DE2939021C2

DE2939021C2 - Verfahren zum digitalen Vervielfachen einer Signal-Frequenz

Info

Publication number: DE2939021C2
Application number: DE2939021A
Authority: DE
Inventors: Mark Layne Mesa Ariz. Shaw
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1978-09-28
Filing date: 1979-09-26
Publication date: 1984-06-20
Also published as: MY8600718A; FR2437742B1; DE2939021A1; GB2030745B; JPS5545294A; FR2437742A1; GB2030745A; US4224574A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren /.um Vervielfachen der Frequenz eines Signales nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

F.in solches Verfahren ist aus der US-PS 39 93 957 bekannt. Dort wird das Eingangssignal zuerst durch einen l'requen/dividierer geschickt und anschließend mittels einer Verzögerungsleitung verzögert. Das Aiisgangstaktsignal muß großer sein als das Eingangssignal, was eine Instabilität des Fi equenz.vcrvielfachers zufolge hat, wenn die Frequenz ties Eingangssignal auf die Frequenz eines gewünschten Ausgangstaktsignales zunimmt.

Aus der US-PS 37 43 946 ist ein Verfahren zum Erzeugen wahlweise phasenverschobener Ausgangssigna-Ie aus einem Eingangssigna! bekannt, bei dem die Phasenverschiebung unabhängig von der Frequenz des Eingangssignales sein soll. Dabei werden ein Bezugssignal, das in der Amplitude und der Frequenz von dem Eingangssignal abhängt, und ein Vergleichssignal miteinander verglichen, das sich in vorbestimmter Weise für eine von der Frequenz des Eingangssignales abhängige Zeitdauer verändert Das Ausgangssignal wird abhängig von dem Vergieichsergebnis erzeugt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugründe, das gattungsgemäße Verfahren derart weiterzubilden, daß sowohl das Auflösungsvermögen als auch der Frequenzbereich verbessert werden und zugleich gewährleistet ist, daß beim Überschreiten der maximal zulässigen Frequenz keine Störung auftreten kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung im ein>.elnen beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein Logikdiagramm einer bevorzugten Schaltung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

F i g. 2 eine schematische Darstellung der Verzögerungsschaltungen nach der F i g. 1 und

F i g. 3 ein Zeitdiagramm der Logikschaltung gemäß Fig. 1.

Gemäß Fig. 1 wird ein Eingangssignal 8, welches einen breiten Frequenzbereich aufweist, einem Puffer 10 zugeführt, dessen Ausgangssignal eine Reihe oder eine

J5 Kette von Verzögerungselementen 12, 14, 16,18, 20, 22 und 24 vom D-Typ speist. Der Aufbau der Verzögerungselcmcnte 12 bis 24 ist in der Fig. 2 schematisch dargestellt. Gemäß der Darstellung in der F i g. 2 hat ein Inverter 83 vorzugsweise einen geringeren Verstärkungslaktor als ein Inverter 8O._Sobald der Eingang L hochgelegt ist und der Eingang L tiefgelegt ist, erscheint der Pegel des Eingangs D am Ausgang Q in invertierter Form. We:.n der Status der Eingangssignale L und L umgekehrt oder invertiert ist, wird der Status des Eingangs D zu der Zeit des Übergangs am Ausgang Q invertiert beibehalten. Die Eingänge L und L werden durch ein Taktsignal an der Eingangsklemme 26 getrieben, welche seine Frequenz Faufweist. Der Inverter 28 wird dazu verwendet, ein Taktsignal zu erzeugen, wel-

