DE3837246A1 - Frequenzgenerator - Google Patents

Description

Die Erzeugung bezieht sich auf einen Frequenzgenerator mit meh­ reren Phasenregelschleifen, die jeweils einen Phasenvergleicher und einen spannungsgesteuerten Oszillator enthalten, dessen Ausgang jeweils über mindestens ein Rückkopplungsglied auf einen Eingang des jeweiligen Phasenvergleichers zurückgeführt ist, und mit mindestens einem Referenz-Oszillator.

Auf einen derartigen Frequenzgenerator wird in dem Aufsatz "Synthesizer für 'krumme' Frequenzen", Dr.-Ing. Georg Ortler, Funkschau 9/1984, Seite 50 hingewiesen. Bei diesem bekannten Frequenzgenerator wird eine in einem weiten Bereich in feinen Schritten einstellbare Ausgangsfrequenz dadurch erzeugt, daß mehrere Phasenregelschleifen und Mischstufen verwendet werden. Jede Phasenregelschleife enthält einen spannungsgesteuerten Oszillator, einen Phasenvergleicher, im Rückkopplungszweig einen Frequenzteiler und gegebenenfalls Schleifenfilter. Der Phasenvergleicher wird einerseits über den Frequenzteiler mit dem Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators und andererseits mit einer Referenzfrequenz beaufschlagt. Die er­ zielbare spektrale Reinheit des Ausgangssignals hängt bei sonst optimaler Regelschleife von dem mit dem Verhältnis von Oszil­ latorfrequenz zu Referenzfrequenz multiplizierten Phasen­ rauschen des Referenzsignals ab. Um diesen Faktor möglichst niedrig zu halten, ist eine hohe Referenzfrequenz erforderlich. Um eine in feinen Schritten einstellbare Ausgangsfrequenz zu erzeugen, werden die Ausgangssignale der Phasenregelschleifen in Mischstufen gemischt; bei diesen Mischungen entstehen sogenannte laufende Spektrallinien, d. h. der Frequenzabstand zum Träger ändert sich mit Veränderung der Trägerfrequenz, die störende Auswirkungen haben können. Um fein einstellbare, reine Ausgangsfrequenzen zu erzeugen, ist schaltungstechnisch ein nicht unerheblicher Aufwand zu betreiben.

Erfindungsgemäß ist bei einem Frequenzgenerator der eingangs angegebenen Art vorgesehen, daß

• - eine erste Phasenregelschleife vorgesehen ist, deren Rückkopplungsglied ein Frequenzteilerbaustein mit einstellbarem Teilungsverhältnis ist und bei der ein weiterer Eingang des Phasenvergleichers mit dem Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators einer zweiten Phasenregelschleife verbunden ist,
• - daß die zweite Phasenregelschleife einen Modulator enthält, der eingangsseitig mit dem Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators der zweiten Phasenregelschleife und mit dem Ausgang des Referenz-Oszillators verbunden ist und der mit seinem Ausgangssignal den Phasenvergleicher der zweiten Phasenregelschleife beaufschlagt,
• - daß ein weiterer Eingang des Phasenvergleichers der zweiten Phasenregelschleife über einen Frequenzteilerbaustein mit dem Ausgang einer dritten Phasenregelschleife verbunden ist,
• - daß der eine Eingang des Phasenvergleichers der dritten Phasenregelschleife über einen Frequenzteilerbaustein mit dem Ausgang des Referenz-Oszillators verbunden und daß das Rückkopplungsglied der dritten Phasenregelschleife ein Fre­ quenzteilerbaustein ist und
• - daß der den weiteren Eingang des Phasenvergleichers der zwei­ ten Phasenregelschleife mit dem Ausgang der dritten Phasen­ regelschleife verbindende Frequenzteilerbaustein oder/und der Frequenzteilerbaustein der dritten Phasenregelschleife ein einstellbares Teilungsverhältnis aufweist.

