DE2312326C2

DE2312326C2 - Phasendiskriminator

Info

Publication number: DE2312326C2
Application number: DE19732312326
Authority: DE
Inventors: Harald Dipl.-Ing. 7910 Neu-Ulm Schuster
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Telefunken Systemtechnik AG
Priority date: 1973-03-13
Filing date: 1973-03-13
Publication date: 1985-10-17
Also published as: GB1464771A; DE2312326A1; FR2221860A1; FR2221860B3; IT1004372B

Description

Die Erfindung betrifft einen Phasendiskriminator der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art (DE-OS 21 10 389).

Mit Hilfe von Phasenregelkreisen (phase-locked loop) lassen sich heute sehr preiswerte Steuergeneratoren aufbauen; man benötigt hierzu gemäß F i g. 1 einen Teiler, der in der Variablen η möglichst einstellbar ist, einen Phasendiskriminator 2, ein Frequenznormal 3 und einen nachstimmbaren Oszillator 4.

Im eingeregelten Zustand schwingt der Oszillator 4 auf der η-ten Vielfachen der Vergleichslrequenz. Die Vergleichsfrequenz wird durch Frequenzteilung mittels eines Zählers aus der höheren Frequenz des Frequenznormal 3 gewonnen.

Bekannt ist bei einem geregelten Steuergenerator die Anwendung eines Abtast- und Halteverfahrens (Sample and Hold), bei dem eine von der Vergleichsfrequenzschwingung abgeleitete sägezahnförmige Spannung vom Ausgangsimpuls des einstellbaren Teilers (Abtastimpuls) abgetastet und der abgetastete Spannungswert bis zur nächsten Abtastung gespeichert wird. Im eingeregelten Zustand wird der Sägezahn immer an der gleichen Stelle abgetastet, so daß sich am Ausgang eine Gleichspannung ergibt.

Ei;i derartiger Phasendiskriminator in einem Frequenz-Steuergenerator ist beispielsweise bekannt aus der US-PS 33 37 814. Aus der frequenztransponierten Oszillatorschwingung abgeleitete Impulse und Impulse der Vergleichsfrequenz erzeugen durch ihren zeitlichen Abstand impulslängenmodulierte Signale, die nach Integration an Kondensatoren in Regelgleichspannungen umgeformt werden.

Schwierigkeiten bereiten bei diesem Generator die der Regelspannung U_r überlagerten Reste der Vergleichsfrequenzschwingung, welche im Oszillatc r einen

ίο störenden Frequenzhub erzeugen. Üblicherweise werden diese Storspannungen durch einen in F i g. 1 nicht gezeigten Tiefpaß herausgefiltert; dieser Tiefpaß muß einerseits für die störenden Frequenzen eine hohe Dämpfung besitzen (z. B. 100 dB), er darf aber andererr?its eine gewisse Phasendrehung nicht überschreiten, da sonst Regelschwingungen auftreten. Deshalb muß ein Tiefpaß mit sehr niedriger Grenzfrequenz gewählt werden; die Folge ist ein sehr langsamer Regelkreis.

In der DE-OS 21 10 389 ist eine weitere Schaltungsanordnung zum Phasenvergleich zweier Signale beschrieben, bei welcher durch Synchronisationsimpulse eine periodische Sägezahnspannung abgetastet wird. Bei einer Phasenabweichung liefert die Abtastung eine Korrekturspannung zur Nachregelung eines Oszillators. Durch die Abtastung der Sägezahnspannung können auf der Regelspannung Störsignale auftreten, deren Ausfiiterung die be< eits beschriebenen Nachteile mit sich bringt.

Aus der DE-OS 20 13 880 ist eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Taktimpulsen zur Synchronisation des Takts eines Empfängersystems auf den Takt eines Sendersystems bekannt. Zur Phasensynchronisation des Empfängertaktes auf den Sendetakt beispielsweise nach einer Empfangspause werden einem in einem Regelkreis angeordneten Zähler Zähltakte zugeführt. Beim Eintreffen eines Sendeimpulses wird der Zählerstand abgefragt und mit einem Sollwert verglichen. Bei Abweichung werden Anfangs- und Endwert des Zählers so berechnet und eingestellt, daß die Sendeimpulse möglichst in die Mitte zv/ischen den Empfängertaktimpclsen zu liegen kommen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Phasendiskriminator der eingangs genannten Art anzugeben, dessen Ausgangsspannung praktisch frei von Störspannungen ist, so daß bei seinem Einsatz in einem Steuergenerator nach Art desjenigen gemäß Fig. 1 keine Filter im Regelkreis benötigt werden und damit die Regelzeitkons'.ante (Einschwingzeit) minimal kurz wird.
Die Aufgabe wira erfindungsgemäß gelöst durch einen Phasendiskriminator mit den im Patentanspruch I angegebenen kennzeichnenden Merkmalen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben. Die Erfindung ist im folgenden noch anhand der Abbildungen veranschaulicht.

