DE3725732C1 - PLL with variable oscillator - has control circuit with filter using low cut=off amplifier to attenuate phase noise - Google Patents
PLL with variable oscillator - has control circuit with filter using low cut=off amplifier to attenuate phase noiseInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung geht aus von einem elektrischen Schwingungserzeuger gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, bekannt als Phase Lock Oszillator.The invention is based on an electrical vibration generator the preamble of claim 1, known as a phase lock oscillator.
Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines solchen Schwingungserzeugers. Darin ist der Oszillator mit VCO bezeichnet. Er liefert die Istfrequenz F a =Ω a /2π. Diese wird mit Hilfe eines Frequenzteilers N heruntergeteilt und einem Phasenvergleicher P zugeführt, der einen Phasenvergleich mit einer Referenzfrequenz F r =Ω r /2π durchführt. Dem Phasenvergleicher ist ein Filter mit der Übertragungsfunktion F(s) nachgeschaltet, das dem Steuereingang des Oszillators VCO vorgeschaltet ist; dabei ist s die komplexe Frequenz des Filtereingangssignals. Die Störphase Φ a (Fehlerwinkel) wird im Phasenvergleicher ermittelt durch Vergleich der Istphase Φ i mit der Referenzphase Φ r . Fig. 1 shows the basic structure of such a vibration generator. The oscillator is labeled VCO . It provides the actual frequency F a = Ω a / 2 π . This is divided using a frequency divider N and fed to a phase comparator P , which carries out a phase comparison with a reference frequency F r = Ω r / 2 π . A filter with the transfer function F (s) is connected downstream of the phase comparator and is connected upstream of the control input of the oscillator VCO ; where s is the complex frequency of the filter input signal. The interference phase Φ a (error angle) is determined in the phase comparator by comparing the actual phase Φ i with the reference phase Φ r .
Als Filter in diesem Regelkreis sind in der Praxis bisher Filter verschiedener Ordnung verwendet worden, beispielsweise zweiter Ordnung, wie in Fig. 2 dargestellt. Hier handelt es sich um ein aktives Tiefpaßfilter mit einem Operationsverstärker OP.In practice, filters of different orders, for example second orders, have been used as filters in this control loop, as shown in FIG. 2. This is an active low-pass filter with an operational amplifier OP .
Da der Phasenvergleicher P in Fig. 1 digital arbeitet, entstehen Spannungsspitzen an seinem Ausgang, welche den Operationsverstärker im Filter übersteuern können. Um diesen Effekt zu vermeiden, wird diesem Operationsverstärker ein RC-Glied vorgeschaltet. In Fig. 3 ist eine entsprechende Anordnung für erdsymmetrischen Filtereingang dargestellt. Ein ähnliches Filter ist bekannt aus "Der Elektroniker" Nr. 8, 1985, S. 44-49, Bild 2.Since the phase comparator P in FIG. 1 works digitally, voltage peaks occur at its output, which can overdrive the operational amplifier in the filter. In order to avoid this effect, an RC element is connected upstream of this operational amplifier. A corresponding arrangement for earth-symmetrical filter input is shown in FIG . A similar filter is known from "The Electronics Technician" No. 8, 1985, pp. 44-49, Fig. 2.
Es hat sich gezeigt, daß bei Verwendung eines preisgünstigen Operationsverstärkers im Filter dieses nicht in der Lage ist, Phasenrauschen des Schwingungserzeugers in ausreichendem Maße zu unterdrücken, das z. B. bei einer Referenzfrequenz von 1 MHz im Frequenzbereich von 1 kHz bis 100 kHz auftritt.It has been shown that when using an inexpensive operational amplifier in the filter this is not able to phase noise of the To suppress vibration generator to a sufficient extent, the z. B. at a reference frequency of 1 MHz in the frequency range from 1 kHz to 100 kHz occurs.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Schwingungserzeuger anzugeben, bei dem Rauschanteile höherer Frequenz (aber noch unterhalb der gegebenenfalls heruntergeteilten Oszillatorfrequenz) gut gedämpft sind trotz Verwendung eines Verstärkers im Filter, der eine relativ niedrige obere Grenzfrequenz aufweist.The object of the invention is to provide a vibration generator at the noise component of a higher frequency (but still below that, if applicable divided oscillator frequency) are well damped despite use an amplifier in the filter that has a relatively low upper Has limit frequency.
Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Mitteln gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved with the means specified in claim 1. Advantageous further developments are specified in the subclaims.
Die Erfindung beruht auf folgenden Überlegungen:
Die Frequenzgänge einer Phase-Lock-Loop-Schaltung werden unter anderem
durch folgende Gleichungen beschrieben:The invention is based on the following considerations:
The frequency responses of a phase lock loop circuit are described using the following equations:
Offene Schleifenverstärkung:Open loop reinforcement:
A₀(s)=K₀F(s)/s (Gl. a) A ₀ (s) = K ₀ F (s) / s (Eq. A)
Oszillator-Störfrequenzgang:Oscillator interference frequency response:
A₁(s)=Φ a (s)/ Φ r (s)=s/[s-K₀ · (-F(s))] (Gl. b).