V) chcs außer Phase ist. Bei den Stufen der Verzögerungsclemente 12 bis 24 wird abwechselnd der Dateneingang D bei alternierenden Phasen des Taktsignals 26 aktiviert. Die daraus resultierenden Wellenformen für die Verzögerungskette 12 bis 24 sind in der Fig. 3 dargestellt. Die mit einem Strich oder Apostroph versehenen Bezugszahlen im linken Teil der F i g. 3 entsprechen den nicht mit einem Strich oder Apostroph versehenen Bezugs/ahlen in der Fig. 1, d.h. die Bezugszahl 30' im linken Teil der Fig. ) zeigt an, daß die Wellenform im

bo rechten Teil neben dieser Bezugszahl derjenigen Wellenform entspricht, welche am Schaltungspunkt 30 in der F i g. 1 zu erwarten ist. Ein exklusives NOR-Glied 54 wird von den Punkten 32 und 34 der Vcr/ögcrungskelte gespeist, d. h. jeweils von dein Ausgang Q des D-Flip-

b=, Flops 14 bzw. 16. Ein exklusives NOR-Glied 56 v. ird von den Schallungspunktcn 36 bzw. 38 gespeist, d. h. leweils von dein Ausgang C* des D-Flip-F^:!ops 18 bzw. 20. Ein exklusives NOR-Glied 58 wird von den Schaltungs-

punkten 40 und 42 gespeist, d. h. jeweils von dem Ausgang Q des D-Flip-Flops 22 bzw. 24. Der Ausgang 44 des exklusiven NOR-Gliedes 54 ist über einen Puffer 62 mii dem Eingang L des D-Flip-flops 60 verbunden. Der Ausgang 44 des exklusiven NOR-Gliedes 54 ist auch mit dem Eingang L des D-Flip-Flops 60 und mit einem der Eingänge des NOR-Gliedes 70 verbunder.. Das NOR-Glied 64 wird von den Ausgängen 46 und 48 des exklusiven NOR-Gliedes 56 bzw. 58 gespeist Der Ausgang 46 des exklusiven NOR-Gliedes 56 ist auch mit einem der Eingänge des NAND-Gliedes 66 verbunden. Der Ausgang des NOR-Gliedes 64 ist auch mit dem Eingang D des D-Flip-Flops 60 verbunden. Der Ausgang Q des D-Flip-Flops 60 wird über eine Verbindung 50 mit einem weiteren Eingang des NAND-Gliedes 66 verbunden. Der Ausgang des NAND-Gliedes 66 ist mit einem Inverter 68 verbunden. Der Ausgang des Inverters 68 ist mit einem anderen der Eingänge des NOR-Gliedes 70 verbunden. Der Ausgang des NOR-Gliedes 58 ist mit einem weiteren Eingang des NOR-Gliedes 70 verbunden. Das Ausgangssignal des NOR-Gliedes 70 wird durch den Inverter 72 invertiert, und dieses invertierte Signal erscheint an der Signalausgangsklemme 52. Damit ist die Schaltung nach der F i g. 1 vollständig beschrieben.

