DE1954525A1 - Phasensynchronisierschaltung fuer einen Normalfrequenzgenerator - Google Patents

Phasensynchronisierschaltung fuer einen Normalfrequenzgenerator

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  • Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)

Description

6852-69/Kö/s
RCA 58,197
Convention Date:
October 30,1968
RCA Corporation, New York, N.Y., V.St.A,
Phasensynchronisierschaltung für einen Normalfrequenzgenerator
Die Erfindung betrifft eine Phasensynchronisierschaltung für einen Normalfrequenzgenerator, bei welcher die Frequenz häufiger korrigiert wird als bei bekannten Anordnungen, und zwar ohne Vergrößerung des Kanalabstands im System.
Es gibt zwei grundsätzliche Lösungswege für das Problem der indirekten Frequenzkorrektur. Der eine Lösungsweg beruht darauf, daß ein spannungsgesteuerter Oszillator in verschiedenen Intervallen getastet wird. Wenn diese Intervalle ein genaues Vielfaches der Frequenz der Oszillatorschwingung sind, ändert sich der Mittel^ wert der Tastgrößen nicht. Wenn dagegen zwischen den Tastungen die Frequenz der Oszillatorausgangsschwingung sich um einen geringfügigen Betrag ändert, ergibt sich eine entsprechende Änderung der Tastgröße. Eine entsprechende Fehlerspannung, die der wahrgenommenen Größenänderung proportional ist, wird dann dem Oszillator zugeleitet, um dessen Frequenzabweichung zu korrigieren. Das heißt, die Frequenz der Oszillatorschwingung kann nur bei einem genauen Vielfachen der Tastfrequenz synchronisiert bzw. stabilisiert werden. Der Kanalabstand des Oszillators ist daher auf ganzzahlige Vielfache der Tastfrequenz beschränkt. Wenn der Kanalabstand sehr eng ist und viele Kanäle möglich sind, ist die Dauer zwischen den Tastungen verhältnismäßig lang. In diesem Falle besteht die Wahrscheinlichkeit, daß die Oszillatorfrequenz zwischen
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den Tastungen soweit abwandert, daß der durch aufeinanderfolgende Mästungen erfaßte Fehler zu groß ist, um sich genügend schnell korrigieren zu lassen. Man muß daher in diesem Falle die Tastfrequenz auf Kosten einer Verringerung der Anzahl der verfügbaren Ausgangsfrequenzen erhöhen. Ein weiteres Problem ergibt sich daraus, daß in Fällen, wo eine Tastung mit hoher Frequenz an sich akzeptabel ist, billige integrierte Mikroelektronikschaltungen nicht verwendbar sind, weil sie die hohen Frequenzen nicht verarbeiten können.
Der zweite Lösungsweg beruht darauf, daß das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators einem Frequenzteiler zugeleitet wird, der eine Impulsfolge mit einer Folgefrequenz gleich einem Untervielfachen der Oszillatorschwingfrequenz erzeugt. Wenn der Oszillator mit der gewünschten Sollfrequenz schwingt, entspricht das frequenzgeteilte Oszillatorsignal einer gegebenen Bezugsfrequenz. Wenn die Oszillatorfrequenz vom Sollwert abweicht, ändern sich die Phase und die Frequenz der frequenzgeteilten Impulsfolge in bezug auf die Bezugsphase und -frequenz. Diese Änderung wird in einem Phasenvergleicher unter Erzeugung eines der Änderung proportionalen Fehlersignals wahrgenommen, das dem Oszillator zugeleitet wird und diesen auf die Sollfrequenz zurückzieht. Auch hier erfolgt die Synchronisation des Oszillators mit derjenigen Frequenz, die dem Produkt der Bezugsfrequenz mal dem Divisor des Frequenzteilers entspricht. Je höher daher die Bezugsfrequenz ist, desto größer ist der Kanalabstand oder desto kleiner ist die Anzahl der verfügbaren stabilen Ausgangsfrequenzen des Oszillators. Gewöhnlich wird das Oszillatorsignal zunächst um einen festen Betrag, z.B. 500, frequenzgeteilt, ehe es dem Frequenzteiler zugeführt wird, so daft folglich der Kanalabstand gleich der Frequenz des dem Phasenvergleicher zugeleiteten Bezugs^ signals ist, z.B. 100 Hz mal dem festen Teiler, 500, das heißt 50 KHz. Es ist jedoch wünschenswert, eine höhere Korrekturfrequenz und in manchen Fällen einen kleineren Kanalabstand vorzusehen.
