DE102022212001A1 - Verfahren zur Steuerung eines spannungsgesteuerten Oszillators - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines spannungsgesteuerten Oszillators. Es werden zumindest zwei Bandauswahlsignale (BI- BIV) für den Oszillator bereitgestellt, mit denen unterschiedliche Frequenzbänder (I - IV) des Oszillators ausgewählt werden. Zudem wird eine Abstimmspannung (u) an einem Eingang des Oszillators bereitgestellt, mit der die Ausgangsfrequenz (f) des Oszillators eingestellt wird. Es ist eine Vorzeichenumschaltung der Abstimmspannung (u) vorgesehen, sodass hintereinander eine ansteigende Abstimmspannung (u) und eine absteigende Abstimmspannung (u) in den unterschiedlichen Frequenzbändern (I - IV) für den Oszillators (1) bereitgestellt werden.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines spannungsgesteuerten Oszillators und eine Schaltungsanordnung für einen spannungsgesteuerten Oszillator.
• Stand der Technik
• Ein spannungsgesteuerter Oszillator (voltage-controlled oscillator, VCO) ist ein Oszillator, dessen Frequenz annähernd linear zu einer Abstimmspannung eines analogen Signals moduliert werden kann. Oftmals wird der Frequenzbereich in mehrere Bandbereiche eingeteilt. Dadurch können auch große Modulationsbandbreiten, wie z. B. 57-64 GHz, 57-71GHz oder 76-81 GHz realisiert werden, mit der bei einem Radar eine hohe Entfernungstrennfähigkeit erreicht wird. Die Frequenz wird durch die Abstimmspannung nur innerhalb des ausgewählten Frequenzbands moduliert, wodurch eine geringere Empfindlichkeit der erzeugten Frequenz von der Abstimmspannung entsteht.
• Bei hochintegrierten Schaltkreisen ist die erreichbare Abstimmspannung oft auf wenige Volt begrenzt, teilweise sogar auf weniger als ein Volt, z. B. bei der CMOS-Technologie (complementary metal-oxide-semiconductor). Bereits geringe Störspannungen können sich stark auf die Modulation auswirken und schlimmstenfalls zu einer zusätzlichen Frequenzmodulation führen.
• Heutzutage werden differentielle Tuningeingänge verwendet, mit denen der Spanungsbereich verdoppelt wird.
• Offenbarung der Erfindung
• Es wird ein Verfahren zur Steuerung eines spannungsgesteuerten Oszillator mit den folgenden Schritten vorgeschlagen: Zumindest zwei Bandauswahlsignale werden für den Oszillator bereitgestellt. Mit diesen werden vorgebbare unterschiedliche Frequenzbänder innerhalb des Arbeitsbereichs des Oszillators ausgewählt. Die Anzahl der Bandauswahlsignale ist nicht beschränkt, d.h. es können auch mehrere Bandauswahlsignale vorgesehen sein. Insbesondere ist je ein Bandauswahlsignal für ein Frequenzband vorgesehen. Zudem wird eine Abstimmspannung an einem Eingang des Oszillators bereitgestellt. Mit dieser Abstimmspannung stellt der spannungsgesteuerte Oszillator die Ausgangsfrequenz ein. Aus der Abstimmspannung und deren Zuordnung zum jeweiligen Frequenzband wird die Modulation des Ausgangssignals mit der entsprechenden Frequenz moduliert.
• Die Abstimmspannung durchläuft nicht wie herkömmlicherweise üblich jedes Frequenzband mit einer ansteigender Kurve, sodass über alle Frequenzbänder eine Sägezahnform entsteht. Erfindungsgemäß ist eine Vorzeichenumschaltung der Abstimmspannung vorgesehen, bei der hintereinander eine ansteigende Abstimmspannung und eine absteigende Abstimmspannung in den unterschiedlichen Frequenzbändern vorgesehen ist. Die Abstimmspannung steigt also ein einem Frequenzband an, sodass die Abhängigkeit $$f\propto ku$$