Im Zusammenspiel der ersten Phasenregelschleife mit den weiteren Phasenregelschleifen des erfindungsgemäßen Fre­ quenzgenerators können die durch die ersten Phasenregelschleife festgelegten Frequenzschritte der Ausgangsfrequenz vorteilhaft in sehr feinen Stufen interpoliert werden. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Frequenzgenerators ist, daß zur Erzielung eines Ausgangssignals in einem weiten Frequenzbe­ reich, das in feinen Schritten bei hoher Genauigkeit und spektraler Reinheit eingestellt werden kann, ein relativ geringer Schaltungsaufwand erforderlich ist. Bei der er­ findungsgemäßen Ausgestaltung des Frequenzgenerators entfällt der zur Unterdrückung der durch Mischvorgänge hervorgerufenen Störungen notwendige Schaltungsaufwand. Es kann ein Referenz­ oszillator mit hoher Referenzfrequenz verwendet werden, was sich auf den Signalrauschabstand günstig auswirkt. Außerdem sind in vorteilhafter Weise alle Referenzfrequenzen von einem Referenzoszillator ableitbar. Als spannungsgesteuerter Oszil­ lator der zweiten Phasenregelschleife wird vorzugsweise ein in einem bestimmten Frequenzbereich veränderbarer (ziehbarer) Quarz-Oszillator verwendet. Die beispielsweise im 100 MHz-Be­ reich liegende Ausgangsfrequenz der dritten Phasenregel­ schleife kann über eine Teilerstufe in eine Referenzfrequenz im 1 kHz-Bereich für die folgende Phasenregelschleife umgewandelt werden, was sich günstig auf die Qualität der Referenzfrequenz auswirkt. Damit sind an die dritte Phasenregelschleife hin­ sichtlich ihrer spektralen Reinheit keine hohen Anforderungen zu stellen, so daß diese mit relativ geringem Aufwand und geringen Kosten realisierbar ist.

Eine vorteilhafte Fortbildung des erfindungsgemäßen Frequenz­ generators sieht vor, daß der Frequenzteilerbaustein der ersten Phasenregelschleife ein Frequenzteilerbaustein mit einem nicht­ ganzzahligen Teilungsverhältnis ist. Durch Verwendung einer derartigen Phasenregelschleife wird ein weiter Frequenzbereich des Ausgangssignals bei hoher Referenzfrequenz und damit bei einem günstigen Signalrauschabstand und hoher Stabilität gegenüber Störungen realisiert. Diese Methode ist für sich bekannt und wird beispielsweise in dem eingangs erwähnten Aufsatz "Synthesizer für 'krumme' Frequenzen" beschrieben.

Um in vorteilhafter Weise in der ersten Phasenregelschleife zur Frequenzteilung im Rückführungszweig einen besonders kosten­ günstigen, sogenannten Two-Modulus-Divider (Vorteilerbaustein) verwenden zu können, dessen Frequenzteilungsverhältnis aus der Kombination verschiedener, vorzugsweise zwei Divisoren gebildet ist und dessen Einsatz ein relativ hohes Teilungsverhältnis erfordert, ist nach einer weiteren Fortbildung des erfindungs­ gemäßen Frequenzgenerators vorgesehen, daß der eine Eingang des Phasenvergleichers der ersten Phasenregelschleife über einen Frequenzteilerbaustein mit dem Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators der zweiten Phasenregelschleife verbunden ist. Bei gegebenem Ausgangsfrequenzbereich hängt das Teilungsverhältnis des Vorteilerbausteins von dem dem Phasenvergleicher der ersten Phasenregelschleife zugeführten Referenzsignal ab und ist somit durch Teilung dieses Referenzsignals erhöhbar.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Frequenzgenerators sieht vor, daß dem Ausgang des spannungs­ gesteuerten Oszillators der ersten Phasenregelschleife eine Frequenzteilerstufe nachgeordnet ist. Mit dieser Frequenztei­ lerstufe ist es möglich, mittels wiederholter Halbierung der Ausgangsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators der ersten Phasenregelschleife auch niedrige Ausgangsfrequenzen zu realisieren.

Zur Erläuterung der Erfindung ist in der einzigen Figur ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Frequenzgenerators dar­ gestellt.

