DE2423257C3

DE2423257C3 - Phasendetektor

Info

Publication number: DE2423257C3
Application number: DE19742423257
Authority: DE
Inventors: Anton 8000 Muenchen Haarpaintner; Richard 8012 Ottobrunn Sturm
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-05-14
Filing date: 1974-05-14
Publication date: 1980-03-06
Also published as: NL7505660A; DE2423257A1; DE2423257B2; CH580817A5; IT1038008B; FR2271580A1; GB1496397A; BE829056A; FR2271580B3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Phasendetektor zum Ermitteln der Phasendifferenz zwischen einem binären Meßsignal und einem binären Bezugssignal mit einer bistabilen Kippstufe und mit zwei an die bistabile Kippstufe angeschlossenen Verknüpfungsgliedern, von denen die eine einen ersten Ausgang und die zweite einen zweiten Ausgang bildet, an denen Impulse abgegeben werden, deren Impulsbreiten von der Größe der Phasendifferenz abhängen.

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

Üblicherweise enthalt 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 weiteren Eingang des Phasendetektors liegt das Bezugssignal an. Der Phasendetektor ermittelt die ίο 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 H Frequenz des von diesem abgegebenen Signals so, daß jeder Abweichung von der vorgegebenen phasendifferenz entgegengewirkt λίπΙ.

Es sind bereits Phascndetektoren bekannt, die die Phasendifferenz /wischen einem MeUsignal und einem

.><> Hezugssignal ermitteln. So ist in der I)E-PS 11 79 634 eine Einrichtung beschrieben, mit der die Phasendifferenz zwischen zwei Signalen festgestellt werden kann. ]e nach der relativen Lage des Phasenwinkels /wischen den beiden Signalen wird an einem der /.wci Ausgänge

j") der Einrichtung ein dein Betrag des Phasenwinkels proportionales Signal abgegeben. Dabei wird eine bislabile Kippstufe verwendet, die in Abhängigkeit von ausgewählten Flanken der beiden Signale gesetzt und rückgesetzt wird. Der Kippstufe sind zwei Logikglieder

ι» nachgeschaltet, an deren Ausgängen die tier Phasendifferenz in Betrag und Phasenwinkel proportionalen Signale abgegeben werden. Ein Nachteil dieses Phasendetektors besteht darin, daß er nicht mehr mit großer Genauigkeit arbeitet, wenn sehr kleine Phasen-

H differenzen zwischen den beiden Signalen vorhanden sind.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, einen Phasendetektor anzugeben, der auch bei kleinen Phasendifferenzen mit großer Genauigkeit arbeitet. Diese Aufgabe wird gelöst, durch ein Verzögerungsglied, das das Bezugssignal um eine Zeitdauer verzögert, die gleich oder geringfügig größer ist als die Sollperiodendauer des Meßsignals und gleich oder geringfügig kleiner ist als die halbe Periodendauer

•15 des Bezugssignals, durch die bistabile Kippstufe, die gesetzt wird, wenn das Meßsignal, das Bezugssignal und das invertierte verzögerte Bezugssignal einen ersten Binärwert annehmen und die zurückgesetzt wird, wenn das Meßsignal einen zweiten Binärwert annimmt, während das verzögerte Bezugssignal gleichzeitig den ersten Binärwert hat, durch das erste Verknüpfungsglied, das jeweils einen Impuls am ersten Ausgang abgibt, wenn das Signal am Ausgang der bistabilen Kippstufe, das invertierte Meßsignal, das Bezugssignal und das invertierte verzögerte Bezugssignal den ersten Binärwert haben und durch das zweite Verknüpfungsglied, das jeweils einen Impuls am zweiten Ausgang abgibt, wenn das Signal am Kippstufenausgang, das Meßsignal und das verzögerte Bezugssignal den ersten

Mi Binärwert haben.

