DE2058874B2 - Phase locked loop with compensated varactor non-linearity - uses curving sawtooth sampling waveform of phase discriminator - Google Patents
Phase locked loop with compensated varactor non-linearity - uses curving sawtooth sampling waveform of phase discriminatorInfo
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- Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen mittels einer Regelschleife auf eine Festfrequenz stabilisierbaren Oszillator, dessen Frequenzeinstellglied eine nichtlineare Frequenzabhängigkeit von der angelegten Stellgröße bewirkt die durch Änderung der Verstärkung in der Regelschleife kompensiert istThe invention relates to a device that can be stabilized to a fixed frequency by means of a control loop Oscillator, the frequency setting element of which has a non-linear frequency dependence on the applied manipulated variable causes which is compensated by changing the gain in the control loop
Der Zusammenhang zwischen der Schwingfrequenz eines z. B. mit einem Varaktor nachstimmbaren Oszillator und der am Varaktor liegenden Stellspantiung oder Regelspannung ist im allgemeinen nichtline-W. Diese Nichtlinearität hat zur Folge, daß die Verstärkung im Regelkreis bei verschiedenen Regel-Spannungen unterschiedlich ist, da die Steilheit der Varaktorkennlinie die Verstärkung im Regelkreis mitbestimmt. Dies ist besonders dann unerwünscht, wenn der Oszillator über einen größeren Frequenzbereich durchstimmbar ist und dabei ein großer Teil der Varaktorkennlinie ausgenutzt wird, wie es z. B. bei Schrittweise gerasteten Oszillatoren von Synthesizern gefordert wird.The relationship between the oscillation frequency of a z. B. retunable with a varactor Oscillator and the setting voltage lying on the varactor or control voltage is generally non-line-W. This non-linearity has the consequence that the Gain in the control loop is different for different control voltages, because the steepness of the Varactor characteristic also determines the gain in the control loop. This is particularly undesirable if the oscillator can be tuned over a larger frequency range and a large part of the Varactor characteristic is used as it is, for. B. With step-by-step locked oscillators of synthesizers is required.
Eine Lösung für die Kompensation dieser Nichtlinearität ist gemäß der DT-OS 19 08 267 dadurch vorgenomrnen, daß die Verstäikung in der Regelschleife durch entsprechende Steuerung des in dieser Schleife enthaltenen Gleichspannungsverstärkers in Abhängigkeit von der Steuerspannung für die Kapazitätsdiode vorgenommen wird. Durch die DT-OS 15 91 021 ist es andererseits bekannt geworden, bei einem Quarzoszillator, dessen Frequenz in den für Quarzoszillatoren erreichbaren Grenzen durch eine zusätzliche Kapazitätsdiode geändert werden soll, die nichtlineare Abhängigkeit der Frequenz von der angelegten Steuerspannung durch zusätzliche Schaltungselemente, in diesem Falle durch einen zusätzlichen Zweipol, zu kompensieren.According to DT-OS 19 08 267, a solution for compensating for this non-linearity is provided by that the reinforcement in the control loop by appropriate control of the in this loop included DC voltage amplifier depending on the control voltage for the capacitance diode is made. Through the DT-OS 15 91 021 it is on the other hand, it has become known for a crystal oscillator, the frequency of which is in that for crystal oscillators achievable limits should be changed by an additional capacitance diode, which is non-linear Dependence of the frequency on the applied control voltage through additional circuit elements, in this case by an additional two-terminal network to compensate.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter diesen Voraussetzungen eine möglichst einfache und wirksame Schaltung zur Kompensation dieser nichtlinearen Abhängigkeit anzugeben.The invention is based on the object, under these conditions, as simple and as possible specify effective circuit to compensate for this non-linear dependence.
Diese Aufgabe wird bei einem mittels einer Regelschleife auf eine Festfrequenz stabilisierbaren Oszillator, dessen Frequenzeinstellglied eine nichtlineaThis task can be stabilized at a fixed frequency by means of a control loop Oscillator, the frequency setting element of which is a nonlinea
re hrequenzaDngn} ee gere hrequency change} ee ge
bewirkt, die durch Änderung der Verstärkung in der Regelschleife kompensiert ist, dadurch gelöst, daß die Änderung der Verstärkung durch entsprechende Krümmung der Diskriminatorlinie bewirkt wird.caused, which is compensated by changing the gain in the control loop, solved in that the Change in gain is effected by corresponding curvature of the discriminator line.
