DE3124170C2 - Phasenregelschleife - Google Patents
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Abstract
Die Verstärkerschaltung enthält einen invertierenden Verstärker (2) und einen nicht invertierenden Verstärker (4), die zwischen einem gemeinsamen Eingang (1) und respektiven Eingängen einer Summierschaltung (6) eingeschaltet sind. Die Verstärkungen der Verstärker für Eingangssignale mit einer niedrigen Amplitude sind ungleich, jedoch so, daß sie bei Eingangssignalen mit hoher Amplitude nahezu gleiche gegenphasige und begrenzte Ausgangssignale liefern. Die Verstärkerschaltung eignet sich zur Anwendung in phasenverriegelten Schleifen, die vorzugsweise in Rundfunkempfänger und insbesondere in tragbare Empfänger aufgenommen sind. Dadurch wird, ohne Einsatz reaktiver Filter, die Neigung, durch Nachbarkanäle eingefangen zu werden, herabgesetzt.
Description
- Die Erfindung geht aus von Phasenregelschleifen gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 2. Derartige Phasenregelschleifen finden bei tragbaren Rundfunkempfängern Verwendung.
- Beim Entwerfen tragbarer Rundfunkempfänger, insbesondere von Schmalbandmehrkanalempfängern, ist es zweckmäßig, eine automatische Frequenzregelung (AFC) anzuwenden. Eine derartige Regelung bietet den Vorteil, daß das Zwischenfrequenzsignal in der Mitte des Durchlaßbandes des Zwischenfrequenzfilters gehalten werden kann, wenn die Frequenz des Überlagerungsoszillators infolge von Änderungen in der Temperatur oder der Alterung von Einzelteilen abwandert. Auch wird die Verzerrung, die im Empfänger auftritt, auf ein Mindestmaß beschränkt, und die Anpassung des Kristallfilters wird weniger kritisch. Außerdem kann die Wirkung einer Stummschaltung aufrechterhalten werden, wenn die Frequenz des Überlagerungsoszillators abwandert.
- In Mehrkanalempfängern kann die automatische Frequenzregelschaltung aber von starken Signalen in an den ausgewählten Kanal grenzenden Kanälen beeinflußt werden. Dies ergibt sich insbesondere in einem Empfänger, der gemäß dem Prinzip einer doppelt phasenverriegelten Schleife arbeitet. Ein derartiger Empfänger ist in einem Vortrag von Stephen W. Watkinson auf der Communications 74 Conference in Brighton (England) im Juli 1974 beschrieben; dieser Vortrag ist in den "Conference Proceedings" auf S. 13.1/1 bis 13.1/8 veröffentlicht.
- In diesem Empfänger bildet ein auf einem sehr hohen Pegel liegendes Signal eines angrenzenden Kanals eine Schwebungsfrequenz mit dem spannungsgesteuerten Zwischenfrequenz-Kristalloszillator (IFVCXO). Diese Schwingung wird die Frequenz des spannungsgesteuerten Zwischenfrequenz-Kristalloszillators modulieren und daraus entsteht eine nicht-sinusförmige Fehlerschwingung, die eine Gleichstromkomponente enthält. Die Gleichstromkomponente wird dem Überlagerungsoszillator zugeführt, wodurch die Frequenz dieses Oszillators in Richtung auf die Frequenz des Signals des angrenzenden Kanals gezogen wird; auf diese Weise wird die Unterdrückung des Signals des angrenzenden Kanals beeinträchtigt. Wenn nun der Pegel des angrenzenden Signals herabgesetzt wird, ist es möglich, daß der Einfangeffekt auf einem Pegel von 30 dB unterhalb des Pegels gehalten wird, auf dem dieses Signal startet.
