DE10106941A1 - Phasen- und Frequenznachlaufsynchronisationsschaltungen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft Phasen- und Frequenz-Nachlaufsynchronisationsschaltungen (PLL- und FLL-Schaltungen) mit einem steuerbaren Nachlaufoszillator, dessen Signalphasenlage bzw. Frequenz durch einen äußeren Parameter beeinflußt wird, einem Bezugsoszillator und einem Phasen- bzw. Frequenzkomparator mit dessen Ausgangssignal der Nachlaufoszillator so gesteuert wird, daß Phasen- bzw. Frequenzfehler abgebaut werden. Bei der Erfindung ist ein Element zur Messung des äußeren Parameters (z. B. ein Mikroprozessor) vorgesehen, das so ausgebildet ist, daß es ein Signal, das das Ausgangssignal des Phasen- bzw. Frequenzkomparators repräsentiert, empfangen und in einen Meßwert umwandeln kann, der den aktuellen Wert des äußeren Parameters repräsentiert. Der äußere Parameter kann dabei z. B. die Umgebungstemperatur oder die Versorgungsspannung des Nachlaufoszillators sein.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Phasen- und Frequenznachlaufsynchronisationsschaltugen (PLL- und FLL-Schaltungen).

PLL- oder FLL-Schaltungen werden heutzutage in vielfältiger Weise in elektronischen Schaltungen dazu verwendet, einen in der Frequenz steuerbaren Nachlaufoszillator (meist ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO)) in Phase bzw. Frequenz mit einem Signal eines Bezugsoszillators (z. B. ein Quarzoszillator) zu synchronisieren, dessen Phase bzw. Frequenz im Verhältnis zu der des spannungsgesteuerten Oszillators prak­ tisch konstant ist. Die vom Nachlaufoszillator erzeugte Taktfrequenz liegt dabei um einen bestimmten Faktor (von z. B. 100) über der Frequenz des Bezugsoszillators und wird über einen Frequenzteiler einem Phasen- bzw. Frequenzkomparator zugeführt, der das Signal zur Steuerung des Nachlaufoszillators erzeugt. Das vom Nachlaufoszillator gelieferte Ausgangssignal kann dann z. B. dazu verwendet werden, den Systemtakt für einen Mikroprozessor zu liefern.

Neben den PLL- und/oder FLL-Schaltungen werden heutzutage meist eine Reihe weite­ rer Bausteine auf dem gleichen Chip integriert, die verschiedenste Funktionen erfüllen können. Dazu können z. B. auch Bausteine gehören, deren Aufgabe darin besteht, einen bestimmten Parameter wie z. B. die Umgebungstemperatur oder eine schwankende Ver­ sorgungsspannung zu messen und diese Informationen an andere Bausteine weiterzuge­ ben, für deren Funktionieren diese Informationen von Bedeutung sind.

Ein ständiges Bestreben auf dem Gebiet der Mikroelektronik besteht darin, den Platz, der für die Summe der verschiedenen Bausteine auf einem Mikrochip zur Verfügung steht so gut wie möglich auszunutzen und die Bausteine so klein wie möglich zu machen. Diese Aufgabe wurde bei bisherigen Schaltungen, die sowohl eine PLL- oder FLL-Schaltun als auch Bausteine zur Temperatur- bzw. Spannungsmessung aufwiesen, nicht in opti­ maler Weise gelöst.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine PLL- bzw. FLL- Schaltung in Verbindung mit einer Schaltung zur Messung bestimmter Parameter (wie Temperatur und/oder Versorgungsspannung) zu schaffen, die im Vergleich zu bisherigen Lösungen wesentlich weniger Schaltungsfläche in Anspruch einnimmt und darüber hin­ aus kostengünstiger aufgebaut werden kann.

