DE3100429A1

DE3100429A1 - Schaltungsanordnung zur erzeugung eines zweiten signals mit einer zweiten frequenz in genauer zeitlicher beziehung zu einem ersten signal mit einer ersten frequenz

Info

Publication number: DE3100429A1
Application number: DE19813100429
Authority: DE
Inventors: Philip Stephen 97219 Portland Oreg. Crosby
Original assignee: Tektronix Inc
Current assignee: Tektronix Inc
Priority date: 1980-01-09
Filing date: 1981-01-09
Publication date: 1981-11-19
Also published as: JPS56104543A; US4316150A; GB2067371B; FR2473816A1; FR2473816B1; GB2067371A; DE3100429C2; CA1164963A; NL8100013A; JPH0322736B2

Description

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines zweiten Signals mit einer zweiten Frequenz in genauer zeitlicher Beziehung zu einem ersten Signal mit einer ersten Frequenz.

Speziell betrifft die Erfindung dabei eine Schaltungsanordnung mit phasenstarrer Schleife speziell zur Feststellung von Phasenfehlern und. zur Erzeugung einer Phasenfehler-Korrekturspannung.

Es ist ein zunehmendes Bedürfnis für Schaltungsanordnungen festzustellen, welche ein zweites Signal in genauer zeitlicher Beziehung zu einem ersten Signal liefern. Zu diesem Zweck werden gewöhnlich phasenstarre Schleifen verwendet. In einer phasenstarren Schleife werden die beiden Signale in einen Phasendetektor eingespeist, dessen Ausgangssignal eine Funktion der Phasendifferenz zwischen den beiden Signalen ist. Die dabei entstehende Fehlerspannung wird nach Tiefpaßfilterung in einem Schleifenfilter derart in den Steuereingang eines spannungsgesteuerten Oszillators eingespeist, daß die Phase des Oszillatorsignals der Phase des Eingangssignals folgen muß. In den meisten phasenstarren Schleifen zweiter Ordnung muß ein Fehlerverstärker zwischen den Phasendetektor und den spannungsgesteuerten Oszillator eingeschaltet werden.

Zur genaueren Erläuterung von Schaltungsanordnungen mit phasenstarrer Schleife wird auf Kapitel 6 des Buches Frequency Synthesis von V.F. Kroupa hingewiesen, das 1973 bei Charles Griffin & Company Ltd. erschienen ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung mit phasenstarrer Schleife anzugeben,

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in der zwischen einem Phasendetektor und einem Schleifenfilter ein Verstärker nicht erforderlich ist, d.h., daß für das Ausgangsfehlersignal keine Verstärkung notwendig ist.

Weiterhin soll ein Phasendetektor angegeben werden, in dem der Detektorpunkt genau einstellbar und leicht änderbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch folgende Merkmale gelöst: einen gesteuerten .Signalgenerator zur Erzeugung des zweiten Signals,

einen Schaltimpulsgenerator zur Erzeugung eines Schaltimpulses, und eine durch einen Schaltimpuls vom Schaltimpulsgenerator wirksamgeschaltete Schaltung zum Vergleich des ersten Signals mit dem zweiten Signal sowie zur Steuerung des gesteuerten Signalgenerators als Funktion des Vergleichs zwecks Aufrechterhaltung des zweiten Signals in genau zeitlicher Beziehung zum ersten Signal.

Gemäß einer selbständigen Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist bei einer Schaltungsanordnung in Form eines Phasendetektors zum Vergleich der Phase eines ersten Signals mit einer ersten Frequenz und eines zweiten Signals mit einer zweiten Frequenz vorgesehen, daß ein erstes Flip-Flop das zweite Signal an einem Takteingang, das Ausgangssignal des Schaltimpulsgenerators an einem Eingang und das erste Signal an einem Setzeingang aufnimmt,

daß ein zweites Flip-Flop das zweite Signal an einem Takteingang und das Ausgangssignal des Schaltimpulsgenerators an einem Eingang aufnimmt,

und daß eine Schalteranordnung zur Schaltung eines von einem Stromverstärker gelieferten Fehlerstroms von den Ausgangssignalen an den Auscfängen der Flip-Flops angesteuert ist.