Erfindungsgemäß ist ein gesteuerter Oszillator vorgesehen, der ein gewünschtes Nutzsignal mit bestimmter Frequenz erzeugt.
Die bestimmte, d.h. die Sollfrequenz, wird mittels eines de»
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Oszillator zugeleiteten, periodisch korrigierten Fehlersignals geregelt. Sodann ist eine Anordnung vorgesehen, die mehrere Bezugssignale mit jeweils einer bestimmten Bezugsfrequenz erzeugt, von denen mindestens zwei unterschiedliche Phasen haben. Die verschiedenen Bezugssignale und das Sollsignal werden einer Fehlersignalerzeugeranordnung zugeleitet, die das Fehlersignal erzeugt und es mit einer größeren als der Bezugsfrequenz korrigiert.
In den Zeichnungen zeigen:
Figur 1 und 2 Mormalfrequenzgeneratorausführungen gemäß dem Stand der Technik;
Figur 3 das Schaltschema einer erfindungsgemlßen Anordnung fUr die Ausfuhrung nach Figur 1;
Figur 4 ein die Arbeitsweise der Anordnung nach Figur 3 veranschaulichendes Zeitdiagramm;
Figur 5 das Schaltschema einer erfindungsgemäßen Anordnung fUr die Ausfuhrung nach Figur 2; und
Figur 6 ein die Arbeitsweise der Anordnung nach Figur 5 veranschaulichendes Zeitdiagramm.
Figur 1 zeigt einen digitalen Normalfrequenzgenerator (mit Frequenzsynthese) 10 von bekannter Ausführung. Der Frequenzgenerator 10 enthält einen spannungsgesteuerten Oszillator 12, der ein Ausgangssignal F der Frequenz f liefert. Die Auegangeschwingung F des Oszillators wird in eine Impulsfolge der Frequenz f umgewandelt und über die Leitung 14 einem festen - K-o .
Frequenzteilernetzwerk 16 zugeleitet, das ausgangsseitig eine Impulsfolge der Frequenz f /k oder f. liefert. Das Ausgangssignal F. des Frequenzteilernetzwerkes 16 ist über die Leitung 18 einem veränderlichen - N-Frequenzteilernetzwerk 20 zugeführt, das die Frequenz f. durch M teilt, so daß in der Ausgangsleitung 22 ein Signal F mit der Frequenz f erscheint. Ein externer Bezugsoszillator 24 liefert in die Leitung 26 ein Bezugssignal F - der Bezugsfrequenz f -, das einem festen ^ R-Frequenzteilernetzwerk 28 zugeführt wird. In der Ausgangs!eitung 30 des Netzwerkes 28 erscheint ein Signal F mit der Frequenz f .
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Die Signale in den beiden Leitungen 22 und 30 werden einem Phasenvergleicher 32 zugeführt, der eine etwaige Frequenz- und Phasendifferenz zwischen F und F wahrnimmt * Wenn der Oszillator
η r
12 mit der Frequenz f schwingt, ist das Signal F in Phase und Frequenz gleich dem Signal F . Wenn die Frequenz von F sich ändert, ändert sich auch die Frequenz von F , so daß die Impulse der Signale F und F unterschiedliche Frequenz haben. Diese Frequenzabweichung wird in ein Gleichspannungssignal übersetzt, das über die Leitung 34 auf den Oszillator 12 rückgekoppelt wird, um die Frequenz F in einem solchen Sinne zu verändern, daß die Frequenz des Signals F wieder der Frequenz und Phase des Signals F gleich wird. Wenn der Divisor des veränderlichen - N-Frequenzteilernetzwerks 20 verändert wird, ändert sich die Frequenz f , und es erscheint in der Leitung 34 ein entsprechendes Fehlersignal, bis der Oszillator 12 mit der neuen Frequenz f synchronisiert wird, so
daß f gleich f ist.
