DE3218363A1

DE3218363A1 - Circuit arrangement for controlling a voltage-dependent oscillator

Info

Publication number: DE3218363A1
Application number: DE19823218363
Authority: DE
Inventors: Peter 2301 Schierensee Buttenschön
Original assignee: Howaldtswerke Deutsche Werft GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp Marine Systems GmbH
Priority date: 1982-05-15
Filing date: 1982-05-15
Publication date: 1983-11-17
Also published as: DE3218363C2

Abstract

A phase comparator is in each case driven via frequency dividers from a reference oscillator and from a voltage-dependent oscillator. The output signals of the phase comparator correct the voltage-dependent oscillator via an active filter in which measures for compensating for the offset voltage for suppressing the phase modulation in the voltage-dependent oscillator are provided.

Description

Schaltungsanordnung zur Steuerung eines Circuit arrangement for controlling a

spannungsabhängigen Oszillators Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Steuerung eines spannungabhängigen Oszillators mit einem Referenzoszillator und einem nachgeschalteten Frequenzteiler, dessen Ausgangssignal mit dem Ausgangssignal eines vom spannungsabhängigen Oszillator beeinflußten Frequenzteilers verglichen wird zur Erzeugung eines den spannungsabhängigen Oszillator über ein aktives Filter nachstellenden Signals. voltage-dependent oscillator The invention relates to a Circuit arrangement for controlling a voltage-dependent oscillator with a Reference oscillator and a downstream frequency divider, its output signal with the output signal of a frequency divider influenced by the voltage-dependent oscillator is compared to the generation of the voltage-dependent oscillator via a active filter adjusting signal.

Schaltungsanordnungen dieser Art sind grundsätzlich bekannt und werden häufig auch als "Phasen-lock-loop-Schaltungen" bezeichnet.Circuit arrangements of this type are basically known and will be often also referred to as "phase lock-loop circuits".

Bei den in diesen Schaltungsanordnungen eingesetzten Phasenkomparatoren handelt es sich um digitale Komparatoren, d.h. die zwei getrenntenAusgänge geben je nach Verschiebungsrichtung der Eingangssignale jeweils entsprechende Impulse ab, deren Breiten sich mit dem Phasenunterschied der Eingangssignale ändern, Bei Phasengleichheit der aktiven Flanken der zwei zugeführten Signale sind die Impulsbreiten der Ausgangssignale theoretisch. Null, während bei einer Phasenverschiebung die Impulsbreite des einen oder anderen Ausgangssignals je nach Verstimmungsrichtung zunimmt. In der Praxis bleibt jedoch an den Ausgängen des Phasenkomparators eine Restimpulsbreite bei einer Phasenverschiebung von Null bestehen, welche sicherstellt, daß jede kleinste Phasenänderung auch eine entsprechende proportionale Änderung der Impulsbreiten bei den Ausgangssignalen bewirkt.With the phase comparators used in these circuit arrangements are digital comparators, i.e. they have two separate outputs depending on the direction of displacement of the input signals appropriate Pulses whose widths change with the phase difference of the input signals, If the active edges of the two signals are in phase, the pulse widths are of the output signals theoretically. Zero, while with a phase shift the Pulse width of one or the other output signal depending on the detuning direction increases. In practice, however, one remains at the outputs of the phase comparator There are residual pulse widths with a phase shift of zero, which ensures that every smallest phase change is also a corresponding proportional change the pulse widths in the output signals.

Die im Phasenkomparator auf die beschriebene Weise erzeugten Impulse werden dann in einem aktiven Filter verglichen, dessen Ausgangssignal den spannungsabhängigen Oszillator nachstellt. Dieses aktive Filter besteht aus einem Operationsverstärker mit Differenzeingängen, die jeweils über einen Koppelwiderstand am mit dem zugeordneten Ausgang des Phasenkomparators verbunden sind. Zwei jeweils aus einem Widerstand und einem Kondensator auf die Eingänge zurückgeführte Rückkoppelzweige machen das aktive Filter zu einem Regler mit Proportional-Integral-Anteil, bei dem die Koppelwiderstände und die Kondensatoren der Rückkoppelzweige den Integralteil und die Koppelwiderstände und die Rückkoppelwiderstände den zur Dämpfung des Regelkreises notwendigen Proportionalteil bestimmen.The pulses generated in the phase comparator in the manner described are then compared in an active filter, the output signal of which is voltage-dependent Adjusting the oscillator. This active filter consists of an operational amplifier with differential inputs, each of which has a coupling resistor connected to the associated Output of the phase comparator are connected. Two each from a resistance feedback branches fed back to the inputs and a capacitor do that active filter to a controller with proportional-integral component, in which the coupling resistances and the capacitors of the feedback branches, the integral part and the coupling resistors and the feedback resistors the proportional part necessary for damping the control loop determine.