Diese Aufgabe wird durch eine Phasen-Nachlaufsynchronisationsschaltung (PLL-Schal­ tung) mit einem steuerbaren Nachlaufoszillator, dessen Signalphasenlage durch einen äußeren Parameter beeinflußt wird, einem Bezugsoszillator, dessen Signalphasenlage konstant ist und einem Phasenkomparator gelöst, der die Phasenlage des vom Nach­ laufoszillator gelieferten Signals mit der Phasenlage des vom Bezugsoszillator geliefer­ ten Signals vergleicht und ein die Phasenverschiebung charakterisierendes Ausgangs­ signal zum Nachlaufoszillator abgibt, mit dem dieser so gesteuert wird, daß Phasenfehler abgebaut werden, und die dadurch gekennzeichnet ist, daß darüber hinaus ein Element zur Messung des äußeren Parameters vorgesehen ist, das so ausgebildet ist, daß es ein Signal, das das die Phasenverschiebung charakterisierende Ausgangssignal repräsentiert, empfangen und in einen Meßwert umwandeln kann, der den aktuellen Wert des äußeren Parameters repräsentiert.

Darüber hinaus wird die erfindungsgemäße Aufgabe auch durch eine Frequenz-Nach­ laufsynchronisationsschaltung (FLL-Schaltung) mit einem steuerbaren Nachlaufoszillator, dessen Frequenz durch einen äußeren Parameter beeinflußt wird, einem Bezugs­ oszillator, dessen Frequenz konstant ist und einem Phasenkomparator gelöst, der die Frequenz des vom Nachlaufoszillator gelieferten Signals mit der Frequenz des vom Be­ zugsoszillator gelieferten Signals vergleicht und ein die Frequenzdifferenz charakteri­ sierendes Ausgangssignal zum Nachlaufoszillator abgibt, mit dem dieser so gesteuert wird, daß Frequenzfehler abgebaut werden, und die dadurch gekennzeichnet ist, daß darüber hinaus ein Element zur Messung des äußeren Parameters vorgesehen ist, das so ausgebildet ist, daß es ein Signal, das das die Frequenzverschiebung charakterisierende Ausgangssignal repräsentiert, empfangen und in einen Meßwert umwandeln kann, der den aktuellen Wert des äußeren Parameters repräsentiert.

Die Erfindung nutzt die Tatsache aus, daß das während des Betriebs einer PLL- oder FLL-Regelschleife vom Phasenkomparator abgegebene Ausgangssignal dann, wenn die Frequenz des Nachlaufsynchronisators nur durch einen äußeren Parameter wie die Umgebungstemperatur beeinflußt wird, der Pegel dieses Ausgangssignal diesen Para­ meter charakterisiert, so daß daraus mit Hilfe eines weiteren Elements der Meßwert des Parameters, etwa die Umgebungstemperatur ermittelt werden kann. Die Erfindung inte­ griert daher die bisher üblichen Bausteine zur Parameterbestimmung in die PLL- bzw. FLL-Schaltung und reduziert daher sowohl die Kosten als auch den Bedarf an Schal­ tungsfläche im Vergleich zu bisherigen Lösungen.

Das Element zur Messung des äußeren Parameters besteht dabei vorzugsweise aus einem Mikroprozessor. Dient der Nachlaufoszillator dazu, den Takt eines Mikroprozessors zu liefern, so ist im Vergleich zu bisherigen Lösungen überhaupt kein weiterer Baustein erforderlich, um neben der Phasen- bzw. Frequenznachregelung eine Bestimmung von Parametern zu ermöglichen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeich­ net.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispielshalber erläutert. In der Zeich­ nung zeigt:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße PLL-Schaltung mit einem Mikroprozessor zur Temperaturbestimmung.

In der Fig. 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt.

Dabei ist im linken Teil der Fig. 1 eine herkömmliche PLL-Schaltung 1 dargestellt. Die herkömmliche PLL-Schaltung 1 umfaßt einen Bezugsoszillator 2, der im vorliegenden Fall aus einem Quarzoszillator besteht, und einen steuerbaren Nachlaufoszillator 3, der im vorliegenden Fall aus einem digital gesteuerten Oszillator (DCO) besteht.

