DE102004045288A1

DE102004045288A1 - Schaltungsanordnung zur variablen Signalverzögerung und Schaltungsanordnung zur automatischen Kalibrierung von Phasenmessgliedern

Info

Publication number: DE102004045288A1
Application number: DE200410045288
Authority: DE
Inventors: Johann Christoph Scheytt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-09-16
Filing date: 2004-09-16
Publication date: 2006-04-06

Abstract

Die Erfindung betrifft zum einen eine Schaltung zur genauen Signalverzögerung. Hierzu bilden ein einstellbares Verzögerungsglied 1 mit Eingangssignal E, Ausgangssignal A und Steuersignal S', ein festes Verzögerungsglied 2, ein Verzögerungsmessglied 3, ein Subtrahierer 4 und ein Verstärker 5 eine Regelschleife, so dass die Verzögerungszeit zwischen den Signalen E und A über die Steuergröße S eingestellt werden kann. Die Genauigkeit der Verzögerung wird durch die Genauigkeit des Verzögerungsmessgliedes 3 bestimmt. DOLLAR A Zum anderen betrifft die Erfindung eine Schaltung zur Kalibrierung eines Phasenmessgliedes ohne genaue Referenzfrequenz. Hierzu erzeugt ein Signalgenerator 11 zwei Signale gleicher Frequenz und unterschiedlicher Phase, welche einem Phasenmessglied 12 zugeführt werden. Eine Vergleicherschaltung 13 vergleicht den Ausgangswert des Phasenmessgliedes 12 mit einem Referenzwert R und regelt den Kalibriereingang K des Phasenmessgliedes 12 so, dass sein Ausgangswert gleich dem Referenzwert R wird. Sind Phasenmessglied 12 und Verzögerungsmessglied 3 baugleich, so wird das Verzögerungsmessglied 3 kalibriert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Zeitverzögerung von Signalen, wobei die Zeitverzögerung durch einen Steuereingang einstellbar ist und die Steuerkennlinie variierbar ist. Je nach Ausführung können digitale oder analoge, periodische oder nichtperiodische Signale verzögert werden. Die Steuergröße zur Einstellung der Verzögerung des Signals kann analoger oder digitaler Natur sein. Daneben betrifft die Erfindung zudem eine Schaltung, die die automatische Kalibrierung eines Phasenmessgliedes ohne genaue Referenzfrequenz ermöglicht.
In vielen Bereichen der Technik werden Schaltungen zur genauen, variablen Verzögerung von Signalen bzw. zur Phasenverschiebung benötigt. Einsatzbereiche für Verzögerungsschaltungen mit einstellbarer Verzögerung bzw. Phasenschiebern mit einstellbarer Phase sind unter anderem die Synchronisation von Empfangssignalen in der Nachrichtentechnik, die Kompensation von unterschiedlichen Laufzeiten von Signalen, die Synchronisation von Takt- und Datensignalen in digitalen Systemen, die Erzeugung von Signalen mit exakter Laufzeit oder Phasendifferenz zueinander, wie z. B. von Quadratursignalen, und die Stabilisierung von Signalverzögerungen gegenüber Umwelt-Einflüssen wie der Temperatur oder Herstellungstoleranzen.
Die zeitliche Verzögerung eines periodischen Signals entspricht einer Phasenverschiebung. Dementsprechend spricht man bei Verzögerungsschaltungen für periodische Signale häufig von Phasenschiebern. Ebenso entspricht ein Verzögerungsmessglied für periodische Signale einem Phasenmessglied.
Im Folgenden werden daher Schaltungen, die grundsätzlich sowohl nichtperiodische als auch periodische Signale verzögern können, allgemein Verzögerungsglieder genannt, wobei Phasenschieber darin eingeschlossen sind. Desgleichen werden Schaltungen zur Verzögerungsmessung von periodischen als auch nichtperiodischen Signalen nur Verzögerungsmessgliedern genannt, wobei Phasenmessglieder darin eingeschlossen sind.
Wenn ein Schaltungsteil dagegen ausschließlich periodische Signale verzögern kann, wird dementsprechend von einem Phasenschieber gesprochen und wo die Verzögerungsmessung sich ausschließlich auf die Messung von periodischen Signalen bezieht, wird von Phasenmessgliedern gesprochen.
1 bis 3 zeigen einstellbare Verzögerungsglieder bzw. Phasenschieber nach dem Stand der Technik.
1 zeigt eine einfache, häufig verwendete Technik zur Verzögerung von Signalen in integrierten Schaltungen mittels Invertern mit einstellbarer Lastkapazität, die häufig für digitale Signale verwendet wird. Der linke Inverter in 1 treibt eine Lastkapazität, die durch eine Steuerspannung eingestellt werden kann. Je nach Größe der Lastkapazität wird die Flankensteilheit am Ausgang des linken Inverters größer oder kleiner. Dadurch wird die Umschaltschwelle des rechten Inverters mit einer kleineren oder größeren Verzögerung erreicht und der Ausgang des rechten Inverters entsprechend mit einer kleineren oder größeren Verzögerung umgeschaltet.
2 zeigt eine weitere bekannte Technik zur variablen Phasenverschiebung von sinusförmigen Signalen mittels gewichteter Addition. Hierbei wird ein Sinussignal mit Phase φ = 0 Grad um 90 Grad verzögert und beide Signale mit den Gewichtsfaktoren G1 und G2 multipliziert. Anschließend werden beide Signale aufaddiert. Die Phasenverschiebung φ_A des Ausgangssignals lässt sich auf diese Weise beliebig verstellen und es gilt φ_A = arctan(G1/G2). Damit die Amplitude A_A des Ausgangssignals konstant ist, muss gelten: A_A= (G1² + G2²)^½ = konstant.
