AT513112A1

AT513112A1 - Synchronization method and apparatus for oscillators

Info

Publication number: AT513112A1
Application number: AT7732012A
Authority: AT
Inventors: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss; Karl Dipl Ing Dr Edelmoser
Original assignee: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss
Priority date: 2012-07-11
Filing date: 2012-07-11
Publication date: 2014-01-15

Abstract

Die Erfindung betrifft Synchronisierverfahren für Oszillatoren bzw. Synchronisiervorrichtungen, bestehend aus einem in der Frequenz in einem bestimmten Frequenzbereich veränderlichen Oszillator, einem Zähler, einem Register, einer Subtrahierschaltung, fakultativ einem Multiplizierer mit einem Faktor. Während des Synchronisiervorgangs werden die Perioden des Oszillatorsignals über ein fixes Zeitintervall gezählt, der sich ergebende Endwert mit einem vorgegeben Wert der der richtigen Frequenz entspricht verglichen und dieser Differenzwert, eventuell mit einem Faktor verstärkt, dazu verwendet die Frequenz des Oszillators zu verändern oder dass während des Synchronisiervorgangs die Perioden des Oszillatorsignals über ein fixes Zeitintervall gezählt werden, der sich ergebende Endwert mit einem vorgegebenen Wert, der der richtigen Frequenz entspricht, verglichen wird und dieser Differenzwert einem Summierer, der zu Beginn des Synchronisiervorgangs auf null gesetzt wird, zugeführt wird, dessen Summierstand eventuell mit einem Faktor verstärkt, dazu dient die Frequenz des Oszillators zu verändern.The invention relates to synchronization method for oscillators or synchronizing devices, consisting of an oscillator variable in frequency in a certain frequency range, a counter, a register, a subtractor, optionally a multiplier with a factor. During the synchronization process, the periods of the oscillator signal are counted over a fixed time interval, the resulting final value corresponding to a predetermined value corresponding to the correct frequency and this difference value, possibly amplified by a factor, used to change the frequency of the oscillator or during the Synchronizing the periods of the oscillator signal over a fixed time interval are counted, the resulting final value is compared with a predetermined value corresponding to the correct frequency, and this difference value to a summer, which is set to zero at the beginning of the synchronization process, the summation level possibly amplified by a factor, this is to change the frequency of the oscillator.

Description

Synchronisierverfahren und -Vorrichtung für OszillatorenSynchronization method and apparatus for oscillators

Die Erfindung betrifft Synchronisierverfahren für Oszillatoren bzw. Synchronisiervorrichtungen, bestehend aus einem in der Frequenz in einem bestimmten Frequenzbereich veränderlichen Oszillator, einem Zähler, einem Register, einer Subtrahierschaltung, fakultativ einem Multiplizierer mit einem Faktor.The invention relates to synchronization method for oscillators or synchronizing devices, consisting of an oscillator variable in frequency in a certain frequency range, a counter, a register, a subtractor, optionally a multiplier with a factor.

Die Vorrichtung soll an einem Beispiel erläutert werden. Das Ziel sei ein Oszillator von 100 kHz. Der Oszillator ist so gebaut, dass er ungefähr mit 100 kHz schwingt. Die Vorrichtung dient nun dazu den Oszillator extern auf die richtige Frequenz zu ziehen. Dazu wird ein externes Gatesignal (Referenzsignal) für einen Zähler zur Synchronisierung vorgegeben. Dieses Gatesignal wird z.B. von einem Quarzoszillator oder von einem Zeitzeichensender abgeleitet. Das Referenzsignal kann auch aus dem Takt einer Datenübertragung (über eine Schnittstelle) hergeleitet werden. Diese Variante ist besonders dann von Interesse, wenn der Oszillator ein Teil eines größeren komplexen Systems ist, das von einem überlagerten System (Steuergerät) gesteuert wird.The device will be explained by an example. The goal is an oscillator of 100 kHz. The oscillator is built to oscillate at about 100 kHz. The device is now used to externally pull the oscillator to the correct frequency. For this purpose, an external gate signal (reference signal) for a counter for synchronization is specified. This gate signal is e.g. derived from a quartz oscillator or a time signal transmitter. The reference signal can also be derived from the clock of a data transmission (via an interface). This variant is of particular interest when the oscillator is part of a larger complex system controlled by a higher-level system (controller).