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Weitere Ausgestaltungen des Erfindunysyedunken;; sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren der Zeichnung dargestellten Schaltungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer vorbekannten Schaltungsanordnung mit phasenstarrer Schleife, anhand dessen die durch.die Erfindung erzielbaren Vorteile erläuterbar sind,

Fig. 2 ein teilweise in Blockform ausgeführtes Schaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung; und

Fig. 3 Signaldiagramme zur Erläuterung der Funktionsweise der Schaltungsanordnung nach Fig. 2.

Obwohl die Wirkungsweise von phasenstarren Schleifen an sich bekannt ist, läßt sich die Erfindung dennoch anhand des eine vorbekannte Schaltungsanordnung darstellenden Blockschaltbildes nach Fig. 1 erläutern.

In der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 liefert ein Referenzoszillator 100 ein Signal mit einer Frequenz f₁. Ein zweites Signal f₂ soll in genauer zeitlicher Beziehung zu diesem ersten Signal erzeugt werden. Das Signal mit der Frequenz £2 wird in einem gesteuerten Signalfrequenzgenerator bzw. -oszillator 500 erzeugt, welcher einen Steuereingang 510 mit hoher Impedanz aufweist. Der Oszillator 500 kann ein spannungsgesteuerter Kristalloszillator sein.

Das Ausgangssignal des Oszillators 500 wird in eine Schaltung zum Vergleich der Phase des ersten Signals mit der Frequenz f₁ und der Phase des zweiten Signals mit der Frequenz f„

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eingespeist. Diese Schaltung kann zweckmäßigerweise durch einen Phasendetektor 200 gebildet werden. Befinden sich die Signale mit den Frequenzen f₁ und f_v in dergcwünschten Phasenbeziehung so erzeugt der Phasendetektor 200 kein Fehlersignal. Sollten sich jedoch die beiden Signale in einer anderen als der gewünschten Phasenbeziehung befinden, so liefert der Detektor 200 eine Fehlersignal-Steuerspannung für den Steuereingang 510 des Oszillators 500 zur Änderung der Frequenz f₂ in einer Richtung, welche der Aufrechterhaltung der genauen Phasenbeziehung zwischen den Signalen mit den Frequenzen f.. und f_ entspricht.

Ein Schleifenfilter 300 und ein Verstärker 400 liegen im Weg der vorgenannten Fehlersignal-Steuerspannung. Die übertragungsfunktion des Schleifenfilters 300 hat eine beträchtliche Wirkung auf die Schleifenstabilität. Das Schleifenfilter 300 dient zur Dämpfung schneller Änderungen im Phasenfehler aufgrund von Rauscheffekten im Signal mit der Frequenz f.. Es unterstützt weiterhin die Glättung von hochfrequenten Komponenten im Ausgangssignal des Phasendetektors. Der zwischen den Phasendetektor und den Steuereingang 510 des Oszillators 500 geschaltete Verstärker 400 liefert die erforderliche Schleifenverstärkung. Die passiven Komponenten des Schleifenfilters 300 können jedoch auch im Rückkoppelnetzwerk eines Verstärkers mit hoher Verstärkung verwendet werdön, um ein (nicht dargestelltes) aktives Filter zu bilden. Die Verwendung eines Schleifenfilters führt zu einer phasenstarren Schleife, welche als Schleife zweiter Ordnung bekannt ist.

Figur 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Figur 3 zeigt typische Signalformen an verschiedenen Stellen in der Schaltungsanordnung nach Figur 2. Auf diese Diagramme wird im folgenden bei der Erläuterung der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 Bezug genommen. Der Referenzimpulsoszillator 100 erzeugt vorzugsweise rechteckförmige Impulse, wie sie in Form

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— O —

des Signalzuges A in Fig. 3 dargestellt sind. Der als konventioneller Generator ausführbare Generator 100 erzeugt die rechteckförmigen Impulse mit der Frequenz f.. .

Ein Schaltimpulsgenerator 6 00 erzeugt Impulse, welche einem Impulszug B in Fig. 3 entsprechen. Sowohl die Referenzimpulse als auch die Schaltimpulse werden in einen Phasendetektor 200' eingespeist.

Der Phasendetektor 200' enthält D-Flip-Flops 205 und 210, Schalttransistoren 220, 230 und 240, eine Konstantstromquelle 215 und einen invertierenden Stromverstärker 700. Die Flip-Flops 2 05 und 210 sind konventionelle, durch negative Flanken getriggerte Stufen. Der Referenzimpuls wird in einen Setzeingang des Flip-Flops 205 eingespeist, während der Schaltimpuls in den Eingang D beider Flip-Flops 205 und 210 eingespeist wird. Ein Ausgang Q des Flip-Flops 205 und ein Ausgang Q des Flip-Flops 210 bleiben unbenutzt, während ein Ausgang Q des Flip-Flops 205 an die Basis des Transistors 230 und ein Ausgang Q des Flip-Flops 210 an die Basis des Transistors 220 angekoppelt ist.