3 zeigt eine bekannte Technik zur einstellbaren Verzögerung, die sich auch für nicht-sinusförmige Signale eignet und ebenfalls auf der gewichteten Addition basiert. Hierbei wird ein nicht-sinusförmiges Signal mit einem festen Verzögerungsglied um T_D verzögert und das unverzögerte Signal mit dem verzögerten Signal gewichtet aufaddiert. Durch die Variation der Gewichtsfaktoren kann die Verzögerung zwischen 0 und T_D eingestellt werden.
Je nach Anwendungsfall werden verschiedene Anforderungen an Verzögerungsschaltungen gestellt. Häufig wird eine lineare Kennlinie, d. h. ein linearer Zusammenhang zwischen Verzögerung und Steuergröße gefordert. Weitere Anforderungen sind ein möglichst großer Verstellbereich, sowie eine exakte Einstellung der Verzögerungszeit mit geringer Abhängigkeit von Herstellungstoleranzen und Temperaturgang.
Diese Forderungen sind unter anderem bei der Realisierung von Verzögerungsschaltungen und Phasenschiebern in monolithisch-integrierten mikroelektronischen Schaltungen nach dem Stand der Technik nicht zufriedenstellend erfüllbar.
Beispielsweise weist die Schaltung nach Zeichung 1 im allgemeinen keine lineare Steuerkennlinie auf, da die einstellbare Lastkapazität eine nichtlineare Steuerkennlinie aufweist. Zudem variieren die Verzögerungszeiten von Invertern in Silizium-CMOS-Technologien und integrierte Kapazitäten in der Größenordnung von +–25°% in Abhängigkeit von Herstellungstoleranzen und Bauelemente-Temperaturen. Ein Vorteil der Schaltung nach 1 ist jedoch, dass ein großer Verstellbereich realisierbar ist, wenn die steuerbare Kapazität einen entsprechend großen Verstellbereich aufweist, sowie, dass die Schaltung eine geringe Komplexität aufweist.
Für die Schaltung nach 2 gilt, wie oben erwähnt, dass der Phasenwinkel über die Formel φ_A = arctan(G1/G2) mit den Steuergrößen G1 und G2 verknüpft ist. Damit hat dieser Phasenschieber eine nichtlineare Kennlinie. Ein weiterer Nachteil der Schaltung nach 2 ist, dass die Amplitude A_A des Ausgangssignals über den Zusammenhang A_A = (G1² + G2²)^½ konstant gehalten werden muss, sowie, dass nur sinusförmige Signale verzögert werden können. Zudem hängt bei der Schaltung nach 2 die Genauigkeit der Verzögerung von einer Vielzahl von Signal- und Schaltungseigenschaften, insbesondere dem sinusförmigen Signalverlauf des Eingangssignals, der Genauigkeit der festen Phasenverschiebung von 90 Grad, sowie der Linearität der Multiplizierer und des Addierers ab.
Bei der Schaltung nach 3 muss die Verzögerungszeit T_D des festen Verzögerungselements kleiner als die Anstiegs- bzw. Abfallzeit des Eingangssignals und des Ausgangssignals des festen Verzögerungsgliedes sein. Dies ist ein Nachteil, da sich damit nur vergleichsweise kleine Verstellbereiche realisieren lassen. Ein weiterer Nachteil der Schaltung nach 3 ist, dass sich eine lineare Kennlinie nur realisieren lässt, wenn das Eingangssignal und das Ausgangssignal des festen Verzögerungsgliedes lineare Pulsflanken aufweisen. Die Genauigkeit der einstellbaren Verzögerung wird durch die Genauigkeit des festen Verzögerungselements und des Signalverlaufs bestimmt. Dies ist ebenfalls ein Nachteil, da in monolithisch-integrierten Schaltungen die feste Verzögerungszeit T_D, wie bereits erwähnt, nur sehr ungenau herstellbar und abhängig von der Bauelementetemperatur ist.
Das Problem der ungenauen festen Verzögerungszeit lässt sich für die Schaltung nach 1 und 3 durch Kalibrierung des festen Verzögerungsgliedes mittels eines Delay-Locked-Loop (DLL) und einer genauen Referenzfrequenz beheben. Die Verzögerungszeit des festen Verzögerungsgliedes ist dann durch das Referenzsignal, z. B. das Ausgangssignal eines Quarzoszillators genau festgelegt. Nachteilig an dieser Lösung ist jedoch, dass ein genaues Referenzsignal benötigt wird und dass die Schaltungskomplexität erhöht wird.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die Kennlinien von einstellbaren Verzögerungsgliedern bzw. Phasenschiebern nach dem Stand der Technik häufig nichtlinear und die Verzögerungszeiten bzw. Phasen stark abhängig von Herstellungstoleranzen sowie der Temperatur der elektronischen Bauelemente sind. Bestimmte Phasenschieber eignen sich nur für sinusförmige Signale. Wird ein DLL zur Kalibrierung der Phasendifferenz bzw. Verzögerungszeit verwendet, wird ein genaues Referenzsignal, z. B. ein Quarzoszillator, benötigt.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein einstellbares Verzögerungsglied mit genauer, z. B. linearer Kennlinie zur Verfügung zu stellen, wobei die Verzögerungszeit genau einstellbar und unempfindlich gegen Herstellungstoleranzen sowie Bauelementetemperaturen sein soll. Zudem sollen als Eingangssignale auch nicht-sinusförmige Signale zugelassen sein. Desweiteren soll keine genaue Referenzfrequenz, wie z.B. ein Quarzoszillator, zur Kalibrierung erforderlich sein.
Die Aufgabe wird durch die beiden erfindungsgemäßen Schaltungen, die in den 4 und 8 dargestellt werden, gelöst.
