DE3130036A1 - Frequenzsensitiver, flankengetriggerter phasendetektor - Google Patents

Description

• Frequenzsensitiver, flankengetriggerter Phasendetektor
• Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einem Phasendetektor nach der Gattung des Hauptanspruches. Derartige Phasendetektoren werden häufig in Phasenregelkreisen, zum Frequenzvergleich zweier Wechselspannungen, zur Frequenzdemodulation in Meß und Regelkreisen verwendet. Diese Phasendetektoren z.B. gemäß dem Fachbuch "Halbleiter-Schaltungs-Technik" von U. Tietze; Ch. Schenk; Springer Verlag 1978 (vierte Auflage) Seiten 691 bis 694 liefern eine Ausgangsimpulsspannung, deren Impulsbreite von der Phasenabweichung bis # 3600 abhängig ist, wobei sich die Polarität je nachdem ob es sich um eine positive oder negative Phasenabweichung handelt, ändert. Diese Impulse werden üblicherweise über einen Tiefpaß gegeben, hinter dem dann im Bereich von # 3600 eine analog zur Phasenabweichung sich ändernde Spannung anliegt. Dieser' Tiefpaß bedingt jedoch ein zeitverzögertes Ausgangssignal, wodurch sich ein, für manche Zwecke unbrauchbar langsamer Regelkreis oder eine zu hohe Welligkeit der Ausgangsspannung ergibt.
• Vorteile der Erfindung Der erfindungsgemäße Phasendetektor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches hat demgegenüber den Vorteil, daß sich eine sehr exakte Ausgangsspannung mit genau definiertem Zustand ergibt, die maximal eine Verzögerung von einer Schwingungs-bzw. Impulsperiode aufweist.
• Vor allem bei schnellen und/oder digitalen Regelungen, Demodulation frequenzmodulierter Impulsspannung und anderen Fällen bei denen ein analoger Obergang mit ungenauer Hysterese stört, kann die erfindungsgemäße Anordnung wesentliche Vorteile bieten.
• Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des erfindungsgemäßen Phasendetektors möglich, wobei durch die Verwendung zwei im wesentlichen parallel liegender Phasendetektoren eine genau festzulegende Hysterese mit einstellbaren Frequenz- oder Phasenbereichen möglich ist. Durch die Verwendung auf dem Markt erhältlicher integrierter Bausteine wird ein einfacher, wenig aufwendiger Schaltungsaufbau möglich.
• Zeichnung en Ausführungsbeispiele der Erfindung sind auf zwei Zeichnungsblättern dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
• Es zeigen: Fig. 1 das Schaltungsprinzip des erfindungsgemäßen Phasendetektors, Fig. 2 Impulszüge an verschiedenen Punkten der Schaltung gemäß Fig. 1 Fig. 3 zwei parallel arbeitende Phasendetektoren und Fig. 4 Impulszüge an verschiedenen Punkten der Schaltung gemäß Fig. 3.
• Beschreibung der Erfindung In Fig. 1 sind vier RS-Flip-Flops 1 bis 4 in bekannter Weise zu einem flankengetriggerten Phasendetektor 5 zusammengeschaltet, wobei die vier Flip-Flops durch ein Rücksetzgatter 6 dann zurückgesetzt werden, wenn alle gesetzt sind. Eine derartige Schaltung ist in dem zum Stand der Technik genannten Fachbuch Seite 694 dargestellt und beschrieben. Werden den beiden Eingängen a, b die in Fig. 2 a, b, dargestellte Impulsspannungen oder zur Impulsspannung verstärkte Wechselspannungen zugeführt, so entstehen jeweils am Ausgang X oder Y Impulse, je nachdem welche Vorderflanke der Impulsspannungen a oder b früher eintrifft. Mit den in Fig.
• 2 a und b dargestellten Impulsspannungen entstehen am Ausgang X die in Fig. 2 c dargestellten Impulse 7 solange die Vorderflanken der Impulsspannung a vor denen der Impulsspannung b eintreffen. Nur bei exakt gleichzeitig eintreffenden Vorderflanken entsteht kein Impuls, während bei nacheilender Vorderflanke der Impulsspannung a am Ausgang Y Impulse entstehen.
• Werden die Impulse des X-Ausganges dem D-Eingang eines D-Flip-Flops zugeführt, an dessen Clock-Eingang die Impulse gemäß Fig. 2 d beider Ausgänge X, Y über ein NOR-Gatter 8 liegen, so bleibt das D-Flip-Flop gemäß Fig. 2 e so lange gesetzt, bis ein Impuls 9 am Clock-Eingang anliegt, während am D-Eingang ein Impuls fehlt, also nur Impulse am Y-Ausgang anliegen.
