DE2542954C2

DE2542954C2 - Frequenzgenerator mit einem Phasenregelkreis

Info

Publication number: DE2542954C2
Application number: DE2542954A
Authority: DE
Inventors: David C. Woodside Calif. Chu
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1974-11-14
Filing date: 1975-09-26
Publication date: 1984-03-15
Also published as: JPS5169346A; DE2542954A1; JPS5334451B2; FR2291638A1; FR2291638B1; US3921095A; GB1491329A

Description

Die Erfindung geht aus von einem Frequenzgenerator (Synthetisierer) mit einem Phasenregelkreis (PLL), der durch eine Sperrvorrichtung für eine wählbare Zeitspanne auftrennbar ist, bestehend aus einem Bezugsfrequenzgeber, einem durch eine Stellgröße in seiner Frequenz steuerbaren Oszillator (VCO), einem an die Ausgänge des Bezugsfrequenzgebers und des Oszillators angeschlossenen Frequenzmischer, einem an einen der Ausgänge des Bezugsfrequenzgebers oder des tf\WT qnitarnklnrrnnnn ET ...>«...>«-·· tvi ,# uiigxä^lll*s3)\*ll!I t 11UUtIIAl

einem an die Ausgänge des Frequenzmischers und des Frequenzteilers angeschlossenen Phasenkomparator, dessen Ausgang über ein Frequenzfilter, insbesondere einen Tiefpaß, wiederum an den Steuereingang des Oszillators angeschlossen ist.

Ein solcher Fretjuenzgenerator ist aus der US-PS 36 38 135 bekannt. Er hat wie andere Frequenzgeneratoren mit Phasenregelkreis den Vorzug, eine von der Temperatur und anderen Umgebungsfaktoren unbeeinflußte und nur von der Konstanz der Bezugsfrequenz abhängige Ausgangsfrequenz zu liefern.

In der bekannten Einrichtung dient die Auftrennung des Phasenregelkreises dazu, die Ausgangsfrequenz mit Hilfe einer Stromquelle, die den Kondensator des dort verwendeten Tiefpasses auflädt, im Zeitraum einer Sekunde linear von 1000 Hz bis 2000 Hz durchzuwobbeln. Nach Beendigung dieses Vorganges benötigt die Ausgangsfrequenz, wie aus der Patentschrift hervorgeht, geraume Zeit, um wieder zu ihrem Ausgangswert von 1000 Hz zurückzugelangen.

Aber auch wenn in dieser Schaltung kein Wobbeivorgang durchgeführt und der Tiefpaß-Kondensator nicht noch zusätzlich aufgeladen wird, sondern der Oszillator lediglich kurzzeitig abgeschaltet werden soil, treten hier für gewöhnlich Einschaltzeiten in der Größenordnung von einigen Millisekunden auf. weil bei Wiedereinschalten des Oszillators nicht gewährleistet ist, daß sich gleich wieder genau die zum Ziehen der Oszillatorfrequenz auf den erforderlichen Wert notwendige Phasenverschiebung zwischen Oszillator- und Bezugsfrequenz einstellt. Vielmehr entsteht durch das Einschwingen des Tiefpasses eine mitunter erhebliche Verzögerung in der Regelschleife, bevor der Oszillator wieder zum Einrasten auf seine ursprüngliche Frequenz gelangt.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen Frequenzgenerator der eingangs genannten Art mit Phasenregelkreis zu schaffen, der nach dem Wiedereinschalten des Oszillators auch bei einer abweichenden Phasenlage zwischen Bezugs- und Oszillatorfrequenz sofort wieder ohne Einschwingvorgang mit der neuen Phasenlage anschwingt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale.

Dabei ist aus der US-PS 36 14 648 und der DE-AS 1147 991 bereits in einem anderen Zusammenhang bekannt, bei einer Phasenregelschleife ein Signal

vorzusehen, das einen Oszillator vorübergehend abschaltet, bzw. in einem Synchronisierungssystem eine Synchronisierspannung phasenrichtig aufzuschalten.

Die Erfindung hat den weiteren Vorteil, daß gerade die bei der bekannten Anordnung schädliche und den Einschwingvorgang hervorrulende Tiefpaß-Kapazität hier gewährleistet, daß auch nach einer langer andauernden Abschaltung des Oszillators noch die zur Frequenzänderung auf den gewünschten Wert erforderliche Steuerspannung anliegt.

Ausgestaltungen der Erfindung, die zu einer besonders einfachen schaltungsmäBigen Realisierung führen, ergeben sich aus den Unteransprüchen. Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung in Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Frequenzgenerators mit Phasenregelkreis.

