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Einstellbarer, phasenverriegelter Frequenzgenerator
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Die Erfindung bezieht sich auf einen einstellbaren, phasenverriegelten
Frequenzgenerator, bei dem das Ausgangssignal. eines spannungsgesteuerten Oszillators
in einem einstellbaren Frequenzuntersetzer auf die Frequenz des Ausgangssignals
eines Referenzoszillators untersetzt und zusammen mit dem Ausgangssignal des Referenzoszillators
einem Frequenz- und Phasenvergleicher zugeführt ist, wobei ein eventuelles Fehlersignal
des Vergleichers den spannungsgesteuerten Oszillator nachregelt.
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Derartige phasenverriegelte Frequenzgeneratoren sinci auch unter dem
Namen "Phase Locked Loop (PLL)-Schaltungen" bekannt. Sie können dadurch zur Synthese
von Frequenzen dienen, daß, ausgehend von einer stabilen Referenzfrequenz eines
Quarzoszillators, die Frequenz des Ausgangssignals eines spannungsgesteuerten Oszillators
über einige einstellbare Zählerstufen als Frequenzuntersetzer heruntergeteilt wird
und mit der Frequenz des Quarzoszillators in einem Frequenz- und Phasenvergleicher
verglichen wird. Das Ausgangssignal des Phasenvergleichers steuert dann über ein
Filter den Steuereingang des spannungsgesteuerten Oszillators so, daß das Ausgangssignal
des frequenzuntersetzenden Zählers am Eingang des Frequenz- und Phasenvergleichers
der Impulsfolge des Referenzoszillators in Phase und Frequenz gleich ist.
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Dabei wird vom Frequenz- und Phasenvergleicher, wenn die Frequenz
oder die Phase des frequenzgeteilten Signals von der Referenzfrequenz abweicht,
eine Anzahl von Pulsen produziert, die der Differenz der beiden Eingangsfrequenzen
des Vergleichers entspricht. Die Pulslänge der Ausgangsimpulse des Phasenvergleichers
entspricht der Phasen-
differenz der beiden Eingangssignale.
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Die Ausgangsimpulse des Frequenz- und Phasenvergleichers werden in
einem aktiven Filter, der als Integrator wirkt, integriert und dem Steuereingang
des spannungsgesteuerten Oszillators zugeführt. Die Polarität dieser Steuerspannung
ist so festgelegt, daß eine Ausregelung der Frequenzdifferenz der miteinander verglichenen
Signale auf Null erzielt wird. Die Stabilisierung der Schleife erfolg-t über eine
konstante Phasendifferenz.
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Ein phasenverriegelter Frequenzgenerator besitzt im verriegelten Zustand
ähnliche Eigenschaften wie ein Schwingkreis. So kann für die PLL-Schleife eine Dämpfung
und eine Resonanzfrequenz definiert werden. Beide Parameter sind von der Gesamtverstärkung
innerhalb der Schleife, der Verstärkung im Frequenz- und Phasenvergleicher und von
der Dimensionierung des integrierenden Filters abhängig.
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Soll ein phasenverriegelter Frequenzgenerator in einem großen Frequenzbereich
einstellbar sein und in seinen Regelverhalten über den ganzen Bereich stabil bleiben,
so führt das zu einer für viele Fälle unvertretbar langen Einstellzeit nach einer
Umstellung der zu synthetisierenden Frequenz durch Änderung des in den voreingestellten,
frequenzuntersetzenden Zähler eingegebenen Zahlenwertes.
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Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, einen einsteGlbaren, phasenverriegelten
Frequenzgenerator, wie er eingangs beschrieben ist, so zu verbessern, daß seine
Einstellzeit nach einer Neueinstellung der Frequenz des Ausgangssignals wesentlich
verkürzt wird.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung durch die im
Kennzeichen des Anspruchs 1 enthaltenen Mlßnahen.
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Durch das Einführen einer Korrekturgröße, die zusätzlich zu der über
die Regel schleife erzeugten Stellgröße dem Stelleingang zugeführt ist, wird eine
beschleunigte Einstellung des spannungsgeregelten Oszillators auf eine neu eingestellte
Frequenz erzwungen.
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Zweckmäßig wird das Ausgangssignal des Digital-Analog-Konverters dem
spannungsgesteuerten Oszillator zusammen mit dem Fehlersignal des Vergleichers über
eine Summierschaltung zugeführt.
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Sol] die Frequenz des Ausgangssignals des Frequenzgenerators in einem
großen Frequenzbereich einstellbar sein, so ist es zweckmäßig, als Digital-Analog-Konverter
einen integrierten Konverter vorzusehen.
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Bei nicht so großem Einstellbereich kann es dagegen zweckmäßig sein,
einen Digital-Analog-Konverter mib diskreten, entsprechend gewichteten Widerständen
innerhalb einer Summierschaltung zu realisieren.
