DE4139117C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Phasendetektorschaltung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie auf eine PLL-Schaltung, die mit einer solchen Phasendetektorschaltung ausgestattet ist.

Bei der Verarbeitung digitaler Signale gibt es Fälle, in de­ nen ein Ausgangssignal benötigt wird, dessen Phasenlage exakt mit der Phasenlage eines Eingangssignals übereinstimmt. Prin­ zipiell kann zu diesem Zweck eine Phasenregelschleife verwen­ det werden, die versucht, die Ausgangsphase stets in Überein­ stimmung mit der Eingangsphase zu halten. Ein wesentlicher Bestandteil einer solchen Phasenregelschleife ist dabei ein Phasendetektor, der ein Regelsignal in Abhängigkeit von der Abweichung der Ausgangsphase von der Eingangsphase erzeugt. Dieses Regelsignal kann dann zur Korrektur der Phasenabwei­ chung benutzt werden.

Aus der DD 1 49 273 ist eine Phasendetektorschaltung bekannt, mit deren Hilfe die relative Lage zweier Impulsflanken bei gleicher Frequenz erkannt werden kann. In dieser Schaltung wird in jedem der beiden Schaltungszweige, in denen die digi­ talen Signale Gatter-Schaltungen direkt und verzögert zuge­ führt werden, ein Integrationsglied verwendet, in dem das Ausgangssignal des betreffenden Schaltungszweigs in eine Gleichspannung umgesetzt wird. Um ein genaues Ausgangssignal zu erhalten, ist es unbedingt erforderlich, daß die beiden Integrationsglieder sehr genau gleich arbeiten, was in der Praxis nur schwer zu realisieren ist. Auch die Herstellung der bekannten Schaltungsanordnung als integrierte Schaltung stößt auf Probleme, da die in den Integrationsgliedern ver­ wendeten Kondensatoren in dieser Ausgestaltung nicht groß gemacht werden können, wie es unter Umständen erforderlich ist.

Aus US 36 00 690 ist ein Phasendifferenz-Detektor bekannt, bei dem beide Eingangssignale sowohl verzögert als auch un­ verzögert verarbeitet werden. Die verzögerten Signale werden jeweils invertiert und nicht invertiert weitergeleitet. Bei diesem Detektor soll jedoch lediglich angezeigt werden, wenn die Abweichung der Phasen der beiden Signale außerhalb eines Sollbereichs liegt, während Phasenabweichungen innerhalb des vorgegebenen Sollbereichs zu keiner Anzeige führen. Ein sol­ cher Phasendetektor ist auch aus DE 28 42 279 C2 bekannt, bei dem lediglich drei Anzeigezustände vorgesehen sind, nämlich die Phasengleichheit, die Phasenvoreilung und die Phasennach­ eilung.

Bei dem aus P.N. Nield "Remote measurement of phase angle" in PROC.IEE, Vol. 119, No. 5, May 1972, S. 548-556 bekannten Phasendetektor sind zwei Stromquellen vorhanden, die von Si­ gnalen gesteuert werden, die von der Phasenverschiebung zwi­ schen zwei Signalen abhängen. Das Erkennen der Phasenlage erfolgt jedoch unter Verwendung eines Mono-Flops und eines Flip-Flops. Die Schaltungszweige, denen die beiden Signale zugeführt werden, sind unsymmetrisch aufgebaut und ermögli­ chen keine exakte Anzeige des Zustandes der Phasenabweichung Null.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Phasendetek­ torschaltung der eingangs angegebenen Art zu schaffen, mit deren Hilfe eine offset-freie und jitter-freie Phasenregelung zwischen einem Eingangssignal und einem Ausgangssignal er­ reicht werden kann. Dies wird bei einer Phasendetektorschal­ tung der obigen Art mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 erreicht.

Die erfindungsgemäße Phasendetektorschaltung verarbeitet die zu vergleichenden Eingangssignale in zwei Schaltungszweigen, deren Ausgangssignale von der Phasenverschiebung zwischen diesen beiden Signalen und von einer zusätzlichen Laufzeit­ verzögerung abhängen, denen jeweils eines der Signale in je­ dem der Schaltungszweige unterworfen wird. Die Ausgangssigna­ le wirken dann bei der Erzeugung des Ausgangssignals der Pha­ sendetektorschaltung in entgegengesetztem Sinne zusammen, so daß die Auswirkungen der absichtlich herbeigeführten Lauf­ zeitverzögerungen wieder kompensiert werden. Mit dem so er­ zeugten Ausgangssignal kann eine Regelung auf die Phasenver­ schiebung mit dem Wert 0 erzeugt werden, ohne daß die oben geschilderten Nachteile auftreten.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Phasendetektor­ schaltung,

Fig. 2 Diagramme, die den Verlauf der Signale an verschie­ denen Punkten der Schaltung von Fig. 1 angeben, und

Fig. 3 ein Beispiel einer PLL-Schaltung mit einem Phasende­ tektor gemäß der Erfindung.

