DE2528319A1

DE2528319A1 - Schaltung zum nachfuehren der phase oder der frequenz eines signales

Info

Publication number: DE2528319A1
Application number: DE19752528319
Authority: DE
Inventors: Michel Jacques Robert Nicolas
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1974-07-30
Filing date: 1975-06-25
Publication date: 1976-02-12
Also published as: FR2281001A1; GB1473022A; DE2528319C2; FR2281001B1

Description

Patentanwälte

Dipl. Ing. H. Hauck

Dipl. Phys. W. Schmitz

Dipl. Ing. E. Crashs Dipl. Ing. W. Wenn rt Dipl. Phys. VV. Carstens B München 2 Mozartstr. 23

Socie'te' Nationale d'Etude et de

Construction de Moteurs d'Aviation

15o Blvd. Hausmann 15. Mai 197 5

75oo8 Paris, Frankreich Anwaltsakte M-3531

Schaltung zum Nachführen der Phase oder der Frequenz eines Signales

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Nachführen der Phase oder dar Frequenz eines Signales bezüglich eines auf die Schaltung gegebenen Einganessignales mit einem Phasenkomparator, welcher das Eingangssignal mit dem Ausgangssignal eines spannungs-gesteuerten Oszillators vergleicht, und mit einer Phasenverriegelungsschleife, die den Phasenkomparator enthält und in Serie mit dem Ausgang des letzteren geschaltet aufweist: ein Filter, gegebenenfalls einen Verstärker, den spannungsgesteuerten Oszillator, einen Phasenmodulator und den Eingang des Phasenkomparators, der nicht mit dem Eingangssignal beaufschlagt wird, wobei der Phasenmodulator die Ausgangsspannung des spannungsgesteuerten Oszillators moduliert und auf den Phasenkomparator gibt und hierzu durch ein Signal gesteuert wird, das von einer Zweigschaltung bereitgestellt wird, die ihrerseits von einem geeigneten Punkt der Phasenverriegelungsschleife aus/gespeist wird.

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I Die Erfindung betrifft somit elektronische Schaltungen zur Demodu-■ lation von Signalen oder zur Schwingungserzeugung. Genauer gesagt betrifft die Erfindung eine Phasenregelschaltung oder eine Fre-Iquenzregelschaltung, oder noch genauer eine Phasenregelschleife, durch welche ein Oszillator auf ein auf den Eingang der Phasenregelschleife gegebenes Signal getrimmt wird.

Eine derartige Schaltung kann vorteilhaft in zahlreichen elektronischen Sende- und Empfangsschaltungen verwendet werden, insbesondere um ein Signal mit langsamer Frequenzverschiebung (Dopplereffekt) oder rascher Frequenzverschiebung (Phasen- oder Frequenzdemodulator) zu filtern oder um die Frequenz eines Oszillators in Gegenwart von Rauschen zu stabilisieren; eine solche Schaltung kann vorteil haft auch verwendet werden zur Demodulierung von frequenzmodulierten Signalen, zur FSK-Demodulierung, zur Herstellung einer Schaltung zur Frequenzsynthese, zur Herstellung einer Drehzahlsteuereinrichtung für einen Motor und dergleichen mehr.

Derartige Phasenregelschleifen sind an sich bekannt und weisen üblicherweise einen Phasenkomparator, ein Filter, einen Verstärker und den steuerbaren Oszillator auf. Diese Teile sind als geschlossene Schleife geschaltet. Derartige Phasenregelschleifen sind zum Beispiel in den Büchern "Phaselock Techniques" von Floyd M. Gardner (Verlag John Wiley & Sons) und "Principles of coherent communication" von Viterbi (Verlag McGraw Hill) beschrieben.

j Fig. 1 zeigt den klassischen Aufbau einer derartigen Phasenregel-

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schleife. Ein Eingangssignal mit einer Frequenz f wird auf den in der Figur links gelegenen Eingang eines Phasenkomparator 1 gegeben. Auf dessen in der Figur rechts gelegenen Eingang wird das in der Phasenregelschleife umhufende Sipnal mit der Frequenz f.. gegeben. Außer dem Phasenkomparator 1 weist die Phasenregelschleife ein Filter 2, einen Verstärker 3 und einen durchs timmbaren spannungsgesteuerten Oszillator 4 auf. Diese Teile bilden einen geschlossenen Kreis. Die Schaltung dient dazu, die Frequenz der Phasenregelschleife so zu synchronisieren, daß schließlich die Frequenz f.. mit der Frequenz f übereinstimmt. Das Ausgangssignal wird z.B. bei einem

O "

Punkt A, dem Ausgang des Oszillators 4, abgenommen.

