DE2718175A1 - Scan holding circuit for phase discriminator - has generating circuit separated from holding capacitor by three switches reducing interference to min. - Google Patents
Scan holding circuit for phase discriminator - has generating circuit separated from holding capacitor by three switches reducing interference to min.Info
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Abstract
Description
"Abtast-Halte-Schaltung""Sample and hold circuit"
Die Erfindung betrifft eine Abtast-Halte-Schaltung, insbesondere für einen Phasendiskriminator, mit Mitteln zur Erzeugung einer Sägezahnspannung mit gegenüber einer Referenzspannung gleicher Periode und Phase, wobei besagte Mittel über eine Reihenschaltung aus einem ersten und zweiten Schalter, die mittels eines Schaltsignals nach Maßgabe der Phasendifferenz zwischen der Referenzspannung und einer mit dieser gleichfrequenten weiteren Spannung durchgeschaltet bzw. gesperrt werden, mit einem Halte-Kondensator verbindbar sind, dem ein Verstärker mit hohem Eingangswiderstand - vorzugsweise ein Spannungsfolger - nachgeschaltet ist. Die Erfindung betrifft ferner Abtast-Halte-Schaltung für die Abtastung der Amplitude von Spannungen mit beliebigem zeitlichen Verlauf unter Verwendung einer Reihenschaltung aus einem ersten und zweiten Schalter, die mit Hilfe eines Abtast-Schaltsignals wählbarer Frequenz sperrbar bzw. auf einen Halte-Kondensator durchschaltbar sind, dem ein Verstärker mit hohem Eingangswiderstand - vorzugsweise ein Spannungsfolger - nachgeschaltet ist Ein Phasendiskriminator der eingangs genannten Art wird beispielsweise bei Anordnungen zur Frequenzaufbereitung für Sende- bzw. Empfangazwecke benötigt. Eine derartige Anordnung ist z. B. in Fig. 1 dargestellt. Sie besteht aus einem hochkonstanten Quarzoszillator 1 der Frequenz fq, Signal über einen Frequenzteiler 2 mit einem Teilerfaktor M als Referenzsignal S1 einem Phasendiskriminator 3 zugeführt wird. Das Ausgangssignal Um des Phasendiskriminators 3 wird über einen Tiefpaß 4 einem spannungsgesteuerten Oszillator 5 (einem sog. VCO) als Regelgröße zugeleitet. Die Frequenz f = f . MM des spannungs gesteuerten Oszillators 5 uird mittels einer Regelschleife in der Weise auf dem gewünschten Wert gehalten, dar sein Ausgangssignal über einen Frequenzteiler 6 mit über einen Programmiereingang ó' einstellbarem Teilerfaktor N als Spannung S2 dem Phasendiskriminator 3 zugeführt wird, in dem diese bezüglich ihrer Phasenlage mit aem ihr gleichfrequenten Referenzsignal S1 verglichen wird. Die Erfindung betrifft eine Abtast-Halte-Schaltung, die insbesondere bei einem derartigen Phasendiskriminator 3 mit Vorteil verwendbar ist Der Phasendiskriminator 3 liefert ein analoges Ausgangssignal Um, das der Phasendifferenz seiner beiden Eingangssignale S@ und S@ direkt proportional ist.The invention relates to a sample and hold circuit, in particular for a phase discriminator, with means for generating a sawtooth voltage with respect to a reference voltage of the same period and phase, said means via a series connection of a first and a second switch, which by means of a Switching signal according to the phase difference between the reference voltage and another voltage with the same frequency is switched through or blocked can be connected to a holding capacitor to which an amplifier with high Input resistance - preferably a voltage follower - is connected downstream. the The invention also relates to a sample-and-hold circuit for sampling the amplitude of voltages with any time course using a series connection from a first and second switch, which with the aid of a sampling switching signal selectable frequency can be blocked or switched to a holding capacitor, an amplifier with high input resistance - preferably a voltage follower - downstream is A phase discriminator of the type mentioned is, for example with arrangements for frequency processing for Send and receive purposes needed. Such an arrangement is e.g. B. shown in Fig. 1. she consists from a highly constant crystal oscillator 1 with frequency fq, signal via a frequency divider 2 is fed to a phase discriminator 3 with a division factor M as reference signal S1 will. The output signal Um of the phase discriminator 3 is passed through a low-pass filter 4 a voltage-controlled oscillator 5 (a so-called VCO) fed as a control variable. The frequency f = f. MM of the voltage controlled oscillator 5 uird by means of a The control loop is kept at the desired value in such a way as its output signal via a frequency divider 6 with a divider factor that can be set via a programming input ó ' N is supplied as voltage S2 to the phase discriminator 3, in which this with respect to their phase position is compared with aem their reference signal S1 of the same frequency. The invention relates to a sample-and-hold circuit, particularly in such a Phase discriminator 3 can be used with advantage. The phase discriminator 3 supplies an analog output signal Um, which is the phase difference between its two input signals S @ and S @ is directly proportional.