- Dieses Problem kann dadurch verringert werden, daß ein Tiefpaß in den Rückkopplungsweg des spannungsgesteuerten Zwischenfrequenz-Kristalloszillators aufgenommen wird, aber wenn das Filter einen steilen Abfall aufweist, kann die Schleife unstabil werden. In der Praxis muß das Schleifenfilter auf ein Netzwerk mit einer Polstelle beschränkt werden, und demzufolge ist die Schwächung der Schwebungsfrequenz von 12,5 kHz bei einem Abstand von 12,5 kHz zwischen den Kanälen nicht genügend, um dieses Problem zu beseitigen. Eine andere Möglichkeit ist, ein Kerbfilter, wie z. B. eine Doppel-T-Schaltung aufzunehmen, wobei die Kerbfrequenz bei der Differenz zwischen der Frequenz des ausgewählten Kanals und der des angrenzenden Kanals liegt. Wenn die Kerbe jedoch zu tief ist, entsteht wieder eine Instabilität der Schleife infolge der reaktiven Teile in der Kerbfilterschaltung.
- Aus der DE-PS 12 69 643 ist bereits eine Phasenregelschleife bekannt, in der der Eingang der Verstärkerschaltung über einen um -90° drehendes Phasendrehglied mit dem Eingang eines ersten regelbaren Verstärkers und über ein um 90° drehendes Phasendrehglied mit dem Eingang eines zweiten regelbaren Verstärkers verbunden ist, wobei der Ausgang des phasenempfindlichen Detektors mit dem Steuereingang des ersten und des zweiten regelbaren Verstärkers verbunden ist. Die Ausgänge des ersten und des zweiten Verstärkers sind über einen weiteren Verstärker mit dem Steuereingang des Oszillators verbunden. Die beiden Verstärker werden derart gesteuert, daß bei fehlender Gleichspannung beide Zweige der Verstärkerschaltung gesperrt sind und bei vorhandener Gleichspannung in Abhängigkeit von deren Vorzeichen stets ein Zweig entsperrt wird, während der andere gesperrt bleibt.
- Aufgabe der Erfindung ist es, eine phasenverriegelte Schaltung zu schaffen, die eine verringerte Neigung aufweist, durch Sendungen aus dem benachbarten Kanal eingefangen zu werden und die weitgehend ohne Filter mit reaktiven Teilen auskommt.
- Lösungen dieser Aufgabe sind in den Ansprüchen 1 und 2 angegeben. Bei der in Anspruch 3 angegebenen Weiterbildung der beiden erfindungsgemäßen Lösungen wird der Fangbereich der Schleife durch die Grenzfrequenz eines Hochpasses bestimmt. Bei der in Anspruch 5 angegebenen Weiterbildung der Erfindung ist hingegen ein Hochpaß nicht erforderlich.
- Die phasenverriegelte Schleife weist ein von der Amplitude des Eingangssignals abhängiges Verhalten auf, wobei es einen Übergang zwischen dem Verhalten bei großen Eingangssignalen und dem Verhalten bei kleinen Eingangssignalen gibt. Die in Anspruch 4 angegebene Weiterbildung der Erfindung ergibt einen schnellen Übergang.
- Die obenbeschriebene phasenverriegelte Schleife kann in einen nach dem Überlegungsprinzip wirkenden Rundfunkempfänger aufgenommen werden, wobei das Ausgangssignal der Zwischenfrequenzstufe dem ersten Eingang des zweiten phasenempfindlichen Detektors zugeführt und das Ausgangssignal des ersten Verstärkers über einen Tiefpaß dem Steuereingang eines weiteren gesteuerten Oszillators zugeführt wird, der den Lokaloszillator des Empfängers bildet.
- Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt
- Fig. 1 eine Verstärkerschaltung nach der Erfindung,
- Fig. 2 verschiedene Wellenformen, die in der Verstärkerschaltung nach Fig. 1 auftreten,
- Fig. 3 eine erste Ausführungsform einer phasenverriegelten Schleife, die die Verstärkerschaltung nach der Erfindung enthält,
- Fig. 4 eine zweite Ausführungsform einer phasenverriegelten Schleife, die die Verstärkerschaltung nach der Erfindung enthält,
- Fig. 5 eine dritte Ausführungsform einer phasenverriegelten Schleife, die die Verstärkerschaltung nach der Erfindung enthält, und
- Fig. 6 einen Rundfunkempfänger, der die phasenverriegelte Schleife nach Fig. 5 enthält.