Ein solches aktives Filter kann aber nicht verhindern, daß das erzeugte Nachstellsignal Anteile enthält, welche den spannungsabhängigen Oszillator modulieren. Ursache hierfür. ist die sogenannte Offset-Spannung an den Eingängen des aktiven Filters (Offset = die Ablage der Eingangsspannung von Null Volt bei einer Ausgangsspannung von Null Volt).However, such an active filter cannot prevent the generated Adjustment signal contains components that modulate the voltage-dependent oscillator. Reason for this. is the so-called offset voltage at the inputs of the active Filters (offset = the storage of the input voltage from Zero volts at an output voltage of zero volts).

Diese Offset-Spannung hat, wenn der spannungsabkiängige Oszillator frequenzmäßig eingefangen ist, am Ausgang des aktiven Filters eine den spannungsabhängigen Oszillator in seiner Frequenz modulierende Sägezahnspannung zur Folge, welche gleichzeitig auch eine sich parabelförmig ändernde Phasenmodulation bewirkt. Diese nachteilige Phasenmodulation steigt in ihrem Phasenhub mit dem Teilungsfaktor der Frequenzteilung, und ist Ursache dafür, daß diese Schaltungsanordnungen als unbefriedigend gelten.This offset voltage has when the voltage-dependent oscillator is captured in terms of frequency, at the output of the active filter a voltage-dependent one Oscillator in its frequency modulating sawtooth voltage result, which at the same time also causes a parabolic changing phase modulation. This disadvantageous Phase modulation increases in its phase deviation with the division factor of the frequency division, and is the reason why these circuit arrangements are considered unsatisfactory.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art die Phasenmodulation im Ausgangs signal des spannungsabhängigen Oszillators zu vermeiden. Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Koppelwiederstände zwischen den beiden Ausgängen des Phasenkomparators und den beiden Eingängen des aktiven Filters durch jeweils gleich dimensionierte Gleichrichterschaltungen überbrückt sind, deren über Ladewiderstände aufladbare Kondensatorein sich über mit den Abgriffen an den Eingängen des aktiven Filters liegende Spannungsteiler entladen.The invention is therefore based on the object of a circuit arrangement of the type mentioned, the phase modulation in the output signal of the voltage-dependent Avoid oscillator. According to the invention, this object is achieved by that the coupling resistors between the two outputs of the phase comparator and the two inputs of the active filter through rectifier circuits of the same size are bridged, the capacitors of which are chargeable via charging resistors voltage dividers with the taps at the inputs of the active filter unload.

Die erfindungsgemäße Maßnahme führt zu einer Kompensation der Offset-Spannung am Eingang des aktiven Filters und beseitigt damit die Ursache für die Phasenmodulation des spannungabhängigen Oszillators. Dabei ist es sinnvoll die Ausgänge des Phasenkomperators jeweils über den Ladewiderstand, eine Diode und einen Kondensator zum Bezugspotential (Masse) zu führen und die Verbindungspunkte der Dioden und Kondensatoren mit dem zugeordneten Eingang des aktiven Filters über je einen Entladewiderstand zu verbinden, die mit dem jeweiligen Koppelwiderstand die Spannungsteiler bilden.The measure according to the invention leads to a compensation of the offset voltage at the input of the active filter and thus eliminates the cause of the phase modulation of the voltage-dependent oscillator. It makes sense to use the outputs of the phase comparator each via the charging resistor, a diode and a capacitor to the reference potential (Ground) and the connection points of the diodes and capacitors with the to connect the assigned input of the active filter via a discharge resistor each, which form the voltage divider with the respective coupling resistor.