Der ideale Phasendiskriminator, den es aber nicht gibt, liefert als Ausgangssignal eine reine Gleicnspannung, die - wie erwähnt - der Phasendifferenz der beiden Eingangsechstlspan nungen proportional ist. Auf eine sprunghafte Änderung der Phasendifferenz erfolgt an seinem Ausgang unmittelbar, d. h.The ideal phase discriminator, which does not exist, delivers as The output signal is a pure equilibrium voltage, which - as mentioned - the phase difference is proportional to the two input voltages. A sudden change the phase difference occurs immediately at its output, i.e. H.
ohne Zeitverzögerung, ein entsprechender Sprung der Ausgangsgröße.without a time delay, a corresponding jump in the output variable.
Der reale Phasendetektor ist dagegen mehr oder weniger unvollkommen. Sein Ausgangssignal erscheint mit Verzögerung. Außer der gewünschten Gleichspannung enthält es noch unerwünschte Anteile der beiden Eingangssignale sowie deren Harmonische.The real phase detector, on the other hand, is more or less imperfect. Its output signal appears with a delay. Except the desired DC voltage it still contains unwanted components of the two input signals and their harmonics.
Bei einer Anordnung für die Frequenzaufbereitung wirken Zich diese Reste der Eingangssignale sehr nachteilig aus, da das Ausgangssignal der Frequenzaufbereitung dann mit diesen Signalen moduliert ist, was eine erhebliche Verschlechterung der spektralen Reinheit des Ausgangssignals der Frequenzaufbereitung zur Folge hat. Man kann diese Störmodulation dadurch verringern, daß man die Grenzfrequenz des auf den Phasendiskriminator folgenden Tiefpasses erniedrigt. Die>ls tringt allerdings den Nachteil mit sich, daß die Regelschleife dann sehr langsam wird. Ein schneller Frequenzwechsel durch Anderung des Teilerfaktors N ist dann nicht mehr möglich. Bei Funkgeräten mit automatischer Kanalauswahl ist ein schneller Frequenzwechsel jedoch unumgänglich.In an arrangement for frequency processing, these are effective Remnants of the input signals are very detrimental, since the output signal is frequency processing then modulated with these signals, causing a significant deterioration in the the spectral purity of the output signal of the frequency processing. This interference modulation can be reduced by reducing the cutoff frequency of the lowered to the low-pass filter following the phase discriminator. The> ls trings, however with the disadvantage that the control loop then becomes very slow. A quick one Changing the frequency by changing the division factor N is then no longer possible. In the case of radios with automatic channel selection, a quick frequency change is required but inevitable.
Die erforderliche Schnelligkeit und spektrale Reinheit läßt sich am ehesten mit einem Abtast-Halte-Phasendiskriminator, d. h. einem Phasendiskriminator mit einer Abtast-Halte-Schaltung als wesentlichem Bestandteil, erreichen.The required speed and spectral purity can be found on the most likely with a sample-and-hold phase discriminator, i. H. a phase discriminator with a sample-and-hold circuit as an integral part.
Es ist bereits ein Phasendiskriminator dieser Art bekannt, der in Fig. 2 dargestellt ist und auf den später näher eingegangen wird. Ein solcher Phasondiskriminator ist zwar schnell (bei richtiger Dimensionierung der Schaltelemente), nachteiligerweise erscheinen hier jedoch die beiden Eingangssignale als Störsignal am Ausgang, weil ihre Amplituden - bezogen auf den eingangsseitigen Wert - nur um bis zu 60 dB gedämpft sind.A phase discriminator of this type is already known to be used in Fig. 2 is shown and will be discussed in more detail later. Such a phase discriminator is fast (with correct dimensioning of the switching elements), disadvantageously However, the two input signals appear here as an interfering signal at the output, because their amplitudes - based on the value on the input side - only attenuated by up to 60 dB are.
