DE1953484C3 - Schaltungsanordnung zur Regelung von Frequenz und Phase der von einem spannungsgesteuerten Oszillator gelieferten Taktimpulse - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Regelung von Frequenz und Phase der von einem spannungsgestcuerten Oszillator gelieferten Taktimpulse nach dem Oberbegriff des Anspruchs I.

Die Aufgabe, die Frequenz und Phase der von einem spannungsgesteuerten Oszillator gelieferten Signale zu regeln, stellt sich ganz allgemein in der Elektronik häufig.

So ist beispielsweise aus der Veröffentlichung »Philips Technische Rundschau«, April 1952, Seite 314 bekannt, die sinusförmigen Spannungen zweier Oszillatoren zu synchronisieren, von denen z. B. einer ein Quarzoszillator ist, der mit einer gegebenen festen Frequenz schwingt. Zur Synchronisation werden die Spannungen beider Oszillatoren einem Phasendiskriminittor zugeführt, welcher ein Signal liefert, das in eine Gleichspannung umgewandelt wird. Diese ist ein Mal.l für den Phascnuntcrschicd der beiden Oszillatorspanniingen und wird als Rcgelspanniing dom Oszillator mit regelbarer Frequenz zugeführt.

Aus der US-PS 33 7b 51 7 ist eine Schaltungsanordnung zur Regelung der Frequenz eines Oszillators in Abhängigkeit von einem Eingangssignal bekannt.

Diese Anordnung erfordert zwei Impulsgeneratoren. Der eine ist ein Taktimpulsgenerator, der von dem Oszillator gesteuert wird, dem zweiten Impulsgenerator werden die Eingangssignale zugeführt Wenn der bekannten Anordnung Binärziffern als Eingangssignale zugeführt werden sollen, muß der zweite Impulsgenerator auch ein Schieberegister und eine Reihe von Verknüpfungsgliedern enthalten.

In der DE-AS 11 44 328 ist ein Verfahren zam Phasen- und Frequenzvcrgleich beschrieben, zu dessen Ausübung eine Phascnvcrglcichsschaltung mit zwei Glcichrichterstrecken vorgesehen ist. Diese Schaltung, die der Synchronisation der Horizontalablenkung in Fernsehgeräten dient, liefert an ihrem Ausgang eine Regelspannung, die einem Oszillator zugeführt wird.

Aus der DE-AS 12 21 278 ist ein phasenbezogener Oszillator bekannt, der in Regcnerativversttrkem für PCM-Übcrirngungssystemc verwendet wird. Bei dieser Schaltungsanordnung werden ein Eingangssignal und ein örüich er/c-ügies Taktsignal in einem Phascndiskriminator verglichen und das Vergleichscrgebnis einem Tiefpaß zugeführt. Die Amplitude seines Ausgangssignals, die der mittleren Phasendifferenz zwischen den verglichenen Signalen proportional ist, wird zusammen mit einem Signal, das den Mittelwert der Taktsignale darstellt, einem integrierenden Differenzverstärker zugeführt. Sein Ausgangssignal steuert die Frequenz des das Taktsignal erzeugenden Oszillators.

in Durch die französische Patentschrift 14 58 661 ist eine Schallung zur Synchronisation eines Rechleckoszillators mit einer ständig anliegenden Rechteckbczugsschwingung bekannt. Ein in der Schaltung vorhandener Phascndiskriminator. der aus bistabilen Kippglicdern,

ΙΊ Inverlcrn und UND-Gliedern aufgebaut ist. weisi zwei Ausgänge auf. an denen er Fchlcrsignale liefert, die einem Integrator zugeführt werden und die Oszillatorfrcqucnz entweder erhöhen oder erniedrigen. Ein Ausgang des Phasendiskriminators wird dur..r. den Ausgang eines aus zwei Inverlern mit nachfolgendem UND-Glied zusammengesetzten Gliedes gebildet. Bei fehlender Bezugsschwingung nimmt die Oszillaiorfrequenz entweder einen unteren oder einen oberen Grenzwert an. Diese Schallung ist daher von ihrer Konzeption her nicht für das Synchronisieren von unregelmäßig eintreffenden Daienimpulscn mit von einem Oszillator gelieferten Taktimpulsen geeignet.