Ein Rechteckoszillator (mit z.B. 102 kHz) z.B. bestehend aus einem Komparator mit Hysterese und einem RC-Glied zur Frequenzbestimmung liefert für eine gewisse Zeit (z.B. 1 sec, vorgegeben durch das externe Gatesignal) ein Zählsignal in einen Zähler. In dieser Zeit steigt der Zählerstand um 102000. Nach Ablauf der einen Sekunde wird der Zähler gestoppt, der Zählerstand in ein Register übernommen und mit einem Referenzwert (in unserem Bsp. 100.000, das entspräche einer Oszillatorfrequenz von 100 kHz) verglichen. Subtraktion von Register(Zähler)wert und Referenzwert liefert den Wert minus 2000. Dieser Wert dient dazu die Oszillatorfrequenz zu verändern, im konkreten Fall zu reduzieren. Die Frequenz des RC-Oszillators kann durch Veränderung des Widerstands verändert werden. Dies kann durch einen Transistor geschehen. Besonders Feldeffekttransistoren eignen sich gut zur Realisierung von veränderlichen Widerständen. Durch solch einen gesteuerten Widerstand kann die Frequenz des Oszillators in einem bestimmten Bereich variiert werden. Andere Möglichkeiten sind digital veränderliche Widerstände, Widerstands-Schalter- Kombinationen oder variierbare Kondensatoren und Kondensator-Schalter-Kombinationen. Der Vorgang kann mehrmals wiederholt werden.A square wave oscillator (e.g., 102 kHz) e.g. consisting of a comparator with hysteresis and an RC element for frequency determination supplies for a certain time (for example 1 sec, given by the external gate signal) a count signal in a counter. During this time, the count increases by 102000. After one second, the counter is stopped, the count is taken into a register and compared with a reference value (in our example 100,000, which corresponds to an oscillator frequency of 100 kHz) compared. Subtraction of register (counter) value and reference value returns the value minus 2000. This value is used to change the oscillator frequency, in this case to reduce. The frequency of the RC oscillator can be changed by changing the resistance. This can be done by a transistor. Especially field effect transistors are well suited for the realization of variable resistors. By such a controlled resistance, the frequency of the oscillator can be varied within a certain range. Other possibilities are digitally variable resistors, resistor-switch combinations or variable capacitors and capacitor-switch combinations. The process can be repeated several times.

Neben dieser direkten Methode, die den Nachteil hat, dass die Korrektur nicht ganz exakt sein kann, kann man noch einen zusätzlichen Zähler einbauen. Dort wird der Fehler gespeichert und der Zähler steuert (eventuell mit einem Faktor multipliziert) den Oszillator. Anschließend wird wieder das Oszillatorsignal für eine Sekunde gezählt und liefert nun z.B. den Wert P101/fh/20120710 2/9 1 100300. Dieser Wert wird mit dem gewünschten Referenzwert von 100000 verglichen und liefert nun den Wert minus 300. Dieser Wert wird dem zweiten Zähler zugeführt, der damit auf den Stand minus 2300 kommt. Es erfolgt damit eine neuerliche Korrektur des Oszillators. Die Frequenz gehe nun auf999950 Hz. Wird nun wieder für eine Sekunde gezählt, so erreicht der Zähler (es wird jeweils vor einem neuen Zähl Vorgang der Zähler null gesetzt) den Stand 999950. Mit dem Referenzwert verglichen ergibt sich plus 50 und damit im zweiten Zähler minus 2250. Damit wird der Oszillator neuerlich korrigiert. Regelungstechnisch kann die zweite Vorrichtung als Integralregler, die erste Variante als Proportionalregler interpretiert werden.In addition to this direct method, which has the disadvantage that the correction can not be quite exact, you can add an additional counter. There, the error is stored and the counter controls (possibly multiplied by a factor) the oscillator. Subsequently, the oscillator signal is counted again for one second and now provides e.g. the value P101 / fh / 20120710 2/9 1 100300. This value is compared with the desired reference value of 100000 and now returns the value minus 300. This value is fed to the second counter, which thus comes to the level minus 2300. It thus takes place a new correction of the oscillator. The frequency goes now to 999950 Hz. If now again counted for one second, the counter reaches (it is set before a new counting process, the counter zero) the state 999950. Compared with the reference value results in plus 50 and thus in the second counter minus 2250. This will correct the oscillator again. Control technology, the second device can be interpreted as an integral controller, the first variant as a proportional controller.

