DE3218363C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung zum Steuern eines spannungsabhängigen Oszillators nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention is based on a circuit arrangement to control a voltage dependent oscillator according to the preamble of claim 1.
Schaltungsanordnungen dieser Art sind beispielsweise aus der US-PS 41 55 050 bekannt und werden häufig auch als "Phasen-lock-loop-Schaltungen" bezeichnet.Circuit arrangements of this type are, for example known from US-PS 41 55 050 and are often also referred to as "phase lock loop circuits".
Bei den in diesen Schaltungsanordnungen eingesetzten Phasenkomparatoren handelt es sich um digitale Komparatoren, die zwei getrennte Ausgänge aufweisen, die je nach Verschiebungsrichtung der Eingangssignale jeweils entsprechende Impulse abgeben, 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 zu Null bestehen, welche sicherstellt, daß jede kleinste Phasenänderung auch eine entsprechende proportionale Änderung der Impulsbreiten bie den Ausgangssignalen bewirkt.In the used in these circuit arrangements Phase comparators are digital comparators, which have two separate outputs, each according to the direction of displacement of the input signals give corresponding impulses, the widths of which coincide change the phase difference of the input signals. At In phase of the active edges of the two supplied Signals are the pulse widths of the output signals theoretically zero, while with a phase shift the pulse width of one or the other output signal increases depending on the direction of detuning. In in practice, however, remains at the outputs of the phase comparator a residual pulse width with a phase shift exist to zero, which ensures that every smallest phase change also a corresponding one proportional change of the pulse widths with the output signals causes.
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 mit dem zugeordneten Ausgang des Phasenkomparators verbunden sind. Zwei jeweils aus einem Widerstand und einem Kondensator ausgebildete und 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 generated in the phase comparator in the manner described Pulses are then in an active filter compared, the output signal of the adjusts voltage-dependent oscillator. This active Filter consists of an operational amplifier with Differential inputs, each via a coupling resistor with the assigned output of the phase comparator are connected. Two each from a resistance and a capacitor trained and on the Feedback feedback branches do that active filters to a controller with proportional-integral Share at which the coupling resistances and the Capacitors of the feedback branches the integral part and the coupling resistors and the feedback resistors Proportional part necessary for damping the control loop determine.
Bei der aus der US-PS 41 55 050 bekannten Schaltung wird ein aufgrund von Temperatureinflüssen und Schwankungen der Versorgungsspannung auftretender Phasen- Offset durch ein Widerstandsnetzwerk kompensiert. Ein aus der Mindestimpulsbreite der Ausgangssignale des Phasenkomparators resultierender Offset kann mit Hilfe dieses Widerstandsnetzwerkes jedoch nicht kompensiert werden.In the circuit known from US-PS 41 55 050 becomes a due to temperature influences and fluctuations of the supply voltage occurring phase Offset compensated by a resistor network. A from the minimum pulse width of the Output signals of the phase comparator resulting Offset can, however, with the help of this resistor network cannot be compensated.
Aus der US-PS 40 09 449 ist eine andere Schaltungsanordnung zur Steuerung eines spannungsabhängigen Oszillators bekannt, die gleichfalls von einem Referenzoszillator gespeist wird und einen Phasenkomparator aufweist. Der Phasenkomparator gemäß dieser Druckschrift ist als ein NOR-Gatter ausgebildet. Die beiden Ausgänge des Phasenkomparators sind mit den Eingängen eines Operationsverstärkers jeweils durch eine Reihenschaltung einer Diode und eines Widerstandes gekoppelt. Auch mit Hilfe dieser Kopplungen ist es nicht möglich, einen Offset zu kompensieren, der aus der Mindestimpulsbreite der Ausgangssignale des Phasenkomparators resultiert.Another circuit arrangement is known from US-PS 40 09 449 for controlling a voltage-dependent oscillator known, also from a reference oscillator is fed and has a phase comparator. The phase comparator according to this document is designed as a NOR gate. The two exits of the phase comparator are connected to the inputs of a Operational amplifiers each through a series connection a diode and a resistor coupled. Also with the help of these couplings it is not possible to get one Compensate for the offset from the minimum pulse width the output signals of the phase comparator results.