In den Gleichrichterschaltungen ist es zweckmäßig die Ladewiderstände auf kleine Widerstandswerte und die Entladewiderstände auf große Widerstandswerte.In the rectifier circuits, it is useful to use the charging resistors to small resistance values and the discharge resistors to large resistance values.

zu bemessen, damit die sich ergebende Zeitkonstante für die Entladung der Kondensatoren groß gegenüber der Periodendauer der Vergleichsfrequenz der im Phasenkomparator zu vergleichenden Signale wird, An den beiden Kondensatoren der Gleichrichterschaltung entsteht daher eine geglättete Gleichspannung, deren Höhen sich so einstellen, daß die Differenzen der Eingangsspannungen am aktiven Filter zur Kompensation der Offset-Spannung führen.to be measured so that the resulting time constant for the discharge of the capacitors large compared to the period of the comparison frequency of the im Phase comparator to be compared signals, on the two capacitors of the Rectifier circuit therefore creates a smoothed DC voltage, its heights adjust themselves in such a way that the differences in the input voltages at the active filter lead to compensation of the offset voltage.

Die Ausgänge des Phasenkomparators können mit den Ladewiderständen der Gleichrichterschaltungen auch über je eine Gatterschaltung verbunden sein, welche bei Umschaltungen des Teilungsfaktors der Frequenzteiler den Ladevorgang kurzzeitig unterbricht. Hiermit läßt sich die sonst bei Umschaltvorgängen auftretende lange Einschwingzeitkonstante durch Unterbrechung der Kondensatorladungsvorgänge verkUrzen und die Kompensation der Offset-Spannung mit den zuvor gespeicherten Spannungswerten der Kondensatoren überbrücken.The outputs of the phase comparator can be connected to the charging resistors the rectifier circuits can also be connected via a gate circuit each, which when switching the division factor of the frequency divider, the charging process is briefly stopped interrupts. This eliminates the long that otherwise occurs during switching processes Shorten the settling time constant by interrupting the capacitor charging processes and the compensation of the offset voltage with the previously stored voltage values bridge the capacitors.

Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zur Steuerung eines spannungsabhängigen Oszillators und Fig. 2 das aktive Filter nach Fig. 1 mit Gattern zur Unterbrechung des Kondensatorladungsvorganges.The invention is explained in more detail with reference to the accompanying drawings. 1 shows a circuit arrangement for controlling a voltage-dependent Oscillator and FIG. 2 the active filter according to FIG. 1 with gates for interruption of the capacitor charging process.

Wie die Darstellung nach Fig. 1 zeigt, besteht die teilweise als Blockschaltbild abgebildete Schaltungsanordnung aus einem Referenzoszillator 10, dessen Ausgangssignal über einen Frequenzteiler 11 einem Eingang R eines digitalen Phasenkomparators 12 zugeführt sind. Der zweite Eingang V des Phasenkomparators 12 erhält Signale von einem Frequenzteiler 13, welcher von den Ausgangssignalen eines spannungsabhängigen Oszillators 14 angesteuert wird.As the illustration according to FIG. 1 shows, there is partly a block diagram The circuit arrangement shown consists of a reference oscillator 10, the output signal of which Via a frequency divider 11 to an input R of a digital phase comparator 12 are supplied. The second input V of the phase comparator 12 receives signals from a frequency divider 13, which of the output signals of a voltage-dependent Oscillator 14 is controlled.

Die Ausgangssignale der beiden Ausgänge D,U des Phasenkomparators 12 werden in einem aktiven Filter 15 verglichen, dessen Ausgangssignal den spannungsabhängigen Oszillator 14 nachstellt.The output signals of the two outputs D, U of the phase comparator 12 are compared in an active filter 15, the output signal of which is the voltage-dependent Oscillator 14 readjusts.

Das aktive Filter 15 besteht aus einem Operationsverstärker 20, dessen Ausgang über eine Reihenschaltung eines Kondensators 21 und eines Widerstandes auf den invertierenden Eingang (-) zurückgekoppelt ist. Der nichtinvertierende Eingang (+) des Operationsverstärkers 20 ist über eine gleichdimensionierte Reihenschaltung eines Widerstandes 23 und eines Kondensators 24 mit Masse verbunden. Beide Eingänge des Operationsverstärkers 20 sind darüber hinaus über je einen Koppelwiderstand 25 gleicher Größe mit dem zugeordneten Ausgang D,U des Phasenkomp -rators 12 verbunden.The active filter 15 consists of an operational amplifier 20, whose Output via a series connection of a capacitor 21 and a resistor the inverting input (-) is fed back. The non-inverting input (+) of the operational amplifier 20 is via an equally dimensioned series circuit a resistor 23 and a capacitor 24 connected to ground. Both entrances of the operational amplifier 20 are also each via a coupling resistor 25 of the same size with the associated output D, U of the phase comparator 12 connected.