- Fig. 1 zeigt, daß die Verstärkerschaltung einen Eingang 1 hat, der mit dem Eingang eines invertierenden Verstärkers 2 und mit dem Eingang eines nichtinvertierenden Verstärkers 4 verbunden ist. Das Ausgangssignal des Verstärkers 2 wird über einen Begrenzer 3 zu einem ersten Eingang der Summierschaltung 6 geführt. Das Ausgangssignal des Verstärkers 4 wird über den Begrenzer 5 einem zweiten Eingang der Summierschaltung 6 zugeführt. Der Ausgang der Summierschaltung 6 bildet einen Ausgang 7 der Verstärkerschaltung. Die zwei Begrenzer 3 und 5 können durch die begrenzenden Ausgangskennlinien der zwei Verstärker 2 bzw. 4 gebildet werden.
- Wie die Schwingungen in Fig. 2 veranschaulichen, ist, wenn ein Eingangssignal V 1 auf einem niedrigen Pegel dem Eingang 1 zugeführt wird, das Ausgangssignal V 7 am Ausgang 7 eine verstärkte Vision des Eingangssignals, wobei die Verstärkung der Schaltung gleich dem Unterschied zwischen den Verstärkungen des Verstärkers 2 und des Verstärkers 4 ist. Wenn die Amplitude des Eingangssignals auf einen hohen Pegel erhöht wird, werden die Eingangssignale V 3 und V 5 der Summierschaltung begrenzt und weil sie gegenphasig sind, werden sie sich ausgleichen, wodurch das Ausgangssignal am Ausgang 7 theoretisch gleich Null ist. Bei einem Zwischenpegel des Eingangssignals wird einer der Verstärker ein begrenztes Ausgangssignal liefern, wodurch kein Ausgleich erhalten und ein Zwischenbereich eingeführt wird. Das Ausmaß dieses Zwischenbereiches nimmt kontinuierlich ab, wenn die Verstärkung der zwei Verstärker erhöht wird, während die Unterschiede zwischen den Verstärkungen konstant gehalten werden. Wenn z. B. die erforderliche Verstärkung für ein Signal auf einem niedrigen Pegel 100 ist, kann dies dadurch erreicht werden, daß die Verstärkung des Verstärkers 2 auf 150 eingestellt und die Verstärkung des Verstärkers 4 auf 50 eingestellt wird. In diesem Falle wird die Änderung im Eingangspegel zwischen dem Anfang der Begrenzung in einem Signalweg und dem Anfang der Begrenzung im anderen Signalweg das Verhältnis zwischen den beiden Verstärkern sein, d. h. 150 : 50 = 3, oder aber eine Änderung von 10 dB im Pegel des Eingangssignals. Wenn jedoch die Verstärkung des Verstärkers 2 auf 500 und die des Verstärkers 4 auf 400 eingstellt wird, wird die Verstärkung der Schaltung bei Signalen auf niedrigem Pegel gleich 100 bleiben, jedoch wird der Unterschied im Eingangspegel zwischen dem Anfang der Begrenzung in einem Signalweg und dem Anfang der Begrenzung im anderen Signalweg 500 : 400 = 1,25 sein, d. h. eine Änderung des Pegels des Eingangssignals von 2 dB. Im zweiten Falle wird somit ein schnellerer Übergang von dem Zustand, in dem die Verstärkung gleich 100 ist, in den Zustand, in dem die Verstärkung auf einen niedrigen Pegel herabgesunken ist, erhalten.
- Wenn die Schaltung nach Fig. 1 in den Fehlerweg einer phasenverriegelten Schleife aufgenommen wird, weist die Schaltung einen Begrenzungsbereich Null auf, jedoch ist der Haltebereich gleich dem bei einem üblichen Schleifenverstärker. Diese Eigenschaften gleichen den Eigenschaften einer Schleife mit einem Filter mit einer sehr niedrigen Grenzfrequenz. Es gibt jedoch einen wichtigen Unterschied; wenn die Schleife einmal verriegelt ist, kann sie schnellen Änderungen in der Eingangsfrequenz (innerhalb der normalen Beschränkung, denen eine phasenverriegelte Schleife unterworfen ist) folgen.