Zunächst wird die Schaltung zur variablen Signalverzögerung, die in 4 dargestellt ist, erläutert. Ein Eingangssignal E wird auf den Eingang eines einstellbaren Verzögerungsglieds 1 gegeben, das ein verzögertes Ausgangssignal A erzeugt. Das Eingangssignal E wird zudem auf ein festes Verzögerungsglied 2 gegeben, das ein Ausgangssignal E' erzeugt. Ausgangssignal E' des festen Verzögerungsgliedes 2 und Ausgangssignal A des steuerbaren Verzögerungsgliedes 1 gehen an die beiden Signaleingänge eines Verzögerungsmessgliedes 3, dessen Ausgang an den negativen Eingang eines Subtrahierers 4 angeschlossen ist. Am positiven Eingang des Subtrahierers 4 liegt das Steuersignal S an. Der Ausgang des Subtrahierers 4 ist mit dem Eingang eines Verstärkerelements 5 verbunden, dessen Ausgang wiederum mit dem Steuereingang S' des Verzögerungsgliedes 1 verbunden ist. Zu Kalibrierzwecken weist das Verzögerungsmessglied 3 einen optionalen Kalibriereingang K auf.
Damit die Regelschleife stabil arbeitet, muss mindestens eines der Elemente 3 bis 5 in 4 Tiefpass-Charakter haben oder die Reaktionszeit des Verzögerungsgliedes 1 auf Änderungen des Steuersignals ausreichend langsam sein. Ist dies nicht der Fall, muss in der Schaltung nach 4 ein Tiefpassfilter zwischen Element 3 und 4, zwischen Element 4 und 5, oder zwischen Element 5 und 1 geschaltet werden.
Zur Erläuterung der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Schaltung nach 4 wird nun das Verhalten der Schaltung anhand von Kennlinien der einzelnen Schaltungsteile erklärt. Die Verzögerungszeit TV bezeichne im Folgenden die Verzögerungszeit der Signale E' und A zueinander. Die beiden Verzögerungsglieder 1 bzw. 2 erzeugen die Signale E' bzw. A. Das einstellbare Verzögerungsglied 1 dient dabei der variablen Einstellung der Verzögerungszeit TV, wobei S' das Steuersignal ist. Das feste Verzögerungsglied 2 dient der Einstellung der mittleren Verzögerungszeit der Signale E' und A zueinander und ermöglicht u. a. negative Verzögerungszeiten, d. h. dass Signal A Signal E' vorauseilt.
5 zeigt eine beispielhafte Kennlinie von TV in Abhängigkeit von S', wenn das Verzögerungsglied 1 eine nichtlineare Steuerkennlinie aufweist und das feste Verzögerungsglied 2 so eingestellt ist, dass die minimale Verzögerungszeit TV,min negativ und die maximale Verzögerungszeit TV,max positiv ist. Eine beispielhafte Kennlinie des Verzögerungsmessgliedes 3 aus 4 ist in 6 gezeigt. Sie stellt den Zusammenhang zwischen der Verzögerungszeit TV zwischen Signal E' und Signal A und der Ausgangsgröße M des Verzögerungsmessgliedes dar.
Als Gesamtsteuerkennlinie TV(S) der erfindungsgemäßen Schaltung nach 4 wird der Zusammenhang zwischen der Steuergröße S und der Verzögerungszeit TV zwischen Signal A und Signal E' definiert. Weist nun das Verstärkerelement 5 eine ausreichend hohe Verstärkung auf, so wird der geschlossene Regelkreis aus den Elementen 1 bis 5 so geregelt, dass am Eingang des Subtrahierers 4 die Differenz zu Null wird, d. h. dass die Ausgangsgröße des Phasenmessgliedes 3 am negativen Subtrahierereingang gleich der Steuergröße S am positiven Subtrahierereingang wird. Auf diese Weise ergibt sich für die Steuerkennlinie TV(S) der erfindungsgemäßen Schaltung nach 4 ein Verlauf, der im Bereich TV,min < TV < TV,max identisch mit der Kennlinie des Verzögerungsmess gliedes 3 ist.
Legt man beispielsweise eine Kennlinie der beiden Verzögerungsglieder 1 und 2 entsprechend 5 und eine Kennlinie des Verzögerungsmessgliedes 3 entsprechend 6 zu Grunde, so ergibt sich für die erfindgungsgemäße Schaltung nach 4 eine Gesamtsteuerkennlinie TV(S) entsprechend 7.
Für viele Anwendungen ist es sinnvoll, wenn das Verzögerungsmessglied für Werte zwischen TV,min und TV,max eine lineare Kennlinie aufweist. In diesem Fall ist die Gesamtsteuerkennlinie TV(S) der Schaltung nach 4 im Bereich TV,min < TV < TV,max ebenfalls linear, auch wenn das Verzögerungselement 1 eine nichtlineare Kennlinie aufweist. Die erfindungsgemäße Schaltung eignet sich somit zur Linearisierung von Verzögerungsgliedern mit nichtlinearer Kennlinie mittels linearer Verzögerungsmessglieder.
Die Kennlinie des Verzögerungsmessgliedes muss aber nicht zwingend linear sein. Sie kann auch nichtlinear sein, muss aber, damit jedem Wert der Steuergröße S genau eine Verzögerungszeit von TV zugeordnet wird, für Werte zwischen TV,min und TV,max eine monoton steigende oder monoton fallende Kennlinie aufweisen.
Je nach Art des verwendeten Verzögerungsmessgliedes kann E ein periodisches oder nichtperiodisches, sowie ein digitales oder analoges Signal darstellen, d. h. die erfindungsgemäße Schaltung eignet sich für sowohl für periodische, nichtperiodische, digitale oder analoge Signale, wobei die Art des verwendeten Verzögerungsmessgliedes die Signalarten bestimmt, für die die Schaltung geeignet ist.