Eine erste Phasenregelschleife PLL 1 enthält einen ersten Phasenvergleicher PV 1, dessen Ausgangssignal über einen Tief­ paß TP 1 auf den Eingang eines spannungsgesteuerten Oszillators VCO 1 geführt ist. Das Ausgangssignal F 1 des Oszillators VCO 1 wird über einen Frequenzteilerbaustein FT 1 auf einen Eingang des Phasenverleichers PV 1 zurückgeführt, wobei ein Frequenz­ teilerbaustein FT 1 verwendet wird, dessen Teilungsverhältnisse aus verschiedenen Kombinationen zweier Divisoren gebildet ist (Tow-Modulus-Divider). Der Frequenzteilerbaustein FT 1 weist ein einstellbares, nichtganzzahliges Teilungsverhältnis auf. Dieses nichtganzzahlige Teilungsverhältnis wird dadurch er­ zeugt, daß periodisch in einem bestimmten zeitlichen Verhältnis verschiedene, sich um 1 unterscheidende Teilungsverhältnisse eingestellt werden. Das Ausgangssignal F 1 liegt außerdem an einen Anschlußpunkt A an, der gleichzeitig den Ausgang der Pha­ senregelschleife PLL 1 darstellt. Mit dem Anschlußpunkt A ist der Eingang einer Frequenzteilerstufe FTS verbunden, an deren Ausgang die Ausgangsfrequenz FA des Frequenzgenerators ab­ greifbar ist. Ein weiterer Eingang des Phasenvergleichers PV 1 der Phasenregelschleife PLL 1 wird mit einem Referenzsignal RF 1 beaufschlagt, das von einem Frequenzteilerbaustein FT 2 aus­ gangsseitig zur Verfügung gestellt wird. Der Frequenzteiler­ baustein FT 2 wird eingangsseitig mit dem Ausgangssignal eines spannungsgesteuerten, ziehbaren Quarz-Oszillators VCO 2 beaufschlagt. Dieser Quarzoszillator VCO 2 ist Bestandteil einer weiteren Phasenregelschleife PLL 2. Die Phasenregelschleife PLL 2 enthält ferner einen Modulator M, dessen Ausgangssignal über einen Tiefpaß TP 2 auf einen Eingang eines Phasenvergleichers PV 2 geführt wird; das Ausgangssignal dieses Phasenvergleichers PV 2 wird über einen weiteren Tiefpaß TP 22 auf den Eingang des Quarz-Oszillators VCO 2 geführt. Ein weiterer Eingang des Modulators M wird mit dem Ausgangssignal eines Referenzoszilla­ tors RFO beaufschlagt.

Eine Phasenregelschleife PLL 3 enthält einen weiteren Pha­ severgleicher PV 3, dessen Ausgang über einen Tiefpaß TP 3 mit dem Eingang eines spannungsgesteuerten Oszillators VCO 3 verbunden ist. Das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators VCO 3 ist über einen weiteren Frequenzteilerbaustein FT 3 - dessen Teilungsverhältnis nach dem Ausführungsbeispiel einstellbar ist - auf einen Eingang des Phasenvergleichers PV 3 rückgeführt. Ein weiterer Eingang des Phasenvergleichers PV 3 ist mit einem Referenzsignal RF 3 beaufschlagt, das von dem Referenzoszillator RFO über einen weiteren Frequenzteiler­ baustein FT 4 zur Verfügung gestellt wird. Das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators VCO 3 wird über einen weiteren Frequenzteilerbaustein FT 5 mit fest vorgegebenem Teilungsverhältnis einem weiteren Eingang des Phasenver­ gleichers PV 2 der Phasenregelschleife PLL 2 als Referenzsignal RF 2 zugeführt. Es ist genauso ein Schaltungsaufbau möglich, bei dem der Frequenzteilerbaustein FT 3 ein fest vorgegebenes und der Frequenzteilerbaustein FT 5 ein einstellbares Teilungsver­ hältnis aufweist.

