DE1954525B2

DE1954525B2 - Phasensynchronisierschaltung fuer einen geregelten oszillator

Info

Publication number: DE1954525B2
Application number: DE19691954525
Authority: DE
Inventors: Elchanan Dove Westmond NJ. Menkes (V-StA.)
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1968-10-30
Filing date: 1969-10-29
Publication date: 1977-11-03
Also published as: JPS4922227B1; DE1954525A1; GB1245504A; DE1954525C3; US3571743A

Description

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Oszillators (72) über Frequenzteiler (116—124) mit einstellbarem Teilerverhältnis mit den betreffenden Eingängen der Phasenvergleichsschaltungen (96—104) verbunden sind.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Phasenvergleichsschaltungen Abtastschaltungen (168—176) verwendet werden, deren Tasteingängen die phasenverschobenen Bezugssignale zugeführt werden.

4. Schaltung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Bezugssignalgenerator (80, 164) ein Ringzähler (84, 188) zur Erzeugung der phasenverschobenen Bezugssignal nachgeschaltet

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Die Erfindung betrifft eine Phasensynchronisierschaltung für einen geregelten Oszillator, wie sie im Oberbegriff des Anspruchs 1 vorausgesetzt ist.

Aus der US-PS 33 36 534 ist eine Phasensynchronisierschaltung für einen Phasendemodulator bekannt, bei welchem das Ausgangssignal eines gesteuerten Oszillators in mehrere, gegeneinander phasenverschobene Anteile zerlegt wird, die jeweils einem Eingang eines Phasendetektors zugeführt werden, während den anderen Eingängen dieser Phasendetektoren das zu demodulierende Signal zugeführt wird, welches Daten in Form von Phasenmodulationen enthält. Mit Hilfe eines von den Datenausgängen aus gesteuerten Umschalters wird wahlweise eine der von den einzelnen Phasenvergleichsschaltungen gelieferten Regelspannungen ausgewählt und dem Oszillator zu dessen Synchronisierung auf eine jeweils gewünschte Phasenlage seiner Ausgangsschwingung gegenüber der zu demodulierenden Signalschwingung zugeführt.

Aus der GB-PS 10 85 522 ist eine Abtastschaltung bekannt, mit Hilfe deren schmale Ausschnitte aus einem Signal ausgeblendet werden können, welche die jeweilige Momentanamplitude des Signals zum Abtastzeitpunkt wiedergeben.

Zur Erzeugung eines Regelsignals für die Nachregelung eines Oszillators kann man entweder ein Abtastverfahren wählen, bei welchem die Oszillatorfrequenz in regelmäßigen Abständen, die in einem ganzzahligen Verhältnis zur Periode der Oszillatorschwingung stehen müssen, abgetastet wird, oder man wählt ein Phasenvergleichsverfahren, bei dem die nässend herabgeteilte Oszillatorfrequenz mit einem Bezugsoszillatorsignal verglichen wird. Im erstgenannten Fa" ^{dient die} A^btastfrec>^{uenz als} B^uesfreqiienz. und eine Konstanz des abgetasteten Amplitudenwertes zwischen aufeinanderfolgenden Abtastungen bedeutet pCensynchronismus zwischen Oszillatorfrequenz und Bezugsfrequenz. Eine Synchronisierung kann allerdings im alfgemeinen nur dann erfolgen, wenn die Osz.1 atorfreqienz ein genaues Vielfaches der Tastfrequenz ist, so daß der durch zwei benachbarte synchronisierbare Oszillatorfrequenzen definierte Kanalabstand des Oszil- £ ο auf ganzzahlige Vielfache der Rastfrequenz beschränkt ist. Ist dieser Kanalabstand eng und sind daher viele Kanäle (synchronisierbare Frequenzen des nUillators) möglich, dann ist die Dauer zwischen zwei SiaffiSnden Abtastungen verhältnismäßig fan« und es besteht die Möglichkeit, daß d,e Oszillatorfrequenz zwischen zwei Abtastungen so weit abwandert, daß diese Frequenzabweichung zu groß ist, um sich genügend schnell korrigieren zu lassen. Man muß daher die Abtastfrequenz auf Kosten einer Verringerung der Anzahl der verfügbaren Ausgangsfrequenzen erhöhen. Eine höhere Abstastfrequenz erfordert jedoch Bauelemente mit höherer Grenzfrequenz und bedingt damit höhere Kosten.