η r
Figur 2 zeigt eine andere Art oder Ausführung eines Normalfrequenzgenerators 40. Bei dieser Ausführung schwingt der spannungsgesteuerte Oszillator 42 mit einer angenommenen Frequenz f und erzeugt in der Leitung 44 ein Signal F mit der Frequenz f Das Signal F ist einer Tastschleuse 46 zugeführt, welche die Größe oder Amplitude dee Signals mit einer Frequenz f , die ein genaues Untervielfaches von f ist, tastet. Die Tastschleuse 46 wird durch einen externen Bezugsoszillator 48 über eine Treiberschaltung mit einem Signal F einer Frequenz f gesteuert. Ein Kondensator 52 wird jeweils zu den Tastzeitpunkten auf die Amplitude des Signals F aufgeladen, und wenn die Frequenz f bei einem genauen Vielfachen f konstant bleibt, bleibt auch die mittlere Spannung am Kondensator 52 konstant. Wenn dagegen die Frequenz von F sich ändert, ändert sich auch die Spannung am Kondensator 52 entsprechend.
Ein der Spannung am Kondensator 52 entsprechendes Signal V
gelangt über die Leitung 54 zu einer Pufferstufe 56. Von dort wird das Signal V über die Leitung 58, ein Tiefpaßfilter 60 und die Leitung 62 auf den Oszillator 42 rückgekoppelt, um diesen in der Phase zu synchronisieren. Wenn eine andere Frequenz gewünscht
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wird, kann man den Oszillator 42 auf eine andere Schwingfrequenz f umschalten, die jedoch nach wie vor ein genaues Vielfaches der Frequenz f sein muß.
Bei den Schaltungsanordnungen nach Figur 1 und 2 hängt der Kanalabstand oder der Frequenzunterschied zwischen stabilen Frequenzen des spannungsgesteuerten Oszillators von f ab. Es ist wünschenswert, möglichst viele Frequenzen verfügbar zu haben, was eine entsprechend niedrigere Bezugsfrequenz f zur Folge hat. Jedoch muß f immer noch so hoch sein, daß der Phasenvergleicher bzw. die Tastschleuse 46 genügend Vergleichsmöglichkeit hat, um die Einhaltung der Sollfrequenz jederzeit zu gewährleisten. Andererseits sollte f nicht so hoch sein, daß die Verwendung von billigen integrierten Mikroelektronikschaltungen unmöglich wird.
Figur 3 zeigt eine Schaltung 70, die auf dem Prinzip der Anordnung 10 nach Figur 1 beruht, jedoch erfindungsgemäß ausgestaltet ist. Die Anordnung 70 enthält einen spannungsgesteuerten Oszillator 72, der die Leitung 74 mit einem Signal F der Frequenz
f beliefert. Das Signal F wird durch ein feste* - K-Frequenzo ο ·
teilernetzwerk 76 frequenzgeteilt, so daß in der Leitung 78 ein Signal F, in Form einer Impulsfolge der Frequenz f, erscheint. Ein Bezugsoszillator 80 liefert in die Leitung 82 ein Bezugssignal F ~ der Frequenz f ^. Das Signal F ~ gelangt zu einem ^ R-Ring zähler 84 mit mehreren, an die Leitungen 86-72 angeschalteten Aus gangen. In diesen Leitungen 86-94 erscheinen Signale F , jeweils in Form einer Impulsfolge der Frequenz f , wobei jedoch wegen der Konstruktion des Ringzählers 84 die einzelnen Signale F unterschiedliche Phase haben . Die einzelnen Signale F sind jeweils über die entsprechende der Leitungen 86-94 dem ersten Eingang eines entsprechenden Phasenvergleichers 96-104 zugeführt.