Die Emitter der Transistoren 220, 230 und 24 0 sind zusammen an eine Klemme der konventionellen Stromquelle 215 angekoppelt. Die andere Klemme der Stromquelle 215 ist mit Erde verbunden. Der Kollektor des Transistors 220 ist ebenfalls mit Erde verbunden. Der Kollektor des Transistors 230 ist an den Eingang des Stromverstärkers 700 und der Kollektor des Transistors 240 an den Ausgang des Stromverstärkers 700 angekoppelt. Die Basis des Transistors 240 ist mit einer Vorspannungsquelle 225 verbunden.

Der Stromverstärker 700 enthält PNP-Transistoren 250 und 260 sowie Widerstände 235, 255 und 265. Die Emitter der Transistoren 250 und 260 sind über den Widerstand 255 bzw.

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265 an eine Potentialquelle angekoppelt (welche beispielsweise durch eine Quelle 245 für eine positive Spannung gebildet wird). Die Basis des Transistors 250 ist über den Serienwiderstand 235 mit dem Kollektor des gleichen Transistors verbunden, so daß dieser Transistor in üblicher Weise als Diode geschaltet und betrieben ist. Der auf diese Weise als Diode geschaltete Transistors 250 liefert die Vorspannung für den Stromquellentransistor 260, da der Kollektor des Tranistors 250 auch direkt mit dor Basis des Transistors 260 verbunden ist. Die vorstehend erläuterte Schaltung ist im einzelnen beispielsweise in der US-PS 3 939 434 beschrieben.

Das Ausgangssignal des Phasendetektors 200' wird am Verbindungspunkt des Kollektors des Transistors 260 und des Kollektors des Transistors 240 abgenommen. Dieses Fehlersignal wird auf das oben erläuterte konventionelle Schleifenfilter 300 gekoppelt. Das gefilterte Fehlersignal wird sodann in den Steuereingang 510 des spannungsgesteuerten Oszillators 500 eingespeist. Der Steuereingang 510 ist vorzugsweise an eine Klemme einer Kapazitätsdiode mit variabler Kapazität gekoppelt, welche zur Änderung der Frequenz des Oszillators 500 dient. Das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators 500 ist das gewünschte Signal mit der Frequenz f_. Zusätzlich zu seiner Funktion als Ausgangssignal wird das Signal mit der Frequenz f_ auf den Phasendetektor 200' rückgekoppelt. Speziell wird es auf den Takteingang CK der beiden Flip-Flops 205 und 210 gekoppelt.

Der Gesamtzweck der vorstehend beschriebenen Schaltungsanordnung ist im wesentlichen der gleiche wie derjenige der vorbekannten Schaltungsanordnung nach Figur 1. Ein zweites Signal mit der Frequenz f₂ wird in genauer zeitlicher Beziehung zu einem ersten Signal mit der Frequenz f.. erzeugt. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung weicht jedoch insofern von der vorbekannten Schaltungsanordnung ab, als der

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vorbeschriebene neue Phasendetektor 200' vorgesehen ist, dessen Wirkungsweise nunmehr beschrieben wird..

Der Phasendetektor wird durch die negative Flanke des Schaltimpulses am Eingang D des Flip-Flops 210 wirksamgeschaltet. Daher wird der Ausgang Q dieses Flip-Flops beim nächsten am Eingang CK aufgenommenen Taktimpuls negativ getaktet. Der Schaltimpuls wird weiterhin auf den Eingang D des Flip-Flops 205 gegeben. Da das Flip-Flop 205 die gleichen Taktimpulse wie das Flip-Flop·210 erhält, nimmt der Ausgang Q des Flip-Flops 205 einen hohen Pegel an, wenn der Ausgang Q des Flip-Flops 210 einen tiefen Pegel annimmt, wodurch eine positive Spannung auf die Basis des Transistors 2 30 gegeben wird. Im Kollektorzweig des Transistors 260 wird (über die Stromspiegelwirkung) ein Strom ItIi₁ erzeugt. Der Proportionalitätsfaktor m repräsentiert die Verstärkung des Stromspiegelverstärkers 700 und ist gleich dem Verhältnis des Wertes des Widerstandes 255 und des Wertes des Widerstandes 265. Dieser Stromfluß bewirkt einen Ladungsaufbau am Schleifenfilter 300. Die Ladung bildet sich am Filter 300 aus, bis eine positive Flanke des Referenzimpulses auftritt. Die Zeit zwischen dem Beginn d^s Schaltimpulses und dem Beginn des Referenzimpulses ist in Figur 3 mit a bezeichnet. Daher ist die am Schleifenfilter gebildete Ladung durch folgende Beziehung gegeben:

Q₁ = mi.ja (1)

Wenn ein positiver Referenzimpuls am Setzeingang des Flip-Flops 2 05 auftritt, so nimmt dessen Ausgang Q nach dem nächsten Taktimpuls einen tiefen Pegel an. Das Flip-Flop 210 bleibt unverändert. Die negative Spannung an der Basis des Transistors 2 30 bewirkt die Beendigung des Stromflusses. Die Ladung am Schleifenfilter 300 bewirkt jedoch einen Stromfluß durch die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 240 bis zum Ende des Schaltimpulses. In Fig. 3 ist die Dauer des Schalt-

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impulses mit b bezeichnet. Daher ist die durch das Schleifenfilter 300 absorbierte Ladung durch folgende Beziehung gegeben:

Q₂ = X₁ (b-a) (2)

Die effektive Ladung auf dem Schleifenfilter ist durch folgende Beziehung gegeben:

Q = mi.a - I₁ (b-a) (3)

Die am Schleifenfilter ausgebildete Spannung steuert die Frequenz des Oszillators 500. Unter stationären Bedingungen mit Q=O gilt daher:

m^a = X₁ (b-a) (4)

— = — (51

b (m+1) ^l '

Der Punkt a/b ist daher unabhängig von allen Schaltkreisparametern mit Ausnahme der Verstärkung m des invertierenden Verstärkers 700. Es folgt dann, daß der Detektorpunkt durch Änderung des Faktors m änderbar ist. In der Ausführungsform nach Fig. 2 ist m=1 (da der Wert des Widerstandes 255 gleich dem Wert des Widerstandes 265 gewählt ist) und a/b=1/2. Das Signal mit der Frequenz f„ ist daher auf das Zentrum des Schaltimpulses festgelegt, das mit der positiven Flanke des Referenzimpulses zusammenfällt.

Wenn die positive Flanke des Schaltimpulses an den Eingängen D der Flip-Flops 205 und 210 ankommt, so ändern die Ausgangssignale nach dem nächsten Taktimpuls ihren Pegel. Der Ausgang

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_ ₁₂ _ 3100A29

Q des Flip-Flops 210 besitzt einen hohen Pegel, während
der Ausgang Q des Flip-Flops 205 einen tiefen Pegel besitzt. Die hohe Spannung an der Basis des Transistors 220 schaltet daher den Phasendetektor 200' ab. Die Ladung am Schleifenfilter 300 hält die Spannung am Steuereingang 510. Wenn
der nächste Schaltimpuls empfangen wird, wiederholt sich
der vorstehend beschriebene Vorgang.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß das Ausgangssignal
des spannungsgesteuerten Oszillators 500 (aufgrund der Tatsache, daß es in den Takteingang der Flip-Flops 205 und 210 eingespeist wird) in der Phase genau auf einen Referenzimpuls festgelegt ist. Der Phasendetektor wird lediglich wirksamgeschaltet und zieht Strom lediglich während der Dauer des Schaltimpulses, so daß eine lediglich sehr geringe Möglichkeit zur Einkopplung von Rauschen in den Steuereingang 510 des
Oszillators 500 besteht. Darüber hinaus ist der Zeitpunkt, in dem die Phasenerfassung erfolgt, durch die Stromspiegelschaltung genau festgelegt. Die Stromspiegelschaltung dient zur Einspeisung und Abführung von Strom in das bzw. aus dem Schleifenfilter des Systems.

Bei den vorstehenden Ausführungen wurde berücksichtigt, daß die Erläuterungen nicht durch Details und spezifische Informationen zu Schaltungseinzelheiten, wie beispielsweise Vorspannungen und ähnliche Maßnahmen belastet wurden, da derartige Informationen dem Fachmann zur Verfügung stehen.