Die in Fig. 1 dargestellte Phasendetektorschaltung 10 weist einen Eingang 12 für den Empfang eines ersten digitalen Ein­ gangssignals VE sowie einen weiteren Eingang 14 für den Emp­ fang eines zweiten Eingangssignals VA auf. Die Phasendetek­ torschaltung 10 gibt an einem Ausgang 16 ein analoges Signal in Form einer Spannung VR ab, dessen Größe von der Phasenver­ schiebung zwischen den beiden Eingangssignalen VE und VA ab­ hängt.

Das Eingangssignal VE wird einem ersten Eingang 18 einer NOR- Schaltung 20 über ein Verzögerungsglied 22 zugeführt, das, wie in Fig. 1 ersichtlich, aus drei in Serie geschalteten Negatoren besteht. Wegen dieses Aufbaus des Verzögerungs­ glieds 22 ist das dem Eingang 18 der NOR-Schaltung 20 zuge­ führte Signal gegenüber dem Eingangssignal VE nicht nur ver­ zögert, sondern auch negiert.

Das Eingangssignal VE wird auch einem Eingang 24 einer NOR- Schaltung 27 auf direktem Wege zugeführt.

Das über den Eingang 14 zugeführte digitale Eingangssignal VA wird einem zweiten Eingang 26 der NOR-Schaltung 20 auf direk­ tem Wege und einem Eingang 28 der NOR-Schaltung 27 über ein weiteres Verzögerungsglied 30 zugeführt, das so aufgebaut ist, wie das Verzögerungsglied 22. Dies bedeutet, daß dem Eingang 28 der NOR-Schaltung 27 das Eingangssignal VA nicht nur verzögert, sondern auch negiert zugeführt wird.

Die durch die Verzögerungsglieder 22 und 30 hervorgerufene Verzögerung der den Eingängen 18 und 28 zugeführten Signale beträgt jeweils τ.

Die NOR-Schaltungen 20 und 27 geben bekanntlich immer nur dann ein Signal mit dem hohen Signalwert ab, wenn die Signale an ihren Eingängen beide den niedrigen Signalwert haben. Mit Hilfe der Ausgangssignale der beiden NOR-Schaltungen 20, 27 werden zwei Stromquellen S1 und S2 so gesteuert, daß diese Stromquellen immer nur dann aktiv sind, wenn sie an ihren Steuereingängen 32 bzw. 34 ein Signal mit dem hohen Signal­ wert empfangen. Die Stromquelle S1 liefert im aktivierten Zustand an den Schaltungspunkt 35 einen konstanten Strom I1, während die Stromquelle S2 im aktivierten Zustand von diesem Schaltungspunkt 35 einen ebenso großen konstanten Strom I2 ableitet. In der Ausgangsleitung 38 fließt daher zu einem Speicherkondensator C der Summenstrom IS = I1-I2. Die Lade­ spannung am Kondensator C kann als Ausgangsspannung VR am Ausgang 16 abgegriffen werden.

Bei der anschließenden Beschreibung der Wirkungsweise der Pha­ sendetektorschaltung von Fig. 1 wird auf Fig. 2 Bezug genom­ men, in der der Verlauf der Signale an einzelnen Punkten der Schaltung für drei Fälle dargestellt ist, nämlich für den Fall, daß die Phase des Eingangssignals VE der Phase des Ein­ gangssignals VA um Δϕ nacheilt, für den Fall, daß diese bei­ den Eingangssignale die gleiche Phase haben und für den Fall, daß die Phase des Eingangssignals VE der Phase des Eingangs­ signals VA um Δϕ voreilt.

Im Schaltbild von Fig. 1 und im Diagramm von Fig. 2 sind die jeweils angesprochenen Schaltungspunkte mit gleichen Kenn­ zeichnungen angegeben.

