Die
Erfindung betrifft eine Schaltung zur automatischen Kalibrierung
von Phasenmessgliedern, mit einem Signalgenerator, zwei Phasenmessgliedern
und einer Auswerteeinheit. Ferner betrifft die Erfindung eine Schaltung
zur automatischen Kalibrierung von Phasenmessgliedern, mit einem
Signalgenerator, einem Phasenmessglied und einer Auswerteeinheit.The
The invention relates to a circuit for automatic calibration
of phase measuring elements, with a signal generator, two phase measuring elements
and an evaluation unit. Furthermore, the invention relates to a circuit
for the automatic calibration of phase measuring elements, with a
Signal generator, a phase measuring element and an evaluation unit.
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.In
In many fields of technology, circuits become precise, variable
Delay from
Signals or for phase shift needed. Application areas for delay circuits
with adjustable delay
or phase shifters with adjustable phase are among others
the synchronization of received signals in communications engineering,
the compensation of different transit times of signals,
the synchronization of clock and data signals in digital systems,
the generation of signals with exact transit time or phase difference
to each other, such. Of quadrature signals, and stabilization
of signal delays
across from
Environmental influences
such as the temperature or manufacturing tolerances.
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.The
delay
a periodic signal corresponds to a phase shift. Accordingly
one speaks with delay circuits
for periodic
Signals frequently
of phase shifters. Likewise, a delay measuring element corresponds to periodic
Signals a phase measuring element.
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 Verzögerungsmessglieder
genannt, wobei Phasenmessglieder darin eingeschlossen sind.in the
Below are therefore circuits that are basically both non-periodic
as well as delay periodic signals, generally delay elements
called, with phase shifter included therein. Similarly
Become circuits for delay measurement
of periodic as well as non-periodic signals only delay measuring elements
called, with phase measuring elements are included therein.
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.If
a circuit part, however, can only delay periodic signals,
is spoken accordingly by a phase shifter and where
the delay measurement
exclusively
related to the measurement of periodic signals is used by phase measuring elements
spoken.
1 bis 3 zeigen
einstellbare Verzögerungsglieder
bzw. Phasenschieber nach dem Stand der Technik. 1 to 3 show adjustable delay or phase shifter according to the prior art.
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. 1 shows a simple, commonly used technique for delaying signals in integrated circuits by means of variable load capacity inverters commonly used for digital signals. The left inverter in 1 drives a load capacity that can be adjusted by a control voltage. Depending on the size of the load capacitance, the edge steepness at the output of the left inverter becomes larger or smaller. As a result, the switching threshold of the right inverter is reached with a smaller or larger delay, and the output of the right inverter is correspondingly switched over with a smaller or larger delay.
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 φA des Ausgangssignals lässt sich auf diese Weise beliebig
verstellen und es gilt φA = arctan (G1/G2). Damit die Amplitude AA des Ausgangssignals konstant ist, muss
gelten: AA = (G12 +
G22)1/2 = konstant. 2 shows another known technique for variable phase shifting of sinusoidal signals by weighted addition. In this case, a sine signal with phase φ = 0 degrees is delayed by 90 degrees and both signals are multiplied by the weighting factors G1 and G2. Subsequently, both signals are added up. The phase shift φ A of the output signal can be arbitrarily adjusted in this way and it applies φ A = arctan (G1 / G2). For the amplitude A A of the output signal to be constant, the following must apply: A A = (G 1 2 + G 2 2 ) 1/2 = constant.
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 TD verzögert und das unverzögerte Signal
mit dem verzögerten
Signal gewichtet aufaddiert. Durch die Variation der Gewichtsfaktoren
kann die Verzögerung zwischen
0 und TD eingestellt werden. 3 shows a known technique for adjustable delay, which is also suitable for non-sinusoidal signals and is also based on the weighted addition. In this case, a non-sinusoidal signal with a fixed delay element is delayed by T D and added the undelayed signal with the delayed signal weighted. By varying the weight factors, the delay between 0 and T D can be set.
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.ever
according to application, various requirements for delay circuits
posed. Often
becomes a linear characteristic, i. H. a linear relationship between
delay
and control size required.
