DE2423257A1

DE2423257A1 - Phasendetektor

Info

Publication number: DE2423257A1
Application number: DE19742423257
Authority: DE
Inventors: Anton Haarpaintner; Richard Sturm
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-05-14
Filing date: 1974-05-14
Publication date: 1975-11-27
Also published as: DE2423257B2; BE829056A; IT1038008B; FR2271580A1; FR2271580B3; NL7505660A; CH580817A5; DE2423257C3; GB1496397A

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT München, den 14. MA! 197 4 Berlin und München Wittelsbacherplatz 2

74/2042

Phasendetektor

Die Erfindung besieht sich auf einen Phasendetektor zum Ermitteln der Phasendifferenz zwischen einem binären Meßsignal und einem binären Bezugssignal, bei dem das Meßsignal und das Bezugssignal an Je einer Eingangsklemme zugeführt werden und der erste und zweite Impulse abgibt, deren Impulsbreiten von der Größe der Phasendifferenz abhängen.

Phasendetektoren werden häufig in Phasenregeikreisen eingesetzt. Ein Phasenregelkreis hat die Aufgabe ein Signal zu erzeugen, dessen Frequenz und Phase so geregelt v/erden, daß die Frequenz gleich der Frequenz eines Bezugssignals ist und daß zwischen dem Signal und dem Bezugesignal eine vorgegebene Phasendifferenz vorhanden ist.

Üblicherweise enthält .ein Phasenregelkreis neben dem Phasendetektor einen Regler und einen spannungsgesteuerten Oszillator. Der spannungsgesteuerte Oszillator erzeugt ein Signal mit veränderbarer Frequenz und gibt dieses am Ausgang des Phasenregelkreises ab. Außerdem wird das Signal einem Eingang des Phasendetektors als Meßsignal zugeführt. An einem v/eiteren Eingang des Phasende/tektors liegt das Bezugs signal an. Der Phasendetektor ermittelt die Phasendifferenz zwischen dem Meßsignal und dem Bezugssignal und gibt an den Regler Impulse ab, deren Breite von der Phasendifferenz' abhängt.

Der Regler formt die Impulse in eine Steuerspannung für den spannungsgesteuerten Oszillator um und verändert die Frequenz des von diesem abgegebenen Signals so, daß jeder Abweichung

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von der vorgegebenen Phasendifferenz entgegengewirkt wird.

Es sind bereits Phasendetektoren bekannt, die die Phasendifferenz zwischen einem Meßsignal und einem Bezugssignal ermitteln. In der DT-PS 1 801 261 wird auf einen Phasendetektor hingewiesen, bei dem das Bezugssignal in einem ersten UND-Glied, mit dem Meßsignal und in einem zweiten UND-glied mit dem invertierten Meßsignal verknüpft wird. Die beiden UND-Glieder steuern Stromquellen, die positive oder negative Impulse gleicher Amplitude an ein Integrierglied abgeben. Das zeitliche Integral der Impulse und damit die von den Stromquellen abgegebene Ladung ist"in einem Bereich von - 90° proportional der Phasendifferenz zwischen dem Meßsignal und dem Bezugssignal. Dieser bekannte Phasendetektor ermittelt die Phasendifferenz zwischen den Mitten der Impulse des Bezugssignals und den ansteigenden oder abfallenden Flanken der Impulse des Meßsignals.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Phasendetektor anzugeben, der die Phasendifferenz zwischen den ansteigenden Flanken des Meßsignals und des Bezugssignals in einem Bereich von - 180° ermittelt.

