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PATENTANSPRÜCHE
1. Phasenverriegelungsschleife mit einem spannungsgesteuerten Oszillator und einem ersten und einem zweiten Korrelator, von denen jeder an den Schleifeneingang und der erste direkt und der zweite über einen ::/2-Phasendrehkreis an den Ausgang des Oszillators angeschlossen ist, zum Steuern der Oszillatorfrequenz entsprechend der Eingangsfrequenz und zur Abgabe eines Signals, das den Phasenverriegelungszustand angibt, gekennzeichnet - durch zwei Analog-Binär-Wandler (23,24), von denen jeder über ein Tiefpassfilter (22,9) an den Ausgang eines der
Korrelatoren (2,8) angeschlossen ist, zum Umsetzen der Ausgangssignale der Korrelatoren (2,8) in jeweils einen von zwei möglichen logischen Zuständen (x, y), - durch zwei Detektorschaltungen (25,26), von denen jede mit den Ausgängen (35,36) beider Analog/Binär-Wandler (23,
24) verbunden ist, zum Detektieren von Änderungen der logischen Zustände (x, y) und zur Abgabe von Änderungen anzeigenden Änderungssignalen, - und durch einen Stromkreis, der an die Ausgänge (58,59) beider Detektorschaltungen (25,26) angeschlossen ist, zum Abgeben eines Anzeigesignals auf seinen Ausgang (32), wenn die Summe der Änderungssignale pro Zeiteinheit einen vorgegebenen Wert überschreitet.
2. Phasenverriegelungsschleife nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorschaltungen (25,26) logische Schaltungen sind, welche bei jeder Änderung eines logischen Zustandes (x, y) ein Änderungssignal abgeben (Fig. 6).
3. Phasenverriegelungsschleife nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorschaltungen (25,26) logische Schaltungen sind, welche jeweils nach dem vollständigen Durchlaufen aller vier möglichen Kombinationen der logischen Zustände (x, y) ein Änderungssignal abgeben (Fig. 5).
4. Phasenverriegelungsschleife nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgänge (58,59) der Detektorschaltungen (25,26) über Tiefpassfilter (27,28) mit einer Substraktionsschaltung (29) und diese mit dem einen Eingang einer Additionsschaltung (20) verbunden sind, deren anderer Eingang über ein Tiefpassfilter (3) mit dem ersten Korrelator (2) und deren Ausgang mit dem Eingang des spannungsgesteuerten Oszillators (5) verbunden ist.
5. Phasenverriegelungsschleife nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an den Ausgang des ersten Korrelators (2) zwei Tiefpassfilter (3,22) mit verschiedenen Grenzfrequenzen angeschlossen sind und dass der Ausgang des Filters (3) mit der geringeren Grenzfrequenz mit dem Eingang des spannungsgesteuerten Oszillators (5) und der Ausgang des Filters (22) mit der höheren Grenzfrequenz mit dem Eingang des einen Analog/Binär-Wandlers (23) verbunden ist.
Die Erfindung betrifft eine Phasenverriegelungsschleife mit einem spannungsgesteuerten Oszillator und einem ersten und einem zweiten Korrelator, von denen jeder an den Schleifeneingang und der erste direkt und der zweite über einen s/2-Pha- sendrehkreis an den Ausgang des Oszillators angeschlossen ist, zum Steuern der Oszillatorfrequenz entsprechend der Eingangsfrequenz und zur Abgabe eines Signals, das den Phasenverriegelungszustand angibt.
Phasenverriegelungsschleifen sind bekannt und dienen beispielsweise zum Regenerieren des Taktes in Einrichtungen zur Datenübertragung. Als Signal für den Phasenverriegelungszustand dient oftmals ein Quadraturkorrelationssignal. Dieses wird von dem an den url2-phasendrehkreis angeschlossenen Korrelator angegeben. Nach Vergleich mit einem Schwellwert dient es zur Anzeige des In-Phase- oder des Nicht-in-Phase Zustandes. Bei einer solchen Anordnung hängt die Definition der Grenze des verriegelten Zustandes von der Grenzfrequenz bzw. der Charakteristik des Tiefpassfilters in der Schleife, von der Amplitude der Eingangsspannung, von dem eingestellten Schwellwert und von der Differenz der Eingangsphase und der Phase der örtlich erzeugten Schwingung ab.
