DE3006632C2 - - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Phasenregelkreis nach der Gattung des Hauptanspruchs. Solche Phasenregel­ kreise sind im Prinzip Regelsysteme, bei denen die Regelgröße, die den Regelvorgang bestimmt, aus der Phasenlage eines Signals besteht. Eine Einsatzmöglich­ keit ist z. B. eine Frequenzvervielfachung (Interpolation von Zwischenimpulsen), bei der ein Rückkopplungszweig des Phasenregelkreises eine Frequenzuntersetzung in Höhe des Vervielfachungsfaktors angeordnet ist. In den Zeit­ schriften Elektor, Oktober 1974, Seite 16 ff, Internatio­ nale Elektronische Rundschau, 10, 1972, Seite 237 ff und Der Elektroniker, 1, 1973, Seite 14 ff sind solche Systeme beschrieben und ihre Problematik dargelegt. Diese Problematik besteht im wesentlichen in der Qualität des Fang- und des Regelverhaltens, d. h. in der Sicherheit und Schnelligkeit, die Ausgangsfrequenz der Eingangsfre­ quenz des Phasenregelkreises nachzuführen. Dies stößt insbesondere dann auf Schwierigkeiten, wenn der Variations­ bereich der Eingangsfrequenz sehr groß ist. Phasenregelkreise sind beispielsweise als integrierte Schaltungen (CD 4046 von RCA) im Handel erhältlich. Da das Regelverhalten des Phasenregelkreises im wesentlichen durch den in den Phasen­ regelkreis geschalteten Regler bestimmt ist, wurden bereits eine Vielzahl von Regelcharakteristiken vorgeschlagen, die mehr oder we­ niger kompliziert sind.

Eine in der nachveröffentlichten DE-OS 29 51 283 beschriebene Methode ist beispielsweise die adaptive Regelung, bei der die zeitliche Charakteristik in Abhängig­ keit von den übertragenen Signalen angepaßt wird, um das dynamische Verhalten des gesamten Phasenregelkreises zu verbessern. Das Zeit­ verhalten des Reglers wird bei einem praktischen Aufbau durch RC-Glieder bestimmt. Die Realisierung durch RC-Glieder ist insofern schwierig, als

• a) bei der gewünschten Adaption eine Widerstands- oder Kapazi­ tätskette mit Schaltern versehen werden muß (Aufwand, ledig­ lich stufenförmige Anpassung) und
• b) bei einer monolithischen Integration große Widerstände sehr flächenintensiv sind und eine hohe Genauigkeit der RC-Zeit­ konstanten über alle Fertigungstoleranzen und Betriebseinflüs­ se nicht einzuhalten ist.

Phasenregelkreise sind auch aus dem Artikel "Der Phasenregelkreis" in Funkschau 1977, Heft 3, Seite 119 bis 122, bekannt. In einem Phasen­ detektor wird die Oszillatorfrequenz mit einer vorgegebenen Frequenz verglichen. Dieses Signal wird über einen Tiefpaß an den Oszillator zurückgeführt, so daß der Oszillator auf die am Eingang vorgegebene Frequenz oder Teilen davon schwingt. Weiterhin ist es bereits bekannt, Filter mit geschalteten Kapazitäten vorzusehen, wie dem Artikel "MOS Switched-Capacitor Filters", Proceedings of the IEEE, Vol. 67, No. I, Januar 1979, Seite 69 bis 75 zu entnehmen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Phasenregelkreis zu schaffen, der über sehr große Frequenzbereiche einsetzbar ist, ohne daß Probleme mit der Regelzeitkonstante auftreten.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptan­ spruchs gelöst.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Phasenregelkreis mit den kennzeichnenden Merk­ malen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die zeit­ bestimmten RC-Glieder des Phasenregelkreises aus festen und geschal­ teten Kapazitäten als Ersatz der Widerstände bestehen, wobei die Schaltfrequenz für die Kapazitäten von der Ausgangsfrequenz des Phasenregelkreises abgeleitet wird. Dadurch wird erreicht, daß die Regelzeitkonstante ohne nennenswerte zeitliche Verzögerung konti­ nuierlich an die Ausgangsfrequenz adaptiert wird. Dadurch kann man eine optimale Reglerdimensionierung bezüglich der Stabilität des Regelkreises und der Schnelligkeit der Ausregelung erzielen. Des wei­ teren bietet die Verwendung von geschalteten Kapazitäten den Vor­ teil, daß die Genauigkeit beim Einsatz in integrierten Schaltkreisen lediglich von Kapazitätsverhältnissen bestimmt wird, die auf einer kleinen Fläche integrierbar sind und keinen Abgleich erfordern.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ergeben sich weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Phasenregelkreises. Soll beispielsweise das Ausgangssignal des spannungsabhängigen Frequenzgenerators über einen Teiler oder über einen Vervielfacher an den Eingang des Pha­ sendetektors zurückgeführt werden, erweist es sich als vorteilhaft, zur Umschaltung der geschalteten Kapazität ein Vielfaches oder einen Teil der Ausgangsfrequenz zu verwenden. Neben einfachen passiven Netzwerken, wie Tiefpaßfiltern, ist es auch möglich, aktive Schal­ tungen mit Tiefpaßcharakter, wie Verstärker, zu verwenden.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schaltungsmäßige Ausgestaltung des Ausführungsbeispiels,

