DE102004023484B4 - Oszillatorsystem zur Erzeugung eines Taktsignals - Google Patents

Abstract

Oszillatorsystem zur Erzeugung eines Taktsignals auf einer zugehörigen Ausgangssignalleitung mit einem Stufenfrequenz-Oszillator, in dem durch eine übermittelte Abstimmgröße eine Frequenzeinstellung vorgenommen wird und dem eine Abstimm-Einrichtung vorgeordnet ist, die über eine beide verbindende Steuersignalleitung eine Abstimmgröße als Signal zur Einstellung der Frequenz des Stufenfrequenz-Oszillators bereitstellt und das Abstimmgrößensignal zwischen verschiedenen Werten umschaltet, so dass die Frequenz des Stufenfrequenz-Oszillators auch umschaltet,
– wobei ein Signal mit einem derart eingestellten Mittelwert f_soll in Form einer Ausgangsfrequenz des Stufenfrequenz-Oszillators auf der Ausgangssignalleitung als digital eingestelltes Taktsignal vorhanden ist sowie eine der Abstimm-Einrichtung vorgeschaltete Steuer-/Regel-Einrichtung zur Einstellung der veränderten Abstimmgröße vorgesehen ist,
– wobei die Steuer-/Regel-Einrichtung einen Frequenzteiler, einen dem Frequenzteiler nachgeschalteten Phasendetektor, einen dem Phasendetektor Signale übermittelnden Referenzoszillator sowie ein dem Phasendetektor nachgeschaltetes Schleifenfilter enthält,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Schleifenfilter (15) ein zweites Register (31) mit anwenderseitig vorgegebenen Parametern bezüglich von vier Einstellgrößen für das Abstimmgrößensignal, eine Arithmetik-Logik-Einheit...