Die Arbeitsweise der Schaltung nach der F i g. 1 läßt sich am besten in Verbindung mit der F i g. 3 erläutern. Es ist zu bemerken, daß die Wellenformen der F i g. 3 die Arbeitsweise der Schaltung nach der Fi g. 1 über einen Frequenzbereich veranschaulichen, der jeweils im oberen Bereich der Figur angegeben ist. Die Signaifrequenz 8' entspricht sechs Zyklen des Taktsignals 26', und dieser Bereich ist in der Fig.3 durch eine geschweifte Klammer markiert und mit 1/6/ beschriftet. In dem ebenfalls mit einer Klammer bezeichneten Bereich, der mit 1/5/ beschriftet ist, tritt ein vollständiger Zyklus des Signals 8' auf, während fünf Zyklen des Taktsignals 26' in diesen Bereich fallen. Ähnliche Beziehungen sind in den jeweils mit einer Klammer bezeichneten Bereichen 1/4/und l/2/"und schließlich /in der F i g. 3 dargestellt. Obwohl die F i g. 3 eine Übereinstimmung zwischen der Vorderflanke des Signals 8' und des Taktsignals 26' zeigt, und zwar über den größten Teil der Wellenform, ist dies nicht immer der Fall. Die erste D-Verriegelung 12 wird dazu verwendet, dem Eingangssignal 8' in der Weise Rechnung zu tragen, daß es in einem der beiden Binärzustände ist. Beispielsweise sind in dem durch die Klammer bezeichneten Bereich, der mit /"bezeichnet ist, die zwei Signale außer Phase. Dieser Zustand kann an einer beliebigen Stelle auftreten, weil die Phasenbeziehung zwischen dem Taktsignal und dem Eingangssignal nicht synchronisiert ist. Die in der F i g. 3 mit 30', 32',34', 36', 38', 40' und 42' bezeichneten Signale stellen jeweils die Signale an den Punkten 30,32,34,36,38,40 und 42 im Schaltungsdiagramm der F i g. 1 dar. Dies sind d'e Ausgangssignale von den Verriegelungen 12,14,16,18, 20, 22 und 24. Das exklusive NOR-Glied 54 vergleicht die Signale 32' und 34', und da? Ausgangssignal 42' stellt eine Koinzidenz zwischen den Eingangssignaien 32' und 34' dar. Wenn die Signale 32' und 34' identisch sind, d. h., beide Signale sind entweder hochgelegt oder tiefgelegt, dann ist das Signal 44' gemäß der Darstellung hochgelegt. Wenn die Signale 32' und 34' unterschiedlich sind, d. h., das eine ist hochgelegt und das andere ist ticfgelegt, dann i-;t das Signal 44' tiefgelegt. In ähnlicher Weise stellt das Signal 46'. welches am Ausgang 46 des exklusiven NOR-Gliedes 56 erzeugt wird, die Koinzidenz der FJneanessienale 36' und 38' für das exklusive NOR-Glied 56 dar. Wenn die Signale 36' und 38' beide entweder hochgelegt oder tiefgclegt sind, ist das Ausgangssignal 46' hochgelegt. Wenn die Signale 36' und 38' unterschiedlich sind, d. h., das eine ist hochgelegt und das andere ist ticfgelegt, dann ist das Signal 46' tiefgelegt. Das Signnl 48' stellt das Signal am Ausgang 48 des exklusiven NOR-Gliedes 58 dar (siehe Fig. 1). Wenn die Eingangssignale 40' und 42' des exklusiven NOR-Gliedes 58 beide zugleich entweder hochgelegt oder tiefge-

lü legt sind, ist das Signal 48' am Ausgnag 48 nochgclegt. Wenn die Signale 40' und 42' unterschiedlich sind. d. h. wenn das eine Signal hochgelegt ist und das andere Signal tiefgelegt ist, ist das Ausgangssignal 48' des exklusiven NOR-Gliedes 58 gemäß der Darstellung liefgelegt.

Die F i g. 2 zeigt schematisch eines der Verzögerungselemenl·? 12,16,18,20 oder 24. Die Eigenschaften eines solchen Elementes sind folgende:
Wenn der Eingang L hochgelegt ist, dann ist der Ausgang Q gleich D. Wenn der Eingang L tiefgelegt ist, dann ist der Ausgang ζ)gleich dem letzten D zu derjenigen Zeit, zu welcher der Übergang von L von einem hochgelegten zu einem tiefgelegten Signal erfolgt. Somit gilt: (JfolgtD, so lange L hochgelegt ist, und Q wird auf den Pegel D verzögert, wenn L vom hochgelegten in den tiefgelegten Zustand übergeht.

Aus der F i g. 3 ist auch ersichtlich, daß das Ausgangssignal 52' hochgelegt ist, wenn das Signal 44' oder das Signal 48' hochgelegt ist, so lange die Eingangssignalfrequenz 1/6/oder weniger beträgt. Dadurch wird ein Ausgangssignal 52' mit vier Ausgangsimpulsen für jeden vollen Zyklus des Eingangssignals 8' geliefert, wie aus der Fig.3 ersichtlich ist, und zwar in dem als Zyklus 1 markierten Bereich. Diese Ausgangsimpulse erscheinen, wenn die exklusiven NOR-Glieder 54 und 58 (Fig. 1) eine Koinzidenz zwischen den Signalen 32', 34' und 40', 42'jeweils ermitteln.