Ferner ist auch schon ein Abtast-Halte-Phasendiskriminator bekannt, der in Fig. 4 dargestellt ist und der später näher erläutert wird. Dieser Phasendiskriminator ist hinsichtlich des Störabstandes seines Ausgangssignals um etwa 20 dB besser als jener nach Fig. 2. Wegen der Zwischenspeicherung der absetasteten Amplitude ist dieser Phasendiskriminator jedoch zu langsam.Furthermore, a sample-and-hold phase discriminator is already known, which is shown in Fig. 4 and which will be explained in more detail later. This phase discriminator is about 20 dB better than the signal-to-noise ratio of its output signal that of FIG. 2. Because of the intermediate storage of the sampled amplitude however, this phase discriminator is too slow.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abtast-Halte-Schaltung der eingangs genannten Art insbesondere für Phasendiskriminatoren, aber auch für die Abtastung der At3pLitude von Spannungen mit beliebigem zeitlichen Verlauf zu scharfen, die einerseits ein Ausgangssignal mit möglichst hoher spektraler Reinheit liefert und die andererseits auch möglichst schnell ist Diese Aufgabe wird bei einer Abtast-Halte-Schaltung für Phasendiskriminatoren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Erhöhung des Störabstandes des Ausgangssignals der Abtast-ilalte-Schaltung in Bezug auf die Referenzspannung und das Schaltsignal der erste und zweite Schalter stets gemeinsam durchgeschaltet bzw. gesperrt werden und dazu ein dritter Schalter vorgesehen ist, der in der Weise angeordnet ist und der mittels eines zu dem Schaltsignal komplementären Schaltsignals zeitlich komplementär zu dem ersten und zweiten Schalter durchgeschaltet bzw. gesperrt wird dergestalt, daß der Halte-Kondensator weitestgehend von den den ersten Schalter im gesperrten Zustand passierenden WechJelspannungskom,onenten abgeschirmt ist, und daß zur Reduzierung der Einschwingzeit außerdem die Kapazität des Halte-Kondensators klein im Vergleich zur Kapazität eines Kondensators für die Erzeugung der Sägezahnspannung gewählt ist.The invention is based on the object of a sample-and-hold circuit of the type mentioned in particular for phase discriminators, but also for the sampling of the At3pLitude of voltages with any time course sharp, on the one hand an output signal with the highest possible spectral purity delivers and which, on the other hand, is also as quick as possible Sample-and-hold circuit for phase discriminators achieved according to the invention in that that to increase the signal-to-noise ratio of the output signal of the sampling ilalte circuit in relation to the reference voltage and the switching signal, the first and second switches are always switched through or blocked together and a third switch is provided, which is arranged in such a way and which by means of a to the switching signal complementary switching signal complementary in time to the first and second switch switched through or blocked in such a way that the holding capacitor is largely of the AC voltage components that pass the first switch in the blocked state is shielded, and that to reduce the settling time also the capacitance of the holding capacitor is small compared to the capacitance of a capacitor for the Generation of the sawtooth voltage is selected.
Eine vorteilhafte Ausgestaltungsform dieser Lösung besteht darin, daß der Kondensator für die Erzeugung der Sägezahnspannung mittels einer Konstantstromquelle geladen und über einen ihm parallel geschalteten vierten Schalter nach Maßgabe der Referenzapannung periodisch entladen wird.An advantageous embodiment of this solution consists in that the capacitor for the generation of the sawtooth voltage by means of a constant current source loaded and via a fourth switch connected in parallel to it in accordance with the Reference voltage is discharged periodically.
Eine besonders bevorzugte, weil für die Erhöhung des Störabstandes des Ausgangssignals bezüglich des Schaltsignals wichtige Ausgestaltungsform ist dadurch gegeben, daß der erste bis dritte Schalter sowie gegebenenfalls auch der vierte Schalter jeweils als komplementär aufgebauter C-MOS-Schalter mit einem p-Kanal- und einem n-Kanal-NOS-Transistor ausgebildet sind und daß der erste und zweite Schalter mit dem Schaltsignal, der dritte Schalter mit dem komplementären Schaltsignal und der vierte Schalter mit dem Referezuignal in der Weise beaufschlagt sind, dar der p-Kanal-und der n-Kanal-M0S-Transistor des Schalters jeweils gegenphasig angesteuert sind, wodurch sich am Schalterausgang die gegenphasigen Ansteuersignale gerade kompensieren Bei einer Abtast-lialte-Schaltung für die Abtastung der Amplitude von Spannungen mit beliebigem zeitlichen Verlauf wird die zugrundeliegende Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, da die abzutastende Spannung besagter Reihenschaltung aus erstem und zweitem Schalter zuführbar ist, daß der erste und zweite Schalter durch das Abtast-Schaltsignal stets gemeinsam gesperrt bzw. durchgeschaltet sind, wobei im letzteren Fall die gerade aktuelle Amplitude der abzutastenden Spannung in dem Halte-Kondensator,eingespeichertwird,daß zusätzlich ein dritter Schalter vorgesehen ist, der in der Weise angeordnet ist und der mit Hilfe eines zu dem Abtast-Schaltsignal komplementären Schaltsignals zeitlich komplementär gegenüber dem ersten und zweiten Schalter sperrbar bzw. durchschaltbar ist dergestalt, daß der Halte-Kondensator weitestgehend von den der ersten Schalter im gesperrten Zustand passierenden Wechselspannungskomponenten abgeschirmt ist, und daß die Kapazität des Halte-Kondensators möglichst klein gewählt ist.A particularly preferred one because it increases the signal-to-noise ratio of the output signal with respect to the switching signal is an important embodiment given by the first to third switches and, if applicable also the fourth switch as a complementary C-MOS switch a p-channel and an n-channel NOS transistor are formed and that the first and second switch with the switching signal, the third switch with the complementary one Switching signal and the fourth switch applied to the reference signal in the way are, the p-channel and the n-channel M0S transistor of the switch are each in phase opposition are controlled, whereby the anti-phase control signals at the switch output just compensate With a scanning lialte circuit for scanning the amplitude of tensions with any time course becomes the underlying task solved according to the invention in that the voltage to be sampled is said series circuit from the first and second switch can be supplied that the first and second switch are always blocked or switched through by the sampling switching signal, where in the latter case the current amplitude of the voltage to be sampled in the holding capacitor, that an additional third switch is stored is provided, which is arranged in such a way and which with the aid of a to the sampling switching signal complementary switching signal complementary in time to the first and second The switch can be blocked or switched through such that the holding capacitor largely from the alternating voltage components passing through the first switch in the blocked state is shielded, and that the capacitance of the holding capacitor is selected to be as small as possible is.
