DE102010011128A1 - Frequency synthesizer for time base generator of level measuring device, has fractional frequency divider operated with periodical divider factor sequences whose periodical length is shorter in specified range - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Frequenzsynthesizer, insbesondere für einen Zeitbasisgenerator eines Füllstandsmessgeräts, das nach dem Radarprinzip arbeitet, zur Ausgabe eines ersten Frequenzsignals mit der Frequenz f1 und eines zweiten Frequenzsignals mit der Frequenz f2, wobei das erste Frequenzsignal mit der Frequenz f1 und das zweite Frequenzsignal mit der Frequenz f2 eine geringe Differenzfrequenz Δf aufweisen, mit einem Referenzoszillator, einem Phasenregelkreis und einem Logikelement, wobei der Phasenregelkreis einen Phasenfrequenzdiskriminator, einen Regeloszillator, einen ersten fraktionalen Frequenzteiler und einen Schleifenfilter aufweist.The invention relates to a frequency synthesizer, in particular for a time base generator of a level gauge, which operates on the radar principle, for outputting a first frequency signal having the frequency f 1 and a second frequency signal having the frequency f 2 , wherein the first frequency signal with the frequency f 1 and the second frequency signal having the frequency f 2 has a small difference frequency .DELTA.f, with a reference oscillator, a phase locked loop and a logic element, wherein the phase locked loop comprises a phase frequency discriminator, a control oscillator, a first fractional frequency divider and a loop filter.
Derartige Frequenzsynthesizer sind insbesondere für einen Zeitbasisgenerator eines Füllstandsmessgeräts geeignet, das nach dem Radarprinzip arbeitet. Ein solches Füllstandsmessgerät kann z. B. auf dem TDR-Messprinzip (Time Domain Reflectometry) basieren. Das TDR-Messprinzip ist z. B. aus dem Bereich der Kabelprüfung bekannt und weist Ähnlichkeiten mit der Funktionsweise von Radargeräten auf. Bei einem TDR-Füllstandsmessgerät wird ein extrem kurzer elektrischer Impuls, geführt über einen oder zwei im wesentlichen gerade verlaufende elektrische Leiter, in einen Behälter ausgesandt, in dem sich ein Medium, wie eine Flüssigkeit, ein Pulver oder ein Granulat befindet, dessen Füllstand bestimmt werden soll. Der über die beiden Leiter in den Behälter ausgesandte kurze elektrische Impuls wird an der Oberfläche des Mediums reflektiert, und der reflektierte Anteil des kurzen elektrischen Impulses wird von einem Messumformer des Messgeräts wieder detektiert. Der reflektierte Anteil des kurzen elektrischen Impulses hängt von der Dielektrizitätszahl des Mediums ab und steigt mit dieser. Die Laufzeit des Signals ist dabei proportional zum Abstand des Messumformers zur Oberfläche des in dem Behälter befindlichen Mediums. Sich verändernde Umgebungsbedingungen, wie ein steigender oder fallender Umgebungsdruck oder eine steigende oder fallende Temperatur, beeinträchtigen die Messgenauigkeit des TDR-Füllstandsmessgeräts nicht. Außerdem ist die Laufzeit des Signals unabhängig von der Dielektrizitätszahl des Mediums, an dem die Reflektion erfolgt.Such frequency synthesizers are particularly suitable for a time base generator of a level gauge, which operates on the radar principle. Such a level gauge can, for. B. based on the TDR measurement principle (Time Domain Reflectometry). The TDR measuring principle is z. B. in the field of cable testing known and has similarities with the functioning of radar devices. In a TDR level gauge, an extremely short electrical pulse guided by one or two substantially straight electrical conductors is emitted into a container containing a medium, such as a liquid, powder or granules, the level of which is determined should. The short electrical pulse emitted through the two conductors into the container is reflected at the surface of the medium, and the reflected portion of the short electrical pulse is re-detected by a transmitter of the meter. The reflected portion of the short electrical pulse depends on and increases with the dielectric constant of the medium. The duration of the signal is proportional to the distance of the transmitter to the surface of the medium in the container. Changing environmental conditions, such as increasing or decreasing ambient pressure or increasing or decreasing temperature, will not affect the accuracy of the TDR level gauge. In addition, the duration of the signal is independent of the dielectric constant of the medium at which the reflection takes place.