Eine weitere erfindungsgemäße Schaltung ist in 8 gezeigt. Sie enthält eine Kalibrierungsvorrichtung für Phasenmessglieder, bestehend aus einem Signalgenerator 11, einem Phasenmessglied 12 und einer Auswerteeinheit 13. Der Signalgenerator 11 erzeugt zwei Signale mit gleicher Frequenz aber unterschiedlicher Phase. Die Frequenz der Signale des Signalgenerators 11 muss dabei nicht genau festgelegt sein, die Phasendifferenz der Signale muss dagegen genau bekannt sein. Die beiden Ausgänge des Signalgenerators sind mit den beiden Signaleingängen des Phasenmessglieds 12 verbunden. Das Phasenmessglied ist an seinem Signalausgang mit einem Eingang der Auswerteeinheit 13 verbunden. Ein zweiter Eingang R der Auswerteeinheit 13 ist mit einem Referenzwert R beaufschlagt. Der Ausgang K der Auswerteeinheit 13 ist mit dem Kalibriereingang des Phasenmessgliedes 12 verbunden.
Im Folgenden wird die Kalibriervorrichtung von Phasenmessgliedern nach 8 erläutert. Der Signalgenerator 11 erzeugt zwei Signale mit gleicher Frequenz aber unterschiedlicher Phase. Die Phasendifferenz ist dabei genau festgelegt, die Frequenz dagegen nicht. Das Phasenmessglied 12 misst die Phasendifferenz und gibt den Wert an die Steuervorrichtung 13 aus. Die Steuervorrichtung 13 vergleicht das Ausgangssignal des Phasenmessgliedes 12 mit dem Referenzwert R und steuert den Kalibriereingang des Phasennessgliedes 12 so, dass der mittlere Ausgangswert des Phasenmessglieds 12 gleich dem Referenzwert R ist.
Wird nun ein zusätzliches Phasenmessglied verwendet, das einen identischen Aufbau wie das Phasenmessglied 12 hat, und an seinem Kalibriereingang ebenfalls mit dem Kalibriersignal K beaufschlagt wird, so wird dieses zusätzliche Phasenmessglied durch die Schaltung nach 8 kalibriert.
Der Signalgenerator 11 kommt ohne genaue Referenzfrequenz aus, daher kann z. B. ein freilaufender Oszillator mit ungenauer Frequenz verwendet werden. Die genaue Phasenbeziehung der beiden Ausgangssignale lässt sich nach dem Stand der Technik auf verschiedene Weise einfach herstellen. Z. B. kann bei differentiellen Signalen eine 180-Grad-Phasenbeziehung durch Verpolen der Ausgänge hergestellt werden. Alternativ kann z. B. eine 90-Grad-Phasenbeziehung durch Verwendung eines statischen Frequenzteilers mit Master-Slave-Flipflop erzeugt werden, wobei das 0-Grad-Signal und das 90-Grad-Signal jeweils hinter dem Master- und dem Slave-Flipflop abgegriffen werden. Eine weitere Möglichkeit besteht z. B. in der Verwendung eines mehrstufigen Ringoszillators mit Signalabgriffen hinter verschiedenen Stufen.
Die beiden erfindungsgemäßen Schaltungen nach 4 und 8 können so miteinander kombiniert werden, dass der Kalibriereingang K des Verzögerungsmessgliedes 3 in 4 mit dem Kalibriersignal K der Schaltung nach 8 verbunden wird.
Ist zusätzlich das Verzögerungsmessglied 3 in 4 identisch aufgebaut wie das Phasenmessglied 12 in 8, so arbeitet die erfindungsgemäße Schaltung nach 8 als Kalibriervorrichtung für das Verzögerungsmessglied 3 in 4. In diesem Fall ist die Schaltung für periodische Signale unterschiedlicher Frequenzen kalibriert, d. h. die Schaltung stellt einen steuerbaren Phasenschieber mit genauer Kennlinie dar.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltung nach 4 ist, dass sich jedes Verzögerungsglied mit nichtlinearer Kennlinie damit linearisieren lässt.
Ein weiterer Vorteil ist, dass der schaltungstechnische Aufwand im Vergleich zu anderen Linearisierungstechniken gering ist, weil sich ein lineares Verzögerungsmessglied wesentlich einfacher realisieren lässt als ein lineares Verzögerungsglied. Z. B. stellt ein Exklusiv-Oder-Gatter ein einfach realisierbares Verzögerungsmessglied bzw. Phasenmessglied mit guter Linearität dar. Ein weiteres einfach realisierbares Phasenmessglied mit sehr guter Linearität ist der bekannte sequentielle Phasen-Frequenzdetektor (siehe z. B. Roland Best: Theorie und Anwendungen des Phase-Locked-Loop, S. 96, VDE-Verlag, Offenbach, 1993).
Speziell das Exklusiv-Oder-Gatter eignet sich auch zur Verzögerungsmessung von digitalen Datensignalen. Wird als Verzögerungsmessglied also ein Exklusiv-Oder-Gatter verwendet, kann das Eingangssginal E der erfindungsgemäßen Schaltung nach 4 auch ein digitales Datensignal, also nichtperiodisch sein.
Ein weiterer Vorteil ist, dass sich alle Komponenten der erfindungsgemäßen Schaltung nach 4 zur Verwendung in monolithisch-integrierten mikroelektronischen Schaltungen eignen. Insbesondere das für die Genauigkeit der Schaltung wichtige lineare Phasenmessglied lässt sich häufig aus einfachen digitalen Gattern und Speichern aufbauen, wie sie typisch für Silizium-CMOS-Schaltungen sind. Als Beispiele dafür können die beiden oben genannten Realisierungsmöglichkeiten von Verzögerungs- bzw. Phasenmessgliedern dienen.
Vorteilhaft bei der erfindungsgemäßen Schaltungen nach 8 ist, dass sich durch die Verwendung der Kalibrierungsschaltung die Phasenmessung exakt durchführen lässt und unabhängig von Herstellungstoleranzen und Temperaturgang ist.
Desweiteren ist es vorteilhaft, dass die Kalibrierungsschaltung keine genaue Frequenz aufweisen muss und somit zur Kalibrierung des Phasenmessgliedes 3 der erfindungsgemäßen Schaltung auf eine genaue Referenzfrequenz, wie z. B. einen Quarzoszillator verzichtet werden kann.