Description

• Die Erfindung betrifft ein Oszillatorsystem zur Erzeugung eines Taktsignals auf einer zugehörigen Ausgangssignalleitung mit einem Stufenfrequenz-Oszillator, in dem durch eine übermittelte Abstimmgröße eine Frequenzeinstellung vorgenommen wird und dem eine Abstimm-Einrichtung vorgeordnet ist, die über eine beide verbindende Steuersignalleitung eine Abstimmgröße als Signal zur Einstellung der Frequenz des Stufenfrequenz-Oszillators bereitstellt und das Abstimmgrößensignal zwischen verschiedenen Werten umschaltet, so dass die Frequenz des Stufenfrequenz-Oszillators auch umschaltet,
• – wobei ein Signal mit einem derart eingestellten Mittelwert f_soll in Form einer Ausgangsfrequenz des Stufenfrequenz-Oszillators auf der Ausgangssignalleitung als digital eingestelltes Taktsignal vorhanden ist sowie eine der Abstimm-Einrichtung vorgeschaltete Steuer-/Regel-Einrichtung zur Einstellung der veränderten Abstimmgröße vorgesehen ist,
• – wobei die Steuer-/Regel-Einrichtung einen Frequenzteiler, einen dem Frequenzteiler nachgeschalteten Phasendetektor, einen dem Phasendetektor Signale übermittelnden Referenzoszillator sowie ein dem Phasendetektor nachgeschaltetes Schleifenfilter enthält.
• In vielen Anwendungsgebieten der digitalen Signalverarbeitung wie Synchronisation, Frequenzsynthese, Modulation, Demodulation und Rückgewinnung des Taktsignals wird ein Oszillatorsystem mit einem eingestellten Taktsignal an der zugehörigen Ausgangsignalleitung für den Einsatz in den vorgesehenen digitalen Schaltungen benötigt.
• Viele Schaltungen der digitalen Signalverarbeitung werden in der Regel aus Grundschaltungsblöcken – den digitalen Standardzellen – zusammengefügt. Dabei besteht häufig die Notwendigkeit darin, digitale Schaltungen unabhängig vom verwendeten Satz von Grundschaltungsblöcken – einer Standardzellenbibliothek – zu entwerfen. Die Technologieunabhängigkeit bedeutet, dass ein Schaltungsentwurf auf verschiedene Standardzellenbibliotheken portiert und daher in unterschiedlichen Herstellungstechnologien gefertigt werden kann.
• In herkömmlichen digitalen Oszillatoren kann eine geschlossene Kette aus einer ungeraden Anzahl invertierender Verzögerungsglieder vorhanden sein. Den Oszillatoren sind dabei jeweils ein Zähler zur Frequenzuntersetzung nachgeschaltet, wobei an den Zähler eine Signalleitung geführt ist, auf der ein variabler Skalierungsfaktor übertragen werden kann. Dadurch wird die hohe und nicht einstellbare Ausgangsfrequenz der Oszillatoren untersetzt. Durch Variation des Skalierungsfaktors kann die Ausgangsfrequenz der Oszillatoren zur Erzeugung eines Taktsignals eingestellt werden. Da der Skalierungsfaktor nur ganzzahlige Werte annehmen kann, kann mit den Oszillatoren nur eine geringe Frequenzauflösung erreicht werden.
• Ein Problem besteht darin, dass die Einstellung der Frequenz des Taktsignals durch digitale Signale vorgegebenen Genauigkeitsforderungen nicht gerecht werden kann.
• Bei den herkömmlichen digitalen Oszillatoren ist Folgendes problematische
• – die Einstellung der Frequenz des ausgegebenen Taktsignals erfolgt nicht mit einer vorgegebenen hohen Auflösung,
• – der Versatz der Schaltflanken des herkömmlich ausgegebenen Taktsignals überschreitet im Vergleich zu den idealisierten Taktzeitpunkten (Jitter) vorgegebene Werte.
• Damit können Anforderungen aus der Anwendung nach konkreten Werten der minimalen Auflösung und des maximal zulässigen Jitters nicht erfüllt werden.
• Ein ähnlicher Oszillator ist in den Druckschriften EP 0 557 799 A1 und EP 1 164 701 A2 beschrieben und enthält in einer einfachen Struktur einen Ringoszillator von in Reihe geschalteten Kettengliedern. Dort ist der Zähler durch einen Frequenzteiler mit einem gebrochenen Teilverhältnis ersetzt. Das ermöglicht die Erzeugung eines Taktsignals, dessen Mittelwert mit hoher Auflösung eingestellt werden kann.
• Ein Problem besteht darin, dass das gebrochene Teilverhältnis aber gleichzeitig ein Ausgangssignal mit abwechselnd verschieden langen Perioden verursacht. Auf diese Weise liegen die Flanken des Ausgangssignals in regelmäßigem Wechsel vor oder nach den idealisierten Taktzeitpunkten, die sich aus der mittleren Periodendauer des Ausgangssignals ergeben. Dieser Versatz, als Jitter bezeichnet, beträgt bei der Ausführung des Oszillators zur Erzeugung eines Taktsignals eine Zeitdau er, die bis zu einer Periodendauer des verwendeten Oszillators ausgedehnt ist. Dadurch wird der relative Jitter, d.h., der auf die mittlere Periodendauer des Ausgangssignals bezogene Jitter, vor allem bei kleinen Teilverhältnissen groß. Der Jitter ist für viele Anwendungen nur innerhalb enger Grenzen akzeptabel. Der Oszillator zur Erzeugung eines Taktsignals enthält einen nachgeschalteten Frequenzteiler mit einem gebrochenen Teilverhältnis und kann zwar auf verschiedene Herstellungstechnologien portierbar entworfen werden, wie das in der Druckschrift Stefo, Schreiter, Dohndorf und Schüffny: "A Portable All-Digital Phase-Locked Loop for Frequency Synthesis", 9th International Conference, Design of Integrated Circuits and Systems (MIX-DES'02) June 2002, pp.217–222 beschrieben ist, hat aber einen zu hohen Versatz der Taktzeitpunkte.
• Ein portabler digitaler Phasenregelkreis zur Frequenzsynthese ist auch in der oben genannten Druckschrift Stefo, Schreiter, Dohndorf und Schüffny: "A Portable All-Digital Phase-Locked Loop for Frequency Synthesis" beschrieben, in der der Phasenregelkreis einen digital einstellbaren Oszillator, einen Frequenzteiler, einen Phasendetektor und ein Schleifenfilter in Form einer Berechnungseinheit enthält.
• Der digital einstellbare Oszillator kann zwar auf verschiedenen Herstellungstechnologien portierbar entworfen werden, aber das Problem besteht darin, dass der Versatz der Flanken des Ausgangssignals jedoch bis zu einer Periodendauer des verwendeten Oszillators betragen kann. Eine Verkleinerung auf Bruchteile der Periodendauer kann aber nicht erreicht werden.
• Ein weiterer Oszillator zur Erzeugung eines digital einstellbaren Taktsignals ist in den Druckschriften von Terng-Yin Hsu, Bai-Jue Shieh und Chen-Yi Lee, "An All-Digital Phase-Locked Loop (ADPLL)-Based Clock Recovery Circuit", IEEE Journal of Solid-State Circuits, 1999, pp.1063–1073; von Rami Saban und Avner Efendovich, "A Fully-Digital 2-MB/sec CMOS Data Separator", Circuits and Systems ISCAS'94,1994, pp. 53–56 und von Ching-Che Chung und Chen-Yi Lee, "An All-Digital Phase-Locked Loop for High-Speed Clock Generation", IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2003, pp.347–351 beschrieben, in der ein Oszillator in Form eines Ringoszillators enthalten ist, dessen Ausgangsfrequenz durch ein Steuerwort einstellbar ist. Das Steuerwort kann beispielsweise die Anzahl der Verzögerungsglieder im Ring bestimmen und dadurch die Ausgangsfrequenz einstellen. Eine einfache Variante eines solchen Ringoszillators besteht darin, dass in Reihe geschaltete Verzögerungsglieder jeweils als zwei Kettenglieder abgegriffen und die Abgriffsleitungen einem Wähler zugeführt sind, wobei der Wähler mit einem Startglied in Verbindung steht und auf seiner Ausgangsleitung eine vorgegebene Ausgangsfrequenz aufweist. An den Wähler ist eine Signalleitung geführt, auf der das als digitales Signal ausgebildete Steuerwort übermittelt wird. Da die Anzahl der Verzögerungsglieder nur ganzzahlige ungerade Werte annimmt, können nur diskrete Ausgangsfrequenzen erzeugt werden. Die Frequenzauflösung des Oszillators zur Erzeugung eines digital einstellbaren Taktsignals kann dadurch verbessert werden, wenn eine Laufzeitmatrix in die Schleife zwischen dem Wähler und dem Startglied hinzugefügt ist.
• Die Laufzeitmatrix besteht in der Regel aus mehreren Verzögerungspfaden, mit denen eine Verzögerung aus einem Bereich von Verzögerungszeiten ausgewählt werden kann. Um eine hohe Fre quenzauflösung und eine Monotonie, d.h. eine Erhöhung (Verminderung) der Frequenz des Steuersignals führt zwangsläufig zu einer Erhöhung (Verminderung) der Taktsignalfrequenz, zu erreichen, muss der Bereich der Verzögerungszeiten in möglichst dichten und gleichmäßigen Stufen abgedeckt werden. Die Breite des Bereiches darf die Verzögerung zweier Kettenglieder des Ringoszillators nicht überschreiten.
• Das digitale Signal in Form des zugehörigen Steuerworts für die Abstimmung besteht aus zwei Signalteilen – einem digitalen Grobeinstellwort und einem digitalen Feineinstellwort –. Das digitale Grobeinstellwortsignal bestimmt die Anzahl der Verzögerungsglieder im Ring. Das Feineinstellwortsignal bestimmt, welcher Pfad der Laufzeitmatrix verwendet wird. Der Jitter im Ausgangssignal ist in diesem Fall minimal.
• Das Problem besteht darin, das der vorgenannte Oszillator für seine Realisierung technologieabhängig ist, weil die Verzögerungszeiten der verschiedenen Pfade der Laufzeitmatrix in einem genauen Verhältnis zueinander und zur Verzögerungszeit der Kettenglieder des Ringoszillators stehen müssen. Die Pfade der Laufzeitmatrix müssen deshalb für jede vorgesehene Technologie, auf die das der genannte Oszillator portiert werden soll, neu entworfen werden.
• Ein Problem der vorgenannten Oszillatoren ist es auch, dass der Zusammenhang zwischen einem Steuersignal und der Taktsignalfrequenz nicht monoton ist.
• Ein Taktgenerator ist in der Druckcschrift DE 43 42 266 C2 beschrieben und enthält einen Referenzoszillator, einen einstellbaren, digitalen Oszillator, einen digitalen, programmierbaren Frequenzteiler und einen Phasenlcomparator. Der Fre quenzteiler ist zwischen dem Ausgang des einstellbaren Oszillators und einem Eingang des Phasenkomparators geschaltet. Der Ausgang des Referenzoszillators ist mit einem weiteren Eingang des Phasenkomparators verbunden. Die Einstellung des Oszillators erfolgt in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Phasenkomparators.
