DE19744828A1 - Frequency synthesiser generating two HF signals - Google Patents

Frequency synthesiser generating two HF signals

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Burkhard Prof Dr Ing Schiek
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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03L—AUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
    • H03L7/00—Automatic control of frequency or phase; Synchronisation
    • H03L7/06—Automatic control of frequency or phase; Synchronisation using a reference signal applied to a frequency- or phase-locked loop
    • H03L7/16—Indirect frequency synthesis, i.e. generating a desired one of a number of predetermined frequencies using a frequency- or phase-locked loop
    • H03L7/22—Indirect frequency synthesis, i.e. generating a desired one of a number of predetermined frequencies using a frequency- or phase-locked loop using more than one loop
    • H03L7/23—Indirect frequency synthesis, i.e. generating a desired one of a number of predetermined frequencies using a frequency- or phase-locked loop using more than one loop with pulse counters or frequency dividers

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

Abstract

The synthesiser generates two HF signals which have small spacing and are generated by two tunable VCOs (5, 10). Between the VCOs and phase detectors (3, 8) there are incorporated frequency dividers (4, 9) whose output frequencies are compared with the local reference frequencies (fr 1, 2) in the phase detectors. In the control lines between the latter and the VCOs there are incorporated loop filters (6, 11). The frequency dividers (12, 13) directly obtain a differential frequency between the VCOs, while a control unit (17) generates the mutually dependent dividing factors (R1, 2; V1, 2) of the frequency dividers (2, 4, 7, 9, 12, 13), while the difference of the prods. (R2V1-R1V2) must differ from 1, pref. as an integral number.

Description

Die Erfindung geht aus und betrifft einen Frequenzsynthesizer laut Oberbegriff des Hauptanspruches.The invention is based and relates to a frequency synthesizer according to the preamble of Main claim.

Frequenzsynthesizer dieser Art zur Erzeugung von zwei abstimmbaren Signalen mit konstantem Frequenzabstand sind bekannt. Die Regelung auf eine konstante Differenz­ frequenz kann zwar prinzipiell auch einen kleinen Frequenzabstand erzeugen, da die Vergleichsfrequenz der Differenzfrequenz-Regelschleife dann aber ebenso niedrig wer­ den muß wie die Differenzfrequenz selbst, ist dieses Verfahren nicht gut geeignet, um einen kleinen Frequenzoffset zwischen den Signalen zu erreichen.Frequency synthesizer of this type with the generation of two tunable signals constant frequency spacing are known. The regulation to a constant difference In principle, frequency can also generate a small frequency spacing because the Comparison frequency of the differential frequency control loop then just as low who the must like the difference frequency itself, this method is not well suited to to achieve a small frequency offset between the signals.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Frequenzsynthesizer zu schaffen, der zwei in der Frequenz veränderliche Signale erzeugt, die eine kleine Frequenzdifferenz aufweisen, ohne dabei eine kleine Vergleichsfrequenz der Phasenregelkreise in Kauf nehmen zu müssen.It is an object of the invention to provide a frequency synthesizer that has two in the Frequency variable signals generated that have a small frequency difference, without having to accept a small comparison frequency of the phase locked loops have to.

Die erfindungsgemäße Schaltung basiert auf nur zwei Phasenregelkreisen, die jeweils einen abstimmbaren Oszillator stabilisieren. Die Frequenzen der beiden Oszillatoren sind einstellbar, wobei unabhängig von der eingestellten Frequenz eine feste niedrige Differenzfrequenz zwischen den beiden Oszillatoren eingehalten wird.The circuit according to the invention is based on only two phase locked loops, each stabilize a tunable oscillator. The frequencies of the two oscillators are adjustable, with a fixed low regardless of the set frequency Difference frequency between the two oscillators is maintained.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert.The invention is explained in more detail below with the aid of schematic drawings.