- Fig. 3 zeigt eine Phasenregelschleife, die die Verstärkerschaltung nach Fig. 1 enthält. Die Phasenregelschleife enthält einen Eingang 10, der mit einem ersten Eingang eines phasenempfindlichen Detektors 11 gekoppelt ist, wobei der Ausgang eines spannungsgesteuerten Oszillators 14 mit einem zweiten Eingang des phasenempfindlichen Detektors 11 gekoppelt ist. Die Verstärkerschaltung nach Fig. 1 ist zwischen dem Ausgang des phasenempfindlichen Detektors 11 und einem Eingang einer Summierschaltung 12 eingeschaltet. Ein Generator 13, der ein Signal liefert, das einen Frequenzhub der Oszillatorfrequenz bewirkt, ist mit einem zweiten Eingang der Summierschaltung 12 gekoppelt, deren Ausgang mit einem Steuereingang des Oszillators 14 gekoppelt ist. Wenn ein Eingangssignal einem Eingang 10 der phasenverriegelten Schleife zugeführt wird, liefert der phasenempfindliche Detektor 11 an seinem Ausgang ein Schwebungsfrequenzsignal, das dem Unterschied zwischen der Frequenz des Eingangssignals am Eingang 10 und der Frequenz des Oszillators 14 entspricht. Dieses Schwebungsfrequenzsignal weist eine große Amplitude auf, und demzufolge ist das Ausgangssignal der Summierschaltung 6 nahezu gleich Null. Das Ausgangssignal des Frequenzhub-Generators 13 bewirkt, daß die Frequenz des Oszillators 14 einen Hub über den gewünschten Bereich vollführt, und wenn die Frequenz des Oszillators 14 der Frequenz des Eingangssignals nahe kommt, nimmt das Ausgangssignal des phasenempfindlichen Detektors auf einen niedrigen Pegel ab. Auf diese Weise erzeugt die Verstärkerschaltung ein Ausgangssignal am Ausgang 7, um den Oszillator 14 auf der Frequenz des Eingangssignals zu regeln. Der Frequenzhub-Generator 13 wird dann ausgeschaltet und die Schleife wird nun jeder Änderung in der Frequenz des Eingangssignals folgen. Der Ausgang des Frequenzhub-Generators 13 kann nun dadurch gesperrt werden, daß der verriegelte Zustand festgestellt und ein somit erzeugtes Regelsignal einem Regeleingang des Frequenzhub-Generators zugeführt wird. Eine derartige Einrichtung wird später anhand der Fig. 6 beschrieben.
- Eine Abwandlung der Phasenregelschleife nach Fig. 3, die einen Frequenzhub-Generator 13 überflüssig macht, ist in Fig. 4 dargestellt. Wie diese Figur zeigt, wird die Verstärkerschaltung dadurch abgeändert, daß ein Hochpaß 15 zwischen dem Begrenzer 5 und der Summierschaltung 6 angeordnet wird, wobei das Ausgangssignal der Summierschaltung 6 unmittelbar dem Oszillator 14 zugeführt wird. In dieser Bauart der Phasenregelschleife wird die Schwebung, die von dem phasenempfindlichen Detektor 11 erzeugt wird, wenn die Schleife aus dem verriegelten Zustand gebracht wird, nur dann eliminiert, wenn diese Schwebung durch den Hochpaß 15 geht. Die Sperrfrequenz des Hochpasses 15 , z. B. 3,5 kHz, wird gleich dem erforderlichen Fangbereich gewählt. In der Praxis kann dieses Filter ein RC-Netzwerk sein. Auf diese Weise wird, wenn die Schwebungsfrequenz innerhalb der Sperrfrequenz des Hochpasses 15 liegt, ein Signal am Ausgang der Summierschaltung 6 erzeugt, wodurch die Frequenz des Oszillators 14 auf dem Eingangssignal geregelt wird.