Vorteilhaft an der o. g. Zusammenschaltung der erfindungsgemäßen Schaltungen nach 4 und 8 ist, dass sich das Verzögerungsglied 1 aus 4 nicht nur linearisieren, sondern zusätzlich auch kalibrieren lässt.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird in der erfindungsgemäßen Schaltung nach 4 das Verzögerungsglied 2 weggelassen, und die Signale E und E' werden miteinander verbunden. Dies ist in 9 gezeigt. Der Vorteil der sich so ergebenden Schaltung ist der einfachere Aufbau. Ein Nachteil ist, dass sich damit nur positive Signalverzögerungszeiten einstellen lassen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird in der erfindungsgemäßen Schaltung nach 4 der Subtrahierer 4 durch einen Vergleicher 6 und der Verstärker 5 durch ein Flipflop 7 mit nachgeschaltetem Tiefpassfilter 8 ersetzt. Dies ist in 10 gezeigt. Der Vergleicher 6 vergleicht das Steuersignal S mit dem Ausgangssignal des Verzögerungsmessgliedes 3 und zeigt an, ob das Steuersignal größer oder kleiner als das Ausgangssignal des Verzögerungsmessgliedes 3 ist. Das Flipflop 7 ist an seinem Signaleingang mit dem Ausgang des Vergleichers 6 und an seinem Ausgang mit dem Eingang des Tiefpassfilters 8 verbunden. An seinem Takteingang ist das Flipflop 7 mit einem Taktsignal C beaufschlagt, dessen Frequenz höher als die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters 8 ist. Das Tiefpassfilter 8 ist an seinem Ausgang mit dem Steuereingang S' des Verzögerungsgliedes 1 verbunden. Diese Ausgestaltung der Erfindung hat den Vorteil, dass mehr einfache digitale Schaltungsteile verwendet werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann das feste Verzögerungsglied 2 in der erfindungsgemäßen Schaltung nach 4 durch ein steuerbares Verzögerungsglied ersetzt werden. Ist dieses Verzögerungsglied zudem baugleich mit dem Verzögerungsglied 1 in 4 und ist sein Steuereingang auf einen mittleren Wert eingestellt, so lässt sich auf einfache Weise erreichen, dass für den Aussteuerbereich der Verzögerungszeit TV gilt, dass TV,max = – TV,min ist. Hierdurch wird die Gesamtsteuerkennlinie TV(S) der erfindungsgemäßen Schaltung nach 4 symmetrisch.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vor den Steuereingang der erfindungsgemäßen Schaltung nach 4 ein Digital-Analog-Wandler geschaltet, so dass ein digital gesteuertes Verzögerungsglied realisiert wird. Dies ist in 11 gezeigt. Die Schaltungsteile 1 bis 5 entsprechen der erfindungsgemäßen Schaltung nach 4. Der Digital-Analog-Wandler 9 wird an seinem Eingang mit einem digitalen Steuerwert beaufschlagt und ist an seinem Ausgang mit dem Steuersignal S verbunden.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist in 12 gezeigt. Die Schaltung entspricht der Schaltung in 11, wobei die Schaltung zusätzlich um einen Speicher 10 erweitert wird. Der Eingang des Digital-Analog-Wandlers 9 ist mit dem Datenausgang des Speichers 10 verbunden, an dessen Adress-Eingang ein digitaler Steuerwert anliegt. Im Speicher 10 ist eine Tabelle abgespeichert, die einen digitalen Adress-Eingangswert in einen digitalen Daten-Ausgangswert übersetzt. Auf diese Weise lassen sich jeweils entsprechend der im Speicher abgelegten Tabellenwerten Phasenschieber mit beliebigen, programmierbaren Kennlinien realisieren.
Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung nach 4 zur Phasenverschiebung bzw. Verzögerung von mehr als einem Signal ist in 13 gezeigt. Die Schaltung entspricht der Schaltung nach 9, wobei die Schaltung mit den Verzögerungsgliedern 1' bis N' erweitert wird. Das eine oder die mehreren zusätzlichen Verzögerungsglieder 1' bis N' werden vom gemeinsamen Steuersignal S' angesteuert und weisen jeweils unterschiedliche periodische oder nichtperiodische Eingangssignale E1' bis EN' und Ausgangssignale A1' bis AN' auf. Zusätzlich weisen die Verzögerungsglieder 1' bis N' einen identischen Aufbau wie das Verzögerungsglied 1 auf. Auf diese Weise lassen sich mehrere Signale mit gleicher Verzögerungszeit verzögern, wobei die Verzögerungszeit über das Steuersignal S einstellbar ist.
In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung nach 4 ist die Schaltung wiederum wie in 13 aufgebaut. Die Verzögerungsglieder 1' bis N' bestehen dabei allerdings jeweils aus einem oder mehreren hintereinander geschalteten Verzögerungsgliedern, die jeweils einen identischen Aufbau wie das Verzögerungsglied 1 aufweisen. Auf diese Weise lassen sich Verzögerungungsglieder realisieren, deren Verstellbereich ein Vielfaches des Messbereichs des Verzögerungsmessgliedes 3 aus 13 entspricht und die über Steuersignal S einstellbar sind.