Das gilt auch für die aus der US-PS 33 28 688 bekannte Schaltung /um Vergleich der Phasen zweier periodischer Schwingungen, die bislyr 'Ie und logische Elemente verwendet und bei der ein Ausgangssignal von einem UND-Glied mit nachfolgendem Inverter geliefert wird. Auch diese Schallung liefert bei Ausfall einer Schwingung ständig ein Ausgangssignal der einen b/w. der anderen Polarität. Daher läuft auch bei ihr die Frequenz des Oszillators in eine Endlage, aus der sie bei Wiedereintreffen der Schwingung erst wieder auf deren Frequenz gezogen werden mulJ, was eine bestimmte Zeit erfordert.

Aus der US-Patentschrift 30 80 487 ist eine Schaltungsanordnung zur Synchronisation von magnetisch aufgezeichneten Daieniiiipulscn, die beim Auslesen Frcqucn/.schwankungcn aufweisen, mit Taklimpulsen bekannt. Zur Synchronisation der Dillen- mit den Takiini pulsen ist eine bistabile Kippschaltung vorgesehen, deren Sct/I.iiigang die Daten· und deren Riicksci/.-Kingnng die Taklimpulsc zugeführt werden Das Ausgangssignal der Kippschaltung beeinflußt die Irequen/

eines spannungsgesteuerten Oszillators, der die Taktimpulse liefert. Diese Schaltung benötigt viele Einzelbauteile.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung anzugeben, die einfach und weitgehend mit handelsüblichen integrierten Sch?ltungen aufgebaut ist und die die Synchronisation von magnetisch mit hoher Dichte aufgezeichneten Datenimpulsen mit Taktimpulsen gewährleistet, die eine sehr hohe Frequenz, z. B. 7,22 M Hz aufweisen.

Die genannte Aufgabe wird mit einer Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 gelöst, die durch die im Kennzeichen dieses Anspruchs genannten Merkmale charakterisiert ist.

Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Die einzelnen Figuren zeigen

F i g. 1 das Blockdiagranim eines phasenstarr gekoppelten Oszillators als Ausführungsbeispiel der Erfindung,

F i g. 2 das Biockdiagramm eines digitalen Phasendiskriminators, wie er in der Schaltung nach Fig.; verwendet wird und

F i g. 3 einige Wellenfonr.en zur Erläuterung der Erfindung.

Die vorliegende Schaltungsanordnung umfaßt einen phasenstarr gekoppelten Oszillator, dessen Kernstück vor allem ein spannungsgcstcuerter Oszillator (SCO) 10 ist. Dieser arbeitet beispielsweise auf einen Ncnnfrequenz von 7.22 MHz, was etwa der Rate der von der Schaltung übernommenen Daten entspricht. Der spannungsgesteuerte Oszillator (SGO) erzeugt Taktimpulse 12 (F i g. 3c), deren Frequenz in der Größenordnung der Frequenz der Datensignale 14 (F i g. 3a) liegt, welche "erarbeitet werden. Die Daiencingangsimpulse 14 werden gleichzeitig mit den Taktimpulsen 12, die vom Ausgangskreis des spannungsgesteuerten Oszillators 10 stammen, einem digitalen Phasendiskriminalor 16 zugeführt. Zu Beginn weisen die Daten eine konstante Abweichung bei starrer Kopplung auf. Doch dann vermindert sich der Fehler allmählich, so daß der phasensiarr gekoppelte Oszillator mit regellos einfallende·] Daten einen stabilen, nahezu fehlerfreien Arbciis/ustand erreicht. Daten- und Taktsignal werden miteinander verglichen und erzeugen so ein Phasenfcblersignal, dessen Polaritiit und Dauer maßgebend ist für die Phasenbeziehung zwischen Daten- undTakiimpulsen.