Die Frequenz fMCLK des Nachlaufoszillators 3 ist um einen Faktor N größer als die Frequenz fACLK des Bezugsoszillators 2. Sie wird durch einen Frequenzteiler 4, der mit dem Ausgang des Nachlaufoszillators 3 verbunden ist, an die Frequenz des Bezugsoszil­ lators 2 anpaßt.

Ferner ist ein Phasenkomparator 6 vorgesehen, dessen erster Eingang mit dem Ausgang des Bezugsoszillators und dessen zweiter Eingang mit dem Ausgang des Frequenzteilers verbunden ist und der die Phase des Signals des Bezugsoszillators mit der Phase des Signals des Frequenzteilers 4 vergleicht und am Ausgang ein die Phasenverschiebung zwischen den beiden Signalen charakterisierendes Ausgangssignal 7 abgibt.

Dieses Ausgangssignal 7 wird über ein mit dem Ausgang des Phasenkomparators 6 ver­ bundenes Digitalfilter 8 in ein entsprechendes digitales Signal 9 umgewandelt, mit dem der steuerbare Nachlaufoszillator 3 so gesteuert wird, daß die Phasenverschiebung null wird, wodurch gleichzeitig die Bedingung fMCLK = N.fACLK erfüllt wird, d. h. die Frequenz des Nachlaufoszillators 3 entspricht dann dem N-fachen der (konstanten) Fre­ quenz des Bezugsoszillators 2.

Es sei vorausgesetzt, daß der Nachlaufoszillator 3 so beschaffen ist, daß nicht durch das Steuersignal 9 veranlaßte Änderungen der Frequenz fMCLK im wesentlichen durch einen äußeren Parameter beeinflußt werden. Im vorliegenden Beispiel sei dieser äußere Parameter die Umgebungstemperatur T.

Ändert sich die Umgebungstemperatur, so verursacht das eine Änderung der Frequenz fMCLK des Nachlaufoszillators 3. Das führt wiederum am Phasenkomparator 6 dazu, daß sich der Pegel des Ausgangssignals 7 entsprechend ändert und damit auch das dieses Ausgangssignal in digitaler Form charakterisierende Ausgangssignal 9 des Digitalfilters 8. Im gleichen Maße wie sich die Temperatur ändert, ändert sich während des Betriebs des PLL-Regelkreises auch das Ausgangssignal des Phasenkomparators 6 beziehungs­ weise das dieses Ausgangssignal in digitaler Form charaktersierende Ausgangssignal 9 des Digitalfilters 8.

Dieses digitale Ausgangssignal 9 wird nun gleichzeitig an den Signaleingang 11 eines Mikroprozessors 10 gelegt, der so ausgebildet ist, daß er aus dem die Phasenverschie­ bung und damit die Temperaturänderung charakterisierenden Signal die Temperatur bestimmen kann.

Der Mikroprozessor 10 kann zum Beispiel eine in seinem Speicher abgelegte Nachschla­ getabelle aufweisen, in der eine Zuordnung zwischen den vom Digitalfilter gelieferten Digitalwerten und den zugehörigen Temperaturwerten abgespeichert ist. Mit Hilfe dieser Zuordnung kann dann durch Vergleich der am Signaleingang 11 des Mikroprozessors gelieferten digitalen Werte des Steuersignals 9 mit den in der Tabelle abgespeicherten Werten kontinuierlich der gerade aktuelle Temperaturwert ermittelt werden.

Bevorzugt weist der Mikroprozessor 10 darüber hinaus einen Takteingang 12 auf, an dem das vom Bezugsoszillator 2 gelieferte Ausgangssignal mit der Frequenz fACLK anliegt. Dieses hat Vorteile, da der zeitliche Ablauf der Abtastung der Temperaturmeß­ werte an den jeweiligen Phasenkomparator 6 und dessen Zeitschema bei der Lieferung des Steuersignals 9 angepaßt werden. So ist z. B. eine erneute Abtastung des Tempera­ turmeßwertes natürlich nur dann sinnvoll, wenn gerade eine Änderung des digitalen Steuersignals 9 stattgefunden hat. Wird die Änderung des digitalen Steuersignals 9 über das vom Bezugsoszillator 2 abgegebene Signal mit der Frequenz fACLK gesteuert, so erfolgt vorzugsweise auch die zeitliche Steuerung der Abtastung der Temperaturwerte über dieses Signal. D. h., es kann z. B. immer dann, wenn der Phasenkomparator 6 bei der positiven Flanke des Bezugsoszillatorsignals ein Steuersignal 9 liefert, ein neuer Abtastwert für die Temperaturbestimmung zum Mikroprozessor geliefert und dort ausgewertet werden.