F i g. 2 ein etwas ausführlicheres Schaltbild der Anordnung nach F i g. 1 und

F i g. 3 einige der in den Anordnungen nach F i g. 1 und 2 auftretenden elektrischen Signale.

In Fig. 1 ist ein abstimmbarer Oszillator 11 in einem Phasenregelkreis (PLL) dargestellt, der beispielsweise durch eine Spannung in seiner Frequenz steuerbar ist (VCO). Im eingeschwungenen Zustand ist die Oszillatorfrequenz mit einer Bezugsfrequenz nach Art einer herkömmlichen Frequenzsyntheseschaltung verriegelt. Die Ausgangsfrequenz des Oszillators 11 wird einem Frequenzmischer 13 zugeführt. An den anderen Eingang des Frequenzmischers 13 ist eine Bezugsfrequenz f₀ angelegt. Das Ausgangssignal des Frequenzmischers 13 mit der sich ergebenden Schwebungsfrequenz (fo — Q wird einem Eingang 15 eines Phasenkomparator 17 zugeführt. Der Phasenkomparator 17 kann in bekannter Weise derart aufgebaut sein, daß er Zeitintervalle zwischen ansteigenden Impulsflanken der beiden Eingangssignale erfaßt und daraus die Phasendifferenzen zwischen diesen beiden Eingangssignale bestimmt. Der Phasenkomparator 17 vergleicht die Phase des Signals am Eingang 15 mit der Phase eines Signals an seinem zweiten Eingang 19. welches von einem Frequenzteiler 21 geliefert wird. Dieser Frequenzteiler 21 kann beispielsweise ein Zähler sein, der bei jeweils N Eingangsimpulsen einen Ausgangsimpuls abgibt. Der Phasenkomparator 17 erzeugt entsprechend der auftretenden Phasendifferenz ein Korrektursignal, das über ein Filter 20 dem Steuereingang des Oszillators 11 zugeführt wird, so daß die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators i( verändert und mit der Bezugsfrequenz verriegelt wird. Gemäß F i g. 2 kann das Ausgangssipnal des Oszillalors 11 das Eingangssignal des Frequenzteilers 21 bilden, so daß der Ausgang des Frequenzteilers 21 eine Subhurmonische der Oszillatorfrequenz ist. An und für sich kann dem Frequenzteiler 21 jedoch eine beliebige Frequenz f\ zugeführt werden. Weiterhin können verschiedene Frequenzen entsprechend der Gleichung '-(f„ — Mf)= f\/N gebildet werden, wobei /"die gebildete Frequenz und M die Ordnungszahl der Harmonischen ist und das Vorzeichen eines der beiden Seitenbänder festlegt.

In dem nachfolgend erläuterten speziellen Ausführungsbeispiel gilt f\ = f. A/=1 und das positive Vorzeichen, welches dem unteren Seitenband entspricht. In diesem Fall rastet der Oszillator 11 auf einer Frequenz ein. die durch f=N ■ I\/(N+ !) bestimmt wird. Das Schwebungssignal hat dann die Differenzfrequenz (fr, —Q. Im allgemeineren r'ali entsieht eine Schwcbting mit der Zwischenfrccuion/ IF- ± (in - Mf).

Der Betrieb der Anordnung gemäß F i g. 1 als kurzzeitig abschaltbarer Frequenzgenerator wird nun anhand der Kurvenformen von F i g. 3 erläutert. Es sei angenommen, daß der Oszillator 11 bereits im eingeschwungenen Zustand arbeitet und mit der Bezugsfrequenz /b verrastet ist. Die sich ergebende Kurvenform der Signale am Ausgang des Oszillators ist in Fig.3 mit VCO bezeichnet Desweiteren ist das Schwebungssignal (h~f)z.m Ausgang des Frequenzmischers 13 schematisch dargestellt In Wirklichkeit ist die Anzahl der Perioden des Oszillators je Periode der Schwebung sehr viel höher.