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Reglers als Integrator,

Fig. 3 ein beispielhaftes Diagramm zur Darstellung des Einrastverhaltens ohne die erfindungsgemäßen Maßnahmen, und

Fig. 4 eine entsprechende durch die erfindungsge­ mäßen Maßnahmen erreichte Einrastkurve.

Beschreibung der Erfindung

In Fig. 1 wird einem Phasendetektor 1 an einem Eingang 2 von einem nicht dargestellten Referenzgenerator eine Re­ ferenzfrequenz eingespeist. Am anderen Eingang 3 des Phasendetektors 1 liegt die Ist-Frequenz an, die von einem spannungsabhängigen Frequenzgenerator 4 an dessen Ausgang 5 abgegeben wird und über einen Teiler 6 mit dem Eingang 3 des Phasendetektors in Verbindung steht. Der Ausgang des Phasendetektors 1 führt zum Regler, in Fig. 1 zu einem Tiefpaß 7. Der Tiefpaß 7 weist einen Umschalter 8 auf, dessen Schaltermitte über einen Kondensator 9 mit der Masse verbunden ist. Der eine Punkt des Umschalters 8 steht mit dem Ausgang des Phasendetektors 1 in Verbindung, während die andere Seite des Umschalters zum Eingang des spannungsabhängigen Fre­ quenzgenerators 4 führt. An den Eingang des spannungsabhän­ gigen Frequenzgenerators 4 ist ein weiterer Kondensator 10 angeschlossen, dessen andere Seite ebenfalls gegen Masse führt. Der Umschalter 8 wird durch die Ausgangsfrequenz des spannungsabhängigen Frequenzgenerators 4 geschaltet, was durch gestrichelte Linien angedeutet ist.

Da die Wirkungsweise eines Phasenregelkreises aus den eingangs angegebenen Literaturstellen sowie aus einer Vielzahl weiterer Veröffentlichungen bekannt ist, soll hier nur noch auf die Wirkungsweise des für die vorliegende Schaltung bedeutsamen Tiefpasses 7 eingegangen werden. Dieses Tiefpaßfilter integriert die der Regelabweichung entsprechende Impulse am Ausgang des Phasendetektors 1, wodurch dem spannungsabhängigen Frequenzgenerator 4 eine Gleichspannung zugeführt wird, die diesen so steuert, daß die Ausgangsfrequenz des spannungsabhängigen Frequenzgenerators 4 gleich einem Teil oder einem Vielfachen der Referenzfrequenz ist. Voraussetzung für das Einrasten des Phasenregel­ kreises ist, daß die Differenz zwischen der am Eingang 2 des Phasendetektors 1 anliegenden Referenzfrequenz und der am Eingang 3 des Phasendetektors 1 anliegenden Ist-Frequenz gleich 0 und die Phasendifferenz annähernd gleich 0 ist.

Die Wirkungsweise des Tiefpasses besteht nun darin, daß der Kondensator 9 durch die vom Phasendetektor 1 abgegebenen Impulse aufgeladen wird, wenn der Schalter 8 so gestellt ist, daß der Ausgang des Phasendetektors 1 mit dem Kon­ densator 9 verbunden ist. Schaltet nun der Schalter 8 den Kondensator 9 auf den Eingang des spannungsabhängigen Frequenzgenerators 4, so ist der Kondensator 9 gleich­ zeitig mit dem Kondensator 10 verbunden. Es findet eine Umladung (Ladungsausgleich) statt, wobei die Höhe der Um­ ladung von Kondensator 9 zum Kondensator 10 neben dem Kapa­ zitätsverhältnis der Kondensatoren 9 und 10 und der Höhe der Aufladung des Kondensators 9 durch den Phasendetektor 1 durch die Taktfrequenz bestimmt ist. Die Zeitkonstante des Tiefpaßfilters ist bei diesem Verfahren bestimmt durch das Verhältnis der Werte der Kondensatoren 9 und 10 und durch die Schaltfrequenz des Schalters 8. Als Schalter 8 sind dabei besonders MOS-Transistoren mit niedrigem Leckstrom (Transmissionsgates) geeignet. Die Zeitkonstante berechnet sich aus dem Wert des Kondensators 10 dividiert durch die Schaltfrequenz des Schalters 8 und den Wert des Kondensators 9. Da das Verhältnis zweier Kapazitäten zueinander eingeht, ändert sich an der Zeitkonstante nichts, wenn beide Kapazi­ täten gleich große Fehler in der gleichen Richtung auf­ weisen. Das Verhältnis zweier Kapazitäten läßt sich aber ohne Abgleich sehr genau monolithisch integrieren. Diese Schaltungsanordnung ist daher besonders für die Inte­ gration geeignet.