Other requirements are one possible
greater
Adjustment range, as well as an exact adjustment of the delay time
with low dependence
of manufacturing tolerances and temperature gradient.
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.These
Among other things, demands are made for the realization of delay circuits
and phase shifters in monolithic-integrated microelectronic
Circuits according to the prior art can not be satisfactorily fulfilled.
Beispielsweise
weist die Schaltung nach Zeichnung 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 integrierten 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.For example, the circuit of Figure 1 generally has no linear control characteristic because the adjustable load capacitance has a non-linear control characteristic. In addition, the delay times of inverters in silicon CMOS technologies and integrated capacitors vary in the order of + -25% depending on manufacturing tolerances and device temperatures. An advantage of the circuit after 1 is, however, that a large adjustment re is alisierbar, if the controllable capacitance has a correspondingly large adjustment range, as well as that the circuit has a low complexity.
Für die Schaltung
nach 2 gilt, wie oben erwähnt, dass der Phasenwinkel über die
Formel φA = 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 AA des Ausgangssignals über den
Zusammenhang AA = (G12 +
G22)1/2 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.For the circuit after 2 applies, as mentioned above, that the phase angle over the formula φ A = arctan (G1 / G2) is linked to the control variables G1 and G2. Thus, this phase shifter has a non-linear characteristic. Another disadvantage of the circuit after 2 is that the amplitude A A of the output signal over the relationship A A = (G1 2 + G2 2 ) 1/2 must be kept constant, and that only sinusoidal signals can be delayed. In addition, depends on the circuit 2 the accuracy of the delay of a variety of signal and circuit characteristics, in particular the sinusoidal waveform of the input signal, the accuracy of the fixed phase shift of 90 degrees, and the linearity of the multipliers and the adder from.
Bei
der Schaltung nach 3 muss die Verzögerungszeit
TD 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
TD, wie bereits erwähnt, nur sehr ungenau herstellbar
und abhängig von
der Bauelementetemperatur ist.When switching to 3 For example, the delay time TD of the fixed delay element must be less than the rise or fall time of the input signal and the output signal of the fixed delay element. This is a disadvantage since only relatively small adjustment ranges can be realized with it. Another disadvantage of the circuit after 3 is that a linear characteristic can only be realized if the input signal and the output signal of the fixed delay element have linear pulse edges. The accuracy of the adjustable delay is determined by the accuracy of the fixed delay element and the waveform. This is also a disadvantage, since in monolithic integrated circuits, the fixed delay time T D , as already mentioned, is only very inaccurate to produce and dependent on the device temperature.
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.The problem of inaccurate fixed delay time can be alleviated for the circuit 1 and 3 by calibrating the fixed delay using a delay-locked loop (DLL) and an accurate reference frequency. The delay time of the fixed delay element is then determined by the reference signal, z. B. the output of a quartz oscillator accurately determined. A disadvantage of this solution, however, is that an accurate reference signal is needed and that the circuit complexity is increased.
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.In summary
let yourself
notice that the characteristics of adjustable delay elements
or phase shifters according to the prior art often non-linear
and the delay times
or phases strongly dependent
of manufacturing tolerances and the temperature of the electronic components
are. Certain phase shifters are only suitable for sinusoidal signals. Is a DLL for
Calibration of the phase difference or delay time used is
an accurate reference signal, e.g. As a quartz oscillator needed.
Aus
der US 2001/0005154 A1 ist eine Schaltung zur automatischen Kalibrierung
von Phasenmessgliedern bekannt, wobei die bekannte Schaltung einen
Signalgenerator, zwei Phasenmessglieder und eine Auswerteeinheit
aufweist. Dabei weist der Signalgenerator zwei Signalausgänge auf,
die mit den beiden Signaleingängen
eines Phasenmessglieds verbunden sind. Der Ausgang des Phasenmessglieds
ist mit einem Eingang der Auswerteeinheit verbunden. Der Ausgang
der Auswerteeinheit ist mit einem Kalibriereingang des Phasenmessglieds verbunden.Out
US 2001/0005154 A1 is a circuit for automatic calibration
known from phase measuring elements, wherein the known circuit a
Signal generator, two phase measuring elements and an evaluation unit
having. The signal generator has two signal outputs,
the with the two signal inputs
a phase measuring element are connected. The output of the phase measuring element
is connected to an input of the evaluation unit. The exit
the evaluation unit is connected to a calibration input of the phase measuring element.