A ₁ (s) = Φ a (s) / Φ r (s) = s / [sK ₀ · (-F (s))] (Eq. B).
Dabei bedeutenMean
K₀ die Gesamtkreisverstärkung,
F(s) der Frequenzgang des verwendeten Filters,
s entspricht jw (w=Kreisfrequenz),
Φ a (s) der Fehlerwinkel entsprechend dem Ausgangssignal des Phasenvergleichers
P in Fig. 1,
Φ r (s) die Phase der Referenzschwingung mit der Referenzfrequenz F r . K ₀ the total loop gain,
F (s) the frequency response of the filter used,
s corresponds to jw (w = angular frequency),
Φ a (s) the error angle corresponding to the output signal of the phase comparator P in Fig. 1,
Φ r (s) the phase of the reference oscillation with the reference frequency F r .
Es gilt: Φ a (s)=Φ r (s)-Φ i (s) mit Φ i = Istphase des Oszillators VCO.The following applies: Φ a (s) = Φ r (s) - Φ i (s) with Φ i = actual phase of the oscillator VCO .
A₀(s) beschreibt den Frequenzgang der offenen Schleife und gibt eine Aussage
über die Stabilität des Regelkreises.
A₁(s) beschreibt den Frequenzgang bei Einspeisung einer Störgröße am Oszillator
und gibt eine Aussage über die Dämpfung des Phasenrauschens, das
durch den Oszillator verursacht ist. A ₀ (s) describes the frequency response of the open loop and gives information about the stability of the control loop.
A ₁ (s) describes the frequency response when a disturbance variable is fed into the oscillator and gives a statement about the damping of the phase noise, which is caused by the oscillator.
Mit dem in Fig. 3 dargestellten Filter soll eine hohe Dämpfung des Rauschens des Oszillators und eine gute Unterdrückung der Referenzfrequenz erzielt werden, wobei aber gleichzeitig die gute Stabilität des Regelungskreises erhalten bleiben soll. Nicht alle diese Ziele werden gleich gut erreicht, wie eine Betrachtung des Oszillator-Störfrequenzganges A₁(s) zeigt, bei der jedoch von Fig. 2 ausgegangen wird, allerdings mit vorgeschaltetem RC-Glied. Die Übertragungsfunktion eines solchen Filters lautet:A high attenuation of the oscillator noise and a good suppression of the reference frequency are to be achieved with the filter shown in FIG. 3, but at the same time the good stability of the control loop is to be maintained. Not all of these goals are achieved equally well, as a consideration of the oscillator interference frequency response A ₁ (s) shows, but in which it is assumed from Fig. 2, but with an upstream RC element. The transfer function of such a filter is:
F(s)=-(1+sT₂)/2 · sT₄(1+sT₃)(1+sT₁/2) F (s) = - (1+ sT ₂) / 2 · sT ₄ (1+ sT ₃) (1+ sT ₁ / 2)
mitT₁=R₁C₁;
T₂=R₃(C₂+C₃);
T₃=R₃C₃;
T₄=R₁C₂.with T ₁ = R ₁ C ₁;
T ₂ = R ₃ (C ₂ + C ₃);
T ₃ = R ₃ C ₃;
T ₄ = R ₁ C ₂.
Damit wird der Oszillator-Störfrequenzgang:The oscillator interference frequency response is:
Dieser Zusammenhang ist in Fig. 4 in einem schematischen Bodendiagramm
durch Asymtoten angenähert in Abhängigkeit von der technischen Frequenz
f=w/2π dargestellt. Die "technische Frequenz" f (im folgenden nur als
"Frequenz" bezeichnet) ist der Imaginärteil der komplexen Frequenz (s). Im
Bereich kleiner Frequenzen ergibt sich durch den Term s²2T₄/K₀ ein
40 dB-Anstieg. Der Nenner vierter Ordnung sorgt in Abhängigkeit von T₃
und T₁/2 bei höheren Frequenzen für eine Absenkung des Anstieges auf einen
horizontalen Verlauf bei 0 dB.
Die Eckfrequenz wird mit f n =1/2π T n bezeichnet. Sie entspricht im dargestellten
Beispiel den Frequenzen 1/π T₁ und 1/2f T₃, die aus Stabilitätsgründen
ungefähr bei f n liegen bzw. f n bilden müssen.This relationship is shown in FIG. 4 in a schematic floor diagram approximated by asymtotes as a function of the technical frequency f = w / 2π . The "technical frequency" f (hereinafter only referred to as "frequency") is the imaginary part of the complex frequency (s) . In the low frequency range, the term s ²2 T ₄ / K ₀ results in a 40 dB increase. The fourth-order denominator, depending on T ₃ and T ₁ / 2 at higher frequencies, reduces the rise to a horizontal course at 0 dB.
The basic frequency is designated f n = 1/2 π T n . In the example shown, it corresponds to the frequencies 1 / π T ₁ and 1/2 f T ₃, which are approximately f n for stability reasons or must form f n .