Das Ausgangssignal F, des Frequenzteilernetzwerks 76 ist über entsprechende Leitungen 106-114 einer Reihe von veränderlichen 7 N-Frequenzteilernetzwerken 116-124 zugeführt. Jedes die-
ser Netzwerke teilt die Frequenz von F durch N, so daß Signale F , jeweils in Form einer Impulsfolge der Frequenz f , erzeugt und über entsprechende Leitungen 126-134 dem zweiten Eingang je
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eines entsprechenden der Phasenvergleicher 96-IO4 zugeführt werden.
Die einzelnen Phasenvergleicher 96-IO4 vergleichen die Zeitpunkte des Auftretens der einzelnen Impulse der ihnen zugeführten entsprechenden Signale F und F . Besteht ein Frequenzunterschied zwischen f und f , so wird ein Fehlersignal erzeugt, das über die entsprechenden Leitungen 134-144 einer Vereinigungsschaltung 146 zugeleitet wird. Die Vereinigungsschaltung I46 kann eine einfache Addierschaltung sein, der die am Ausgang der einzelnen Phasenvergleicher 96-IO4 erzeugten Fehlersignale zugeführt sind und die in die Leitung 148 ein entsprechendes Gesamtfehlersignal für die Korrektur des Oszillators 72 liefert.
Wenn die Synchronisierschleife bei einer stabilen Frequenz f des Oszillators 72 phasenstarr arbeitet, ist die Frequenz der einem gegebenen der Phasenvergleicher 96-104 zugeleiteten Signale F und F gleich, obwohl die Phase in den einzelnen Phasenvergleichern unterschiedlich ist. Jeder der Phasenvergleicher 96-IO4 erzeugt zum Zeitpunkt eines Impulses der entsprechenden Signale F und F ein Fehlersignal. Da die Phasen dieser einzelnen Signale jeweils voneinander verschieden sind, erzeugen die einzelnen Phasenvergleicher 96-IO4 ihre Fehlersignale jeweils zu einem anderen Zeitpunkt. Es wird somit das Signal F in der einer Periode der Frequenz f entsprechenden Zeit mehr als einmal korrigiert. Da jedoch die Frequenz f die gleiche bleibt, wird der Kanalabstand des Oszillators 72 nicht vergrößert.
Die Arbeitsweise der Schaltung nach Figur 3 wird leichter verständlich, wenn man das Zeitdiagramm nach Figur 4a-n betrachtet» In Figur 4a gibt jeder Vertikalstrich einen Impuls dee Signals F, in der Leitung 78 wieder. Figur 4b gibt die Bezugsfrequenz wieder, die in diesem Fall z.B. I/4 der Frequenz f, beträgt. Wenn man annimmt, daß die einzelnen ^ N-Netzwerke 116-124 jeweils den Teiler 20 haben, so entspricht das Signal F in den entsprechenden Leitungen 126-134 den Darstellungen nach Figur 4c, 4e, 4g, 41 und 4k, vorausgesetzt, daß die Schleife phasenstarr mit der Frequenz f arbeitet. Wenn der ~ R-Ringzähler 84 die Bezugsfrequenz durch 10
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teilt, so entspricht das Signal F in jeder der fünf entsprechen den Leitungen 86-94 den Darstellungen nach Figur 4d, 4f, 4h, 4j und
Es sind die Signale nach Figur 4c und 4d dem Phasenvergleicher 96, die Signale nach Figur 4e und 4f dem Phasenvergleicher 98 zugeführt, und so fort. Sobald das System phasensynchronisiert ist, wird eine etwaige Frequenzabweichung zwischen den Signalen in Figur 4c und 4d durch den Phasenvergleicher 96 wahrgenouen und eine entsprechende Fehlerspannung über die Leitung 136 zur Vereinigungsschaltung 146 geschickt. Die Fehlerspannung gelangt vom Phasenvergleicher 96 in die Leitung 136, wenn die Phasendifferenz zwischen den Signalen in den Leitungen 126 und 86 bei zwei aufeinanderfolgenden Vergleichsvorgängen nicht konstant bleibt. Diese Phasenabweichung ist in Figur 4 durch das Zeichen 0 dargestellt, und sie ändert sich nur dann, wenn die Frequenz f nicht gleich f ist. Diese Fehlerspannung gelangt über die Vereinigungsschaltung 146 in die Leitung 148 und korrigiert die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 72. Die gleiche Untersuchung läßt sich für jeden der übrigen Phasenvergleicher 98-IO4 anstellen, so daß der Oszillator 72 jedesmal bei Erscheinen eines Vertikalstriches in Figur 4n korrigiert wird.