• Der einstellbare, digitale Oszillator ist eine geschlossene Laufzeitkette. Zwischen dem Ausgang des Phasenkomparators und der Laufzeitkette ist ein digitaler Aufwärts-Abwärtszähler geschaltet, dessen Zählrichtung durch das Ausgangssignal des Phasenkomparators bestimmt ist und über den die jeweilige Länge der Laufzeitkette einstellbar ist. Der Laufzeitkette ist eine Interpolationslogik zugeordnet, die einen durch das Ausgangssignal der Laufzeitkette getakteten Dualzähler enthält, mit dessen Zählwert der Wert einer Anzahl geringstwertiger Bits des Ausgangssignals des Aufwärts-Abwärtszählers kombiniert wird, um in Abhängigkeit vom Wert dieser geringstwertigen Bits die Anzahl von Änderungen der Kettenlänge um jeweils eine Stufe für eine jeweilige Taktperiode festzulegen, während die verbleibenden höchstwertigen Bits unmittelbar die Laufzeitkette adressieren.
• Ein Problem besteht darin, dass die Interpolationslogik die Steuerung des digital einstellbaren Oszillators vornimmt, wobei die Ausgangssignale des Zählers mit dem niederwertigen Bit eines Steuerwortes zu einem Steuersignal für den Oszillator kombiniert wird, so dass der Oszillator in einem bestimmten zeitlichen Ablauf der Periodendauer zwischen zwei benachbarten eingestellten Werten umgeschaltet wird. Nachteilig ist, dass der Wechsel der Periodendauer immer auf jeweils benachbarte Frequenzwerte beschränkt ist. Außerdem dient die Interpolationslogik dazu, die Regelfrequenz anzuheben, aber nicht dazu, die Frequenzauflösung des digital einstellbaren Oszillators zu erhöhen.
• Es sind ein Phasenregelkreis-Einrichtung mit einem Oszillator mit variabler Schwingfrequenz und ein Impulserzeugungsgerät in der Druckschrift US 5,517,155 bzw. DE 195 05 308 C2 beschrieben. Die Phasenregelkreis-Einrichtung enthält im Wesentlichen einen Oszillator mit einer variablen Schwingfrequenz, einem vorgeschalteten Steuerungsdatengenerator sowie einem dem Generator zugeordneten Signalperiodendetektor und einem zugeordneten Phasenkomparator. Das Ausgangssignal des Oszillators wird über einen Periodenteiler dem Phasenkomparator zum Vergleich zugeführt. Der Oszillator mit der variablen Schwingfrequenz enthält eine Schwingkreisschaltung, eine Auswahlvorrichtung (Wähler), einen Konstantenaddierer und ein Impulserzeugungsgerät, wobei dem Wähler obere Bits und dem Impulserzeugungsgerät untere Bits aus dem vorgeschalteten Steuerungsdatengenerator zugeführt sind.
• Das Impulserzeugungsgerät weist eine aus N Wählern bestehende Wählerreihe und einen mit dem Wählsignal-Eingangsanschluss jedes Wählers verbundenen Wählsignalgenerator auf. Das Impulserzeugungsgerät nimmt als Eingangssignal binäre Digitaldaten auf, die aus einem N-Bit-Datensignal bestehen, das ein niedrigstwertiges Bit (LSB) und ein höchstwertiges Bit (MSB) aufweist, und ein Impulssignal mit einer Frequenz ausgibt, die in Abhängigkeit von den binären Digitaldaten änderbar ist.
• In dem Impulserzeugungsgerät erfolgt dabei ein regelmäßiger Wechsel der Periodendauer des digital einstellbaren Oszillators, der von dem vorgeschalteten Steuerungsdatengenerator gesteuert wird.
• Ein Problem besteht darin, dass wegen der Kettenschaltung der Wähler-/Selektorschaltungen sich eine lange Laufzeit in Form einer Verzögerung ergeben kann, die die erreichbare Ausgangsfrequenz des Taktsignals nach oben begrenzt. Dabei steigt die Verzögerung mit der Verbesserung der Auflösung des einstellbaren Oszillators.
• Ein weiteres Problem besteht darin, dass der regelmäßige Wechsel der Periodendauer des digital einstellbaren Oszillators auf den Wechsel zwischen einem Wert des Steuersignals und dem nachfolgenden Wert beschränkt ist.
• Des Weiteren ist ein Oszillatorschaltkreissystem zum Regeln eines Datenstroms in der Druckschrift US 6,525,616 B1 beschrieben. Das System umfasst einen Steuerschaltkreis und einen ersten Schaltkreis, der derart aufgebaut ist, um ein Kalibrierungssignal in Bezug auf ein Einstellsignal und ein erstes Steuersignal zu erzeugen. Der Steuerschaltkreis kann ein erstes Steuersignal, ein zweites Steuersignal und ein Einstellsignal in Bezug auf eine Schaltrate eines Eingabesignals erzeugen.
• Ein Problem besteht darin, dass die Kombination von Oszillator und Steuerschaltkreis nicht zur Erhöhung der Frequenzauflösung des digital einstellbaren Oszillators dient. Außerdem wird die Periodendauer des digital einstellbaren Oszillators nicht im Wechsel zwischen zwei möglichen Werten umgeschaltet.
• Viele der bekannten Oszillatoren bzw. Oszillatorsysteme haben das Problem, dass sie keinen technologieunabhängigen Aufbau aufweisen, um aus Standardzellen verschiedener Bibliotheken von unterschiedlichen Herstellungstechnologien hergestellt werden zu können. Einige der Oszillatoren sind zwar andererseits technologieunabhängig, haben aber wiederum andere Probleme in Form einer geringen Frequenzauflösung und/oder eines großen Jitters.
• Ein weiteres Oszillatorsystem zur Taktsignalrückgewinnung ist in der Druckschrift von Larsson, P. „A 2-1600-MHz CMOS Clock Recovery PLL with Low-Vdd Capability", IEEE Journal of Solid-State Cicuits, Vol. 34, No.12, Dec. 1999, S. 1951–1960 beschrieben, wobei ein Datenstrom vorhanden ist, dessen Signalflanken mit einigen idealen Taktzeitpunkten zusammenfallen. Es soll eine Rückgewinnung des unbekannten idealen Taktsignals in guter Näherung durchgeführt werden.
• Dabei sind zwei Schleifen vorgesehen, wobei die erste Schleife zur Erzeugung eines Taktsignals mit hoher Frequenz dient, dessen Frequenz in grober Näherung mit der Frequenz des zu rekonstruierenden Taktsignals übereinstimmt.
• Mit der zweiten Schleife erfolgt daraus eine Ableitung eines genaueren Taktsignals durch fortwährend wechselnde Auswahl aus Signalen, die dem Taktsignal entsprechen und diesem gegenüber phasenverschoben sind.
• Zur Erzeugung der phasenverschobenen Signale werden analoge Komponenten eingesetzt.
• Ein Problem besteht drin, dass das Oszillatorsystem nur zur Rückgewinnung eines Taktsignals geeignet ist. Das Oszillatorsystem kann nicht ausschließlich aus standardisierten Logik-Bausteinen aufgebaut werden.
• Ein anderes Oszillatorsystem zur Taktsignalerzeugung ist in der Druckschrift Wing-Hong Chan et.al. "A 622-MHZ interpolating Ring VCO wich Temperature Compensation and Jitter Analy sis", IEEE Intern. Symp. on Gircuits and Systems, June 1997, Hongkong, S. 25–28 beschrieben, wobei einem Ringoszillator eine Abstimmgröße zugeführt wird, die zwischen verschiedenen Werten umschaltet, so dass sich als Ausgangssignal eine Frequenz einstellt, die dem Mittelwert der Abstimmgrößen entspricht.
• Ein Problem besteht darin, dass auch hier die Interpolation zwischen den Stufen des Ringoszillators mittels analoger Schaltungen erfolgt. Mit den analogen Schaltungen kann im Oszillatorsystem die Grenze zu einem niedrigeren Jitter und damit zu einer höheren Auflösung nicht überschritten werden.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Oszillatorsystem zur Erzeugung eines Taktsignals anzugeben, das derart geeignet ausgebildet ist, dass ein digitales Abstimmgrößensignal aus einer dem Stufenfrequenz-Oszillator vorgeschalteten Abstimm-Einrichtung geliefert wird, das dazu dienen soll, die Auflösung der Taktsignalfrequenz zu erhöhen und den Versatz der Taktzeitpunkte zu verringern. Außerdem soll das Oszillatorsystem schaltungstechnisch einfacher und weniger kostenaufwendig aufgebaut sein.
• Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. In dem Oszillatorsystem zur Erzeugung eines Taktsignals auf einer zugehörigen Ausgangssignalleitung mit einem Stufenfrequenz-Oszillator, in dem durch eine übermittelte Abstimmgröße eine Frequenzeinstellung vorgenommen wird und dem eine Abstimm-Einrichtung vorgeordnet ist, die über eine beide verbindende Steuersignalleitung eine Abstimmgröße als Signal zur Einstellung der Frequenz des Stufenfrequenz-Oszillators bereitstellt und das Abstimmgrößensignal zwischen verschiedenen Werten umschaltet, so dass die Frequenz des Stufenfrequenz-Oszillators auch umschaltet,
• – wobei ein Signal mit einem derart eingestellten Mittelwert f_soll in Form einer Ausgangsfrequenz des Stufenfrequenz-Oszillators auf der Ausgangssignalleitung als digital eingestelltes Taktsignal vorhanden ist sowie eine der Abstimm-Einrichtung vorgeschaltete Steuer-/Regel-Einrichtung zur Einstellung der veränderten Abstimmgröße vorgesehen ist,
• – wobei die Steuer-/Regel-Einrichtung einen Frequenzteiler, einen dem Frequenzteiler nachgeschalteten Phasendetektor, einen dem Phasendetektor Signale übermittelnden Referenzoszillator sowie ein dem Phasendetektor nachgeschaltetes Schleifenfilter enthält
enthält gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1 das Schleifenfilter ein zweites Register mit anwenderseitig vorgegebenen Parametern bezüglich von vier Einstellgrößen für das Abstimmgrößensignal, eine Arithmetik-Logik-Einheit, ein der Arithmetik-Logik-Einheit nachgeschaltetes drittes Register sowie eine dem dritten Register nachgeschaltete Registerebene aus mehreren Einzelregistern für die Einstellgrößen,
• – wobei die Einzelregister über Einstell-Signalleitungen mit einem ersten Multiplexer der Abstimm-Einrichtung und die Einzelregister über Einstell-Signalleitungen mit einem zweiten Multiplexer der Abstimm-Einrichtung verbunden sind,
• – wobei dem ersten Multiplexer ein Akkumulator mit Überlauf ausgang nachgeschaltet ist, enthaltend einen Addierer und ein erstes Register, an dessen Eingang eine das Taktsignal rückführende Ausgangssignalabzweigsleitung angeschlossen ist und dessen Ausgangssignalleitung zur Übermittlung des Bits mit dem höchsten Stellenwert mit dem zweiten Multiplexer zur Weiterleitung der Abstimmgröße verbunden und an den ersten Multiplexer abgezweigt geführt ist,
• – wobei dem zweiten Multiplexer die Einstell-Signalleitungen für die Übermittlung von zwei Frequenzstufenwerten f_u, f_o zugeführt sind und
• – wobei der zweite Multiplexer über die Abstimm-Signalleitung zur Weiterleitung der Abstimmgröße mit dem Stufenfrequenz-Oszillator verbunden ist.