Erfindungsgemäß wird bei dem Phasendetektor zur Ermittlung der Phasendifferenz zwischen einem binären Meßsignal und einem binären Bezugssignal, dem das Meßsignal und das Bezugssignal zugeführt werden und der erste und zweite Impulse abgibt, deren Impulsbreiten von der Größe der Phasendifferenz abhängen, gelöst durch ein Verzögerungsglied, das das Bezugssignal und eine Zeitdauer verzögert, die gleich oder geringfügig größer ist als die Periodendauer des Meßsignals und gleich oder geringfügig kleiner ist als die halbe Periodendauer des Bezugssignals, durch eine bistabile Kippstufe, die gesetzt wird, wenn das Meßsignal, das Bezugssignal und das invertierte, verzögerte Bezugssignal einen ersten Binärwert

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haben und die zurückgesetzt wird, wenn das Meßsignal einen zweiten Binärwert annimmt, während das verzögerte Bezugssignal den ersten Binärwert hat, durch ein erstes Verknüpfungsglied, das jeweils die ersten Impulse abgibt, wenn das Signal am Ausgang der bistabilen Kippstufe, das invertierte Meßsignal und das invertierte verzögerte Bezugssignal den ersten Binärwert haben und durch ein zweites Verknüpfungsglied, das jeweils einen zweiten Impuls abgibt, wenn das Signal am Ausgang der bistabilen Kippstufe, das ο Meßsignal und das verzögerte Bezugssignal den ersten Binärwert haben.

Der Phasendetektor gemäß der Erfindung hat den Vorteil, daß er insbesondere dann mit großer Genauigkeit arbeitet, wenn sehr kleine Phasendifferenzen vorhanden sind. In diesem Fall müssen keine schmalen Impulse verarbeitet v/erden, sondern es wird die zeitliche Differenz zwischen relativ breiten Impulsen gebildet. Weiterhin hat er den Vorteil, daß er keine Impulse abgibt, wenn Bezügssignale fehlen.

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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ergibt sich aus dem Unteranspruch.

Im folgenden wird anhand von Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel des Phasendetektors gemäß der Erfindung beschrieben.

Es zeigen: ι

Fig. 1 ein Blockschaltbild des Phasendetektors, Fig. 2 Zeitdiagramme von Signalen an verschiedenen Punkten des Phasendetektors,

Fig. 3 eine Kennlinie des Phasendetektors, Fig. 4 ein Schaltbild des Phasendetektors.

Das in Fig. 1 dargestellte Blockschaltbild des Phasendetektors zeigt eine bistabile Kippstufe K, ein Verzögerungs-

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glied V und zwei Verknüpfungsglieder G1 und G2. Die bistabile Kippstufe K enthält ein Flipflop F und zwei. Verknüpfungsglieder G3 und G4. Dem Phasendetektor wird an einem ersten Eingang B ein rechteckförmiges Bezugssignal b und an einem zweiten Eingang M ein rechteckförmiges Meßsignal m zugeführt, dessen Periodendauer tm halb so groß ist wie die Nennperiodendauer tb des Bezugssignals b.

Der Phasendetektor gibt an .einem ersten Ausgang C und an _>; einem zweiten Ausgang D impulsförmige Signale c bzw. d ab. Die Differenz der Breiten der Impulse c und d ist ein Maß für die Phasendifferenz zwischen den ansteigenden Flanken des Bezugssignals b und denen des Meßsignals m,

Bei der Verwendung des· Phasendetektors in einem Phasenregelkreis werden die Impulse c und d beispielsweise einem Regler zugeführt, der eine Steuerspannung für einen spannungsgesteuerten Oszillator liefert. Der spannungsgesteuerte Oszillator erzeugt das Meßsignal m und gibt es wieder.an den Phasendetektor ab. ·

Das Meßsignal m wird den Verknüpfungsgliedern G1 und G2 und in der bistabilen Kippstufe K den Verknüpfungsgliedern G3 und G4 zugeführt. Das Bezugssignal b wird dem Verzögerungsglied V und den Verknüpfungsgliedern G1 und GJ zugeführt. Das Verzögerungsglied V verzögert das Bezugssignal b um eine Zeitdauer, die gleich oder um bis zu etwa 10 % größer ist als die Periodendauer tm des Meßsignals m und gleich oder um bis zu etwa 10 % kleiner ist als die halbe Periodendauer tb des Bezugssignals b. Das verzögerte Bezugssignal b1 am Ausgang des Verzögerungsglieds V wird ebenfalls den Verknüpfungsgliedern G1 und G3 und außerdem dem Verknüpfungsglied G4 zugeführt.

