DE19633013A1 - Digitale Schaltungsanordnung - Google Patents
Digitale SchaltungsanordnungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine digitale, taktgesteuerte
Schaltungsanordnung, bei der die Störausstrahlung, die durch
den Arbeitstakt bzw. durch die Taktung hervorgerufen wird,
durch Modulation der Taktfrequenz reduziert wird.
Eine solche Schaltungsanordnung ist beispielsweise in der US-
PS 4 695 808 beschrieben. Bei solchen digitalen Schaltungen,
die mit einem vorgegebenen, stabilen Takt betrieben werden,
treten bekanntlich Störsignale mit ganzzahligen Vielfachen der
Grundfrequenz des Arbeitstaktes auf, die schmalbandig sind und
relativ hohe Amplituden annehmen können. Um die Energie dieser
Störausstrahlung auf ein breiteres Frequenzspektrum auszudeh
nen und dadurch die Amplitude des Störsignals zu verringern,
wird die Frequenz des Taktsignals oder Taktgebersignals mo
duliert. Dieser Maßnahme steht jedoch entgegen, daß in einem
Mikroprozessor und auch in anderen digitalen Schaltungen die
ser Art, für den Datenaustausch und das Zusammenwirken der
einzelnen Schaltgruppen untereinander ein möglichst genauer
Systemtakt vorgegebener Grundfrequenz erforderlich ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die beiden
vorgenannten, an sich widersprüchlichen Forderungen nach einem
hochgenauen, schmalbandigen Taktgebersignal bzw. Arbeitstakt
einerseits und nach Verteilung der ausgestrahlten Störenergie
über ein breiteres Frequenzband, was sich durch Frequenzmodu
lation erreichen ließe, in Einklang zu bringen.
Es hat sich herausgestellt, daß diese Aufgabe durch die im
Anspruch 1 beschriebene Schaltungsanordnung zu lösen ist, de
ren Besonderheit darin besteht, daß eine Aufteilung der Schal
tungsanordnung in Schaltungsteile mit hohen Anforderungen an
die Genauigkeit der Taktfrequenz und in Schaltungsteile mit
hohem Störausstrahlungspotential vorgesehen ist, daß den
Schaltungsteilen mit hohen Genauigkeitsanforderungen der Ar
beitstakt oder ein von dem Arbeitstakt abgeleiteter Takt unmo
duliert zugeführt wird und die übrigen Schaltungsteile mit
moduliertem Takt versorgt werden sowie daß eine Kommunika
tionsschaltung vorhanden ist, die die mit dem unmoduliertem
Takt betriebenen Schaltungsteile mit den übrigen,an dem modu
lierten Takt angeschlossenen Schaltungsteilen verbindet.
Nach einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung ist
als Kommunikationsschaltung ein von zwei Seiten beschreib- und
auslesbarer Pufferspeicher vorgesehen, über den Daten von
einer mit unmoduliertem Takt versorgten Zeitnormalen zu einer
mit frequenzmoduliertem Takt versorgten Logikschaltung, und in
umgekehrter Richtung, übertragen werden. Als
Kommunikationsschaltung ist erfindungsgemäß auch eine
Phasenvergleichs- oder Synchronisierschaltung verwendbar, die
eine Datenübertragung nur zu Zeiten hinreichend
übereinstimmender Frequenz bzw. Phasenlage zwischen dem
unmodulierten und dem modulierten Takt zuläßt.
Schließlich ist es noch möglich und in vielen Fällen
vorteilhaft, als Kommunikationsschaltung eine
Synchronisierschaltung zu verwenden, die den Zeitbereich
hinreichender Übereinstimmung zwischen den Frequenzen bzw.
