DE3814577C2 - Analoger Frequenz/Phasen-Detektor und Phasenverriegelungsschleife mit demselben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen analogen Detektor, welcher im Bereich der Schaltungen zur Erzeugung von elektrischen Si­ gnalen bei bestimmten Frequenzen verwendbar ist, beispiels­ weise in Radargeräten und Frequenzsyntheseeinrichtungen.

Ein Phasendetektor dient zum Vergleichen der Phase eines er­ sten elektrischen Signals, das beispielsweise durch einen Oszillator variabler Frequenz geliefert wird, mit einem zweiten elektrischen Signal, das als Referenzsignal bezeich­ net wird und beispielsweise von einem Oszillator mit stabi­ ler Frequenz geliefert wird, um ein elektrisches Signal zu gewinnen, dessen Amplitude nach einer bekannten Gesetzmäßig­ keit kennzeichnend für die Phasenabweichung ist. Dieses Ab­ weichungssignal wird anschließend verwendet, um die Frequenz und folglich die Phase des ersten Signals zu verändern, bei­ spielsweise durch Anlegen dieses Signals an den Steuerein­ gang des Oszillators mit variabler Frequenz. Auf diese Weise wird eine Phasenregelschleife zur Regelung des zweiten Si­ gnals durch das erste Signal verwirklicht.

Eine solche Phasenregelung arbeitet aber nur, wenn die Pha­ sendifferenz kleiner als 360° ist, wenn also die zwei Signa­ le dieselbe Frequenz aufweisen, was bei der Inbetriebnahme im allgemeinen nicht zutrifft. Dies hat zur Folge, daß die Phasenregelung mit einer Frequenzregelung des Phasendetek­ tors kombiniert werden muß.

Die Erfindung betrifft einen Frequenz/Phasen-Detektor vom Analogtyp zur Verwendung in einer Phasenverriegelungsschlei­ fe auf dem Gebiet der Schaltkreise zur Erzeugung von elek­ trischen Signalen bei bestimmten Frequenzen, beispielsweise in Radargeräten und Nachrichtenverbindungsgeräten, insbeson­ dere bei Frequenzsyntheseeinrichtungen, in denen "Phasenre­ gelschleife" verwendet werden.

Ein Phasendetektor dient zum Vergleichen der relativen Phase zwischen dem elektrischen Signal, welches beispielsweise ein erster Oszillator mit variabler Frequenz abgibt, und einem zweiten elektrischen Signal, das als Referenzsignal bezeich­ net wird und beispielsweise von einem Oszillator mit fester Frequenz geliefert wird. Bei Anwendung in einer Phasenregel schleife wird in dieser Vorrichtung das geeignet verstärkte Ausgangssignal des Phasendetektors verwendet, um die Fre­ quenz des variablen Oszillators zu steuern.

Die gesamte Vorrichtung umfaßt bei ihrem Betrieb zwei wohl­ bekannte Stufen:

• 1. eine Stufe, in welcher eine Frequenzübereinstimmung her­ beigeführt wird, wenn die beiden Oszillatoren anfänglich auf verschiedenen Frequenzen arbeiten;
• 2. eine Stufe, in welcher eine Phasenregelung stattfindet und die Oszillatoren auf gleicher Frequenz gehalten wer­ den, indem die von der Phase zwischen den zwei Oszillato­ ren abhängende Fehlerspannung verwendet wird, um den va­ riablen Oszillator zu steuern.

In bestimmten Fällen ist der Bereich einer möglichen Fre­ quenzangleichung eingeschränkt und relativ klein, wobei die­ se Begrenzung allgemein durch die Bandbreite der Phasen­ schleife verursacht wird, wenn ein einfacher Phasendetektor ohne zusätzliche Hilfsmittel verwendet wird.

Zur Durchführung dieser Frequenzangleichung wurden bereits verschiedene Lösungen vorgeschlagen. Z.B. wird dem variablen Oszillator eine Frequenzsuchvorrichtung zugeordnet, deren Wirkung gesperrt wird, wenn die Phasenverriegelung der Pha­ senregelschleife erfolgt ist. Eine solche Lösung ist aber mit dem Mangel behaftet, daß eine relativ lange Suchzeit be­ nötigt wird. Eine weitere Lösung besteht darin, einen Fre­ quenzdetektor und einen Phasendetektor zu kombinieren, deren Ausgangssignale im Videofrequenzbereich summiert werden. In diesem Falle kann das Signal des Frequenzdetektors Rauschen in das Signal des Phasendetektors einbringen, wodurch die Leistungsfähigkeit dieses Phasendetektors beeinträchtigt wird.

