DE10001376A1 - Verfahren zum Erzeugen einer Taktfrequenz und entsprechende Schaltungsanordnung - Google Patents

Verfahren zum Erzeugen einer Taktfrequenz und entsprechende Schaltungsanordnung

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Bernd Burchard
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    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03L—AUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
    • H03L7/00—Automatic control of frequency or phase; Synchronisation
    • H03L7/06—Automatic control of frequency or phase; Synchronisation using a reference signal applied to a frequency- or phase-locked loop
    • H03L7/08—Details of the phase-locked loop

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  • Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)

Abstract

Um mit möglichst geringem Aufwand eine bestimmte Taktfrequenz (f¶T¶), insbeosndere für digitale Schaltungen mit zeitkritischen Funktionen, erzeugen zu können, wird vorgeschlagen, eine Takterzeugungseinrichtung (4) zu verwenden, der als Referenzfrequenz (F¶ref¶) die Netzfrequenz eines öffentlichen Stromversorgungsnetzes zugeführt wird. Da die Netzfrequenz aufgrund der großflächigen Verlegung der Stromversorgungsnetze ohnehin permanent verfügbar ist, können aufwendige Oszillatorschaltungen zur Erzeugung der Referenzfrequenz (f¶ref¶) entfallen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer Taktfrequenz nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 so­ wie eine entsprechende Schaltungsanordnung nach dem Oberbeg­ riff des Anspruches 11. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Takterzeugung für digitale Schaltungen mit zeitkritischen oder zeitabhängigen Funktionen kompakter Rech­ ner- oder Prozessorsysteme.
Für die Funktion digitaler Schaltungen mit zeitkritischen Funktionen ist eine als Taktreferenz dienende stabile Takt­ frequenz erforderlich. Im Zuge der zunehmenden Automatisie­ rung des häuslichen Bereichs werden beispielsweise sehr viele Baugruppen benötigt, die autonom über eine gewisse Intelli­ genz verfügen. Für eine kostenoptimale Produktion derartiger Konsumgüter ist die Minimierung der Anzahl der zu montieren­ den Bauteile ein wesentlicher zu berücksichtigender Faktor.
Heutzutage verwendete Controller oder Prozessoren, die über eine ausreichende Leistungsfähigkeit zur Bewältigung kom­ plexer Aufgaben, wie beispielsweise die Analyse gesprochener Sprache, verfügen, benötigen zur Erzeugung der Taktreferenz Oszillatorschaltungen, welche insbesondere in Form von Quarz­ oszillatorschaltungen oder Resonanzschaltkreisen ausgestaltet sind. Derartige Oszillatorschaltungen bestehen aus mehreren elektrischen Bauteilen, so daß bei der Herstellung einer ent­ sprechenden gedruckten Schaltung durch den erforderlichen Platzaufwand, die Beschaffungskosten für die Bauteile, die Bestückung der entsprechenden Platine und die Herstellung der elektrischen Verbindungen erhebliche Kosten entstehen. Eine kostengünstige Integration des Quarzes oder Resonators ist nicht ohne weiteres möglich.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erzeugen einer bestimmten Taktfrequenz so­ wie eine entsprechende Schaltungsanordnung bereitzustellen, womit die gewünschte Taktfrequenz kostengünstig und mit ein­ fachen Mitteln generiert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 bzw. eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruches 11 gelöst. Die Unteransprü­ che definieren vorteilhafte und bevorzugte Ausführungsbei­ spiele bzw. Anwendungsformen der vorliegenden Erfindung.
Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung beruht darauf, die Netzfrequenz eines Stromversorgungsnetzes als Zeitbasis oder Referenz- bzw. Nominalfrequenz für die Erzeugung einer gewünschten Taktfrequenz zu nutzen. Hierbei kann die Netz­ frequenz entweder der zum Betrieb der Schaltung ohnehin vor­ handenen Wechselspannung oder mittels einer geeigneten Ein­ richtung dem von dem entsprechenden Stromversorgungsnetz er­ zeugten allgegenwärtigen Brummfeld entnommen werden.
Bei der Netzfrequenz kann es sich um die Netzfrequenz eines öffentlichen Stromversorgungsnetzes handeln. Ebenso ist je­ doch auch die Nutzung der Netzfrequenz eines (beispielsweise für die Luftfahrt oder den Eisenbahnverkehr vorgesehenen) nichtöffentlichen Sondernetzes möglich.