Abb. 1 zeigt das Prinzipschaltbild des zweischleifigen Synthesegenerators beste­ hend aus den phasengeregelten Oszillatoren 5 und 10, den zwischen diesen Oszillatoren 5 und 10 sowie den Phasendetektoren 3 und 8 angeordneten Frequenzteilern 4 und 9, den in der Steuerleitung zwischen den Phasendetektoren 3 und 8 und den Oszillatoren 5 und 10 angeordneten Schleifenfiltern 6 und 11, dem Referenzoszillator 1 und den zwischen dem Referenzoszillator 1 und den Phasendetektoren 3 und 8 angeordneten Referenzteilern 2 und 7. Zur direkten Erzeugung der Differenzfrequenz dienen die Fre­ quenzteiler 12 und 13. Die Steuerlogik 17 generiert in dem System die Teilerfaktoren für die Frequenzteiler 2, 4, 7, 9, 12 und 13, die voneinander abhängig sind. Fig. 1 shows the basic circuit diagram of the two-loop synthesis generator consisting of the phase-controlled oscillators 5 and 10 , the frequency dividers 4 and 9 arranged between these oscillators 5 and 10 and the phase detectors 3 and 8 , those in the control line between the phase detectors 3 and 8 and the Oscillators 5 and 10 arranged loop filters 6 and 11 , the reference oscillator 1 and the reference dividers 2 and 7 arranged between the reference oscillator 1 and the phase detectors 3 and 8 . Fre frequency dividers 12 and 13 are used to directly generate the difference frequency. The control logic 17 generates in the system the divider factors for the frequency dividers 2 , 4 , 7 , 9 , 12 and 13 , which are dependent on one another.

Der Referenzoszillator 1 erzeugt ein sehr stabiles Signal der Frequenz fref, auf das sich alle weiteren Frequenzen direkt beziehen. Im eingeschwungenen Zustand ergeben sich die Frequenzen der Oszillatoren 5 und 10, f1 und f2 zu:
The reference oscillator 1 generates a very stable signal of the frequency f ref , to which all other frequencies relate directly. In the steady state, the frequencies of the oscillators 5 and 10 , f 1 and f 2 result in:

Bei geeigneter Wahl der vier Teilungsfaktoren V1, V2, R1 und R2 kann man eine Dif­ ferenzfrequenz fzf zwischen den beiden Oszillatoren 5 und 10 von
With a suitable choice of the four division factors V 1 , V 2 , R 1 and R 2 , a dif ferential frequency f zf between the two oscillators 5 and 10 of

einstellen. Dabei wird der Zählerterm R2V1 - R1V2 in Gleichung (2) zu eins. Dies stellt zugleich den kleinstmöglichen von Null verschiedenen Wert dar, da die Teilerfaktoren R1, R2, V1 und V2 nur ganzzahlig sein können. Die niedrige Differenzfrequenz wird erreicht, obwohl die Vergleichsfrequenzen der Phasenregelkreise fr1 und fr2 nur bei
to adjust. The counter term R 2 V 1 - R 1 V 2 in equation (2) becomes one. This also represents the smallest possible non-zero value since the divisor factors R 1 , R 2 , V 1 and V 2 can only be an integer. The low difference frequency is reached, although the comparison frequencies of the phase locked loops f r1 and f r2 only at

liegen. Die Differenzfrequenz wird damit kleiner als die einzelnen Vergleichsfrequenzen an den Phasendetektoren 3 und 8. Damit ist eine größere Bandbreite der Phasenre­ gelkreise erreichbar, was sich sowohl positiv auf eine kürzere Einschwingzeit, als auch auf eine breitbandigere Unterdrückung des Phasenrauschens der beiden Oszillatoren 5 und 10 auswirkt.lie. The difference frequency thus becomes smaller than the individual comparison frequencies at the phase detectors 3 and 8 . A larger bandwidth of the phase control circuits can thus be achieved, which has a positive effect both on a shorter settling time and on a broadband suppression of the phase noise of the two oscillators 5 and 10 .