Man sieht aus Figur 4. daß, obwohl die Frequenz der den Phasenvergleichern 96-104 zugeleiteten Signale f ist, das Signal F in Wirklichkeit mit der fünfmal so großen Frequenz korrigiert wird, und zwar wegen der unterschiedlichen Phasen der fünf Ausgangsgrößen des Zählers 84· Der Kanalabstand des Oszillators 72 ist dagegen nach wie vor abhängig von f oder l/S der tatsächlichen Fehlersignal-Folgefrequenz.
Figur 5 zeigt eine Schaltungsanordnung I6O, die auf dem Prinzip der Anordnung nach Figur 2 beruht, jedoch erfindungsgemäß ausgestaltet ist. Diese Anordnung enthält einen spannungsgesteuer ten Oscillator l62, der ein Ausgangssignal F mit einer Frequenz f liefert, sowie einen externen Bezugsoszillator I64 mit einem Ausgangssignal F _ einer Frequenz f _. Das Ausgangssignal des
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Oszillators 162 ist über die Leitung 166 sowie die Leitungen 168-I76 fünf verschiedenen Tastschleusen I78-I86 ähnlich der Tastschleuse 46 in Figur 2 zugeführt. Das Bezugssignal F f ist einem i R-Ringzähler I88 mit fünf Ausgängen I9O-I98 zugeführt. An jedem der Ausgänge I9O-I98 des Zählers I88 erscheint ein Signal F mit einer Frequenz f , wobei jedoch diese Signale jeweils eine andere Phase haben. Das Signal in der Leitung I90 gelangt zur Tastschleuse I78, die das Signal F jeweils zum Zeitpunkt eines Impulses in der Leitung I90 tastet. In gleicher Weise sind die Signale in den Leitungen 192-198 den entsprechenden Tastschleusen 18O-I86 zugeführt, wo sie die Frequenz und die Zeitpunkte der Tastung des Signals F durch die Schleusen I8O-I86 steuern. Die Ausgangssignale der einzelnen Tastschleusen I78-I86 gelangen über entsprechende Leitungen 200-208 zu einer Puffer- und Vereinigung^ schaltung 210, welche die Signale zu einem einzigen Gesamtfehlersignal aufaddiert und dieses Signal über die Leitung 212 dem Oszillator I62 anliefert, um diesen zu korrigieren.
Das Diagramm nach Figur 6 veranschaulicht die Arbeitsweise der Schaltung nach Figur 5· Figur 6a gibt ein Sinussignal F der Frequenz f wieder. Die Figuren 6b-f geben die zeitliche Lage und die Frequenz der Impulssignale F in den Leitungen I9O-I98 wieder. Die Figuren 6g-k geben die Werte der Tastgröße F in den entsprechenden Leitungen 200-208 zu den entsprechenden Zeitpunkten gemäß Figur 6b-f wieder. Figur 6m zeigt die Gesamtanzahl der Tastungen des Signals F und gibt die einzelnen Fehlersignale in der Leitung 212 wieder.