Für die Erhöhung des Störabstandes des Ausgangssignals bezüglich des Abtast-Schaltsignals ist eine Ausgestaltungsform von Bedeutung, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der erste bis dritte Schalter jeweils als komplementär aufgebauter C-MOS-Schalter mit einem p-Kanal- und einem n-Kanal-MOS-Transistor ausgebildet sind und daß der erste und zweite Schalter mit dem Abtast-Schaltsignal und der dritte Schalter mit den komplementären Schaltsignal in der Weise beaufschlagt sind, daß der p-Kanal- und der n-Kanal-MOS-Transistor des Schalters jeweils gegenphasig angesteuert werden dergestalt, daß sich am Schalterausgang die gegenphasigen Ansteuersignale gerade kompensieren.To increase the signal-to-noise ratio of the output signal with respect to the Sampling switching signal is an embodiment of importance, which is characterized by this is that the first to third switches are each constructed as a complementary C-MOS switch with a p-channel and an n-channel MOS transistor educated are and that the first and second switch with the sampling switching signal and the third Switches with the complementary switching signal are applied in such a way that the p-channel and n-channel MOS transistors of the switch are each driven in phase opposition are such that the antiphase control signals are at the switch output just compensate.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.A preferred embodiment of the invention is shown in the drawing and is explained in more detail below.
Fig. 2 zeigt einen bekannten Abtast-Halte-Phasendiskriminator 3, dem als Eingangssignale ein Referenzsignal So und ein Schaltsignal S2 gleicher Frequenz zuführbar sind und an Ausgang das Ausgangssignal Um abnehmbar ist. Der zeitliche Verlauf der Signale S1, S2 und Um ist in Fig. 3 als Spannungsverlauf U(t) über der Zeit t aufgetragen. Der Phasendiskriminator 3 weist als Schalter einen Feldeffekttransistor T auf, der von dem pulsförmigen Schaltsignal S2 (Abtastsignal) direkt gesteuert wird. Dem Schalter wird das sägezahnförmige Referenzsignal S1 zur Abtastung zugeführt. Dem Schalter T ist ein Halte-Kondensator CH nachgeschaltet, der mit dem jeweiligen Abtastwert beaufschlagt wird. Die Spannung am Halte-Kondensator C.f wird über einen als Spannungsfolger SF ausgebildeten Verstrker lait hohem Eingangswiderstand auf den Ausgang des Phasendiskrjminators 3 gegeben. Der Eingangswiderstand des Spannungsfolgers SF ist so groß gewählt, daß die Spannung am Halte-Kondensator CH zwischen den einzelnen Abfragen (Abtastungen) konstant bleibt (ein Ladungsentzug durch den Spannungsfolger hätte sonst zur Folge, daß iu Ausgangssignal eine Störspannung der Frequenz der beiden Eingangssignale erscheint). Betrachten wir nun den Fall, daß zwischen den Signalen S1 und S2 keine Phasendifferenz besteht. Bei der Darstellung in Fig. 3 würde dann der schmale Abfragepuls S2 mit dem Anfang des sägezahnförmigen Referenzsignals S1 zusammenfallen. Der Schalter T wird alsc ganz kurz zu einem Zeitpunkt durchgeschaltet, zu dem das Referenzsignal S1 gerade den Spannungswert Null hat. Der Halte-Kondensator CH speichert dann bis zur nächsten Abfrage den Abtastwert Null und gibt diesen über den Spannungsfolger SF auf den Ausgang weiter. Solange die Phasendifferenz NuLl bestehen bleibt, ergibt jede Abfrage den Wert Null, d. h. die Ausgangsspannung Un des Phasendiskriminators 3 ist dann gleich Null. Ändert sich die Phasendifferenz sprunghaft auf einer Wert ungleich Null, so wird bei den darauf folgenden Abfragen der Halte-Kondensator auf den dieser Phasendifferenz entsprechenden Spannungswert des Referenzsignals S, aufgeladen. Wie größ die Anzahl m der dazu notwendigen abfragen ist (vgl. Fig. 7), ht vcn der Pulsbreite des Schaltsidgnals S2, dem Innenwiderstand der Quelle des Referenzsignals S1 und von der Kapazität des Halte-Kondensator CH ab. Die Pulsbreite des Schaltsignals S2 ist möglichst klein gewählt, da während des Pulses des @gezahnformige Referenzsignal S1 auf den Ausgang des Phasendiskriminators 