Im zweiten Falle des erwähnten Phasenvergleichs erhält man beim Auseinanderlaufen der herabgeteilten Oszillatorfrequenz und der Bezugsfrequenz em Regelsignal mit Hilfe dessen der Oszillator wiedeir auf die Sollfrequenz zurückgezogen wird. Die Frequenzen, auf welche der Oszillator synchronisierbar ist, sind durch das Produkt aus Bezugsfrequenz und Teilverhaltnis bestimmt: Im Falle eines Teilerverhältn.sses von 500 und einer Bezugsfrequenz von 100 Hz ergibt sich somit ein Kanalabstand von 50 kHz. In beiden Fällen ist es von Nachteil daß eine Verkleinerung des Kanalabstandes, also eine Erhöhung der Anzahl der synchronisierbaren Ausgangsfrequenzen des Oszillators nur auf Kosten einer Verlängerung der Korrekturzeiträume für das Regelsignal möglich ist, also unter Umständen das Regelsignal nicht schnell genug für eine rechtzeitige Korrektur der Oszillatorfrequenz verändert wird.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Angabe von Maßnahmen, welche eine nahezu beliebige Verringerung der Zeiten zwischen zwei Korrekturze.tpunkten des Regelsignals ermöglichen, ohne daß dadurch der Kanalabstand erhöht wird.

Diese Aufgabe wird bei einer Phasensynchronisierschaltung der eingangs genannten Art durch die im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 angeführten Merkmale gelöst. .

Durch die Aufteilung der Bezugsschwingung ir mehrere phasenverschobene Einzelbezugsschwingungen lassen sich die Korrekturzeiträume für das insgesamt erzeugte Regelsjgnal so weit wie gewunschi verkürzen, so daß eine Änderung des Regelsignal! rechtzeitig erfolgen kann, ehe die zu synchronisierende Oszillatorfrequenz aus dem jeweils möglichen Synchro nisierbereich herausgewandert ist.

Einzelne Realisierungsmöglichkeiten der Erfinduni sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. In dei Zeichnungen zeigen _ _{( u}

F i g. 1 und 2 NormaifrequenzgeneratörausiU..runge: gemäß dem Stand der Technik,

Fig.3 das Schaltschema einer erfindungsgemäße Anordnung für die Ausführung nach F i g. 1,

Fig.4 ein die Arbeitsweise der Anordnung nac

F i g. 3 veranschaulichendes Zeitdiagramm,

Fig.5 das Schaltschema einer erfindungsgemäßen Anordnung für die Ausführung nach F i %. 2, und

Fig.6 ein die Arbeitsweise der Anordnung nach F i g. 5 veranschaulichendes Zeitdiagramm.

Fig. 1 zeigt einen digitalen Normalfrequenzger 2rator (mit Frequenzsynthese) 10 von bekannter Ausführung. Der Frequenzgeneratcr tO enthält einen spannungsgesteuerten Oszillator 12, der ein Ausgangssignal Fo der Frequenz f_o liefert. Die Ausgangsschwingung F₀ des Oszillators wird in eine Impulsfolge der Frequenz f_o umgewandelt und über die Leitung 14 einem Frequenzteiler 16 mit dem festen Teilerverhältnis K zugeleitet, der eine Impulsfolge der Frequenz fjk=f_k liefert. Das Aust;angssignal F* des Frequenzteilers 16 ist über die Leitung 18 einem Frequenzteiler 20 mit dem veränderbaren Teilerverhältnis N zugeführt, der die Frequenz h durch N teilt, so daß in der Ausgangsleitung 22 ein Signal F_n mit der Frequenz f„ erscheint. Ein externer Bezugsoszillator 24 liefert auf der Leitung 26 ein Bezugssignal F_rer der Bezugsfrequenz f_Ki, das einem Frequenzteiler 28 mit dem festen Teilerverhältnis R zugeführt wird. Auf der Ausgangsleitung 30 des Teilers 28 erscheint ein Signal F,-mit der Frequenz /^