Obwohl die Frequenz zum Umschalten des Schalters 8 auch von einem äußeren Taktgenerator erzeugt werden kann, bietet es sich an, zur Umschaltung die Ausgangs­ frequenz oder ein Teil oder ein Vielfaches davon zu benutzen. In diesem Fall erreicht man gerade die ge­ wünschte Adaption, bei der die Zeitkonstante umge­ kehrt proportional zur Signalfrequenz ist. Ob die Aus­ gangsfrequenz direkt oder ein Teil oder ein Viel­ faches zum Schalten verwendet wird, hängt von den Eigenschaften des gesamten Phasenregelkreises mit dem Teiler 6 und von dem Wert der Kapazitäten 9 und 10 ab. Durch die automatische, kontinuierliche Adaption der Reglerzeitkonstante durch die Ausgangs­ frequenz des spannungsabhängigen Frequenzgenerators 4 erhält man ein wesentlich verbessertes dynamisches Verhalten des gesamten Regelkreises und durch die Variation der Schaltfrequenz eine andauernde Anpassung des Tiefpaßverhaltens an die Ausgangsfrequenz.

In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Reglers 7 nach Fig. 1 dargestellt. Vom nicht dar­ gestellten Phasendetektor führt eine Leitung zum Um­ schalter 8, an dessen Mittelpunkt ein Kondensator 9 angeschlossen ist, der auf der anderen Seite mit der Masse verbunden ist. Vom Umschalter führt eine Leitung zum negativen Eingang eines Operationsverstärkers 11, der positive Eingang des Operationsverstärkers 11 ist mit der Masse verbunden. Der Ausgang des Operations­ verstärkers 11 führt einerseits zu einem nicht darge­ stellten spannungsabhängigen Frequenzgenerator, während er andererseits über einen Kondensator 12 mit dem ne­ gativen Eingang des Operationsverstärkers 11 verbunden ist.

Diese Schaltungsanordnung stellt einen Integralregler dar, mit dem bekanntlich die stationäre Abweichung der Ausgangsfrequenz von der Eingangsfrequenz zu Null gemacht wird. Darüber hinaus lassen sich weitere Reglertypen realisieren.

Während bei großen Frequenzabweichungen zwischen Ist- und Soll-Frequenz zur Vermeidung von Instabilitäten eine große Reglerzeitkonstante und damit ein langsames Ein­ schwingverhalten vorgesehen werden müssen, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist, kann durch eine Anpassung der Zeitkonstanten des Reglers, z. B. des Tiefpasses, erreicht werden, daß der Phasenregelkreis nach relativ kurzer Zeit einrastet und dennoch keine Instabilitäten auftreten, auch wenn die Frequenzabweichung groß ist, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist.

Claims (3)

1. Phasenregelkreis mit einem Phasendetektor, der von einer Refe­ renzfrequenz und einer Istfrequenz gesteuert ist und der ausgangs­ seitig über einen Tiefpaß mit dem Steuereingang eines spannungsab­ hängigen Frequenzgenerators (VCO) verbunden ist, wobei die Istfre­ quenz wenigstens ein Teil der VCO-Frequenz ist, dadurch gekennzeich­ net, daß die zeitbestimmenden Glieder des Tiefpasses (7) neben fe­ sten Kapazitäten noch geschaltete Kapazitäten (9) aufweisen, mit denen die Zeitkonstante des Tiefpasses (7) beeinflußbar ist, und daß die Umschaltung der geschalteten Kapazitäten (9) in Abhängigkeit von der Ausgangsfrequenz des spannungsabhängigen Frequenzgenerators (4) erfolgt.

2. Phasenregelkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltfrequenz der geschalteten Kapazitäten (9) ein Vielfaches oder ein Teil der Ausgangsfrequenz des spannungsabhängigen Frequenz­ generators (4) ist.

3. Phasenregelkreis nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiefpaß (7) eine feste und eine geschaltete Kapazität ent­ hält, wobei ein Schalter (8) die geschaltete Kapazität (9) zwischen dem Ausgang des Phasendetektors (1) und dem Eingang eines Verstär­ kers (11) umlädt, dessen Ausgang zum Steuereingang des spannungsge­ steuerten Oszillators (4) führt, wobei der Verstärker (11) durch einen weiteren Kondensator (12) rückgekoppelt ist.