Der Phasendetektor hat den Vorteil, daß auch bei kleinen Phasendifferenzen zwischen Bezugssignal und Meßsignal keine schmalen Impulse verarbeitet werden müssen, es wird vielmehr die zeitliche Differenz

fi^r> zwischen relativ breiten Impulsen gebildet. Weiterhin hat er den Vorteil, daß er keine Impulse abgibt, wenn Bezugssignale fehlen.
Im folgenden wird anhand von Figuren ein Ausfüh-

rungsbeispiel des Phasendetektors gemäß der Erfindung beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild des Phasendetektors,

F i g. 2 Zeitdiagramme von Signalen an verschiedenen Punkten des Phasendetektors, F i g. 3 eine Kennlinie des Phasendetektors,

F i g. 4 ein Schaltbild des Phasendelektors.

Das in F i g. 1 dargestellte Blockschaltbild des Phasendetektors zeigt eine bistabile Kippstufe K, ein Verzögerungsglied V und zwei Verknüpfungsglieder Gl und ü2. Die bistabile Kippstufe K enthält ein Füpflop Fund zwei Verknüpfungsglieder G3 und G 4. Dem Phasendetektor wird an einem ersten Eingang B ein rechteckförmiges Bezugssignal b und an einem zweiten Eingang Mein rechteckförmiges Meßsignal m π zugeführt, dessen Periodendauer tm halb so groß ist wie die Nennperiodendauer fftdes 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 jn Impulse c und d ist ein MaB 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 rund c/beispiels- ι, weise einem Regler zugeführt, jer eine Steilerspannung für einen spannungsgesteucrl-.-n Oszillator liefert. Der spannungsgesteuerte Oszillator erzeugt das Meßsignal m und gibt es wieder an den Phasendetektor ab.

Das Meßsignal in wird den Verknüpfungsglieder G 1 «ι und G 2 und in der bistabilen Kippstufe K den Verknüpfungsgliedern G ) und G 4 zugeführt. Das Bezugsignal b wird dem Verzögerungsglied V und den Verknüpfungsgliedern G1 und G J zugeführt. Das Verzögerungsglied V verzögert das Bezugssignal b um r> eine Zeitdauer, die gleich oder um bis zu etwa 10% größer ist als die Soll-Periodendauer //ndes Meßsignals in und gleich oder um bis zu etwa 10% kleiner ist als die halbe Periodendauer tb des Bezugssignals b. Das verzögerte Bezugssisngal b 1 am Ausgang des Verzöge- -w rungsgliedes V wird ebenfalls den Verknüfpfungsgliedern G t und G 3 und außerdem den Verknüpfungsgliedern G 2 und G 4 zugeführt.

Weitere Einzelheiten des in Fig. 1 dargestellten Phasendetektors werden zusammen mit den in F i g. 2 dargestellten Signalen beschrieben.

Die Fig.2 zeigt einige Signale, wie sie beim Betrieb des in Fig. 1 dargestellten Phasendetektors anfallen. In Abszissenrichtung ist die Zeit / und in Ordinatenrichtung sind die Amplituden der Signale dargestellt. Da die w Signale ausschließlich Binärsignale sind, können sie nur die mit 0 und I 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 τ> des Bezugssignals b ist gleich der doppelten Periodendauer tm und die Impulsbreite ist gleich der halben Nennperiodendauer tb. Fs wird angenommen, daß zwischen den Zeitpunkten 11 und f 4die Feriodendauer des Bezugssignals b um Ve größer ist als die wi Nennperiodendauer tb und sich '.lamit die Phasendifferenz zwischen den ansteigenden Flanken des 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 <4 und f5 ein Rechteckimpuls des Bezugssignals b fehlt. Das verzögerte Bezugssignal b I ist in der Darstellung in Fig.2 gegenüber dem Bezugssignal b um die Soll-Periodendauer tm des Meßsignals m verzögert.

Zum Zeitpunkt f 1 treten die ansteigenden Hanken eines Rechteckimpulses des verzögerten Bezugssignais b 1 und des Meßsignals m gleichzeitig auf und zwischen den beiden Signalen besteht keine Phasendifferenz p. Zu den Zeitpunkten 12 und / 3 eilt das Meßsignal m vor und es ist eine positive Phasendifferenz ρ vorhanden. Vom Zeitpunkt f4 an eilt das Meßsignal m nach und die Phasendifferenz ρ ist negativ.