Man erkennt, daß der gezeigte Stör- oder Rauschfrequenzgang zu niedrigen Frequenzen hin absinkt, dort ist also das Rauschen unterdrückt. Wünschenswert wäre es, die ansteigende Asymtote nach unten und damit die Eckfrequenz f n in Richtung zu hohen Frequenzen zu verschieben, um auch dort eine besondere Rauschunterdrückung zu erreichen. Dazu wäre es erforderlich, entweder die Kreisverstärkung K₀ zu erhöhen, oder die Zeitkonstante T₄ zu reduzieren. Da die Kreisverstärkung in der Praxis bei Werten von 100 s-1 bis 1000 s-1 liegen sollte, hängen die Möglichkeiten einer besseren Rauschunterdrückung bei höheren Frequenzen davon ab, inwieweit sich T₄ vermindern läßt. Wollte man z. B. die Eckfrequenz f n =1/2π T n auf 10 kHz anheben, so läßt sich aus der Formel s²2T₄/K₀=1 mit s²=w²=(2π f n )² und K₀=300 s-1 ein Wert für T₄ von 3,75×10-8 s ermitteln. Um die Stabilität des Regelkreises zu gewährleisten, darf der im Filter verwendete Verstärker bei der entsprechenden Frequenz 1/2π T₄=4,25 MHz keine negative Phase verursachen; er muß also eine ausreichend hohe obere Grenzfrequenz f og aufweisen. It can be seen that the interference or noise frequency response shown drops to low frequencies, so there the noise is suppressed. It would be desirable to shift the rising asymtote downwards and thus the cut-off frequency f n in the direction of high frequencies in order to achieve a special noise suppression there as well. For this it would be necessary to either increase the loop gain K ₀ or to reduce the time constant T ₄. Since the loop gain should in practice be between 100 s -1 and 1000 s -1 , the possibilities for better noise suppression at higher frequencies depend on the extent to which T ₄ can be reduced. Did you want z. B. raise the basic frequency f n = 1/2 π T n to 10 kHz, then from the formula s ²2 T ₄ / K ₀ = 1 with s ² = w ² = (2 π f n ) ² and K ₀ = 300 s -1 determine a value for T ₄ of 3.75 × 10 -8 s. To ensure the stability of the control loop, the amplifier used in the filter must not cause a negative phase at the corresponding frequency 1/2 π T ₄ = 4.25 MHz; it must therefore have a sufficiently high upper cut-off frequency f og .
Da dies mit herkömmlichen Verstärkern nicht möglich ist, kann die Eckfrequenz f n nicht auf die soeben vorausgesetzten 10 kHz heraufgesetzt werden. Dementsprechend lassen sich in der Praxis Rauschfrequenzen über 5 kHz nicht ausreichend dämpfen.Since this is not possible with conventional amplifiers, the cut-off frequency f n cannot be increased to the 10 kHz just assumed. Accordingly, noise frequencies above 5 kHz cannot be sufficiently attenuated in practice.
Mit der Verwendung eines anderen Filters entsprechend der Erfindung kann bei gleicher Funktionsweise des Schwingungserzeugers die Eckfrequenz f n erhöht werden, so daß die Rauschunterdrückung bezüglich der höherfrequenten Rauschanteile verbessert wird. Zur Ermittlung der Zeitkonstanten und anderen Konstanten für das Filter im Schwingungserzeuger nach der Erfindung dienen folgende in der Filtertechnik geläufige Überlegungen:With the use of another filter according to the invention, the basic frequency f n can be increased with the same functioning of the vibration generator, so that the noise suppression with respect to the higher-frequency noise components is improved. The following considerations common in filter technology are used to determine the time constants and other constants for the filter in the vibration generator according to the invention:
Man geht beispielsweise von der ersten der im Patentanspruch 2 angegebenen Filter-Übertragungsfunktionen aus (mit F₀=1) und erhält dann mit Gleichung b zunächst einen Frequenzgang fünfter Ordnung für A₁(s):One starts, for example, from the first of the filter transfer functions specified in claim 2 (with F ₀ = 1) and then first obtains a fifth order frequency response for A ₁ (s) with equation b:
worin M₁ bis M₅ Abkürzungen für Koeffizienten und T₄, T₇, T₉ Filterzeitkonstante und ϑ₇ der Filterdämpfungsgrad ist.where M ₁ to M ₅ are abbreviations for coefficients and T ₄, T ₇, T ₉ filter time constant and ϑ ₇ is the degree of filter damping.
Wollte man den betragsmäßigen Verlauf dieser Funktion im Bodediagramm konstruieren, so ließe sich die Funktion auch folgendermaßen schreiben:If you wanted the amount of this function in the soil diagram construct, the function could also be written as follows:
In diese Gleichung lassen sich die Zeitkonstanten sofort einsetzen, wenn man den gewünschten Verlauf des Betrages von A₁(s) im logarithmischen Maßstab über der Frequenz durch Asymtoten angenähert aufzeichnet (Bodediagramm). In einem derartigen Bodediagramm entsprechen die Eckfrequenzen dann den WertenIn this equation, the time constants can be used immediately if one records the desired course of the amount of A ₁ (s) on a logarithmic scale approximately over the frequency by asymtotes (bottom diagram). The corner frequencies then correspond to the values in such a floor diagram
In Fig. 6 ist ein Beispiel für ein solches Bodediagramm angegeben, wobei die Referenzfrequenz F r bei 1 MHz liegt. Eine Rauschunterdrückung soll gemäß dem eingezeichneten Wunschverlauf V unterhalb der Frequenz 1/2π T₃≈1/2π√ von ungefähr 100 kHz erfolgen.An example of such a bottom diagram is given in FIG. 6, the reference frequency F r being 1 MHz. Noise suppression is to take place according to the drawn-in desired curve V below the frequency 1/2 π T ₃≈1 / 2 π √ of approximately 100 kHz.