In Weiterbildung der Erfindung ist der Diskriminator ein Phasendiskriminator, der nach dem Prinzip des getasteten Sägezahns arbeitet und bei dem die getastete Flanke des Sägezahns zur Kompensation der Nichtlinearität entsprechend gekrümmt istIn a further development of the invention, the discriminator is a phase discriminator that operates on the principle of sampled sawtooth works and in which the sampled edge of the sawtooth to compensate for the non-linearity is curved accordingly
Die Methode ist besonders vorteilhaft wenn als nichtlineares Frequenzeinstellglied eine Kapazitätsdiode für Abstimmzwecke verwendet wird.The method is particularly advantageous when the non-linear frequency setting element is a capacitance diode is used for voting purposes.
Die Krümmung wird zweckmäßigerweise durch entsprechende Bemessung des den Sägezahn bestimmenden ÄC-Gliedes hervorgerufen.The curvature is expediently determined by appropriate dimensioning of the saw tooth ÄC member caused.
In Weiterbildung der Erfindung wird die Sägezahnspannung von der Ausgangsspannung des zu synchronisierenden Oszillators abgeleitetIn a further development of the invention, the sawtooth voltage is derived from the output voltage of the to be synchronized Derived from the oscillator
Nachstehend wird die Erfindung mit ihren Vorteilen anhand F i g. 1 bis 4 nähor erläutertThe invention and its advantages are illustrated below with reference to FIG. 1 to 4 explained in more detail
Die F i g. 1 zeigt das Prinzip eines Phasenregelkreises, bei dem die Erfindung mit Vorteil anwendbar ist Ein freischwingender Oszillator O mit einer Frequenznachstelleinrichtung, z.B. in Form einer Varaktor- oder Kapazitätsdiode VD gibt ein Signal mit der Frequenz fo an den Ausgang A ab. Ein Teil dieser Ausgangsspannung wird abgezweigt und auf einen Phasendiskriminator PDgeführt dem gleichzeitig von einem sehr stabilen Oszillator VO ein Signal mit der Frequenz fv zugeführt wird. Durch Vergleich der beiden Signale entsteht am Ausgang des Phasendiskriminators ein Signal Ust, das über einen Tiefpaß TP dem Nachstellorgan VD des Oszillators zugeführt wird. Dadurch wird der Oszillator O frequenzstarr auf den Festoszillator VO synchronisiert Der Zusammenhang zwischen der Steuerspannung Ust und der Frequenz des Oszillators O ist im allgemeinen nicht linear. Dies ist besonders dann der Fall, wenn das Nachstimmorgan VD aus einer Varaktordiode besteht Als Beispiel ist in Fig.2 eine derartige Abhängigkeit dargestellt.The F i g. 1 shows the principle of a phase locked loop, in which the invention is advantageously applicable to a free-running oscillator with a Frequenznachstelleinrichtung O, for example in the form of a varactor diode VD is a signal having the frequency fo at the output from A. Part of this output voltage is branched off and fed to a phase discriminator PD to which a signal with the frequency fv is fed at the same time by a very stable oscillator VO. By comparing the two signals, a signal Ust is produced at the output of the phase discriminator, which signal is fed to the adjusting element VD of the oscillator via a low-pass filter TP. As a result, the oscillator O is synchronized to the fixed oscillator VO with a fixed frequency. The relationship between the control voltage Ust and the frequency of the oscillator O is generally not linear. This is particularly the case when the retuning element VD consists of a varactor diode. As an example, such a dependency is shown in FIG.
