DE2812377A1

DE2812377A1 - Phasengeregelter oszillator

Info

Publication number: DE2812377A1
Application number: DE19782812377
Authority: DE
Inventors: Baldur Dipl Ing Stummer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1978-03-21
Filing date: 1978-03-21
Publication date: 1979-09-27
Also published as: DE2812377C2

Description

PhasenRereRelter- Oszillator
Die Erfindung betrifft einen phasengeregelten Oszillator mit einem Phasendiskriminator, einem Schleifenfilter, bestehend aus mindestens einem ohmschen Widerstand und einem Kondensator und einem spannungsgesteuerten Oszillator.
Phasengeregelte Oszillatoren - kurz PLL-Schaltungen genannt - werden meist dazu eingesetzt, um aus Frequenzgemischen diskrete Frequenzen zu selektieren. Typische Anwendungsfälle sind z.B. die Taktgewinnung aus digitalen Datenströmen in Digitalsignal-Empfangssystemen und Regeneratoren bzw. in FDM-Systemen die Erzeugung von Trägerfrequenzen, die zu einer Steuerfrequenz in einer festen Beziehung stehen.
In den meisten Fallen ist eine hohe Selektion der PLL-Schaltungen erwünscht, d.h. es besteht die Forde- rung, daß der gesteuerte Oszillator (VCO) der PLL-Schaltung im gerasteten Zustand mit der Frequenz der auszusiebenden Signalkomponente schwingt und von Störkomponenten in deren Umgebung möglichst wenig phasenmoduliert wird.
Realisiert man jedoch eine schmalbandige PLL-Schaltung (entspricht einem Kreis hoher Güte), so ergibt sich zwangsläufig ein schmaler Fangbereich, d.h. die Ablage der auszusiebenden Frequenz von der Frequenz des VCO darf nur sehr klein sein damit die PLL-Schaltung einrasten kann. In der Praxis bedeutet dies, daß ohne Sondermaßnahmen eine PLL-Schaltung wegen des Fangproblems nur so schmalbandig ausgelegt werden kann wie von der Summe der Inkonstanzen von Referenzfrequenz und VCO-Frequenz vorgegeben wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine phasengeregelte Oszillatorschaltung zu schaffen, die bei kleinem Schaltungsaufwand das Fangen von schmalbandigen Phasenregelschleifen in einem breiten Frequenzbereich ermöglicht.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird der phasengeregelte Oszillator derart ausgebildet, daß am Ausgang des Schleifenfilters ein Schmitt-Trigger angeschaltet ist, dessen Ausgang über einen ohmschen Gegenkopplungswiderstand mit dem Verbindungspunkt von dem einen ohmschem Widerstand und dem einen Kondensator des Schleifenfilters verbunden ist.
Durch diese Maßnahmen erhält man zusätzlich zur normalen phasengeregelten Oszillatorschaltung und unter Ausnützung des Filterkondensators des Schleifenfilters eine Suchlaufschaltung, bei der der Suchlauf automatisch beendet wird, wenn der spannungsgesteuerte Oszillator in den Fangbereich gelangt. Der zusätzliche Aufwand ist sehr klein, die Schaltung selbst voll integrierbar ohne daß zusätzliche Anschlußkontakte oder externe Bauteile verwendet werden müssen.
Vorteilhafterweise kann dabei der Schmitt-Trigger aus einem über ohmsche Widerstände rückgekoppelten Operationsverstärker bestehen.
Will man eine definierte Phasenbezeichnung im gerasteten Zustand erreichen, kann der phasengeregelte Oszillator auch so ausgebildet sein, daß parallel zum Gegenkopplungswiderstand die Reihenschaltung eines ohmschen Widerstandes und einer Diode liegt. Dann kann die Rastung nur während des einen (positiven) Suchlaufs erfolgen.
Das Schleifenfilter kann dabei sowohl aus einem aktiven als auch einem passiven Filter bestehen. Anhand der Ausführungsbeispiele nach den Fig. 1 und 2 wird die Erfindung näher erläutert.
Die Figur 1 zeigt dabei einen phasengeregelten Oszillator mit einem aktiven Schleifenfilter.
Die Fig. 2 einen phasengeregelten Oszillator mit einem passiven Schleifenfilter.
Da die Wirkungsweise in beiden Anordnungen gleich ist, gilt die anschließende Beschreibung für beide Figuren.
Die konventionelle PLL-Schaltung besteht aus dem Phasendiskriminator PD, dem Schleifenfilter R1, R2, C und evtl.
Cl, sowie dem spannungsgesteerten Oszillator VCO.
Das Phasenübertragungsverhalten sowie die Fangeigenschaften dieser PLL-Schaltungen sei als bekannt vorausgesetzt, erwähnt sei noch, daß der statische Phasenfehler - der sich aus einer Abweichung der VCO-Ruhefrequenz von der Eingangsfrequenz ergäbe - durch Einführung des Kondensators C um die Leerlaufverstärkung des Verstärkers V in Schaltung a., bzw. um das Verhältnis R1 + R2 in Schaltung b., reduziert wird.