In der bistabilen Kippstife K verknüpft das Verknüpfungsglied G 3 das Bezugssignal b, das verzögerte Bezugssignal b 1 un ddas Meßsignal m derart, daß das Signal san seinem Ausgang immer dann den Binärwert 1 annimmt, wenn das Bezugssignal b und das Meßsignal in den Binärwert ! haben und das ver/ogerle Bezugssignal b 1 gleichzeitig den Binärwert 0 hat. Dieses Signal s wird als Setzsignal einem statist hen Setzeingang des Flipflops F zugeführt. Das Flipfloj) F wird immer gesetzt, wenn das Set/signal ν den Binärwert 1 hat.

Das Verknüpfungsglied G 4 verknüpft das verzögerte Bezugssignal b 1 und das Meßsignal m derart, dall d.is Signal ran seinem Ausgang den Binärwert 0 annimmt, wenn das Meßsignal m und das ver/ögerlu· Bezugssnmal b I gleichzeitig den Binärwert 1 annehmen. Das Signal r wird als Rücksetzsignal dem fakteingang des I lipflops Fzugeführt. An einem zugehörigen Dati-neingang liegt der Binärwert 0 dauernd an und wenn das Rikkscl/signal r seinen Binärwert von 0 nach 1 ändert, wird der Binärwert 0 vom Flipflop F übernommen und das Flipflop Fauf diese Weise zurückgesetzt.

Das Signal ;i am Ausgang des Flipflops F wird den Verknüpfungsgliedern GI und G 2 /ugeliihrt. Das Verknüpfungsglied G 1 verknüpft das Signal ./, das Meßsignal m, das Bezugssignal b und das verzögerte Bezugssignal b I derart, daß an seinem Ausgang C ein Impuls c abgegeben wird, wenn das Signal /I und das Bezugssignal b den Binärwert 1 und gleichzeitig das verzögerte Bezugssignal b 1 und das Meßsignal in den Binärwert 0 haben. Das Verknüpfungsglied G 2 verknüpft das Signal a mit dem Meßsignal m und dem verzögerten Bezugssignal b 1 derart, daß an seinem Ausgang D ein Impuls d abgegeben wird, wenn das Signal a, das Meßsignal /17 und das verzögerte Bezugssignal b gleichzeitig den Binärwert 1 haben.

Zum Zeitpunkt 11 ist zwischen dem Meßsignal /11 und dem verzögerten Bezugssignal b I keine Phasendifferenz ρ vorhanden und die Impulse c und d haben eine Impulsbreite, die gleich der Breite der Rcchteckimpulse des Meßsignals /71 ist.

Zum Zeitpunkt i2 eilt das Meßsignal m um eine Phasendifferenz von 90°, bezogen auf die Periodendauer tm, dem verzögerten Bezugssignal b I vor. Die Impulsbreite des !pulses 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 Impulse.

Zum Zeitpunkt f 1 eilt das Meßsignal m um eine Phasendifferenz ρ von 180° vor. Die Impulsbreite des Impulses c ist wieder gleich der der Rcchteckimpulse des Meßsignals m. Der Impuls dist dagegen zu diesem Zei'punkt entweder überhaupt nicht vorhanden oder er hat eine sehr kleint Impulsbreite.

Vom Zeitpunkt /4 eilt das Meßsignal m um eine konstante Phasendifferenz von 90° nach. Von nun an ist die Breite der Impulse f/gleich denier Rechteckimpulse

des Meßsignals m und die Impulse csind nur noch halb so breit wie die Impulse d.

Da angenommen wurde, daß zwischen den Zeitpunkten 14 und i5 ein Rechteckimpuls des Bezugssignals b fehlt, werden zwischen diesen Zeitpunkten auch keine Impulse cund c/erzeugl.