• Die Abstimm-Einrichtung steht über eine Steuersignalleitung zur Übermittlung eines Steuersignals in Form einer Abstimmgröße – eines Abstimmgrößensignals – sowie über eine rückverbundene Ausgangssignalabzweigleitung mit dem Stufenfrequenz-Oszillator in Verbindung.
• Die Steuer-/Regel-Einrichtung ist mit der Abstimm-Einrichtung über Einstell-Signalleitungen verbunden, wobei zumindest ein Teil der Einstell-Signalleitungen für eine Übermittlung von Steuersignalen zur Bestimmung von zwei Frequenzstufenwerten und zumindest ein anderer Teil der Einstell-Signalleitungen für eine Übermittlung von Steuersignalen zur Bestimmung einer vorgegebenen Schaltrate der Abstimmgröße vorgesehen sind, wobei die Abstimm-Einrichtung das von ihr ausgehende Abstimmgrößensignal periodisch zwischen den bestimmten Frequenzstufenwerten f_u, f_o der Einstell-Signalleitungen derart schaltet, dass das Signal mit dem eingestellten Mittelwert f_soll mit f_u ≤ f_soll ≤ f_o zwischen den bestimmten Frequenzstufenwerten f_u, f_o in Form der Ausgangsfrequenz des Stufenfrequenz-Oszillators auf der Ausgangssignalleitung als digital eingestelltes Taktsignal vorhanden ist.
• Der Stufenfrequenz-Oszillator stellt einen Oszillator dar, dessen Frequenzwerte in Stufen einstellbar ist.
• Das digitale Abstimmgrößensignal zur Einstellung des Frequenzwertes f_soll ist ein als digitales Signal ausgebildetes Steuerwort mit einem oder mehreren Bits.
• Der eine Teil der Einstell-Signalleitungen stellt vorzugsweise zwei Signalleitungen für die Übermittlung von je einem Frequenzstufenwert und der andere Teil der Einstell-Signalleitungen stellt vorzugsweise zwei Signalleitungen für die Übermittlung von Steuersignalen zur Bestimmung der vorgegebenen Schaltrate der Abstimmgröße dar.
• Der Stufenfrequenz-Oszillator, dessen Frequenzen durch die Abstimmgröße in Stufen einstellbar sind, ist mit der Abstimm-Einrichtung, welche die Abstimmgröße periodisch zwischen den beiden Stufenfrequenzwerten f_u, f_o schaltet, derart verbunden, dass der Mittelwert der Ausgangsfrequenz des Stufenfrequenz-Oszillators die vorgegebene Frequenz f_soll erreicht. Die erforderliche Schaltrate der Abstimmgröße wird durch die Einstell-Steuersignale zur Bestimmung der Schaltrate bestimmt. Das Oszillatorsystem, insbesondere die kombinierte Einheit von Stufenfrequenz-Oszillator und Abstimm-Einrichtung ist aus Struktur- und Verhaltensvorgaben so beschrieben, dass es vollständig aus digitalen Standardzellen aufgebaut werden kann.
• Die Abstimm-Einrichtung kann auch als Frequenzeinsteller und zur Übermittlung des digitalen Steuersignals in Form der Abstimmgröße ausgebildet sein, die die bestimmten Frequenzstufenwerte f_u, f_o des Stufenfrequenz-Oszillators derart periodisch schaltet, dass der Stufenfrequenz-Oszillator ausgangsseitig den Mittelwert der zwei unterschiedlichen Frequenzstufenwerte f_u, f_o als digital eingestelltes Taktsignal mit der Frequenz f_soll auf der Ausgangssignalleitung bereitstellt.
• Der Akkumulator kann aus einem ersten Addierer und einem dem ersten Addierer nachgeschalteten ersten Register bestehen, wobei der erste Addierer über die Signalleitung das Signal des ersten Multiplexers übernimmt und wobei das erste Register, das das Signal mit dem Bit des höchsten Stellenwertes weiterleitet, mit dem ersten Addierer über eine Signalleitung und mit dem ersten Multiplexer über eine weitere Signalleitung jeweils rückverbunden ist.
• Die Ausgangssignalleitung ist dabei über eine Ausgangssignalabzweigleitung mit einem Eingang des ersten Registers der Abstimm-Einrichtung verbunden.
• Der Stufenfrequenz-Oszillator kann wahlweise ein Ringoszillator mit digitalen Schaltgliedern sein, der eine einstellbare Kettenlänge aufweist, mit der die Frequenz des Taktsignals durch ein digitales Steuersignal einstellbar ist, und dass die dem Stufenfrequenz-Oszillator vorgeschaltete Abstimm-Einrichtung das digitale Abstimm-Steuersignal liefert, das im Wechsel zwischen den zwei bestimmten Frequenzwerten f_u, f_o der Stufenfrequenzen geschaltet wird, das die Taktsignalfrequenz mit hoher Auflösung einstellt sowie einen geringen Versatz der Taktzeitpunkte herbeiführt. Der Stufenfrequenz-Oszillator und die vorgeschaltete Abstimm-Einrichtung können in ihrer einheitlichen Verschaltung einen digital einstellbaren Oszillator zur Erzeugung eines digital eingestellten Taktsignals darstellen, wobei der digital eingestellte Oszillator, insbesondere der Ringoszillator und die vorgeschaltete Abstimm-Einrichtung aus digitalen Standardzellen bestehen und auf unterschiedliche Standardzellenbibliotheken portierbar sind.
• Die Struktur des Ringoszillators und das Verhalten der Abstimm-Einrichtung können unabhängig von dem zur Realisierung verwendeten Satz von digitalen Baublöcken – einer Standardzellenbibliothek – vorgegeben sein.
• Die Kettenlänge des Ringoszillators, der aus digitalen Schaltgliedern besteht, ist durch ein im Abstimmgrößensignal enthaltenes Steuerwort einstellbar.
• Das Schleifenfilter steht über die Einstell-Signalleitungen für die Übermittlung von Steuersignalen zur Bestimmung der vorgegebenen Schaltrate der Abstimmgröße und die Einstell-Signalleitungen für die Übermittlung von Steuersignalen zur Bestimmung von zwei Frequenzstufenwerten mit der Abstimm-Einrichtung in Verbindung.
• Die Steuer-/Regel-Einrichtung steht über eine Taktsignalabzweigleitung – eine Phasenregelungsrückkopplungsleitung – mit der Ausgangssignalleitung des Stufenfrequenz-Oszillators in Verbindung. Dabei steht der Frequenzteiler als Teil der Steuer-/Regel-Einrichtung mit der Ausgangssignalleitung des Stufenfrequenz-Oszillators unmittelbar in Verbindung.
• Das Oszillatorsystem einschließlich der Steuer-/Regel-Einrichtung kann als ein vollständig digitaler Phasenregelkreis ausgebildet sein, wobei die Steuer-/Regel-Einrichtung die Steuergrößen des Abstimmgrößensignals, insbesondere die beiden Frequenzwert-Einstellsignale und die beiden Schaltrate-Einstellsignale in Abhängigkeit von der Ausgangsfrequenz f_soll des auf der Ausgangssignalleitung bereitgestellten Taktsignals zur Verfügung stellt.
• Das Verfahren zur Erzeugung eines digital eingestellten Taktsignals, wobei die Einstellung von Frequenzen in Stufen ...f_u-1, f_u, f_u+1, ..., f_o-1, f_o, f_o+1, ... in dem digitalen Stufenfrequenz-Oszillator durch die zugeführte Abstimmgröße durchgeführt wird, weist folgende Schritte auf:
• a) Schaltung der Abstimmgröße periodisch zwischen zwei Frequenzstufenwert-Einstellgrößen,
• b) Erzeugung des Mittelwertes f_soll der Ausgangsfrequenz des Stufenfrequenz-Oszillators aus zwei eingestellten Frequenzwerten f_u, f_o der Stufenfrequenzen ... f_u-1, f_u, f_u+1, ..., f_o-1, f_o, f_o+1, ..., indem ein digitales Abstimmgrößensignal für den Stufenfrequenz-Oszillator mit den in Stufen einstellbaren Frequenzwerten ...f_u-1, f_u, f_u+1, ..., f_o-1, f_o, f_o+1, ... mittels der Abstimm-Einrichtung im Wechsel zwischen den beiden bestimmten Frequenzstufenwerten f_u, f_o durch zwei Schaltrate-Einstellgrößen geschaltet wird,
• c) Berechnung des unteren und des oberen Wertes der Abstimmgröße für die Frequenzstufenwerte f_u, f_o auf den Einstell-Signalleitungen sowie der beiden Einstellgrößen auf den Einstell-Signalleitungen, die die Schaltrate bestimmen, nach einer Eingabe der Referenzfrequenz f_ref und einer Vorgabe der vorgegebenen Frequenz f_soll und
• d) Modifizierung der Einstellgrößen für die Ausbildung des Abstimmgrößensignals im Schleifenfilter, wobei im Phasendetektor die Phasenlage des Frequenzausgangssignals auf einer Signalleitung und die Phasenlage der vorgegebenen Frequenz f_ref des Referenzsignals auf einer Signalleitung aus dem Referenzoszillator verglichen werden und die Informationen über den Phasenfehler zur Modifizierung der Einstellgrößen übermittelt werden.
• Die beiden Schritte a) und b) finden dabei kontinuierlich statt, wobei eine beliebige Auflösung realisierbar ist und der Jitter durch die Stufenabstände bestimmt wird.
• Das heißt, dass in dem Oszillatorsystem eine digital eingestellte Frequenz f_soll erzeugt wird, indem die Frequenz des Stufenfrequenz-Oszillators im Wechsel zwischen zwei Frequenzwerten f_u und f_o eingestellt wird, wobei gilt: f_u ≤ f_soll ≤ f_o, so dass der Mittelwert der Oszillatorfrequenz gleich der vorgegebenen Frequenz f_soll des Taktsignals ist. Entsprechend der Frequenz f_soll wechselt die Periodendauer des Ausgangssignals des Stufenfrequenz-Oszillators zwischen den zwei Frequenzwerten f_u und f_o. Der dadurch hervorgerufene Jitter im Taktsignal entspricht dem Unterschied der Periodendauern des Stufenfrequenz-Oszillators bei den Frequenzen f_u bzw. f_o.
• Das Verfahren wird im Wesentlichen mit standardzellenaufgebauten Baugruppen: Dem Stufenfrequenz-Oszillator, der Abstimm-Einrichtung, dem Schleifenfilter, dem Phasendetektor, dem Referenzoszillator sowie dem Frequenzteiler durchgeführt.
• Die Frequenzwerte f_u, f_o können sowohl unmittelbar benachbarte, als auch nicht unmittelbar benachbarte Frequenzwerte aus dem Umfang der variabel einstellbaren Stufenfrequenzwerte ...f_u-1, f_u, f_u+1, ..., f_o-1, f_o, f_o+1 ... sein.
• Die Erfindung ermöglicht es, dass der dadurch hervorgerufene Jitter geringer als die Periodendauer selbst sein kann.
• Die Erfindung ermöglicht es auch, dass zwischen dem Takteingang der Steuer-/Regel-Einrichtung und ihrem Ausgang, der an den Eingang der Abstimm-Einrichtung angeschlossen ist, eine kürzere Signallaufzeit erreicht wird.
• Des Weiteren ist in dem Oszillatorsystem eine Verzögerung bezüglich der Laufzeit unabhängig von der Verbesserung der Auflösung des Oszillatorsystems und ab einer gewissen Auflösung geringer.
• Die Erfindung ermöglicht es des Weiteren, dass der regelmäßige Wechsel der Periodendauer auf einen Wechsel zwischen zwei beliebigen einstellbaren Frequenzwerten innerhalb des Stufenfrequenzbereiches ausdehnbar und somit nicht beschränkt ist.
• Weiterbildungen der Erfindung sind in weiteren Unteransprüchen beschrieben.