In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung nach 4 weist das Verzögerungsglied 1 einen weiteren Steuereingang zur Einstellung der Ausgangsamplitude A auf. Dies kann z. B. durch einen Verstärker mit einstellbarem Verstärkungsfaktor erfolgen. Häufig weisen solche Verstärker eine Signallaufzeit auf, die vom eingestellten Verstärkungsfaktor abhängt. Dadurch wird die Kennlinie des Verzögerungsgliedes 1 abhängig vom eingestellten Verstärkungsfaktor. Da jedoch mittels des Regelkreises aus Verzögerungsmessglied 3, Subtrahierer 4 und Verstärker 5 die Steuerkennlinie des Verzögerungsmessgliedes 3 die Gesamtsteuerkennlinie TV(S), d. h. den Zusammenhang zwischen Steuersignal S und der Verzögerung zwischen Signal E' und A bestimmt, hat die variable Einstellung des Verstärkungsfaktors vorteilhafterweise keinen Einfluss auf die Gesamtsteuerkennlinie. Wird die Ausgangsamplitude des Verzögerungsgliedes 1 zusätzlich über eine Amplitudenregelung konstant gehalten, so erhält man ein Verzögerungsglied mit genauer Kennlinie und über den gesamten Einstellbereich konstanter Ausgangsamplitude.
In weiteren Ausgestaltungen der Schaltungen nach 9 bis 13 weisen das Verzögerungsglied 1 und alle mit Verzögerungsglied 1 baugleichen Verzögerungsglieder jeweils einen zusätzlichen Steuereingang zur Einstellung der Ausgangsamplituden auf. Diese zusätzlichen Steuereingänge zur Einstellung der Ausgangsamplituden sind alle miteinander verbunden. Optional lässt sich wiederum die Amplitude über eine Amplitudenregelung konstant halten.
Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltungen nach 4 und 8 betrifft die genaue Erzeugung von festen, nicht verstellbaren Phasendifferenzen und ist in 14 gezeigt. Ein Eingangssignal wird auf den Eingang eines einstellbaren Verzögerungsglieds 1 gegeben, das ein verzögertes Ausgangssignal erzeugt. Ein- und Ausgangssignal des Verzögerungsgliedes 1 gehen an die beiden Signaleingänge eines Phasenmessgliedes 3, dessen Ausgang an den negativen Eingang eines Subtrahierers 4 angeschlossen ist. Der Ausgang des Subtrahierers 4 ist mit dem Eingang eines Verstärkerelements 5 mit hoher Verstärkung verbunden, dessen Ausgang wiederum mit dem Steuereingang S' des Verzögerungsgliedes 1 verbunden ist. Der positive Eingang des Subtrahierers 4 ist mit dem Ausgang des zweiten Phasenmessgliedes 12 verbunden, dessen beide Signaleingänge an die beiden Ausgängen des Signalgenerators 11 angeschlossen sind. Die beiden Phasenmessglieder 3 und 12 haben einen identischen Aufbau. Der Signalgenerator 11 erzeugt zwei Signale mit gleicher Frequenz und einer festen Phasendifferenz, wobei die Frequenz ungenau sein kann, aber die Phasendifferenz exakt bekannt sein muss.
Damit die Regelschleife stabil arbeitet, muss mindestens eines der Elemente 3, 4 oder 5 in 14 Tiefpass-Charakter haben oder die Reaktionszeit des Verzögerungsgliedes 1 auf Änderungen des Steuersignals S' ausreichend langsam sein. Ist dies nicht der Fall muss in der Schaltung nach 14 ein Tiefpassfilter zwischen Element 3 und 4, zwischen Element 4 und 5, oder zwischen Element 5 und 1 geschaltet werden.
Die Funktionsweise der Schaltung nach 14 lässt sich nun wie folgt beschreiben: Die Schaltungsteile 11 und 12 erzeugen am Ausgang des Phasenmessgliedes 12 eine Ausgangsgröße, die der festen Phasendifferenz der Signale des Signalgenerators 11 entspricht. Diese Ausgangsgröße, die am positiven Eingang des Subtrahierers 4 anliegt, bewirkt, dass die Regelschleife, die aus den Schaltungsteilen 1, 3, 4 und 5 besteht, das Verzögerungsglied 1 so steuert, dass die Phasendifferenz am Verzögerungsglied 1 der Phasendifferenz der Ausgangssignale des Signalgenerators 11 entspricht. Dies gilt auch, wenn die Eingangssignalfrequenz am Verzögerungsglied 1 sich von der Frequenz des Signalgenerators 11 unterscheidet.
Der Signalgenerator 11 aus 14 lässt sich z.B. mit einem mehrstufigen, freilaufenden Ringoszillator realisieren, wobei die beiden Ausgangssignale des Signalgenerators hinter zwei verschiedenen Stufen des Ringoszillators abgegriffen werden. Beträgt die Phasendifferenz zwischen den Ausgangssignalen des Signalgenerators 11 90 Grad, so lassen sich mit der Schaltung Quadratursignale bei verschiedenen Eingangsfrequenzen erzeugen.
Die erfindungsgemäße Schaltung zur Kalibrierung von Phasenmessgliedern nach 8 dient der kontinuierlichen Kalibrierung von Phasenmessgliedern. In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltung nach 8 wird die Schaltung so modifiziert, dass die Kalibrierung nur zu bestimmten Zeitabschnitten erfolgt. Diese Schaltung ist in 15 gezeigt. Die Schaltungsteile 11, 12, 13 entsprechen den Schaltungsteilen 11, 12, 13 aus 8. Ein Signalumschalter 15 ermöglicht es, entweder die beiden Ausgangssignale des Signalgenerators 11 oder die Signale F1 und F2 auf die Eingänge des Phasenmessgliedes 12 zu schalten. Sind die beiden Ausgangssignale des Signalgenerators 11 auf die Eingänge des Phasenmessgliedes 12 geschaltet, so wird das Phasenmessglied kalibriert, d. h. die Auswerteeinheit 13 regelt die Kalibriergröße K so, dass die Ausgangsgröße des Phasenmessgliedes 12 gleich dem Referenzwert R wird. Werden nun die beiden Signale F1 und F2 auf den Eingang des Phasenmessgliedes 12 geschaltet, so hält die Auswerteeinheit 13 den vorher eingestellten Wert K fest. Der Vorteil dieser Schaltung ist, dass nur ein Phasenmessglied verwendet werden muss, das sowohl zur Kalibrierung als auch zur Phasenmessung der Signale F1 und F2 genutzt wird.