Um die gewünschte Funktionsweise zu erhalten, wird die Filterschaltung so dimensioniert, daß die Zeitkonstante T₄ so wie bisher gewählt werden kann und trotzdem die geforderte Rauschunterdrückung erreicht wird.In order to obtain the desired mode of operation, the filter circuit is dimensioned so that the time constant T ₄ can be selected as before and the required noise suppression is nevertheless achieved.
T₄ legt man also so fest, daß die Frequenz 1/2π T₄ so ausreichend weit unterhalb der oberen Grenzfrequenz f og des Verstärkers im Filter liegt, daß dieser keine negative Phase verursacht, welche die Stabilität des Regelkreis beeinträchtigen könnte. T ₄ is thus determined so that the frequency 1/2 π T ₄ is sufficiently far below the upper cut-off frequency f og of the amplifier in the filter that it does not cause a negative phase which could impair the stability of the control loop.
Damit sind die Filterzeitkonstanten T₄, T₇, T₉ schon festgelegt.The filter time constants T ₄, T ₇, T ₉ are thus already defined.
K₀ ist durch die einzelnen Verstärkungsfaktoren der im Regelkreis enthaltenen Komponenten einschließlich dem Faktor F₀ in der Übertragungsfunktion F(s) bestimmt, wobei F₀ zweckmäßigerweise gleich 1 gesetzt wird. Die Dämpfungskonstante ϑ₇ des Filters und die Dämpfungskonstanten ϑ₁ und ϑ₂ von A₁(s) werden in bekannter Weise bevorzugt in einem Wertebereich von 0,5 bis 10 entsprechend dem gewünschten Verlauf von A₁(s) in der Nähe der Eckfrequenzen versuchsweise festgelegt, z. B. ϑ₁=1, ϑ₂=0,8, ϑ₇=1. Die Festlegungen haben Einfluß auf die Stabilität des Regelkreises. Daher können später Neufestlegungen erforderlich werden, wenn die Stabilitätsüberprüfung zu unbefriedigenden Ergebnissen führt. K ₀ is determined by the individual gain factors of the components contained in the control loop including the factor F ₀ in the transfer function F (s) , where F ₀ is expediently set to 1. The damping constant ϑ ₇ of the filter and the damping constants ϑ ₁ and ϑ ₂ of A ₁ (s) are preferably experimentally known in a range of values from 0.5 to 10 corresponding to the desired course of A ₁ (s) in the vicinity of the corner frequencies fixed, e.g. B. ϑ ₁ = 1, ϑ ₂ = 0.8, ϑ ₇ = 1. The stipulations influence the stability of the control loop. Therefore, redefinitions may be necessary later if the stability check leads to unsatisfactory results.
Nach dem Einsetzen der sich aus dem Wunschverlauf V ergebenden Zahlenwerte für T₁, T₂, T₃, ϑ₁, ϑ₂ in Gleichung 2 lassen sich durch Vergleich der beiden oben angegebenen Funktionen für A₁(s) (Gl. 1 und Gl. 2) Zahlenwerte für die Koeffizienten M₁ bis M₅ errechnen.After inserting the numerical values for T ₁, T ₂, T ₃, ϑ ₁, ϑ ₂ resulting from the desired course V in equation 2, by comparing the two functions given above for A ₁ (s) (Eq. 1 and Eq 2) Calculate numerical values for the coefficients M ₁ to M ₅.
Nach dem Einehmen dieser Werte der Koeffizienten M₁ bis M₅ (und nachdem T₄ und aus dem Bodediagramm nach Fig. 6 die Zeitkonstanten T₁, T₂, T₃, T₇ und T₉ schon ermittelt und die Dämpfungskonstanten ϑ₁, ϑ₂, ϑ₇ vorläufig festgelegt sind) gilt es jetzt noch, die restlichen Zeitkonstanten T₀, T₆ und die Dämpfungskonstanten ϑ₀ und ϑ₆ für die Übertragungsfunktion F(s) des Filters zu ermitteln.After Einehmen these values, the coefficient M ₁ and M ₅ (and after the time constant of T ₁, T ₂, T ₃, T ₇ and t ₉ already determined T ₄ and out of the Bode diagram of FIG. 6 and the damping constant θ ₁, θ ₂, ϑ ₇ are provisionally determined) it is now still necessary to determine the remaining time constants T ₀, T ₆ and the damping constants ϑ ₀ and ϑ ₆ for the transfer function F (s) of the filter.