Es ist schwierig, die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters und den Schwellwert so zu wählen, dass sowohl die Feststellung des verriegelten Zustandes beim Einfangvorgang als auch das Ausser-Tritt-Fallen beim Verlassen des verriegelten Zustandes ausreichend schnell und zuverlässig angezeigt wird.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, eine Phasenverriegelungsschleife anzugeben, die die oben genannten Schwierigkeiten überwindet und damit ein Verlassen des verriegelten bzw. des In-Phase-Zustandes rasch und zuverlässig angibt. Die Phasenverriegelungsschleife, die diese Aufgabe erfüllt, ist durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gekennzeichnet. Die weiteren Ansprüche geben spezielle Ausführungsformen wieder.
Im folgenden wird anhand der Figuren eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Phasenverriegelungsschleife beispielsweise erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Phasenverriegelungsschleife mit einer bekannten Vorrichtung zur Anzeige des Verriegelungszustandes,
Fig. 2 eine erfindungsgemässe Vorrichtung,
Fig. 3 ein Vektordiagramm für die Ausgangszustände der beiden Analog/Binär-Wandler,
Fig. 4 eine andere Ausgangsschaltung für Fig. 2,
Fig. 5 die Schaltung zweier Detektoren für ganze Periodensprünge,
Fig. 6 die Schaltung zweier Detektoren für einzelne Phasenschritte.
Fig. 1 zeigt eine Phasenverriegelungsschleife bekannter Art. Darin ist 1 der Eingang der Schleife. Die Grundschleife besteht aus einem Korrelator mit einer Multiplikationsschaltung 2 und einem Tiefpassfilter 3 und einem spannungsgesteuerten Oszillator 5, dessen Ausgang über die Leitung 6 zu dem zweiten Eingang der Multiplikationsschaltung 2 führt.
Die Funktion und Aufbau der Phasenverriegelungsschleife ist wohlbekannt. Die Phasendifferenz zwischen Eingangssignal (t > (t) lokal erzeugter Schwingung & 4)(t) wird durch die Multiplikationsschaltung und das Tiefpassfilter in ein Korrektursignal auf Leitung 4 umgesetzt. Dieses Korrektursignal verändert die Momentfrequenz und Phase des lokal erzeugten Signals 6 in einer Art, die das Ausgangssignal der Multiplikationsschaltung zum Verschwinden zu bringen trachtet.
Im Sonderfall, wo das Signal 4 > (t) aus einer reinen Sinusschwingung mit der Frequenz coo besteht und wo die Grundfrequenz des Oszillators beim Verschwinden der Steuerspannung auf Leitung 4 ebenfalls gleich < ooist, stellt sich eine konstante Phasendifferenz von gr/2 zwischen den beiden Signalen ein, was am Ausgang des Tiefpasses 3 die Spannung Null bewirkt. Im allgemeinen sind im verriegelten Zustand die beiden Frequenzen im Mittel gleich und es besteht ein (im Mittel) konstante Phasendifferenz zwischen den beiden Schwingungen.
Zur Anzeige des verriegelten Zustandes dient der Quadraturkorrelator, welcher aus dem a/2-Phasendrehkreis 7, der Multiplikationsschaltung 8 und dem Tiefpassfilter 9 besteht. Im verriegelten Zustand sind die Eingangsspannungen der Multiplikationsschaltung 8 annähernd in Phase oder Gegenphase, so dass an ihrem Ausgang eine Spannung maximalen Betrages auftritt, welche in einem Vergleichskreis 12 mit einer auf Leitung 13 zugeführten Schwellwertspannung verglichen wird. Bei Über schreitendes Schwellwertes wird auf Leitung 14 ein Signal abgegeben, welches den verriegelten Zustand der Phasenverriegelungsschleife anzeigt.