Ausführungsbeispiele der beiden Erfindungen sind z. B. lineare Phasenschieber oder Verzögerungsglieder zur Synchronisation von Takt und Datensignalen in digitalen Systemen, Phasenschieber oder Verzögerungsglieder zur Stabilisierung von Signallaufzeiten gegenüber Temperatur- und Herstellungstoleranzen, Signalgeneratoren für die Erzeugung von Quadratursignalen, sowie Phasen- bzw. Verzögerungsmessvorrichtungen.

DLL: Delay-Locked Loop
CMOS: Complementary Metal Oxide Semiconductor

Claims

Schaltung zur einstellbaren Verzögerung eines Signals, bestehend aus einem steuerbaren Verzögerungsglied, einem Verzögerungsmessglied, einem Subtrahierer und einem Verstärkungsglied dadurch gekennzeichnet, dass ein steuerbares Verzögerungsglied 1, das einen Signaleingang, einen Signalausgang und einen Steuereingang aufweist, an seinem Signaleingang mit einem Eingangssignal E verbunden ist, dass das steuerbare Verzögerungsglied 1 ein verzögertes Ausgangssignal A an seinem Signalausgang erzeugt, dass ein weiteres Verzögerungsglied 2 an seinem Signaleingang mit dem Eingangssignal E verbunden ist und an seinem Ausgang Signal E' erzeugt, dass Ausgangssignal E' des Verzögerungsgliedes 2 und Ausgangssignal A des Verzögerungsgliedes 1 mit den Eingängen eines Verzögerungsmessgliedes 3 verbunden sind, dass der Ausgang des Verzögerungsmessgliedes 3 mit dem negativen Eingang eines Subtrahierers 4 verbunden ist, dass das Steuersignal S mit dem positiven Eingang des Subtrahierers 4 verbunden ist, dass der Ausgang des Subtrahierers 4, mit dem Eingang eines Verstärkungsgliedes 5 verbunden ist und dass der Ausgang S' des Verstärkungsgliedes mit dem Steuereingang des Verzögerungsgliedes 1 verbunden ist.
Schaltung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass Verzögerungsglied 2 weggelassen wird und Signal E mit Signal E' verbunden wird.
Schaltung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Ausgang des Verzögerungsmessgliedes 3 und dem negativen Eingang des Subtrahierers 4 ein Tiefpassfilter eingefügt ist.
Schaltung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Ausgang des Subtrahierers 4 und den Eingang des Verstärkers 5 ein Tiefpassfilter eingefügt ist.
Schaltung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Ausgang des Verstärkers 5 und den Steuereingang des Verzögerungsgliedes 1 ein Tiefpassfilter eingefügt ist.
Schaltung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass schnelle Änderungen am Steuereingang des steuerbaren Verzögerungsgliedes 1 nur eine langsame Änderung der Verzögerungszeit des steuerbaren Verzögerungsgliedes 1 bewirken.
Schaltung nach den Ansprüchen 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass der Subtrahierer 4 durch einen Vergleicher 6 ersetzt wird, der an seinen beiden Eingängen mit dem Signal S und dem Ausgang des Verzögerungsmessgliedes 3 beaufschlagt ist und an seinem Ausgang mit dem Eingang des Verstärkungsgliedes 5 verbunden ist, dass der Vergleicher 6 das Signal S mit dem Ausgang des Verzögerungsmessgliedes 3 vergleicht und an seinem Ausgang anzeigt, ob das Signal S größer oder kleiner als der Ausgangswert des Verzögerungsmessgliedes 3 ist.
Schaltung nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsglied 5 durch ein Flipflop 7 mit nachgeschaltetem Tiefpassfilter 8 ersetzt wird, wobei das Flipflop 7 einen Signaleingang, einen Signalausgang und einen Takteingang aufweist, der Signaleingang des Flipflops 7 mit dem dem Ausgang des Subtrahierers 4 verbunden ist, der Takteingang des Flipflops 7 mit einem Taktsignal beaufschlagt ist, der Signalausgang des Flipflops 7 mit dem Eingang eines Tiefpassfilters 8 verbunden ist und der Ausgang des Tiefpassfilters 8 das Signal S' erzeugt, das mit dem Steuereingang des Verzögerungsgliedes 1 verbunden ist.
Schaltung nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsglied 5 durch ein Flipflop 7 mit nachgeschaltetem Tiefpassfilter 8 ersetzt wird, wobei das Flipflop 7 einen Signaleingang, einen Signalausgang und einen Takteingang aufweist, der Signaleingang des Flipflops 7 mit dem dem Ausgang des Vergleichers 6 verbunden ist, der Takteingang des Flipflops 7 mit einem Taktsignal beaufschlagt ist, der Signalausgang des Flipflops 7 mit dem Eingang eines Tiefpassfilters 8 verbunden ist und der Ausgang des Tiefpassfilters 8 das Signal S' erzeugt, das mit dem Steuereingang des Verzögerungsgliedes 1 verbunden ist.
Schaltung nach den Ansprüchen 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass das Verzögerungsmessglied im Bereich TV,min und TV,max eine lineare Kennlinie aufweist, wobei TV,min die minimale und TV,max die maximale Zeitverzögerung zwischen Signal E' und Signal A bezeichnen.
Schaltung nach den Ansprüchen 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass ein Digital-Analog-Wandler 9 verwendet wird, der an seinem Ausgang das analoge Steuersignal S erzeugt, mit seinem Ausgang mit dem Subtrahierer 4 bzw. dem Vergleicher 6 verbunden ist und an seinen Eingängen S1, S2 bis SM mit einem digitalen Steuerwort beaufschlagt wird.