Beim Steuergenerator nach Fig. 2 wird die Vergleichsfrequenz durch Teilung der Frequenz eines Frequenznormals gewonnen, welche z. B. 1 MHz beträgt. Bei einer Vergleichsfrequenz von 100 Hz beträgt der notwendige Teilerfaktor 10 000. Diesen Teiler kann man auch durch einen Zähler mit vier Dekaden 6 bis 9 realisieren, weicher von 0000 bis 9999 zählt und dann wieder von vorne beginnt. Der momentane Zählwert dieses Zählers wird hierbei vom Abtastimpuls abgefragt und in einen Speicher mit den Elementen 10 bis 13 übernommen. Der in diesem Speicher dann stehende Wert ist direkt ein digitales Maß für die Phasendifferenz z/0 zwischen der Vergleichsfrequenz und dem Abtastimpuls.

Man kann dieses Verfahren als ein digitales Abtast- und Halte-Verfahren bezeichnen. Sein Vorteil ist, daß die digitalen Werte praktisch störspannungsfrei sind. Über einen A/D-Wandler (Analog/Digital-Wandler) kann eine Kapazitätsvariationsdiode des Oszillators angesteuert werden, mit den höchstwertigsten Bits kann der Oszillator auch in Stufen geschaltet werden.

Wird der digitale Wert der Phasendifferenz AQi über einen A/D-Wandler in eine Gleichspannung U umgewandelt, so ergibt sich eine Treppenfunktion gemäß Fig.3.

Um zwischen zwei Treppenstufen interpolieren zu können, wird zweckmäßigerweise zu dieser Funktion eine Sägezahnfunktion addiert, welche sich bei Durchführung eines analogen Abtast- und Halte-Verfahrens is ergibt. Die hierbei abgetastete Spannung hat die /n-fache Frequenz der Vergleichsfrequenz (m = Anzahl der Treppenstufen), die Amplitude vnuß etwas größer als eine Treppenstufe sein. Es ergibt sich die lineare Summenfunkticn (f\ + /2) gemäß F i g. 4.

Da dieses analoge Abtast- und Halte-Verfahren nur noch den m-ten Teil des gesamten Spannungshubes durchzustimmen hat, läßt sich der Störabstand auf der Regelleitung um den gleichen Faktor verbessern. Realisierbare Werte dieses Faktors sind bis zu 1000.

Bei der Realisierung können folgende Schwierigkeiten auftreten. Da die abfallende Flanke des Sägezahns in der Praxis endlich steil ist ergibt sich die Fig.5 entnehmbare Summenfunktion f\ + h mit Spitzen.

An diesen Spitzen treten Regelschwingungen auf, da die Kennlinie hier eine fast unendliche Steilheit besitzt. Dies kann auf folgende Weise vermieden werden:
Es wird anstelle des Sägezahns eine Dreieckspannung (Fig.6 oben) mit der halben Frequenz abgetastet. Die abfallende Flanke der Dreieckspannung wird nach dem Abtasten vom niedrigsten Bit (F i g. 6 Mitte) des digitalen Phasendiskriminators umgepolt. Es ergibt sich damit ein sägczahnförmiger Verlauf (F i g. 6 unten), wobei nun die abfallende Flanke jedes Sägezahns — über z/0 aufgetragen — unendlich steil wird.

Die Spitzen auf der Kennlinie werden hierdurch vollständig beseitigt; es ergibt sich aus Toleranzgründen ein kleiner negativer Sprung, über den der Regelkreis ohne Schwingungen hinwegregelt.

F i g. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. das im Sinne der vorbeschriebenen Überlegungen aus der Kombination eines digitalen Phasendiskriminaiors mit einer analogen Abtast- und Halteschaltung besteht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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bO

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Claims

Patentansprüche:

1. Phcsendiskriminator zum Erzeugen der Regelspannung für einen phasengeregelten Steuergenerator mit einem periodisch ansteigenden Vergleichssignal, wobei die Ausgangsschwingung des Steuergenerators vor Zuführung zum Phasendiskriminator — beispielsweise mittels eines Frequenzteilers — frequenztransponiert und in Abtastimpulse umgeformt ist, die eine Abtast- und Halteschaltung zum Abtasten der Vergleichsfrequenz steuern, dadurch gekennzeichnet, daß das Vergleichssignal durch Frequenzteilung mittels eines periodisch durchlaufenden Zählers aus einem Frequenznormal abgeleitet ist,

daß die Abtast- und Halteschaltungen den jeweiligen momentanen Zählwert des Zählers bei der Abtastung abfragen, daß ein digitaler Speicher (10-· 13) in der Abttot- und Halteschaltung den Abtastwert speichert, ικκί

daß digital/analog wandelnde Mittel die Regelspannung entsprechend dem gespeicherten Abtastwert erzeugen.

2. Phasendiskriminator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die zusätzliche Anwendung eines analogen Abtast- und Halteverrahrens und einer Interpolation in der Weise, daß eine Sägezahnspannung der /η-fachen Frequenz der Vergleichsfrequenz (m = Anzahl der Zählerstufen des Zählers) abgetastet und der abgetastete Spannungswert zur Ausgangsspannung der digital/analog wandelnden Mittel addiert wird.

3. Phasendiskriminator nr.ch Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der sägezahnspannung eine Dreieckspannung der halben Frequenz abgetastet wird und die abfallenden Flanken der Dreieckspannung nach dem Abtasten umgepolt werden.