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Die Erfindung wird anhand von drei Figuren erläutert.
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Figur 1 stellt eine Schaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1
dar.
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In Figur 2 ist eine Ergänzungsschaltung, bei der die Erfindung verwertet
ist, gezeigt.
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Figur 3 stellt eine Abwandlung dieser Ergänzungsschaltung dar.
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In Figur 1 ist einem spannungsgesteuerten Oszillator VCO am Ausgang
A ein frequenzverriegeltes, phasenstabiles Signal f zu entnehmen. Das gleiche Signal
liegt auch am Eingang eines Voruntersetzers PSC, dessen Ausgangssignal Zähleingängen
zweier Rückwärtszähler Z1 und Z2 zugeführt ist. Ein Ausgang für das Nullsignal des
Zählers Z1 liegt an einem von zwei Eingängen eines Frequenz- und Phasenvergleichers
FV, dessen anderer Eingang vom Signal fR eines quarzstabilisierten Referenzoszillators
RO beauf-
schlagt ist. Der Ausgang des Frequenz- und Phasenvergleichers
PV ist mit dem Eingang eines Filters FT verbunden, dessen Ausgang mit dem Steuereingang
des spannungsabhängigen Oszillators VCO in Verbindung steht.
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über Einstellbiteingänge der. Zähler Z1 und Z2 können diesen Zählern
bestimmte Zahlenwerte N1 bzw. N2 eingegeben werden. Ein Signalausgang für das Nullsignal
des Zählers Z2 ist an einen Einstelleingang des Voruntersetzers PSC gelegt. Das
Nullsignal des Zählers Z1 steuert über Load-Eingänge der Zähler Z1 und Z2 die Übernahme
der Einstellzahlenwerte N1 bzw. N2.
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Die im folgenden beschriebene Funktion der Schaltung nach Figur 1
soll in dem Augenblick beginnen, in dem die Rückwärtszähler Z1 und Z2 durch ein
Load-Signal die an den Einstelleingängen anstehenden Zahlenwerte übernomlner haben.
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Der spannungsgesteuerte Oszillator soll ein Signal mit der vorgesehenen
Frequenz abgeben, und der Frequenzgenerator, also auch die PLL-Schleife, soll in
einem stabilen, verriegelten Zustand sein.
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Die vom spannungsgesteuerten Oszillator VCO ausgehenfle Frequenzfolge
wird im Voruntersetzer PSC aufsummiert.
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Der Voruntersetzer ist zu diesem Zeitpunkt auf eine Untersetzung P
= 11 eingestellt. Deshalb wird der Zähler 72 mit 11 N2 Impulsen die Stellung "O"
erreichen. Das Nullsignal des Zählers Z2 stellt daraufhin den Voruntersetzer PSC
auf eine Untersetzung P = 10 um und blockierL gleichzeitig den Zähler Z2 für weitere
Eingangssignale.
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Der Zähler Z1 läuft bis dahin parallel mit dem Zähler Z2.
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Deshalb ist sein Zustand in diesem Augenblick N1 - N2. b da erreicht
er den Null-Stand nach 10 (N1 - N2) Impulsen des spannungsgesteuerten Oszillators
VCO. Beim St.arlf1 "0" des Zählers Z1 wird in diesem Zähler ein Load-Tmpuis erzeugt,
der beide Zähler wieder mit den an ihren Einstellbiteingängen anliegenden Zahlenwerten
einstellt.
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Gleichzeitig wird mit dem Load-Impuls des Zählers Z1 der Frequenz-
und Phasenvergleicher PV an dem dafür vorgesehenen Eingang beaufschlagt und der
Voruntersetzer PSC wieder auf die Untersetzungszahl P = 11 gesetzt. Wenn der Frequenz-
und Phasenvergleicher PV eine Frequenz-oder Phasendifferenz zwischen den Load-Impulsen
des Zählers Z1 und dem Referenzsignal fR aus dem Referenzoszillator RO ermittelt,
werden im Frequenz- und Phasenvergleicher Korrekturimpulse erzeugt, die über das
Filter FT integriert werden und den Steuereingang des spannungsgesteuerten Oszillators
beaufschlagen. Die Frequenz f des Ausgangssignals des spannungsgesteuerten Oszillators
VCO ist mit der für das Leerzählen des Zählers Z1 benötigten Anzahl von Ausgangsimpulsen
dieses Oszillators VCO, nämlich 10 (N1 - N2) + 11 N2 = 10 N1 - 10 N2 11 N2 = 10
N1 + N2, f = fR (10 . N1 + N2) Bei einem Ausführungsbeispiel soll angenommen werden,
daß die Frequenz des Ausgangssignals des spannungsgesteuerten Oszillators VCO zwischen
2 NHz und 20 NHz einstellbar sein soll. Es soll als Einstellwert 12,558 NHz vorgegeben
sein. Die Referenzfrequenz fR sei 1 kHz.