Ausgehend
von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine Schaltung zur automatischen Kalibrierung von Phasenmessgliedern
zu schaffen, mit deren Verwendung die Phasenmessung exakt und unabhängig von
Herstellungstoleranzen und Temperaturgang durchführbar ist.outgoing
From this prior art, it is the object of the present
Invention, a circuit for the automatic calibration of phase measuring elements
With their use, the phase measurement is accurate and independent of
Manufacturing tolerances and temperature response is feasible.
Die
zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe wird gemäß einer
ersten Lehre der vorliegenden Erfindung gelöst durch eine Schaltung zur
automatischen Kalibrierung von Phasenmessgliedern, mit einem Signalgenerator,
zwei Phasenmessgliedern und einer Auswerteeinheit, dadurch gekennzeichnet,
dass der Signalgenerator zwei Signalausgänge aufweist, die mit den beiden
Signaleingängen des
ersten der beiden Phasenmessglieder verbunden sind, dass der Ausgang
des ersten Phasenmessgliedes mit einem Eingang der Auswerteeinheit
verbunden ist, dass ein weiterer Eingang der Auswerteeinheit mit
einem Referenzwert beaufschlagt ist, dass ein Ausgang der Auswerteeinheit
mit einem Kalibriereingang des ersten Phasenmessgliedes sowie dem
Kalibriereingang des zweiten Phasenmessgliedes verbunden ist, dass
die beiden Phasenmessglieder baugleich sind, dass für die beiden
Signale an den beiden Signalausgängen
des Signalgenerators gilt, dass sie dieselbe Frequenz und eine konstante, genau
festgelegte Phasendifferenz zueinander aufweisen.The
previously derived and indicated task is according to a
first teaching of the present invention solved by a circuit for
automatic calibration of phase measuring elements, with a signal generator,
two phase measuring elements and an evaluation unit, characterized
that the signal generator has two signal outputs, with the two
Signal inputs of the
first of the two phase measuring links are connected to that output
of the first phase measuring element with an input of the evaluation unit
connected to that another input of the evaluation unit with
a reference value is applied, that an output of the evaluation unit
with a calibration input of the first phase measuring element and the
Calibration input of the second phase measuring element is connected to that
the two phase measuring elements are identical, that for the two
Signals at the two signal outputs
The signal generator is considered to have the same frequency and a constant, accurate
have fixed phase difference to each other.
Ferner
wird die Aufgabe gemäß einer
zweiten Lehre der vorliegenden Erfindung gelöst durch eine Schaltung zur
automatischen Kalibrierung von Phasenmessgliedern, mit einem Signalgenerator,
einem Phasenmessglied und einer Auswerteeinheit, dadurch gekennzeichnet,
dass der Signalgenerator zwei Signalausgänge und das Phasenmessglied zwei
Signaleingänge
aufweist, wobei zwischen die Signalausgänge des Signalgenerators und
die Signaleingänge
des Phasenmessglieds ein Signalumschalter eingefügt ist, der an seinen vier
Signaleingängen
mit den zwei Signalausgängen
des Signalgenerators und zwei weiteren Signalen verbunden ist und
der an seinen zwei Signalausgängen
mit den Signaleingängen
des Phasenmessglieds verbunden ist, wobei der Signalumschalter einen
Steuereingang besitzt, mittels dem entweder die zwei Signalausgänge des
Signalgenerators auf die Eingänge
des Phasenmessgliedes geschaltet werden oder die Signale auf die
Eingänge
des Phasenmessgliedes geschaltet werden, dass der Ausgang des Phasenmessgliedes mit
einem Eingang der Auswerteeinheit verbunden ist, dass ein weiterer
Eingang der Auswerteeinheit mit einem Referenzwert beaufschlagt
ist, dass ein Ausgang der Auswerteinheit mit einem Kalibriereingang
des Phasenmessgliedes verbunden ist, und dass für die beiden Signale an den
beiden Signalausgängen
vom Signalgenerator gilt, dass sie dieselbe Frequenz und eine konstante,
genau festgelegte Phasendifferenz zueinander aufweisen.Furthermore, the object is achieved according to a second teaching of the present invention by a circuit for the automatic calibration of phase measuring elements, comprising a signal generator, a phase measuring element and an evaluation unit, characterized in that the signal generator has two signal outputs and the phase measuring element has two signal inputs, wherein between the signal outputs the signal generator and the signal inputs of the phase measuring a signal switch is inserted, which at its four Signalein is connected to the two signal outputs of the signal generator and two other signals and which is connected at its two signal outputs to the signal inputs of the phase measuring element, the signal selector has a control input, by means of either the two signal outputs of the signal generator are connected to the inputs of the phase measuring element or the signals are switched to the inputs of the phase measuring element, that the output of the phase measuring element is connected to an input of the evaluation unit, that a further input of the evaluation unit is supplied with a reference value, that an output of the evaluation unit is connected to a calibration input of the phase measuring element, and that for the two signals at the two signal outputs from the signal generator is that they have the same frequency and a constant, well-defined phase difference to each other.
