DE1954525C3

DE1954525C3 - Phasensynchronisierschaltung für einen geregelten Oszillator

Info

Publication number: DE1954525C3
Application number: DE1954525A
Authority: DE
Inventors: Elchanan Dove Westmont N.J. Menkes (V.St.A.)
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1968-10-30
Filing date: 1969-10-29
Publication date: 1978-06-29
Also published as: GB1245504A; DE1954525A1; JPS4922227B1; US3571743A; DE1954525B2

Description

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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 Ausgangssigna! 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 Regclsignals für die Nachregelung eines Oszillators kann man entweder ein Abtastverfahren wählen, bei welchem die Oszillatorfrequenz in regelmäßigen Abständen, die in einem ganjzahligen Verhältnis zur Periode der Oszillator schwingung stehen müssen, abgetastet wird, oder man wählt ein Phasenvergleichsverfahren, bei dem die passend herabgeteilte Oszillatorfrequenz mit einem Bezugsoszillatorsignal verglichen wird. Im erstgenannten Fall dient die Abtastfrequenz als Bezugsfrequenz, und eine Konstanz des abgetasteten Amplitudenwertes zwischen aufeinanderfolgenden Abtastungen bedeutet Phasensynchronismus zwischen Oszillatorfrequenz und Bezugsfrequenz. Eine Synchronisierung kann allerdings im allgemeinen nur dann erfolgen, wenn die Oszillatorfrequenz ein genaues Vielfaches der Tastfrequenz ist, so daß der durch zwei benachbarte synchronisierbare Oszillatorfrequenzen definierte Kanalabstand des Oszillators auf ganzzahlige Vielfache der Rastfrequenz beschränkt ist. Ist dieser Kanalabstand eng und sind daher viele Kanäle (synchronisierbare Frequenzen des Oszillators) möglich, dann ist die Dauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Abtastungen verhältnismäßig lang und es besteht die Möglichkeit, daß die 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 ein Regelsignal, mit Hilfe dessen der Oszillator wieder auf die Sollfrequenz zurückgezogen wird. Die Frequenzen, auf welche der Oszillator synchronisierbar ist, sind durch das Produkt aus Bezugsfrequenz und Teilverhältnis bestimmt: Im Falle eines Teilerverhältnisses 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 Korrekturzeitpunkten des Regelsignals ermöglichen, ohne daß dadurch der Kanalabstand erhöht wird.

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

Durch die Aufteilung der Bezugsschwingung in mehrere phasenverschobene Einzelbezugsschwingungen lassen sich die Korrekturzeiträume für das insgesamt erzeugte Regelsignal so weit wie gewünscht verkürzen, so daß eine Änderung des Regelsignals rechtzeitig erfolgen kann, ehe die zu synchronisierende Oszillatorfrequenz aus dem jeweils möglichen Synchronisierbereich herausgewandert ist.

Einzelne Realisierungsmöglichkeiten der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. In den Zeichnungen zeigen

F ig. 1 und 2 Normalfrequenzgeneratorausführimgen gemalt dem Stand der Technik,

F i g. .3 das .Schaltschema einer erfindungsgemäßen Anordnung für die Ausführung nach Fig. I,

Fig. 4 ein die Ameits.<eise der Anordnung nach

F i g. 3 veranschaulichendes Zeitdiagramm,

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

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

F i g. 1 zeigt einen digitalen Normalfrequenzgenerator (mit Frequenzsynthese) 10 von bekannter Ausführung. Der Frequenzgenerator 10 enthält einen spannungsgesteuerten Oszillator 12, der ein Aur-gangssignal F₀ der Frequenz f_o liefert. Die Ausgangsschwingung F₀ ίο 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 (Jk=Ik liefert. Das Ausgangssignal Fk des Frequenzteilers 16 ist über die Leitung 18 einem Frequenzteiler 20 mit dem veränderbaren Teilerverhältnis N zugeführt, der die Frequenz /* 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_re/ der Bezugsfrequenz f_rci, das einem Frequenzteiler 28 mit dem festen Teilerverhältnis R zugeführt wird. Auf der Ausgangsleitung 30 des Teilers 28 erscheint ein Signal F_r mit der Frequenz f_r.

Die Signale auf den beiden Leitungen 22 und 30 werden einem Pha /nvergleicher 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_r. 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 f_m 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 /i-ist.

F i g. 2 zeigt eine andere Ausführung eines Normalfrequenzgenerators 40. Der spannungsgesteuerte Oszillator 42 schwingt im Synchronzustand wiederum mit der Frequenz f_o und erzeugt auf der Leitung 44 ein Signal F₀ mit der Frequenz F₀. Das Signal F₀ wird einer Abtastschaltung 46 zugeführt, welche die Momentanamplitude des Signals mit einer Frequenz f_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 f_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 ei-e andere Frequenz gewünscht wird, kann man cici Oszillator 42 auf eine andere Schwingfrequenz /_o umschalten, die jedoch nach wie vor genau ein ganzes Vielfaches der Frequenz /j-sein muß.