3 durcngeschaltet ist (Störspannung) . Der Abtast-Halte-Phasendiskriminator gemäß Fig.2 ist zwar - unter der Voraussetzung richtiger Dimensionierng der Schaltelemente -schnell, als großer Nachteil ist bei ihm Jedoch die Tatsache anzusehen, daß die beiden Eingangssignale S1 und S, a's Störsignal am Ausgang erscheinen, da ihre Ausgangsamplituden tezogen auf die Eingangsamplituden nur um bis zu 69 dB gedämpft sind. Einer Verbesserung der Dämpfung stehen im wesentlichen zwei Tatsachen entgegen. Zum einen ist es die Kapazität C des gesperrten Schalter-Transistors T und zum anderen eine Kapazität CS2 desselben Transistors, über die das Referenzsignal S1 und das Schaltsignal S2 auf den Halte-Kondensator CH gelangen.Fig. 2 shows a known sample-and-hold phase discriminator 3, the as input signals a reference signal So and a switching signal S2 of the same frequency can be fed in and the output signal Um can be removed at the output. The temporal The course of the signals S1, S2 and Um is shown in Fig. 3 as a voltage curve U (t) over the Time t plotted. The phase discriminator 3 has a field effect transistor as a switch T, which is controlled directly by the pulse-shaped switching signal S2 (scanning signal) will. The sawtooth-shaped reference signal S1 is fed to the switch for scanning. The switch T is followed by a holding capacitor CH, which is connected to the respective Sampling is applied. The voltage at the holding capacitor C.f is via a Amplifier designed as a voltage follower SF lait high input resistance given the output of the phase discriminator 3. The input resistance of the voltage follower SF is chosen to be so large that the voltage across the holding capacitor CH between the individual Queries (scans) remain constant (a charge withdrawal by the voltage follower Otherwise the result would be that the output signal would be an interference voltage of the frequency of the appears on both input signals). Let us now consider the case that between the There is no phase difference between signals S1 and S2. In the illustration in FIG. 3 would then be the narrow one Interrogation pulse S2 with the beginning of the sawtooth-shaped Reference signal S1 coincide. The switch T is called c very briefly at a time switched through, at which the reference signal S1 just has the voltage value zero. The holding capacitor CH then stores the sample value until the next interrogation Zero and passes this on to the output via the voltage follower SF. So long the phase difference NuLl remains, every query results in the value zero, i.e. H. the output voltage Un of the phase discriminator 3 is then equal to zero. Changes If the phase difference suddenly changes to a value not equal to zero, the subsequent interrogation of the holding capacitor on the one corresponding to this phase difference Voltage value of the reference signal S, charged. How large is the number m of this necessary interrogation is (see. Fig. 7), ht vcn the pulse width of the Schaltsidgnals S2, the internal resistance of the source of the reference signal S1 and the capacitance of the holding capacitor CH. The pulse width of the switching signal S2 is as small as possible selected because during the pulse of the @gezahnformige reference signal S1 on the output of the phase discriminator 3 is switched on (interference voltage). The sample-and-hold phase discriminator according to Figure 2 is true - provided that the switching elements are correctly dimensioned -fast, a major disadvantage with him, however, is the fact that the Both input signals S1 and S, a's interference signal appear at the output, as their output amplitudes based on the input amplitudes are only attenuated by up to 69 dB. An improvement the damping is essentially opposed to two facts. For one thing, it's that Capacitance C of the blocked switch transistor T and, on the other hand, a capacitance CS2 of the same transistor, via which the reference signal S1 and the switching signal S2 get to the holding capacitor CH.