Auf der Abszisse der F i g. 2 ist die Steuerspannung Ust aufgetragen, die bekanntlich solche Dioden im Sperrgebiet vorspannt. Auf der Ordinate ist die Frequenz des Oszillators aufgetragen, und da beide Maßstäbe linear gewählt sind, läßt sich ersehen, daß der Zusammenhang zwischen beiden Größen nicht linear istOn the abscissa of FIG. 2, the control voltage Ust is plotted, which is known to bias such diodes in the blocking area. The frequency of the oscillator is plotted on the ordinate, and since both scales are chosen to be linear, it can be seen that the relationship between the two quantities is not linear
Die Verstärkung des Regelkreises wird jedoch u. a. durch das Produkt aus der Steilheit der Varaktorkennli-The gain of the control loop is, however, inter alia. by the product of the steepness of the varactor characteristic
iJiJ
Ste'meit der Diskriminatorkennlinie Ste 'meit he d discriminator
bestimmt Diese Diskriminatorkennlinie ist im allgemeinen linear, d. h. die Abhängigkeit der Ausgangsspannung Ust von der Phasenabweichung φ beider Oszillatoren ist, zumindest im Arbeitsgebiet des Diskriminators wenigstens annähernd linear. In der F i g. 3 ist diese Kennlinie mit φ bezeichnet, wobei die Maßstäbe auf beiden Achsen wiederum linear sind. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß es möglich ist, durch entsprechende Ausbildung der Diskriminator-This discriminator characteristic is generally linear, ie the dependence of the output voltage Ust on the phase deviation φ of both oscillators is at least approximately linear, at least in the operating area of the discriminator. In FIG. 3 this characteristic curve is denoted by φ , the scales on both axes again being linear. The invention is based on the knowledge that it is possible by appropriate training of the discriminator
20 58 87-20 58 87-
kennlinie das Produkt aus den beiden obenerwähnten Steilheiten zumindest für den in Frage kommenden Arbeitspunktbereich wenigstens annähernd konstant zu halten. Dies ist deshalb möglich, da die Arbeitspunkte auf beiden Kennlinien durch die zwischen Diskriminator und Varaktor vorliegende Gleichstromkupplung fest einander zugeordnet sind. Eine für eine solche Kompensation in Frage kommende Krümmung der Steilheitskennlinie des Phasendiskriminators ist in der F i g. 3 mit φ 'bezeichnet Es läßt sich im Zusammenhang . mit Fig.2 erkennen, daß es bei geeigneter Krümmung durchaus möglich ist, eine lineare Abhängigkeit der Oszillatorfrequenzänderung von der Phasenabweichung zwischen fo und fv im obigen Regelkreis nach Fig. 1 zu erzielen.characteristic to keep the product of the two abovementioned steepnesses at least approximately constant for the working point range in question. This is possible because the operating points on both characteristics are permanently assigned to one another by the DC coupling between the discriminator and varactor. A possible curvature of the steepness characteristic of the phase discriminator for such a compensation is shown in FIG. 3 denoted by φ 'It can be related to. recognize with FIG. 2 that with a suitable curvature it is entirely possible to achieve a linear dependence of the oscillator frequency change on the phase deviation between fo and fv in the above control loop according to FIG.
Besonders vorteilhaft ist die Anwendung dieser Methode für einen Phasendiskriminator, der nach dem Prinzip des getasteten Sägezahns arbeitet Solche Einrichtungen sind allgemein bekannt und arbeiten nach folgendem Prinzip. Von der Ausgangsspannung einer der beiden Oszillatoren O oder VO wird eine Sägezahnspannung abgeleitet deren Wiederholungsfrequenz der Frequenz des Oszillators gleich ist. Von der Ausgangsspannung des anderen Oszillators werden Tastimpulse abgeleitet deren Wiederholungsfrequenz der Frequenz dieses Oszillators entspricht. Die Phasendifferenz beider Ausgangsspannungen wird im Phasendiskriminator PD, in die Steuerspannung Ust umgesetzt. Ein Ausführungsbeispiel ist in der F i g. 4 dargestellt die den Phasendiskriminator mit dazugehörigen Elemenien des Regelkreises, wie Verstärker, zeigtThe use of this method is particularly advantageous for a phase discriminator which works on the principle of the sampled sawtooth. Such devices are generally known and work according to the following principle. A sawtooth voltage is derived from the output voltage of one of the two oscillators O or VO , the repetition frequency of which is equal to the frequency of the oscillator. Sampling pulses are derived from the output voltage of the other oscillator, the repetition frequency of which corresponds to the frequency of this oscillator. The phase difference between the two output voltages is converted into the control voltage Ust in the phase discriminator PD . One embodiment is shown in FIG. 4 shows the phase discriminator with associated elements of the control loop, such as amplifiers