Schaltung nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass ein Speicherelement 10 verwendet wird, das digitale Adresseingänge A1, A2 bis AN und digitale Datenausgänge D1, D2 bis DM aufweist, das an seinen Adresseingängen A1, A2 bis AN mit einem digitalen Steuerwort beaufschlagt wird und an seinen Ausgängen D1, D2 bis DM mit den Eingängen S1, S2 bis SM des Digital-Analog-Wandlers 9 verbunden ist.
Schaltung nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass der Inhalt des Speicherelements 10 programmierbar ist.
Schaltung nach Anspruch 1 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Verzögerungsglieder V1, V2, V3 bis VK verwendet werden, die baugleich mit dem Verzögerungsglied 1 sind und an ihren Steuereingängen jeweils mit dem gleichen Steuersignal S' beaufschlagt sind, wobei die Verzögerungsglieder V1, V2, V3 bis VK so in Reihe mit dem Verzögerungsglied 1 geschaltet sind, so dass der Signalausgang A des Verzögerungsgliedes 1 mit dem Signaleingang des Verzögerungsgliedes V1 verbunden ist, der Signalausgang des Verzögerungsglieds V1 it dem Signaleingang des Verzögerungsglieds V2 verbunden ist, der Signalausgang von V2 mit dem Signaleingang des Verzögerungsglieds V3 verbunden ist usw.
Schaltung nach Anspruch 1 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere steuerbare Verzögerungsglieder P1, P2, P3 bis PL verwendet werden, die jeweils baugleich mit dem steuerbaren Verzögerungsglied 1 sind und an ihren Steuereingängen alle mit dem gleichen Steuersignal S' beaufschlagt sind, wobei das steuerbare Verzögerungsglied P1 am Signaleingang mit dem Signal E1 beaufschlagt wird und am Signalausgang das Signal A1 erzeugt, das steuerbare Verzögerungsglied P2 am Signaleingang mit dem Signal E2 beaufschlagt wird und am Signalausgang das Signal A2 erzeugt, das steuerbare Verzögerungsglied P3 am Signaleingang mit dem Signal E3 beaufschlagt wird und am Signalausgang das Signal A3 erzeugt usw.
Schaltung nach Anspruch 15 dadurch gekennzeichnet, dass die steuerbaren Verzögerungsglieder P1, P2, P3 bis PL jeweils durch mehrere in Reihe geschaltete Verzögerungsglieder ersetzt werden können, die jeweils baugleich mit dem Verzögerungsglied 1 sind und an ihren Steuereingängen alle mit dem gleichen Steuersignal S' beaufschlagt werden.
Schaltung nach Anspruch 1 bis 16 dadurch gekennzeichnet, dass das steuerbare Verzögerungsglied 1 und alle weiteren in der Schaltung enthaltenen steuerbaren Verzögerungsglieder, die baugleich mit Verzögerungsglied 1 sind, einen zusätzlichen Eingang SA zur Einstellung der Amplitude des Ausgangssignals aufweisen und dass alle Eingänge SA miteinander verbunden sind.
Schaltung zur automatischen Kalibrierung von Phasenmessgliedern, bestehend aus einem Signalgenerator, zwei Phasenmessgliedern und einer Auswerteeinheit dadurch gekennzeichnet, dass ein Signalgenerator 11 zwei Signalausgänge aufweist, die mit den beiden Signaleingängen eines Phasenmessgliedes 12 verbunden sind, dass der Ausgang des Phasenmessgliedes 12 mit einem Eingang der Auswerteeinheit 13 verbunden ist, dass ein weiterer Eingang der Auswerteeinheit 13 mit einem Referenzwert R beaufschlagt ist, und dass ein Ausgang K der Auswerteeinheit 13 mit einem Kalibriereingang des Phasenmessgliedes 12 verbunden ist.
Schaltung nach Anspruch 18 dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit 13 das Ausgangssignal K so regelt, dass das Ausgangssignal des Phasenmessgliedes 12 gleich dem Referenzwert R ist.
Schaltung nach Anspruch 18 und 19 dadurch gekennzeichnet, dass für die beiden Signale an den beiden Signalausgängen von Signalgenerator 11 gilt, dass sie eine konstante, genau festgelegte Phasendifferenz zueinander haben und die selbe Frequenz aufweisen, dass die Frequenz jedoch nicht genau festgelegt sein muss.
Schaltung nach Anspruch 18 bis 20 dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Phasenmessglied 14 verwendet wird, das baugleich mit dem Phasenmessglied 12 ist und dass der Ausgang K der Auswerteeinheit 13 mit dem Kalibriereingang des Phasenmessgliedes 14 verbunden ist.
Schaltung nach Anspruch 18 bis 20 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen die Signalausgänge des Signalgenerators 11 und den Signaleingängen des Phasenmessgliedes 12 ein Signalumschalter 15 eingefügt wird, dass der Signalumschalter 15 an seinen vier Signaleingängen mit den zwei Signalausgängen des Signalgenerators 11 und zwei weiteren Signalen F1 und F2 verbunden ist, dass der Signalumschalter 15 an seinen 2 Signalausgängen mit den Signaleingängen des Phasenmessgliedes 12 verbunden ist, dass der Signalumschalter 15 einen Steuereingang besitzt, mittels dem entweder die zwei Signalausgänge des Signalgenerators 11 auf die Eingänge des Phasenmessgliedes 12 geschaltet werden oder die Signale F1 und F2 auf die Eingänge des Phasemessgliedes 12 geschaltet werden,
Schaltung nach Anspruch 22 dadurch gekennzeichnet, dass, wenn die zwei Signalausgänge des Signalgenerators 11 auf das Phasenmessglied 12 geschaltet werden, die Auswerteeinheit 13 die Ausgangsgröße K so regelt, dass das Ausgangssignal des Phasenmessgliedes gleich der Referenzgröße R wird und dass, wenn die Signale F1 und F2 auf die Eingänge des Phasenmessgliedes geschaltet sind, die Auswerteeinheit 13 die Ausgangsgröße K auf dem vorher eingestellten Wert festhält.