Die Erfindung wird an Hand von zwei Abbildungen erläutert. Fig. 1 stellt das Proportionalreglerkonzept und Fig. 2 das Konzept mit einem Integralregler dar.The invention will be explained with reference to two figures. Fig. 1 illustrates the proportional control concept and Fig. 2 illustrates the concept with an integral controller.

Der Oszillator in Fig. 1 ist beispielhaft ein einfacher RC-Rechteckoszillator. Von einer Referenzspannung (Vref) wird ein Kondensator (Ct) geladen. Als Ladewiderstand dient der Widerstand (Rt), dem eine Serienschaltung, gebildet aus einem als gesteuertem Widerstand verwendeten MOSFET (Ts) und dem fixen Widerstand (Rs), parallel geschaltet ist. Durch Veränderung des Ladewiderstandes können Frequenzfehler bedingt durch die Bauteiltoleranzen ausgeglichen werden. Erreicht die Spannung am Kondensator (Ct) den oberen Schwellwert des Komparators mit Hysterese (St), kippt der Komparator (St) auf „High“ und schaltet den Transistor (Td) parallel zum Kondensator ein, der mm den Kondensator (CT) entlädt. Entlädt sich der Kondensator (CT) soweit, dass die untere Schwelle erreicht wird, schaltet der Komparator (St) wieder auf „Low“, der Transistor (Td) schaltet aus und der Ladevorgang beginnt von neuem. Die Veränderung des Widerstands ist symbolisch durch den Digitalanalogkonverter angedeutet. Natürlich gibt es viele andere Möglichkeiten, einen Rechteckoszillator in der Frequenz zu verändern. Grundsätzlich ist hier das Ziel, einen Oszillator, der auf einer fixen Frequenz schwingen soll, trotz Bauteiltoleranzen oder bei längerem Betrieb durch Temperaturänderung verursachte Bauteilparameteränderungen auf diesen Frequenzwert zu zwingen. Das Ausgangssignal des Komparators (St) hat die Frequenz (fout) und kann entweder direkt oder über einen Teiler (um ein bestimmtes Tastverhältnis zu erreichen, z.B. 50%) verwendet werden. Um nun den Oszillator zu synchronisieren wird der Zähler (CNT) für eine bestimmte Zeit auf Zählen geschaltet. Dies geschieht über das Steuersignal fREF· Ist die Zeit abgelaufen, wird der Zähler gestoppt, der Zählwert kann (so wie gezeichnet) in ein Register übernommen werden oder gleich direkt von dem Referenzwert, der in einem Register (REF) steht, subtrahiert werden, wobei das Ergebnis im Register (SUB) steht und eventuell mit einem Faktor (K) zur Anpassung an den veränderlichen Widerstand P101/fh/20120710 3/9 2 • ·· · · · ·· ·· • · · · ··· ·· · ···· ·· ·· ·· ·· ·· · • ·· ·· ·· ·· ·· · multipliziert an den Digitalanalogwandler zur Ansteuerung des als veränderlicher Widerstand dienenden Transistors (Ts) gelegt wird. Diese Methode ist ausreichend, wenn nur relativ kleine Toleranzen ausgeglichen werden müssen oder die Frequenz nicht ganz genau stimmen muss. Der Synchronisiervorgang kann auch noch ein- oder mehrmals wiederholt werden.The oscillator in FIG. 1 is an example of a simple RC square-wave oscillator. From a reference voltage (Vref), a capacitor (Ct) is charged. As a charging resistor, the resistor (Rt), the series circuit consisting of a MOSFET (Ts) used as a controlled resistor and the fixed resistor (Rs), is connected in parallel. By changing the charging resistance frequency errors can be compensated due to the component tolerances. When the voltage at the capacitor (Ct) reaches the upper threshold value of the comparator with hysteresis (St), the comparator (St) tilts to "High" and switches the transistor (Td) parallel to the capacitor, which discharges the capacitor (CT). If the capacitor (CT) discharges so far that the lower threshold is reached, the comparator (St) switches back to "low", the transistor (Td) switches off and the charging process starts again. The change in resistance is symbolically indicated by the digital analogue converter. Of course, there are many other ways to change a square wave oscillator in frequency. In principle, the goal here is to force an oscillator, which is to oscillate at a fixed frequency, to control this parameter value despite component tolerances or component parameter changes caused by temperature change during prolonged operation. The output of the comparator (St) has the frequency (fout) and can be used either directly or through a divider (to achieve a certain duty cycle, e.g., 50%). In order to synchronize the oscillator, the counter (CNT) is switched to counting for a certain time. This is done via the control signal fREF. When the time has expired, the counter is stopped, the count can be taken (as drawn) into a register or equal to directly from the reference value, which is in a register (REF), subtracted the result is in the register (SUB) and possibly with a factor (K) for adapting to the variable resistance P101 / fh / 20120710 3/9 2 • ··· ························ ············································································································································································································································ This method is sufficient if only relatively small tolerances have to be compensated or if the frequency does not have to be exactly correct. The synchronization process can also be repeated one or more times.