Wenn die Eingangsfrequenz 8' auf 1/5/ansteigt (siehe Fi g. 3, Zyklus 2), wird der erste Ausgangsimpuls durch die Koinzidenz der Signale 32' und 34' erzeugt, wie im Falle von 1/6/! Der zweite Ausgangsinipuls wird durch das exklusive NOR-Glied 54 erzeugt (F i g. 1) und ist mit dem entsprechenden Impuls des Signals 44' koinzident, wie es bei dem Bereich im Zyklus 1 der Fall war (1/6/J.

Der zweite Ausgangsimpuls ist auch mit dem Signal 48' konzident. Der dritte Ausgangsinipuls im Zyklus 2 wird durch das exklusive NOR-Glied 56 erzeugt und ist mit dem entsprechenden Impuls des Signals 46' koinzident. Dieser dritte Impuls wird eingefügt, weil das Ausgangssignal des D-Flip-Flops 60 hochgelegt ist. Der vierte Ausgangsimpuls im Zyklus 2 wird wiederum durch das exklusive NOR-Glied 58 erzeugt und ist mit dem entsprechenden Impuls des Signals 48' koinzident.

Wenn die Frequenz des Eingangssignals 3' auf 1/4/ und l/2/"anstcigt, ist ersichtlich, daß das Ausgangssignal 52' schließlich in die Sättigung gerät und durch die Taktfrequenz 26' wie es im rechten Teil von 52' im Bereich der Zyklen 3 und 4 veranschaulicht ist. Wenn die Taktfrequenz so gewählt wird, daß sie die

bo erwartete maximale Eingangsfrequenz um einen Faktor von wenigstens vier zu eins überschreitet, treten die Ausgangssignalimpulse vier mal für jeden vollen Eingangssignalzyklus auf. Wenn die Eingangsfrequenz das Verhältnis eins /u vier der Taktsignalfrequenz über-

b5 steigt, geraien die Ausgangsimpulse mit der Folgefrequenz des Taktsignals in die Sättigung. Dies bedeutet, daß die Frequenz der Ausgangsimpulse auf den vierfachen Wert der Linganssfrequenz ansteigt, jedoch durch

die Taktimpulsfrequen/ begrenzt wird. Dies bedeutet somit, daß in der Beziehung zwischen der Frequenz der Eingangssignale und der Ausgangssignale keine vollständige Irregularität auftreten kann, sondern, dall die Ausgangsimpulse mit der vierlachen Frequenz des Ein- ^r> gangssignals zunehmen, bis sie bei einer konstanten Frequenz in die Sättigung kommen, welche gleich der Taktimpulsfrequen/. ist.

Wenn die Erfindung in einem System verwendet wird, welches dazu dient, ein Signal zu ermitteln, welches einer Fahrzeuggeschwindigkeit proportional ist, beginnt die Ausgangsfrequenz mit einer Begrenzung oder einer Sättigung, wenn das Eingangssignal eine Frequenz ereicht, welche einem Viertel der Taktfrequenz entspricht, wie es im Bereich der Zyklen 3 und 4 in der ΐί Fig. 3 veranschaulicht ist. Zwischen V₄ und V₂ eier Bezugstaktfrequenz tritt im System eine Sättigung auf, und das Ausgangssignal bleibt konstant auf dieser Frequenz: Wenn die Frequenz des Eingangssignal 'Λ der Bezugsfrequenz für das Taktsignal überschreitet, kann das Ausgangssigriai schließlich instabil werden. Dieser Zustand läßt sich jedoch einfach dadurch vermeiden, daß ein Taktsignal geliefert wird, welches wenigstens die doppelte Frequenz der höchsten erwartbaren Frequenz des Eingangssignals aufweist, und eine vollständige Linearitat zwischen dem Ausgangssignal und dem Eingangssignal kann dadurch erreicht werden, daß die Taktfrequenz derart gewählt wird, daß sie wenigstens den vierfachen Wert der höchsten erwartbaren Frequenz des Eingangssignals entspricht. jo