• Die Erfindung wird mittels eines Ausführungsbeispieles anhand von Zeichnungen näher erläutert:
  Es zeigen:
• 1 eine schematische Block-Darstellung eines ersten erfindungsgemäßen Oszillatorsystems,
• 2 eine schematische Block-Darstellung eines erfindungsgemäßen Oszillatorsystems im Detail,
• 3 eine schematische Baugruppen-Darstellung einer Abstimm-Einrichtung zur periodischen Schaltung der Abstimmgröße zwischen zwei Frequenzstufenwerten,
• 4 eine schematische Baugruppen-Darstellung des Schleifenfilters zur Ausbildung von vier Einstell größen – den Frequenzstufenwerten f_u und f_o sowie der Schaltrate – und
• 5 eine schematische Baugruppen-Darstellung des digitalen Stufenfrequenz-Oszillators.
• In 1 ist in einer schematischen Block-Darstellung ein Oszillatorsystem 1 zur Erzeugung eines Taktsignals auf einer zugehörigen Ausgangssignalleitung 10 mit einem Stufenfrequenz-Oszillator 2, in dem durch eine übermittelte Abstimmgröße eine Frequenzeinstellung vorgenommen wird, gezeigt.
• Es sind eine dem Stufenfrequenz-Oszillator 2 zugeordnete, vorgeschaltete Abstimm-Einrichtung 3 sowie eine der Abstimm-Einrichtung 3 vorgeschaltete Steuer-/Regel-Einrichtung 4 vorhanden, wobei die Abstimm-Einrichtung 3 über eine Steuersignalleitung 5 zur Übermittlung eines Steuersignals in Form einer Abstimmgröße – eines Abstimmgrößensignals – sowie über eine rückverbundene Ausgangssignalabzweigleitung 30 mit dem Stufenfrequenz-Oszillator 2 in Verbindung steht und die Steuer-/Regel-Einrichtung 4 mit der Abstimm-Einrichtung 3 über Einstell-Signalleitungen 6, 7, 8, 9 verbunden ist, wobei ein Teil der Einstell-Signalleitungen 8, 9 für eine Übermittlung von Steuersignalen zur Bestimmung von zwei Frequenzstufenwerten f_u und f_o und ein anderer Teil der Einstell-Signalleitungen 6, 7 für die Übermittlung von Steuersignalen zur Bestimmung der vorgegebenen Schaltrate der Abstimmgröße vorgesehen sind, wobei die Abstimm-Einrichtung 3 das von ihr ausgehende Abstimmgrößensignal 5 periodisch zwischen den bestimmten Frequenzstufenwerten f_u und f_o der Einstell-Signalleitungen 8, 9 derart schaltet, dass das Signal mit einem eingestellten Mittelwert zwischen den bestimmten Fre quenzstufenwerten f_u und f_o in Form einer Ausgangsfrequenz f_soll des Stufenfrequenz-Oszillators 2 auf der Ausgangssignalleitung 10 als digital eingestelltes Taktsignal vorhanden ist.
• Der Stufenfrequenz-Oszillator stellt einen Oszillator – eine Schwingkreisschaltung – dar, dessen Frequenzwerte in Stufen einstellbar ist und der jeweils einen möglichst geringen Unterschied der Frequenzwerte benachbarter Stufen ...f_u, f_u+1, ... der Frequenzeinstellung ausbildet, wodurch ein geringer Jitter erreichbar ist.
• Der eine Teil der Einstell-Signalleitungen 8, 9 stellt vorzugsweise zwei Signalleitungen für die Übermittlung von je einem Frequenzstufenwert f_u und f_o und der andere Teil der Einstell-Signalleitungen 6, 7 stellt vorzugsweise zwei Signalleitungen für die Übermittlung von Steuersignalen zur Bestimmung der vorgegebenen Schaltrate der Abstimmgröße dar.
• Damit ist das Abstimmgrößensignal durch vier Teilwerte: Die beiden Frequenzstufenwerte f_u, f_o, zwischen denen der Stufenfrequez-Oszillator 2 umgeschaltet wird, und die beiden Schaltrate-Werte, die den Schaltrhythmus der Umschaltung zwischen den beiden Frequenzstufenwerten f_u, f_o vorgeben, bestimmt.
• Das Abstimmgrößensignal zur Einstellung des Frequenzwertes f_soll auf der Steuersignalleitung 5 enthält ein als digitales Signal ausgebildetes Steuerwort mit einem oder mehreren Bits.
• Das erzeugte, digital eingestellte Taktsignal besteht aus einer Folge von Perioden unterschiedlicher Dauer. Eine Perio dendauer stellt den Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden signifikanten Taktflanken dar, der sich von den Dauern anderer Perioden des Taktsignals unterscheiden kann. Dem Taktsignal wird außerdem eine mittlere Frequenz f_soll zugeordnet, die sich aus der Anzahl der Perioden während einer längeren Zeit geteilt durch die Dauer dieser Zeit ergibt.
• Das Oszillatorsystem 1 ist mit einer hohen Auflösung der Frequenzeinstellung und geringem Jitter versehen. Der Stufenfrequenz-Oszillator 2, dessen Frequenz durch die Abstimmgröße in Stufen einstellbar ist, und die Abstimm-Einrichtung 3, welche die Abstimmgröße periodisch zwischen den beiden Frequenstufenwerten f_u und f_o schaltet, sind derart miteinander verbunden, dass der Mittelwert der Ausgangsfrequenz des Stufenfrequenz-Oszillators 2 eine vorgegebene Frequenz f_soll erreicht. Die erforderliche Schaltrate der Abstimmgröße wird durch die Steuersignale bestimmt. Der Stufenfrequenz-Oszillator 2 sowie die Abstimm-Einrichtung 3 sind durch Struktur- und Verhaltensvorgaben so beschrieben, dass sie vollständig aus Standardzellen aufgebaut werden können.
• Die Steuer-/Regel-Einrichtung 4 enthält in 2 einen Frequenzteiler 12, einen dem Frequenzteiler 12 über eine erste Signalleitung 18 nachgeschalteten Phasendetektor 13, einen dem Phasendetektor 13 über eine zweite Signalleitung 19 Signale übermittelnden Referenzoszillator 14 sowie ein dem Phasendetektor 13 mit zwei Modifizierungs-Signalleitungen 16, 17 verbundenes, nachgeschaltetes Schleifenfilter 15, wobei das Schleifenfilter 15 Modifizierungen bezüglich der Schaltrate und der beiden Frequenzstufenwerte f_u und f_o vornimmt und über die Einstell-Signalleitungen 6, 7 für die Übermittlung von zwei Steuersignalen zur Bestimmung der vorgegebenen Schaltra te der Abstimmgröße und über die Einstell-Signalleitungen 8, 9 für die Übermittlung von Steuersignalen zur Bestimmung der zwei Frequenzstufenwerten f_u und f_o mit der Abstimm-Einrichtung 3 in Verbindung steht.
• Das Schleifenfilter 15 erzeugt somit alle vier Einstellgrößen-Anteile des Abstimmgrößensignals zur Einstellung einer Frequenz f_soll des Stufenfrequenz-Oszillators 2 im Vergleich zu einer einzelnen Einstell-Steuergröße des beschriebenen Standes der Technik, die nur die einzustellende Frequenz eines dort beschriebenen digitalen Oszillators vorgibt.
• Der Phasendetektor 13 vergleicht die Phasenlage des Frequenzteilerausgangssignals auf der ersten Signalleitung 18 mit der Phasenlage der vorgegebenen Frequenz f_ref des Referenzsignals des Referenzoszillators 14 auf der zweiten Signalleitung 19 und gibt mittels der Modifizierungssignale auf den Modifizierungs-Signalleitungen 16, 17 dem Schleifenfilter 15 Informationen über den Phasenfehler. Das Schleifenfilter 15 modifiziert entsprechend den Modifizierungs-Signalen über den Phasenfehler die Einstellgrößen auf den Einstell-Signalleitungen 6 bis 9.
• Die Steuer-/Regel-Einrichtung 4 steht vorzugsweise über eine Taktsignalabzweigleitung 11 mit der Ausgangssignalleitung 10 des Stufenfrequenz-Oszillators 2 in Verbindung.
• Der Frequenzteiler 12 der Steuer-/Regel-Einrichtung 4 steht über die Taktsignalabzweigleitung 11 mit der Ausgangssignalleitung 10 des Stufenfrequenz-Oszillators 2 in Verbindung. Der Frequenzteiler 12 legt das Verhältnis zwischen der Sollfrequenz f_soll und der Referenzfrequenz f_ref fest.
• Die Abstimm-Einrichtung 3 in 3 enthält einen Akkumulator 23 mit einem Überlaufausgang. Dabei ist die Abstimm-Einrichtung 3 als Frequenzeinsteller und zur Übermittlung des digitalen Steuersignals in Form der Abstimmgröße – des Abstimmgrößensignals – ausgebildet und weist einen ersten Multiplexer 20 und einen zweiten Multiplexer 21 mit zugeführten Einstell-Signalleitungen 6, 7 und 8, 9 für jeweils mindestens zwei Einstellgrößen zur Ausbildung des Abstimmgrößensignals für den Stufenfrequenz-Oszillator 2 sowie einen Akkumulator 23 auf, der dem ersten Multiplexer 20 nachgeschaltet ist und dessen Ausgangssignalleitung – eine vierte Signalleitung 24 – zur Übermittlung des Bits mit dem höchsten Stellenwert mit dem zweiten Multiplexer 21 zur Weiterleitung der Abstimmgröße in Verbindung steht und an den zweiten Multiplexer 21 geführt ist, wobei dem zweiten Multiplexer 21 die Einstell-Signalleitungen 8, 9 für die Übermittlung von zwei Frequenzstufenwerten f_u und f_o zugeführt sind und wobei der zweite Multiplexer 21 üben die Abstimm-Signalleitung 5 zur Weiterleitung der Abstimmgröße mit dem Stufenfrequnz-Oszillator 2 verbunden ist, und die Abstimmgröße die bestimmten Frequenzstufenwerte f_u und f_o des Stufenfrequenz-Oszillators 2 derart periodisch schaltet, dass der Stufenfrequenz-Oszillator 2 ausgangsseitig den Mittelwert der zwei unterschiedlichen Frequenzstufenwerte f_u und f_o als digital eingestelltes Taktsignal mit der vorgegebenen Frequenz f_soll auf der Ausgangssignalleitung 10 bereitstellt.
• Der Akkumulator 23 besteht im Wesentlichen aus einem ersten Addierer 25 und einem dem ersten Addierer 25 nachgeschalteten ersten Registers 26, wobei den erste Addierer 25 über eine fünfte Signalleitung 27 das Signal des ersten Multiplexers 20 übernimmt und wobei das erste Register 26, das das Signal mit dem Bit des höchsten Stellenwertes weiterleitet, mit dem ersten Addierer 25 über eine sechste Signalleitung 28 und mit dem ersten Multiplexer 20 über eine dritte Signalleitung 22 jeweils rückverbunden ist.
• An einen Eingang des ersten Registers 26 innerhalb des Akkumulators 23 ist die Ausgangssignalabzweigleitung 30 geführt, die von der Ausgangssignalleitung 10 ausgeht. Der zweite Rückgriff des Taktsignals ist durch den Akkumulator 23 bedingt, in dem in Abhängigkeit des Akkumulatorinhaltes zwischen den beiden Einstellgrößen 8, 9 umgeschaltet wird. Immer wenn eine Periode abgelaufen ist, wird der Akkumulator 23 um "Eins" erhöht und damit entschieden, ob die nächste Periode mit der unteren oder oberen Frequenz stattfinden soll. Der Akkumulator wird mit jeder Periode des Ausgangssignals erhöht und kann mit einer Häufigkeit überlaufen, die die Häufigkeit bestimmt, mit der umgeschaltet wird. Denn jedesmal, wenn der Akkumulator 23 überläuft, entscheidet sich der Multiplexer 21 für das eine Einstell-Steuersignal, läuft er nicht über, entscheidet er sich für das andere Einstell-Steuersignal. Auf diese Weise wird die Schaltrate zwischen den beiden Frequenzstufenwerten f_u und f_o festgelegt.