Die Signale auf den beiden Leitungen 22 und 30 werden einem Phasenvergleicher 32 zugeführt, der eine etwaige Frequenz- und Phasendifferenz zwischen F_n und F_r wahrnimmt. Wenn der Oszillator 12 im Synchronzustand mit der Frequenz f_o schwingt, ist das Signal F_n in Phase und Frequenz gleich dem Signal F^ Wenn die Frequenz von F₀ sich ändert, ändert sich auch die Frequenz von F_n, so daß die Impulse der Signale F_n und F_r unterschiedliche Folgefrequenz haben. Diese Frequenzabweichung wird in ein Gleichspannungssignal umgesetzt, das über die Leitung 34 auf den Oszillator 12 rückgekoppelt wird, um die Frequenz F₀ in einem solchen Sinne zu verändern, daß die Frequenz des Signals F_n wieder der Frequenz und Phase des Signals F_r gleich wird. Wenn der Divisor N des veränderbaren Frequenzteilers 20 verändert wird, ändert sich die Frequenz Z_n, und es erscheint auf der Leitung 34 ein entsprechendes Regelsignal, bis der Oszillator 12 mit der neuen Frequenz f₀ synchronisiert wird, so daß f_n gleich/)- ist.

F i g. 2 zeigt eine andere Ausführung eines Normalfrequenzgenerators 40. Der spannungsgesteuerte Oszillator 42 schwingt im Synchronzustand wiederum mit der Frequenz f₀ und erzeugt auf der Leitung 44 ein Signal F₀ mit der Frequenz /» Das Signal F₀ wird einer Abtastschaltung 46 zugeführt, welche die Momentanamplitude des Signals mit einer Frequenz /_r tastet. Die Abtastschaltung 46 wird durch einen Bezugsoszillator 48 über eine Treiberschaltung 50 mit einem Signal F_r einer Frequenz f_r gesteuert. Ein Kondensator 52 wird jeweils zu den Tastzeitpunkten auf die Momentanamplitude des Signals F₀ aufgeladen, und wenn die Frequenz f_o bei genau einem ganzen Vielfachen (_r konstant bleibt, bleibt auch die mittlere Spannung am Kondensator 52 konstant. Wenn dagegen die Frequenz von F₀ sich ändert, ändert sich auch die Spannung am Kondensator 52 entsprechend.

Ein der Spannung am Kondensator 52 entsprechendes Signal gelangt über die Leitung 54 zu einem Trennverstärker 56 und wird von dort 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 wird, kann man den Oszillator 42 auf eine andere Schwingfrequenz f_o umschalten, die jedoch nach wie vor genau ein ganzes Vielfaches der Frequenz /*_r£ein muli

Bei den Schaltungen nach Fig. 1 und 2 hängt der Kanalabstand oder der Frequenzunterschied zwischen stabilen Frequenzen des spannungsgesteuerten Oszillators von f_r ab. Es ist wünschenswert, möglichst viele Frequenzen verfügbar zu haben, was eine entsprechend niedrigere Bezugsfrequenz f_r bedingt. Jedoch muß i_r immer noch so hoch sein, daß der Phasenvergleicher 32 bzw. die Abtastschaltung 46 genügend oft Vergleichsmöglichkeit hat, um die Einhaltung der Sollfrequenz jederzeit zu gewährleisten. Andererseits sollte f_r nicht so hoch sein, daß die Verwendung von billigen integrierten Mikroelektronikschaltungen unmöglich wird.

F i g. 3 zeigt eine Schaltung 70, die auf dem Prinzip der Anordnung 10 nach F i g. 1 beruht, jedoch erfindungsgemäß ausgestaltet, ist. Die Anordnung 70 enthält einen spannungsgesteuerten Oszillator 72, der die Leitung 74 mit einem Signal F₀der Frequenz /(,beliefert. Das Signal F₀ wird durch einen Frequenzteiler 76 mit dem festen Teilerverhältnis K geteilt, so daß auf der Leitung 78 ein Signal Fk in Form einer Impulsfolge der Frequenz /* erscheint. Ein Bezugsoszillator 80 liefert auf der Leitung 82 ein Bezugssignal Feeder Frequenz f_nt. Das Signal F_rei gelangt zu einem Ringzähler 84 mit K-Stufen, an welche Leitungen 86 bis 94 angeschaltet sind, auf denen Signale F_n jeweils in Form einer Impulsfolge der Frequenz f_r, jedoch unterschiedlicher Phasenlage, erscheinen. Die einzelnen Signale F_r werden jeweils über die entsprechende der Leitungen 86 bis 94 dem ersten Eingang eines entsprechenden Phasenvergleichers % bis 104 zugeführt.

Das Ausgangssignal Fk des Frequenzteilers 76 ist über entsprechende Leitungen 106 bis 114 einer Reihe von Frequenzteilern 116 bis 124 mit dem veränderbaren Teilerverhältnis Nzugeführt. Jeder dieser Teiler teilt die Frequenz von Ft durch N, so daß Siegnale F_n, jeweils in Form einer Impulsfolge der Frequenz /„, erzeugt und über entsprechende Leitungen 126 bis 134 dem zweiten Eingang je eines entsprechenden der Phasenvergleicher 96 bsi 104 zugeführt werden.