Aus Tietze/Schenk, "Halbleiter-Schaltungstechnik", Springer-Verlag, Berlin, 1974, ist bekannt, einen aus einem endlichen Eingangswiderstand eines Operationsverstärkers resultierenden Eingangsstrom sowie eine bauartbedingte Offset-Spannung des Operationsverstärkers durch Widerstandsnetzwerke bzw. die Verwendung einer externen Spannungsquelle zu kompensieren. Auch die aus dieser Druckschrift bekannten Schaltungsvarianten vermögen lediglich die spezifischen Offset- Effekte eines Operationsverstärkers zu kompensieren.From Tietze / Schenk, "semiconductor circuit technology", Springer-Verlag, Berlin, 1974, is known to have one out a finite input resistance of an operational amplifier resulting input current as well as a design-related offset voltage of the operational amplifier through resistance networks or use to compensate for an external voltage source. Also the circuit variants known from this publication only the specific offset To compensate for the effects of an operational amplifier.
Auch ein zwischen dem Phasenkomparator und dem spannungsabhängigen Oszillator angeordnetes aktives Filter kann nicht verhindern, daß das erzeugte Nachstellsignal Anteile enthält, welche den spannungsabhängigen Oszillator modulieren. Ursache hierfür ist die aus der Mindestimpulsbreite der vom Kompensator generierten Signale resultierende Offset- Spannung an den Eingängen des aktiven Filters, wobei unter Offset die Ablage der mittleren Eingangsspannung von 0 Volt bei einer Phasengleichheit von Referenz und Ausgangssignal verstanden wird. Diese Offset-Spannung hat, wenn der spannungsabhängige 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 einer Frequenzteilung und ist Ursache dafür, daß diese Schaltungsanordnungen als unbefriedigend gelten.Also one between the phase comparator and the active oscillator arranged voltage-dependent Filter can not prevent the adjustment signal generated Contains shares that the modulate voltage-dependent oscillator. reason for this is the from the minimum pulse width of the Compensator generated signals resulting offset Voltage at the inputs of the active filter, where the offset of the mean input voltage of 0 volts with a phase equality of reference and Output signal is understood. This offset voltage if the voltage-dependent oscillator frequency is captured at the output of the active Filters the voltage-dependent oscillator in sawtooth voltage modulating its frequency, which is also a parabolic changing phase modulation causes. This disadvantageous Phase modulation increases in its phase shift with that Division factor of a frequency division and is the cause for making these circuit arrangements unsatisfactory be valid.
Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art die Phasenmodulation im Ausgangssignal des spannungsabhängigen Oszillators zu vermindern.The invention is therefore based on the object a circuit arrangement of the type mentioned the phase modulation in the output signal of the reduce voltage-dependent oscillator.
Diese Aufgabe ist mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.This object is achieved with the features specified in claim 1.
Die erfindungsgemäße Maßnahme führt zu einer Kompensation der Offset-Spannung am Eingang des aktiven Filters und beseitigt damit die Ursache für die Phasenmodulation des spannungsabhängigen Oszillators. Bei einer geeigneten Dimensionierung des Kondensators, der Ladewiderstände, der Koppelwiderstände sowie der Entladewiderstände wird die Aufintegration der während der Mindestimpulsbreite des Phasenkomparators am Operationsverstärker anliegenden Steuerspannung durch eine Aufintegration der aus der Kondensatorentladung während der restlichen Periodendauer des Referenzsignals am Operationsverstärker anliegenden Entladespannung kompensiert. Es tritt hierdurch nur noch eine geringfügige Modulation der dem spannungsabhängigen Oszillator zugeführten Spannung auf.The measure according to the invention leads to compensation the offset voltage at the input of the active filter and thereby eliminates the cause of the Phase modulation of the voltage-dependent oscillator. With a suitable dimensioning of the capacitor, the charging resistors, the coupling resistors and the Discharge resistors are used during the integration process the minimum pulse width of the phase comparator on the operational amplifier applied control voltage through an integration of the from the capacitor discharge during the remaining period of the Reference signal applied to the operational amplifier Discharge voltage compensated. It only occurs through this another slight modulation of that voltage-dependent oscillator supplied voltage on.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, die Ausgänge des Phasenkomparators jeweils über den Ladewiderstand, die Diode und den Kondensator zum Bezugspotential (Masse) zu führen und die Verbindungspunkte der Dioden und Kondensatoren mit dem zugeordneten Eingang des aktiven Filters über je einen der Entladewiderstände zu verbinden, die mit dem jeweiligen Koppelwiderstand die Spannungsteiler bilden.According to a preferred embodiment, it is proposed that the outputs of the phase comparator each about the charging resistor, the diode and the capacitor lead to the reference potential (ground) and the connection points of the diodes and capacitors with the associated one Input of the active filter via one of the Discharge resistors to connect with each Coupling resistance form the voltage divider.