Zunächst sei der Fall betrachtet, daß die Phase des Eingangs­ signals VE der Phase des Eingangssignals VA um Δϕ nacheilt. Wie zu erkennen ist, erscheint das an der Leitung A1 vorhan­ dene Eingangssignal VE an der Leitung X1 durch die Wirkung des Verzögerungsglieds 22 um τ verzögert und negiert. An der Leitung B1 liegt das Eingangssignal VA an, so daß den Eingän­ gen 18 und 26 der NOR-Schaltung 20 die Signale an der Leitung X1 und an der Leitung B1 zugeführt werden. An der Leitung C1 tritt daher als Ausgangssignal der NOR-Schaltung 20 immer dann ein Signal mit dem hohen Signalwert auf, wenn sowohl das Signal an der Leitung X1 als auch das Signal an der Leitung B1 einen niedrigen Signalwert haben. Für die Dauer des Aus­ gangssignals an der Leitung C1 wird daher die Stromquelle S1 aktiviert, so daß sie für diese Dauer den Strom I1 zum Schal­ tungspunkt 36 liefert.

Den Eingängen 28 und 24 der NOR-Schaltung 27 werden die glei­ chen Eingangssignale, jedoch in umgekehrter Zuordnung zuge­ führt, was bedeutet, daß in diesem Fall das Signal VA durch das Verzögerungsglied 30 um τ verzögert und negiert wird, während das Signal VE direkt an die NOR-Schaltung 27 angelegt wird. An der Leitung C2 tritt ebenfalls nur für die Dauer, während der beide Eingangssignale den niedrigen Signalwert haben, ein Ausgangssignal mit hohem Signalwert auf, das die Stromquelle S2 aktiviert. Für die Dauer dieser Aktivierung leitet die Stromquelle S2 den Strom I2 von dem Schaltungs­ punkt 36 ab. Dabei ist zu beachten, daß die Stromquellen S1 und S2 so aufgebaut sind, daß die Ströme I1 und I2 den glei­ chen Betrag haben.

An der Leitung 38 ergibt sich somit der im Diagramm von Fig. 2 angegebene Summenstrom IS, der eine Aufladung des Kondensators bewirkt, da die Dauer des von der Stromquelle S1 abgegebenen Stroms I1 länger als die Dauer des von der Stromquelle S2 ab­ geleiteten Stroms I2 ist.

Für den Fall der Phasengleichheit der Eingangssignale VE und VA ergeben sich an den Leitungen C1 und C2 Signale von glei­ cher Dauer, so daß die Stromquellen S1 und S2 jeweils für die gleiche Dauer aktiviert werden. Dies hat zur Folge, daß der Summenstrom IS auf Null zurückgeht, dem Kondensator C also weder ein Ladestrom zugeführt noch ein Entladestrom entnommen wird.

Im Falle einer Voreilung der Phase des Eingangssignals VE ge­ genüber der Phase des Eingangssignals VA ergeben sich an den Leitungen C1 und C2 Signale, die zur Folge haben, daß die Stromquelle S1 für eine kürzere Zeitdauer als die Stromquelle S2 aktiviert wird. Dadurch wird der Summenstrom IS negativ, was schließlich zu einer Entladung des Kondensators C führt.

Die in den drei verschiedenen Fällen erhaltene Ausgangsspan­ nung VR ist somit immer exakt ein Maß für die Phasenverschie­ bung zwischen den Phasen der Eingangsspannungen VE und VA. Unter der Voraussetzung, daß die Schaltungszweige mit dem Verzögerungsglied 22 und der NOR-Schaltung 20 einerseits und dem Verzögerungsglied 30 und der NOR-Schaltung 27 anderer­ seits sowie die Stromquellen S1 und S2 jeweils exakt aneinan­ der angepaßt sind und die gleichen Eigenschaften aufweisen, kann mit dem erzeugten Ausgangssignal VR eine sehr genaue Re­ gelung der Phase des Eingangssignals VE bezüglich der Phase des Eingangssignals VA erreicht werden. Dies gilt vor allem auch in dem kritischen Bereich, in dem die beiden Signale die gleiche Phasenlage haben. Diese Anpassung der Schaltungszwei­ ge und Stromquellen aneinander läßt sich ohne weiteres bei Herstellung der Phasendetektorschaltung in Form einer inte­ grierten Schaltung erreichen, da sich dann bei Anwendung der gleichen Prozeßparameter während der Herstellung die gewünsch­ ten gleichen Eigenschaften der Bestandteile der Schaltung er­ geben.