Die F i g. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Vergleichsfrequenz /V vom Oszillator VO erzeugt wird. Das zunächst sinusförmige Signal des Oszillators VO wird in einem Begrenzer UmX in ein Rechtecksignal umgeformt Das Ausgangssignal von Um 1 wird dann über das Differenzierglied DGi. bestehend aus der Kapazität C16, dem Widerstand R 35 und den Innenwiderständen der vor- und nachgeschalteten Stufe, einer Transistorverstärkerstufe TsI zugeführt. Am Kollektor dieses Transistors erscheinen die dort eingezeichneten kurzen Impulse, deren Wiederholungsfrequenz der Frequenz fv entspricht. Dieses Signal wird im Transistor Ts 3 in der Phase gedreht, so daß es an der Koppelkapazität C12 mit umgekehrter Phasenlage, jedoch gleicher Amplitude wie am Kollektor von 7s 1 erscheint Die beiden Signale (siehe Zeichnung) werden dann über die zugehörigen Koppelkondensatoren CU, C12 auf den eigentlichen Phasenvergleicher PD geführt der hier aus einer Brückenschaltung mit den Dioden Gr 2 bis GrS bestehtThe F i g. 4 shows an embodiment in which the comparison frequency / V is generated by the oscillator VO. The initially sinusoidal signal of the oscillator VO is converted into a square-wave signal in a limiter UmX. The output signal of Um 1 is then transmitted via the differentiating element DGi. consisting of the capacitance C16, the resistor R 35 and the internal resistances of the upstream and downstream stages, fed to a transistor amplifier stage TsI. The short pulses drawn in there appear at the collector of this transistor, the repetition frequency of which corresponds to the frequency fv. This signal is rotated in phase in the transistor Ts 3 so that it appears at the coupling capacitance C12 with reversed phase position, but the same amplitude as at the collector of 7s 1. The two signals (see drawing) are then transmitted via the associated coupling capacitors CU, C12 the actual phase comparator PD , which here consists of a bridge circuit with diodes Gr 2 to GrS
Die Ausgangsspannung des Oszillators O mit der Frequenz fo wird in der Einrichtung Um 2, beispielsweise durch Begrenzung oder in einer digitalen Frequenzteilerschaltung, in eine Rechteckform gebracht. Im Differenzierglied DG 2 bestehend im wesentlichen aus der Kapazität Cl im Zusammenhang mit dem Widerstand R 7 samt den Innenwiderständen von UM 2 und Ts 2 werden aus der Rechteckspannung kurze Impulse gewonnen. Diese Impulse öffnen den Transistor Ts 2, daß er während der Impulsdauer den Kondensator C6, der vorher über den Widerstand R10 aufgeladen wurde, entladen kann. Hierdurch wird aus der Ausgangsspannung des Oszillators O letztlich eine dazu gleichfrequente Sägezahnspannung gewonnen, die über die Kapazität Cl der Gleichrichterbrücke PD zugeführt wird Die vorerwähnte Krümmung der Diskriminatorkennlinie zur Kompensation wird durch entsprechende Krümmung der Sägezahnspannung hervorgerufen. Dies wird hier durch geeignete Wahl der Aufladezeitkonstanten im Verhältnis zur Periodendauer der Sägezahnspannung erreicht Diese Zeitkonstante wird durch den Kondensator C6, den Widerstand R10 und auch noch durch die über den Kondensator C7 wirksam werdenden Bauteile der Schaltung (Einspeiseglieder für die Spannung Uv)bestimmt Gemäß dieser Zeitkonstanten hat die Spannung der wirksamen Flanke des Sägezahns als Funktion der Zeit exponentiellen Verlauf, was im AusfOhrungsbeispiel als Näherung der Sollkurve für die Krümmungskompensation genügte.The output voltage of the oscillator O with the frequency fo is brought into a rectangular shape in the device Um 2, for example by limiting or in a digital frequency divider circuit. In the differentiating element DG 2 consisting essentially of the capacitance Cl in connection with the resistor R 7 together with the internal resistances of UM 2 and Ts 2, short pulses are obtained from the square-wave voltage. These pulses open the transistor Ts 2 so that it can discharge the capacitor C6, which was previously charged via the resistor R 10, during the pulse duration. As a result, a sawtooth voltage of the same frequency is obtained from the output voltage of the oscillator O and is fed to the rectifier bridge PD via the capacitance C1. This is achieved here by a suitable choice of the charging time constants in relation to the period duration of the sawtooth voltage.This time constant is determined by the capacitor C6, the resistor R 10 and also by the components of the circuit that take effect via the capacitor C7 (supply elements for the voltage Uv) of this time constant, the voltage of the effective edge of the sawtooth has an exponential course as a function of time, which in the exemplary embodiment was sufficient as an approximation of the target curve for the curvature compensation.