Durch die Anwendung der vorliegenden Erfindung können viele diskreten Bauteile, die zur Takterzeugung in herkömmlichen Oszillatorschaltungen erforderlich sind, eingespart werden. Zudem wird heutzutage aus Kosten- und Zuverlässigkeitsgründen die Zusammenfassung möglichst vielen technischer Funktionen in einem einzigen elektrischen Bauelement, insbesondere einem einzigen integrierten Baustein, angestrebt. Durch die Anwen­ dung der vorliegenden Erfindung lassen sich alle Bestandteile der zur Erzeugung der gewünschten Taktfrequenz erforderlichen Takterzeugungseinrichtung gemeinsam mit der digitalen Schaltung, welche mit der generierten Taktfrequenz betrieben wer­ den soll, auf einem einzigen integrierten Baustein unterbrin­ gen.
Insgesamt ergeben sich als Vorteile der vorliegenden Erfin­ dung eine erhebliche Kosteneinsparung infolge des Wegfalls der Oszillatorschaltung und der Verringerung der Baugröße des Gesamtsystems, eine höhere Zuverlässigkeit infolge der Ver­ ringerung der Anzahl der benötigten Bauteile und eine Verrin­ gerung des durch Störabstrahlungen hervorgerufenen Problems der elektromagnetischen Verträglichkeit infolge des Wegfalls disrekter Bauelemente, die auf einer hohen Taktfrequenz ar­ beiten.
Die Nutzung der Netzfrequenz für die Taktfrequenzerzeugung ist beispielsweise für verteilte technische Systeme oder au­ tonome Systeme, die z. B. zur Leistungssteuerung mittels Sprachverarbeitung oder sonstige Zwecke der Heimautomatisie­ rung dienen, von besonderem Interesse. Die Erfindung ist je­ doch nicht auf eine derartige Takterzeugung für digitale Schaltungen mit zeitkritischen oder zeitabhängigen Funktionen in kompakten Rechner- oder Prozessorsystemen beschränkt, son­ dern kann allgemein überall dort eingesetzt werden, wo eine gewünschte Taktfrequenz generiert werden soll.
Die Erfindung wird nachfolgend näher unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele erläutert.
Fig. 1 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Schal­ tungsanordnung zum Erzeugen einer gewünschten Taktfrequenz gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 zeigt einen möglichen Aufbau einer in Fig. 1 gezeigten Takterzeugungseinrichtung,
Fig. 3 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Schal­ tungsanordnung zum Erzeugen einer gewünschten Taktfrequenz gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Er­ findung, und
Fig. 4 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Schal­ tungsanordnung zum Erzeugen einer gewünschten Taktfrequenz gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Er­ findung.
Die Frequenz der öffentlichen Stromversorgungsnetze wird durch die Energieversorgungsunternehmen extrem konstant gehalten. Die großflächige Verlegung der Versorgungsleitungen führt zu einer permanenten Präsenz der niederfrequenten Netz­ frequenz im elektromagnetischen Spektrum. Somit steht die Netzfrequenz praktisch jederzeit entweder über Transformato­ ren oder Spannungsteiler direkt an der Netzversorgung oder indirekt über die von den Stromversorgungsnetzen erzeugte Brummspannung zur Verfügung, wobei die Netzfrequenz regional variieren kann. Während in Europa beispielsweise eine Netz­ frequenz von 50 Hz üblich ist, wird in den USA eine Netzfre­ quenz von 60 Hz verwendet. Die permanente Präsenz der Netzfre­ quenz kann somit zur Generierung einer gewünschten Taktfre­ quenz genutzt werden, wobei im Prinzip auch die Nutzung der Netzfrequenz von Sondernetzen in Frage kommt. So wird in der Luftfahrt beispielsweise eine 200 Hz-Netzfrequenz genutzt, während im Eisenbahnschienenverkehr eine 15 Hz-Netzfrequenz zur Anwendung kommt.
In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Taktfrequenz fT dargestellt, wobei die Refe­ renzfrequenz fref zur Erzeugung der Taktfrequenz fT direkt aus der niederfrequenten Netzspannung uNF(t) gewonnen wird.
Bei dem dargestellten Beispiel dient die an einem Eingang­ sanschluß 1 anliegende Netzfrequenz uNF(t) zugleich als Ein­ gangsgröße einer Leistungssteuerungseinrichtung 15 sowie zur Energieversorgung einer Stromversorgungseinrichtung 9, welche zur Stromversorgung der einzelnen Bestandteile der in Fig. 1 gezeigten Schaltung vorgesehen ist.