Für die weitere Erläuterung der beispielhaft dargestellten Aus­ führungsform des erfindungsgemäßen Frequenzgenerators und der Auslegung der beteiligten Bauelemente wird die Forderung zu­ grunde gelegt, daß die Ausgangsfrequenz in einem Frequenz­ bereich von beispielsweise 10 kHz bis 500 MHz in Frequenz­ schritten von 1 kHz grob einstellbar sein soll, die wiederum in einem kleinen Bereich von beispielsweise ±100 × 10^-6 in Schritten von maximal 0,5 Hz veränderbar sind. Selbstverständ­ lich sind Konfigurationen für andere Frequenzbereiche bzw. -schritte in gleicher Weise möglich. Der Referenzoszillator RFO hat eine Ausgangsfrequenz von 9,999 MHz, die über den Fre­ quenzteilerbaustein FT 4, der einen Divisor von 9999 auf­ weist, als Referenzsignal RF 3 dem weiteren Eingang des Pha­ senvergleichers PV 3 zugeführt wird. Die Frequenz des Referenz­ signals RF 3 beträgt 1 kHz. Der in der Phasenregelschleife PLL 3 enthaltene spannungsgesteuerte Oszillator VCO 3 ist in einem Frequenzbereich von 100 bis 150 MHz in 1 kHz-Schritten einstell­ bar. Die gewünschte Ausgangsfrequenz des Oszillators VCO 3 wird mit dem Divisor des Frequenzteilerbausteins FT 3 eingestellt, der eine ganze Zahl im Bereich von 100 000 bis 150 000 annehmen kann. Durch den Frequenzteilerbaustein FT 5 wird das Ausgangs­ signal des Oszillators VCO 3 durch den Divisor 100 000 geteilt, so daß der Phasenvergleicher PV 2 der Phasenregel­ schleife PLL 2 eingangsseitig mit dem ausgangsseitig an dem Frequenzteilerbaustein FT 5 auftretenden Referenzsignal RF 2 beaufschlagt wird, das in einem Bereich zwischen 1 und 1,5 kHz in 0,01 Hz-Schritten veränderbar ist. Die Ausgangsfrequenz von 9,999 MHz des Referenzoszillators RFO wird in dem Modulator M mit einer Ausgangsfrequenz von 10 MHz des spannungsgesteuerten, ziehbaren Quarz-Oszillators VCO 2 moduliert. Dieses modulierte Ausgangssignal besitzt dann eine Frequenz von 1 kHz, die dem Phasenvergleicher PV 2 über den Tiefpaß TP 2 eingangsseitig zugeführt wird. Beträgt die Referenzfrequenz RF 2 ebenfalls 1 kHz, so verharrt das Ausgangssignal des Phasenvergleichers PV 2 auf einem derartigen Wert, so daß die Ausgangsfrequenz des Quarz-Oszillators VCO 2 bei 10 MHz verbleibt. Beträgt nun die Frequenz des Referenzsignals RF 2 z. B. 1,5 kHz (Divisor des Frequenzteilerbausteins FT 3 150 000), so wird der Quarz-Oszil­ lator VCO 2 durch das Ausgangssignal des Phasenvergleichers PV 2 derart "gezogen", daß sein Ausgangssignal eine Frequenz von 10,0005 MHz annimmt. Damit ist das Ausgangssignal des Oszillators VCO 2 in einem Bereich von 0 bis 0,5 kHz - je nach Referenzsignal RF 2 - in 0,01 Hz-Schritten veränderbar (ziehbar). Durch den Phasenvergleich mit der Referenzfrequenz RF 2 in einer Ebene von 1 kHz wird erreicht, daß der ziehbare Quarz-Oszillator VCO 2 denselben hohen Signal-Rauschabstand aufweist, wie die Referenzfrequenz RF 2. Über den Frequenz­ teilerbaustein FT 2, der einen Divisor von 10 aufweist, liegt am weiteren Eingang des Phasenvergleichers PV 1 somit ein Referenzsignal RF 1 an, das in einem Frequenzbereich von 1,00000 MHz bis 1,00005 MHz in 0,001 Hz-Schritten einstellbar ist. Die Frequenz des Ausgangssignals F 1 des spannungsgesteuerten Os­ zillators VCO 1 ist im Bereich von 250-500 MHz in 10 kHz-Schrit­ ten durch die entsprechende Wahl des Divisors des Frequenztei­ lerbausteins FT 1 einstellbar, der dazu Werte von 250,00; 250,01 bis 500,00 annehmen kann (nichtganzzahliges Teilungsverhält­ nis). Bei einem gewählten Divisor des Frequenzteilerbausteins FT 1 von beispielsweise 250,01 beträgt die Frequenz des Aus­ gangssignals F 1 entsprechend 250,01 MHz (Methode der gebroche­ nen Frequenzteilung). Die Feineinstellung der Frequenz des Ausgangssignals F 1 erfolgt durch das Referenzsignal RF 1, wobei die Referenzfrequenz in der Phasenregelschleife PLL 1 mit dem Faktor 250,00; 250,01 bis 500,00 - je nach Einstellung des Divisors des Frequenzteilerbausteins FT 1 - vervielfacht wird. Die Frequenzschritte der Feineinteilung betragen wegen der Frequenzschritte des Referenzsignals RF 1 von 0,001 Hz nun 0,25 bis 0,5 Hz.

