszillatorfrequenztorschaltung zu liefern.

7. Prequenzmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der überlagerungsoszillator so

030028/CBC;

' ⁵" 29AS330

ausgebildet ist, daß seine Schwingfrequenz sowohl ansteigend als auch abfallend steuerbar ist, daß die Steuereinrichtung so ausgebildet ist, daß sie nach Durchführung einer zweimaligen Messung die Richtung der Frequenzverschiebung des Uberlagerungsoszillators umkehrt und hierbei erneut die Zwischenfrequenzmeßeinrichtung und die Uberlagerungsoszillatorfrequenzmeßeinrichtung veranlaßt, gleichzeitig die Ausgangsfrequenzen des Verstärkers und des Uberlagerungsoszillators zweimal in einem Zeitintervall zu messen und daß die Rechenschaltung so ausgebildet ist, daß sie die Gleichung ausrechnet und entscheidet, welche die größere oder kleinere der Frequenzen F₁₁ und F-₂ ist für die jeweilige Messung um Koinzidenz oder nicht Koinzidenz zwischen den erhaltenen beiden Werten der Ordnung N der Harmonischen festzustellen und im Falle der Koinzidenz die Eingangssignalfrequenz zu berechnen.

8. Frequenzmeßgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Zwischenfrequenzmeßeinrichtung eine Zwischenfrequenztorschaltung enthält, die durch ein von der Steuereinrichtung geliefertes Torsignal gesteuert wird, um das Ausgangssignal des Verstärkers passieren zu lassen, sowie einen Zwischenfrequenzzähler zum Zählen des Ausgangssignals der Zwischenfrequenztor-

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schaltung, daß die überlagerungsoszillatorfrequenzmeßeinrichtung eine überlagerungsoszillatorfrequenztorschaltung enthält, die gleichzeitig mit der Zwischenfrequenztorschaltung gesteuert wird, um das vom überlagerungsoszillator gelieferte Signal passieren zu lassen, sowie einen überlagerungsoszillatorfrequenzzähler zum Zählen des von der Uberlagerungsoszillatorfrequenztorschaltung gelieferten Ausgangssignals und daß die Steuereinrichtung einen Torsignalgenerator zum Erzeugen der Torsignale für die Zwischenfrequenztorschaltung und die Überlagerungsoszillatorfrequenz torschaltung enthält.

9. Frequenzmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der überlagerungsoszillator so ausgebildet ist, daß seine Schwingfrequenz sowohl ansteigen als auch abfallen kann, daß die Steuereinrichtung so ausgebildet ist, daß sie die Richtung der Frequenzverschiebung des Überlagerungsoszillators nach Durchführung der zweimaligen Messung umkehrt und hierdurch wiederum die Zwischenfrequenzmeßeinrichtung und die überlagerungsoszillatorfrequenzmeßeinrichtung veranlaßt gleichzeitig die Ausgangsfrequenzen des Verstärkers und des Überlagerungsoszillators zweimal in einem Zeitintervall zu messen und daß die Rechenschaltung die

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^Fii - ^Fi2

Berechnung von für jede Messung

^F12 - ^F11

durchführt und die Ordnung N der Harmonischen durch Mitteln der Ergebnisse der Berechnungen erhält und die Eingangssignalfrequenz aus der Ordnung N der Harmonischen, der Uberlagerungsoszillatorfrequenz F, und der dieser entsprechenden Zwischenfrequenz F. berechnet.

10. Frequenzmeßgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Zwischenfrequenzmeßeinrichtung eine Zwischenfrequenztorschaltung enthält, die durch ein von der Steuereinrichtung geliefertes Torsignal gesteuert wird um das Ausgangssignals des Verstärkers passieren zu lassen sowie einen Zwischenfrequenzzähler zum Zählen des von der Zwischenfrequenztorschaltung gelieferten Ausgangssignals, daß die Uberlagerungsoszillatorf requenzmeßeinrichtung eine Uberlagerungsoszillatorf requenztorschaltung enthält, die gleichzeitig mit der Zwischenfrequenztorschaltung gesteuert wird um das vom überlagerungsoszillator gelieferte Ausgangssignal passieren zu lassen sowie einen Uberlagerungsoszillatorf requenzzähler zum Zählen des von der Uberlagerungsoszillatorf requenztorschaltung gelieferten Ausgangssignals und daß die Steuereinrichtung einen Torsignalgenerator zum Erzeugen der Torsignale für die

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" ⁸ " 2943330

Zwischenfrequenztorschaltung und die Überlagerungsoszillator frequenz torschaltung enthält.

11. Frequenzmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Steuereinrichtung so ausgebildet ist, daß sie die Zwischenfrequenzmeßeinrichtung und die Uberlagerungsoszillatorfrequenzmeßeinrichtung veranlaßt jeweils gleichzeitig die Messung dreimal oder mehr durchzuführen und daß der Rechner so ausgebildet ist, daß er für jede von wenigstens zwei der verschiedenen

F — F Kombinationen der gemessenen Werte i1 12

^F12 - ^F11

berechnet, einen Mittelwert η der Rechenergebnisse erhält und die Eingangssignalfrequenz aus dem Wert n, der unter Verwendung dieses Wertes erhaltenen Ordnung der Harmonischen, der Uberlagerungsoszillatorfrequenz F, und der dieser entsprechenden Zwischenfrequenz F. berechnet.

12. Frequenzmeßgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Steuereinrichtung einen Zufallsimpulsgenerator enthält und so ausgebildet ist, daß sie die Messung durch das Ausgangssignal des Zufallimpulsgenerators steuert.

Ο3002Θ/Ο6ΒΑ

copy

13. Frequenzmeßgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenf requenznr.eßeinrichtung eine Zwischenfrequenztorschaltung enthält, der das Ausgangssignal des Verstärkers zugeführt wird und einen Zwischenfrequenzzähler zum Zählen des von der Zwischenfrequenztorschaltung gelieferten Ausgangssignals, daß die Uberlagerungsoszillatorfrequenzmeßeinrichtung eine überlagerungsosziliatorfrequenztorschaltung enthält, die gleichzeitig mit der Zwischenfrequenztorschaltung gesteuert und mit dem Ausgangssignal des Uberlagerungsoszillators beliefert wird und ferner einen Uberlagerungsoszillatorf requenzzähler zum Zählen des von der Uberlagerungsoszillatorf requenztorschaltung gelieferten Ausgangssignals, daß die Rechenschaltung und die Steuereinrichtung durch einen Mikrocomputer gebildet werden und daß ein Pseudozufallsimpulsgenerator vorgesehen ist, der durch eine Steuereinrichtung und ein Taktsignal gesteuert wird, ferner ein Torsignalgenerator zum Erzeugen von Torsignalen einer konstanten Dauer abhängig von den Taktsignalen beim Auftreten der vom Pseudozufallsimpulsgenerator gelieferten Ausgangsimpulse und daß die Torsignale der Zwischenfrequenztorschaltung und der Uberlagerungsoszillatorf requenztorschaltung zugeführt werden.

14. Frequenzmcßgerät nach den Ansprüchen 4, 12, 13 und 17,

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dadurch gekennzeichnet, daß von der Steuereinrichtung Torsignale einer größeren Zeitdauer als die Torsignale zum Messen der Frequenzen F,../ F._, F₁₁ und F., für die Berechnung von η erzeugt werden, um die Überlagerungsoszillatorfrequenz F₁ und die diese entsprechende Zwischenfrequenz F. zur Berechnung der Eingangssignalfrequenz zu erhalten.

15. Frequenzmeßgerät nach den Ansprüchen 4, 11, 12 und 13, dadurch gekennzeichnet , daß der überlagerungsoszillator einen Kippspannungsgenerator (Wobbelspannungsgenerator) und einen spannungsgesteuerten Oszillator enthält, dessen Frequenz durch die sich ändernde Ausgangsspannung des Kippspannungsgenerators gesteuert wird, daß das vom spannungsgesteuerten Oszillator gelieferte Ausgangssignal, und ein Taktsignal durch einen Phasenkomparator in der Phase verglichen werden, daß das vom Phasenkomparator gelieferte Ausgangssignal und die sich ändernde Ausgangsspannung des Kippspannungsgenerators durch einen Addierer überlagert und als Steuersignal dem spannungsgesteuerten Oszillator zugeführt werden und daß die Torsignale durch die Steuereinrichtung auf der Basis des Taktsignals erzeugt werden.

16. Frequenzmeßgerät nach den Ansprüchen 1, 7, 8 und 9,

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dadurch gekennzeichnet , daß eine Einrichtung zur Messung der Periode des vom Verstärker gelieferten Ausgangssignals anstelle der Zwischenfrequenzmeßeinrichtung vorgesehen ist und daß die Ausgangsfrequenz des Verstärkers aus der gemessenen Periode bestimmt wird.

17. Frequenzmeßgerät nach den Ansprüchen 1, 7, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet , daß der überlagerungsoszillator einen Kippspannungsgenerator und einen spannungsgesteuerten Oszillator enthält, dessen Ausgangsfrequenz durch die sich ändernde Ausgangsspannung des Kippspannungsgenerators gesteuert wird und daß die überlagerungsoszillatorrequenzmeßeinrichtung so ausgebildet ist, daß sie die Überlagerungsoszillatorfrequenz des vom Kippspannungsgenerator gelieferten Ausgangssignals mißt.

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