Das TDR-Messprinzip beruht somit darauf, dass die – unter Umständen sehr kurzen – Laufzeiten eines elektromagnetischen Signals gemessen werden. Ist der Behälter annähernd vollständig mit dem Medium gefüllt, so dass die Oberfläche des Mediums beispielsweise lediglich 15 cm unterhalb des Messumformers des TDR-Füllstandsmessgeräts liegt, beträgt die Gesamtlaufstrecke des elektromagnetischen Signals vom Messumformer zur Oberfläche des Mediums und wieder zurück lediglich 30 cm, was einer Laufzeit des kurzen elektrischen Impulses von 1 ns entspricht. Um solch kurze Laufzeiten überhaupt messen zu können, bedient man sich eines Sampling-Verfahrens, für welches zwei hochfrequente Signale erzeugt werden, die zueinander eine vorbestimmte geringe Frequenzdifferenz aufweisen. Eine Messung wird dann derart durchgeführt, dass zu einem Zeitpunkt 0, zu dem die beiden Frequenzsignale gleichphasig schwingen, mit der Messung begonnen wird. Dabei gibt das höherfrequenter schwingende Signal den Takt für die Aussendung des eigentlichen Messsignals, d. h. des kurzen elektrischen Impulses, in den Behälter an. So wird z. B. immer zu Beginn einer Periode des höherfrequent schwingenden Signals ein kurzer elektrischer Impuls generiert und in den Behälter ausgesandt. Das niedrigerfrequent schwingende Signal eilt dem höherfrequenter schwingenden Signal pro Schwingungsperiode um einen gewissen geringen Betrag nach. Damit wird ein zeitliches Raster definiert, das eine digitale Zeitbasis darstellt und mit der die Laufzeit des in den Behälter ausgesandten und an der Oberfläche des Mediums reflektierten kurzen elektrischen Impulses gemessen wird.The TDR measuring principle is thus based on measuring the - under certain circumstances very short - transit times of an electromagnetic signal. If the container is almost completely filled with the medium, so that the surface of the medium, for example, only 15 cm below the transmitter of the TDR level gauge, the total distance of the electromagnetic signal from the transmitter to the surface of the medium and back is only 30 cm, which Runtime of the short electrical pulse of 1 ns corresponds. In order to be able to measure such short transit times, a sampling method is used for which two high-frequency signals are generated which have a predetermined low frequency difference with respect to one another. A measurement is then performed such that the measurement is started at a time 0 at which the two frequency signals oscillate in phase. In this case, the higher-frequency oscillating signal gives the clock for the transmission of the actual measurement signal, d. H. short electric pulse, into the tank. So z. B. always generated at the beginning of a period of the higher frequency oscillating signal, a short electrical pulse and sent out into the container. The lower-frequency oscillating signal lags the higher-frequency oscillating signal by a certain small amount per oscillation period. Thus, a temporal raster is defined which represents a digital time base and with which the transit time of the short electrical pulse emitted into the container and reflected on the surface of the medium is measured.
In der
Aus der
Ferner ist aus der
Ein fraktionaler Frequenzteiler arbeitet, anstatt mit einem konstanten ganzzahligen Teilerfaktor, mit einem zeitlich veränderlichen Teilerfaktor, der zwischen zwei ganzzahligen Werten, üblicherweise mit N und N + 1 bezeichnet, umgeschaltet wird. Der effektive Teilerfaktor ergibt sich folglich aus dem zeitlichen Mittelwert des veränderlichen Teilerfaktors und liegt somit zwischen diesen beiden ganzzahligen Werten. Die Abfolge in der der Teilerfaktor zwischen den beiden Werten umgeschaltet wird, wird als Teilerfaktorsequenz bezeichnet. Für den zeitlichen Mittelwert NMittel des Teilerfaktors ergibt sich folgender Zusammenhang:
Hierbei stellt y/x den relativen Teilerfaktor und stellt N den ganzzahligen Teilerfaktor dar. Der kleinste erreichbare Frequenzabstand Δf zwischen zwei von dem fraktionalen Frequenzteiler – nicht gleichzeitig, sondern nacheinander – erzeugbarer Frequenzsignale ergibt sich zu:
Demnach ergibt sich gegenüber der Verwendung von nicht fraktionalen Frequenzteilern, bei denen der kleinste erreichbare Frequenzabstand Δf zwischen zwei – nicht gleichzeitig, sondern nacheinander erzeugbaren – benachbarten Frequenzsignalen der Referenzfrequenz fref entspricht, der Vorteil, dass deutlich kleinere Frequenzabstände Δf erreichbar sind. Ebenso kann bei gleichem Frequenzabstand Δf eine x-mal größere Referenzfrequenz fref gewählt werden, wodurch das Phasenrauschen des Frequenzsynthesizers deutlich verbessert wird. Um die genannten Vorteile zu erreichen, werden im Stand der Technik die Frequenzteiler üblicherweise voll-fraktional realisiert. Dies bedeutet, dass die Teilerfaktorsequenz eine sehr lange Periodizität aufweisen muss. Somit kommen aber auch von der Teilerfaktorsequenz abhängige Störungen im Frequenzbereich fast beliebig nahe an das Nutzsignal heran. Dies kann wiederum dadurch kompensiert werden, dass mit Hilfe von mehrstufigen Delta-Sigma-Filtern diese trägernahen Störungen unterdrückt werden. Jedoch stellen sich hohe Anforderungen an die Linearität der Komponenten des Phasenregelkreises, woraus sich wiederum ein erheblicher analoger Schaltungsaufwand ergibt.Accordingly, compared to the use of non-fractional frequency dividers, in which the smallest achievable frequency spacing .DELTA.f between two adjacent frequency signals corresponding to the reference frequency f.sub.ref does not correspond to one another, the advantage that significantly smaller frequency spacings .DELTA.f can be achieved. Likewise, with the same frequency spacing Δf, an x times larger reference frequency f ref can be selected, as a result of which the phase noise of the frequency synthesizer is markedly improved. In order to achieve the stated advantages, the frequency dividers are usually realized in a fully fractional manner in the prior art. This means that the divider factor sequence must have a very long periodicity. Thus, however, interferences in the frequency range which are dependent on the divider factor sequence come almost as close to the useful signal. This can in turn be compensated for by suppressing these carrier-related disturbances with the aid of multistage delta-sigma filters. However, there are high demands on the linearity of the components of the phase-locked loop, which in turn results in a considerable amount of analog circuitry.