Vorteilhafte
Ausgestaltungen der automatischen Kalibrierungsschaltung sind Gegenstand
der Unteransprüche.advantageous
Embodiments of the automatic calibration circuit are the subject matter
the dependent claims.
Zunächst wird
zum besseren Verständnis
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.First, for better understanding, the variable signal delay circuit shown in FIG 4 is illustrated explained. An input signal E is applied to the input of an adjustable delay element 1 given, which generates a delayed output signal A. The input signal E is also on a fixed delay element 2 given, which produces an output signal E '. Output E 'of the fixed delay element 2 and output signal A of the controllable delay element 1 go to the two signal inputs of a delay element 3 whose output is connected to the negative input of a subtractor 4 connected. At the positive input of the subtractor 4 is the control signal S on. The output of the subtractor 4 is connected to the input of an amplifier element 5 whose output in turn connected to the control input S 'of the delay element 1 connected is. For calibration purposes, the delay element has 3 an optional calibration input K on.
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 S 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.For the control loop to work stably, at least one of the elements must 3 to 5 in 4 Low-pass character or have the reaction time of the delay element 1 be sufficiently slow to changes of the control signal S. If not, must be in the circuit 4 a low-pass filter between element 3 and 4 , between element 4 and 5 , or between element 5 and 1 be switched.
Zur
Erläuterung
der Funktionsweise der 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.To explain the operation of the circuit after 4 Now the behavior of the circuit is explained by means of characteristics of the individual circuit parts. In the following, the delay time TV designates the delay time of the signals E 'and A relative to one another. The two delay elements 1 respectively. 2 generate the signals E 'and A. The adjustable delay element 1 serves the variable setting of the delay time TV, where S 'is the control signal. The fixed delay element 2 is used to set the average delay time of the signals E 'and A to each other and allows, inter alia, negative delay times, ie that signal A leads ahead signal E'.
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. 5 shows an exemplary characteristic of TV as a function of S 'when the delay element 1 has a non-linear control characteristic and the fixed delay element 2 is set so that the minimum delay time TV, min negative and the maximum delay time TV, max is positive. An exemplary characteristic of the delay measuring element 3 out 4 is in 6 shown. It represents the relationship between the delay time TV between signal E 'and signal A and the output M of the delay measuring element.
Als
Gesamtsteuerkennlinie TV(S) der 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 Schaltung nach 4 ein Verlauf,
der im Bereich TV, min < TV < TV,max identisch
mit der Kennlinie des Verzögerungsmessgliedes 3 ist.As overall control characteristic TV (S) of the circuit according to 4 the relationship between the control quantity S and the delay time TV between signal A and signal E 'is defined. Now has the amplifier element 5 a sufficiently high gain, then the closed loop of the elements 1 to 5 so regulated that at the entrance of the subtractor 4 the difference becomes zero, ie that the output of the phase measuring element 3 at the negative subtractor input equal to the control quantity S at the positive subtracter input. In this way results for the control characteristic TV (S) of the circuit after 4 a progression in the range TV, min <TV <TV, max identical to the characteristic of the delay measuring element 3 is.