• In 4 ist schematisch das erfindungsgemäße Schleifenfilter 15 mit der nachgeschalteten Abstimm-Einrichtung 3 gemäß 3 dargestellt, wobei das Schleifenfilter 15 ein zweites Register 31 mit den vom Anwender vorgegebenen Parametern bezüglich der vier Einstellgrößen [L₁(f_o), L₂(f_u), N, M] für das Abstimmgrößensignal, eine Arithmetik-Logik-Einheit (ALU) 32, ein der Arithmetik-Logik-Einheit 32 nachgeschaltetes drittes Register 33 sowie eine dem dritten Register 33 nachgeschalte te Registerebene 34 aus mehreren Einzelregistern 45, 46, 47, 48 enthält.
• In dem zweiten Register 31 sind im wesentlichen die vier Parameter L_2-p, L_1-p, N_-p, M_-p als Startwerte enthalten, die nach Vorgabe des Anwenders eingebracht sind und die weitgehend von der Anwendung bestimmt werden. Anwendungsabhängig ist dabei das Verhältnis zwischen der Sollfrequenz f_soll und der Referenzfrequenz f_ref, sowie die Tatsache, wie hoch die Schaltrate aus N und M mit sein soll, mit der gewechselt wird, um die mittlere Frequenz f_soll zu erzeugen. Von der Wahl der Parameter N und M hängt es ab, in welchen Zeiträumen gemittelt werden soll.
• Zwischen dem zweiten Register 31 und dem dritten Register 33 ist die Arithmetik-Logik-Einheit 32 zur Schaltraten-Einstellung geschaltet, an die im Wesentlichen sowohl ein vom Anwender vorgegebener Korrekturwert e aus dem zweiten Register 31 als auch die Modifizierungs-Signalleitungen 16, 17 vom Phasendetektor 13 aus gerichtet geführt sind. Durch die Arithmetik-Logik-Einheit 32 wird der Korrekturwert e aufakkumuliert, je nachdem, welches Signal – down oder up – seitens der Modifizierungs-Signalleitungen 16, 17 anliegt. Die Arithmetik-Logik-Einheit 32 reicht den Registerwert N unverändert weiter, wenn keines der beiden Signale an ihr anliegt. Liegt das Signal up an, dann ist das Ergebnis der Arithmetik-Logik-Einheit 32 der Registerwert N – e; liegt das Signal down an, dann ist das Ergebnis der Arithmetik-Logik-Einheit 32 der Registerwert N + e.
• Zwischen dem dritten Register 33, ein für die Frequenzwerte und die Schaltratewerte vorzugsweise geteiltes Register, und der Registerebene 34, vorzugsweise aus den Einzelregistern 45, 46, 47, 48 bestehend, sind jeweils ein zweiter Addierer 49 und ein dritter Addierer 50 vorhanden, mit denen jeweils die Frequenzwertabstände L₂/L₁ mit L₂ = L₁ + 1 bzw. das Schaltverhältnis N/N – M mit M ≥ N festgelegt werden. Aus den jeweiligen Einzelregistern 45, 46, 47, 48 der Registerebene 34 werden die Werte L₂(f_u), L₁(f_o) sowie die Werte N, N – M über die Einstell-Signalleitungen 8, 9 bzw. 6, 7, wie in 3 auch gezeigt ist, in die zugehörigen Multiplexer 21,20 der Abstimm-Einrichtung 3 übermittelt.
• Innerhalb des Schleifenfilters 15 werden aus der Referenzfrequenz f_ref des Referenzoszillators 14, die angelegt wird, und den Vorgabeparametern L, e, N, M des Anwenders im zugehörigen Register 31, das in die Konstruktion des Schleifenfilters 15 eingebaut ist, die vier Einstell-Steuergrößen derart berechnet, dass sich die Frequenz f_soll ergibt.
• Der Stufenfrequenz-Oszillator 2 in 5 kann ein Ringoszillator mit digitalen Schaltgliedern sein, der eine einstellbare Kettenlänge aufweist, mit der seine Frequenz durch das digitale Abstimmgrößensignal einstellbar ist. Der Ringoszillator 2 enthält eine Kette von mehreren logischen Gattern, insbesondere von AND-OR-Gattern 38, 39, 40, sowie ein NAND-Gatter 36 als Start-Eingangsschaltglied für die Kettenleitung 35 sowie einen die Kettenleitung 35 abschließenden Inverter 37 als Ausgangsschaltglied, von dem aus das digital eingestellte Taktsignal auf der Ausgangssignalleitung 10 abgreifbar ist, wobei an die freien Eingänge 41, 42, 43 der AND-Glieder innerhalb der AND-OR-Gattern 38, 39, 40 die Abstimmgrößen-Signalleitung 5 zur Übermittlung der Einstellgrößen geführt ist.
• Die Kettenlänge des Ringoszillators 2, der aus den digitalen Schaltgliedern besteht, ist durch ein Steuerwort-Signal einstellbar, das durch das Abstimmgrößensignal realisiert ist.
• Die dem Stufenfrequenz-Oszillator 2 vorgeschaltete Abstimm-Einrichtung 3 liefert das digitale Abstimmgrößensignal, das im Wechsel zwischen den zwei bestimmten Frequenzwerten f_u und f_o aus den Stufenfrequenzen ...f_u-1, f_u, f_u+1, ..., f_o-1, f_o, fo+1, ... geschaltet wird, das die Taktsignalfrequenz f_soll mit hoher Auflösung einstellt sowie einen geringen Versatz der Taktzeitpunkte herbeiführt. Der Wechsel der Periodendauer ist nicht nur auf benachbarte Frequenzwerte, z.B. ...f_u, f_u+1, ... aus dem Bereich der möglichen Stufenfrequenzwerte ...f_u-1, f_u, f_u+1, ..., f_o-1, f_o, f_o+1, ... beschränkt, sondern auch zwischen zwei beliebig entfernten, einstellbar ausgewiesenen Frequenzstufenwerten, z.B. f_u-1 und f_o+1 möglich.
• Der Stufenfrequenz-Oszillator 2 und die vorgeschaltete Abstimm-Einrichtung 3 können in einer Einheit 2–3 einen digital einstellbaren Oszillator 29 zur Erzeugung eines digital eingestellten Taktsignals darstellen, wobei der digital einstellbare Oszillator 29 aus digitalen Standardzellen besteht und auf unterschiedliche Standardzellenbibliotheken portierbar ist.
• Das Oszillatorsystem 1 einschließlich der Steuer-/Regel-Einrichtung 4 kann als ein vollständig digitaler Phasenregelkreis ausgebildet sein, wobei die Steuer-/Regel-Einrichtung 4 die Steuergrößen, insbesondere die beiden Frequenzwert-Einstellsignale und die beiden Schaltrate-Einstellsignale in Abhängigkeit von der Ausgangsfrequenz f_soll des Taktsignals auf der Ausgangssignalleitung 10 zur Verfügung stellt.
• Als Stufenfrequenz-Oszillatoren 2 können bekannte Ringoszillatoren, insbesondere ohne eine Laufzeitmatrix eingesetzt sein, in denen in Reihe – in Kettenschaltung – geschaltete Verzögerungsglieder abgreifbar sind und die Abgriffsleitungen mindestens einem Wähler/Selektor zugeführt sind, wobei der Wähler/Selektor mit einem Startglied, das das Abstimmgrößensignal erhält und an die Verzögerungsglieder-Kettenschaltung weiterleitet, in Verbindung steht und auf seiner Ausgangssignalleitung 10 die vorgegebene Ausgangsfrequenz f_soll für das Taktsignal aufweist. An die digitalen Verzögerungsglieder ist jeweils die Abstimmgrößensignalleitung 5 geführt, auf der das Abstimmgrößensignal übermittelt wird.
• Die Struktur des Ringoszillators 2 und das Verhalten der Abstimm-Einrichtung 3 sind unabhängig von dem zur Realisierung verwendeten Satz von digitalen Baublöcken – einer Standardzellenbibliothek – vorgegeben. Dabei kann das Oszillatorsystem 1 auch in seiner Gesamtheit aus digitalen Standardzellen aufgebaut und auf unterschiedlichen Standardzellenbibliotheken portierbar sein.
• Das Verfahren zur Erzeugung eines digital eingestellten Taktsignals mittels des Oszillatorsystems 1 ist nach einer Einstellung von Frequenzen in Stufen ...f_u-1, f_u, f_u+1, ..., f_o-1, f_o, f_o+1, ... in einem Stufenfrequenz-Oszillator 2 durch eine zugeführte Abstimmgröße im Wesentlichen durch folgende Schritte gekennzeichnet:
• a) Schaltung der Abstimmgröße periodisch zwischen zwei Frequenzstufenwert-Einstellgrößen 8, 9,
• b) Erzeugung eines Mittelwertes f_soll der Ausgangsfrequenz des Stufenfrequenz-Oszillators 2 aus zwei eingestellten Fre qenzwerten f_u, f_o der Stufenfrequenzen ... f_u-1, f_u, f_u+1, ... f_o-1, f_o, f_o+1, ..., indem ein digitales Abstimmgrößensignal für den Stufenfrequenz-Oszillator 2 mit in Stufen einstellbaren Frequenzwerten ... f_u-1, f_u, f_u+1, ... f_o-1, f_o, f_o+1, ... mittels einer Abstimm-Einrichtung 3 im Wechsel zwischen zwei der bestimmten Frequenzstufenwerten f_u, f_o durch zwei Schaltrate-Einstellgrößen 6, 7 geschaltet wird, wobei das digital eingestellte Taktsignal mit einer hohen Auflösung und einem geringen Versatz der Taktzeitpunkte (Jitter) versehen wird.
• Dabei kann die ausschließliche digitale Standardzellenausbildung des Oszillatorsystems 1 mit Hilfe von programmtechnischen Mitteln zur Erzeugung eines digital eingestellten Taktsignals unterstützt werden.
• Nach der Eingabe der Referenzfrequenz f_ref und einer Vorgabe der vorgegebenen Frequenz f_soll werden der untere und der obere Wert der Abstimmgröße für die Frequenzstufenwerte f_u, f_o sowie die beiden Einstellgrößen, die die Schaltrate bestimmen, hardwaremäßig ermittelt und/oder mit programmtechnischen Mitteln in einem nachfolgenden Schritt c) berechnet.
• Im Stufenfrequenz-Oszillator 2 kann die Schrittweite der Stufenfrequenzwerte ...f_u, ..., f_o, ... mit programmtechnischen Mitteln eingestellt werden.
• Die Einstellgrößen werden in einem weiteren Schritt d) für die Ausbildung des Abstimmgrößensignals im Schleifenfilter 15 modifiziert, wobei im Phasendetektor 13 die Phasenlage des Frequenzausgangssignals auf der Signalleitung 18 und die Phasenlage der vorgegebenen Frequenz f_ref des Referenzsignals auf der Signalleitung 19 aus dem Referenzoszillator 14 verglichen werden und die Informationen über den Phasenfehler zur Modifizierung der Einstellgrößen übermittelt werden.
• In dem Oszillatorsystem 1 ist das Abstimmgrößensignal nicht ein einziges Signal wie in einer herkömmlichen PLL-Ausbildung, sondern es wird in vier Teilsignale aufgesplittet, was zwar etwas komplizierter ist, aber mit dem Stufenfrequenz-Oszillator 2 wird eine verbesserte Frequenzauflösung und ein geringerer Jitter erreicht und der Stufenfrequenz-Oszillator 2 kann dadurch ausschließlich aus Standardzellen jeglicher Bibliothek aufgebaut werden.
• Der Aufbau des Oszillatorsystems 1 ist derart mit einem Stufenfrequenz-Oszillator 2 und einer Abstimm-Einrichtung 3 vorgesehen, dass eine Frequenz mit hoher Auflösung in Stufen einstellbar ist und das Ausgangssignal einen geringen Jitter aufweist und unter ausschließlicher Verwendung von digitalen Standardzellen portierbar entworfen werden kann, so dass bei einem Wechsel der verwendeten Standardzellenbibliothek kein neuer Entwurf erforderlich wird.