Die F i g. 2 zeigt die Verwirklichung eines Phasendiskriminators 16, wie er in d'ir Schaltung der Fig. 1 zur Verwendung kommt. Der Diskriminator 16 schließt einen lmpulsde.hner 18 ein, d<:r einen F.inzcliiiipuls 20 (Fig. 3 b) liefert, welcher stets mit der Anstiegsflanke eines einfallenden Datenimpulses zusammenfällt. Die abfallende Endflanke des Impulses 20 stellt verzögerte Information dar, wobei die Verzögerung beispielsweise etwa der halben Dauer einer Bitperiode entspricht.

Der Datenimpuls 14 wird auch einer bistabilen Kippschaltung 22(Flip-Flop) zugeführt. Liegt als Information ein »1«-Bit vor, dann wird die Kippschaltung 22 eingestellt. F.rscheint aber eine binare »0«, dann verbleibt die Kippschaltung in zurückgestelltem Zustand, und die gesamte Schaltungsanordnung ist inaktiv. Die Anordnung arbeitet also nur, wenn Daten anfallen. Haben Datenimpulse die Kippschaltung 22 eingestellt, dann wird sie vom nächsten Taktimpuls 12, den der spiinnungsgestcucrtc Oszillator 10 abgibt, .v'eder zurückgestellt.

Die bistabile Kippschaltung 22 erzeugt, angeregt durch die Takt- und DalcnimDulse. eine Wellenform 24 (F i g. 3 d), deren abwärts verlaufende Signalwechsel mit der Ansticgsflanke der Datenimpulse 14 und deren aufwärts verlaufende Wechsel mit den Anstiegsflanken der Taklimpulse 12 übereinstimmen, außer wenn keine Da's ten zur Einstellung der Kippschaltung 22 zur Verfügung stehen, d. tu wenn zwischen dem letzten Taktimpuls und dem jetzigen kein Datenimpuls auftritt. Der Impulszug 24 definiert die Phasendifferenz zwischen den Daten- und Taktimpulsen. Das Signal 24 gelangt an eine to NAND-Torschaltung 26, wenn die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators vermindert werden muß, oder an cine NAND-Torschaltung 28 über ein Verzögerungsglied 30 zur Erhöhung derselben Frequenz.

Auf dem Weg zur Erhöhung der Frequenz wird das Signal 24 der Kippschaltung 22 um etwa 5 Nanosekunden verzögert, worauf die verzögerten Impulse 32 (F i g. 3 f) zusammen mit den geformten Datenimpulsen 20 dem NAND-Kreis 28 zugeführt werden. Immer wenn beide Impulse 20 und 32 den tieferen Pege! erreicht haben bzw. negativ sind, wird ein r/ ntiver Impuls 34 (Fi g. 3 g) c-rzeügi, dessen Dauer mit tkr Zeit übereinstimmt, während welcher beide Impulse 20 und 32 gemeinsam negativ sind. Der positive Impuls 34 steuert die Stromabgabe einer Stromquelle 36 so, daß die Stromdauc" ein Maß für die Phasendifferenz zwischen Daten- und Taktimpulsen darstellt. Dieser Strom wird einem Integrations- und Kompensationsnetzwerk 38 zugeführt, das eine Fehlerspannung zur Steuerung des Oszillators 10 abgibt.

Andererseits wird ein negativer Impuls 40 (F i g. 3 h) in einem weiteren Kanal zur Verminderung der Frequenz erzeugt, wenn die Phasendifferenz zwischen Daten- und Taktimpulsen dies vom spannungsgesteuerten Oszillator 10 erfordert, d. h., dann, wenn die Daten mit j5 Rückstand eintreffen. Der negative Impuls 40 entsteht in einer NAND-Schaltung 26, welcher die Ausgangssignale 24 der Flip-Flop-Schaltung 22 sowie die verzögerten und geformten Daienimpulse 20 zugefühn werc'cn. Die Verzögerung beträgt wieder etwa 5 Nanosekunden und geschieht in der Vcrzögerungsschallung 42, wobei die ve.zögerten Impulse 44 in F i g. 3 e dargestellt sind. Die beiden Verzögerungsschaitungen 30 und 42 kompensieren die Anstiegs- und Abfallzeiteii der logischen Schaltkreise und verhindern die Entstehung sogenanntcr »toter Zonen« im Verlauf der Phasenermittlung.