Weitere Einzelheiten des in Fig. 1 dargestellten Phasendetektors werden zusammen mit den in Fig. 2 dargestellten Si-

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gnalen beschrieben,

Die Fig. 2 zeigt einige Signale, wie sei beim Betrieb des in Fig. 1 dargestellten Phasendetektors anfallen. In Abszissenrichtung ist die Zeit t und in Ordinatenrichtung sind die Amplituden der Signale dargestellt. Da die Signale ausschließlich Binärsignale sind, können sie nur die mit 0 und 1 bezeichneten Binärwerte annehmen.

Die Rechteckimpulse des in Fig. 2 dargestellten Meßsignals m haben eine Impulsbreite, die gleich der halben Periodendauer tm ist. Die Nennperiodendauer tb des Bezugssignals b ist gleich dsr doppelten Periodendauer tm und die Impulsbreite ist gleich der halben Nennperiodendauer tb. Es wird angenommen, daß zwischen den Zeitpunkten ti und t4 die Periodendauer des Bezugssignals b um 1/8 größer ist als die Nennperiodendauer tb und sich damit die Phasendifferenz zv/ischen den ansteigenden Flanken d&s Bezugssignals b und denen des Meßsignals m verändert. Weiterhin wird angenommen, daß nach dem Zeitpunkt t4 die Periodendauer konstant und gleich der Nennperiodendauer tb ist und daß zwischen den Zeitpunkten t4 und t5 ein Rechteckimpuls des Bezugssignals b fehlt. Das verzögerte Bezugssignal b1 ist in der Darstellung in Fig. 2 gegenüber dem Bezugssignal b um die Periodendauer tm des Meßsignals m verzögert.

Zum Zeitpunkt ti treten die ansteigenden Flanken eines Rechteckimpulses des verzögerten Bezugssignals b1 und des Meßsignals m gleichzeitig auf und zwischen den beiden Signalen besteht keine Phasendifferenz p. Zu den Zeitpunkten t2 und t3 eilt das Meßsignal m vor und es ist eine positive Phasendifferenz ρ vorhanden. Vom Zeitpunkt t4 an eilt das Meßsignal m nach und die Phasendifferenz ρ ist negativ*

In der bistabilen Kippstufe K verknüpft das Verknüpfungs- VPA 9/210/3044 - 6 -

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glied G 3 das Bezugssignal b, das verzögerte Bezugssignal b1 und das Meßsignal m derart, daß das Signal s an .seinem Ausgang immer dann den Binärv/ert 1 annimmt, wenn das Bezugssignal b und das Meßsignal m den Binärwert 1 haben und das verzögerte Bezugssignal b1 gleichzeitig den Binärwert O hat. Dieses Signal s wird als Setzsignal einem statischen Setzeingang des Flipflops F zugeführt. Das Flipflop F wird immer gesetzt, wenn das Setzsignal s den Binärwert 1 .hat.

-^:- Das Verknüpfungsglied G4 verknüpft das verzögerte Bezugssignal b1 und das Meßsignal m derart, daß das Signal r an seinem Ausgang- den Binärv/ert 0 annimmt, wenn das Meßsignal m und das verzögerte Bezugssignal b1 gleichzeitig den Binärv/ert 1 annehmen. Das Signal r wird als Rücksetzsignal dem Takteingang des Flipflops F zugeführt. An einem zugehörigen Dateneingang liegt der Binärv/ert 0 dauernd an und wenn das Rücksetzsighal r seinen Binärv/ert von 0 nach 1 ändert, wird der Binärv/ert 0 vom Flipflop F übernommen und das Flipflop F auf diese V/eise zurückgesetzt.