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 Schaltung nach 4 eine Gesamtsteuerkennlinie
TV(S) entsprechend 7.If one sets, for example, a characteristic of the two delay elements 1 and 2 corresponding 5 and a characteristic of the delay measuring element 3 corresponding 6 At the bottom, the result for the circuit 4 an overall control characteristic TV (S) accordingly 7 ,
Für viele
Anwendungen ist es sinnvoll, wenn das Verzögerungsmessglied 3 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 beschriebene Schaltung eignet
sich somit zur Linearisierung von Verzögerungsgliedern mit nichtlinearer
Kennlinie mittels linearer Verzögerungsmessglieder.For many applications, it makes sense if the delay element 3 for values between TV, min and TV, max has a linear characteristic. In this case, the overall control characteristic TV (S) is according to the circuit 4 in the range TV, min <TV <TV, max also linear, even if the delay element 1 has a non-linear characteristic. The circuit described is thus suitable for the linearization of delay elements with non-linear characteristic by means of linear delay measuring elements.
Die
Kennlinie des Verzögerungsmessgliedes 3 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.The characteristic of the delay measuring element 3 but does not necessarily have to be linear. she can also be non-linear, but must, so that each value of the control variable S exactly one delay time of TV is assigned, for values between TV, min and TV, max have a monotonically increasing or monotone decreasing characteristic.
Je
nach Art des verwendeten Verzögerungsmessgliedes
kann E ein periodisches oder nichtperiodisches, sowie ein digitales
oder analoges Signal darstellen, d. h. die 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.ever
according to the type of delay measuring element used
E can be a periodic or non-periodic, as well as a digital one
or analog signal, d. H. the circuit is suitable
for both periodic,
non-periodic, digital or analog signals, the nature of the
used delay measuring element
determines the signal types, for
the circuit is suitable.
Eine
Schaltung gemäß der vorliegenden
Erfindung ist in 8 gezeigt, nämlich 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 11 sind
mit den beiden Signaleingängen
des Phasenmessglieds 12 verbunden. Das Phasenmessglied 12 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.A circuit according to the present invention is disclosed in 8th shown, namely a calibration device for phase measuring elements, consisting of a signal generator 11 , a phase measuring element 12 and an evaluation unit 13 , The signal generator 11 generates two signals with the same frequency but different phase. The frequency of the signals of the signal generator 11 it does not have to be exactly defined, but the phase difference of the signals must be known exactly. The two outputs of the signal generator 11 are with the two signal inputs of the phase measuring element 12 connected. The phase measuring element 12 is at its signal output with an input of the evaluation unit 13 connected. A second input R of the evaluation unit 13 is subjected to a reference value R. The output K of the evaluation unit 13 is with the calibration input of the phase measuring element 12 connected.
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 Phasenmessgliedes 12 so, dass
der mittlere Ausgangswert des Phasenmessglieds 12 gleich
dem Referenzwert R ist.In the following, the calibration of phase measuring elements after 8th explained. The signal generator 11 generates two signals with the same frequency but different phase. The phase difference is precisely defined, but the frequency is not. The phase measuring element 12 measures the phase difference and gives the value to the control device 13 out. The control device 13 compares the output signal of the phase measuring element 12 with the reference value R and controls the calibration input of the phase measuring element 12 such that the mean output value of the phase measuring element 12 is equal to the reference value R.
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.If now an additional phase measuring element is used, which has an identical structure as the phase measuring element 12 has, and is also acted upon at its calibration input with the calibration signal K, then this additional phase measuring element by the circuit after 8th calibrated.
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.The signal generator 11 comes without accurate reference frequency, so z. B. a free-running oscillator with inaccurate frequency can be used. The exact phase relationship of the two output signals can be easily produced in various ways according to the prior art. For example, with differential signals, a 180-degree phase relationship can be established by reversing the polarity of the outputs. Alternatively, z. For example, a 90 degree phase relationship may be generated by using a static frequency divider with master-slave flip-flop, with the 0-degree signal and the 90-degree signal respectively tapped behind the master and slave flip-flops. Another possibility is z. Example, in the use of a multi-stage ring oscillator with signal taps behind different stages.