In Fig. 2 ist der Oszillator symbolisch als (NCO) dargestellt. Gegenüber dem Konzept von Fig. 1 kommt jetzt eine Summierstufe (Akkumulator) (Σ) hinzu, bei der (dem) der Fehler, der durch die Subtraktion entsteht, aufsummiert wird. Man kann natürlich noch einen zusätzlichen Faktor (Ki) einbauen um eine Art PT 1 - Verhalten zu erzielen.In Fig. 2, the oscillator is shown symbolically as (NCO). Compared to the concept of FIG. 1, a summing stage (accumulator) (Σ) is now added, in which the error resulting from the subtraction is summed up. Of course you can install an additional factor (Ki) to achieve a kind of PT 1 behavior.

Die beiden Konzepte können zusammen mit dem Oszillator in einem Baustein integriert werden. Ebenfalls ist die Lösung mit einem einfachen Mikrokontroller, der die Rechenoperationen und die Ansteuerung des Oszillators durchführt, sinnvoll.The two concepts can be integrated together with the oscillator in a module. Also, the solution with a simple microcontroller, which performs the arithmetic operations and the control of the oscillator, makes sense.

Der Oszillator wird erfindungsgemäß nach folgendem Verfahren synchronisiert: Während des Synchronisiervorgangs werden die Perioden des Oszillatorsignals über ein fixes Zeitintervall gezählt, der sich ergebende Endwert mit einem vorgegeben Wert der der richtigen Frequenz entspricht verglichen und dieser Differenzwert, eventuell mit einem Faktor verstärkt, dazu verwendet die Frequenz des Oszillators zu verändern oder dass während des Synchronisiervorgangs die Perioden des Oszillatorsignals über ein fixes Zeitintervall gezählt werden, der sich ergebende Endwert mit einem vorgegebenen Wert, der der richtigen Frequenz entspricht, verglichen wird und dieser Differenzwert einem Summierer, der zu Beginn des Synchronisiervorgangs auf null gesetzt wird, zugeführt wird, dessen Summierstand eventuell mit einem Faktor verstärkt, dazu dient die Frequenz des Oszillators zu verändern.According to the invention, the oscillator is synchronized according to the following method: During the synchronization process, the periods of the oscillator signal are counted over a fixed time interval which compares the resulting final value with a predetermined value corresponding to the correct frequency and this difference value, possibly amplified by a factor, is used for this purpose To change the frequency of the oscillator or that during the synchronization process, the periods of the oscillator signal over a fixed time interval are counted, the resulting final value with a predetermined value corresponding to the correct frequency is compared and this difference value to a summer, at the beginning of the synchronization on is set to zero, whose summation possibly amplified by a factor, this is to change the frequency of the oscillator.