Eine beispielsweise in der Meßtechnik häufig auftauchende Forderung ist die, mit einem Synthesizer zwei Signale mit konstantem Frequenzoffset zu erzeugen, die außerdem noch in äquidistanten Frequenzschritten einstellbar sind. Auch diese Vorgabe ist mit dem erfindungsgemäßen Synthesizer erfüllbar. Exemplarisch ist hier eine Möglichkeit zur Wahl der Teilungsfaktoren gegeben. Die Teilerwerte der Referenzteiler 2 und 7 werden in diesem Beispiel fest vorgegeben, wobei zusätzlich
A requirement that frequently arises in measurement technology, for example, is to generate two signals with a constant frequency offset using a synthesizer, which signals can also be set in equidistant frequency steps. This requirement can also be met with the synthesizer according to the invention. As an example, there is an option here for choosing the division factors. The divider values of the reference divider 2 and 7 are fixed in this example, with additional

R2 = R1 + 1 (4)
R 2 = R 1 + 1 (4)

sein soll. Die Teilerfaktoren V1 und V2 sind veränderlich. Mit der willkürlich definierten Laufvariable D, die eine natürliche Zahl ist, ergeben sie sich zu:
should be. The division factors V 1 and V 2 are variable. With the arbitrarily defined run variable D, which is a natural number, they result in:

V1 = 1 + DR1 bzw. V2 = D + V1. (5)V 1 = 1 + DR 1 or V 2 = D + V 1 . (5)

Bei dieser Wahl der Teilungsfaktoren erhält man als Differenzfrequenz
With this choice of the division factors one obtains the difference frequency

Die Ausgangsfrequenzen f1 und f2 der beiden Oszillatoren 5 und 10 sind dabei exakt in Schritten der Weite fref einstellbar, wobei gilt:
The output frequencies f 1 and f 2 of the two oscillators 5 and 10 can be set exactly in steps of the width f ref , where:

Eines von vielen Anwendungsfeldern für derartige dicht nebeneinander laufende Oszil­ latoren stellen heterodyne Meßsysteme dar. Abb. 2 zeigt beispielhaft ein solches Meßsystem, mit dem die Übertragungsfunktion eines Meßobjektes nach Betrag und Phase bestimmt werden kann. Die Ausgangssignale der beiden Phasenregelkreise sind in der Frequenz leicht versetzt. Das Ausgangssignal des Oszillators 5 dient als Meßsi­ gnal und wird auf ein Meßobjekt gegeben, von dem zum Beispiel die Übertragungsfunk­ tion bestimmt werden soll. Bei entsprechender Beschaltung können selbstverständlich sämtliche Streuparameter vermessen werden. In dem hier angegebenen Beispiel soll exemplarisch nur die Transmission nach Betrag und Phase ausgemessen werden.One of many fields of application for such closely running oscillators are heterodyne measuring systems. Fig. 2 shows an example of such a measuring system with which the transfer function of a test object can be determined according to amount and phase. The output signals of the two phase locked loops are slightly offset in frequency. The output signal of the oscillator 5 serves as a signal and is given to a measurement object, for example, the transmission function to be determined. With appropriate wiring, of course, all scattering parameters can be measured. In the example given here, only the transmission according to magnitude and phase should be measured as an example.

Das Signal des Oszillators 10 dient als Lokaloszillatorsignal für die Mischer 14 und 16. Da es in der Frequenz leicht gegenüber f1 versetzt ist, haben die Signale Uref und Um im statischen eingeschwungenen Zustand, bei Ansteuerung der Teiler 2, 4, 7 und 9 wie oben beschrieben, eine kleine Frequenz, die der Differenzfrequenz |f1 - f2| = fzf entspricht. Die Frequenz fzf der Signale Uref und Um kann klein genug gewählt werden, um eine unmittelbare Analog-Digital-Wandlung hoher Bit-Auflösung durchführen zu können. Daher ist es mit dem erfindungsgemäßen zweischleifigen Synthesegenerator möglich, sehr preiswert ein heterodynes Meßsystem aufzubauen. Die sonst verwendeten Methoden zur Erzeugung einer kleinen konstanten Differenzfrequenz zwischen zwei in ihrer Frequenz veränderlichen und zugleich sehr hochfrequenten Signalen sind deutlich komplexer und erfordern sowohl einen höheren logistischen Aufwand als auch einen größeren Schaltungsaufwand.The signal of the oscillator 10 serves as a local oscillator signal for the mixers 14 and 16 . Since the frequency is slightly offset from f 1 , the signals U ref and U m in the static steady state, when the dividers 2 , 4 , 7 and 9 are actuated as described above, have a low frequency which corresponds to the difference frequency | f 1 - f 2 | = f corresponds to zf . The frequency f zf of the signals U ref and U m can be chosen small enough to be able to carry out an immediate analog-digital conversion of high bit resolution. It is therefore possible with the two-loop synthesis generator according to the invention to set up a heterodyne measuring system very inexpensively. The methods otherwise used to generate a small constant differential frequency between two signals which are variable in frequency and at the same time very high-frequency are significantly more complex and require both a higher logistical effort and a greater amount of circuitry.