- Fig. 5 zeigt eine mögliche andere der in Fig. 4 dargestellten Vorrichtung, aber äquivalente Vorrichtung. In Fig. 5 wird der phasenempfindliche Detektor 11 durch zwei gesonderte phasenempfindliche Detektoren 17 und 18 ersetzt. Das Eingangssignal wird unmittelbar dem phasenempfindlichen Detektor 18 und über ein Phasenumkehrnetzwerk 16 dem phasenempfindlichen Detektor 17 zugeführt. Das Ausgangssignal des phasenempfindlichen Detektors 17 wird dem Eingang des Verstärkers 2&min; zugeführt, der dem Verstärker 2 analog ist, aber nicht invertiert, während das Ausgangssignal des phasenempfindlichen Detektors 18 dem Eingang des Verstärkers 4 zugeführt wird. Das Ausgangssignal des Oszillators 14 wird den zweiten Eingängen der phasenempfindlichen Detektoren 17 und 18 zugeführt. In dieser Schaltung wird das Eingangssignal eines der phasenempfindlichen Detektoren invertiert, was der Inversion des Ausgangssignals entspricht. Dies kann auf einfache Weise dadurch erreicht werden, daß z. B. die Verbindungen mit einem abgeglichenen Eingangsphasendetektor untereinander vertauscht werden. Die Hinzufügung eines zweiten phasenempfindlichen Detektors ist einfach, weil bestimmte Operationsverstärker als Phasendetektoren wirken können. In einer besonderen Aussführungsform werden die Phasendetektoren samt Verstärkern und Begrenzern durch einen Operationssteilheitsverstärker gebildtet, der unter der Typenbezeichnung CA 3060 von der Firma Radio Corporation of America hergestellt und vertrieben wird. Diese Vorrichtung enthält drei Verstärker in einem einzigen Gehäuse; jeder dieser drei Verstärker kann die Funktion eines phasenempfindlichen Detektors, eines Verstärkers und eines Begrenzers erfüllen.
- Fig. 6 ist ein Blockschaltbild eines Rundfunkempfängers, in dem die Verstärkerschaltung nach der vorliegenden Erfindung angeordnet ist. Der Empfänger enthält eine Antenne 20, die mit dem Eingang eines Hochfrequenzverstärkers 21 verbunden ist, dessen Ausgangssignal dem ersten Eingang einer Mischstufe 22 zugeführt wird. Das Ausgangssignal eines gesteuerten Übergangsoszillators 23 wird einem zweiten Eingang der Mischstufe 22 zugeführt. Der Ausgang der Mischstufe 22 wird über ein Zwischenfrequenzfilter 24 und einem Zwischenfrequenzverstärker 25 einem ersten Eingang jedes der phasenempfindlichen Detektoren 18 und 29 und dem Phasenverschiebungsnetzwerk 16 zugeführt. Das Ausgangssignal des phasenempfindlichen Detektors 18 wird über den Verstäker 4, den Begrenzer 5 und den Tiefpaß 26 einem Steuereingang des Ortsoszillators 23 zugeführt. Das Ausgangssignal des Begrenzers 5 wird auch über einen Hochpaß 15 dem ersten Eingang der Summierschaltung 6 zugeführt. Das Ausgangssignal des Phasenverschiebungsnetzwerkes 16 wird einem ersten Eingang des phasenempfindlichen Detektors 17zugeführt, dessen Ausgangssignal über den Verstärker 2&min; und den Begrenzer 3 dem zweiten Eingang der Summierschaltung 6 zugeführt wird. Das Ausgangssignal der Summierschaltung 6 wird über einen Hochpaß 27 einem Steuereingang des Oszillators 14 zugeführt, dessen Ausgangssignal den zweiten Eingängen der phasenempfindlichen Detektoren 17 und 18 und über ein 90°-Phasenverschiebungsnetzwerk 28 dem zweiten Eingang des phasenempfindlichen Detektors 29 zugeführt wird. Das Ausgangssignal des phasenempfindlichen Detektors 29 wird über einen Verstärker 30 und einem Tiefpaß 31 einem ersten Eingang eines Niederfrequenzschalters 32 zugeführt. Das Ausgangssignal der Summierschaltung 6, das das Niederfrequenzmodulationssignal enthält, wird außerdem über den Niederfrequenzschalter 32, der bei dem Einrasten der Phasenregelung in den leitenden Zustand gebracht wird, dem Niederfrequenzverstärker 33 zugeführt, über dessen Ausgang ein Wandler 34 gespeist wird.
- Die Wirkung eines doppelt phasengeregelten Empfängers ist in dem Vortrag von Stephen W. Watkinson auf der Communications 74 Conference beschrieben, auf den oben bereits verwiesen wurde.