Das Filter 2 der Phasenregelschleife ist ein Tiefpass-Filter und wird in den meisten Fällen durch einen sog. nichtidealen Integrator gebildet. Dieser hat eine Übertragungsfunktion

s τ ₇ + 1

+ 1

wobei s eine komplexe Variable (La place) und r .. und r. Zeitkonstanten sind. Siehe hierzu das Kapitel 2-2 Seite 9 des erstgenann-

' ten Buches mit dem Titel "Schleife zweiter Ordnung".

Um das Prinzip der Erfindung besser verstehen zu können, sei das

Verriegeln der Phasenregelschleife noch einmal dargelegt. Man unterscheidet drei Fälle: i

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1. Unterscheidet sich f. nur wenig von f , so folgt die Schleife sehr rasch und verriegelt. Dabei bleibt die Phasenverschiebung zwischen den Signalen mit der Frequenz f und f.. zu jedem Zeitpunkt kleiner als 18o°. In der Praxis tritt dieser Fall dann auf, wenn der Unterschied f^- f wesentlich kleiner ist als die Randbreite der Phasenregelschleife (bzw. deren Eigenfrequenz f ). In diesem Fall spricht man von einem "Verriegelungsbereich".

2. Ist der Frequenzunterschied f^-f größer als die Eigenfrequenz der Schleife und kleiner als ein gewisser Grenzwert, der den "Aquisitionsbereich" (auch Fangbereich genannt) begrenzt, so ändert sich die Phasenverschiebung zwischen f^ und f kontinuierlich und nimmt Werte an, die einenysehr großen Vielfachen von 36o entsprechen.

3. Ist fj-f größer als die Grenzfrequenz des Aquisitionsbereiches , so wird keine Verriegelung der Schleife mehr erhalten.

! Durch die Erfindung soll in erster Linie das Arbeiten der Phasen-

regelschleife zumindest im zweiten Fall, d.h. während der Aqaiisi- j

ι

j tionsphase verbessert werden (sowohl durch Verbreiterung dieses j

Bereiches als auch durch Vergrößerung der Geschwindigkeit, mit der!

das Eintrimmen der Frequenz des Oszillators erfolgt), ohne daß eine Mehrzahl zusätzlicher Filterkreise hierzu erforderlich ist. Damit sollen die schlechten Eigenschaften beim Auffinden der Frequenz der Phasenverriegelung durch bekannte Schaltungen ausgeräumt werden (siehe hierzu das oben genannte Buch von Viterbi, Seite 73)

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! Diese Aufgabe ist erfindunes gemäß dadurch gelöst, daß man zn ! der bekannten Phasenregelschleife mit einem Phasenkomparator, einem '. Filter, ggf. einem Verstärker und einem Steueroszillator einen in die Schleife geschalteten Phasenmodulator hinzufügt, der die Ausgan gssr>annun? des Oszillators in der Schleife moduliert, und daß man die Phasenregelschleife ferner mit einer Zweigschaltung versieht, die ein weiteres Filter und zwar ein Hochpass-Filter aufweist. Diese Zweigschaltune ist durch eine ihrer Klemmen mit der Steuerklemme des Phasenmodulators verbunden und mit ihrer anderen Klemme mit dem Ausgang des Phasenkomparator verbunden. Damit wird der Phasenmodulator durch die Aus gangsspannung des Phasenkomparators gesteuert, welche jedoch über das weitere Filter zugeführt wird. Dessen Kenngrößen sind so gewählt, daß der Phasenmodulator praktisch keine Rolle mehr spielt, wenn die Regelschleife einmal verriegelt ist. Hierzu wird als zweites Filter ein Hochpass-Filter vorzugsweise erster Ordnung gewählt, das eine begrenzte Phasenverschiebung aufweist und bei dem der Imaginärteil der Übertragungsfunktion nur dann Null wird, wenn der Unterschied f«-f zwischen den Frequenzen des Eingangssignales und des Auseangssignales des Oszillators Null ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:

Fig. 1 die schon beschriebene Schaltung zum Nachführen der

Phase oder der Frequenz eines Signales gemäß dem Stand

cW Technik : _ ^ „

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltung zum Nachführen der Phase oder der Frequenz eines; Signales;

Fig. 3 die Filtercharakteristik, die das zweite Filter der

erfindungsgemäßen Schaltung im wesentlichen aufweisen muß;

Fig. 4 ein äquivalentes Schaltbild einer Phasenregelschleife;

Fig. 5 das Schaltbild einer möglichen Ausfühnmgsform eines zweiten Filters;

Fig. 6 ein genaueres Schaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltung zum Nachführen der Phase oder Frequenz eines Signales für einen besonderen Anwendungsfall.