Dies kann dadurch geschehen, daß man diejenigen Ausdrücke, für welche die Koeffizienten M₁ bis M₅ Abkürzungen darstellen, mit den ermittelten Werten für M₁ bis M₅ vergleicht. Daraus ergeben sich Bestimmungsgleichungen für die Unbekannten ϑ₀, ϑ₆, T₀ und T₆.This can be done by comparing those expressions for which the coefficients M ₁ to M ₅ are abbreviations with the determined values for M ₁ to M ₅. This results in equations of determination for the unknowns ϑ ₀, ϑ ₆, T ₀ and T ₆.
Dabei kann es sich ergeben, daß Übereinstimmungen auftreten; geht man z. B. von der im Patentanspruch 2 zuerst genannten Filterfunktion F(s) aus, so ergibt sich nach Einsetzen in A₁(s)=s/(s+K₀F(s)) und Umformen in eine Form nach Gleichung 1: M₅=T₄T₇²T₉/K₀, während der Vergleich von Gleichung 1 mit Gleichung 2 ergibt: M₅=T₁²T₂²T₃. Es gilt demnachThis may result in matches occurring; you go z. B. from the filter function F (s) mentioned first in claim 2, it results after insertion in A ₁ (s) = s / (s + K ₀ F (s)) and shaping into a form according to equation 1: M ₅ = T ₄ T ₇² T ₉ / K ₀, while comparing Equation 1 with Equation 2 gives: M ₅ = T ₁² T ₂² T ₃. So it applies
T₁²T₂²T₃=T₄T²T₉/K₀, (Gl. 3) T ₁² T ₂² T ₃ = T ₄ T ² T ₉ / K ₀, (Eq. 3)
was soviel bedeutet, daß nicht jeder beliebige Wunschverlauf V (Fig. 6) realisierbar ist, sondern daß die Eckfrequenzen so gelegt werden müssen, daß Gleichung 3 erfüllt ist. Wird die Wahl der in Gleichung 3 enthaltenen Variablen dementsprechend korrigiert, so lassen sich die Unbekannten ϑ₀, ϑ₆, T₀ und T₆ mit den Bestimmungsgleichungen ermitteln. which means that not every desired course V ( FIG. 6) can be realized, but that the corner frequencies have to be set in such a way that equation 3 is fulfilled. If the choice of the variables contained in equation 3 is corrected accordingly, the unknowns ϑ ₀, ϑ ₆, T ₀ and T ₆ can be determined using the determination equations.
Nachdem damit die Eigenschaften des Filters festliegen, muß noch eine Überprüfung der Stabilität des Regelkreises erfolgen. Es muß also die Funktion A₀(s) ermittelt, deren Betrag und Phase in einem Bodediagramm aufgetragen und die Stabilitätsreserve (Verstärkungs- und Phasenreserve) festgestellt werden. In Fig. 7 ist dies für das Beispiel nach Fig. 6 dargestellt. Es zeigt sich, daß beim Null-Durchgang des Betrages von A₀(s)/dB noch eine Phasenreserve von ungefähr 50° vorhanden ist, während ein Null-Durchgang der Phase ϕ, wo sich die Verstärkungsreserve ermitteln ließe, fehlt.After the properties of the filter have been determined, the stability of the control loop must be checked. The function A ₀ (s) must therefore be determined, its amount and phase plotted in a soil diagram and the stability reserve (gain and phase reserve) determined. This is shown in FIG. 7 for the example according to FIG. 6. It turns out that at the zero crossing of the amount of A ₀ (s) / dB there is still a phase reserve of approximately 50 °, while a zero crossing of phase ϕ , where the gain reserve could be determined, is missing.
Sollte die Überprüfung der Stabilitätsreserve ergeben, daß bei dem gemäß Fig. 6 gewählten, erwünschten Verlauf V des Betrages von A₁(s) eine ausreichende Stabilitätsreserve nicht erzielbar ist, so müssen die Dämpfungskonstanten ϑ₁, ϑ₂, ϑ₇ und/oder ein neuer Wunschverlauf für den Betrag von A₁(s) festgelegt und die gleiche Prozedur wie beschrieben durchgeführt werden, bis sich eine ausreichende Stabilitätsreserve ergibt. Für diese Prozedur läßt sich zweckmäßiger Weise ein Rechner einsetzen.If the check of the stability reserve shows that with the desired course V of the amount of A ₁ (s) chosen according to FIG. 6, a sufficient stability reserve cannot be achieved, then the damping constants ϑ ₁, ϑ ₂, ϑ ₇ and / or a new desired course for the amount of A ₁ (s) determined and the same procedure as described are carried out until there is a sufficient stability reserve. A computer can expediently be used for this procedure.
Fig. 5 zeigt ein realisiertes Beispiel für den Filter. Fig. 5 shows a realized example of the filter.
Die Gleichung für den Übertragungsfrequenzgang F(s) dieses Filters vierter Ordnung lautet wie die erste im Patentanspruch 2 angegebene Funktion.The equation for the transmission frequency response F (s) of this fourth-order filter is like the first function specified in claim 2.