Bei den Schaltungen nach F i g. 1 und 2 hängt der Kanalabstand oder der Frequenzunterschied zwischen stabilen Frequenzen des spannungsgesteuerten Oszillators von fr ab. Es ist wünschenswert, möglichst viele Frequenzen verfügbar zu haben, was eine entsprechend niedrigere Bezugsfrequenz f_r bedingt. Jedoch muß f_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 F₀ der Frequenz f_o 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 F_r£/der Frequenz f_rcf. Das Signal F_rer gelangt zu einem Ringzähler 84 mit Ä-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 Ft 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 F* 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 % bis 104 vergleichen die Zeitpunkte des Auftretens der einzelnen Impulse der ihnen zugeführten entsprechenden Signale F_r und F_n. Besteht ein Frequenzunterschied zwischen f_n und fr, 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 % 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 Phasenvergleiciier 96 bis 104 ihre Regelsignale jeweils zu einem anderen Zeitpunkt. Es wird somit das Signal F„ in der einer Periode der Frequenz f_r entsprechenden Zeit mehr als einmal korrigiert. Da iexioch die Freauenz Λ die deiche

bleibt, wird der Kanalabstand des Oszillators 72 nicht vergrößert.

Die Arbeitsweise der Schaltung nach F i g. 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. Fig. 4b gibt die Bezugsfrequenz wieder, die in diesem Fall z. B. '/4 der Frequenz /i 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, d?.ß die Schleife phasenstarr mit der Frequenz f„ arbeitet. Wenn der Ringzähler 84 die Bezugsfrequenz durch 10 teiit, 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 Fig.4e und 4f dem Phasenvergleicher 98 zugeführt, und so fort. Sobald das System phasensynchronisiert ist, wird eine etwaige Frequenzabweichung zwischen den Signalen in Fig.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 Φ dargestellt, und sie ändert sich nur dann, wenn die Frequenz f„ nicht gleich f, 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 Phasenvergleichem % bis 104 zugeleiteten Signale f_r ist, das Signal F₁, 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 F_n mit einer Frequenz /„ liefert, sowie einen externen Bezugsoszillator 164 mit einem Ausgangssignal F_rct einer Frequenz frei- Das Ausgangssignal des Oszillators 162 ist über die Leitung 166 sowie die Leitungen 168 bis 176 fünf verschiedenen Abtastsehaltungen 178 bis 186 ähnlich den Abtastschaltungen 46 in I·" i j;. 2 zugeführt. Das Bczugssignal /> <·/ ist einem Ringzähler 188 mit fünf Ausgängen 190 bis 198 zugeführt. An jedem der Ausgänge 190 bis 198 des Zählers 188 erscheint ein Signal F_r mit einer Frequenz f_r, wobei jedoch diese Signale jeweils eine andere Phase haben. Das Signal auf der Leitung 190 gelangt zur Abtastschaltung 178, die das Signal F₁, jeweils zum Zeitpunkt eines Impulses auf der Leitung J90 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 /-„durch die Abtastschaltungen 180 bis 186 steuern. Die Ausg-iiRSMgnale 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 Fig.6 veranschaulicht die Arbeitsweise der Schaltung nach F i g. 5. F i g. 6a gibt ein Sinussignal F₁,der Frequenz f„ wieder. Die Fig. 6b—6f geben die zeitliche Lage und die Frequenz der Impulssignale F, auf den Leitungen 19C 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 F i g. 6b—6f wieder. F i g. 6n zeigt die Gesamtanzahl der Abtastungen des Signals F₀ und gibt die einzelnen Fehlersignale auf der Leitung 212 wieder.

Die Frequenz f, jedes der Signale F_n ist gleich '/β der Frequenz von F₀, d. h. die Frequenz f_o ist ein genaues Vielfaches, nämlich 6, der Frequenz f_r. Jedoch ist, wie man aus F i g. 6n sieht, die effektive Tastfrequenz von F₁ wegen der Phasendifferenz der einzelnen Signale F₁ entsprechend 6b bis 6f fünfmal größer. Wie man ferner sieht, ist die effektive Tastfrequenz nach F i g. 6n gleich ⁵/6 der Frequenz /ö, d. h. nicht ein ganzzahliger Bruchteil von fo- Jedoch arbeitet die Anordnung trotzdem einwandfrei, da jedes der Signale F_r in den Leitunger 190 bis 198 eine Frequenz hat, die ein genaues Vielfaches von /„ist.

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 (146) zu einem einzigen, dem Oszillator (72) zugeführten Regelsignal zusammengefaßt werden, das mit einer über der Bezugssignalfrequenz liegender. Frequenz korrigiert ist

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 ist.

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