  

  zwischen der Frequenz f, der Steigung k und der Abstimmspannung u gegeben ist. Die ansteigende Abstimmspannung ist vorzugsweise linear, sodass die Steigung k konstant ist. Die in der Praxis auftretende Frequenzabhängigkeit der Steigung k kann über eine Kalibrierung mit einer von einem Digital-Analog-Umwandler ausgegebenen Ansteuersignal korrigiert werden.
• An einem Umschaltpunkt zum darauffolgenden Frequenzband erfolgt ein Vorzeichenwechsel der Abstimmspannung, sodass die Abstimmspannung in diesem Frequenzband absteigt und die Abhängigkeit $$f\propto -ku$$

  

  gegeben ist. Auch die absteigende Abstimmspannung ist vorzugsweise linear, sodass die Steigung k weiterhin konstant ist. Dies kann über die vorstehend beschriebene Kalibrierung erreicht werden.
• Auf eine ansteigende Kurve folgt am Umschaltpunkt zwischen den Frequenzbändern eine absteigende Kurve, sodass ein kontinuierlicher Übergang geschaffen wird. Auf die absteigende Kurve folgt dann an einem weiteren Umschaltpunkt wieder eine ansteigende Kurve und so weiter. Alternativ kann auch mit einer absteigenden Abstimmspannung begonnen werden. Über alle Frequenzbänder entsteht somit ein zickzackförmiger Verlauf der Abstimmspannung.
• In der Praxis kommt es bei dem sägezahnförmigen Verlauf, beispielsweise durch einen Antialiasing-Filter im Digital-Analog-Umwandler - der damit unerwünschte Artefakte und hochfrequente Störsignale unterdrückt -, aufgrund der steilen Flanken am Übergang zu Überschwingern. Die Überschwinger führen an den Übergangen zwischen den verschiedenen Frequenzbändern zu Frequenzsprüngen und/oder Störungen im Ausgangssignal. Durch die Vorzeichenumschaltung wird ein kontinuierlicher Übergang geschaffen, der keine Spannungssprünge aufweist. Somit werden keine Überschwinger erzeugt und eine störungsfreie durchgehend breitbandige Frequenzmodulation ermöglicht und schließlich ein glattes Ausgangssignal generiert.
• In einer realen Oszillatorschaltung treten an den Übergängen nicht-ideale Eigenschaften auf. Hierzu zählen vor allem überlappende Bandgrenzen. Diese können durch eine Kalibrierung berücksichtigt werden. Vorzugsweise wird der Umschaltzeitpunkt der Vorzeichenumschaltung auf den Schnittpunkt der ansteigenden Abstimmspannung mit der absteigenden Abstimmspannung kalibriert. Damit wird der Verlauf der Abstimmspannung auf die realen Begebenheiten angepasst und nicht auf die durch die Bandauswahlsignale vorgegebenen Bandgrenzen.
• Bei hochintegrierten Oszillatoren, wie z. B. in der CMOS-Technologie, weisen die Oszillatoren typischerweise differentielle Eingänge auf. Die Abstimmspannung kann vorzugsweise ein differentielles Signal sein, das hierfür verwendet werden kann.
• Des Weiteren wird eine Schaltungsanordnung für einen spannungsgesteuerten Oszillator vorgeschlagen. Die Schaltungsanordnung weist einen Bandauswahlsignalgeber auf, der eingerichtet ist, die obengenannten Bandauswahlsignale für den Oszillator bereitzustellen. Zudem weist die Schaltungsanordnung einen Spannungsgeber auf, der eingerichtet ist, wie oben beschrieben, eine Abstimmspannung an einem Eingang des Oszillators bereitzustellen. Die Schaltungsanordnung, daher insbesondere der Bandauswahlsignalgeber und der Spannungsgeber, ist/sind eingerichtet, das vorstehend beschriebene Verfahren auszuführen.
• Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
• 1 zeigt ein Blockschaltbild für einen spannungsgesteuerten Oszillator mit einer Schaltungsanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
• 2 zeigt ein Diagramm eines gewünschten zeitlichen Verlaufs einer Ausgangsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators.
• 3 zeigt ein Diagramm eines zeitlichen Verlaufs der Abstimmspannung für den spannungsgesteuerten Oszillators gemäß dem Stand der Technik.
• 4 zeigt ein Diagramm eines zeitlichen Verlaufs der Abstimmspannung für den spannungsgesteuerten Oszillators gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
• 5 zeigt ein Diagramm eines zeitlichen Verlaufs der Abstimmspannung für den spannungsgesteuerten Oszillators gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
• 6 zeigt ein Diagramm eines zeitlichen Verlaufs der Abstimmspannung für den spannungsgesteuerten Oszillators gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung
• 1 zeigt ein Blockschaltbild mit einem spannungsgesteuerten Oszillator 1. Ein Bandauswahlsignalgeber 2 gibt in diesem Beispiel vier Bandauswahlsignale B_I - B_IV an den spannungsgesteuerten Oszillator 1 aus. Mit diesen vier Bandauswahlsignalen B_I - B_IV wird der Frequenz-Arbeitsbereich des spannungsgesteuerten Oszillator 1 in vier Frequenzbänder I, II, III, IV eingeteilt, wie in den 2 bis 6 gezeigt. Ferner ist ein Spannungsgeber 3 vorgesehen, der eine Abstimmspannung u ausgibt. Die Abstimmspannung u durchläuft einen Digital-Analog-Umwandler 4 und einen Tiefpassfilter, bevor sie an einem Eingang des spannungsgesteuerten Oszillators 1 angelegt wird. Der spannungsgesteuerten Oszillator 1 gibt abhängig von der Abstimmspannung u und den Bandauswahlsignalen B_I - B_IV ein mit einer Frequenz f moduliertes Ausgangssignal S aus.
