DE3825664A1 - Phasenregelkreis mit automatischer kompensation von nichtlinearitaeten - Google Patents

Phasenregelkreis mit automatischer kompensation von nichtlinearitaeten

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Description

Die Erfindung betrifft einen Phasenregelkreis nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein derartiger Phasenregelkreis ist in Fig. 1 dargestellt. Das Ausgangssignal eines spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) wird in der Rückführung durch den Faktor N geteilt, mit einem Mischersignal f M auf die Vergleichsfrequenz f REF abgemischt, im Phasendetektor mit dem Referenzsignal phasenmäßig verglichen und über das Schleifenfilter F(s) verrastet. Gemäß der DE-OS 35 39 493 ist es bei großem Abstimmbereich des VCO vorteilhaft, im Schleifenfilterzweig eine Summation der vom Phasendetektor gelieferten Spannung mit einer über beispielsweise einen D/A-Wandler erzeugten Spannung zur Voreinstellung des VCO vorzunehmen, um Frequenzumschaltungen bei variablem Teilungsfaktor N oder bei variabler Referenzfrequenz f REF schnell zu ermöglichen. Eine Voreinstellung ist sogar erforderlich, wenn beispielsweise das in der Rückführung angegebene Mischersignal f M variabel ist und mehrdeutige Mischfrequenzen entstehen können, die durch das anschließende Filter nicht unterdrückt werden können.
Ein VCO zeichnet sich durch eine von der Charakteristik der eingesetzten Kapazitätsdioden abhängigen Nichtlinearität aus, die darin besteht, daß die Steilheit (Kv) im unteren Frequenzbereich größer als im oberen ist. Der Unterschied der Steilheiten im unteren und oberen Frequenzbereich wird umso größer, je größer der Abstimmbereich ist. Außerdem bewirken parasitäre Reaktanzen bei höheren Frequenzen (beispielsweise ab einigen 100 MHz) zusätzliche Abweichungen von einer linearen Kennlinie. Diese unterschiedlichen Steilheiten der VCO-Kennlinie führen dazu, daß die Schleifen­ verstärkung (Kp · Kv) über den gesamten VCO-Bereich nicht konstant ist. Das hat zur Folge, daß die Stabilität des Regelkreises und das Einschwingverhalten nicht optimiert werden können. Insbesondere ist diese Eigenschaft sehr nachteilig, wenn das Phasenrauschen über den gesamten VCO-Bereich konstant niedrig gehalten werden soll.
In der MICROWAVES & RF vom August 1986 ist im Artikel "Control and automate PLL phase-detector gain" eine Lösung dieses Problems angegeben worden. Zur Kompensation der die Schleifenverstärkung verändernden nichtlinearen VCO-Kennlinie wird hier vorgeschlagen, einen in seiner Übertragungsfunktion steuerbaren Phasendetektor einzusetzen, der das Steuersignal über die jeweils eingestellte Frequenzinformation erhält. Im gleichen Maße, wie sich die Steilheit der VCO-Kennlinie in Abhängigkeit von der Frequenz verändert, wird die Verstärkung des Phasendetektors entgegengesetzt eingestellt, so daß das Produkt Kp. Kv abschnittsweise konstant bleibt. Diese Einrichtung erfordert jedoch, daß die VCO-Steilheit schrittweise gemessen, die davon abgeleiteten Kompensationssignale für den Phasendetektor gespeichert und diese Werte schließlich mit der Frequenzinformation aus einem Speicher ausgelesen werden müssen.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Phasenregelkreis der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem die VCO-Steilheit nicht ausgemessen und entsprechende Signalwerte für die Kompensation nicht gespeichert werden müssen, sondern bei dem die Kompensation automatisch erfolgt. Die Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß im Patentanspruch 1 gekennzeichnet. Die weiteren Ansprüche beinhalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Phasen­ regelkreises. Dabei wird das von einem frequenz- und phasen­ empfindlichen Phasendetektor gelieferte Signal in eine phasen­ abhängige Spannung ( UAPC) und eine frequenzabhängige Spannung ( UAFC) aufgespalten. Im frequenzabhängigen Zweig befindet sich ein Integrator, dessen Ausgangssignal zu einer mit einem D/A-Wandler erzeugten, externen, frequenzlinearen Steuerspannung ( UD/A) addiert wird. Die Summenspannung ergibt die frequenzabhängige Regelspannung UAFC. Im eingeschwungenen Zustand der Regelschleife (bei Phasenänderungen des Referenzsignals < 2 π) ist die frequenz­ abhängige Regelspannung UAFC konstant, und die Phasenänderungen werden über die phasenabhängige Regelspannung UAPC ausgeregelt.
In diesem Zustand liefert der Integrator eine Spannung UJ, die ein Maß für die Abweichung der VCO-Kennlinie von einer idealen, linearen Kennlinie ist. Bei Bildung der Oifferenz aus der linearen Voreinstellspannung UD/A und der frequenzabhängigen Regelspannung UAFC ergibt sich eine Spannung, die nach Bildung des Betrages zur Steuerung des Phasendetektors verwendet werden kann ( UK). Da durch die Bildung der Summenspannung aus Integrator- ( UI) und Voreinstellspannung ( UD/A) und anschließender Differenzbildung dieser Spannung mit der Voreinstellspannung die letzte wieder entfällt, kann in einer weiteren Ausgestaltung der Schaltung (gestrichelt gezeichnet) das Integratorsignal direkt verwendet werden.

Claims (7)

1. Phasenregelkreis zum Erzeugen eines auf eine Referenzfrequenz bezogenes, phasenstabiles Oszillatorsignal, bestehend aus Phasendetektor, Schleifenfilter, spannungsgesteuertem Oszillator (VCO) und in der Rückführung ggf. aus Mischer und/oder Frequenzteiler, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die nichtlineare Kennlinie des VCO hervorgerufene Nichtlinearität des Regelkreises automatisch kompensiert wird, derart, daß der nichtlineare Kennlinienverlauf des VCO mit einem durch eine externe, lineare Voreinstellung des VCO gegebenen, idealen Kennlinienverlauf verglichen wird, und durch diesen Vergleich ein Signal gewonnen wird, das zur Kompensation der Nichtlinearität dient.
2. Phasenregelkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur automatischen Kompensation der Nichtlinearität des Phasenregelkreises die Übertragungsfunktion des Phasen­ detektors gesteuert wird.
3. Phasenregelkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vom frequenz- und phasensensitiven Phasendetektor gelieferte Spannung in eine frequenzabhängige und eine phasenabhängige Regelspannung aufgespalten wird.
4. Phasenregelkreis nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzeugen der frequenzabhängigen Regelspannung ein Integrator eingesetzt wird.
5. Phasenregelkreis nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzeugen einer von der nichtlinearen Kennlinie des spannungsgesteuerten Oszillators abhängigen Signales die Differenz aus der externen, linearen Voreinstellspannung und der frequenzabhängigen Regelspannung gewonnen wird.
6. Phasenregelkreis nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines von der nichtlinearen Kennlinie des spannungsgesteuerten Oszillators abhängigen Signales die vom Integrator gelieferte Spannung eingesetzt wird.
7. Phasenregelkreis nach Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Kompensationsspannung der Betrag des von der nichtlinearen Kennlinie des VCO abgeleiteten Signales gebildet wird.
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