Zur Kompensation der Offset-Spannung beim Operationsverstärker 20 sind die Koppelwiderstände 25 jeweils durch gleichdimensionierte Gleichrichterschaltungen überbrückt. Diese Gleichrichterschaltungen bestehen jeweils aus einem mit dem zugeordr.reten Ausgang D,U des Phasenkomparators 12 verbundenen Ladewiderstand 30, einer Diode 31 einem von der Kathode der Diode 31 nach Masse führenden Kondensa.-tor 32, sowie einem vom Hochpunkt des Kondensators 32 zum jeweiligen Eingang des Operationsverstärkers 20 führenden Entladewiderstandes 33. Die Entladewiderstände 33 bilden zusammen mit den jeweiligen Koppelwiderständen 25 zwei Spannungsteiler, an deren Abgriffen die Eingänge des Operationsverstärkers 20 liegen. Die Ladewiderstände 30 sind dabei auf einen kleinen Widerstandswert bemessen, während die Entladewiderstände 33 auf einen großen Widerstandswert bemessen sind. Hierdurch wird die Zeitkonstante für die Entladung der Kondensatoren 32 groß gegenüber der Periodendauer der Vergleichsfrequenz der im Phasenkomparator 12 zu vergleichenden Signale.To compensate for the offset voltage in the operational amplifier 20 the coupling resistors 25 are each by means of rectifier circuits of the same size bridged. These rectifier circuits each consist of one with the associated Output D, U of the phase comparator 12 connected charging resistor 30, a diode 31 a capacitor 32 leading from the cathode of the diode 31 to ground, as well as one from the high point of the capacitor 32 to the respective input of the Operational amplifier 20 leading discharge resistor 33. The discharge resistors 33 together with the respective coupling resistors 25 form two voltage dividers, at whose taps the inputs of the operational amplifier 20 are located. The charging resistors 30 are dimensioned to have a small resistance value, while the discharge resistors 33 are dimensioned to have a large resistance value. This makes the time constant for the discharge of the capacitors 32 is large compared to the period of the comparison frequency the signals to be compared in the phase comparator 12.

Beim Betrieb der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 stellt sich an den beiden Kondensatoren 32 eine geglättete Gleichspannung ein, deren Höhen von der den Kondensatoren jeweils zugeführten Ladung bzw.When operating the circuit arrangement according to FIG. 1 arises at the two capacitors 32 a smoothed DC voltage, the heights of the the respective charge or charge supplied to the capacitors

abgeleiteten Entladung abhängen. Da diese Ladungsmengen im abgeglichenen Zustand gleich sind, kann für beide Zweige folgende Beziehung aufgestellt werden: Hierbei bedeuten UO die Impulsspannung an einem Ausgang des Phasenkomparators 12, tR die Dauer eines Ausgangsimpulses des Phasenkomparators und T die Periodendauer der Vergleichsfrequenz der im Phasenkomparator verglichenen Signale. Uc ist die Spannung der Kondensatoren 32. Die zuvor angegebene Gleichung kann nach einer Umformung auch wie folgt geschrieben werden. depend on derived discharge. Since these charge quantities are the same in the balanced state, the following relationship can be established for both branches: Here, UO denotes the pulse voltage at an output of the phase comparator 12, tR the duration of an output pulse of the phase comparator and T the period duration of the comparison frequency of the signals compared in the phase comparator. Uc is the voltage of the capacitors 32. The equation given above can also be written as follows after conversion.