Bei der dargestellten digitalen Schaltung handelt es sich um ein verteiltes technisches System zur elektrischen Leistungs­ steuerung mittels Sprachverarbeitung. Die von der Takterzeu­ gungseinrichtung 4 generierte Taktfrequenz fT wird daher ei­ ner Sprachsteuerungseinrichtung 16 als Taktreferenz zuge­ führt, wobei die Frequenz fT durch den Einsatz von Einrich­ tungen zur Frequenzteilung an die technischen Erfordernisse der digitalen Schaltung entsprechend angepaßt werden kann. Von einem Schallaufnehmer oder Mikrofon 10 wird ein Sprach- oder Schallsignal detektiert und der Sprachsteuerungseinrich­ tung 16 zugeführt. Infolge der durch die Sprachsteuerungsein­ richtung 16 durchgeführten Spracherkennung und Sprachverar­ beitung wird ein Stellsignal für die Leistungssteuerungsein­ richtung 15 erzeugt, so daß von der Leistungssteuerungsein­ richtung 16 eine dem detektierten Sprachsignal entsprechende Ausgangsleistung POUT generiert wird.
Wie in Fig. 2 gezeigt ist, kann die Takterzeugungseinrichtung 4 in Form eines Phasenregelkreises oder eine Phasenregel­ schleife ("Phase Locked Loop", PLL) ausgestaltet sein. Der Phasenregelkreis umfaßt dabei einen Phasenkomparator oder Phasenvergleicher 5, der die Ausgangsfrequenz eines Frequenz­ teilers 8 mit der als Referenzfrequenz fref dienenden Frequenz der Netzspannung uNF(t) vergleicht und davon abhängig ein Steuersignal für eine steuerbare Spannungsquelle 7, insbeson­ dere einen spannungsgesteuerten Oszillator ("Voltage Control­ led Oscillator", VCO), erzeugt, wobei das Steuersignal der steuerbaren Spannungsquelle 7 über ein Schleifenfilter 6 zu­ geführt wird. Die steuerbare Spannungsquelle 7 erzeugt abhän­ gig von dem Steuersignal des Phasenvergleichers 5 eine Wech­ selspannung bestimmter Frequenz, die wiederum über den Fre­ quenzteiler 8 dem Phasenvergleicher 5 zugeführt wird. Im ein­ gerasteten Zustand erzeugt der Phasenregelkreis am Ausgang der steuerbaren Spannungsquelle 7 eine Wechselspannung, deren Frequenz fest mit der Netzfrequenz der eingangsseitigen Netz­ spannung uNF(t) verkoppelt ist. Diese Frequenz kann als Takt­ referenz fT für die in Fig. 1 gezeigte digitale Schaltung he­ rangezogen werden.
In Fig. 3 ist eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Taktfrequenz fT dargestellt, wobei die Refe­ renzfrequenz fref zur Erzeugung der Taktfrequenz fT indirekt aus der Brummspannung eines Stromversorgungsnetzes gewonnen wird. Diese Brummspannung weist dieselbe Frequenz wie die Netzfrequenz des entsprechenden Stromversorgungsnetzes auf.
Gemäß Fig. 3 ist zu diesem Zweck eine Einrichtung 2 zum Emp­ fangen der Brummspannung mit Hilfe einer Antenne vorgesehen, wobei die Brummspannung durch einen nachgeschalteten Verstär­ ker 3 auf einen für die weitere Verarbeitung geeigneten Wert verstärkt wird. Die somit gewonnenen Frequenz der Brummspan­ nung wird wiederum als Referenzfrequenz fref einer Takterzeu­ gungseinrichtung 4 zugeführt, welche in Abhängigkeit von die­ ser Referenzfrequenz fref eine gewünschte Taktfrequenz fT er­ zeugt, die zu der Referenzfrequenz in einem vordefinierten Verhältnis steht. Die Takterzeugungseinrichtung kann analog zu dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel in Form eines in Fig. 2 gezeigten Phasenregelkreises ausgestaltet sein.
