DE3533222A1

DE3533222A1 - Schaltungsanordnung mit einer gleichspannungsfrequenzmodulierbaren phasenregelschleife

Info

Publication number: DE3533222A1
Application number: DE19853533222
Authority: DE
Inventors: Johann Schutz
Original assignee: Schlumberger Messgerate GmbH
Current assignee: Schlumberger Technologies GmbH
Priority date: 1985-09-18
Filing date: 1985-09-18
Publication date: 1987-03-19
Also published as: JPS6272209A; DE3685703D1; US4682124A; EP0215651A1; DE3685703T2; GB8525036D0; EP0215651B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Merkmalen. Derartige Schaltungsanordnungen werden beispielsweise für Meßsender oder Steuersender benötigt. Bei bekannten Schaltungsanordnungen dieser Gattung besteht der Nachteil, daß mit abnehmender Modulationsfrequenz die Phasenregelschleife die Frequenzänderungen des spannungssteuerbaren Oszillators (hier und im folgenden mit VCO abgekürzt) als Driften "interpretiert" und diese langsamen Fluktuationen ausregelt. Mit der gattungsgleichen Schaltung allein liegt die Untergrenze der Modulationsfrequenz bei etwa zwanzig Hertz.

Die auf dem Markt angebotenen Schaltungsanordnungen, bei denen tiefere Modulationsfrequenzen möglich sein sollen, arbeiten daher mit Hilfsmitteln. Eine erste Lösung besteht darin, daß ab einer vorgegebenen tiefsten Modulationsfrequenz die Phasenregelschleife getrennt wird, wobei dem VCO als Regelgröße einfach das zuletzt vom Phasenkomparator erzeugte Fehlersignal aufgeschaltet bleibt. Der VCO kann also ungeregelt driften. - Bei einer zweiten Lösung setzt man in der Schaltung einen Frequenzdiskriminator zur Nachregelung des VCO ein, doch ist dieser inhärent mit Frequenzfehlern behaftet.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei der der VCO auch bei niedriger Modulationsfrequenz phasengeregelt bleiben kann und die Frequenzfehler beliebig gering gemacht werden können.

Die gemäß der Erfindung vergesehene Lösung dieser Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale erzielt; das bevorzugte Ausführungsbeispiel ist in den Patentansprüchen 5 und 6 definiert.

Man geht demgemäß so vor, daß weit über Modulationsfrequenz, bei der die Regelschleife die Tendenz zu haben beginnt, die Modulation auszuregeln, die Referenzfrequenz am Phasenkomparator in derselben Richtung und in gleichem oder quasi-gleichem Maße zu fluktuieren beginnt, so daß das Fehlersignal am Ausgang des Phasenkomparators gegen Null geht. Dabei wird vorzugsweise das Modulationssignal über einen Analog-Digital-Umsetzer in Steuersignale für ein Frequenzsynthesegerät umgewandelt, dessen Auflösung - gegebenenfalls unter Verwendung zusätzlicher Schaltungskomponenten - praktisch beliebig klein gemacht werden kann. Die Schaltungsanordnung ist auch dann mit Vorteil zu verwenden, wenn der VCO zwar mit relativ hoher Frequenz, jedoch asymmetrisch moduliert wird, so daß die Modulationsfrequenz einen unter Umständen erheblichen Gleichspannungsanteil aufweist.

Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung wird nachstehend anhand des beigefügten Blockschaltbildes im einzelnen erläutert.

Ein spannungssteuerbarer Oszillator (VCO) 1 liefert an seinen Ausgang 2 eine Schwingung der Trägerfrequenz F, die mittels eines an einem ersten Steuereingang 3 zugeführten Signals f _mod frequenzmoduliert ist. Der Ausgang 2 ist ferner mit dem Eingang eines Frequenzteilers 4 verbunden, der die Ausgangsfrequenz im Verhältnis n : 1 herabsetzt. Der Ausgang 5 des Teilers 4 liegt am einen Eingang eines Phasenkomparators 6, an dessen anderem Eingang eine (quarzstabilisierte) Referenzfrequenz f _ref liegt. Das am Ausgang 7 des Phasenkomparators liegende Fehlersignal gelangt über ein Filter 8 auf einen zweiten Steuereingang 9 des VCO 1; zwar könnte man von den Steuereingängen 3 und 9 des VCO 1 eine beiden gemeinsam zugeordnete Komponente ansteuern, etwa eine Varactordiode, doch ist es bevorzugt, zwei getrennte Komponenten mit unterschiedlichen Kennlinien zu verwenden.

Die insoweit beschriebene Schaltungsanordnung ist bekannt.

Erfindungsgemäß liegt das Signal f _mod auch am Eingang eines Tiefpasses 10, dessen Zeitkonstante derart auf die des Filters 8 abgestimmt ist, daß das Filter erheblich "langsamer" ist als der Tiefpaß. Beispielsweise hat das Filter ein Durchlaßband von 1 Hz, während der Tiefpaß seine Obergrenze bei z. B. 500 Hz hat. Dem Tiefpaß ist ein Analog-Digital-Wandler 11 nachgeschaltet, dessen von der Eingangsamplitude abhängige Ausgangssignale binärkodiert parallel auf Leitungsbus 12 an Steuereingänge eines Frequenzgenerators 13 übertragen werden. Der Frequenzgenerator ist vorzugsweise ein Frequenzsynthesegerät, das beim Umschalten frei von Phasensprüngen ist und unmittelbar die quarzstabilisierte Referenzfrequenz f _ref an den Eingang des Phasenkomparators 6 liefern kann. Dies ist durch die unterbrochene Verbindung 14 angedeutet.