Es wurden auch bereits digitale Vorrichtungen vorgeschlagen, die eine Doppelfunktion aufweisen: die eines Frequenzdetek­ tors, wenn sie Signale sehr verschiedener Frequenz empfan­ gen, und die eines Phasendetektors, wenn sie Signale glei­ cher Frequenz empfangen. Derartige Vorrichtungen sind bei­ spielsweise in der DE-A-37 76 192 beschrieben. Diese Vorrichtungen sind aber noch mit dem Mangel behaftet, daß sie nur in einem Frequenz­ band von einigen zehn Megahertz arbeiten.

Aus der Druckschrift DE 26 46 284 B2 ist eine analoge Phasendetektoreinrichtung mit zwei Phasendetektorschaltungen 3 und 4, einem 90°-Phasenschieber und einer Multiplizier­ schaltung bekannt.

Aus der FR 25 38 634 A1 ist eine Empfängerschaltung mit einem Überlagerungsoszillator bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen analogen Frequenz/Phasen-Detektor zu schaffen, der frei von den oben beschriebenen Mängeln der bekannten Vorrichtungen ist. Ins­ besondere wird die Schaffung eines Frequenz/Phasen-Detektors vom Analogtyp angestrebt, der in einem breiten Frequenzbe­ reich einschließlich des Mikrowellenbereiches arbeitet.

Gegenstand der Erfindung ist ein Frequenz/Phasen-Detektor vom Analogtyp für ein erstes elektrisches Signal, welches das Referenzsignal bildet und eine feste Frequenz FO auf­ weist, und ein zweites elektrisches Signal, dessen Frequenz F1 variabel ist, in bekannter Weise versehen mit einem Koppler, an welchen das zweite Signal angelegt wird, einer 90°-Phasenschieberschaltung, an welche ein Teil des zweiten Signals angelegt wird, welches aus dem Koppler austritt, und einer Phasenschieberschaltung, deren Pha­ senverschiebung frequenzabhängig ist und an welche der ande­ re Teil des zweiten Signals angelegt wird; das Ausgangssi­ gnal des 90°-Phasenschiebers ist an einen Eingang einer Pha­ sendemodulatorschaltung angelegt, deren anderer Eingang das elektrische Ausgangssignal eines Summierers empfängt; letz­ terer empfängt einerseits das Ausgangssignal der frequenzab­ hängig arbeitenden Phasenschieberschaltung und andererseits das Referenzsignal fester Frequenz FO.

Die Demodulatorschaltung gibt somit ein Signal ab, dessen Amplitude abhängig ist von: der Frequenzdifferenz (F1-FO), wenn eine solche Frequenzdifferenz auftritt, und von der Phasendifferenz, wenn beide Signale die gleiche Frequenz FO aufweisen.

Die frequenzabhängig arbeitende Phasenschieberschaltung ist auf die Frequenz FO zentriert.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Anhand der folgenden Beschreibung einer Ausführungsform der Erfin­ dung und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird, wird die Erfindung näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild, welches das Prinzip einer be­ kannten Frequenzdetektorschaltung zeigt;

Fig. 2 ein Diagramm, welches den Verlauf der Kurve für die Ausgangsspannungsänderung VS des Frequenzde­ tektors nach Fig. 1 in Abhängigkeit von der Fre­ quenz zeigt;

Fig. 3 ein Blockschema eines erfindungsgemäßen Frequenz/ Phasen-Detektors; und

Fig. 4 ein Diagramm, welches den Verlauf der Kurve zeigt, welche die Ausgangsspannungsänderung V′S in Abhän­ gigkeit von der Frequenz bei dem erfindungsgemäßen Frequenz/Phasen-Detektor zeigt.

Ein Frequenzdetektor nach dem Stand der Technik kann durch das in Fig. 1 gezeigte Prinzipschema verdeutlicht werden. Er enthält einen Koppler 1, an deren Eingang ein elek­ trisches Signal V1 der variablen Frequenz F1 angelegt wird und der an zwei Ausgängen zwei Signale V′1 und V′′1 gleicher Frequenz F1 abgibt. Das Signal V′1 wird an eine Phasenschieberschaltung 2 angelegt, die eine Phasenverschie­ bung von 90° einführt. Das Signal V′′1 wird an eine Schaltung 3 angelegt, die eine Phasenverschiebung einführt, welche von der Frequenz F1 abhängt. Insbesondere ist die Schaltung 3 beispielsweise ein Resonanzkreis, der auf eine Frequenz FO abgestimmt ist, welche der Mittenfrequenz des Frequenzände­ rungsbereiches des Signals V′′1 entspricht. Wenn dieser Reso­ nanzkreis durch ein Signal mit einer Frequenz erregt wird, die verschieden von FO ist, so ändert sich die Phase des Si­ gnals, welches an seinen Anschlüssen auftritt, in Abhängig­ keit von der Frequenzabweichung gegenüber der Frequenz FO, während die Frequenz hingegen gleich F1 bleibt. Die Ausgangs­ signale der Schaltungen 2 und 3 werden an eine Phasendemodu­ latorschaltung 4 angelegt, die ein Ausgangssignal VS abgibt, dessen Amplitude ein Maß für die Frequenzdifferenz zwischen F1 und FO ist.