Die Meßgrößen Uref und Um enthalten die komplette Information der komplexen Übertragungsfunktion des Meßobjektes. Da die ZF-Frequenz fzf ohne großen Auf­ wand am Ausgang der Teilerkette 12 und 13 zur Verfügung gestellt wird, hat man mit diesem Signal die Möglichkeit, die Abtastung der Signale Uref und Um zu synchro­ nisieren. Man kennt damit Uref und Um nach Betrag und Phase und bestimmt die Übertragungsfunktion Gm dann zu:
The measured variables U ref and U m contain the complete information of the complex transfer function of the test object. Since the IF frequency f zf is provided at the output of the divider chain 12 and 13 without great effort, this signal gives the possibility of synchronizing the sampling of the signals U ref and U m . One knows U ref and U m according to magnitude and phase and then determines the transfer function G m to:

Es ist auch möglich, die beiden Phasenregelkreise nicht jeweils auf eine Frequenz ein­ schwingen zu lassen, sondern die Oszillatoren 5 und 10 kontinuierlich zwischen einer Start- und einer Stopfrequenz laufen zu lassen. Dabei entstehen zwei stetige analoge und hochpräzise Frequenzrampen, mit denen man ebenso das Meßsystem in Abb. 2 betreiben kann. Lediglich die Auswertung der Signale ist dann etwas zu modifizieren.It is also possible not to let the two phase-locked loops each oscillate at one frequency, but rather to let the oscillators 5 and 10 run continuously between a start and a stop frequency. This creates two continuous analog and high-precision frequency ramps, which can also be used to operate the measuring system in Fig. 2. Only the evaluation of the signals then needs to be modified somewhat.

Claims (5)