In Fig. 2 ist die gleiche Phasenverriegelungsschleife darge
stellt wie in Fig. 1; die entsprechenden Einheiten sind mit gleichen Ziffern bezeichnet. In die Verbindung zwischen Tiefpassfilter 3 und spannungsgesteuertem Oszillator 5 ist eine Additionsschaltung 20 eingeschaltet, die als nicht vorhanden angesehen werden kann, wenn auf ihrem Eingang 21 keine Spannung auftritt. Ihre Funktion wird später beschrieben werden.
Wie in Fig. list ein Korrelator 7,8,9 zur Erzeugung eines Quadraturkorrelationssignals vorhanden. An die Ausgänge der Multiplikationsschaltungen 2 und 8 ist über Tiefpassfilter 22 bzw. 9 je ein AnaloglBinär-Wandler 23 bzw. 24 angeschaltet, der für eine positive Eingangsspannung den Zustand 1 und für eine negative Eingangsspannung den Zustand 0 auf den Leitungen 35 bzw. 36 abgibt. Dabei erfolgt der Übergang zwischen den beiden Zuständen vorteilhafterweise sprunghaft.
Der Analog/Binär-Wandler 23 könnte auch an den Ausgang des Tiefpassfilters 3 angeschlossen werden und das Tiefpassfilter 22 könnte fortfallten. Jedoch ist es vorteilhaft, ein besonderes Tiefpassfilter 22 zu verwenden und diesem sowie dem Tiefpassfilter 9 eine höhere Grenzfrequenz zu geben.
Die Kombination des Ausgangszustandes x des Wandlers 23 mit dem Ausgangszustand y des Wandlers 24 kann vier Werte annehmen, nämlich x, y = 00, 10,11 und 01. Sie sind in einem Vektordiagramm in Fig. 3 aufgetragen. Die Übergänge zwischen den einzelnen Zustanden erfolgt stets entlang der Kanten des quadratischen Vektordiagramms 50.
Die Umlaufrichtung ist dabei von der Differenz der momentanen Eingangsfrequenz auf der Leitung 1 und der momentanen Oszillatorfrequenz auf der Leitung 6 abhängig. Ist die Eingangsfrequenz grösser, so erfolgt beispielsweise ein Umlauf um das Vektordiagramm 50 im Uhrzeigersinn; ist sie kleiner als die Oszillatorfrequenz, so erfolgt der Umlauf im Gegenuhrzeigersinn.
In zwei Detektoren 25 und 26 werden Vektorsprünge oder ganze Umläufe in der einen oder der anderen Richtung ermittelt und entsprechende Impulse abgegeben. Übersteigt die Summe der von beiden Detektoren pro Zeiteinheit abgegebenen Impulse einen vorgegebenen Wert, so ist dies ein Zeichen dafür, dass keine genügende Verriegelung existiert.
Zur Ermittlung dieser Summe wird die Zahl der Impulse an den Ausgängen 58 und 59 der beiden Detektoren über eine gewisse Zeit gemittelt. Dies geschieht durch die Tiefpassfilter 27 und 28,deren Ausgänge an eine Additionsschaltung 30 angeschlossen sind, die ein Signal abgibt, welches beim Verlassen des verriegelten Zustandes sehr stark ansteigt, da in diesem Falle einer der Detektoren häufig anspricht, und zwar - im Gegensatz zur Anordnung nach Fig. 1 - unabhängig von der Amplitude des Eingangssignals 1. Das Ausgangssignal der Additionsschaltung 30 wird einer Schwellwertschaltung 31 zugeführt.
Wird ein vorgegebener Schwellwert überschritten, was einem Überschreiten der Zahl des Ansprechens eines der Detektoren während einer gewissen Zeiteinheit entspricht, so gilt dies als Zeichen für das Verlassen des verriegelten Zustandes und es erscheint ein Signal auf der Ausgangsleitung 32.