Die
beiden 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.The two circuits after 4 and 8th can be combined so that the calibration input K of the delay element 3 in 4 with the calibration signal K of the circuit according to 8th is connected.
Ist
zusätzlich
das Verzögerungsmessglied 3 in 4 identisch
aufgebaut wie das Phasenmessglied 12 in 8,
so arbeitet die 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.Is additionally the delay measuring element 3 in 4 identically constructed as the phase measuring element 12 in 8th , so the circuit works 8th as a calibration device for the delay measuring element 3 in 4 , In this case, the circuit is calibrated for periodic signals of different frequencies, ie the circuit represents a controllable phase shifter with accurate characteristics.
Ein
Vorteil der Schaltung nach 4 ist, dass
sich jedes Verzögerungsglied
mit nichtlinearer Kennlinie damit linearisieren lässt.An advantage of the circuit after 4 is that each delay element with non-linear characteristic can be linearized with it.
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).One
Another advantage is that the circuit complexity in comparison
to other linearization techniques is low, because a linear delay measurement
much easier to implement than a linear delay element.
For example, an exclusive-or gate provides an easy-to-implement
Delay measuring element
or phase measuring element with good linearity. Another simple
realizable phase measuring element with very good linearity is the
known sequential phase frequency detector
(See eg Roland Best: Theory and Applications of the Phase-Locked Loop,
P. 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 Eingangssignal E der Schaltung nach 4 auch
ein digitales Datensignal, also nichtperiodisch sein.In particular, the exclusive OR gate is also suitable for delay measurement of digital data signals. If an exclusive-OR gate is used as a delay measuring element, the input signal E can follow the circuit 4 also a digital data signal, so be non-periodic.
Ein
weiterer Vorteil ist, dass sich alle Komponenten der 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.Another advantage is that all components of the circuit after 4 suitable for use in monolithic integrated microelectronic circuits. In particular, the important for the accuracy of the circuit linear phase measuring element can often be made of simple digital gates and Build up memories as they are typical for silicon CMOS circuits. As examples of this, the two above-mentioned realization possibilities of delay or phase measuring elements can serve.
Vorteilhaft
bei der Schaltung nach 8 ist, dass sich durch die Verwendung
der Kalibrierungsschaltung die Phasenmessung exakt durchführen lässt und
unabhängig
von Herstellungstoleranzen und Temperaturgang ist.Advantageous in the circuit after 8th is that the use of the calibration circuit, the phase measurement can be performed accurately and is independent of manufacturing tolerances and temperature response.
Des
weiteren ist es vorteilhaft, dass die Kalibrierungsschaltung keine
genaue Frequenz aufweisen muss und somit zur Kalibrierung des Phasenmessgliedes 3 der
Schaltung auf eine genaue Referenzfrequenz, wie z. B. einen Quarzoszillator
verzichtet werden kann.Furthermore, it is advantageous that the calibration circuit does not have to have an exact frequency and thus to calibrate the phase measuring element 3 the circuit to an accurate reference frequency, such. B. can be dispensed with a quartz oscillator.
Vorteilhaft
an der o. g. Zusammenschaltung der Schaltungen nach 4 und 8 ist,
dass sich das Verzögerungsglied 1 aus 4 nicht
nur linearisieren, sondern zusätzlich
auch kalibrieren lässt.Advantageous to the above-mentioned interconnection of the circuits according to 4 and 8th is that the delay element 1 out 4 not only linearize, but also calibrate.
In
einer Ausgestaltung wird in der 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 one embodiment, the circuit is after 4 the delay element 2 omitted, and the signals E and E 'are connected together. This is in 9 shown. The advantage of the resulting circuit is the simpler structure. One disadvantage is that it allows only positive signal delay times to be set.
In
einer weiteren Ausgestaltung wird in der 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.In a further embodiment is in the circuit after 4 the subtractor 4 through a comparator 6 and the amplifier 5 through a flip flop 7 with downstream low pass filter 8th replaced. This is in 10 shown. The comparator 6 compares the control signal S with the output signal of the delay measuring element 3 and indicates whether the control signal is greater or less than the output of the delay measuring element 3 is. The flip flop 7 is at its signal input to the output of the comparator 6 and at its output to the input of the low pass filter 8th connected. At his clock input is the flip flop 7 subjected to a clock signal C whose frequency is higher than the cutoff frequency of the low-pass filter 8th is. The low pass filter 8th is at its output to the control input S 'of the delay element 1 connected.