Das Taktsignal des Bezugsoszillators kann bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung auch als Mikroprozessorstakt verwendet werden, so daß der Mikroprozessor 10 keinen eigenen Taktgeber benötigt.

Die genaue Ermittlung des Temperaturwertes kann über verschiedene numerische Methoden erfolgen, die in der mathematischen Statistik bekannt sind.

So können z. B. in bestimmten zeitlichen Abständen jeweils hintereinander eine be­ stimmte Anzahl von Abtastwerten im Speicher des Mikroprozessors 10 abgespeichert und dann akumuliert werden, um einen Durchschnittswert der Temperatur zu bilden und so die Genauigkeit der Messung zu erhöhen.

Auch kann ein gleitender Durchschnitt gebildet werden, indem laufend der älteste Wert der Anzahl von Abtastwerten durch den jüngsten Abtastwert ersetzt wird.

Natürlich ist die erfindungsgemäße Nachlaufsynchronisationsschaltung nicht auf den Fall der PLL beschränkt und sie kann genausogut bei einer Frequenz-Nachlaufsynchronisa­ tionsschaltung eingesetzt werden, bei der statt des in der Fig. 1 dargestellten Phasen­ komparators ein Frequenzkomparator vorgesehen ist.

Der Nachlaufoszillator muß natürlich auch nicht unbedingt aus einem digital gesteuerten Oszillator bestehen, sondern es kann genausogut ein herkömmlicher spannungsgesteuer­ ter Oszillator (VCO) verwendet werden.

Der äußere Parameter, von dem die Frequenz (bzw. Phase) des Nachlaufoszillators ab­ hängt, muß auch nicht notwendigerweise aus der Umgebungstemperatur bestehen. Es kann z. B. auch die Versorgungsspannung des Nachlaufoszillators sein, die die Änderun­ gen der Frequenz bzw. Phase des Nachlaufoszillators im wesentlichen beeinflußt. In diesem Falle würde der in der Fig. 1 dargestellte Mikroprozessor dann einen Meßwert für die Versorgungsspannung des Nachlaufoszillators liefern.

Auch ein Digitalfilter ist für die Erfindung natürlich keine notwendige Voraussetzzung. Denkbar ist auch eine Realisierung, bei der ein von einem Tiefpaßfilter geliefertes analo­ ges Signal von einem Analog-Digital-Wandler im Mikroprozessor digitalisiert wird.

Das Element zur Messung des äußeren Parameters muß natürlich auch nicht notwendi­ gerweise aus einem Mikroprozessor bestehen, sondern es kann auch eine Logikschaltung sein, die in der Lage ist, aus dem Steuersignal 9 einen Meßwert des Parameters zu erzeu­ gen.

Claims (12)

1. Phasen-Nachlaufsynchronisationsschaltung (PLL-Schaltung) mit einem steuerbaren Nachlaufoszillator, dessen Signalphasenlage im wesentlichen von einem äußeren Parameter abhängt, einem Bezugsoszillator, dessen Signalphasenlage konstant ist und einem Phasenkomparator, der die Phasenlage des vom Nachlaufoszillator gelie­ ferten Signals mit der Phasenlage des vom Bezugsoszillator gelieferten Signals ver­ gleicht und ein die Phasenverschiebung charakterisierendes Ausgangssignal zum Nachlaufoszillator abgibt, mit dem dieser so gesteuert wird, daß Phasenfehler abge­ baut werden, dadurch gekennzeichnet, daß darüber hinaus ein Element zur Mes­ sung des äußeren Parameters vorgesehen ist, das so ausgebildet ist, daß es ein Signal, das das die Phasenverschiebung charakterisierende Ausgangssignal reprä­ sentiert, empfangen und in einen Meßwert umwandeln kann, der den aktuellen Wert des äußeren Parameters repräsentiert.