Das Signal a am Ausgang des Flipflops F wird den Verknüpfungsgliedern G1 und G2 zugeführt. Das Verknüpfungsglied G1 verknüpft das Signal a, das Meßsignal m, das Bezugssignal b und das verzögerte Bezugssignal b1 derart, daß an seinem Ausgang C ein Impuls c abgegeben v/ird, wenn das Signal a und das Bezugssignal b den Binärwert 1 und gleichzeitig das verzögerte Bezugssignal b1 und das Meßsignal m den Binärv/ert 0 haben. Das Verknüpfungsglied G2 verknüpft das Signal a mit dem Meßsignal m und dem verzögerten Bezugssignal b1 derart, daß an seinem Ausgang D ein Impuls d abgegeben wird, wenn das Signal a.f das Meßsignal m und das verzögerte Bezugssignal b gleichzeitig den Binärwert 1 haben.

Zum Zeitpunkt ti ist zv/i sehen dem Meß signal m und dem verzögerten Bezugssignal b1 keine Phasendifferenz ρ vorhanden

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und die Impulse c und d haben eine Impulsbreite, die gleich der Breite der Rechteckimpulse des Meßsignals m ist.

Zum Zeitpunkt t2 eilt das Meßsignal m um eine Phasendifferenz von 90°, bezogen auf die Periodendauer tm, dem verzögerten Bezugssignal b1 vor. Die Impulsbreite des Impulses c ist wieder gleich der Breite der Rechteckimpulse des Meßsignals m und der Impuls d ist zu diesem Zeitpunkt nur halb so breit wie der Impuls c.

Zum Zeitpunkt t3 eilt das Meßsignal m um eine Phasendifferenz ρ von 180° vor. Die Impulsbreite des Impulses c ist wieder gleich der der Rechteckimpulse des Meßsignals m. Der Impuls d ist dagegen zu diesem Zeitpunkt entweder überhaupt nicht vorhanden oder er .hat eine sehr kleine Impulsbreite.

Vom Zeitpunkt t4 an eilt das Meßsignal m um eine konstante Phasendifferenz von 90° nach. Von nun an ist die Breite der Impulse d gleich der der Rechteckimpulse des Meßsignals m und die Impulse c sind nur noch halb so breit wie die Impulse d.

Da angenommen wurde, daß zwischen den Zeitpunkten t4 und t5 ein Rechteckimpuls des Bezugssignals b fehlt, werden zwisehen diesen Zeitpunkten auch keine Impulse c und d erzeugt.

In Fig. 3 ist eine Kennlinie des Phasendetektors dargestellt. In Abszissenrichtung ist die Phasendifferenz ρ zwischen dem Meßsignal m und dem verzögerten Bezugssignal b1 aufgetragen. Diese Phasendifferenz ρ ist auf die Periode des Meßsignal m bezogen. In Ordinatenrichtung ist die Differenz te - td der Impulsbreiten te und td aufgetragen. Die Kennlinie zeigt einen sägezahnförmigen Verlauf, der sich mit einer Periode von 360° wiederholt. Weiterhin zeigt sie, daß der Phasende-

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tektor in einem Bereich zwischen -180° und +180° jeder Periode einen linearen Verlauf besitzt. Die Phasendifferenz

1,

zwischen dem Meßsignal m und dem nicht verzögerten Bezugssignal kann ebenfalls aus der Kennlinie durch Verschieben der Ordinate in Abszissenrichtung um die auf die Periodendauer des Meßsignals bezogene Verzögerungszeit abgelesen werden. Bei der⁵angenommenen Verzögerungszeit , die gleich der Periodendauer tm des Meßsignals m ist, wird-die Ordinate um einen Phasenwinkel von 360 nach links verschoben.