Die Analyse der Schaltung nach Fig. 5 liefert die GleichungAnalysis of the circuit of Fig. 5 provides the equation
Der Koeffizientenvergleich zwischen den beiden vorne angegebenen Schreibweisen
für A₁(s) (Gl. 1 und Gl. 2) ergibt für die Zeitkonstanten:
T₀²=C₂R₂C₁R₁
2ϑ₀T₀=R₁C₂ + R₁C₁ + R₂C₂
T₄=C₂(R₄ + R₅)
T₆²=C₄R₆C₅R₇
2ϑ₆T₆=C₄R₆ + R₇C₅
T₇²=C₄R₆R₇C₅
2j₇T₇=C₄R₆ + R₇C₅ + R₈C₄The coefficient comparison between the two notations given above for A ₁ (s) (Eq. 1 and Eq. 2) shows for the time constants:
T ₀² = C ₂ R ₂ C ₁ R ₁ 2 ϑ ₀ T ₀ = R ₁ C ₂ + R ₁ C ₁ + R ₂ C ₂ T ₄ = C ₂ (R ₄ + R ₅) T ₆² = C ₄ R ₆ C ₅ R ₇ 2 ϑ ₆ T ₆ = C ₄ R ₆ + R ₇ C ₅ T ₇² = C ₄ R ₆ R ₇ C ₅ 2 j ₇ T ₇ = C ₄ R ₆ + R ₇ C ₅ + R ₈ C ₄
Für die Schaltung nach Fig. 5 ergeben sich aus dem Wunschverlauf V folgende Bedingungen für die betreffenden Zeitkonstanten:For the circuit according to FIG. 5, the following conditions for the relevant time constants result from the desired course V :
T₁»T₂ wobei T₂≈T₃
T₇<T₃
T₉<T₇
T₁<T₉ T ₁ » T ₂ where T ₂≈ T ₃
T ₇ < T ₃
T ₉ < T ₇
T ₁ < T ₉
Als Beispiel diene ein Schwingungserzeuger mit einer Referenzfrequenz F r von 1 MHz.An example is a vibrator with a reference frequency F r of 1 MHz.
Mit den folgenden Zahlenwerten fürWith the following numerical values for
T₁=1 s ϑ₁=2 T₂=1,5 · 10-6 s ϑ₂=0,5 T₃=1,5 · 10-6 s T₄=0,003 s T₆=5 · 10-6 s j₆=0,5 T₇=3,9 · 10-6 s ϑ₇=1 T₉=0,0159 s T₀=0,2 s ϑ₀=1 K₀=300 s-1 T ₁ = 1 s ϑ ₁ = 2 T ₂ = 1.5 · 10 -6 s ϑ ₂ = 0.5 T ₃ = 1.5 · 10 -6 s T ₄ = 0.003 s T ₆ = 5 · 10 -6 s j ₆ = 0.5 T ₇ = 3.9 · 10 -6 s ϑ ₇ = 1 T ₉ = 0.0159 s T ₀ = 0.2 s ϑ ₀ = 1 K ₀ = 300 s -1
ergibt sich für den Störfrequenzgang |A₁(s) | der praktische Verlauf,
wie er in Fig. 6 dargestellt ist. Dort ist eine Rauschunterdrückung bis
ungefähr 100 kHz erreicht. Dabei ist die Zeitkonstante T₄=0,003 s bei
einer Kreisverstärkung K₀=300 s-1, so daß die Frequenz
f₄=1/T₄2π=53 Hz beträgt, damit lassen sich herkömmliche Verstärker
verwenden, deren Phase schon bei 1 kHz stark abfallen kann, selbst
wenn die Grenzfrequenz 10 MHz beträgt.
Der zu diesem Beispiel gehörende Betrag |A₀(s) | und die Phase der offenen
Schleifenverstärkung ist in Fig. 7 dargestellt, wobei der Phasenverlauf
durchweg im positiven Bereich verläuft und im Minimum einen
Wert von ϕ≈50° annimmt. Damit ist eine gute Stabilität des Regelkreises
gewährleistet.results for the interference frequency response | A ₁ (s) | the practical course, as shown in Fig. 6. Noise reduction up to approximately 100 kHz is achieved there. The time constant T ₄ = 0.003 s with a loop gain K ₀ = 300 s -1 , so that the frequency f ₄ = 1 / T ₄2 π = 53 Hz, so that conventional amplifiers can be used, the phase of which is already at 1 kHz can drop sharply even if the cutoff frequency is 10 MHz.
The amount associated with this example | A ₀ (s) | and the phase of the open loop reinforcement is shown in FIG. 7, the phase profile running throughout in the positive region and assuming a value of ϕ ≈50 ° as a minimum. This ensures good stability of the control loop.
Zusammengefaßt wird also folgendermaßen vorgegangen, um den elektrischen
Schwingungserzeuger entsprechend Patentanspruch 1 zu bemessen:
Es wird zunächst von einem (z. B. bekannten) Filtertyp (z. B. Fig. 5) mit
einer Filterfunktion F(s) (z. B. nach einer der Formeln aus Patentanspruch
2) ausgegangen. Durch Einsetzen der Filterfunktion F(s) in Gleichung
b wird kontrolliert, ob sich ein Ausdruck nach Gleichung 1 ergibt.