Das Pulstastverhältnis des Eingangssignals ist nur in der Weise begrenzt, daß der hohe oder der niedrige Anteil des Eingangssignals keine geringere Dauer haben kann: als die Periode eines Bezugstaktzyklus. Die Eingangssignalfrcquenz, bei welcher das Ausgangssi- v> gnal bzw. die Frequenz des Ausgangssignals in die Sättigung gerät, ist größer als die entsprechende Eingangsfrequenz, und zwar bei einer nicht kompensierten Version eines Vervierfachers, bei einem Flankcnabtastsystem. Bei einem nicht kompensierten System kann das Ausgangssignal vollständig zusammenbrechen, d. h. es kann auf null abfallen. Bei einem Geschwindigkeitssteuersystem in einem Fahrzeug ist es wesentlich, ein Versagen des Ausgangssignals zu verhindern oder eine Frequenzumkehr innerhalb des erwartbaren Betriebsbe- 4^r> reichs, weil dies zu einem unter Umständen sogar gefährlichen Betrieb des Fahrzeuges führen kann. Gemäß der Erfindung ist es möglich, die Bezugstaktfrequenz ausreichend hoch zu wählen, so daß ein Versagen des Vervielfachers nur außerhalb des normalen Betriebsbereichs des Systems auftreten kann. Der Bereich des Systems wird dadurch ausgedehnt, daß eine Signaikoinzidenz ermittelt wird, welche ein Versagen des Ausgangssignals in einem herkömmlichen System verursachen würde, bei welchem eine Flankenabtastung verwendet wird. Eine solche Ermittlung eines möglichen Fehlers oder eines möglichen Ver.sagens löst das Einfügen eines zusätzlichen Impulses oder zusätzlicher Impulse aus, um das gewünschte feste Verhältnis zwischen den Ausgangsimpulsen für jeden Eingangsimpulszyklus über t>0 den gewünschten Betriebsbereich aufrechtzuerhalten, so daß dadurch durch eine Ausdehnung des Bereichs eine Störung vermieden werden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Vervielfachen der Frequenz eines Signales,

bei dem ein ankommendes Signal erfaßt wird,
bei dem das ankommende Signal verzögert wird, um eine Vielzahl verzögerter Signale zu erzeugen, und bei dem eine Koinzidenz zwischen wenigstens zwei der verzögerten Signale erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet,

daß das ankommende Signal in einer Vielzahl von reihengeschalteten, taktgesteuerten Verzögerungselementen verzögert wird, um die Vielzahl der verzögerten Signale zu erzeugen,
daß eine Vielzahl von Impulsen erzeugt wird, wenn die Koinzidenz zwischen bestimmten verzögerten Signalen fesigestellt wird,

daß ein eine vorbestimmte Beziehung der Vielzahl der Impulse anzeigendes Zwischensignal erzeugt wird,

daß abhängig von der Erfassung der festgestellten Koinzidenz und dem Zwischensignal ein Ausgangssignal erzeugt wird, in der Weise,
daß das Ausgangssignal eine Frequenz hat, die kleiner, höchstens gleich der Taktfrequenz ist.

2. Verfahren zur Verbesserung des Auflösungsvermögens und des Bereichs eines Frequenzzähler, dem ein Eingangssignal zugeführt wird, wobei das Eingangssignal in seiner Frequenz über einen bestimmten Frequenzbereich verändert werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bezugstaktsignal erzeugt wird, welches eine Frequenz aufweist, die höher ist als die höchste Frequenz innerhalb des Bereichs der Frequenzen des Eingangssignals, daß das Eingangssignal in ein Binärsignal mit zwei möglichen Zuständen umgeformt wird, daß das umgeformte Eingangssignal mit Hilfe einer Mehrzahl von Verzögerungseinrichtungen (12, 14, J6, 18, 20, 22, 24) verzögert wird, daß eine Koinzidenz der Binärzustände einer Mehrzahl von Paaren von Ausgangssignalen der Verzögerungseinrichtungen und des Taktimpulses ermittelt wird und daß eine Mehrzahl von Impulsen erzeugt wird, und zwar in Reaktion auf die Koinzidenzabtastung.

3. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Abtastschritt in Reaktion auf vier der Verzögerungseinrichtungen erfolgt und daß jede der Verzögerungscinrichtungen eine serielle Verzögerung liefert, die gleich einer Taktfrcqucn/.pcriode ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungseinrichtungen Verriegelungseinrichtungcn sind.