Die einzelnen Phasenvergleicher 96 bis 104 vergleichen die Zeitpunkte des Auftretens der einzelnen Impulse der ihr.en zugeführten entsprechenden Signale F_r und F_n. Besteht ein Frequenzunterschied zwischen S_n und f_r, so wird ein Regelsignal erzeugt, das über die entsprechenden Leitungen 134 bis 144 einer Kombinierschaltung 146 zugeleitet wird. Hierbei kann es sich um eine einfache Addierschaltung handeln, der die am Ausgang der einzelnen Phasenvergleicher % bis 104 erzeugten einzelnen Regelsignale zugeführt sind und die auf der Leitung 148 ein einziges oder Gesamtregelsignal für die Korrektur der Frequenz des Oszillators 72 liefert.

Wenn die Synchronisierschleife bei einer stabilen Frequenz f_o des Oszillators 72 phasenstarr arbeitet, ist die Frequenz der jeweils einem der Phasenvergleicher % bis 104 zugeleiteten Signale F_r und F_n gleich (die Phase in den einzelnen Phasenvergleichern ist dabei unterschiedlich). Jeder der Phasenvergleicher 96 bis 104 erzeugt zum Zeitpunkt eines Impulses der entsprechenden Signale F_n und F_r ein Regelsignal. Da die Phasen dieser einzelnen Signale jeweils voneinander verschieden sind, erzeugen die einzelnen "hasenvergleicher % bis 104 ihre Regelsignale jeweils zu einem anderen Zeitpunkt. Es wird somit das Signal F₀ in der einer Periode der Frequenz f_r entsprechenden Zeit mehr ah einmal korrigiert. Da jedoch die Frequenz f_rdie gleiche

bleibt, wird der Kanalabstand des Oszillators 72 nicht vergrößert.

Lie Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 3 wird leichter verständlich, wenn man das Zeitdiagramm nach Fig.4a—4n betrachtet. In Fig.4a gibt jeder Vertikalstrich einen Impuls des Signals F* auf der Leitung 78 wieder. F i g. 4b gibt die Bezugsfrequenz wieder, die in diesem Fall z. B. ¹A der Frequenz /* beträgt. Wenn man annimmt, daß die einzelnen Frequenzteiler 116 bis 124 jeweils das Teilerverhältnis N= 20 haben, so entspricht das Signal F_n in den entsprechenden Leitungen 126 bis 134 den Darstellungen nach F i g. 4c, 4e, 4g, 4i und 4k, vorausgesetzt, daß die Schleife phasenstarr mit der Frequenz f_o arbeitet. Wenn, der Ringzähler 84 die Bezugsfrequenz durch 10 teilt, so entspricht das Signal F_r auf jeder der fünf entsprechenden Leitungen 86 bis 94 den Darstellungen nach F i g. 4d, 4f, 4h, 4j und 4m.

Es werden die Signale nach Fig.4c und 4d dem Phasenvergleicher 96, die Signale nach F i g. 4e und 4f dem Phasenvergleicher 98 zugeführt, und so fort. Sobald das System phasensynchronisiert ist, wird eine etwaige Frequenzabweichung zwischen den Signalen in F i g. 4c und 4d durch den Phasenvergleicher 96 festgestellt und eine entsprechende Regelspannung über die Leitung 136 zur Kombinierschaltung 146 geschickt. Die Regelspannung gelangt vom Phasenvergleicher 96 auf die Leitung 136, wenn die Phasendifferenz zwischen den Signalen auf den Leitungen 126 und 86 bei zwei aufeinanderfolgenden Vergleichsvorgängen nicht konstant bleibt. Diese Phasenabweichung ist in F i g. 4 durch das Zeichen β dargestellt, und sie ändert sich nur dann, wenn die Frequenz f_n nicht gleich f_r ist. Diese Regelspannung gelangt über die Kombinierschaltung 146 auf die Leitung 148 und korrigiert die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 72. Die gleiche Untersuchung läßt sich für jeden der übrigen Phasenvergleicher 98 bis 104 anstellen, so daß der Oszillator 72 jedesmal bei Erscheinen eines Vertikalstriches in F i g. 4n korrigiert wird.