Die Änderung der Amplitude des Signals VS in Abhängigkeit von der Frequenz F1 ist in dem Diagramm der Fig. 2 durch eine Kurve 5 verdeutlicht.

Zur Verwirklichung eines erfindungsgemäßen Frequenz/Phasen- Detektors wird vorgeschlagen, das Blockschaltbild der Fig. 1 zu verändern, um eine Summierschaltung 6 (Fig. 3) einzufügen, die einerseits das Ausgangssignal der Schaltung 3 und ande­ rerseits ein Referenzsignal VO empfängt, das eine feste Fre­ quenz FO aufweist. Diese Summierschaltung 5 liefert ein Aus­ gangssignal V2, welches an die Demodulatorschaltung 4 ange­ legt ist. Das Ausgangssignal V′S der Demodulatorschaltung 4 ist sowohl ein Maß für die Frequenzabweichung zwischen den Frequenzen F1 und FO als auch ein Maß für die Phasenabwei­ chung zwischen den Signalen VO und V1 der Frequenz FO.

Die Kurve 7 des in Fig. 4 gezeigten Diagramms zeigt den Ver­ lauf der Amplitudenänderung des Ausgangssignals V′S in Ab­ hängigkeit von der Frequenz. Es handelt sich also um die Kurve 5 in Fig. 2, was den Mittelwert anbetrifft, jedoch überlagert mit Schwankungen um diesen Mittelwert. Diese Schwankungen entsprechen dem Signal V2, welches aus der vek­ toriellen Addition eines Signals der Frequenz F1 zu einem Signal VO der Frequenz FO resultiert, so daß das Signal V2 die Schwebungsfrequenz F1-FO aufweist. Diese Schwebungs­ frequenz liegt an den Enden der Ansprechkurve relativ hoch und nimmt allmählich in dem Maße ab, wie sich F1 an FO annä­ hert.

Wenn der oben beschriebene Detektor in einer Phasenregel­ schleife oder Phasenverriegelungsschleife für die Signale V1 und VO verwendet wird, arbeitet er zunächst als Frequenzde­ tektor oder -diskriminator, um das Signal V1 auf die Fre­ quenz FO einzustellen, und anschließend als Phasendetektor, um die Phase des Signals V1 durch die des Signals VO nachzu­ regeln. Diese Funktionsweise rechtfertigt die Bezeichnung der Vorrichtung als "Frequenz/Phasen-Detektor".

Die verschiedenen Elemente, aus denen der Frequenz/Phasen- Detektor gebildet ist, sind dem Fachmann wohlbekannt und werden daher nicht im einzelnen beschrieben.

Claims (3)

1. Analoge Frequenz/Phasen-Detektor für ein erstes elektrisches Signal (VO), welches ein Referenzsignal bildet und eine erste, feste Frequenz (FO) aufweist, und ein zwei­ tes elektrisches Signal (V1), das eine zweite Frequenz (F1) aufweist, die variabel ist, mit einem Koppler (1), an welchen das zweite Signal (V1) angelegt ist, einer 90°- Phasenschieberschaltung (2), woran ein Teil des zweiten Si­ gnals (V1) vom Ausgang des Kopplers (1) angelegt wird, mit einer Phasenschieberschaltung (3), die eine frequenzab­ hängige Phasenverschiebung erzeugt und woran der andere Teil des zweiten Signals (V1) angelegt ist, und mit einer Demodu­ latorschaltung, an welche die Ausgangssignale der Phasen­ schieberschaltungen (2, 3) angelegt sind, dadurch gekennzei­ chnet, daß er ferner eine Summierschaltung (6) enthält, an die das erste elektrische Signal bzw. Referenzsignal (VO) und das Ausgangssignal der frequenzabhängig arbeitenden Pha­ senschieberschaltung (3) angelegt sind, und daß die Summier­ schaltung (6) ein Signal liefert, welches an die Demodula­ torschaltung (4) angelegt ist.

2. Frequenz/Phasen-Detektor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die frequenzabhängig arbeitende Phasen­ schieberschaltung (3) auf die Frequenz (FO) des Referenzsi­ gnals (VO) zentriert ist.

3. Phasenverriegelungsschleife, gekennzeichnet durch einen Frequenz/Phasen-Detektor nach einem der Ansprüche 1 und 2.