Home - Techniek - Electronica - Radiotechniek - Radio amateur bladen - UKW-Berichte - Die Frequenzregelschleife; Eine einfache Möglichkeit zur Frequenzaufbereitung
Nach einem Vortrag auf der VHF-UHF-Tagung 1976 in München
Zur Frequenzaufbereitung werden hauptsächlich die Frequenzsynthese und die Frequenz-analyse angewendet. Dabei wird die Frequenzanalyse wegen der besseren spektralen Reinheit des Ausgangssignals meist bevorzugt. Sie arbeitet mit einem Oszillator auf der gewünschten Ausgangsfrequenz (VCO), und einer Phasen- oder Frequenz-Regelschleife. Beim Phasenvergleich bleibt als Regelrest nur ein Phasenfehler; die relative Genauigkeit der Ausgangsfrequenz entspricht derjenigen der Referenzfrequenz, wenn im Regelsystem Frequenzteiler verwendet werden. Beim Frequenzvergleich dagegen verbleibt als Regelrest stets ein Frequenzfehler. Aus diesem Grund wird die Frequenzregelschleife meist nur in automatischen Nachstimmschaltungen (AFC) - wie zum Beispiel in Rundfunkempfängern - angewendet, wo es auf extreme Frequenzgenauigkeit nicht ankommt. Bei richtiger Dimensionierung der Regelschleife und bei Einsatz moderner integrierter Schaltungen kann der verbleibende Frequenzfehler jedoch so klein gehalten werden, daß er in Amateurfunk-Anwendungen nicht stört. Zusätzlich ergeben sich interessante Möglichkeiten, die bei einer Phasenregelschleife nicht realisierbar sind, nämlich wahlweise spannungslineare Frequenzabstimmung ("LMO"), Erzeugen eines Frequenzrasters mit beliebigem Rasterabstand, und ein konstanter Frequenzversatz für Relaisfunkbetrieb. Eine derartige Frequenzregelschleife soll hier näher untersucht und erklärt werden.
Für spannungslineare Abstimmung Potentiometer, zur Erzeugung eines Frequenzrasters Spannungsteller an URef anschließen1. Prinzip der Frequenzregelschleife
Die hier betrachtete Frequenzregelschleife soll im 2-m-Band einen Bereich von ca. 500 kHz erfassen. Bild 1 zeigt das Blockschaltbild.
Bild 1: Blockschaltbild der Frequenzregelschleife
Man erkennt, daß es sich um einen Analyse-Oszillator handelt. Die Frequenz des Oszillators (VCO) wird mit einer Quarzfrequenz gemischt, und die Zwischenfrequenz einem Diskriminator zugeführt. Dieser wandelt die Differenzfrequenz in eine frequenzproportionale Spannung, die in einem nicht eingezeichneten Tiefpaß gesiebt wird. Diese Gleichspannung wird in einem Komparator mit einer von außen zugeführten Gleichspannung verglichen. Die Ausgangsspannung des Komparators stimmt den Oszillator auf die Sollfrequenz nach.
Die Ausgangsfrequenz ist somit nicht allein starr an eine (Quarz-)Frequenz gebunden, sondern sie kann durch eine Gleichspannung in verhältnismäßig weiten Grenzen verändert werden. Die erzielbare Frequenzkonstanz und Frequenzgenauigkeit hängen im wesentlichen von den Eigenschaften des als Frequenz-Spannungswandler arbeitenden Diskriminators ab.
2. Der Frequenzdiskriminator
Als Diskriminator eignet sich eine monostabile Kippstufe (Monoflop). Hierfür ist zum Beispiel die integrierte TTL-Schaltung des Typs SN74121 einsetzbar. Ihre Funktion kann anhand des in Bild 2 gezeigten Impulsdiagramms erklärt werden.
Bild 2: Impulsdiagramm des Frequenzdiskriminators
Bekommt der Eingang einen Impuls, so gibt der Ausgang einen Impuls konstanter Länge ab. Die Impulslänge wird durch ein außen anzuschließendes RC-Glied festgelegt.