Man sieht aus F i g. 4 daß, obwohl die Frequenz der den Phasenvergleichern 96 bis 104 zugeleiteten Signale f_r ist, das Signal F₀ 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_r oder '/5 der tatsächlichen Regelsignal-Folgefrequenz.

F i g. 5 zeigt eine Schaltungsanordnung 160, die auf dem Prinzip der Anordnung nach F i g. 2 beruht, jedoch erfindungsgemäß ausgestaltet ist. Diese Anordnung enthält einen spannungsgesteuerten Oszillator 162, der ein Ausgangssignal F₀ mit einer Frequenz f_o liefert, sowie einen externen Bezugsoszillator 164 mit einem Ausgangssignal F_rcr einer Frequenz f_Kr. Das Ausgangssignal des Oszillators 162 ist über die Leitung 166 sowie die Leitungen 168 bis 176 fünf verschiedenen Abtastschaltungen 178 bis 186 ähnlich den Abtastschaltungen 46 in F i g. 2 zugeführt. Das Bezugssignal F_nr ist einem Ringzähler 188 mit fünf Ausgängen 190 bis 198

ίο zugeführt. An jedem der Ausgänge 190 bis 198 des Zählers 188 erscheint ein Signal F₁-mit einer Frequenz f_n wobei jedoch diese Signale jeweils eine andere Phase haben. Das Signal auf der Leitung 190 gelangt zur Abtastschaltung 178, die das Signal F₀ jeweils zum

Zeitpunkt eines Impulses auf der Leitung 190 tastet. In gleicher Weise sind die Signale in den Leitungen 192 bis 198 den entsprechenden Abtastschaltungen 180 bis 186 zugeführt, wo sie die Frequenz und die Zeitpunkte der Tastung des Signals F₀ durch die Abtastschaltungen 180 bis 186 steuern. Die Ausgangssignale der einzelnen Abtastschaltungen 178 bis 186 gelangen über entsprechende Leitungen 200 bis 208 zu einer Kombinierschaltung 210, welche die Signale zu einem einzigen Gesamtregelsignal aufaddiert und dieses Signal über die Leitung 212 dem Oszillator 162 anliefert, um dessen Frequenz zu korrigieren.

Das Diagramm nach F i g. 6 veranschaulicht die Arbeitsweise der Schaltung nach F i g. 5. F i g. 6a gibt ein Sinussignal F₀ der Frequenz f₀ wieder. Die F i g. 6b—6f geben die zeitliche Lage und die Frequenz der Impulssignale F_r auf den Leitungen 190 bis 198 wieder. Die F i g. 6g—6k geben die Werte der Momentanamplitude des Signals F₀ auf den entsprechenden Leitungen 200 bis 208 zu den entsprechenden Zeitpunkten gemäß Fig.6b—6f wieder. Fig. 6n zeigt die Gesamtanzahl der Abtastungen des Signals F₀ und gibt die einzelnen Fehlersignale auf der Leitung 212 wieder.

Die Frequenz f_r jedes der Signale F_r ist gleich '/6 der Frequenz von F₀, d. h. die Frequenz f₀ ist ein genaues Vielfaches, nämlich 6, der Frequenz fr. Jedoch ist, wie man aus F i g. 6n sieht, die effektive Tastfrequenz von F₀ wegen der Phasendifferenz der einzelnen Signale F_r entsprechend 6b bis 6f fünfmal größer. Wie man ferner sieht, ist die effektive Tastfrequenz nach F i g. 6n gleich ⁵/6 der Frequenz Z₀, d. h. nicht ein ganzzahliger Bruchteil von fo- Jedoch arbeitet die Anordnung trotzdem einwandfrei, da jedes der Signale F_r in den Leitungen 190 bis 198 eine Frequenz hat, die ein genaues Vielfaches von /"_oist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Phasensynchronisierschaltung für einen geregelten Oszillator, bei welcher mehrere Regelsignale durch Phasenvergleich von aus der Oszillatorschwingung abgeleiteten Signalen mit Vergleichssignalen erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichssignale gegeneinander phasenverschobene Bezugssignale (auf den Leitungen (86—94) eines Bezugssignalgenerators (80) sind und daß die von den jeweiligen Vergleichsschaltungen (96—104) erzeugten Regelsignale mittels einer Kombinierschaltung (»46) zu einem einzigen, dem Oszillator (72) zugeführten Regelsignal zusammengefaßt werden, das mit einer über der Bezugssignalfrequenz liegenden Frequenz korrigiert