In Fig.3 ist eine Kennlinie des Phasendetektors dargestellt. In Abszissenrichtung ist die Phasendifferenz ρ zwischen dem Meßsignal m und dem verzögerten Bezugssignal b 1 aufgetragen. Diese Phasendifferenz ρ ίο ist nur auf die Periode des Meßsignals m bezogen. In Ordinatenrichtung ist die Differenz ic— td der Impulsbreiten rc und ta aufgetragen. Die Kennlinie zeigt einen sägezahnförmigen Verlauf, der sich mit einer Periode von 360° wiederholt, Weiterhin zeigt sie, daß der !5 Phasendetektor in einem Bereich zwischen —180° und +180° jeder Periode einen linearen Verlauf besitzt. Die Phasendifferenz 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 der angenommenen 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 G i bis G 4. Als Verzögerungsglied V wird beispielsweise ein Lauf-Leitglied oder, falls ein entsprechendes Taktsignal vorhanden ist, ein Schieberegister verwendet. Das Verknüpfungsglied G 1 besteht aus einem UND-Glied t/1 und einem Inverter /I. Dem UND-Glied Ui werden das mittels des Inverters /I invertierte Meßsignal m, das Bezugssignal b, das Signal a und das mittels eines Inverters /2 in der bistabilen Kippstufe K invertierte verzögerte Bezugssignal b 1 zugeführt. Das Verknüpfungsglied G 2 besteht aus einem UND-Glied i/2, das das Meßsignal m und das verzögerte Bezugssigna! b 1 und das Signa! s verknüpft.

Das Verknüpfungsglied G3 besteht aus dem Inverter /2 und einem UND-Glied i/3. Das UND-Glied U3 verknüpft das Meßsignal m, das Bezugssignal b und das invertierte Bezugssignal b 1. 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 b 1 verknüpft und das Rücksetzsignal r an den Takteingang des Flipflops Fabgibt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Phasendetektor zum Ermitteln der Phasendifferenz zwischen einem binären Meßsignal und einem binären Bezugssignal mit einer bistabilen Kippstufe und mit zwei an die bistabile Kippstufe angeschlossenen Verknpüpfungsgliedern, von denen die eine einen ersten Ausgang und die zweite einen zweiten Ausgang bildet, an denen Impulse abgegeben werden, deren Impulsbreiten von der Größe der Phasendifferenz abhängen, gekennzeichnet durch ein Verzögerungsglied (V) das das Bezugssignal (b) um eine Zeitdauer verzögert, die gleich oder geringfügig größer ist als die Soll-Periodendauer (im) des Meßsignals (m) und gleich oder geringfügig kleiner ist als die halbe Periodendauer (tb) des Bezugssignals (b), durch die bistabile Kippstufe (K), die gesetzt wird, wenn das Meßsignal (m), das Bezugssignal (b) und das invertierte verzögerte Bezugssignal (b 1) einen ersten Binärwert (»1«) annehmen und die zurückgesetzt wird, wenn das Meßsignal (in) einen zweiten Binärwert (»0«) annimmt, während das verzögerte Bezugssignal (b I) gleichzeitig den ersten Binärwert (»1«) hat, durch das erste Verknüpfungsglied (1), das jeweils einen Impuls (C^-J am ersten Ausgang fOabgibt, wenn das Signal (a) am Ausgang der bistabilen Kippstufe (K), das invertierte Meßsignal (in), das Bezug^signal (b)und das invertierte verzögerte Bezugssignal (b I) den ersten Binärwert (»1«) haben und durch das zweite Verknüpfungsglied (G 2) das jeweils einen Impuls (d)am zweiten Ausgang (D)abgibt, wenn das Signal (a) am Kippstufenau.sgang, das Meßsignal (in) und das verzögerte Bezugssignal (b Ί) den ersten Binärwert (»1«) haben.

2. Phasendetektor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine bistabile Kippstufe (K), bestehend aus einem dritten Verknüpfungsglied (G 3), dem das Meßsignal (in), das Bezugssignal (b) und das verzögerte Bezugsisgnal (b 1) zugeführt werden und das ein Setzsignal (s) abgibt, aus einem vierten Verknüpfungsglied (GA), dem das Meßsignal und das verzögerte Bezugssignal zugeführt werden und das ein Rücksetzsignal (r) abgibt und aus einem Flipflop (F), an dessen statischem Setzeingang das Setzsignal (s), an dessen Takteingang das Rücksetzsignal (r) und an dessen Daleneingang ein zweiter Binärwert (»0«) anliegt.