1

Oszillatorsystem

2

Stufenfrequenz-Oszillator

3

Abstimm-Einrichtung

4

Steuer-/Regel-Einrichtung

5

Steuersignalleitung für das Abstimmgrößensignal

6

Erste Einstell-Signalleitung für die Schaltrate

7

Zweite Einstell-Signalleitung für die Schaltrate

8

Dritte Einstell-Signalleitung für den ersten Frequenzstu

fenwert

9

Vierte Einstell-Signalleitung für den zweiten Frequenz

stufenwert

10

Ausgangssignalleitung des Stufenfrequenz-Oszillators

11

Taktsignalabzweigleitung

12

Frequenzteiler

13

Phasendetektor

14

Referenzoszillator

15

Schleifenfilter

16

Erste Modifizierungs-Signalleitung

17

Zweite Modifizierungs-Signalleitung

18

Erste Signalleitung

19

Zweite Signalleitung

20

Erster Multiplexer

21

Zweiter Multiplexer

22

Dritte Signalleitung

23

Akkumulator

24

Vierte Signalleitung

25

Erster Addierer

26

Erstes Register

27

Fünfte Signalleitung

28

Sechste Signalleitung

29

Digital einstellbarer Oszillator

30

Ausgangssignalabzweigleitung

31

Zweites Register

32

Drittes Register

33

Viertes Register

34

Registerebene

35

Kettenleitung

36

NAND-Gatter

37

Inverter

38

Erstes AND-OR-Gatter

39

Zweites AND-OR-Gatter

40

letztes AND-OR-Gatter

41

erster freier Eingang

42

zweiter freier Eingang

43

letzter freier Eingang

44

Start-Eingangsleitung

45

Erstes Einzelregister

46

Zweites Einzelregister

47

Drittes Einzelregister

48

Viertes Einzelregister

49

Zweiter Addierer

50

Dritter Addierer

f_u

niedriger Frequenzstufenwert

f_o

höherer Frequenzstufenwert

f_soll

vorgegebener Frequenzwert

L

Wert für Frequenzeinstellung

N, M

Schaltratenwerte

e

Korrekturwert

Claims (16)