Damit ist es die Aufgabe der Erfindung, einen Frequenzsynthesizer der vorgenannten Art anzugeben, der trotz guten Regelverhaltens und guter Störunterdrückung einfach und kostengünstig herzustellen ist.Thus, it is the object of the invention to provide a frequency synthesizer of the aforementioned type, which is easy and inexpensive to produce despite good control behavior and good interference suppression.
Die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe ist ausgehend von dem eingangs beschriebenen Frequenzsynthesizer dadurch gelöst, dass der Frequenzsynthesizer einen zweiten fraktionalen Frequenzteiler zwischen dem Referenzoszillator und dem Phasenregelkreis aufweist. Dies bedeutet, dass dem zweiten fraktionalen Frequenzteiler das Eingangsfrequenzsignal mit der Frequenz f01 des Referenzoszillators zur Verfügung gestellt wird, der zweite fraktionale Frequenzteiler durch Teilung der Frequenz des Eingangsfrequenzsignals mit der Frequenz f01 durch den fraktionalen Teilerfaktor R das Referenzfrequenzsignal mit der Frequenz fref erzeugt und dieses dem Phasenfrequenzdiskriminator des Phasenregelkreises zuführt. Der Regeloszillator des Phasenregelkreises erzeugt ein Regelfrequenzsignal mit der Frequenz f02, welches nach Teilung der Frequenz durch den fraktionalen Teilerfaktor L des ersten fraktionalen Frequenzteilers, ebenfalls dem Phasenfrequenzdiskriminator zugeführt wird. Das Ausgangssignal des Phasenfrequenzdiskriminators wird von einem Schleifenfilter verarbeitet. Das Ausgangssignal des Schleifenfilters wiederum dient der Steuerung des Regeloszillators, der z. B. als spannungsgesteuerter Oszillator ausgestaltet sein kann. Der erste fraktionale Frequenzteiler und der zweite fraktionale Frequenzteiler werden vorzugsweise von demselben Logikelement gesteuert, wodurch ein zweites Logikelement eingespart wird. Für den kleinsten erreichbaren Frequenzabstand Δf zwischen dem ersten auszugebenden Frequenzsignal mit der Frequenz f1 und dem zweiten auszugebenden Frequenzsignal mit der Frequenz f2, welche in dem zuvor beschriebenen Fall direkt dem Eingangsfrequenzsignals mit der Frequenz f01 bzw. dem Regelfrequenzsignal mit der Frequenz f02 entsprechen, ergibt sich:
Zu beachten ist bei Gleichung 3, dass es sich hier – im Gegensatz zu Gleichung 2 – tatsächlich um den Frequenzabstand von geleichzeitig erzeugten Frequenzsignalen handelt. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste fraktionale Frequenzteiler und der zweite fraktionale Frequenzteiler mit periodischen Teilerfaktorsequenzen betrieben werden. Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Periodenlängen T der Teilerfaktorsequenzen kurz sind. Gemäß einer ganz besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Periodenlängen T der Teilerfaktorsequenzen derart kurz sind, dass die von den Teilerfaktorsequenzen abhängigen Störungen durch den Schleifenfilter unterdrückt werden. Kurze Periodenlängen haben den Vorteil, dass die durch die Teilerfaktorsequenzen bedingten Störungen im Frequenzbereich weit entfernt vom Trägersignal liegen und somit, z. B. durch den Schleifenfilter, leicht unterdrückt werden können. Viele fraktionale Teiler werden in der Praxis mit Periodenlängen von 24 Bit bis 32 Bit betrieben. Mit dem erfindungsgemäßen Frequenzsynthesizer können jedoch fraktionale Teiler eingesetzt werden, die Periodenlängen von lediglich 10 Bit (oder weniger) aufweisenIt should be noted in
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Teilerfaktorsequenzen während einer Periode möglichst viele Wechsel des Teilerfaktors aufweisen, damit möglichst hochfrequente Störungen erzeugt werden, die von den interessierenden Frequenzen der Frequenzsignale weit beabstandet sind. Grundsätzlich lässt sich der hier beschriebene Frequenzsynthesizer mit zwei fraktionalen Frequenzteilern jedoch auch mit Teilerfaktorsequenzen langer Periodenlänge betreiben.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the divider factor sequences during a period as many changes of the divider factor, so that possible high-frequency noise are generated, which are widely spaced from the frequencies of interest of the frequency signals. In principle, however, the frequency synthesizer described here with two fractional frequency dividers can also be operated with divider factor sequences of long period length.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste fraktionale Frequenzteiler und der zweite fraktionale Frequenzteiler mit Teilerfaktorsequenzen gleicher Periodenlänge T arbeiten. Damit wird erreicht, dass lediglich Störungen bei Frequenzen auftauchen, die einem ganzzahligen Vielfachen der ersten Störfrequenz fstör entsprechen, die sich wie folgt berechnet: According to an advantageous development of the invention, it is provided that the first fractional frequency divider and the second fractional frequency divider operate with divider factor sequences of the same period length T. This ensures that only disturbances occur at frequencies which correspond to an integer multiple of the first interference frequency f stub , which is calculated as follows:
Insbesondere tauchen keine Störungen auf, die unterhalb der ersten Störfrequenz fstör liegen.In particular, no disturbances occur which are below the first interference frequency f disturb .
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein erster Frequenzteiler vorgesehen ist, wobei der erste Frequenzteiler zur Zuführung des Eingangsfrequenzsignals mit der Frequenz f01 mit dem Referenzoszillator verbunden ist und der erste Frequenzteiler zur Ausgabe des ersten Frequenzsignals mit der Frequenz f1 dient. Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein zweiter Frequenzteiler vorgesehen ist, wobei der zweite Frequenzteiler zur Zuführung des Regelfrequenzsignals mit der Frequenz f02 mit dem Regeloszillator verbunden ist und der zweite Frequenzteiler zur Ausgabe des zweiten Frequenzsignals mit der Frequenz f2 dient. Gemäß einer ganz besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Frequenzteiler und/oder der zweite Frequenzteiler ganzzahlig betrieben werden. Für den Fall, dass sowohl ein erster ganzzahliger Frequenzteiler mit dem Teilerfaktor V1 als auch ein zweiter ganzzahliger Frequenzteiler mit dem Teilerfaktor V2 vorgesehen sind, ergibt sich für den kleinsten erreichbaren Frequenzabstand Δf zwischen dem ersten auszugebenden Frequenzsignal mit der Frequenz f1 und dem zweiten auszugebenden Frequenzsignal mit der Frequenz f2 folgender Zusammenhang: According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that a first frequency divider is provided, wherein the first frequency divider for supplying the input frequency signal with the frequency f 01 is connected to the reference oscillator and the first frequency divider is used to output the first frequency signal with the frequency f 1 . According to a particularly advantageous embodiment of the invention, it is provided that a second frequency divider is provided, wherein the second frequency divider for supplying the control frequency signal with the frequency f 02 is connected to the control oscillator and the second frequency divider is used to output the second frequency signal with the frequency f 2 , According to a particularly advantageous development of the invention, it is provided that the first frequency divider and / or the second frequency divider are operated in integers. In the event that both a first integer frequency divider with the divider factor V 1 and a second integer frequency divider are provided with the divider factor V 2 , results for the smallest achievable frequency difference .DELTA.f between the first output frequency signal with the frequency f 1 and the second output frequency signal with the frequency f 2 the following relationship:
Durch eine hinreichend kleine Wahl des Zählers und einer hinreichend großen Wahl des Nenners, lässt sich somit ein äußerst kleiner Frequenzabstand Δf erreichen.By a sufficiently small choice of the counter and a sufficiently large choice of the denominator, thus an extremely small frequency spacing .DELTA.f can be achieved.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Referenzoszillator ein Quarzoszillator ist.According to an advantageous development of the invention, it is provided that the reference oscillator is a quartz oscillator.
Im Einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, den erfindungsgemäßen Frequenzsynthesizer auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche sowie auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen verwiesen.In particular, there are now a variety of ways to design and further develop the frequency synthesizer according to the invention. Reference is made to the claims subordinate to claim 1 and to the following detailed description of preferred embodiments of the invention with reference to the drawings.
In der Zeichnung zeigtIn the drawing shows
Die
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