Diese
Ausgestaltung der Erfindung hat den Vorteil, dass mehr einfache
digitale Schaltungsteile verwendet werden.These
Embodiment of the invention has the advantage that more simple
digital circuit parts are used.
In
einer weiteren Ausgestaltung kann das feste Verzögerungsglied 2 in
der 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 Schaltung nach 4 symmetrisch.In a further embodiment, the fixed delay element 2 in the circuit after 4 be replaced by a controllable delay element. If this delay element is also identical to the delay element 1 in 4 and if its control input is set to an average value, it can be easily achieved that for the modulation range of the delay time TV, TV, max = - TV, is min. As a result, the overall control characteristic TV (S) of the circuit after 4 symmetrical.
In
einer weiteren Ausgestaltung wird vor den Steuereingang der 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 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.In a further embodiment, before the control input of the circuit after 4 a digital-to-analog converter is connected, so that a digitally controlled delay element is realized. This is in 11 shown. The circuit parts 1 to 5 correspond to the circuit after 4 , The digital-to-analog converter 9 is applied to its input with a digital control value and is connected at its output to the control signal S.
Eine
weitere Ausgestaltung der Schaltung 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 den im Speicher 10 abgelegten
Tabellenwerten Phasenschieber mit beliebigen, programmierbaren Kennlinien
realisieren.Another embodiment of the circuit is shown in FIG 12 shown. The circuit corresponds to the circuit in 11 , wherein the circuit is additionally a memory 10 is extended. The input of the digital-to-analog converter 9 is with the data output of the memory 10 connected, at whose address input a digital control value is applied. In the storage room 10 a table is stored which translates a digital address input value into a digital data output value. In this way, each corresponding to the memory 10 stored table values can realize phase shifters with arbitrary, programmable characteristic curves.
Eine
weitere Ausgestaltung der 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.A further embodiment of the circuit according to 4 for the phase shift or delay of more than one signal is in 13 shown. The circuit corresponds to the circuit after 9 , wherein the circuit with the delay elements 1' is extended to N '. The one or more additional delay elements 1' to N 'are driven by the common control signal S' and each have different periodic or non-periodic input signals E1 'to EN' and output signals A1 'to AN' on. In addition, the delay elements have 1' to N 'an identical structure as the delay element 1 on. In this way, multiple signals can be delayed with the same delay time, wherein the delay time is adjustable via the control signal S.
In
einer weiteren Ausgestaltung der 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 Verzögerungsglieder
realisieren, deren Verstellbereich ein Vielfaches des Messbereichs
des Verzögerungsmessgliedes 3 aus 13 entspricht
und die über
das Steuersignal S einstellbar sind.In a further embodiment of the circuit according to 4 the circuit is again like in 13 built up. The delay elements 1' However, to N 'consist in each case of one or more series-connected delay elements, each having an identical structure as the delay element 1 exhibit. In this way, delay elements can be realized whose adjustment range is a multiple of the measuring range of the delay measuring element 3 out 13 corresponds and which are adjustable via the control signal S.
In
einer weiteren Ausgestaltung der 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 a further embodiment of the circuit according to 4 has the delay element 1 another control input for setting the output amplitude A on. This can be z. B. by an amplifier with adjustable gain factor. Frequently, such amplifiers have a signal propagation time that depends on the set amplification factor. As a result, the characteristic of the delay element 1 depending on the set amplification factor. However, since by means of the control loop of delay measuring 3 , Subtractor 4 and amplifiers 5 the control characteristic of the delay measuring element 3 the overall control characteristic TV (S), ie determines the relationship between the control signal S and the delay between the signal E 'and A, the variable adjustment of the gain advantageously has no effect on the overall control characteristic. Will the output amplitude of the delay element 1 additionally kept constant via an amplitude control, so you get a delay element with accurate characteristic and over the entire range of constant output amplitude.
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.In further embodiments of the circuits according to 9 to 13 assign the delay element 1 and all with delay element 1 identical delay elements each have an additional control input for adjusting the output amplitudes. These additional control inputs for setting the output amplitudes are all interconnected. Optionally, in turn, the amplitude can be kept constant via an amplitude control.