1. Oszillatorsystem zur Erzeugung eines Taktsignals auf einer zugehörigen Ausgangssignalleitung mit einem Stufenfrequenz-Oszillator, in dem durch eine übermittelte Abstimmgröße eine Frequenzeinstellung vorgenommen wird und dem eine Abstimm-Einrichtung vorgeordnet ist, die über eine beide verbindende Steuersignalleitung eine Abstimmgröße als Signal zur Einstellung der Frequenz des Stufenfrequenz-Oszillators bereitstellt und das Abstimmgrößensignal zwischen verschiedenen Werten umschaltet, so dass die Frequenz des Stufenfrequenz-Oszillators auch umschaltet, – wobei ein Signal mit einem derart eingestellten Mittelwert f_soll in Form einer Ausgangsfrequenz des Stufenfrequenz-Oszillators auf der Ausgangssignalleitung als digital eingestelltes Taktsignal vorhanden ist sowie eine der Abstimm-Einrichtung vorgeschaltete Steuer-/Regel-Einrichtung zur Einstellung der veränderten Abstimmgröße vorgesehen ist, – wobei die Steuer-/Regel-Einrichtung einen Frequenzteiler, einen dem Frequenzteiler nachgeschalteten Phasendetektor, einen dem Phasendetektor Signale übermittelnden Referenzoszillator sowie ein dem Phasendetektor nachgeschaltetes Schleifenfilter enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das Schleifenfilter (15) ein zweites Register (31) mit anwenderseitig vorgegebenen Parametern bezüglich von vier Einstellgrößen für das Abstimmgrößensignal, eine Arithmetik-Logik-Einheit (32), ein der Arithmetik-Logik-Einheit (32) nachgeschaltetes drittes Register (33) sowie eine dem dritten Register (33) nachgeschaltete Registerebene (34) aus mehreren Einzelregistern (45, 46, 47, 48) für die Einstellgrößen enthält, – wobei die Einzelregister (47, 48) über Einstell-Signalleitungen (6, 7) mit einem ersten Multiplexer (21) der Abstimm-Einrichtung (3) und die Einzelregister (45, 46) über Einstell-Signalleitungen (8, 9) mit einem zweiten Multiplexer (20) der Abstimm-Einrichtung (3) verbunden sind, – wobei dem ersten Multiplexer (20) ein Akkumulator (23) mit Überlaufausgang nachgeschaltet ist, enthaltend einen Addierer (25) und ein erstes Register (26), an dessen Eingang eine das Taktsignal rückführende Ausgangssignalabzweigsleitung (30) angeschlossen ist und dessen Ausgangssignalleitung (24) zur Übermittlung des Bits mit dem höchsten Stellenwert mit dem zweiten Multiplexer (21) zur Weiterleitung der Abstimmgröße verbunden und an den ersten Multiplexer (20) abgezweigt geführt ist, – wobei dem zweiten Multiplexer (21) die Einstell-Signalleitungen (8, 9) für die Übermittlung von zwei Frequenzstufenwerten f_u, f_o zugeführt sind und – wobei der zweite Multiplexer (21) über die Abstimm-Signalleitung (5) zur Weiterleitung der Abstimmgröße mit dem Stufenfrequenz-Oszillator (2) verbunden ist.
2. Oszillatorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstimm-Einrichtung (3) über die Steuersignalleitung (5) zur Übermittlung eines Steuersignals in Form eines Abstimmgrößensignals sowie über die an den Akkumulator (23) rückverbundene Ausgangssignalabzweigleitung (30) mit dem Stufenfrequenz-Oszillator (2) in Verbindung steht.
3. Oszillatorsystem nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstell-Signalleitungen (8, 9) für eine Übermittlung von Steuersignalen zur Bestimmung von zwei Frequenzstufenwerten f_u, f_o und die Einstell-Signalleitungen (6, 7) für eine Übermittlung von Steuersignalen zur Bestimmung einer vorgegebenen Schaltrate der Abstimmgröße vorgesehen sind, wobei die Abstimm-Einrichtung (3) das von ihr ausgehende Abstimmgrößensignal periodisch zwischen den bestimmten Frequenzstufenwerten f_u, f_o der Einstell-Signalleitungen (8, 9) derart schaltet, dass das Signal mit dem eingestellten Mittelwert f_soll mit f_u ≤ f_soll ≤ f_o zwischen den bestimmten Frequenzstufenwerten f_u, f_o in Form einer Ausgangsfrequenz des Stufenfrequenz-Oszillators (2) auf der Ausgangssignalleitung (10) als eingestelltes Taktsignal vorhanden ist.
4. Oszillatorsystem nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stufenfrequenz-Oszillator (2) eine Schwingkreisschaltung darstellt, deren Frequenzwerte in Stufen ... f_u-1, f_u, f_u+1, ..., f_o-1, f_o, f_o+1, ... einstellbar sind und die jeweils einen geringen Unterschied der Frequenzwerte benachbarter Stufen ...f_u, f_u+1, ... der Frequenzeinstellung ausbildet.
5. Oszillatorsystem nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das digitale Abstimmgrößensignal zur Einstellung des vorgegebenen Frequenzstufenwertes f_soll als ein digitales Signal ausgebildetes Steuerwort mit einem oder mehreren Bits ist.
6. Oszillatorsystem nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Schleifenfilter (15) Modifizierungen bezüglich einer vorgegebenen Schaltrate und der beiden Frequenzstufenwerte f_u, f_o vornimmt und über die Einstell-Signalleitungen (6, 7) für die Übermittlung von Steuersignalen zur Bestimmung der vorgegebenen Schaltrate der Abstimmgröße und über die Einstell-Signalleitungen (8, 9) für die Übermittlung von Steuersignalen zur Bestimmung der beiden Frequenzstufenwerte f_u, f_o mit der Abstimm-Einrichtung (3) in Verbindung steht.
7. Oszillatorsystem nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein der Steuer-/Regel-Einrichtung (4) zugeordneter Frequenzteiler (12) über eine Taktsignalabzweigleitung (11) mit der Ausgangssignalleitung (10) des Stufenfrequenz-Oszillators (2) in Verbindung steht.
8. Oszillatorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Addierer (25) des Akkumulators (23) über eine Signalleitung (27) das Signal des ersten Multiplexers (20) übernimmt und wobei das erste Register (26) mit dem Addierer (25) über eine Signalleitung (28) rückverbunden ist.
9. Oszillatorsystem nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stufenfrequenz-Oszillator (2) ein Ringoszillator mit digitalen Schaltgliedern ist, der eine einstellbare Kettenlänge aufweist, mit der die Frequenz des Taktsignals durch das digitale Abstimmgrößensignal einstellbar ist.
10. Oszillatorsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringoszillator (2) und die vorgeschaltete Abstimm-Einrichtung (3) in einer Einheit einen digital einstellbaren Oszillator (29) zur Erzeugung des digital eingestellten Taktsignals darstellen, wobei der digital einstellbare Oszillator (29) aus digitalen Standardzellen besteht und auf unterschiedliche Standardzellenbibliotheken portierbar ist.
11. Oszillatorsystem nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Stufenfrequenz-Oszillatoren (2) Ringoszillatoren ohne eine Laufzeitmatrix eingesetzt sind, in denen in Reihe – in Kettenschaltung – geschaltete Verzöge rungsglieder abgreifbar und die Abgriffsleitungen mindestens einem Wähler zugeführt sind, wobei der Wähler mit einem Schaltglied, das das Startsignal erhält und die Verzögerungsglieder-Kettenschaltung schaltet, in Verbindung steht und auf seiner Ausgangssignalleitung (10) die vorgegebene Ausgangsfrequenz f_soll für das Taktsignal aufweist, wobei an die digitalen Verzögerungsglieder die Abstimmgrößensignalleitung (5) geführt ist, auf der das Abstimmgrößensignal übermittelt wird.
12. Oszillatorsystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringoszillator (2) eine Kette von mehreren logischen Gattern, insbesondere von AND-OR-Gattern (38, 39, 40), sowie ein NAND-Gatter (36) als Start-Eingangsschaltglied sowie einen Inverter (37) als Ausgangsschaltglied, von dem aus das digital eingestellte Taktsignal abgreifbar ist, enthält, wobei an die freien Eingänge (41, 42, 43) der AND-Glieder die Abstimmgrößen-Signalleitung (5) geführt ist.
13. Oszillatorsystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kettenlänge des Ringoszillators (2), der aus den digitalen Schaltgliedern (36, 41, 42, 43, 37) besteht, durch ein digitales Steuerwort-Signal in Form des Abstimmgrößensignals einstellbar ist.
14. Oszillatorsystem nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass es einschließlich der Steuer-/Regel-Einrichtung (4) als ein vollständig digitaler Phasenregelkreis ausgebildet ist, wobei die Steuer-/Regel-Einrichtung (4) die beiden Frequenzwert-Einstellsignale und die beiden Schaltrate-Einstellsignale in Abhängigkeit von der Ausgangsfrequenz f_soll des Taktsignals auf der Ausgangssignalleitung (10) zur Verfügung stellt.
15. Oszillatorsystem nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass es ausschließlich aus digitalen Standardzellen besteht und auf unterschiedliche Standardzellenbibliotheken portierbar ist.
16. Verfahren zur Erzeugung eines digital eingestellten Taktsignals, wobei eine Einstellung von Frequenzen in Stufen ...f_u-1, f_u, f_u+1, ..., f_o-1, f_o, f_o+1, ... in einem digitalen Stufenfrequenz-Oszillator (2) durch eine zugeführte Abstimmgröße durchgeführt wird mittels eines Oszillatorsystems nach den Ansprüchen 1 bis 15, durch folgende Schritte gekennzeichnet, a) Schaltung der Abstimmgröße periodisch zwischen zwei Frequenzstufenwert-Einstellgrößen (8, 9), b) Erzeugung eines Mittelwertes f_soll der Ausgangsfrequenz des Stufenfrequenz-Oszillators (2) aus zwei eingestellten Frequenzwerten f_u, f_o der Stufenfrequenzen ... f_u-1, f_u, f_u+1, ..., f_o-1, f_o, f_o+1, ..., indem ein digitales Abstimmgrößensignal für den Stufenfrequenz-Oszillator (2) mit den in Stufen einstellbaren Frequenzwerten ...f_u-1, f_u, f_u+1, ..., f_o-1, f_o, f_o+1, ... mittels einer Abstimm-Einrichtung (3) im Wechsel zwischen den beiden bestimmten Frequenzstufenwerten f_u, f_o durch zwei Schaltrate-Einstellgrößen (6, 7) geschaltet wird, c) Berechnung des unteren und des oberen Wertes der Abstimmgröße für die Frequenzstufenwerte f_u, f_o auf den Einstell-Signalleitungen (8, 9) sowie der beiden Einstellgrößen auf den Einstell-Signalleitungen (6, 7), die die Schaltrate bestimmen, nach einer Eingabe der Referenzfrequenz f_ref und einer Vorgabe der vorgegebenen Frequenz f_soll und d) Modifizierung der Einstellgrößen für die Ausbildung des Abstimmgrößensignals im Schleifenfilter (15), wobei im Phasendetektor (13) die Phasenlage des Frequenzausgangssignals auf einer Signalleitung (18) und die Phasenlage der vorgegebenen Frequenz f_ref des Referenzsignals auf einer Signalleitung (19) aus dem Referenzoszillator (14) verglichen werden und die Informationen über den Phasenfehler zur Modifizierung der Einstellgrößen übermittelt werden.