Die Frequenz f jedes der Signale F ist gleich i/o der Frequenz von F . das heißt die Frequenz f ist ein genaues Vielfaches , nämlich 6, der Frequenz f . Jedoch ist, wie man aus Figur 6m sieht, die effektive Tastfrequenz von F wegen der Phasendifferenz der einzelnen Signale F entsprechend Figur 6b-6f fünfmal größer. Wie man ferner sieht, ist die effektive Tastfrequenz nach Figur 6m gleich 5/6 der Frequenz f , d.h. nicht ein genaues Untervielfaches von f . Jedoch arbeitet die Anordnung trotzdem einwandfrei, da jedes der Signale Fr in den Leitungen I9O-I98 eine Frequenz hat, die ein genaues Vielfaches von f ist.
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Claims (8)

  1. Patentansprüche
    (l.J Phasensynchronisierschaltung für einen Normalfrequenzgenerator mit einem gesteuerten Oszillator zum Erzeugen eines Nutzsignals mit einer bestimmten Frequenz, die unter der Steuerung eines einem Eingang des Oszillators zugeführten, periodisch korri gierten Fehlersignals steht, gekennzeichnet durch eine Anordnung (80, 84) zum Erzeugen mehrerer Bezugssignale mit einer gegebenen Bezugsfrequenz, von denen mindestens zwei unterschiedliche Phase habenj sowie durch eine Fehlersignalerzeugeranordnung (76, 96-IO4, 116-124, 146), die bei Empfang des Nutzsignals und der Bezugssignale das Fehlersignal erzeugt, welches mit einer Frequenz, die größer ist als die Frequenz der Bezugssignale, korrigiert wird.
  2. 2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fehlersignalerzeugeranordnung aus zwei Teilanordnungen (96, Il6j 98, II8) besteht, deren jede das Nutzsignal und ein entsprechendes der beiden Bezugssignale empfängt und einen Teil des Fehlersignals erzeugt, wobei jeder Teil des Fehlersignals mit der Frequenzrate der Bezugsfrequenz, jedoch zu anderen Zeitpunkten korrigiert wird; und daß die beiden Teile des Fehlersignals zum Gesamtfehlersignal in einer Vereinigungsanordnung (146, 210) zusammengesetzt werden.
  3. 3· Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Zeitpunkte, zu denen das Fehlersignal korrigiert wird, durch die jeweilige Phase des der Fehlersignalerzeugeranordnung, die das Fehlersignal erzeugt, zugeführten Bezugssignals bestimmt wird.
  4. 4· Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fehlersignalerzeugeranordnung mindestens zwei veränderliche Frequenzteilernetzwerke (Ho, II8), die aus dem Nutzsignal ein frequenzgeteiltes
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    r.A'ü:^d 0* S8AD ORIGINAL
    - ίο -
    Signal ableiten, sowie mindestens zwei Phasenvergleichsschaltungen (96, 98) enthält, die jeweils bei Empfang eines entsprechenden der frequenzgeteilten Signale und eines entsprechenden der Bezugssignale das Fehlersignal bereitstellen.
  5. 5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag, um den das Fehlersignal korrigiert wird, von dem Frequenzunterschied zwischen dem frequenzgeteilten Signal und dem Bezugssignal an jeder der Phasenvergleichsschaltungen abhängt.
  6. 6. Schaltung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Fehlersignalerzeugeranordnung mindestens zwei Tastschleusen (173, I80) enthält, die bei Empfang des Nutzsignals und eines entsprechenden der Bezugssignale das Fehlersignal durch Vergleichen des Wertes aufeinanderfolgender Tastgrößen des Nutzsignals erzeugen.
  7. 7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß jede der Tastschleusen das Nutzsignal mit einer Frequenzrate und zu Zeitpunkten tastet, die durch die Frequenz und Phase des entsprechenden Bezugssignals bestimmt sind, wobei die Frequenz des Bezugssignsie ein genaues Untervielfaches des Nutzsignals ist.
  8. 8. Schaltung nach eine« der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zum Erzeugen der einzelnen Bezugssignale einen Bezugsoszillator (80), der ein frequenzkonstanteβ Signal liefert, sowie einen Ringzähler (84) enthält, der bei Empfang des frequenzkonstanten Signal· die einzelnen Bezugseignale liefert.
    009848/1016 BAD ORIGINAL
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