Für einen Wunschverlauf des Störfrequenzganges A₁(s), der unterhalb
von dem Verlauf s² · 2T₄/K₀ in Fig. 4 liegt, werden aus den Eckfrequenzen
Zahlenwerte für T₁, T₂, T₃, T₇, T₉ ermittelt und die Dämpfungskonstanten
ϑ₁, ϑ₂ und ϑ₇ vorläufig festgelegt. Diese Werte werden
in den Nenner von Gleichung 2 eingesetzt, und der Vergleich mit dem Nenner
von Gleichung 1 ergibt Zahlenwerte für M bis M₅. Der Vergleich
dieser Zahlenwerte wiederum mit den Ausdrücken, für welche M₁ bis
M₅ Abkürzungen sind, ergibt (bei gleichzeitigem Einsetzen von T₄, T₇, T₉
und K₀) Werte für T₀, ϑ₀, T₆ und ϑ₆ (wobei eventuell auftretende
Übereinstimmungen vorher durch Korrektur der Eckfrequenzen
und/oder Dämpfungskonstanten zu beheben sind. Anschließend folgt mit den
gewonnenen T₁ . . . T₉, ϑ₁ . . . ϑ₇, K₀ die Überprüfung von A₀(s) auf Stabilität.
Bei unzureichender Stabilität wird die Prozedur mit veränderten
Eckfrequenzen, Dämpfungskonstanten und/oder einem veränderten
Wunschverlauf wiederholt, bis die Stabilität ausreichend ist. Mit den
dann letztlich gewonnenen Zeitkonstanten und Dämpfungskonstanten erfolgt
die Berechnung der Bauelemente der Filterschaltung.In summary, the procedure is as follows to dimension the electrical vibration generator in accordance with claim 1:
It is initially assumed that there is a (e.g. known) filter type (e.g. FIG. 5) with a filter function F (s) (e.g. according to one of the formulas from claim 2). By inserting the filter function F (s) in equation b, it is checked whether an expression according to equation 1 results. For a desired course of the interference frequency response A ₁ (s) , which is below the course s ² · 2 T ₄ / K ₀ in Fig. 4, numerical values for T ₁, T ₂, T ₃, T ₇, T from the corner frequencies ₉ determined and the damping constants ϑ ₁, ϑ ₂ and ϑ ₇ provisionally determined. These values are inserted into the denominator of equation 2, and the comparison with the denominator of equation 1 gives numerical values for M to M ₅. The comparison of these numerical values with the expressions for which M ₁ to M ₅ are abbreviations gives (with simultaneous use of T ₄, T ₇, T ₉ and K ₀) values for T ₀, ϑ ₀, T ₆ and ϑ ₆ (whereby any matches that may occur must be corrected beforehand by correcting the corner frequencies and / or damping constants. Subsequently, the T ₁... T ₉, ϑ ₁... ϑ ₇, K ₀ are used to check A ₀ (s) If the stability is inadequate, the procedure is repeated with changed corner frequencies, damping constants and / or a changed desired curve until the stability is sufficient. The components of the filter circuit are then calculated using the time constants and damping constants that are ultimately obtained.
Da die ersten Schritte dieser Prozedur lediglich dazu dienen, die Eignung eines Filtertyps zu kontrollieren, können sie entfallen, wenn von dem in Fig. 5 gezeigten Filter ausgegangen wird, dessen Eignung zur Unterdrückung von Phasenrauschen ja bereits erwiesen ist.Since the first steps of this procedure only serve to check the suitability of a filter type, they can be omitted if the filter shown in FIG. 5 is used, the suitability of which for suppressing phase noise has already been proven.
Claims (3)
- a1) er weist im untersten Frequenzbereich betragsmäßig einen ersten Anstieg auf,
- a2) noch unterhalb der Oszillator-Istfrequenz ist wenigstens ein Pol vorhanden, der bewirkt, daß sich der Betrag des Oszillator-Störfrequenzganges in diesem hohen Frequenzbereich nach einem zweiten Anstieg bei darunterliegenden Frequenzen auf einen konstanten Wert einstellt,
- a1) it has a first increase in amount in the lowest frequency range,
- a2) there is at least one pole below the actual oscillator frequency, which causes the magnitude of the oscillator interference frequency response to set to a constant value in this high frequency range after a second rise at frequencies below it,
- b) daß für den Störfrequenzgang des Schwingungserzeugers folgendes
gilt:
- b1) zwischen den Frequenzen im untersten und denjenigen im hohen Frequenzbereich befindet sich mit steigender Frequenz zunächst wenigstens ein Pol und dann mindestens eine Nullstelle derart, daß der Betrag des Oszillator-Störfrequenzganges in einem mittleren Frequenzbereich in der Umgebung der Nullstelle deutlich unterhalb der Werte bleibt, welche in diesem mittleren Frequenzbereich von dem in diesen mittleren Frequenzbereich hinein extrapolierten ersten Anstieg erreicht werden,
- b2) die komplexen Frequenzen der Pole müssen und die komplexen Frequenz der Nullstelle kann einen Realteil haben,
- c) daß die Schleifenverstärkung A₀(s)=K₀F(s)/s die Bedingungen für asymptotische Stabilität des Regelkreises erfüllt.