Eine Abwandlung der Phasendetektorschaltung von Fig. 1 ergibt sich, wenn anstelle der NOR-Schaltungen 20 und 27 mit jeweils zwei Eingängen NOR-Schaltungen mit drei Eingängen benutzt wer­ den. An die dritten Eingänge 40, 42 dieser NOR-Schaltungen wird ein Signal VM angelegt, das bezüglich des Eingangssi­ gnals VE um 180° phasenverschoben ist. Bei Anwendung dieser Abwandlung wird erreicht, daß im Falle der Phasenvoreilung und im Falle der Phasennacheilung jeweils nur eine der beiden Stromquellen S1 oder S2 aktiv ist. Im Falle einer Anwendung der Schaltung in einer Phasenregelschleife erfolgt das Ein­ rasten der Phase des Ausgangssignals auf der Phase des Ein­ gangssignals nur an den negativen Flanken des Eingangssignals. Im Diagramm von Fig. 2 ist das zusätzliche Signal VM an der Leitung M dargestellt, und es sind die Ausgangssignale an den Leitungen C1 und C2 (gekennzeichnet jeweils durch den Index M) dargestellt. Auch der Summenstrom IS_M, der sich bei Ver­ wendung dieses zusätzlichen Signals VM ergibt, ist zu erken­ nen.

In Fig. 3 ist das Prinzip einer PLL-Schaltung dargestellt, in der die beschriebene Phasendetektorschaltung eingesetzt wer­ den kann. Diese PLL-Schaltung enthält einen spannungsgesteu­ erten Oszillator 36, der in der Literatur häufig als VCO be­ zeichnet wird. Dieser spannungsgesteuerte Oszillator erzeugt das Ausgangssignal VA, dessen Phase der Phase des Eingangs­ signals VE nachgeregelt werden soll. Die Phasendetektorschal­ tung 10 empfängt an ihrem Eingang 14 das Ausgangssignal VA des Oszillators 36 und am Eingang 12 das Eingangssignal VE. Das Ausgangssignal VR am Ausgang 16 der Phasendetektorschal­ tung 10 wird dem Eingang 28 des Oszillators 36 zugeführt. Da das Ausgangssignal VR ein Maß für die Phasenabweichung zwi­ schen den Signalen VA und VE ist, kann der spannungsgesteuer­ te Oszillator 36 stets so eingestellt werden, daß sein Aus­ gangssignal VA hinsichtlich der Phasenlage mit dem Eingangs­ signal VE übereinstimmt.

Claims (3)

1. Phasendetektorschaltung zur Erzeugung eines von der Pha­ sendifferenz zwischen zwei digitalen Signalen abhängigen ana­ logen Signals, mit einer ersten Gatter-Schaltung mit einem ersten Eingang, dem das eine der beiden digitalen Signale um eine vorgegebene Laufzeit verzögert und negiert zugeführt wird, und mit wenigstens einem weiteren Eingang, dem das an­ dere der beiden digitalen Signale direkt zugeführt wird, ei­ ner zweiten Gatter-Schaltung mit einem ersten Eingang, dem das eine der beiden digitalen Signale direkt zugeführt wird, und mit wenigstens einem weiteren Eingang, dem das andere der beiden digitalen Signale um die gleiche vorgegebene Laufzeit verzögert und negiert zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Gatter-Schaltung eine NOR-Schaltung (20) ist, deren Ausgangssignal eine erste Konstantstromquelle (S1) steuert, die für die Dauer dieses Ausgangssignals einem Spei­ cherkondensator (C) einen konstanten Ladestrom (I1) zuführt, und daß die zweite Gatter-Schaltung ebenfalls eine NOR-Schal­ tung (27) ist, deren Ausgangssignal eine zweite Konstant­ stromquelle (S2) steuert, die für die Dauer dieses Ausgangs­ signals vom Speicherkondensator (C) einen konstanten Entlade­ strom (I2) ableitet, dessen Wert gleich dem von der ersten Konstantstromquelle (S1) abgegebenen Ladestroms (I1) ist, wobei die Ladespannung (VR) des Speicherkondensators (C) als das analoge Signal abgreifbar ist.

2. Phasendetektorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die NOR-Schaltungen (20, 27) einen dritten Ein­ gang (40, 42) aufweisen, an dem ein von einem der beiden di­ gitalen Signale abgeleitetes, gegen dieses um 180° phasenver­ schobenes Signal angelegt ist.

3. PLL-Schaltung mit einem spannungsgesteuerten Oszillator, der vom Ausgangssignal eines Phasendetektors gesteuert wird, wobei das Ausgangssignal des Oszillators dem Phasendetektor zugeführt wird, der durch Vergleich der Phase dieses Ausgangs­ signals mit der Phase eines ihm zugeführten Eingangssignals ein Regelsignal für die Phasenlage des Ausgangssignals des Oszillators erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasen­ detektor eine Phasendetektorschaltung (10) gemäß Anspruch 1 oder 2 ist.