Aus dieser Gleichung läßt sich entnehmen, daß sich die Spannung Uc an den Kondensatoren 32 am stärksten ändert, wenn Uc = Uo/2 oder T/tR 5 (R33 + R25)/R30 wird. Die um den Faktor R25/(R33 + R25) g Spannung Uc der Kondensatoren 32 bewirkt als Differenz mit den über die Koppelwiderstände 25 zugeführte Spannungen die Kompensation der Offset-Spannung am Operationsverstärker 20. Diese Kompensation erfolgt bis auf einen' vernachlässigbaren Rest, der um mehrere Größenordnungen kleiner ist als die Offset-Spannung ohne Kompensation. Das Ausgangssignal des spannungsabhängigen Oszillators 14 ist daher frei von Phasenmodulation und erfüllt damit hinsichtlich der Phasenreinheit sehr hohe Anforderungen.From this equation it can be seen that the Voltage Uc across capacitors 32 changes the most when Uc = Uo / 2 or T / tR 5 (R33 + R25) / R30 becomes. The voltage Uc of the capacitors by the factor R25 / (R33 + R25) g 32 causes the difference with the voltages supplied via the coupling resistors 25 the compensation of the offset voltage at the operational amplifier 20. This compensation takes place except for a 'negligible remainder, which is several orders of magnitude smaller is than the offset voltage without compensation. The output signal of the voltage-dependent Oscillator 14 is therefore free of phase modulation and thus fulfills with regard to the phase purity has very high requirements.

In der Darstellung nach Fig. 2 ist eine Abwandlung des aktiven Filters 15 nach Fig. 1 zu sehen, bei der die Ladewiderstände 30 nicht direkt von den Ausgängen D,U des Phasenkomparators 12 sondern von den Ausgängen je einer Gatterschaltung 40 angesteuert werden. Diese Gatterschaltungen 40 liegen jeweils mit einem ihrer Eingänge an den entsprechenden Ausgängen D,U des Phasenkomparators 12, während ihre zweiten Eingänge in Abhängigkeit von der Umschaltung der Teilungsfaktoren der Frequenzteiler kurzzeitig ansteuerbar sind. Als Gatter können Und-Gatter eingesetzt werden, welche bei gleichzeitiger Ansteuerung beider Eingänge den Ausgang einschalten. Es ist daher bei Umschaltvorgängen der Teilungsfaktoren der Frequenzteiler möglich den Ladevorgang der Kondensatoren kurzzeitig zu unterbrechen und damit sonst auftretende lange Einschwingzeitkonstanten zu verkürzen. Die Kompensation der Offset-Spannung am Operationsverstärker 20 wird dann für den Unterbrechungszeitraum mit den in den Kondensatoren 32 gespeicherten Spannungswerten fortgesetzt. LeerseiteIn the illustration according to FIG. 2, there is a modification of the active filter 15 to see FIG. 1, in which the charging resistors 30 are not directly from the outputs D, U of the phase comparator 12 but from the outputs of a gate circuit 40 can be controlled. These gate circuits 40 are each with one of their Inputs to the respective outputs D, U of the phase comparator 12, while their second inputs depending on the switching of the division factors of the frequency divider are briefly controllable. And gates can be used as gates, which switch on the output with simultaneous activation of both inputs. It is therefore When switching over the division factors of the frequency divider, the loading process is possible briefly interrupting the capacitors and thus long settling time constants that would otherwise occur To shorten. The compensation of the offset voltage at the operational amplifier 20 is then for the interruption period with those stored in capacitors 32 Voltage values continued. Blank page

Claims

Circuit arrangement for controlling a voltage-dependent device Oscillator with a reference oscillator and a downstream frequency divider, its output signal with the output signal of a voltage-dependent oscillator Affected frequency divider is compared to generate a voltage-dependent Oscillator via an active filter adjusting signal, characterized in that that the coupling resistors (25) between the two outputs (D, U) of the phase comparator (12) and the two inputs of the active filter (15) by each having the same dimensions Rectifier circuits are bridged, their chargeable via charging resistors (30) Capacitors (32) are connected to the taps at the inputs of the active filter (15) lying voltage divider (33,25) discharged.

2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the outputs (D, U) of the phase comparator (12) each via the charging resistor (30), a diode (31) and a capacitor (32) lead to the reference potential (ground), and that the connection points of the diodes (31) and capacitors (32) with the associated Input of the active filter (ins) connected via a discharge resistor (33) each which form the voltage divider with the respective coupling resistors (25).

3. Circuit arrangement according to claim 1 and 2, characterized in that that the charging resistors (30) to small resistance values and the discharging resistors (33) are dimensioned for such large resistance values that the resulting time constants for the discharge of the capacitors (32) large compared to the period of the comparison frequency the signals to be compared in the phase comparator (12).

4. Circuit arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that that the outputs (D, U) of the phase comparator (12) with the charging resistors (30) of the rectifier circuits are each connected via a gate circuit (40), which when switching the division factor of the frequency divider (11,13) the charging process the capacitors (32) briefly interrupts.