• Der Schaltungsaufbau wird für viele Fälle einfacher, wenn hierzu ein monolithisch integrierter Baustein verwendet wird, wie er z.B. unter der Bezeichnungsnummer 4046 als CMOS-Baustein von mehreren Hertellern erhältlich ist. Dieser Baustein enthält neben dem Phasendetektor 5, das NOR-Gatter 8 sowie eine sogenannte Tri-State-Ausgangsstufe 10 deren erster.
• Eingang über einen Negator 11 vom X-Ausgang und deren zweiter Eingang vom Y-Ausgang direkt angesteuert wird. Hierbei entsteht am Ausgang 12 der Tri-State-Stufe 10 eine Impulsspannung wie in Fig. 2 c gestrichelt dargestellt mit positiven oder negativen Impulsen, wobei während der Impulslücken der Ausgang 12 hochohmig geschaltet wird.
• Wird dieser Ausgang 12 an den D-Eingang eines D-Flip-Flops 13 geführt und gleichzeitig über einen Widerstand 14 mit dem Bezugspotential 15 dieses Flip-Flops 13 verbunden, und wird der Ausgang des NOR-Gatters 8 an den Clock-Eingang des Flip-Flops 13 gelegt, entsteht am Q-Ausgang 16 eine Ausgangsspannung gemäß Fig. 2 e. Der Widerstand 14 ist hierbei derart bemessen, daß der Ausgang- 12 der Tri-State-Stufe 10 nur dann vom Bezugspotential 15 abgehoben wird, wenn ein Impuls vom X-Ausgang über den Negator 11 an die Tri-State-Stufe 10 gelangt. Mit dem ersten Impuls wird das D-Flip-Flop 13 gesetzt.und bleibt danach gesetzt, bis ein Clock-Impuls 9 gemäß Fig. 2 d über das NOR-Gatter 8 zugeführt wird und gleichzeitig der Ausgang 12 der Tri-State-Stufe auf Bezugspotential 12 bleibt. Ein erneutes Setzen des D-Flip-Flops erfolgt danach erst wieder, wenn eine Vorderflanke der Impulse am Eingang a vor der Vorderflanke der Impulse am Eingang b anliegen.
• Der CMOS-Baustein 4046 enthält neben dem Phasendetektor einen in der Frequenz einstellbaren, spannungsregelbaren Impulsoszillator der zur Erzeugung einer frei in der Frequenz wählbaren Impulsvergleichsspannung verwendet werden kann. Wird diese dem Eingang b des Phasendetektors 5 zugeführt, kann die Frequenz einer Wechsel- oder Impulsspannung überwacht werden, die am Eingang a anliegt, wobei mit dem Ober- oder Unterschreiten der eingestellten Frequenz des Impulsoszillators am Q- bzw. Ausgang des D-Flip-Flops ein Ausgangssignal anliegt.
• Ein Schaltungsprinzip mit zwei derartigen Schaltungen ist in Fig. 3 dargestellt. Die einzelnen Stufen 5, 8, lo, 13 und 14 sind entsprechend Fig. 1 gekennzeichnet. Ober eine Leitung 30 wird den beiden Phasendetektoren 5 eine zu überwachende Impulsspannung zugeführt, wobei die Detektoren von jeweils einem Impulsoszillator 31 eine'über' Kondensatoren 32 und Einstellwiderstände 33 in der Frequenz voreingestellte, Impulsvergleichs spannung erhalten. Ist z.B. der unten dargestellte Impulsoszillator 31 auf elne Frequenz fo gemäß Fig. 4 eingestellt, liegt am Q-Ausgang des unteren D-Flip-Flops 13 je nach Frequenz der über die Leitung 30 zugeführten Spannung eine Spannung gemäß Fig. 4b.
• Ist nun die Frequenz des Impulsoszillators 31 der oberen Schaltung auf eine niedrigere Frequenz f1 eingestellt, erfolgt ein Signalwechsel am Ausgang des D-Flip-Flops 13 dieser Schaltung gemäß Fig. 4 a schon bei der niedrigeren Frequenz f1 Steigt die Frequenz der über die Leitung 30 den beiden Phasendetektoren zugeführten Impulsspannung weiter an, erfolgt bei fo, wie schon ausgeführt'ein Signalwechsel gemäß Fig. 4b am unteren D-Flip-Flop 13. Der hiernach Spannung führende Q-Ausgang ist an einen einstellbaren Spannungsteiler 34 geführt, an dessen Abgriff eine Spannung abgegriffen über die Leitung 35 dem oberen Impulsoszillator zugeführt ist und dessen Frequenz auf eine Frequenz f2 erhöht. Hierdurch schaltet der Ausgang des oberen D-Flip-Flops 13 gemäß Fig. 4 a wieder zurück bis die Frequenz f2 erreicht wird.