- b) that the following applies to the interference frequency response of the vibration generator:
- b1) between the frequencies in the lowest and those in the high frequency range there is at least one pole and then at least one zero with increasing frequency in such a way that the amount of the oscillator interference frequency response in a medium frequency range in the vicinity of the zero remains significantly below the values, which are reached in this middle frequency range by the first increase extrapolated into this middle frequency range,
- b2) the complex frequencies of the poles and the complex frequency of the zero point can have a real part,
- c) that the loop gain A ₀ (s) = K ₀ F (s) / s meets the conditions for asymptotic stability of the control loop.
- a) daß die Übertragungsfunktion des Filters die Form oder hat, worin T₀, T₄, T₆, T₇ und T₉ Zeitkonstanten und ϑ₀, ϑ₆, ϑ₇ Konstanten sind, und T₆ und/oder T₇ gleich Null sein könnte,
- b) daß bei einer Zeitkonstanten T₄»1/2π f og die Kreisverstärkung K₀ so gewählt ist, daß √/2π um mehr als eine Zehnerpotenz kleiner ist als die niedrigste im Betrieb zulässige Istfrequenz des gesteuerten Oszillators,
- c) daß im Bodediagramm für den Oszillator-Störfrequenzgang A₁(s)=s/(s+K₀F(s)) die höchste Eckfrequenz f n knapp unter die niedrigste im Betrieb zulässige Istfrequenz des gesteuerten Oszillators gelegt, aber größer als √/2π gewählt ist,
- d) daß A₁(s) für f<f n höchstens s²2T₄/K₀, in Frequenzbereichen mit besonders hohem Phasenrauschen des Oszillators jedoch um mindestens eine Zehnerpotenz kleiner als s²2T₄/K₀ ist.
- a) that the transfer function of the filter has the form or where T ₀, T ₄, T ₆, T ₇ and T ₉ are time constants and ϑ ₀, ϑ ₆, ϑ ₇ constants, and T ₆ and / or T ₇ could be zero,
- b) that with a time constant T ₄ »1/2 π f og the loop gain K ₀ is selected so that √ / 2 π is more than a power of ten smaller than the lowest permissible operating frequency of the controlled oscillator during operation,
- c) that in the bottom diagram for the oscillator interference frequency response A ₁ (s) = s / (s + K ₀ F (s)) the highest basic frequency f n is placed just below the lowest permissible operating frequency of the controlled oscillator during operation, but greater than √ / 2 π is selected,
- d) that A ₁ (s) for f < f n at most s ²2 T ₄ / K ₀, but in frequency ranges with particularly high phase noise of the oscillator is at least a power of ten less than s ²2 T ₄ / K ₀.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19873725732 DE3725732C1 (en) | 1987-08-04 | 1987-08-04 | PLL with variable oscillator - has control circuit with filter using low cut=off amplifier to attenuate phase noise |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19873725732 DE3725732C1 (en) | 1987-08-04 | 1987-08-04 | PLL with variable oscillator - has control circuit with filter using low cut=off amplifier to attenuate phase noise |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3725732C1 true DE3725732C1 (en) | 1988-12-08 |
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ID=6332974
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19873725732 Expired DE3725732C1 (en) | 1987-08-04 | 1987-08-04 | PLL with variable oscillator - has control circuit with filter using low cut=off amplifier to attenuate phase noise |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3725732C1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0336206A2 (en) * | 1988-04-06 | 1989-10-11 | Nokia Mobile Phones Ltd. | A circuit arrangement for compensating for the thermal drift of a phase detector |
WO1991007822A1 (en) * | 1989-11-09 | 1991-05-30 | Nokia Matkapuhelimet Oy | Loop filter for a frequency synthesizer |
DE4193102C2 (en) * | 1990-12-14 | 1997-12-18 | Motorola Inc | Parameter-tolerant PLL synthesizer |
-
1987
- 1987-08-04 DE DE19873725732 patent/DE3725732C1/en not_active Expired
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
DIRKS, C.: PC unterstützt Entwurf von Fre- quenzsynthesizern". In:"Der Elektroniker", Nr. 8/1985, S.44-48 * |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0336206A2 (en) * | 1988-04-06 | 1989-10-11 | Nokia Mobile Phones Ltd. | A circuit arrangement for compensating for the thermal drift of a phase detector |
EP0336206A3 (en) * | 1988-04-06 | 1990-11-22 | Nokia-Mobira Oy | A circuit arrangement for compensating for the thermal drift of a phase detector |
WO1991007822A1 (en) * | 1989-11-09 | 1991-05-30 | Nokia Matkapuhelimet Oy | Loop filter for a frequency synthesizer |
DE4193102C2 (en) * | 1990-12-14 | 1997-12-18 | Motorola Inc | Parameter-tolerant PLL synthesizer |
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8100 | Publication of the examined application without publication of unexamined application | ||
D1 | Grant (no unexamined application published) patent law 81 | ||
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