Es ist aber auch möglich, eine zunächst zeitlinear erzeugte Sägezahnspannung in einetr. nachgeschalteten nichtlinearen Netzwerk, das verschieden vorgespannte Dioden enthält wie erforderlich, zu verzerren. Während der Dauer der über CIl, C12 zugeführten Rechteckimpulse wird somit die Spannung vom Schaltungspunkt C auf den Schaltungspunkt D der Gleichrichterbrücke übertragen. Es wird also nur der im Augenblick der Tastimpulse an Cliegende Wert der Sägezahnspannung auf die Ausgangsleitung £ gebracht Dadurch wird die Kapazität C9 aufgeladen, die als Speicher für die Regelspannung wirkt. Die feste Vorspannung für den Varaktor im Oszillator O wird am Schaltungspunkt Uv über Siebglieder zugeführt. Dadurch wird der Varaktor wie üblich in den passenden Arbeitsbereich gebracht. Die Transistoren Ts 4 und Ts 5 bilden für die Regelspannung einen Gleichstromverstärker mit niederohmigem Ausgang. Die Steuerspannung Ust wird dann vom Kollektor des Transistors Ts 5 über ein Tiefpaßglied TPdem Frequenznachsteuerorgan VD im Oszillator O zugeführtBut it is also possible to convert a sawtooth voltage that is initially generated linearly in time. downstream non-linear network containing differently biased diodes as required to distort. During the duration of the square-wave pulses supplied via CI1, C12, the voltage is thus transmitted from circuit point C to circuit point D of the rectifier bridge. So only the value of the sawtooth voltage present at C at the moment of the probe pulses is brought to the output line £. This charges the capacitance C9, which acts as a store for the control voltage. The fixed bias voltage for the varactor in the oscillator O is supplied to the switching point Uv via filter elements. This brings the varactor to the appropriate work area as usual. The transistors Ts 4 and Ts 5 form a DC amplifier with a low-resistance output for the control voltage. The control voltage Ust is then fed from the collector of the transistor Ts 5 to the frequency readjustment element VD in the oscillator O via a low-pass filter TP
Für einen frequenzmodulierten Oszillator O, ist zweckmäßig, zwischen O und Um 2 noch einen Frequenzteiler einzuschalten, mit einem solchen Teilungsverhältnis, daß der maximale heruntergeteilte Frequenzhub einem Phasenhub entspricht, der den maximal vom Phasendiskriminator verarbeitbaren eindeutigen Phasenbereich von z. B. 270° nicht überschreitet. Auf diese Weise läßt sich auch bei einem frequenzmodulierten Oszillator eine frequenzstarre Nachführung auf eine entsprechend niedrige, stabile Vergleichsfrequenz fv erreichen. Besonders für diese Einrichtung ist die Anwendung der Erfindung vorteilhaft For a frequency-modulated oscillator O, it is advisable to switch on a frequency divider between O and Um 2 , with a division ratio such that the maximum divided frequency deviation corresponds to a phase deviation that corresponds to the maximum unambiguous phase range of z. B. does not exceed 270 °. In this way, even with a frequency-modulated oscillator, frequency- fixed tracking to a correspondingly low, stable comparison frequency fv can be achieved. The application of the invention is particularly advantageous for this device
Die Krümmung der Sägezahnspannung am Punkt C ist in der F i g. 5 angedeutet. Der Arbeitsbereich für die Tastimpulse liegt zwischen den gestrichelten Linien.The curvature of the sawtooth voltage at point C is shown in FIG. 5 indicated. The workspace for the Key pulse lies between the dashed lines.
Hierzu 2 Blau ZeichnungenFor this purpose 2 blue drawings
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19702058874 DE2058874C3 (en) | 1970-11-30 | Oscillator with frequency control |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| DE19702058874 DE2058874C3 (en) | 1970-11-30 | Oscillator with frequency control |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE2058874A1 DE2058874A1 (en) | 1972-05-31 |
| DE2058874B2 true DE2058874B2 (en) | 1977-03-17 |
| DE2058874C3 DE2058874C3 (en) | 1977-10-27 |
Family
ID=
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0145224A1 (en) * | 1983-12-02 | 1985-06-19 | Sony Corporation | Stabilized color television subcarrier regenerator circuit and method |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0145224A1 (en) * | 1983-12-02 | 1985-06-19 | Sony Corporation | Stabilized color television subcarrier regenerator circuit and method |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE2058874A1 (en) | 1972-05-31 |
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Legal Events
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| E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
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