Wenn der Oszillator 11 kurzzeitig abgeschaltet werden soll, wird ihm ein Signalimpuls A zugeführt,

it dessen Vorderflanke 23 die Abschaltung bewirkt. Beim Abschalten des Oszillators 11 wird dann auch das Ausgangssignal des Frequenzmischers 13 unterbrochen. Der Impuls A wird weiterhin einer als Verriegelungsund Phasenschieberschaltung wirkenden Sperrvorrich-

^2I) tung 22 zugeführt Beim Auftreten dp Vorderfianke 23 des impulses A verhindert die Sperrvorrichtung 2Z daß am Eingang des Oszillators 11 Störsignaie auftreten. Hierzu unterdrückt die Sperrvorrichtung 22 die Signale an den Eingängen 15 und 19, so daß die Ausgangssignale

?> des Frecuenzmischers 13 und des Frequenzteilers 21 nicht zum Phasenkomparator 17 gelangen können. Gleichzeitig erzeugt die Sperrvorrichtung 22 ein Rückstellsignal für den Frequenzteiler 21, welches diesen auf eine definierte Ausgangstage einstellt,

w beispielsweise auf Null, wenn der Frequenzteiler 21 ein Zähler ist. Dies ist in der letzten Zeile von F i g. 3 dargestellt, wo der laufende Zählerstand vor dem Eintreffen des Impulses A mit »x« bezeichnet ist. Der Zähler wird zurückgesetzt und auf Null gehalten.

^ Die rückwärtige Flanke 25 des Impulses A schaltet den Oszillator 11 wieder ein, so daß dieser sofort mit einer neuen und definierten Phasenlage, beispielsweise gegenüber der rückwärtigen Flanke des Impulses A, zu schwingen beginnt. Der Frequenzmischer 13 erzeugt ein neues Schwebungssignal, dessen Phase der neuen relativen Phase zwischen dem Oszillatorsignal und dem Bezugssignal f₀ entspricht. In F i g. 3 ist zur Veranschaulichung eine ansteigende Flanke 27 des Schivebungssignals dargestellt. Die neue Phase des Schwebungssi-

■>"' gnals befindet sich willkürlich im Bereich zwischen Null und 180°, wobei auch der Fall eintreten kann, daß die Phase im unteren Bereich zwischen 180° und 360° liegt. In diesem Fall wäre keine Flanke 27 aufgetreten, so daß die Flanke 27 zu einem unerwünschten Impuls gehört.

'" im Gegensatz zu den nachfolgenden des Schwebungssignals. Falls eine solche unerwünschte Flanke 27 auftritt, wird sie von der Sperrvorrichtung 22 nicht weiter beachf^t. Diese wartet vielmehr das Auftreten der Vorderflanke 29 des ersten vollständigen Schwebungs-

^y> signals ab und gibt c'ann den Frequenzteiler 21 frei, der eine ansteigende Flanke 38 erzeugt, welche zu dem Eingang 19 des Phasenkomparator 17 gelangt. Gleichzeitig läßt die Sperrvorrichtung 22 das Schwebungssignal am Eingang 15 des Phasenkomparator 17

^h0 in Form einv-T ansteigenden Flanke 33 auftreten. Der Phasenkomparator 17 erhält daher nn seinen Einjängen 15 und 19 zwei gleichzeitig und damit in Phase ansteigende Flanken, so daß er an seinem Ausgang kein Steuersignal für den Oszillator 11 erzeugt, das diesen

^ verstimmen könnte.

Nach seiner Freigabe erzeugt der Frequenzteiler 21 nach /V Zählschritten einen Ausgangsimpuls. Die hierfür erforderliche Zeitspanne entspricht im wesentlichen der

Periode des Schwebungssignals, da die Frequenz des Oszillators Π konstant geblieben ist. Die folgenden ansteigenden Flanken an den Eingängen 15 und 19 des Phasenkomparator 17 treten daher fast gleichzeitig auf und erzeugen höchstens kleinere Korrektur-Steuersi- ■> gnale für den Oszillator 11. Der Phascnregelkreis gelangt somit sofort wieder in seinen eingerasteten Zustand, so daß trotz der neuen Phasenlage des Oszillators U kein merklicher Einschwingvorgang auftritt. Die neuen Eingangssignale für den Phnsenkom- to parator 17 sind in der rechten lliilfle der Fig. 3 als Signale 15 und 19 dargestellt. Durch den Auslöseiinpuls A ist der Oszillator M wieder ordnungsgemäß unter Beibehaltung der Information über die Anfangsphasc eingeschaltet worden, so daß er mit der alten Frequenz ι > und der neuen Phasenlage weiterschwingt.

In F i g. 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform dargestellt, bei welcher eine Oszillatorfrequenz f entsprechend der Gleichung f=N ■ ft>/(N+\) auf eine Bezugsfrequenz /Ό einrastet. Der Betrieb dieser Schal- -'» tung wird wiederum unter Bezugnahme auf die Kurvenformen nach F i g. 3 erläutert.