1. Frequenzsynthesizer zur Erzeugung von zwei hochfrequenten Signalen mit einem kleinen Frequenzabstand bestehend aus,
einem Referenzoszillator 1, zwei Frequenzteilern 2 und 7 zur Erzeugung von zwei lokalen Referenzfrequenzen fr1 und fr2,
zwei abstimmbaren Oszillatoren 5 und 10 zur Erzeugung der hochfrequenten Si­ gnale, zwei zwischen den Oszillatoren 5 und 10 und den Phasendetektoren 3 und 8 angeordneten Frequenzteilern 4 und 9, deren Ausgangsfrequenzen in den Pha­ sendiskriminatoren 3 und 8 mit den Referenzfrequenzen fr1 und fr2 verglichen werden, zwei in den Steuerleitungen zwischen den Phasendiskriminatoren 3 und 8 und den einstellbaren Oszillatoren 5 und 10 angeordneten Schleifenfiltern 6 und 11,
zwei Frequenzteilern 12 und 13 zur direkten Gewinnung der Differenzfrequenz fzf zwischen den Oszillatoren sowie einer Steuereinheit 17 zur Generierung der voneinander abhängigen Teilerfaktoren R1, R2, V1 und V2 der Frequenzteiler 2, 7, 4, 9, 12 und 13, wobei die Differenz der Produkte R2V1 und R1V2 dem Betrage nach eins sein muß.1. frequency synthesizer for generating two high-frequency signals with a small frequency spacing consisting of
a reference oscillator 1 , two frequency dividers 2 and 7 for generating two local reference frequencies f r1 and f r2 ,
two tunable oscillators 5 and 10 for generating the high-frequency signals, two frequency dividers 4 and 9 arranged between the oscillators 5 and 10 and the phase detectors 3 and 8 , whose output frequencies in the phase discriminators 3 and 8 compared with the reference frequencies f r1 and f r2 two loop filters 6 and 11 arranged in the control lines between the phase discriminators 3 and 8 and the adjustable oscillators 5 and 10 ,
two frequency dividers 12 and 13 for directly obtaining the difference frequency f zf between the oscillators and a control unit 17 for generating the mutually dependent divider factors R 1 , R 2 , V 1 and V 2 of the frequency dividers 2 , 7 , 4 , 9 , 12 and 13 , where the difference between the products R 2 V 1 and R 1 V 2 must be one. 2. Frequenzsynthesizer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz der Produkte R2V1 und R1V2 dem Betrage nach einer ganzen Zahl n entspricht.2. Frequency synthesizer according to claim 1, characterized in that the difference between the products R 2 V 1 and R 1 V 2 corresponds to the amount by an integer n. 3. Frequenzsynthesizer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von der Steuerlogik 17 nur die Teilerfaktoren V1 und V2 der Teiler 4 und 9 derart geändert werden, daß die Ausgangssignale der Oszillatoren 5 und 10 in äquidistanten Frequenzschritten eingestellt werden können, wobei die kleine Differenzfrequenz konstant bleibt.3. Frequency synthesizer according to claim 1, characterized in that only the divider factors V 1 and V 2 of the divider 4 and 9 are changed by the control logic 17 such that the output signals of the oscillators 5 and 10 can be set in equidistant frequency steps, the small one Difference frequency remains constant. 4. Frequenzsynthesizer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nicht das Einschwingen der Phasenregelkreise abgewartet wird, sondern durch kontinu­ ierliches Inkrementieren, beziehungsweise Dekrementieren der Frequenzteiler 4 und 9 in genau festgelegten Schritten bei entsprechender Auslegung des Schlei­ fenfilters die Ausgangssignale der Oszillatoren 5 und 10 hochlineare analoge und glatte Frequenzrampen durchlaufen, deren Frequenzabstand unabhängig von der momentanen Frequenz konstant bei der Differenzfrequenz fzf bleibt.4. Frequency synthesizer according to claim 1, characterized in that the settling of the phase-locked loops is not waited for, but rather by continuously incrementing or decrementing the frequency dividers 4 and 9 in precisely defined steps with appropriate design of the loop filter, the output signals of the oscillators 5 and 10 are highly linear pass through analog and smooth frequency ramps whose frequency spacing remains constant at the difference frequency f zf regardless of the current frequency. 5. Heterodynes Meßsystem auf der Basis des Synthesizers nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die zwei in der Frequenz leicht versetzten Signale f1 und f2, wobei f1 die Signalfrequenz ist, die auf das Meßobjekt gegeben wird und f2 die zum Mischen auf eine niedrige Zwischenfrequenz der Signale Uref und Um notwendige Lokaloszillatorfrequenz ist, zur Vermessung der komplexen Übertragungsfunktion eines Meßobjektes 15 nach Betrag und Phase verwendet werden, wobei zur Synchronisation der Abtastung das Ausgangssignal des Teilers 13 verwendet werden kann.5. heterodyne measuring system based on the synthesizer according to claim 1, characterized in that the two signals with a slight offset in frequency f 1 and f 2 , where f 1 is the signal frequency that is given to the test object and f 2 to Mixing to a low intermediate frequency of the signals U ref and U m necessary local oscillator frequency is used to measure the complex transfer function of a measurement object 15 according to magnitude and phase, and the output signal of the divider 13 can be used to synchronize the scanning.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102004032130A1 (en) * 2004-07-01 2006-02-02 Krohne Meßtechnik GmbH & Co KG Frequency synthesizer and method for operating a frequency synthesizer

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DE102004032130B4 (en) * 2004-07-01 2010-12-16 Krohne Messtechnik Gmbh Frequency synthesizer and method for operating a frequency synthesizer

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