In den Gleichrichterschaltungen ist es zweckmäßig, die Ladewiderstände auf kleine Widerstandswerte und die Entladewiderstände auf große Widerstandswerte 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 entstehen daher geglättete Gleichspannungen, deren Höhen sich so einstellen, daß die Differenzen der Eingangsspannungen am aktiven Filter zur Kompensation der Offset-Spannung führen. In the rectifier circuits, it is appropriate to Charging resistors to small resistance values and the Dimension discharge resistors to large resistance values, so the resulting time constant for the Discharge of the capacitors large compared to the period the comparison frequency of the in the phase comparator signals to be compared. On the two capacitors the rectifier circuit therefore arise smoothed DC voltages, the levels of which are adjusted that the differences in the input voltages at active filter to compensate for the offset voltage to lead.
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 verkürzen und die Kompensation der Offset-Spannung mit den zuvor gespeicherten Spannungswerten der Kondensatoren überbrücken.The outputs of the phase comparator can with the charging resistors the rectifier circuits also over one gate circuit each is connected, which during switching of the division factor of the frequency divider The charging process is interrupted briefly. With this you can the long settling time constant that otherwise occurs during switching processes by interrupting the capacitor charging processes shorten and compensate for the Offset voltage with the previously saved voltage values bridge the capacitors.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigtThe invention is based on the drawings explained in more detail. It shows
Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zur Steuerung eines spannungsabhängigen Oszillators und Fig. 1 shows a circuit arrangement for controlling a voltage-dependent oscillator and
Fig. 2 das aktive Filter nach Fig. 1 mit Gattern zur Unterbrechung des Kondensatorladungsvorganges. Fig. 2 shows the active filter of FIG. 1 with gates to interrupt 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 ist. Der zweite Eingang (V) des Phasenkomparators (12) erhält Signale von einem Frequenzteiler (13), welcher von den Ausgangssignalen eines spannungsabhängigen Oszillators (14) angesteuert wird. Die Ausgangssignale der beiden Ausgänge (D, U) des Phasenkomparators (12) werden in einem aktiven Filter (15) verglichen, dessen Ausgangssignal den spannungsabhängigen Oszillator (14) nachstellt.As shown in FIG. 1, the circuit arrangement shown in part as a block diagram consists of a reference oscillator ( 10 ), the output signal of which is fed to an input (R) of a digital phase comparator ( 12 ) via a frequency divider ( 11 ). The second input (V) of the phase comparator ( 12 ) receives signals from a frequency divider ( 13 ) which is driven by the output signals of a voltage-dependent oscillator ( 14 ). 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 adjusts the voltage-dependent oscillator ( 14 ).
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 Phasenkomparators (12) verbunden.The active filter ( 15 ) consists of an operational amplifier ( 20 ), the output of which is fed back to the inverting input (-) via a series connection of a capacitor ( 21 ) and a resistor. The non-inverting input (+) of the operational amplifier ( 20 ) is connected to ground via an equally dimensioned series connection of a resistor ( 23 ) and a capacitor ( 24 ). Both inputs of the operational amplifier ( 20 ) are also connected via a coupling resistor ( 25 ) of the same size to the assigned output (D, U) of the phase comparator ( 12 ).