• In 2 ist der gewünschte zeitliche Verlauf der Frequenz f des Ausgangssignals S über die vier Frequenzbänder I, II, III, IV des spannungsgesteuerten Oszillators 1 dargestellt. Die Frequenz f des Ausgangsignals S soll in einem linearen Verlauf über die vier Frequenzbänder I, II, III, IV hinweg von einer minimalen Frequenz f_u bis zu einer maximalen Frequenz f₀ verlaufen. An den Bandgrenzen BG der Frequenzbänder I, II, III, IV soll dabei ein kontinuierlicher Übergang stattfinden.
• 3 zeigt einen realen herkömmlichen zeitlichen Verlauf der Abstimmspannung u für eine Ansteuerung gemäß dem Stand der Technik. Die Abstimmspannung u verläuft in jedem Frequenzband I, II, III, IV von einer minimalen Spannung u_min mit einem linearen Anstieg zu einer maximalen Spannung u_max. An den Bandgrenzen BG wird die Abstimmspannung u somit schlagartig von der maximalen Spannung u_max auf die minimale Spannung u_min umgeschaltet. Die Abstimmspannung u folgt einer Sägezahnform und weist große Spannungssprünge auf. Allerdings ist diese Sägezahnform in der Praxis nicht ideal und es entstehen durch die Spannungssprünge Überschwinger O, bei denen die Abstimmspannung u unterhalb der minimalen Spannung u_min abfällt. Die Überschwinger O führen an den Bandgrenzen BG zu Frequenzsprüngen und/oder Störungen im Ausgangssignal S.
• 4 zeigt einen zeitlichen Verlauf der Abstimmspannung u für eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Im ersten Frequenzband I verläuft die Abstimmspannung u von einer minimalen Spannung u_min mit einem linearen Anstieg, also einer konstanten positiven Steigung, zu einer maximalen Spannung u_max. An der Bandgrenze BG zwischen dem ersten Frequenzband I und dem zweiten Frequenzband II erfolgt eine Vorzeichenumschaltung der Abstimmspannung u durch den Spannungsgeber 3, sodass die Abstimmspannung u im zweiten Frequenzband II von derselben maximalen Spannung u_max mit einem linearen Abstieg, also einer konstanten negativen Steigung, zu der minimalen Spannung u_min verläuft. An der Bandgrenze BG zwischen dem zweiten Frequenzband II und dem dritten Frequenzband III erfolgt erneut eine Vorzeichenumschaltung der Abstimmspannung u durch den Spannungsgeber 3, sodass die Abstimmspannung u im dritten Frequenzband III wiederum von derselben minimalen Spannung u_min mit einem linearen Anstieg, also einer konstanten positiven Steigung, zu der maximalen Spannung u_max verläuft. Im vierten Frequenzband IV ist wieder ein Anstieg vorgesehen. Die Abstimmspannung u folgt also einer Zickzackform. An den Bandgrenzen BG findet kein Spannungssprung statt, sondern es erfolgt ein kontinuierlicher Übergang der Abstimmspannung u. Dementsprechend verläuft auch die Frequenz f des Ausgangssignals S ohne Frequenzsprüngen und/oder Störungen und folgt dem idealen Verlauf aus 2.
• 5 zeigt einen zeitlichen Verlauf für einen spannungsabhängigen Oszillator 1 mit einem differentiellen Tuningeingang, bei dem die Abstimmspannung u als differentielle Signale u_n und u_p vorliegen. Die beiden Signale u_n und u_p weisen jeweils die in 4 beschriebene Zickzackform auf, bei denen sich Anstieg und Abstieg abwechseln. Dabei sind die beiden Signale u_n und u_p genau gegenläufig. Steigt beispielsweise das eine Signale u_p in einem Frequenzband (z. B. I und III) an, so weist das andere Signal u_n in diesem Frequenzband einen Abstieg auf, und umgekehrt.
• In 6 ist ein zeitlicher Verkauf der Abstimmspannung u bei einer nichtidealen Realisierung des spannungsabhängigen Oszillators 1 dargestellt. Hier überlappen die von den Bandauswahlsignalen B_I - B_IV vorgegebenen Frequenzbänder I - IV, sodass die Bandgrenzen BG_I - BG_IV nicht mehr aufeinander liegen. Nach obiger Beschreibung soll die Abstimmspannung u jeweils zwischen den Bandgrenzen des zugehörigen Frequenzbands I - IV verlaufen. Für das zweite Frequenzband II sollte der Abstieg der Abstimmspannung u von der linken Bandgrenze BG_II zur rechten Bandgrenze BG_II verlaufen. Der Anstieg der Abstimmspannung u im dritten Frequenzband III sollte von der linken Bandgrenze BG_III beginnen, welche früher erscheint als die rechte Bandgrenze BG_II des zweiten Frequenzbands II. Dies würde zu unterschiedlichen Umschaltzeitpunkten für die Vorzeichenumschaltung führen.
• Es ist daher vorgesehen, den Umschaltzeitpunkt P für die Vorzeichenumschaltung für den Übergang zwischen den Frequenzbändern I und II sowie für den Übergang zwischen den Frequenzbändern III und IV in den Schnittpunkt der ansteigenden Abstimmspannung und der absteigenden Abstimmspannung u zu legen und für den Übergang zwischen den Frequenzbändern II und III in den Schnittpunkt der absteigenden Abstimmspannung u und der ansteigenden Abstimmspannung u zu kalibrieren.