Fig. 4 zeigt einen weiteren bekannten Abtast-Halte-Phasendiskriminator 3, der sich von demjenigen gemäß Fig. 2 dadurch unterscheidet, daß bei ihm zwei in Serie geschaltete Schalter in Form eines ersten und eines zweiten Feldeffekttransistors T1 und T2 vorgesehen sind, zwischen denen ein Zwischenspeicher -Kondensator Cz dem Halte-Kondensator CH parallel geschalten ist. Der erste Feldeffekttransistor T1 wird von dt Schaltsignal S2 direkt, der zweite Feldeffekttransistor einem Inverter I in der Weise angesteuert, da beide Schalter zu keinem Zeitpunkt zugleich durchgeschaltet sind, sie werden vielmehr abwechselnd durchgeschaltet bzw. gesperrt. Clt wird erreicht, daß das Eingangssignal S1 zu keinem Zeitpunkt direkt auf den Halte-Kondensator CH durchgeschaltet ist, wodurch der Störabstand der Ausgangspannung im Vergleich zum Störabstand des Phasendiskriminators gemäß Fig. 2 um etwa 20 dB angehoben wird. Die Kapazität C' bzw. C'' des jeweils gesperrten Feldeffekttransistors T1 bzw. T2 stört jedoch nach wie vor, weil über sie das Referenzsignal 5 auf den Halte-Kondensator CH und auf den Ausgang des Phasendiskriminators gelangt. Auch der störende Einfluß der Gate-Drain-Kapazität C''' des Feldeffekttransistors T2 bleibt bestehen, über den das invertierte Schaltsignal S2 auf den Halte-Kondensator CH überkoppelt Der Phasendiskriminator gemäß Fig. 4 weist zwar gegenüber dt.ijeni gen gemäß Fig. 2 den Vorteil der höheren Störungsunterdrückung auf, durch die Verwendung des Zwischenspeicher-Kondensators Cz ist er jedoch wesentlich langsamer als letzerer.Fig. 4 shows another known sample-and-hold phase discriminator 3, which differs from that of FIG. 2 in that it has two switches connected in series in the form of a first and a second Field effect transistors T1 and T2 are provided, between which a buffer -Capacitor Cz is connected in parallel to the holding capacitor CH. The first field effect transistor T1 is from dt switching signal S2 directly, the second field effect transistor to an inverter I controlled in such a way that both switches are never switched through at the same time rather, they are alternately switched through or blocked. Clt is achieved that the input signal S1 at no time directly on the holding capacitor CH is switched through, whereby the signal-to-noise ratio of the output voltage compared to the The signal-to-noise ratio of the phase discriminator according to FIG. 2 is increased by about 20 dB. The capacitance C 'or C' 'of the respective blocked field effect transistor T1 or T2 interferes, however, because it is the reference signal 5 on the holding capacitor CH and arrives at the output of the phase discriminator. Also the disturbing influence the gate-drain capacitance C '' 'of the field effect transistor T2 remains over which the inverted switching signal S2 is coupled to the holding capacitor CH Phase discriminator according to FIG. 4 has compared to dt.ijeni gene according to FIG the advantage of higher interference suppression through the use of the intermediate storage capacitor Cz, however, it is much slower than the latter.
Fig.5 zeigt einen erfindungsgemäßen Abstast-Halte-Phasendiskriminator 3, der in sich die Vorteile der beiden vorgenannten Phasendiskriminatoren unter Vermeidung ihrer Nachteile vereint.5 shows a sample-and-hold phase discriminator according to the invention 3, which has the advantages of the two aforementioned phase discriminators Avoiding their disadvantages united.
Er enthält eine Konstantstromquelle KS, die einen Kondensator C zur Erzeugung einer Sägezahnspannung u1 speist. Zur Erzeugung der Sägezahnspannung U1 wird der Kondensator C1 periodisch im Takt des Referenzsignals S1 über einen von dem Referenzsignal gesteuerten Schalter K4 entladen. Der zeitliche Zusammenhang zwischen der Sägezahnspannung U1 und dem Referenzaignal ist in den beiden oberen Diagrammen in Fig. 6 dargestellt.It contains a constant current source KS, which has a capacitor C to Generating a sawtooth voltage u1 feeds. To generate the sawtooth voltage U1 the capacitor C1 is periodically in time with the reference signal S1 via one of the reference signal controlled switch K4 discharged. The temporal connection between the sawtooth voltage U1 and the reference signal is in the upper two Diagrams shown in Fig. 6.
Referenzsignal Si und Sägezahnspannung U1 haben gleiche Periodendauer.Reference signal Si and sawtooth voltage U1 have the same period duration.
Der Anfang des Sägezahnpulses fallt immer mit einem Puls des Referenzsignals S1 zusammen. Wichtig ist, daß die - vie beim Phasendiskriminator nach Fig. 4 - in Reihe geschalteten Schalter K1 und K2 im Unterschied zur Anordnung nach Fig. 4 von dem Schaltsignal S2 stets gemeinsam durchgeschaltet und gesperrt werden und daß zwischen den beiden Schaltern K1 und K2 im Unterschied zur Anordnung gemäß Fig. 4 anstelle des Zwischenspeicher-Kondensators CZ ein Schalter K3 angeordnet ist, der von einem zu dem Schaltsignal S2 komplementären Schaltsignal S2 zeitlich komplementär zu den beiden Schaltern K1 und K2 durchgeschaltet und gesperrt wird, so daß die Schalter K1 und Ko jeweils gerade gesperrt sind, wenn der Schalter K3 durchgeschaltet ist, und umgekehrt, Das Schaltsignal S2 für die Schalter K und K2 und das komplementäre Schaltsignal 5 für den Schalter K sind in Fig. 6 im dritten bzw. vierten Diagramm von oben dargestellt. wie aus Fig. 6 hervorgeht, werden die Schalter K1 und Ko durch das Schaltsignal S2 zu einem Zeitpunkt, der der Phasendifferenz zwischen den Signalen St und S2 entspricht, kurzzeit durchgeschaltet, wobei dann der Schalter