R2 Dies ergibt sich aus der für die Frequenz Null entsprechend höheren Gegenkopplung der Schleife gegenüber dem Fall der PLL-Schaltung erster Ordnung, wo der Kondensator durch einen Kurzschluß ersetzt wäre. Um Uberhöhungen im Phasenübertragungsmaß klein zu halten, muß hier allerdings die Grenzfrequenz der-Kombination R2C entsprechend weit unter der dynamischen Grenzfrequenz der PLL-Schaltung gehalten werden, die sich aus der Steilheit des Phasendiskriminators und des VCO sowie dem Spannungsübertragungsmaß des Schleifenfilters ergibt.
Die Schaltung nach der Erfindung, die das sichere Einrasten gewährleistet, besteht aus dem Komparator K, der über den Widerstand R5 auf den Widerstand R4 rUckgekoppelt sowie über den Widerstand R3 (bzw. auch D) integrierend mit Hilfe des Schleifenfilterkondensators C gegengekoppelt ist. Die Schaltungsanordnung wirkt als Schmitt-Trigger, der Ausgang schaltet also bei Uberschreiten der einen, bzw. Unterschreiten der anderen Eingangsschwelle in den jeweils anderen Ausgangszustand um. Im Eingangsspannungsbereich zwischen den beiden Schwellen (Hysterese), der durch die Dimensionierung der Rückkopplungswiderstände R4 und R5 vorgegeben ist, bleibt der Jeweils vorhergehende Schaltzustand erhalten. Aufgrund dieses Schaltzustandes wird über die Gegenkopplung R3 (bzw. die Diode D) der Kondensator C so umgeladen, daß sich die Eingangsspannung des Komparators rampenförmig gegen diejenige Schaltschwelle bewegt, deren Überschreitung zu einer Umschaltung in den jeweils anderen Zustand führt. Die Eingangsspannung des Komparators und damit also die Steuerspannung des VCO ist demnach eine Dreieckfunktion (bzw. eine Sägezahnfunktion bei Einsatz der Diode D), die zwischen den beiden Schwellspannungen im Hysteresebereich hin und her läuft. Damit wrd die VCO-Ausgangsfrequenz über den erforderlichen Inkonstanzbereich hin und her gewobbelt. Dies gilt jedenfalls, solange die Phasendiskriminatorausgangsspannung in ihrem Mittelwert so klein ist, daß der über R1 fließende Strom nicht ausreicht, den Strom über R3 (bzw. D) zu kompensieren.
Der Suchlauf funktioniert also sicher, solange die VCO-Frequenz noch nicht in den Fangbereich gelaufen ist und der Strom'über R3 größer ist als der Strom, der aufgrund des Phasendiskriminatoroffsets über R1 dem Kondensator C zufließt. Kommt die VCO-Frequenz in den Fangbereich, so rastet die PLL ein und es stellt sich der Synchronzustand bei einem Winkel am Phasendiskriminator ein, bei dem der konstante Strom über R3 gerade kompensiert wird. Dieser Fehlwinkel ist demnach systematisch und konstant und liegt bei optimaler Dimensionierung gerade über dem Wert des maximal zu erwartenden Offsetwinkels des Phasendiskriminators. Würde die Diode D nicht beschaltet, so würde dieser Fehlwinkel im gerasteten Zustand positiv oder negativ sein, abhängig davon, ob das Einrasten während der positiven oder negativen Rampe des VCO-Suchlaufs erfolgte.
Für Anwendungsfälle, bei denen der Winkel, bei dem die PLL-Schaltung arbeitet nicht von Bedeutung ist (z.B. Frequenzsynthese und dgl.), kann also auf die Diode verzichtet werden. In Fällen, wo diese Voraussetzung nicht gegeben ist (z.B. bei Taktgewinnung von PCM-Empfängern oder Regeneratoren), sorgt die Diode dafür, daß während der steilen Rücklauframpe die PLL-Schaltung nicht rasten kann, weil dann der maximal mögliche Ausgangsstrom aus dem Phasendiskriminator den Strom über D nicht kompensieren kann. Ein Einrasten ist demnach nur in der langsamen Hinlaufphase möglich, der Phasenfehlwinkel ist in seinem Vorzeichen sowie in seinem Betrag fest vorgegeben und kann damit fest berücksichtigt werden, beispielsweise durch einen Phasenschieber am VCO-Ausgang.
4 Patentansprüche 2 Figuren

Claims

Patentansprüche Phasengeregelter Oszillator mit einem Phasendiskriminator, einem Schleifenfilter, bestehend aus mindestens einem ohmschen Widerstand und einem Kondensator und einem spannungsgesteuerten Oszillator, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß am Ausgang des Schleifenfilters (F) ein Schmitt-Trigger (T) angeschaltet ist, dessen Ausgang über einen ohmschen Gegenkopplungswiderstand (R3) mit dem Verbindungspunkt von dem einen ohmschen Widerstand (R2) und dem einen Kondensator (C) des Schleifenfilters (F) verbunden ist.
2. Phasengeregelter Oszillator nach Anspruch 1 d a d u r c h g e k e n n-z e i c h n e t , daß der Schmitt-Trigger (T) aus einem über ohmsche Widerstände (R4, R5) rückgekoppelten Operationsverstärker (K) besteht.
3. Phasengeregelter Oszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß parallel zum Gegenkopplungswiderstand (R3) die Reihenschaltung eines ohmschen Widerstandes und einer Diode (D) liegt.
4. Phasengeregelter Oszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß das Schleifenfilter aus einem aktiven Filter besteht, insbesondere einem über eine RC-Schaltung gegengekoppelten weiteren Operationsverstärker (V).