Phasenlagen des nicht modulierten und des modulierten Taktes
verlängert und wiederum nur in den Zeiten hinreichender
Übereinstimmung die Datenübertragung zuläßt.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß in einer
digitalen Schaltung der hier in Rede stehenden Art nur
bestimmte Schaltungsteile mit der präzisen Taktgeberfrequenz
betrieben werden sollten, während andere Schaltungsteile, von
denen in der Praxis der größere Teil der Störausstrahlung
ausgeht, mit dem frequenzmodulierten Takt betrieben werden
können, wenn bei der Kommunikation zwischen den einzelnen
Schaltungsteilen ein asynchroner Datenaustausch oder eine
zeitweise Synchronisation ermöglicht wird.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung läßt also sowohl ein
Arbeiten mit hohen Genauigkeitsanforderungen im Zeitbereich
zu, als auch eine wirkungsvolle Dämpfung bzw. Reduzierung der
Störausstrahlung durch Verteilung der Störenergie über ein
relativ breites Frequenzband.
Weitere Einzelheiten, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der
Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung von
Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Abbildungen
hervor.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung der
prinzipiellen Arbeitsweise einer Schaltungsanordnung
nach der Erfindung,
Fig. 2 in gleicher Darstellungsweise ein weiteres
Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung nach der
Erfindung,
Fig. 3A, 3B Diagramme zur Erläuterung weiterer
Ausführungsbeispiele der Erfindung und
Fig. 4 ebenfalls in Blockdarstellung und schematisch
vereinfacht weitere Details der Schaltungsanordnung
nach Fig. 1.
Fig. 1 dient zur Erläuterung der prinzipiellen Arbeitsweise
der Erfindung. Es sind nur die wesentlichen Komponenten oder
Funktionen der Schaltung symbolisch dargestellt.
Eine digitale, taktgesteuerte Schaltungsanordnung nach der
Erfindung setzt sich aus Schaltungsteilen 1, die mit einem
Taktgeber 2 betrieben werden, und aus Schaltungsteilen 3, die
an einem zweiten Taktgeber 4 angeschlossen sind, zusammen. Die
Kommunikation zwischen den Schaltungsteilen 1 und 3 geschieht
mit Hilfe einer Kommunikationsschaltung 5, die in irgendeiner
Weise die Steuerung der Schaltungsteile 1 und 3 mit
verschiedenen Taktquellen (2, 4) ausgleichen muß. Das
erfindungsgemäße Schaltungsprinzip kann auf Mikroprozessoren
oder Mikrocomputer und auch auf andere digitale
Schaltungsanordnungen angewendet werden.
Die Taktquelle 4 liefert an die Schaltungsteile 3, die hier
"Zeitnormale" darstellen, einen unmodulierten, exakt
vorgegebenen Arbeitstakt fT. Eine Modulation dieses Taktes
kommt nicht in Frage. Die übrigen Schaltungsteile 1, die z. B.
die gesamte Logik eines Mikrocomputers oder einer
Regelungsschaltung umfassen können, stellen wesentlich
geringere Anforderungen an die Taktgenauigkeit. Der Taktgeber
2 für die Logik 1 generiert daher einen frequenzmodulierten
Takt mit der Frequenz fFM. Durch diese Frequenzmodulation wird
die Störausstrahlung entscheidend reduziert. Da in der Praxis
in der Logik 1 bzw. in den Schaltungsteilen 1 der größte
Anteil der Störaussendung der gesamten Digitalschaltung
entsteht und die Zeitnormale (Schaltungsteil 3) nur im
geringen Umfang zur Störaussendung beiträgt, wird durch die
Frequenzmodulation der weitaus größte Teil der Störquelle
erfaßt.
Der modulierte Takt fFM und der unmodulierte Takt fT aus den
Quellen 2 und 4 werden natürlich aus einer gemeinsamen Quelle
(siehe Fig. 4) abgeleitet, was eine Synchronisierung
erleichtert.