K3 gerade durch das komplementäre Schaltsignal S2 gesperrt ist, so daß in dem, der Pulsbreite des Schaltsignals S2 entsprechenden Zeitraum der Halte-Kondensator CH durch die Sägezahnspannung U1 1 auf den der jeweiligen Phasendifferenz entsprechenden Spannungswert aufgeladen wird und am Ausgang des Phasendiskriminators die dazugehörige Spannung U erscheint. Bei gesperrter Schalter m K1 undK2 ist der Schalter K3 jeweils gerade durchgeschaltet, wodurch der Halte-Kondensator CH weitestgehend von den den Schalter K1 im gesperrten Zustand passierenden Wechselspannungskomponenten abgeschirmt ist. Bei geeigneter Wahl des Kapazitätsverhältnissen C1/CH - die Kapazität des Halte-Kondensators CH sollte im Vergleich zu der Kapazität des Kondensators C1 für die Sägezahnerzeugung möglichst klein gewählt werden - und genügend kleiner Zeitkonstante der Schaltung bestehend aus der Summe der Durchlaßwiderstände der (durchgeschalteten) Schalter K1 und K2 und dem Halte-Kondensatcr CH wird der der aktuellen Phasendifferenz zukommenge Spannungswert Um praktisch bereits nach einer Abfrage erreicht.The beginning of the sawtooth pulse always coincides with a pulse of the reference signal S1 together. It is important that the - as in the phase discriminator according to FIG. 4 - in Series-connected switches K1 and K2 in contrast to the arrangement according to FIG. 4 of the switching signal S2 are always switched through and blocked together and that between the two switches K1 and K2 in contrast to the arrangement according to FIG. 4 a switch K3 is arranged instead of the intermediate storage capacitor CZ, that of a switching signal S2 complementary to the switching signal S2 is complementary in time to the two switches K1 and K2 is switched through and blocked so that the Switches K1 and Ko are each blocked when switch K3 is switched through is, and vice versa, the switching signal S2 for the switches K and K2 and the complementary Switching signal 5 for switch K are shown in FIG. 6 in the third and fourth diagram shown from above. as can be seen from Fig. 6, the switches K1 and Ko are through the switching signal S2 at a point in time which is the phase difference between the signals St and S2 corresponds, briefly switched through, in which case switch K3 is straight is blocked by the complementary switching signal S2, so that in that, the pulse width of the switching signal S2 corresponding period of the holding capacitor CH through the Sawtooth voltage U1 1 to the voltage value corresponding to the respective phase difference is charged and the associated voltage at the output of the phase discriminator U appears. When switches m K1 and K2 are blocked, switch K3 is straight switched through, whereby the holding capacitor CH largely from the the switch K1 is shielded in the blocked state passing AC voltage components. With a suitable choice of the capacitance ratio C1 / CH - the capacitance of the holding capacitor CH should be compared to the capacitance of capacitor C1 for sawtooth generation be chosen as small as possible - and sufficiently small time constant of the circuit consisting of the sum of the forward resistances of the (switched through) Switches K1 and K2 and the holding capacitor CH is that of the current phase difference received voltage value To practically already reached after a query.
Die Störkapazitäten CK1 und CK2 der gesperrten Schalter K1 und K2 wirken sich nicht mehr negativ aus, da dr dann durch geschaltete Schalter K3 die Übertragung der Sägezahnspannung U1 auf den Halte-Kondensator CH verhindert. Wirksam bleibt nur noch die Störkapazität CK12 der GesamtreihenschItung der (gesperrten) Schalter K1 und K2, deren Betrag allerdings so gering ist, daß sie nahezu ohne Einfluß auf den Störabstand bleibt Wichtig ist auch die Tatãache, daß ei r!n 1 s Schalter K1 bis K4 vozugsweise verwendeten C-MOS-Schaltern - auf die später in Verbindung mit Fig. 8 naher eingegangen kird -das Schaltsignal S2 (bzw. das komplementäre Schaltsignal S2 ) infolge der gegenphasigen Ansteuerung des p-Kanal-und des n-Kanal-MOS-Transistors des C-MOS-Schalters am Schalterarusgang nicht mehr erscheint. Mit der erfindungsgemäßen @@@t-Halte-Schaltung laßt sich eine Unterdrückung der Signale S (bzw. U1) und S2 von 90 dB erreichen. Auf eine sprunghafte Änderung der Phasendifferenz zwischen den Eingangssignalen und S2 folgt praktisch bereits nach einer Abfrage, d ?.The interference capacitances CK1 and CK2 of the blocked switches K1 and K2 no longer have a negative effect, because the switch K3 is switched on Transfer of the sawtooth voltage U1 to the holding capacitor CH is prevented. Effective all that remains is the interference capacitance CK12 of the entire series connection of the (blocked) Switches K1 and K2, the amount of which is so small that it has almost no effect on the signal-to-noise ratio remains important is the fact that a 1 s switch K1 to K4 preferably used C-MOS switches - to which later in connection 8, the switching signal S2 (or the complementary switching signal S2) as a result of the antiphase control of the p-channel and n-channel MOS transistors of the C-MOS switch at the switch gate no longer appears. With the invention @@@ t-hold circuit can be a suppression of the signals S (or U1) and S2 of 90 dB. To a sudden change in the phase difference between the input signals and S2 practically follows already after a query, d?.
nach einer Abtastung, der zugehörige Spannungswert Um am Ausgang des Phasendiskriminators.after a sampling, the associated voltage value Um at the output of the Phase discriminator.