Claims (5)

1. Verfahren zur Steuerung eines spannungsgesteuerten Oszillators (1) mit folgenden Schritten: - Bereitstellen zumindest zweier Bandauswahlsignale (B_I - B_IV) für den Oszillator (1), mit denen unterschiedliche Frequenzbänder (I - IV) des Oszillators (1) ausgewählt werden; - Bereitstellen einer Abstimmspannung (u) an einem Eingang des Oszillators (1), mit der die Ausgangsfrequenz (f) des Oszillators (1) eingestellt wird; gekennzeichnet durch eine Vorzeichenumschaltung der Abstimmspannung (u), sodass hintereinander eine ansteigende Abstimmspannung (u) und eine absteigende Abstimmspannung (u) in den unterschiedlichen Frequenzbändern (I - IV) für den Oszillators (1) bereitgestellt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Umschaltzeitpunkt (P) der Vorzeichenumschaltung auf den Schnittpunkt der ansteigenden Abstimmspannung (u) mit der absteigenden Abstimmspannung (u) kalibriert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ansteigende Abstimmspannung (u) und/oder die absteigende Abstimmspannung (u) einen linearen Verlauf aufweist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstimmspannung ein differentielles Signal (u_p, _Un) ist.
5. Schaltungsanordnung für einen spannungsgesteuerten Oszillator (1), aufweisend einen Bandauswahlsignalgeber (2), der eingerichtet ist, Bandauswahlsignale (B_I - B_IV) für den Oszillator (1) bereitzustellen, und einen Spannungsgeber (3), der eingerichtet ist, eine Abstimmspannung (u) an einem Eingang des Oszillators (1) bereitzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 auszuführen.

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