Bei digitalen Schaltungen der hier in Rede stehenden Art ist
eine Kommunikation bzw. ein Datenaustausch zwischen den
Schaltungsteilen 1 und 3 erforderlich. Um trotz der
unterschiedlichen Taktfrequenzen fFM und fT eine Kommunikation
zu ermöglichen, ist im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ein
von zwei Seiten beschreib- und auslesbarer Pufferspeicher 5,
beispielsweise ein sogenannter Dual Port RAM, vorgesehen. Über
diesen Pufferspeicher 5 können die Schaltungsteile 1 und 3
asynchron kommunizieren.
In Fig. 1 sind die Busse, über die Daten und der Datentakt
übertragen werden, mit 6 und 7 beziffert. Über diese Busse
können die beiden Schaltungsteile 1 und 3 asynchron
kommunizieren.
Ein anderes Beispiel des Datenaustauschs zwischen den
Schaltungsteilen 1 und 3 zeigt Fig. 2. In diesem Beispiel ist
eine Phasenvergleichseinrichtung 8 vorgesehen, die ständig die
Taktfrequenzen fFM und fT vergleicht und einen Datenaustausch
über einen Datenbus 9 nur zu Zeiten zuläßt, in denen die
Frequenzen bzw. Phasen lagen der beiden Quellen 2 und 4
hinreichend genau übereinstimmen. Der Arbeitstakt wird
ebenfalls über den Bus 9 übertragen.
Fig. 3A, die den Verlauf der Frequenz über der Zeit
wiedergibt, symbolisiert, daß das frequenzmodulierte Signal fFM
periodisch mit der unmodulierten Frequenz fT zusammenfällt, so
daß in den durch einen Kreis gekennzeichneten Zeiten
t₁₀,t₁₁,t₁₂ ein Datenaustausch über den Datenbus 9 in Fig. 2
stattfinden kann.
Eine Variante der Synchronisierweise, auf die sich Fig. 3A
bezieht, wird durch Fig. 3B veranschaulicht. Es besteht
grundsätzlich die Möglichkeit, durch Einwirkung der
Vergleichs- oder Synchronisationseinrichtung auf den
Frequenzmodulator, mit dem aus dem Takt mit der Frequenz fT der
frequenzmodulierte Takt fFM gewonnen wird, den Zeitbereich für
die Datenübertragung zu verlängern. Durch Einwirkung auf den
Frequenzmodulator wird nämlich - vergleiche Fig. 3B - ein
Zeitbereich "t₁₃ bis t₁₄" geschaffen, in dem eine hinreichend
genaue Übereinstimmung zwischen den Frequenzen bzw.
Phasen lagen der beiden Signale mit den Frequenzen fFM und fT
besteht. Allerdings kann eine solche Maßnahme, nämlich die
Ausdehnung des Zeitbereichs, abhängig von der Dauer der
hinreichenden Übereinstimmung beider Signale, eine
entsprechende Erhöhung oder Verlängerung der Störausstrahlung
zur Folge haben.
Schließlich sind in Fig. 4 noch weitere Details einer
digitalen Schaltungsanordnung der hier in Rede stehenden Art,
beispielsweise der Schaltung nach Fig. 1, dargestellt.
Zur Erzeugung des Arbeitstaktes ist nach Fig. 4 eine
frequenzstabile Oszillatorschaltung 15 vorgesehen, die den
unmodulierten Takt FT (oder ein Vielfaches dieses Taktes)
erzeugt. Dieser Takt FT wird den Schaltungsteilen 16, die hohe
Anforderungen an die Frequenzstabilität und Genauigkeit
stellen, zugeleitet. Das Ausgangssignal der
Oszillatorschaltung 15, das die Taktfrequenz FT besitzt, wird
außerdem über einen Frequenzmodulator 17 denjenigen
Schaltungsteilen 18 zugeleitet, die den höheren oder
entscheidenden Anteil zur Störausstrahlung leisten und die
ohne Beeinträchtigung der Datenverarbeitung mit einem
modulierten Takt fFM betrieben werden können. Diese
Schaltungsteile 18 stellen in der Praxis den eigentlichen
Störsender dar, dessen Störausstrahlung durch die
Frequenzmodulation auf das zulässige Maß reduziert wird.