Der Eingangsimpuls A wird dem Oszillator 11 zugeführt, um diesen vorübergehend abzuschalten. Er wird beispielsweise von einem Start-Impuls abgeleitet, r> der einem Flipflop 35 zugeführt wird. Beim Auftreten der ansteigenden Impulsflanke am Setzeingang des Flipflops 35 erscheint an dessen Ausgang <?der niedrige Signalpegel. Daraufhin gibt ein NOR-Glied 37 den Impuls A ab, welcher den Oszillator 11 vorübergehend abschaltet. Nach einer kurzen Verzögerungszeit τ erscheint die Flanke des Impulses an der Klemme Qdes Flipflops 35 an dem NOR-Glied 37, welches dadurch die rückwärtige Flanke 25 des Impulses A erzeugt.

Gleichzeitig mit dem Auslöseimpuls A erscheint die i> rückwärtige Flanke am Ausgang φ des Flipflops 35 an einem NOR-Glied 41. Dessen Ausgangssignal 5 liegt an den ersten Eingängen von zwei NOR-Gliedern 43 und 45, an deren zweiten Eingängen das Schwebungssignal 19 bzw. das subharmonische Signal 15 anliegt. Sobald ίο das Signal 5 ansteigt, werden die Signale zu dem Phasenkomparator 17 gesperrt. Gleichzeitig wird durch das Signal S der Frequenzteiler 21 zurückgestellt und auf Null gehalten.

Sobald die rückwärtige Flanke 25 des Impulses A am Oszillator 11 angelangt ist, wird dieser wieder eingeschaltet und der Frequenzmischer 13 erzeugt eine Schwebungsfrequenz mit einer neuen Phasenlage, die von der Phasenlage zwischen der Oszillatorfrequenz und der Bezugsfrequenz F₀ abhängt. Dieses Schwebungssignal ist jedoch wegen des an den NOR-Gliedern 43 und 45 anliegenden Signals 5 nicht zum Phasenkomparator 17 durchgeschaltet Sobald jedoch im Schwebungssignai des Frequenzmischers 13 eine natürlich ansteigende Flanke 29 auftritt, weiche anzeigt, daß das Osziiiatorsignai und das Bezugssignai die gleiche Phasenlage haben, wird diese Flanke dem Takteingang des Flipflops 39 zugeführt das daraufhin an seinem Ausgang Q eine ansteigende Flanke abgibt welche das Signal S am Ausgang des NOR-Gliedes 41 wieder abschaltet Der Frequenzteiler 21 wird wieder zur Erzeugung von Subharmonischen der Oszillatorfrequenz angelassen und die NOR-Glieder 43 und 45 werden wieder aufgetastet. so daß der Phasenkomparator 17 wieder die Signale 15 und 19 aufzunehmen vermag, die /u diesem Zeitpunkt gleichzeitig den niedrigeren Spannungspegel aufweisen. Sie steigen daher gleichzeitig an, und der Phasenkomparator 17 wertet dies als Verriegclungssignal und erzeugt daher an seinem Ausgang kein merkliches Korrektursignal für den Oszillator f.

Bei der bisherigen Betrachtung wurde vorausgesetzt, daß im Signal 5 nur dann eine abfallende Flanke auftritt, wenn der Frequenzmischer 13 ein vollständiges Schwebungssignal mit einer ansteigenden Flanke 29 abgibt und nicht nur ein unvollständiges mit einer ansteigenden Flanke 27, das beim Wiedereinschalten des Oszillators Il auftritt, wenn die Phase des Mischersignalx auf einen neuen Wert springt. Um zu verhindern, daß eine solche ungültige Signalflankc 27 den Schaltzustand des Flipflops 39 und damit des NOR-Gliedes 41 ändert, überträgt das Flipflop 39 die Mischfrequenz erst nach Ablauf eines ausreichend langen Zeitintervalles, um jede ungültige Signalflanke zu unterdrücken. Hierzu wird das Signal am Ausgang Q des Flipflops 35 verzögert, bevor es dem Eingang D des Flipflops 39 zugeführt wird. Diese Verzögerung wird so gewähl*. daß eine ungültige ansteigende Flanke am Ausgang Q des Frequenzmischers 13 vor einer abfallenden Flanke am Eingang D des Flipflops 39 auftritt, so daß dieses in seinem Zustand verbleibt. Dadurch wird die ungültige Signalflanke 27 vom NOR-Glied 41 ferngehalten, während die erste gültige Signalflanke 29 übertragen wird und die Eingänge des Phasenkomparators 17 sowie des Frequenzzählers 21 in der beschriebenen Weise wieder auftastet.