Die von der Takterzeugungseinrichtung 4 generierte Taktfre­ quenz fT wird bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel einem zeitabhängigen Rechnersystem 17 als Taktreferenz zugeführt. Durch den Einsatz von entsprechenden Einrichtungen zur Fre­ quenzteilung kann die Taktfrequenz fT wieder an die techni­ schen Erfordernisse des entsprechenden Systems angepaßt wer­ den. Im vorliegenden Fall handelt es sich bei dem System um ein Sensor/Aktorsystem, wobei von einem Sensor 13 externe und/oder interne Zustände erfaßt werden und ein entsprechen­ des Sensorsignal dem Rechnersystem 17 zugeführt wird. Das Rechnersystem 17 steuert abhängig von dem Sensorsignal einen bestimmten Aktor 14, beispielsweise ein Stellglied oder einen einfachen Schalter, zur Erzielung einer gewünschten Wirkung an.
In Fig. 4 ist eine weitere Anwendungsmöglichkeit der vorlie­ genden Erfindung dargestellt, wobei durch Anwendung der Er­ findung die Taktfrequenz fT für ein Prozessorsystem zum Schalten eines sprachgesteuerten Leistungsschalters erzeugt wird.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel liegt die Netzspan­ nung uNF(t) ähnlich zu dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungs­ beispiel an einem Anschluß 1 an, der mit einer Stromversor­ gungseinrichtung 9 verbunden ist. Die Stromversorgungsein­ richtung 9 erzeugt aus der Netzspannung uNF(t) die Versor­ gungsspannung für die einzelnen Komponenten der gezeigten di­ gitalen Schaltung. Von der Stromversorgungseinrichtung 9 wird die Netzfrequenz zudem als Referenzfrequenz fref einer Takter­ zeugungseinrichtung 4 zugeführt, welche vorzugsweise wieder in Form eines Phasenregelkreises ausgestaltet ist und eine fest mit der Referenzfrequenz fref verkoppelte bestimmte Takt­ frequenz fT generiert.
Die auf diese Weise generierte Taktfrequenz fT wird einem Prozessor 18 zugeführt, der als ein weiteres Eingangssignal ein von einem Schallaufnehmer oder Mikrofon 10 detektiertes Schall- oder Sprachsignal empfängt, welches von einem Ver­ stärker 11 verstärkt und mit Hilfe eines Analog/Digital- Wandlers 12 digitalisiert worden ist. Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 11 wird von dem Prozessor 18 mittels "Automa­ tic Gain Control" (AGC) kontinuierlich angepaßt. Der Prozes­ sor 18 verarbeitet das Sprachsignal und greift zu diesem Zweck auf mindestens einen Speicher 19 zu, in dem die hierfür erforderlichen Daten sowie das Sprachverarbeitungsprogramm abgelegt sind. Nach Auswertung des Sprachsignals wird ein Stellsignal für einen als Leistungsschalter ausgestalteten Aktor 14 erzeugt, so daß der Leistungsschalter durch den Pro­ zessor 18 sprachgesteuert geschaltet wird.

Claims (23)

1. Verfahren zum Erzeugen einer Taktfrequenz, wobei die Taktfrequenz (fT) in Abhängigkeit von einer Refe­ renzfrequenz (fref) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Taktfrequenz (fT) als Referenzfrequenz (fref) die Netzfrequenz eines Stromversorgungsnetzes verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzfrequenz (fref) unmittelbar aus der Netzwech­ selspannung (uNF(t)) des Stromversorgungsnetzes abgeleitet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzfrequenz (fref) aus der von dem Stromversor­ gungsnetz erzeugten Brummspannung abgeleitet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktfrequenz (fT) durch Verwendung eines Phasenregel­ kreises (4) in Abhängigkeit von der Referenzfrequenz (fref) erzeugt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren zur Erzeugung der einer digitalen Schaltung (16-19) zugeführten Taktfrequenz (fT) durchgeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die von der digitalen Schaltung (15, 16) bereitgestellte Leistung (POUT) in Abhängigkeit von der Taktfrequenz (fT) ein­ gestellt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sprachsteuerungsfunktion (16) der digitalen Schal­ tung (15, 16) in Abhängigkeit von der Taktfrequenz (fT) betrie­ ben wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die von der digitalen Schaltung (15, 16) bereitgestellte Leistung (POUT) mittels Sprachsteuerung in Abhängigkeit von der Taktfrequenz (fT) eingestellt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5-8, dadurch gekennzeichnet, daß durch die digitale Schaltung (15, 16) mindestens ein Aktor (14) in Abhängigkeit von der Taktfrequenz (fT) gesteuert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 7 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß durch die digitale Schaltung (15, 16) der Aktor (14) mit­ tels Sprachsteuerung in Abhängigkeit von der Taktfrequenz (fT) gesteuert wird.
11. Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer Taktfrequenz, mit einer Takterzeugungseinrichtung (4) zum Erzeugen der Taktfrequenz (fT) in Abhängigkeit von einer Referenzfrequenz (fref), dadurch gekennzeichnet, daß der Takterzeugungseinrichtung (4) zur Erzeugung der Takt­ frequenz (fT) die Netzfrequenz eines Stromversorgungsnetzes als Referenzfrequenz (fref) zugeführt ist.
12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schaltungsanordnung eine Empfangseinrichtung (1) zum Empfangen der Netzwechselspannung (uNF(t)) des Stromversor­ gungsnetzes aufweist, und
daß die Frequenz der Netzwechselspannung (uNF(t)) der Takter­ zeugungseinrichtung (4) als Referenzfrequenz (fref) zugeführt ist.
13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schaltungsanordnung eine Empfangseinrichtung (2) zum Empfangen der von dem Stromversorgungsnetz erzeugten Brumm­ spannung aufweist, und
daß die Frequenz der Brummspannung der Takterzeugungseinrich­ tung (4) als Referenzfrequenz (fref) zugeführt ist.
14. Schaltungsanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangseinrichtung (2) eine Antenne (2) umfaßt.
15. Schaltungsanordnung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verstärkereinrichtung (3) zum Verstärken der Brumm­ spannung auf einen für die Verarbeitung durch die Takterzeu­ gungseinrichtung (4) geeigneten Wert vorgesehen ist.
16. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 11-15, dadurch gekennzeichnet, daß die Takterzeugungseinrichtung (4) einen Phasenregelkreis (5-8) zum Erzeugen der Taktfrequenz (fT) in Abhängigkeit von der Referenz frequenz (fref) aufweist.
17. Schaltungsanordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,
daß der Phasenregelkreis einen Phasenkomparator (5), eine steuerbare Spannungsquelle (7) und einen Frequenzteiler (8) umfaßt,
wobei der Frequenzteiler (8) die Frequenz des Ausgangssignals der steuerbaren Spannungsquelle (7) gemäß einem bestimmten Teilerfaktor teilt,
wobei der Phasenkomparator (5) die durch den Frequenzteiler (8) geteilte Frequenz des Ausgangssignals der steuerbaren Spannungsquelle (7) mit der Referenzfrequenz (fref) vergleicht und abhängig von dem Vergleichsergebnis ein Steuersignal für die steuerbare Spannungsquelle (7) zur Einstellung deren Fre­ quenz erzeugt, und
wobei die Frequenz des Ausgangssignals der steuerbaren Span­ nungsquelle als die Taktfrequenz (fT) abgreifbar ist.
18. Verwendung einer Schaltungsanordnung nach einem der An­ sprüche 11-17 zur Erzeugung der einer digitalen Schaltung (16-19) zugeführten Taktfrequenz (fT).
19. Verwendung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die digitale Schaltung (15, 16) eine Einstellfunktion (15) zur Einstellung der von ihr bereitgestellten Leistung (POUT) in Abhängigkeit von der Taktfrequenz (fT) aufweist.
20. Verwendung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß die digitale Schaltung (15, 16) eine mit der Taktfrequenz (fT) betriebene Sprachsteuerungsfunktion (16) aufweist.
21. Verwendung nach Anspruch 19 und 20, dadurch gekennzeichnet, daß die digitalen Schaltung (15, 16) derart ausgestaltet ist, daß sie die von ihr bereitgestellte Leistung (POUT) mittels Sprachsteuerung in Abhängigkeit von der Taktfrequenz (fT) einstellt.
22. Verwendung nach einem der Ansprüche 18-21, dadurch gekennzeichnet, daß die digitale Schaltung (15, 16) eine mit der Taktfrequenz (fT) betriebene Steuerfunktion (17) zum Steuern mindestens eines Aktors (14) aufweist.
23. Verwendung nach Anspruch 20 und 22, dadurch gekennzeichnet, daß die digitalen Schaltung (15, 16) derart ausgestaltet ist, daß sie den Aktor (14) mittels Sprachsteuerung in Abhängig­ keit von der Taktfrequenz (fT) steuert.
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