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Der Zähler Z1 wird mit der Zahl 1235 eingestellt, der Zähler Z2 mit
8.
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Der Zähler Z2 steuert den Voruntersetzer PSC so lange auf eine Untersetzungszahl
P = 11, bis der Zähler Z2 leergezählt ist. Es müssen deshalb bis zu diesem Zeitpunkt
vom spannungsgesteuerten Oszillator VCO 8 . 11 Impulse abgegeben werden. Ab diesem
Ereignis wird vom Nullsignal des Zählers Z2 der Voruntersetzer PSC auf eine Untersetzungszahl
P = 10 eingestellt. Parallel zum Zähler Z2 wurde auch der Zähler Z1 um 8 Impulse
entleert. Sein Inhalt beträgt also jetzt 1227. Es müssen demnach noch
10
# 1227 Impulse vom spannungsgesteuerten Oszillator VCO ankommen, damit ein Ausgangsimpuls
des Zählers Z1 erzeugt wird. Insgesamt werden also 8 11 + 1227 # 10 = 88 + 12270
= 12358 Impulse vom spannungsgesteuerten Oszillator VCO generiert, bis vom Nullausgang
des Zählers Z1 ein Impuls am entsprechenden Eingang des Frequenz- und Phasenvergleichers
ankommt. Da die Referenzfrequenz 1 kliz ist, muß die Frequenz des Ausgangssignals
des spannungsgesteuerten Oszillators f = 12,358 NHz betragen.
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Nach einem Umprogrammieren der Zähler Z1 und Z2 läuft der spannungsgesteuerte
Oszillator VCO zunächst mit der vorher vorgegebenen Frequenz. Je nach Richtung der
Änderurlg der vorgegebenen Zahlen werden mehr oder weniger Impulse des spannungsgesteuerten
Oszillators VCO benötigt, um di beiden Zähler Z1 und Z2 auf Null zu bringen. Die
deshalb im Frequenz- und Phasenvergleicher entstehende Dit renz wird in einen neuen
Wert der Steuerspannung für den spannungsgesteuerten Oszillator VCO umgeformt, bis
schließlich die gesamte Schaltung auf der neu eingestellten Frequenz einrastet.
Dieser Vorgang kann mehrere Perioden rier Referenzfrequenz fR dauern, weil die Filterschaltung
m aus Gründen der Schleifenstabilität eine Zeitkonstante aufweist, die länger ist
als die Periode der Referenzfrequenz fR.
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In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Figur 2 wird das Blockschaltbild
nach Figur 1 durch zwei Schalteinheiten ergänzt. Die Einstellbitanschlüsse des Zählers
Z1 sind mit den Biteingängen eines Digital-Analog-Konverters DAC verbunden. Der
Analogausgang dieses Konverters steht über einen Widerstand mit dem Eingang eirler
Summierschaltung SU in Verbindung. Am gleichen Eingang liegt über einen Widerstand
auch der Ausgang des Filters ET. Der Ausgang der Summierschaltung SU, die in einem
über einen Widerstand rückgekoppelten Operationsverst;irker besteht, liegt am Steuereingang
des sp3nnurlgsgesteue-
ten Oszillators VCO. Es wird also zur Steuerung
des spannungsgesteuerten Oszillators VCO die Summe der aus dem Frequenz- und Phasenvergleicher
PV stammenden Regelspannung und einer aus dem Digital-Analog-Konverter DAC abgeleiteten
zusätzlichen Spannung benutzt. Diese Lösung stellt einen direkten Zusammenhang zwischen
der zusätzlich zugeführten Spannung aus dem Digital-Analog-Konverer DAC und einer
in dem Zähler Z1 neu eingestellten Frequenz dar. Der Digital-Analog-Konverter DAC
wird unmittelbar mit der neu eingestellten Zahl N1 beaufschlagt, welche die neue
Frequenz f definiert. Sein Analogausgang ändert sich in der erwarteten Richtung
und Größe, wobei die Einstellzeit des integrierenden Filters FT umgangen und dadurch
die Gesamteinstellzeit der Schleife verkürzt wird.
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Dies findet statt, ohne daß die Stabilität der gesamten Schleife verschlechtert
wird. Es können Verkürzungen der Einstellzeit um den Faktor 50 bis 100 erreicht
werden.
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In Figur 3 ist ein abgeändertes Ausführungsbeispiel für die zusätzl..ichen
Schalteinheiten dargestellt, bei dem die Diital-Analog-'."Jandlung des Zählerstandes
des Zählers Z1 direkt durch entsprechend gewichtete Widerstände an den Einstellbiteingängen
des Zählers Z1 erzielt wird. Die Ausgänge der Widerstände sind parallel geschaltet
und, wie im Beispiel der Figur 2, mit dem Eingang der Summierschaltung verbunden.
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4 Patentansprüche 3 Figuren