Soll die erfindungsgemäße Abtast-Halte-Schaltung nicht bei einem Phasendiskriminator, sondern allgemein zum Zwecke der Abtastung der Amplitude von Spannungen mit beliebigem zeitlichem Verlauf Verwendung finden, so entfällt der auf die Erzeugung der Sägezahnspannung U1 gerichtete Teil der Anordnung und die abzutastende Spannung wird - anstelle der Sägezahnspannung U1 - direkt der fleihenschaltung der Schalter K1 und K2 zugeführt, wobei die Frequenz des Abtast-Schaltsignals S2 dann frei wählbar ist (beispielsweise entsprechend dem Abtast-Theorem).If the sample-and-hold circuit according to the invention is not intended for a phase discriminator, but generally for the purpose of sampling the amplitude of voltages with any are used over time, there is no need to generate the sawtooth voltage U1 directed part of the arrangement and the voltage to be sampled is - instead of the Sawtooth voltage U1 - fed directly to the circuit of switches K1 and K2, The frequency of the sampling switching signal S2 can then be freely selected (for example according to the sampling theorem).
Wie bereits erwähnt, wird bei der erfindungsgemäßen Abtast-Halte-Schaltung bei einer sprunghaften Änderung der Phasendifferenz zwischen den beiden Eingangssignalen S1 und S2 der zugehörige Spannungswert Um am Ausgang des Phasendiskriminators bereits praktisch nach einer Abfrage erreicht. In Fig. 7 ist das Verhältnis der Ausgangsspannung Um nach der m-ten Abfrage und der Ausgangsspannung U# nah unendlich vielen Abfragen dargestellt in Abhängigkeit von der Anzahl m der Abfragen Es ergibt sich eine asymptotische Annäherung von Um an U# mit steigendem m. Das Verhältnis Um/U# läßt sich in seiner Abhängigkeit von der Zahl m durch folgende Formel zur Ausdruck bringen: wobei C@ die Kapazität des Halte-Kondensators und C1 die Kapazitat des Kondensators fcr die Sägezahnerzeugung sind. Her Formel läßt sich entnehmen, daß der (näherungsweise) richtige Wert der Ausgangsspannung Um um so schneller, d. h. mit um für so weniger Abfragen, erreicht wird, je kleiner die Kapazität des Halte-Kondensators gegenüber derjenigen des Kondensators für die Sägezahnerzeugung gewählt ist.As already mentioned, in the sample-and-hold circuit according to the invention, in the event of a sudden change in the phase difference between the two input signals S1 and S2, the associated voltage value Um at the output of the phase discriminator is practically reached after a query. 7 shows the ratio of the output voltage Um after the m-th query and the output voltage U # near an infinite number of queries as a function of the number m of queries. There is an asymptotic approximation of Um to U # with increasing m The ratio Um / U # can be expressed as a function of the number m by the following formula: where C @ is the capacitance of the holding capacitor and C1 is the capacitance of the capacitor for sawtooth generation. Her formula shows that the (approximately) correct value of the output voltage Um is reached faster, ie with um for fewer queries, the smaller the capacitance of the holding capacitor is selected compared to that of the capacitor for sawtooth generation.
Fig. 8 zeigt ein Beispiel ür einen als Schalter K1 i K4 vorzugsweise verwendeten C-MOS-Schalter mit einem Eingang E, einem Ausgang A und einem Eingang S für das Schaltsignal Der Schalter weist einen p-Kanal- und einen n-Kanal-MOS-Transistor auf. Der n-Kanal-MOS-Transistor wird von dem Schaltsignal direkt angesteuert, während der p-Kanal-MOS-Transistor von dem mittels eines Inverters I invertierten Schaltsignal, d. h. gegenphasig zu dem n-Kanal-MOS-Transistor, geschaltet wird. Infolgedessen löschen sich die über die Kapazitäten C und C der Transistop n ren überkoppelnden Spannungen (Schaltsignal und invertiertes Schaltsignal) gerade gegenseitig aus, so daß das Schaltsignal S am Ausgang A des Schalters nicht erscheint.Fig. 8 shows an example of one preferably used as a switch K1 i K4 used C-MOS switch with an input E, an output A and an input S for the switching signal The switch has a p-channel and an n-channel MOS transistor on. The n-channel MOS transistor is driven directly by the switching signal while the p-channel MOS transistor from the switching signal inverted by means of an inverter I, d. H. in phase opposition to the n-channel MOS transistor. Consequently delete the overcoupling over the capacities C and C of the transistor stops Voltages (switching signal and inverted switching signal) are mutually exclusive, so that the switching signal S does not appear at the output A of the switch.
LeeseiteLeeward
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Also Published As
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