Erfindungsgemäß wird die Vorrichtung so realisiert, dass die Perioden des Oszillatorsignals mit dem Zähler während eines exakt vorgegeben Zeitintervalls gezählt werden, der sich ergebende Zählwert mit einer Subtrahierschaltung von einem in einem Speicherregister gespeicherten Wert, der der gewünschten Frequenz entspricht, abgezogen wird, direkt oder mit einem Multiplizierer verändert dem Stellglied des veränderlichen Oszillators zugeführt wird, oder dass die Perioden des Oszillatorsignals mit dem Zähler während eines exakt vorgegebenen Zeitintervalls gezählt werden, der sich ergebende Zählwert mit einer Subtrahierschaltung von einem in einem Speicherregister gespeicherten Wert, der der gewünschten Frequenz entspricht, abgezogen wird und dieser Wert, einem Summierer, der zu Beginn des Synchronisiervorgangs auf null gesetzt wird, zugeführt wird, direkt oder mit einem Multiplizierer verändert dem Stellglied des veränderlichen Oszillators zugeführt wird. P101/fh/20120710 4/9 3 • · · ·· · ·· ·· • · · ···· ·· · ···· ·· -· ·· ·· · · · • · · ·· ·· ·· · · ·According to the invention, the device is realized in such a way that the periods of the oscillator signal are counted with the counter during a precisely predetermined time interval, the resulting count value being subtracted directly or with a subtractor circuit from a value stored in a memory register corresponding to the desired frequency a multiplier is supplied to the actuator of the variable oscillator, or that the periods of the oscillator signal are counted with the counter during a precisely predetermined time interval, the resulting count subtracted by a subtractor from a value stored in a memory register corresponding to the desired frequency and this value is supplied to a summer which is set to zero at the beginning of the synchronizing operation, is fed directly or with a multiplier changed to the actuator of the variable oscillator. P101 / fh / 20120710 4/9 3 • · · ··· ····· ··· · · ·

Weiters sei vermerkt, dass der Synchronisiervorgang mindestens einmal durchgeführt wird und mehrere Oszillatoren gleichzeitig mit demselben Referenzsignal synchronisiert werden können. Das Referenzsignal wird von einem Quarzoszillator oder von einem Zeitzeichensender oder aus dem Takt einer Datenübertragung hergeleitet. Die Vorrichtung oder Teile davon ist mit einer kundenspezifischen integrierten Schaltung, oder mit einem Mikrokontroller, oder einer FPGA oder diskret aus vorgefertigten Bausteinen aufgebaut. P101/fh/20120710 5/9 4It should also be noted that the synchronization process is performed at least once and several oscillators can be synchronized simultaneously with the same reference signal. The reference signal is derived from a quartz oscillator or from a time signal transmitter or from the clock of a data transmission. The device or parts thereof is constructed with a custom integrated circuit, or with a microcontroller, or an FPGA, or discretely from prefabricated devices. P101 / fh / 20120710 5/9 4

Claims

1. Synchronization method for oscillators, characterized in that during the synchronization, the periods of the oscillator signal over a fixed time interval are counted, the resulting final value with a predetermined value corresponding to the correct frequency compared and this difference value, possibly amplified by a factor, is used to change the frequency of the oscillator.

2. Synchronization method for oscillators, characterized in that during the synchronization, the periods of the oscillator signal are counted over a fixed time interval, the resulting final value is compared with a predetermined value corresponding to the correct frequency, and this difference value is a summer, which at the beginning of the Synchronizing is set to zero, is fed, the summation possibly amplified by a factor, this is to change the frequency of the oscillator.

3. Synchronizer, consisting of a variable in frequency in a certain frequency range oscillator, a counter, a register, a subtractor, optionally a multiplier with a factor, the simplest a multiplication with powers of two are feasible characterized in that the periods of the oscillator signal are counted with the counter during an exactly predetermined time interval, the resulting count value is subtracted by a subtractor from a value stored in a memory register corresponding to the desired frequency, fed directly or with a multiplier changed to the actuator of the variable oscillator ,

4. Synchronizing device, comprising a variable in frequency in a certain frequency range oscillator, a counter, a register, a subtractor, a summer and optionally a multiplier with a factor, the simplest a multiplication by powers of two is feasible, characterized in that the periods of the oscillator signal are counted with the counter during a precisely predetermined time interval, the resulting count value is subtracted by a subtractor from a value stored in a memory register corresponding to the desired frequency, and this value, a summer which is at the beginning of the Synchronization is set to zero, is fed, directly or with a multiplier changed to the actuator of the variable oscillator is supplied. P101 / fh / 20120710 6/9 5

5. Synchronizing according to claim 3 or 4, characterized in that the synchronization is performed at least once.

6. Synchronizing according to claim 5, characterized in that via a line which is ground to a plurality of oscillator systems, this is simultaneously fed to an accurate reference signal.

7. Synchronizing device according to at least one of claims 3 to 6, characterized in that the reference signal is derived from a quartz oscillator or from a time signal transmitter or from the clock of a data transmission.

8. Synchronizing device according to at least one of claims 3 to 6, characterized in that the device or parts thereof is constructed with a custom integrated circuit or an FPGA or with a microcontroller or discretely from prefabricated components. P101 / fh / 20120710 7/9 6