- In dem Empfänger nach Fig. 6 wird der Schleifenverstärker nach Fig. 8 des genannten Vortrages durch die Verstärkerschaltung nach Fig. 5 ersetzt. Dadurch wird die Wirkung des Empfängers in bezug auf den im Vortrag von Watkinson beschriebenen Empfänger geändert, in der Weise, daß die Sperrfrequenz des Hochpasses 15 den Frequenzbereich, in dem der Oszillator 14 auf das Eingangssignal geregelt wird, bestimmt, wobei, unter der Bedingung, daß die Sperrfrequenz des Hochpasses kleiner als der Abstand zwischen den Kanälen ist, diese Sperrfrequenz die Neigung des Überlagerungsoszillators des Empfängers, zu dem angrenzenden Kanal gezogen zu werden, erheblich herabsetzen und daher die Selektivität des angrenzenden Kanals verringert wird.
Claims (5)
1. Phasenregelschleife mit einem phasenempfindlichen Detektor, dessen erstem Eingang ein Eingangssignal, dessen zweitem Eingang ein von einem in der Frequenz steuerbaren Oszillator abgeleitetes Signal zugeführt wird und dessen Ausgang mit dem Steuereingang des Oszillators über eine Verstärkerschaltung gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang (1) der Verstärkerschaltung (2 . . . 5) mit einem Eingang eines ersten invertierenden Verstärkers (2, 3) und mit einem Eingang eines zweiten nicht invertierenden Verstärkers (4, 5) gekoppelt ist, daß eine Summierschaltung (6) zum Summieren der Ausgangssignale des ersten und des zweiten Verstärkers vorgesehen ist, daß der Ausgang der Summierschaltung (6) den Ausgang (7) der Verstärkerschaltung bildet, daß die Verstärkung der beiden Verstärker für Eingangssignale mit niedriger Amplitude ungleich sind und daß die beiden Verstärker nahezu gleich große gegenphasige begrenzte Ausgangssignale bei Eingangssignalen mit hoher Amplitude liefert.
2. Phasenregelschleife mit wenigstens einem phasenempfindlichen Detektor, der in Abhängigkeit von der Phasendifferenz zwischen einem Eingangssignal und einem von einem steuerbaren Oszillator abgeleiteten Signal die Frequenz des Oszillators steuert, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster und ein zweiter phasenempfindlicher Detektor (17, 18) vorgesehen sind, daß das Eingangssignal dem ersten Eingang des ersten Detektors (17) invertiert und dem ersten Eingang des zweiten Detektors (18) nicht invertiert zugeführt wird, daß das vom Oszillator (14) abgeleitete Signal den zweiten Eingängen der beiden Oszillatoren (17, 18) zugeführt wird, daß das Ausgangssignal des ersten phasenempfindlichen Detektors (17) dem Eingang eines ersten Verstärkers (2&min;, 3) und das Ausgangssignal des zweiten phasenempfindlichen Detektors (18) einem zweiten Verstärker (4, 5) zugeführt wird, daß die Verstärkungen der beiden Verstärker für Eingangssignale mit niedriger Amplitude ungleich sind, daß bei Eingangssignalen mit hoher Amplitude die beiden Verstärker nahezu gleich große begrenzte Ausgangssignale liefern, daß die Ausgangssignale in einer Summierschaltung (6) überlagert werden und daß der Ausgang der Summierschaltung mit dem Steuereingang des Oszillators (14) gekoppelt ist.
3. Phasenregelschleife nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hochpaß (15) zwischen den Ausgang entweder des ersten oder des zweiten Verstärkers und die Summierschaltung geschaltet ist.
4. Phasenregelschleife nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zwischen den Verstärkungen der beiden Verstärker (2, 3; 4, 5) niedriger als die niedrigere der beiden Verstärkungen ist.
5. Phasenregelschleife nach einem der Ansprüche 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Hinzufügen eines Frequenzhubsignals zu dem Ausgangssignal der Verstärkerschaltung vorgesehen sind, die Mittel zur Unterdrückung des Frequenzhubsignals bei Verriegelung der Schleife enthalten.
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