• Die Ausgänge der beiden D-Flip-Flops 13 lassen sich je nach Anwendungsfalls derart über Gatter oder Dioden verknüpfen, daß sich für die Frequenzbereiche bis f1, von 1 bis f0, von fo bis f2 und dem Bereich über f2 die erforderlichen Ausgangssignale ableiten lassen. Werden gemäß Fig. 3 die beiden Q- und die beiden Q-Ausgänge über UND-Gatter 36 und 37 verknüpft, entstehen an deren Ausgängen 38 und 39 Signale gemäß Fig.4c und d die anzeigen, daß die Frequenz des zu überwachenden Signals unter oder über der Bereichsgrenze liegt.
• Auf diese Weise lassen sich digitale oder Wechselstromgeber wie z.B.
• Tachogeneratoren in Motorregelkreisen oder die Nachführung bei numerischen Steuerungen überwachen.
• Die erfindungsgemäßs Schaltungsanordnungen eignen sich für eine Vielzahl von Anwendungsfällen und bieten besondere Vorteile bei sehr schnellen Regelungen, digitalen Steuerungen und bei der Demodulation frequenzmodulieter Impulsspannungen mit hoher bit-Rate. Die zu überwachende Wechsel-oder Impulsspannung kann aus Drehgebern; Abstandssensoren oder- dem Lesekopf eines Magnetschichtspeichers stammen.

Claims (6)

1. Patentansprüche 1. Frequenzsensitiver. flankengetriggerter Phasendetektor, mit mehreren sich gegenseitig rücksetzenden Flip-Flops, der bei einem Phasenvergleich zweier Wechselspannungen je nach Phasenlage positive oder negative Ausgangsimpulse liefert, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (12) des Phasendetektors (5) mit Steuereingängen eines weiteren Flip-Flops (13) in einer Weise verbunden ist, durch die, über die Ausgangsimpulse des Phasendetektors (5) ein Setzen des Flip-Flop 13 abhängig von der Polarität der Ausgangsimpulse erfolgt und das Flip-Flop (13) erst wieder zurückgesetzt wird, wenn sich die Polarität der Ausgangsimpulse ändert.
2. 2. Phasendetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Phasendetektor (5) neben den in der Polarität sich ändernden Ausgangsimpulse an einem zweiten Ausgang weitere gleichartige Ausgangsimpulse entnommen sind, deren Polarität unverändert bleibt, diese Ausgangsimpulse dem Clock-Eingang eines D-Flip-Flops (13) zugeführt sind, dessen D-Eingang am ersten Ausgang des Phasendetektors (5) mit den entsprechend der Phasenlage unterschiedlich polarisierten Ausgangsimpulsen liegt.
3. 3. Phasendetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Phasendetektors (5) mit den Impulsen unterschiedlicher Polarität ein sogenannter Tri-State-Ausgang (12) ist, dieser Ausgang über einen Widerstand (14) am Bezugspotential (15) des weiteren Flip-Flops (13) liegt und dieser Widerstand derart bemessen ist, daß bei hochohmigem Tri-State-Ausgang (12) die Ausgangsspannung nahezu das Bezugspotential (15) annimmt.
4. 4. Phasendetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3,. dadurch gekennzeichnet, daß dem ersten Eingang des Phasendetektors (5) eine impulsförmige Wechselspannung aus einem in der Frequenz einstellbaren Osizillator-(31) zugeführt ist und einem zweiten Eingang die impulsförmige Wechselspannung aus einem frequenzsensitiven Sensor zugeführt ist.
5. 5. Phasendetektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor als Lesekopf eines digitalen Magnetschichtspeichers dient.
6. 6. Phasendetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei gleichartig geschaltete Phasendetektoren (5) mit nachgeschalteten Flip-Flops (13) vorgesehen sind, deren ersten Eingängen (30) eine Wechselspannung mit der zu Uberwachenden Frequenz, den beiden zweiten Eingängen Impulsspannungen unterschiedlicher voreingestellter Frequenz zugeführt sind, und die Ausgänge der nachgeschalteten Flip-Flops (13) derart miteinander, insbesondere über Gatter (36, 37) verknüpft sind, daß an deren Ausgängen innerhalb eines Frequenzbandes unterschiedliche Ausgangsspannungen und/oder ein Außer-Bereich-Signal anliegt, sobald die Frequenz der zu überwachenden Wechsel spannung die voreingestellten Frequenzen in vorgegebener Richtung überschreitet.