In einer Subtraktionsschaltung 29 wird laufend die Differenz der Mittelwerte gebildet und über die Leitung 21 der Additionsschaltung 20 zugeführt. Sie dient zur Unterstützung des Einfangvorganges. Dabei kann der Einfangbereich sehr gross gemacht werden, da das von der Subtraktionsschaltung abgegebene Signal proportional der Frequenzdifferenz der Oszillatorspannung und der Eingangsspannung ist, und zwar vorzeichenrichtig und im ganzen von den Tiefpassfiltern 9 und 22 durchgelassenen Frequenzbereich.
Die Subtraktions- und Additionsschaltungen können auch direkt an die Ausgänge 58 und 59 der Zählschaltungen angeschlossen werden, was ohne Schwierigkeit möglich ist, da deren Ausgangsimpulse nicht gleichzeitig erscheinen.
Eine solche Schaltung zeigt Fig. 4, in welcher 25 und 26 die beiden Detektoren sind, deren Ausgänge 58 und 59 über ein ODER-Tor 80 zum Vorwärtseingang eines Vor- und Rückwärtszählers 81 führen. Dieser Zähler hat einen begrenzten Zählbereich und hält bei der oberen und unteren Grenze an, bis Impulse für das Zählen in der anderen Richtung eintreffen. Der Rückwärtseingang 82 des Zählers ist mit einer Impulsquelle fester Vergleichsfrequenz verbunden. Der Zähler läuft in einen oder den anderen Endzustand, je nachdem welche der beiden Frequenzen höher ist.
Das Erreichen des Maximalzustandes zeigt dann am Ausgang 88 an, dass die vom ODER-Tor 80 kommende Impulsrate den vorbestimmten Wert überschreitet und dass der verriegelte Zustand verlassen wurde.
83 ist ein Vor- und Rückwärtszähler mit dem Vorwärtseingang verbunden mit Ausgang 58 und dem Rückwärtseingang verbunden mit Ausgang 59, und einem Nullstelleingang verbunden mit Leitung 84. Dieser Zähler hat ebenfalls einen begrenzten Zählbereich und wird durch Impulse auf Leitung 84 in regelmässigen Abständen auf 0 gestellt. An den Ausgang 85 des Zäh- lers ist ein Digital/Analog-Wandler 86 und ein Tiefpass 87 angeschlossen, dessen Ausgang über die Leitung 21 mit der analogen Additionsschaltung 20 verbunden ist. Auf Leitung 21 tritt also eine Spannung auf, die proportional der Differenz der von den beiden Detektoren pro Zeiteinheit abgegebenen Impulse ist.
Im nicht verriegelten Zustand entstehen an den Ausgängen der Multiplikationsschaltungen Wechselspannungen, deren Frequenz gleich der Differenz der Eingangsfrequenz und der Oszillatorfrequenz ist. Ist diese Differenz grösser als die Grenzfrequenz der Tiefpassfilter 9 und 22, so ist die Spannung am Ausgang der Tiefpassfilter gleich Null und der Oszillator schwingt auf seiner Grundfrequenz.
Hat die Eingangsspannung einen starken Rauschanteil, so erscheinen am Ausgang der Filter Spannungen, welche von diesem Rauschanteil herrühren. Sind diese Spannungen an den Eingängen der Schaltungen 23 bzw. 24 grösser als deren Ansprechschwellen, so durchläuft der Vektor des Kombinationssignals xy das Quadrat 50 statistisch verteilt einmal in der einen, einmal in der anderen Richtung. Dabei entsteht kein Signal am Ausgang der Subtraktionsschaltung 29, wohl aber am Ausgang der Additionsschaltung 30, aus welchem auf die Störung der Verriegelung der Schaltung und auf das Auftreten von Periodensprüngen zwischen Eingangsspannung und Oszillatorspannung geschlossen werden kann.
Ist bei grosser Abweichung der Eingangsfrequenz von der Oszillatorgrundfrequenz die Rauschspannung am Eingang I so klein, dass die Ansprechschwellen der Stromkreise 23 und 24 nicht erreicht werden, so bleiben x und y konstant, und es kann dadurch der verriegelte Zustand vorgetäuscht werden. In diesem Fall kann zur Unterstützung der beiden Zustände: Frequenzabweichung 0 (verriegelt) und Frequenzabweichung sehr gross eine an den Ausgang des Tiefpassfilters 9 angeschlossene Schaltung 12 nach Fig. 1 dienen. Diese Schaltung dient jedoch nicht mehr zur Anzeige des Verlassens des verriegelten Zustandes.