Es ist:
Der Mittelwert U der Ausgangsspannung ist der Eingangsfrequenz direkt proportional, die Funktion ist also streng linear. Wenn nun die Referenz-Gleichspannung am Komparator linear oder in gleichbleibenden Schritten verändert wird, so folgt die Frequenz des VCO ebenso linear beziehungsweise schrittweise.
3. Frequenzversatz
Die Möglichkeit, einen gleichbleibenden Frequenzversatz von beispielsweise 600 kHz für Relais-Funkbetrieb zu realisieren, veranschaulicht Bild 3. Dazu wird die Referenzfrequenz zwischen die beiden gewünschten Bänder gelegt. Eine Regelschleife, die für das Unterband (Relais-Eingabe) ausgelegt ist, kann auch für das Oberband stabil gemacht werden. Da hier die Ausgangsfrequenz oberhalb der Quarzfrequenz liegt, muß an irgendeiner Stelle der Regelschleife eine Phasenumkehr durchgeführt werden. Diese läßt sich elegant am Diskriminator durch Umschalten von Ausgang Q auf Q (invertierter Ausgang) erreichen. Bild 4 zeigt die Verhältnisse.
Bild 3: Möglichkeit eines konstanten Frequenzversatzes (z.B. 600 kHz)
Bild 4: Verhältnisse am Impulsdiskriminator beim Umschalten von Q auf Q
Nach (3) ist:
folgt:
Die Summe f1 + f2 ist also gleich der Konstanten 1/t1 und beträgt für 600 kHz 1,6 µs. Das RC-Glied am Diskriminator bestimmt also den Frequenzversatz. In der Praxis ist es in weiten Grenzen wählbar. Die genaue Lage der Referenzfrequenz (Quarzfrequenz) ist dabei unwichtig. Sie kann theoretisch zwischen der höchsten Frequenz des Unterbandes und der niedrigsten des Oberbandes liegen. Um ein gutes Fangverhalten beim Umschalten zu bekommen, sollte man die Referenzfrequenz etwa in die Mitte zwischen Ober- und Unterband legen.
4. Fehlerbetragtung
4.1. Allgemeines
Da die Ausgangsfrequenz der Schaltung von einer festen (Quarz-) Frequenz und einer Variablen (Diskriminator) abhängt, werden die folgenden Betrachtungen für die maximale Diskriminatorfrequenz angestellt, was in der Regel den ungünstigsten Fall darstellt. In unserem Beispiel sind dies 500 kHz. Um sich über die Stabilität der Ausgangsfrequenz eine Vorstellung machen zu können, werden alle Werte auf eine Frequenz von 150 MHz umgerechnet. Die Inkonstanz der Referenzfrequenz wird nicht berücksichtigt. Die angeführten Werte sind dann gleichsam ein Maß dafür, um wieviel die Frequenzregelschleife schlechter ist als eine vergleichbare Phasenregelschleife.
4.2. Diskriminator
4.2.1. Betriebsspannungseinfluß
Nach Datenblatt des SN74121N beträgt die Änderung der Impulsdauer 7 × 10-3/V. Mit den heute zur Verfügung stehenden Mitteln ist es leicht möglich, eine Spannung von 5 V auf ca. 10 mV konstant zu halten. Geht man von dieser Voraussetzung aus, so ergibt sich durch Änderung der Betriebsspannung ein Fehler von 35 Hz. Dies entspricht einem relativen Fehler von 2,3 × 10-7.
4.2.2. Temperatureinfluß
Nach Datenblatt ist ein Temperatureinfluß von max. 1 × 10-4/°C vorhanden. Hieraus errechnet sich ein Temperaturgang von 3,3 × 10-7/°C. Gibt man der Zeitkonstanten einen bestimmten Temperaturkoeffizienten, so kann dieser Wert noch verbessert werden.
4.3. Komparator
4.3.1. Spannungs- und Strom-Offset
Für die Frequenzkonstanz interessiert nur die Temperaturabhängigkeit dieser Parameter. Es wird von einer Temperaturabhängigkeit von 10 µV/°C ausgegangen. Dieser Wert wird selbst von preiswerten Komparatoren (Operationsverstärkern) meist noch unterboten. Werden für den Abstimmbereich von 500 kHz 5 V Gleichspannung am Komparatoreingang benötigt, so bewirkt eine Spannungsänderung von 10 µV eine Frequenzänderung von 1 Hz, entsprechend einer relativen Frequenzänderung von 0,067 × 10-7/°C!