Fig. 2 zeigt den wesentlichen Aufbau einer erfindungsg_emäßen Nach fahrschaltung. Bauelemente, die solchen der Fig. 1 entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Damit ist aus Fig. 2 ersichtlich, daß sich die erfindungsgemäße Schaltung von der in Fig. 1 dargestellten durch zwei Schaltungsblöcke 5 und 6 unterscheidet. Der Schaltungsblock 5 ist ein Phasenmodulator, der Zwischen dem Phasenkomparator 1 und dem Oszillator 4 angeordnet

ist und so die Ausgangsspannung des Oszillators 4 moduliert. Der Schaltblock 6 ist ein Zusatzfilter, das als Zweigschaltung über die Phasenregelschleife geschaltet ist und mit dem Ausgang des Phasenkomparators 1 verbunden ist. Das Zusatzfilter 6 steuert den Phasenmodulator 5 unter Verwendung der vom Phasenkomparator berat-

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j gestellten Aus Rangsspannung. Das Zusatzfilter 6 muß so ausgelegt sein, daß es eine bestimmte Übertragungsfunktion Π (s) aufweist, auf die weiter unten noch genauer eingegangen wird.

Zunächst wird die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Schaltung beim Nachführen der Phase beschrieben.

Es sei zunächst angenommen, daß die t)hasenmodulierte und auf eine Einge.ι;._\le~me des Phasenkomparator 1 gegebene Frequenz f.. bezüglich der Frequenz f des Eingangssignabs verschoben ist. Das Ausgangssignal des Phasenkomparators 1 ist dann eine Schwebung mit der Frequenz f_o~f-j ·

Nun wird das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators 4 mit der Frequenz f^ im Phasenmodulator 5 durch ein Signal f_o~f-i phasenmoduliert. Das erzeugte Signal besteht aus einem Träger f.. und zwei Seitenbanden mit:

^£1 ⁺ i^fo - ^f1> = ^fo

f, - Cf₀ -f,) = 2 f, - f_o.

Eine der Seitenbanden hat somit eine Frequenz, die gleich der Fre-{quenz des Eingangssignales f_Q ist. Da der Phasenkomparator an seinen beiden Eingangsklemmen Signale mit gleicher Frequenz erhält,

liefert er an seinem Ausgang eine Gleichspannung.

; Wird das Zusatzfilter 6 bezüglich der Phasendrehung und der Abschwächung geeignet ausgelegt, ist die oben angeführte Gleichspan·

proportional nung nach Betrag und Vorzeichen/zur Frequenzverstimmung f -f.. . Sie kann damit als Steuersnannung zum Einregeln des Oszillators 4 verwendet werden und gestattet ein rasches Auffinden der Frequenz .

Rechnungen zeigen,daß in der Praxis ein Hochpass-Filter erster Ordnung (eine nicht ideale Differentiationsschaltung) zu diesem Zwecke gut geeignet ist.

Es muß nun noch geprüft werden, welche Bedingungen das Zusatzfilter 6 der Zweigschaltung erfüllen muß, damit es die ihm erfindungsgemäß zugedachte Rolle erfüllen kann.

Ganz allgemein kann die Übertragungsfunktion G (^j ) eines jeden Filters in einen Realteil R und einen Imaginärtal I zerlegt werden:

i G (o) = R (<o) + j . I (<ü),

Iwobei 6j die der Frequenz f entsprechende Kreisfrequenz ist. j

Die Rechnung zeigt, daß die Gleichspannungskomponente am Ausgang des Phasenkomparators, die hier zur Ansteuerung des steuerbaren Oszillators verwendet wird, dem Imaginärteil entspricht. Genauer gesagt, ist diese Gleichspannungskomponente proportional zu I C^ <w.), wobei 6J_O und £>.. die den Frequenzen f bzw. f^ entsprechenden Kreisfrequenzen sind.

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Es ist wünschenswert, daß die die Änderung von I (cj ) darstellende Kurve im wesentlichen den in Fig. 3 dargestellten Verlauf hat. Das heißt insbesondere:

a) Diese Kurve schneidet die Abszissenachse nur im Ursprung (wäre das nicht der Fall, ergäben sich Instabilitäten der Regelschleife oder falsche stabile Arbeitspunkte);

b) I (~o ) wächst mit.) nicht unbegrenzt auf beiden Seiten des Ursprunges an (hierdurch soll vermieden werden, daß die vom Phasenmodulator erzeugte Phasenverschiebung keine zu großen Werte einnimmt).