Wenn der Phasenfehler gleich Null ist, arbeiten beide Verzögerungskanäle, aber der resultierende Strom, der in das Netzwerk 38 fließt, ist ebenfalls gleich Null. Negative Impulse 40 werden immer dann erzeugt, wenn die Signale 24 und 44 auf höherem Pegel liegen bzw. positiv sind. Die negativen Impulse 40 schalten eine Stromquelle 46 an das Integrations- urfd Kompensationsnetzwerk 38 an ur, J damit auch an den Eingang des Oszillators 10, so daß das Voreilen in Phase der Taktimpulse gegenüber den Daten vermindert wird.

Ein Merkmal der beschriebenen Schaltungsanordnung ist darin zu sehen, daß im Phasendiskriminator 16 eine erste Integration erfolgt, während eine zweite im Netzwerk 38 zum Zwecke der Korrektur von Phasenbo und Frcquenzlehlern erfolgt. Das Fehlersignal wird integriert, bis die Impulsbreite, welche durch den Strom zur Integrationskapazität 47 definiert ist, zu Null wird, wodurch im wesentlichen ein stabiler Zustand mit Null-Fehler er/.ielt wird. Gleich/eilig wird die Wirkung einer h^r> Drift in iillfälligen Gleichstromvcrütärkern und im spannungsgcsieucrten Oszillator der Anordnung auf ein Mi nimum begrenzt, vorausgesetzt, das Verhalten der Vcrsiärker bleibt linear und die Frequenz des Oszillators

liegt innerhalb des Arbeitsbereiches der gesamten Schaltungsanordnung. Die beschriebene Anordnung gi· stattet es zusätzlich, regellos einfallende Daten /u verar beiten. Fehlen letztere, dann erfolgt in der geschlosst: nen Schleife nichts, so daß auch keine falsche i ehlerkor rektur ausgelöst wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Schaitungsanordnung zur Regelung von Frequenz und Phase der von einem spannungsgesteuerten Oszillator gelieferten Taktimpulse, deren Frequenz annähernd der Frequenz von Datenimpulsen entspricht, die Schwankungen hinsichtlich Frequenz und Phase aufweisen, mit einem zwei Ausgänge aufweisenden Phasendiskriminalor, der zwei an je einen seiner Ausgänge angeschlossene Stromquellen entgegengesetzter Polarität steuert, von denen die eine ein Signal abgibt, das nach Integration die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators erhöht, während die andere Stromquelle ein Signal liefert, das nach Integration die Oszillatorfrequenz erniedrigt, und bei der der Phasendiskriminalor eine bekannte Phasenvergleichsschaltung aus einer bistabilen Kippschaltung (22), enthält deren Seiz-Eingang die Daten- und deren Rücksetz-Eingang die Taktimpulse zur Erzeugung eines die Phäit-nvef Schiebung /wischen ihnen kennzeichnenden Ausgangssignals zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenimpulse zusätzlich einer Schaltung (18) zur Impulsdehnung zugeführt werden, deren Ausgang einmal an ein erstes NAND-Glied (28) angeschlossen ist. dessen zweiter Eingang über ein Verzögerungsglied (30) mit dem Ausgang der bistabilen Kippschaltung verbunden ist und dessen Ausgang den einen Ausgang (g)des Phasendiskriminators bildet, daß de: Ausgang der Schaltung (18) zur Impulsdehnung zusätzlich über ein '.weites Verzögerungsglied (42) an den ersten Eingang eines zweiten NAND-Gliedes (26) angeschlrsscn ist. dessen zweiter Eingang mit dem Ausgang der bistabilen Kippschaltung (22) verbunden ist und dessen Ausgang den anderen Ausgang des Phasendiskriminators bildet, und daß die Dehnung der Datenimpulsc in einer monostabilcn Kippschaltung erfolgt.