Die Temperaturabhängigkeit bedingt durch den Strom-Offset liegt etwa in der gleichen Größenordnung.
4.3.2. Betriebsspannungseinfluß
ΔUE/ΔUB liegt etwa in der Größenordnung von 50 µV/V; das heißt: 1 V Betriebsspannungsänderung wirkt sich wie 50 µV Eingangsspannungsänderung aus. Wird wieder davon ausgegangen, daß für den Abstimmbereich von 500 kHz 5 V benötigt werden, so errechnet sich ein Betriebsspannungseinfluß des Komparators von 0,33 × 10-7/V.4.4. Einfluß der Referenzspannung
Werden Diskriminator und Referenz aus der gleichen Spannungsquelle gespeist, so gibt es außer den oben angeführten' Frequenzfehlern keinen zusätzlichen Fehler, da die Änderung der Referenzspannung die gleich Größe besitzt wie die Änderung der Ausgangsspannung des Diskriminators. Am Komparatoreingang kann sich also keine steuernde Differenzspannung ausbilden.
4.5. Frequenzfehler der Regelschleife - Regelrest
Es wurde anfangs schon erwähnt, daß bei der Frequenzregelschleife stets ein Fehler als Regelrest auftritt.
Die Frequenzregelschleife kann als gegengekoppelter Verstärker aufgefaßt werden, wie Bild 5 anschaulich macht.
Bild 5: Die Frequenzregelschleife als gegengekoppelter Verstärker
Aus der Verstärkertechnik entnehmen wir die Beziehung:
mit
g: Gegenkopplungsfaktor
α: Bruchteil der für die Gegenkopplung benutzten Ausgangsspannung. Hier das Verhältnis der Diskriminator-Ausgangsspannung zur benötigten Kapazitätsdiodenspannung für eine definierte Verstimmung des Oszillators.
V: Verstärkung des Komparators ohne Gegenkopplung (bei offener Schleife).
Bekanntlich verringern sich die Störeinflüsse um den Faktor g. Bei entsprechender Dimensionierung der Regelschleife können etwa folgende Werte angenommen werden:
Somit wird:
Wird der Oszillator durch äußere Einflüsse (Temperatur, Belastung) bei geöffneter Regelschleife verstimmt, so wird diese Verstimmung bei geschlossener Schleife um den Faktor 5 . 10-6 reduziert. Das entspricht beispielsweise 1 MHz auf 5 Hz.
5. Kurzstabilität
Die Kurzzeitstabilität hängt im wesentlichen von der Qualität des VCO ab. Sein Kurzzeitverhalten ist aber das eines freischwingenden Oszillators und kann durch eine Regelschleife mit niedriger Grenzfrequenz nicht verbessert werden. Da die Frequenzaufbereitung für die Betriebsart SSB wegen der heute fast ausschließlich angewendeten Filtermethode auf andere Weise erfolgen muß, hat die beschriebene Frequenzaufbereitung im wesentlichen für die Betriebsart FM praktische Bedeutung.
6. Schlußbetrachtung
Die angestellten Betrachtungen zeigen, daß mit mäßigem Aufwand eine abstimmbare Frequenz hinreichender Genauigkeit und Konstanz erzeugt werden kann. Diese Frequenzregelschleife dürfte immer dort vorteilhaft anzuwenden sein, wo Teilbereiche eines Bandes linear und/oder in definierten Schritten (Raster) bestrichen werden sollen.
Ein Versuchsaufbau für den Frequenzbereich 145,0 ... 145,825 MHz als Rasteroszillator für Relais- und Simplex-Betrieb bestätigte die Richtigkeit der angeführten Überlegungen. Die gesamte Regelschleife (ohne Spannungsteiler für die Referenzspannung sowie die Spannungsstabilisierung) konnte in einem Gehäuse mit den Abmessungen 100 mm × 52 mm × 30 mm untergebracht werden. Die Stromaufnahme betrug bei einer Batteriespannung von 9 V ca. 35 mA, was die Verwendung des Oszillators als Baustein für eine tragbare FM-Station interessant macht.
DL9FX, Günter Hoffschildt.