Der Erfinder hat erkannt , daß ein Filter erster Ordnung diese Bedingungen erfüllt. Zugleich weist es einen verhältnismäßig einfachen und somit vorteilhaften Aufbau auf. In diesem Fall qilt:

(S) = f-vr

Hieraus erhält man:

1 ₊ co²!²

Dabei stellt die in Fig. 3 verwendete Abszisse co den Frequenzunterschied zwischen dem Eingangssignal und dem Ausgangssignal des Oszillators 4 dar:

-1ο-

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- 1ο -

Die Kurve I (<o ) gibt die Rückstellspannung in Abhängigkeit von der Frequenzverstimmung und hat den klassischen Verlauf der Kurve eines Frequenzdiskriminators, dessen zwischen dem Maximum und dem Minimum der Kurve gelegener Arbeitsbereich gegeben ist zu Aco -+_ 2TT/T.

Als Filter erster Ordnung kann man auch ein solches wählen, das eine Übertragungsfunktion

1 + T₁S
1 + T₂S

aufweist, wobei T₁ und T₂ die charakteristischen Zeitkonstanten dieses häufig auch Phasenvoreilfilter genannten Filters darstellen und T₁ >^> T₂ ist. Hieraus erhält man

/ ι (T - T 1

Ulli - 1 <yj

I (ω) =

In der Regel eignet sich ein Filter mit einer Ordnung größer als der ersten nicht, da der Zähler der Funktion I (ω ) ein Polynom höheren Grades als 1 darstellt, das reelle Wurzeln außerhalb des Ursprunges haben kann, die zusätzlichen Schnittpunkten mit der Abszissenachse entsprechen.

Findet keine Signalableitung durch das Zusatzfilter 6 statt, so j erfolgt die Einstellung der Phasenverriegelung unter Verwendung einer Rückstellspannung, die durch die Frequenzmodulation des

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ORIGINAL INSPECTED

Oszillators erhalten wird. Wie auf den Seiten 44 bis 46 und 86 bis 87 des oben genannten Buches von Gardner dargelegt ist, kann man die Ruckstellsnannung in diesem Fall berechnen, und man sieht, daß ihre Änderung der in Fip. 3 gestrichelt dargestellten Kurve entspricht. Die Rückstellsnannung nimmt ab, wenn die Frequenzdifferenz anwächst; d.h. das Verriegeln der Phasenregelschleife wird dann schwierig.

Der oben beschriebene Signalabgriff über das Zusatzfilter 6 erleichtert somit das Einschwingen der Phasenregelschleife auf das Eingangssignal. Es kann ferner gezeigt werden, daß diese Signalabnahme das Arbeiten der Phasenverriegelung nicht stört, wenn sich die Phasenregelschleife einmal auf die richtige Frequenz gesetzt hat. In diesem Fall arbeitet der Phasenkomparator im linearen Bereich (vgl. das Buch von Viterbi Seite 17) und das in Fig. 2 dargestellte Schaltbild kann durch ein äquivalentes, in Fig. 4 dargestelltes Schaltbild ersetzt werden. Bei diesem bedeutet 0 die Phase des Eingangssignales und Θ.. die Phase des Ausgangssignales des spannunesgesteuerten Oszillators. Die in Fig. 4 dargestellte Schaltung entspricht einer einfachen Phasenregelschleife in die ein Filter mit einer Obertragungsfunktion

H Cs)

1 + G (S)

eingefügt worden ist.

Wählt man

G (s) = K τ +~

so erhält man

H (S) - ^{1 + TS}

" 1 + (K + D Ts

Da man dem Verstärkungsfaktor K der sekundären Schleife einen
verhältnismäßig kleinen Wert sibt (z.B. K = o,3), ist H (s)
wenig von 1 verschieden, wenn die Schaltung im Verriegelungsbereich arbeitet.

Damit verliert die Zweigschaltung zum Signalabgriff praktisch
jeden Einfluß, wenn eine Verriegelung stattfindet. Sie ändert
weder die Stabilität der Regelung noch deren Filtereigenschaften
bezüglich Rauschens noch deren dynamisches Ansprechen in spürbarer We i s e.

Die erfindungsgemässe Schaltung läßt sich unter Zuhilfenahme be- ; !kannter Bauelemente aufbauen: das Hochpass-Zusatzfilter 6 kann

I ;

j ein einfaches RC-Netzwerk sein, wie in Fig. 5 dargestellt. Der > I Phasenmodulator kann eine Kapazitätsdiode veränderlicher Kapazität

ι I

sein, die in einen Resonanzkreis geschaltet ist. i

Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltung

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^! - 13 -

für einen speziellen Anwendunpsfall, nämlich die Stabilisierung eines frequenzmodulierten Senders für Fernmessungen.