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 zugeordneten Ausgang (D, U) des Phasenkomparators (12) verbundenen Ladewiderstand (30), einer Diode (31), einem von der Kathode der Diode (31) nach Masse führenden Kondensator (32) sowie einem vom Hochpunkt des Kondensators (32) zum jeweiligen Eingang des Operationsverstärkers (20) führenden Entladewiderstand (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 bridged by rectifier circuits of the same size. These rectifier circuits each consist of a charging resistor ( 30 ) connected to the associated output (D, U) of the phase comparator ( 12 ), a diode ( 31 ), a capacitor ( 32 ) leading from the cathode of the diode ( 31 ) to ground, and 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 a small resistance value, while the discharge resistors ( 33 ) are dimensioned to a large resistance value. As a result, the time constant for the discharge of the capacitors ( 32 ) becomes large compared to the period of the comparison frequency of 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. der abgeleiteten Entladung abhängen. Da diese Ladungsmengen im abgeglichenen Zustand gleich sind, kann für beide Zweige folgende Beziehung aufgestellt werden:When the circuit arrangement according to FIG. 1 is operating, a smoothed DC voltage is established on the two capacitors ( 32 ), the levels of which depend on the charge that is supplied to the capacitors or the discharge that is derived. Since these amounts of charge are the same in the balanced state, the following relationship can be established for both branches:
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:U o is the pulse voltage at an output of the phase comparator ( 12 ), t R is the duration of an output pulse of the phase comparator and T is the period of the comparison frequency of the signals compared in the phase comparator. U c is the voltage of the capacitors ( 32 ). The above equation can also be written as follows after a transformation:
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=(R₃₃+R₂₅)/R₃₀ wird. Die um den Faktor R₂₅/(R₃₃+R₂₅) geteilte Spannung Uc der Kondensatoren (32) bewirkt als Differenz mit den über die Koppelwiderstände (25) zugeführten 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 im wesentlichen frei von Phasenmodulation und erfüllt damit hinsichtlich der Phasenreinheit sehr hohe Anforderungen.From this equation it can be seen that the voltage U c across the capacitors ( 32 ) changes most when U c = U o / 2 or T / t R = (R₃₃ + R₂₅) / R₃₀. The divided by the factor R₂₅ / (R₃₃ + R₂₅) voltage U c of the capacitors ( 32 ) as a difference with the voltages supplied via the coupling resistors ( 25 ) compensates for the offset voltage at the operational amplifier ( 20 ). This compensation takes place except for a negligible remainder, which is several orders of magnitude smaller than the offset voltage without compensation. The output signal of the voltage-dependent oscillator ( 14 ) is therefore essentially free of phase modulation and thus fulfills very high requirements with regard to the phase purity.
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.In the illustration of FIG. 2 is a modification of the active filter (15) according to Fig. 1 seen in the charging resistors (30) directly from the outputs (D, U) of the phase comparator (12) but from the outputs one gate circuit ( 40 ) can be driven. These gate circuits ( 40 ) each have one of their inputs at the corresponding outputs (D, U) of the phase comparator ( 12 ), while their second inputs can be briefly controlled depending on the switching of the division factors of the frequency dividers. And gates can be used as gates, which switch on the output while simultaneously controlling both inputs. When switching the division factors of the frequency dividers, it is therefore possible to briefly interrupt the charging process of the capacitors and thus shorten the long settling time constants that otherwise occur. The compensation of the offset voltage at the operational amplifier ( 20 ) is then continued for the interruption period with the voltage values stored in the capacitors ( 32 ).
Claims (4)
daß ein dem Referenzoszillator (10) nachgeschalteter Frequenzteiler (11) sowie ein zwischen dem spannungsabhängigen Oszillator (14) und dem Phasenkomparator (12) angeordneter Frequenzteiler (13) vorgesehen sind,
daß Koppelwiderstände (25) zwischen zwei Ausgängen (D, U) des Phasenkomparators (12) und zwei Eingängen eines aktiven Filters (15) durch jeweils gleich dimensionierte Gleichrichterschaltungen überbrückt sind, die über Ladewiderstände (30) aufladbare Kondensatoren (32) aufweisen, die sich über mit Abgriffen an den Eingängen des aktiven Filters (15) liegenden Spannungsteilern, die jeweils aus der Reihenschaltung von Widerständen (33, 25) ausgebildet sind, entladen und
daß zwischen den Ladewiderständen (30) und den Kondensatoren (32) jeweils eine Diode (31) angeordnet ist.1. A circuit arrangement for controlling a voltage-dependent oscillator with a reference oscillator, the output signal of which is compared with the output signal of the voltage-dependent oscillator in the area of a phase comparator for generating a signal which adjusts the voltage-dependent oscillator via an active filter, characterized in that
that a frequency divider ( 11 ) connected downstream of the reference oscillator ( 10 ) and a frequency divider ( 13 ) arranged between the voltage-dependent oscillator ( 14 ) and the phase comparator ( 12 ) are provided,
that coupling resistors ( 25 ) are bridged between two outputs (D, U) of the phase comparator ( 12 ) and two inputs of an active filter ( 15 ) by rectifier circuits of the same size, which have capacitors ( 32 ) that can be charged via charging resistors ( 30 ) Discharged via and with taps at the inputs of the active filter ( 15 ), which are each formed from the series connection of resistors ( 33, 25 )
that a diode ( 31 ) is arranged between the charging resistors ( 30 ) and the capacitors ( 32 ).
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