Eine
weitere Ausgestaltung der Schaltungen nach 4 und 8 betrifft
die genaue Erzeugung von festen, nicht verstellbaren Phasendifferenzen und
ist in 14 gezeigt. Ein Eingangssignal
E wird auf den Eingang eines einstellbaren Verzögerungsglieds 1 gegeben,
das ein verzögertes
Ausgangssignal A 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.A further embodiment of the circuits according to 4 and 8th relates to the exact generation of fixed, non-adjustable phase differences and is in 14 shown. An input signal E is applied to the input of an adjustable delay element 1 given, which generates a delayed output signal A. Input and output signal of the delay element 1 go to the two signal inputs of a phase measuring element 3 whose output is connected to the negative input of a subtractor 4 connected. The output of the subtractor 4 is connected to the input of an amplifier element 5 connected to high gain, whose output in turn to the control input S 'of the delay element 1 connected is. The positive input of the subtractor 4 is with the output of the second phase measuring element 12 whose two signal inputs are connected to the two outputs of the signal generator 11 are connected. The two phase measuring elements 3 and 12 have an identical structure. The signal generator 11 generates two signals with the same frequency and a fixed phase difference, where the frequency can be inaccurate, but the phase difference must be known exactly.
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.For the control loop to work stably, at least one of the elements must 3 . 4 or 5 in 14 Low-pass character or have the reaction time of the delay element 1 be sufficiently slow to changes of the control signal S '. If not, it must be in the circuit 14 a low-pass filter between element 3 and 4 , between element 4 and 5 , or between element 5 and 1 be switched.
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.The operation of the circuit after 14 can now be described as follows: The circuit parts 11 and 12 generate at the output of the phase measuring element 12 an output that is the fixed phase difference of the signals of the signal generator 11 equivalent. This output, which is at the positive input of the subtractor 4 is applied, causes the control loop, which consists of the circuit parts 1 . 3 . 4 and 5 exists, the delay element 1 so controls that the phase difference at the delay element 1 the phase difference of the output signals of the signal generator 11 equivalent. This also applies if the input signal frequency at the delay element 1 different from the frequency of the signal generator 11 different.
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.The signal generator 11 out 14 can be realized, for example, with a multi-stage, free-running ring oscillator, wherein the two output signals of the signal generator are tapped behind two different stages of the ring oscillator. Is the phase difference between the output signals of the signal generator 11 90 degrees, so can be generated with the circuit quadrature signals at different input frequencies.
Die
Schaltung zur Kalibrierung von Phasenmessgliedern nach 8 dient
der kontinuierlichen Kalibrierung von Phasenmessgliedern. In einer
weiteren Ausgestaltung der 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 12 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.The circuit for the calibration of phase measuring elements after 8th serves for the continuous calibration of phase measuring elements. In a further embodiment of the circuit according to 8th the circuit is modified so that the calibration is done only at certain time intervals. This circuit is in 15 shown. The circuit parts 11 . 12 . 13 correspond to the circuit parts 11 . 12 . 13 out 8th , A signal switcher 15 allows either the two output signals of the signal generator 11 or the signals F1 and F2 on the inputs of the phase measuring element 12 to switch. Are the two output signals of the signal generator 11 to the inputs of the phase measuring element 12 switched, then the phase measuring element 12 calibrated, ie the evaluation unit 13 Regulates the calibration size K so that the output of the phase measuring element 12 becomes equal to the reference value R. Now the two signals F1 and F2 to the input of the phase measuring element 12 switched, the evaluation unit stops 13 the previously set value K. The advantage of this circuit is that only one phase measuring element has to be used, which is used both for calibration and phase measurement of the signal le F1 and F2 is used.
Ausführungsbeispiele
der beiden Schaltungen 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.embodiments
the two circuits are z. B. linear phase shifters or delay elements
for the synchronization of clock and data signals in digital systems,
Phase shifter or delay elements
for stabilizing signal propagation times against temperature and manufacturing tolerances,
Signal generators for
the generation of quadrature signals, as well as phase or delay measuring devices.