Ein Phasenmodulator 1 erhält an seinem in der Figur links gelegenen Eingang das Signal eines Ouarzschwingers 1o mit einer Frequenz von 2oo kHz und an seinem in der Figur rechts gelegenen Eingang das in der Schleife umlaufende Signal.

Der steuerbare Oszillator 4 arbeitet bei einer Frequenz von etwa 25o NMz. Zur Regelung ist der steuerbare Oszillator 4 mit dem Quarzoszillator 1o gekoppelt. Das Ausgangssignal des steuerbaren Oszillators wird durch zwei aufeinanderfolgende Frequenzteiler 7 und S um einen Faktor 2 χ 612 = 1224 heruntergeteilt. Die beiden Frequenzteiler sind über eine monostabile Kippschaltime miteinander verbunden. Der steuerbare Oszillator 4 weist einen Modulationseingang 13 auf.

Der Phasenmodulator wird von der monostabilen Kippschaltung 9 dargestellt, wobei die Länge des nach Auslösung am Ausgang bereitgestellten Impulses durch das Ausgangssignal des Zusatzfilters 6 gesteuert wird. Das letztere ist ein RC-Filter erster Ordnung (C = 33oo pF, R = 43 kffi). Vor dem Eingang des RC-Filters ist ein Verstärker 11 angeordnet.

Das Filter 2 der Hauntschleife mit einer Übertragungsfunktion F (s) besteht aus einem als Integrator geschalteten Verstärker 12 (mit einem Widerstand von 1o MA und einem Kondensator von 8,5 uF).

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S O 9 β β 7 / 1

dazu, den Modulationsindex herabzusetzen um die auf die Modulation zurückzuführenden Seitenbanden praktisch zu unterdrücken. Sie gestatten somit die Kopplung des steuerbaren Oszillators an einen
Quarzoszillator.

Die erfindungsgemäße Schaltung zum Nachführen der Phase kann gleichen maßen als Schaltung zum Nachführen der Frequenz verwendet werden, genauso wie ein Phasendiskriminator bei entsprechender Änderung
der Arbeitsbedingungen als Frequenzdiskriminator verwendet werden kann.

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Claims

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Patentansprüche

Schaltung zum Nachführen der Phase oder der Frequenz eines Signales bezüglich eines auf die Schaltung gegebenen Eingangs signales mit einem Phasenkomparator, welcher das Eingangssignal mit dem Ausgangssignal eines spannungsgesteuerten Oszillators vergleicht, und mit einer Phasenverriegelungsschleife, die den Phasenkomparator enthält und in Serie mit dem Ausgang des letzteren geschaltet aufweist: ein Filter, ggf. einen Verstärker, den spannunesgesteuerten Oszillator, einen Phasenmodulator und den Eingang des Phasenkomparator, der nicht mit dem Eingangssignal beaufschlagt wird, wobei der Phasenmodulator die Ausgangsspannung des spannungsgesteuerten Oszillators moduliert und auf den Phasenkomparator gibt und hierzu durch ein Signal gesteuert wird, das von einer Zweigschaltung bereitgestellt wird, die ihrerseits von einem geeigneten Punkt der Phasenverriegelungsschleife aus/cesrceist wird, dadurch gekennzeichnet,

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; daß die Zweigschaltung ein Hochpass-Filter (6) mit begrenzter Phasenverschiebung aufweist, dessen eine Klemme mit dem Steuereingang des Phasenmodulators (5) verbunden ist und dessen andere Klemme mit dem Ausgang des Phasenkomparators (1) verbunden ist, wobei das Hochpass-Filter (6) so ausgelegt ist, daß der Imaginärteil seiner Übertragungsfunktion nur dann Null wird, wenn die Frequenzdifferenz der auf den Phasenkomparator 0) gegebenen Signale Null ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das als Hochpass-Filter (6) ausgebildete zweite Filter ein Filter erster Ordnung ist.

3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsfunktion des Hochpassfilters folgende Form hat:

wobei s die komplexe Laplace'sehe Variable darstellt und T die

charakteristische Zeitkonstante dieses Filters darstellt.

j ;

14. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die i

!

Übertragungsfunktion des Hochpass-Filters folgende Form hat:

1 + T₁S !

wobei s die komplexe Laplace'sehe Variable ist und T₁ und T₇

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zwei charakteristische Zeitkonstanten dieses Filters sind, das in der Regeltechnik unter dem Namen "Phasenvoreilfilter" bekannt ist.

5. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Filter (6) durch ein Hochpass-Hlied mit einem Widerstand und einer Kapazität gebildet ist.

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