Die relativ große Bandbreite von einer Oktave des spannungsge­ steuerten Oszillators VCO 1 ermöglicht es, durch wiederholte Frequenzhalbierung in der Frequenzteilerstufe FTS auch niedrige Frequenzen bis zu 10 kHz zu realisieren. An die Phasenregel­ schleife PLL 3 werden wegen der folgenden Frequenzteilung in dem Frequenzteilerbaustein FT 5 und dem damit günstigen Signal- Rauschabstand keine hohen Anforderungen hinsichtlich der spektralen Reinheit gestellt, so daß diese mit relativ geringem Aufwand aufgebaut ist. Die zweite Phasenregelschleife PLL 2 zeichnet sich durch den verwendeten ziehbaren Quarz-Oszillator VCO 2 durch eine hohe spektrale Reinheit aus, ohne daß es aufwendiger Schaltungsmaßnahmen bedarf.

Am Ausgang der Regelschleife PLL 1 entstehen wegen der ange­ wendeten Methode der gebrochenen Frequenzteilung Nebenwellen im Abstand von 10 kHz zur Ausgangssignalfrequenz. Diese können wegen des relativ großen Abstandes zu der Ausgangssignal­ frequenz jedoch durch einfach aufgebaute Filter innerhalb des Regelkreises über den gesamten Frequenzbereich ausreichend unterdrückt werden.

Claims (4)

1. Frequenzgenerator mit mehreren Phasenregelschleifen, die jeweils einen Phasenvergleicher und einen spannungsgesteuerten Oszillator enthalten, dessen Ausgang jeweils über mindestens ein Rückkopplungsglied auf einen Eingang des jeweiligen Phasenvergleichers zurückgeführt ist, und mit mindestens einem Referenz-Oszillator, dadurch gekennzeichnet, daß

• - eine erste Phasenregelschleife (PLL 1) vorgesehen ist, deren Rückkopplungsglied ein Frequenzteilerbaustein (FT 1) mit einstellbarem Teilungsverhältnis ist und bei der ein weiterer Eingang des Phasenvergleichers (PV 1) mit dem Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO 2) einer zweiten Phasenregelschleife (PLL 2) verbunden ist,
• - daß die zweite Phasenregelschleife (PLL 2) einen Modulator (M) enthält, der eingangsseitig mit dem Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO 2) der zweiten Phasenregelschleife (PLL 2) und mit dem Ausgang des Referenz-Oszillators (RFO) verbunden ist und der mit seinem Ausgangssignal den Phasenvergleicher (PV 2) der zweiten Phasenregelschleife (PLL 2) beaufschlagt,
• - daß ein weiterer Eingang des Phasenvergleichers (PV 2) der zweiten Phasenregelschleife (PLL 2) über einen Frequenz­ teilerbaustein (FT 5) mit dem Ausgang einer dritten Phasenregelschleife (PLL 3) verbunden ist,
• - daß der eine Eingang des Phasenvergleichers (PV 3) der dritten Phasenregelschleife (PLL 3) über einen Frequenzteilerbaustein (FT 4) mit dem Ausgang des Referenz-Oszillators (RFO) verbunden und daß das Rückkopplungsglied der dritten Phasenregelschleife (PLL 3) ein Frequenzteilerbaustein (FT 3) ist und
• - daß der den weiteren Eingang des Phasenvergleichers (PV 2) der zweiten Phasenregelschleife (PLL 2) mit dem Ausgang der dritten Phasenregelschleife (PLL 3) verbindende Frequenzteilerbaustein (FT 5) oder/und der Frequenzteilerbaustein (FT 3) der dritten Phasenregelschleife (PLL 3) ein einstellbares Teilungsver­ hältnis aufweist.

2. Frequenzgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzteilerbaustein (FT 1) der ersten Phasenregelschleife (PLL 1) ein Frequenzteilerbaustein (FT 1) mit einem nichtganz­ zahligen Teilungsverhältnis ist.

3. Frequenzgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Eingang des Phasenvergleichers (PV 1) der ersten Phasenregelschleife (PLL 1) über einen Frequenzteilerbaustein (FT 2) mit dem Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO 2) der zweiten Phasenregelschleife (PLL 2) verbunden ist.

4. Frequenzgenerator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO 1) der ersten Phasenregelschleife (PLL 1) eine Frequenzteilerstufe (FTS) nachgeordnet ist.