Wenn der Oszillator 11 wieder eingeschaltet wird, haben die Signale des Frequenzmischers 13 sowie die subharmonischen Signale des Frequenzteilers 21 die gleiche gegenseitige Phasenbeziehung wie vor der Unterbrechung, so daß der Phasenregelkreis genauso wie bei einer Einrastung der Oszillatorfrequenz auf die Bezugsfrequenz arbeitet Die neue Phasenlage des Oszillators 11 wird beibehalten. Dabei ist ihre Genauigkeit auf ± eine Zählstufe des Frequenzteilers 21 begrenzt was in der beschriebenen Ausführungsform ± 360° /N entspricht.

Im vorstehenden wurde das System unter dem Gesichtspunkt des V/iedereinschaltens des Oszillators 11 nach einem Abschalten betrachtet Die Anordnung kann aber auch als ein willkürlich einschal jarer Frequenzgenerator betrieben werden, wenn einfach zu Anfang das Ausgangssignal beispielsweise mit Hilfe eines NOR-Glied 47 unterdrückt wird. Beim Auftreten eines Start-Signals am Flipflop 35 wird das NOR-Glied 47 wieder aufgetastet und das Ausgangssignal des Oszillators 11 erscheint in seiner Frequenz auf das Bezugssignal und in seiner Phase auf das Start-Signal eingerastet Dieser Vorgang kann durch Rückstellen der Flipflops 37 und 39 und durch Abwarten eines neuen Start-Impulses willkürlich wiederholt werden.

Hierau 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Frequenzgenerator mit einem Phasenregelkreis, der durch eine Sperrvorrichtung für eine wählbare Zeitspanne auftrennbar ist, bestehend aus einem Bezugsfrequenzgeber,

einem durch eine Stellgröße in seiner Frequenz steuerbaren Oszillator,

einem an die Ausgänge des Bezugsfrequenzgebers und des Oszillators angeschlossenen Frequenzmischer,

einem an einen der Ausgänge des Bezugsfrequenzgebers oder des Oszillators angeschlossenen Frequenzteiler,

und aus einem an die Ausgänge des Frequenzmischers und des Frequenzteilers angeschlossenen Phasenkomparator,

dessen Ausgang über ein Frequenzfilter, insbesondere einen Tiefpaß, wiederum an den Steuereingang des Oszillators angeschlossen ist,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Oszillator (11) für eine wählbare Zeitspanne durch einen Signalimpuls (A) abschaltbar ist,
daß die Sperrvorrichtung (22) beim Abschalten des Oszillators (11) eine Veränderung des Signals am Ausgang des Phasenkomparator (17) verhindert und den Frequenzteiler (21) stillsetzt
und daß d> Sperrvorrichtung (22) nach dem Wiedereinschalten des Oszillators (11) beim Auftreten eines vorbestimmten Zustandes des Schwebungssignals am Ausgang aes Fr-°quenzmischers (13) den Frequenzteiler (21) in einer an die jeweilige Phasenverschiebung zwischen der Bezugsfrequenz und der Oszillatorfrequenz angepaßten Phasenlage wieder anläßt und den Phasenkomparator (17) wieder wirksam werden läßt.

2. Frequenzgenerator nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrvorrichtung (22) beim Abschalten des Oszillators (U) den Phasenkompa^- tor (17) von den Ausgängen des Frequenzmischers (13) und des Frequenzteilers (21) abtrennt.

3. Frequenzgenerator nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrvorrichtung (22) beim Abschalten des Oszillators (11) den Frequenzteiler (21) auf Null setzt.

4. Frequenzgenerator nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrvorrichtung (22) nach dem Wiedereinschalten des Oszillators (11) beim Auftreten des ersten vollständigen Schwebungssignals (29) am Ausgang des Frequenzmischers (13) den Frequenzteiler (21) wieder anläßt und den Phasenkomparator (17) wieder wirksam werden läßt.

5. Frequenzgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Ausgängen (19, 15) des Frequenzmischers (13) bzw. des Frequenzteilers (21) und den Eingängen des Phasenkomparator (17) je eine Torschaltung (43, 45) angeordnet ist.

6. Frequenzgenerator nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, daß ein D-Flipflop (39) mit einem Eingang (CLK) an einem Ausgang (Q) des Frequenzmischers (13), mit einem zweiten Eingang (D) über eine Verzögerungsschaltung an eine ein Wiedereinschaltsignal an den Oszillator (11) liefernde Steuerschaltung (35,37) und mit seinem Ausgang

(Q) an je einen Steuereingang der beiden Torschaltungen (43, 45) sowie an den Rückstelleingang des Frequenzteilers (21) angeschlossen ist.

7. Frequenzgenerator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzmischer (13) als D-Flipflop ausgebildet ist.