Das in Fig. 4 dargestellte Schaltbild des Phasendetektors zeigt das Verzögerungsglied V, den Aufbau der bistabilen Kippstufe K und den Aufbau der Verknüpfungsglieder G1 bis G4. Als Verzögerungsglied V wird beispielsweise ein Laufzeitglied oder, falls ein entsprechendes Taktsignal vorhanden ist, ein Schieberegister verwendet. Das Verknüpfungsglied G1 besteht aus einem UND-Glied UI und einem Inverter Dem UND-Glied U1 werden das mittels des Inverters 11 invertierte Meßsignal m, das Bezugssignal b, das Signal a und das mittels eines Inverters 12 in der bistabilen Kippstufe K invertierte verzögerte Bezugssignal b1 zugeführt. Das Verknüpfungsglied G2 besteht aus einem UND-Glied U2, das das Meßsignal m und das verzögerte Bezugssignal b1 und das Signal a verknüpft.

Das Verknüpfungsglied G3 besteht aus dem Inverter 12 und einem UND-Glied U3. Das UND-Glied U3 verknüpft das Meßsignal m, das Bezugssignal b und das invertierte Bezugssignal b1. An seinem Ausgang wird das Setzsignal s abgegeben, das dem statischen Setzeingang des Flipflops F zugeführt wird. Das Verknüpfungsglied G4 besteht aus einem NAND-Glied N, das das Meßsignal m mit dem verzögerten Bezugssignal b1 verknüpft und das Rücksetzsignal r an den Takteingang des Flipflops F abgibt.

2 Patentansprüche
4 Figuren

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Claims

- 9 Pat entans'p rüche

Qj Phasendetektor zum Ermitteln der Phasendifferenz zwischen einem "binären Meßsignal und einem binären Bezugssignal, bei dem das Meßsignal und das Bozugssignal je einer Eingangsklemme zugeführt werden und der erste und zweite Impulse abgibt, deren Impulsbreiten von der Größe der Phasendifferenz abhängen, gekennzeichnet durch ein Verzögerungsglied (V), das das Bezugssignal (b) um eine Zeitdauer verzö- -> gert, die gleich oder geringfügig größer ist als die Periodendauer (tm) des Meßsignals (m) und gleich oder geringfügig kleiner ist als die halbe Periodendauer (tb) des Bezugssignals (b), durch eine bistabile Kippstufe (K), die gesetzt wird, wenn das Meßsignal (m), das Bezugssignal (b) und das invertierte verzögerte Bezugssignal (b1) einen ersten Binärwert ("1") haben und die zurückgesetzt wird, wenn das Meßsignal (m) einen zweiten Binärwert ("0") annimmt, während das verzögerte Bezugssignal (b1) gleichzeitig den ersten Binärwert ("1") hat, durch ein erstes Verknüpfungsglied (G1), das jeweils einen ersten Impuls (c) abgibt, wenn das Signal (a) am Ausgang der bistabilen Kippstufe (K), das invertierte Meßsignal (m), das Bezugssignal (b) und das invertierte verzögerte Bezugssignal (b1) den ersten Binärwert ("1") haben und durch ein zweites Verknüpfungsglied (G2), das jeweils einen zweiten Impuls abgibt, wenn das Signal (a), das Meßsignal (m) und das verzögerte Bezugssignal (b1) den ersten Binärwert ("1") haben.
2. Phasendetektor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine bistabile Kippstufe (K), bestehend aus inem dritten Verknüpfungsglied (G3), dem das Meßsignal (m), das Bezugssignal (b) und das verzögerte Bezugssignal (b1) zugeführt werden und das ein Setzsignal (s) abgibt, aus einem vierten Verknüpfungsglied (G4), dem das Meßsignal und das verzögerte Bezugssignal zugeführt werden und das ein Rücksetzsignal (r) ab-

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gibt und aus einem Flipflop (F), an dessen statischem Setzeingang das Setzsignal (s), an dessen Takteingang das Rücksetzsignal (r) und an dessen Dateneingang ein zweiter Binärwert ("0") anliegt.

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