Der unmodulierte Systemtakt FT wird bei dem Schaltungsbeispiel
nach Fig. 4 über einen Timer 19 der Logik 18, beispielsweise
einem Mikrocomputer, zugeleitet.
Wie bereits anhand der Fig. 1 erläutert wurde, ist eine
Kommunikations- oder Synchronisierschaltung 20 notwendig, um
den erforderlichen Datenaustausch zwischen den
Schaltungsteilen 16 und 18 zu ermöglichen. Die Einrichtung 20
symbolisiert entweder einen Pufferspeicher (vergleiche
Pufferspeicher 5 in Fig. 1) oder eine Phasenvergleichs- oder
Phasenbeeinflussungseinrichtung, die immer dann eine
Datenübertragung zuläßt, wenn eine hinreichend genaue
Übereinstimmung der Frequenz bzw. Phasenlage zwischen dem
frequenzmodulierten Takt und dem unmodulierten Takt besteht.
Schließlich sind in Fig. 4 noch Datenbusse 21, 22, 23,
Signalübertragungsleitungen 24, 25, 26 zur Übertragung des
modulierten Taktes (24), eines Modulator-Steuersignals (26)
und zur Signalisierung übereinstimmender Phasenlage (25)
dargestellt; dies sind einige der bekanntlich in solchen
digitalen Schaltungen benötigten Übertragungsleitungen.
Claims (4)
1. Digitale, taktgesteuerte Schaltungsanordnung, bei der die
durch die Taktung hervorgerufene Störausstrahlung durch
Modulation der Taktfrequenz reduziert wird, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Aufteilung in Schaltungsteile
(3, 16) mit hohen Anforderungen an die Genauigkeit der
Taktfrequenz (fT) und in Schaltungsteile (1, 18) mit hohem
Störausstrahlungspotential vorgesehen ist, daß den
Schaltungsteilen (3, 16) mit hohen Genauigkeitsanforderungen
der Arbeitstakt (fT) oder ein von der Taktgeberfrequenz (fT)
abgeleiteter Takt unmoduliert zugeführt und die übrigen
Schaltungsteile (1, 18) mit moduliertem Takt (fFM) versorgt
werden und daß eine Kommunikationsschaltung (5, 8, 20)
vorhanden ist, über die die mit dem unmodulierten Takt (fT)
betriebenen Schaltungsteile (3,16) mit den übrigen, an den
modulierten Takt (fFM) angeschlossenen Schaltungsteilen
(1, 18) verbunden sind.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß als Kommunikationsschaltung ein von
zwei Seiten schreib- und lesbarer Pufferspeicher (5, 20),
z. B. ein Dual Port RAM, vorgesehen ist, über den Daten von
einer mit unmoduliertem Takt (fT) versorgten Zeitnormalen
(3, 18) zu einer mit frequenzmoduliertem Takt (fFM)
versorgten Logikschaltung (1, 18) sowie in umgekehrter
Richtung übertragen werden.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß als Kommunikationsschaltung eine
Phasenvergleichs- oder Synchronisierschaltung (8)
vorgesehen ist, die nur zu Zeiten hinreichend
übereinstimmender Frequenz bzw. Phasenlage zwischen dem
unmodulierten und dem modulierten Takt eine
Datenübertragung zuläßt.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß als Kommunikationsschaltung eine
Synchronisierschaltung (8) vorgesehen ist, die den
Zeitbereich hinreichender Übereinstimmung (t10,11,12, t₁₃ bis
t₁₄) zwischen der Frequenz bzw. Phasenlage des
unmodulierten und des modulierten Taktes verlängert und die
nur zu Zeiten hinreichender Übereinstimmung (t10,11,12, t₁₃
bis t₁₄) der Frequenz bzw. Phasenlage eine
Datenübertragung zuläßt.
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