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Claims

Patentanwälte Dipl.-Ing-.-H.-Weickm». nn, DipjJ.-Phys. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber Dr. Ing. H. LisKA 3100429

8000 MÜNCHEN 86, DEN Q l_ft- _4not POSTFACH 860 820 * Λα «81

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 3921/22

Tektronix, Inc.,

S.W. Griffith Drive, Beaverton, Oregon 97005, V.St,A.

Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines zweiten Signals mit einer zweiten Frequenz in genauer ,/ zeitlicher Beziehung zu einem ersten Signal mit einer ersten Frequenz

Patentansprüche

Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines zweiten Signals mit einer zweiten Frequenz in genauer zeitlicher Beziehung zu einem ersten Signal mit einer ersten Frequenz, gekennzeichnet durch

einen gesteuerten Signalgenerator (500) zur Erzeugung des zweiten Signals (f₂),

einen Schaltimpulsgenerator (600) zur Erzeugung eines Schaltimpulses,

und eine durch einen Schaltimpuls vom Schaltimpulsgenerator (600) wirksamgeschaltete Schaltung (205, 210, 220, 230, 240, 700) zum Vergleich des ersten Signals (f..) mit dem zweiten Signal (f₂) sowie zur Steuerung des gesteuerten Signalgenerators (500) als Funktion des Vergleichs zwecks Aufrechterhaltung des zweiten Signals (f_?) in genauer zeitlicher Beziehung zum ersten Signal (f..).

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2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Vergleichsschaltung (205, 210, 220, 230, 240, 700) folgende Komponenten aufweist:

ein erstes Flip-Flop (205) mit einem an den Ausgang des gesteuerten Signalgenerators (500) angekoppelten Takteingang (CK), mit einem an den Ausgang des Schaltimpulsgenerators (600) angekoppelten Eingang (D), mit einem das erste Signal (f..) aufnehmenden Setzeingang (SET) und mit einem Ausgang (Q),

ein zweites Flip-Flop (210) mit einem an den Ausgang des gesteuerten Signalgenerators (500) angekoppelten Takteingang (CK), mit einem an den Ausgang des Schaltimpulsgenerators (600) angekoppelten Eingang (D) und mit einem Ausgang (Q),

einen Stromverstärker (700) zur Erzeugung eines schaltbaren Fehlerstroms,

und eine an die Ausgänge (Q, Q) der Flip-Flops (205, 210) angekoppelte Schalteranordnung (220, 230, 240) zur Schaltung des Fehlerstroms auf den gesteuerten Signalgenerator (500).
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und/oder 2, gekennzeichnet durch ein zwischen die Vergleichsschaltung (205, 210, 220, 230, 240, 700) und den gesteuerten Signalgenerator (500) gekoppeltes Schleifenfilter (300),
4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß als gesteuerter Signalgenerator (500) ein spannungsgesteuerter Oszillator mit großer Eingangsimpedanz Verwendung findet.
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß als Stromverstärker (700) eine Stromspiegelschaltung Verwendung findet.

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6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Schalteranordnung (220, 230, 240)

einen ersten Schalttransistor (220), dessen Basis an den Ausgang (Q) des zweiten Flip-Flops (210) angekoppelt ist, einen zweiten Schalttransistor (230) , dessen Basis an den Ausgang (Q) des ersten Flip-Flops (205) angekoppelt ist, und einen dritten Schalttransistor (240), dessen Basis an ein Vorspannpotential angekoppelt ist, aufweist.
7. Schaltungsanordnung in Form eines Phasendetektors zum Vergleich der Phase eines ersten Signals mit einer ersten Frequenz und eines zweiten Signals mit einer zweiten Frequenz, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß das erste Flip-Flop

(205) das zweite Signal (f₂) an seinem Takteingang (CK), das Ausgangssignal des Schaltimpulsgenerators (600) an seinem Eingang (D) und das erste Signal (f-) an seinem Setzeingang (SET) aufnimmt,

daß das zweite Flip-Flop (210) das zweite Signal (f₂) an seinem Takteingang (CK) und das Ausgangssignal des Schaltimpulsgenerators (600) an seinem Eingang (D) aufnimmt,

und daß die Schalteranordnung (220, 230, 240) zur Schaltung des vom Stromverstärker (700) gelieferten Fehlerstroms von den Ausgangssignalen an den Ausgängen (Q, Q) der Flip-Flops (205, 210) angesteuert ist.

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