Die Analog/Binär-Wandler 23 und 24 können Schmittrigger sein, deren Schaltpunkte in der Nähe von Null liegen.
Ein Ausführungsbeispiel für die Detektoren 25 und 26 für ganze Periodensprünge ist in Fig. 5 gegeben. Sie haben die Eingänge 35 und 36 und die Ausgänge 58 und 59. An die Eingänge sind Inverter 39 und 40 angeschlossen, welche die Leitungen 37 und 38 speisen. Der Detektor 25 besteht aus einem Zähler mit vier in Reihe geschalteten SR-Flip-Flops 51 bis 54, deren Stelleingänge an die Ausgänge der UND-Tore 41 bis 44 geschaltet sind. In ähnlicher Weise besteht der Detektor 26 aus einem Zähler mit dem RS-Flip-Flops 51 und 55 bis 57, deren Stelleingänge an den Ausgängen der UND-Torschaltungen 41 und 45 bis 47 liegen. Das Flipflop 51 gehört beiden Zählern an. Die Eingänge der UND-Tore sind jeweils an zwei der Leitungen 35 bis 38 angeschlossen, ein weiterer Eingäng der UND-Tore 42 bis 47 ist jeweils mit dem Ausgang des vorhergehenden Flipflops verbunden.
Die beiden Zählerausgänge sind über ein ODER-Tor 48 und eine Verzögerungsschaltung 49 zu den Rückstelleingängen aller Flipflops geführt, so dass diese auf die Ruhestellung zurückgestellt werden, sobald ein Ausgangssignal auftritt.
Tritt die Folge xy gleich 01,00, 10, 11 auf, so werden die Flipflops 51,52,53 und 54 der Reihe nach gestellt, und es entsteht ein Ausgangssignal auf Leitung 58. Tritt die Reihenfolge xy gleich 01, I 11, 10,00 auf, so geschieht dasselbe für die Flipflops 51,55,56 und 57 und ein Ausgangssignal tritt auf Leitung 59 auf.
Somit zählt die Anordnung die Zahl der vollständigen Umläufe nach Fig. 3 in der einen oder in der anderen Richtung, beginnend mit der Stellung 01, die dem verriegelten Zustand entspricht.
Anstatt vollständiger Umläufe des Vektors nach Fig. 3, kann auch jeder einzelne Schritt in der einen oder in der anderen Richtung festgestellt werden.
Eine dafür geeignete Schaltung zeigt Fig. 6. Ihre beiden Eingänge sind über Leitungen 35 und 36 an die Ausgänge der Analog/Binär-Wandler 23 und 24 gemäss Fig. 2 angeschlossen. Aus deren Signalen xy werden durch Verzögerung mittels Verzögerungsschaltungen 60 und 61 die Signale x* und y* ferner durch Inverter 62...65 vier invertierte Signale R, R*, y, y* erzeugt.
Diese acht Signale werden acht Toren 66...73 zugeführt, an deren Ausgängen Impulse entstehen, deren Länge gleich der Verzögerungszeit durch die Verzögerungsschaltung 60,61 ist und die den acht möglichen Übergängen des Vektors von einem Zustand zu einem benachbarten Zustand gemäss Fig. 3 zugeordnet sind. Ein Ausgangssignal am Tor 66 entspricht zum Beispiel dem Übergang vom Zustand 00 zum Zustand 10. Die Ausgänge der vier Tore 66. .69 werden in einem ODER-Tor 74, die Ausgänge der vier Tore 70...73 in einem ODER-Tor 75 zusammengefasst. Ein Ausgangsimpuls am Tor 75 zeigt also ein
Fortschreiten des Vektors in Uhrzeigersinn, ein Ausgangsim puls am Tor 74 ein Fortschreiten des Vektors in entgegenge setzter Richtung an.