2. Frequenz-Nachlaufsynchronisationsschaltung (FLL-Schaltung) mit einem steuer­ baren Nachlaufoszillator, dessen Frequenz im wesentlichen von einem äußeren Parameter abhängt, einem Bezugsoszillator, dessen Frequenz konstant ist und einem Phasenkomparator, der die Frequenz des vom Nachlaufoszillator gelieferten Signals mit der Frequenz des vom Bezugsoszillator gelieferten Signals vergleicht und ein die Frequenzdifferenz charakterisierendes Ausgangssignal zum Nachlaufoszillator abgibt, mit dem dieser so gesteuert wird, daß Frequenzfehler abgebaut werden, dadurch gekennzeichnet, daß darüber hinaus ein Element zur Messung des äußeren Parameters vorgesehen ist, das so ausgebildet ist, daß es ein Signal, das das die Fre­ quenzverschiebung charakterisierende Ausgangssignal repräsentiert, empfangen und in einen Meßwert umwandeln kann, der den aktuellen Wert des äußeren Parameters repräsentiert.

3. Nachlaufsynchronisationsschaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der der äußere Parameter die Umgebungstemperatur ist.

4. Nachlaufsynchronisationsschaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der der äußere Parameter die Versorgungsspannung des Nachlaufoszillators ist.

5. Nachlaufsynchronisationsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Element zur Messung des äußeren Parameters aus einem Mikroprozessor besteht, der einen Signaleingang aufweist, an dem er das Signal, das das die Fre­ quenzverschiebung charakterisierende Ausgangssignal repräsentiert, empfangen kann.

6. Nachlaufsynchronisationsschaltung nach Anspruch 5, bei der ein Analog-Digital- Wandler vorgesehen ist, der zwischen den Ausgang des Phasenkomparators bzw. des Frequenzkomparators und den Signaleingang des Mikroprozessors geschaltet ist.

7. Nachlaufsynchronisationsschaltung nach Anspruch 6, bei der der Nachlaufoszillator ein digital gesteuerter Oszillator ist, der das vom Analog-Digital-Wandler erzeugte digitale Signal empfängt.

8. Nachlaufsynchronisationsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Frequenz des Bezugsoszillators niedriger als die Grundfrequenz des Nach­ laufoszillators ist und zwischen dem Ausgang des Nachlaufsozillators und dem Eingang des Phasenkomparators bzw. des Frequenzkomparators ein Frequenzteiler vorgesehen ist.

9. Nachlaufsynchronisationsschaltung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei dem im Speicher des Mikroprozessors eine Nachschlagetabelle gespeichert ist, in der Ver­ gleichswerte abgespeichert sind, mit deren Hilfe der Mikroprozessor aus den Para­ meterabtastwerten die Meßwerte des Parameters ermitteln kann.

10. Nachlaufsynchronisationsschaltung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, bei dem der Ausgang des Bezugsoszillators mit einem Takteingang des Mikroprozessors verbun­ den ist, wobei der Takt des Bezugsoszillators die zeitlichen Momente bestimmt, in denen Abtastwerte des das Ausgangssignals des Phasenkomparators charakterisie­ renden Signals genommen werden.

11. Nachlaufsynchronisationsschaltung nach Anspruch 9, bei der der Mikroprozessor so ausgebildet ist, daß er mehrere Abtastwerte akkumuliert und daraus einen gemittel­ ten Parameterwert berechnet.

12. Nachlaufsynchronisationsschaltung nach Anspruch 10, bei der der Mikroprozessor so ausgebildet ist, daß der Takt des Bezugsoszillators auch als Mikroprozessortakt verwendet werden kann.