Der Frequenzgenerator 13 wird von den Signalen auf Bus 12 derart angesteuert, daß sich seine Ausgangsfrequenz in gleichem Maße ändert, wie sich die durch den Teiler 4 herabgesetzte Frequenz des VCO 1 durch das Steuersignal f _mod ändert. Beide Eingänge des Phasenkomparators fluktuieren also, jedoch gleichsinnig und um gleiche Größen, so daß kein Fehlersignal erzeugt wird und die langsamen f _mod-Modulationen nicht einfach ausgeregelt werden.

Soweit vorstehend die Begriffe "in gleichem Maße" bzw. "um gleiche Größen" verwendet wurden, so stimmt dies nicht ganz genau, weil der Frequenzgenerator 13 nicht kontinuierlich durchgestimmt werden kann, sondern seine Ausgangsfrequenz in Sprüngen ändert, deren kleinster durch ein Bit auf Bus 12 definiert ist. Das Auflösungsvermögen ist mithin begrenzt.

Aus diesem Grunde ist die mit ausgezogenen Verbindungen gezeichnete Variante bevorzugt. Eine quarzstabilisierte Referenzfrequenz f _REF dient einerseits, am Eingang 15 des Frequenzgenerators 13, als dessen Frequenzbasis. Andererseits wird sie einem Eingang 16 eines Frequenzmischers 17 zugeführt, an dessen anderem Eingang die Ausgangsfrequenz f _out des Frequenzgenerators liegt. Am Ausgang 18 des Mischers 17 liegt dann die Summe (oder Differenz) von F _REF und f _out, die dann mittels eines Teilers 19 auf f _ref heruntergeteilt wird. Das Teilungsverhältnis m : 1 wird entsprechend unter Berücksichtigung von f _REF plus/minus f _out festgelegt.

Da das Auflösungsvermögen sich dabei gegenüber der bisher beschriebenen einfacheren Bauart um den Faktor f _REF/f _out ändert, wählt man zweckmäßigerweise f _REF deutlich größer als f _out. Zu beachten ist, daß f _out in aller Regel nicht konstant ist, sondern sich in Sprüngen entsprechend den Signalen auf Bus 12 ändert; man könnte f _out auch schreiben f _nom plus/minus f _corr mit f _nom als Nominalfrequenz des Frequenzgenerators 13 bei fehlendem Modulationssignal f _mod und f _corr als dem Korrektursignal bei Anliegen eines Signals am Analog-Digital-Wandler 11.

Bei einer praktisch ausgeführten Schaltung wurden folgende Daten zugrundegelegt:
Nennfrequenz des VCO 1: 480 MHz
n = 1000
f _ref = 480 KHz
f _REF = 10,5 MHz
f _out = 60 KHz
Summe hinter dem Mischer: 10,560 MHz
m = 22
f _REF / f _out = 175 (Näherungswerte)

Es wurde ein diskret aufgebauter VCO verwendet mit einem weitgehend linearen Steuereingang 3. Die Frequenzteiler sind handelsüblich, der Mischer kann ein einfacher Diodenmischer sein. Das Filter 8 kann als Tiefpaß 1. oder 2. Ordnung ausgebildet sein, während für den Tiefpaß 10 ein einfaches RC-Glied genügt. Als Analog-Digital-Wandler wurde der IC AD 573 der Firma Analog Devices, Norwood, Mass./USA verwendet. Als Frequenzgenerator 13 wurde ein Frequenzsynthesegerät verwendet, dessen Ausgangsfrequenz sich bei einer Änderung des Eingangssteuersignals um 1 Bit um 0,6 Hz ändert.

Claims

1. Schaltungsanordnung mit einer gleichspannungs- frequenzmodulierbaren Phasenregelschleife, umfassend einen spannungssteuerbaren Oszillator VCO mit einem Steuereingang für das Modulationssignal, einen mit dem VCO-Ausgang verbundenen Frequenzteiler, dessen Ausgang an einem Eingang eines Phasenkomparators liegt, dessen anderer Eingang mit einer Referenzfrequenz beaufschlagt ist und dessen Ausgang über ein Filter mit einem Frequenzsteuereingang des VCO verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß für die Erzeugung der Referenzfrequenz ein quarzstabilisierter, jedoch frequenzvariabler Frequenzgenerator vorgesehen ist, dessen Ausgangsfrequenz von niederfrequenten und Gleichspannungsanteilen des Modulationssignals gesteuert in gleichem Maße fluktuiert wie die Ausgangsfrequenz des Frequenzteilers.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Modulationssignal (f _mod) über einen Tiefpaß (10) an den Eingang eines Analog-Digital- Wandlers (11) gelegt ist, dessen binärkodierte parallele Ausgänge (12) an Steuereingängen des digital umschaltbaren Frequenzgenerators (13) liegen.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzgenerator im wesentlichen phasensprungfrei umschaltbar ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Frequenzgenerators unmittelbar als Referenzfrequenz dem Phasenkomparator aufgeschaltet ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Frequenzgenerators (13) mit einer wesentlich höheren quarzstabilisierten Frequenz (f _REF) gemischt und das gebildete Frequenzgemisch am Eingang eines Frequenzteilers (19) liegt, dessen Teilungsfaktor so festgelegt ist, daß an seinem Ausgang die Referenzfrequenz (f _ref) erscheint.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die quarzstabilisierte Frequenz (f _REF) als Frequenzbasis dem Frequenzgenerator (13) anliegt.