DE4332798A1 - Schaltungsanordnung für einen abstimmbaren Schwingkreis - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für einen abstimmbaren Schwingkreis.

Schwingkreise können zur Umgehung aufwendiger anfänglicher Präzisionsabgleichmaßnahmen und/oder zum Einsatz bei ver­ schiedenen Frequenzen abstimmbar ausgeführt sein, wobei insbesondere die Veränderung eines die Resonanzfrequenz des Schwingkreises mitbestimmenden Kapazitätswerts von Be­ deutung ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine vorteil­ hafte Schaltungsanordnung für einen solchen abstimmbaren Schwingkreis anzugeben.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Un­ teransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau und hohe monolithische Inte­ grierbarkeit aus. Als Kapazitäten sind vorzugsweise inte­ grierte Flächenkondensatoren eingesetzt, die weitgehend temperaturstabile Kapazitätswerte aufweisen und im Unter­ schied zu Kapazitätsdioden keine Referenzspannung benöti­ gen. Die relativen Kapazitätswerte können über Flächenver­ hältnisse mit guter Genauigkeit eingestellt werden. Ferti­ gungstoleranzen in den Absolutwerten der Kapazitäten sind unkritisch.

Die Erfindung ist besonders vorteilhaft einsetzbar in in­ tegrierten Funkuhrempfängern, insbesondere zum Empfang verschiedener lokaler Zeitzeichensignale auf unterschied­ lichen Frequenzen. Dabei kann vorteilhafterweise das Soll­ frequenzsignal ebenso wie Überlagerungssignale des Empfän­ gers aus dem Uhrenquarzsignal als gemeinsamer Bezugs-Fre­ quenz abgeleitet werden.

Die Erfindung ist nachfolgend an einem bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Abbildung noch ein­ gehend veranschaulicht.

In dem skizziertem Beispiel bildet eine magnetische An­ tenne 1 mit einer oder mehreren Kapazitäten einer Konden­ satorgruppe CA einen am Eingang eines Empfängers E liegen­ den Schwingkreis. Die Resonanzfrequenz des Schwingkreises ist einstellbar durch getrenntes Zu- oder Abschalten der einzelnen Kapazitäten mittels Schaltern einer Schalter­ gruppe SCH.

Für optimalen Empfang ist die Resonanzfrequenz des Schwingkreises auf die Frequenz der zu empfangenden elek­ tromagnetischen Wellen abzustimmen.

Zum Auffinden der hierfür optimalen Schalterstellung der Schaltergruppe SCH regt ein Schwingungsgenerator G während einer Abgleichphase den Schwingkreis zu einer Schwingung auf dessen Resonanzfrequenz fs an. Sofern während der Ab­ gleichphase auch elektromagnetische Wellen über die An­ tenne A Schwingungen im Schwingkreis induzieren können, ist die Amplitude der durch den Generator angeregten Schwingung ausreichend groß zu wählen für ein eindeutiges Dominieren der Resonanzschwingung. Für die Ausführung des Generators und dessen Anschluß an den Schwingkreis sind an sich Beispiele aus dem Stand der Technik bekannt. Insbe­ sondere kann der Generator einen rückgekoppelten Verstär­ ker enthalten.

In einem Frequenzkomparator K wird die Resonanzfrequenz fs des Schwingkreises mit einer vorgebbaren Referenzfrequenz fr verglichen. Anstelle der Frequenzen fs und fr können auch durch Frequenzteilung aus diesen abgeleitete Frequen­ zen fs′, fr′ im Komparator K verglichen werden. Hierfür kann dem Komparator eine Teileranordnung mit zwei Fre­ quenzteilern TS und TR mit i.a. unterschiedlichen Teiler­ faktoren vorgeschaltet sein. Vorzugsweise weist das vom Generator G zum Komparator K abgegebene Signal der Resonanzfrequenz fs Rechtecksignalform auf. Die Referenz­ frequenz fr gibt, ggf. unter Einrechnung der Teilerfakto­ ren in den Frequenzteilern TS, TR einen Sollwert für die Resonanzfrequenz des Schwingkreises vor. Bei Abweichung des durch fs gegebenen Ist-Wertes der Resonanzfrequenz von diesem Sollwert veranlaßt der Frequenzkomparator K eine Veränderung der Schalterstellung der Schaltergruppe SCH mit dem Ziel, die festgestellte Frequenzabweichung aus­ zugleichen. Der Frequenzkomparator gibt hierfür ein Aus­ gangssignal, z. B. ein Größer (<)- oder Kleiner (<)-Signal an eine nachfolgende Auswerte- und Steuereinrichtung AS ab, wodurch die Richtung der vorzunehmenden Änderung des wirksamen Kapazitätswerts festgelegt wird. Der Frequenz­ komparator ist vorzugsweise als digitaler Phasendetektor mit unendlichem Zielbereich ausgeführt. Auch die Verwen­ dung analoger und anderer digitaler Phasendetektoren ist denkbar.

Zur Betätigung der einzelnen Schalter der Schaltergruppe SCH ist ein Auf-/Ab-Zähler Z vorgesehen der vorzugsweise als n-stufiger Binärzähler in Verbindung mit einer binären Abstufung der schaltbaren Kapazitätswerke ci der n einzel­ nen Kapazitäten ausgeführt ist. Jeder Ausgang bi des n- stufigen Zählers Z betätigt einen Schalter der Schalter­ gruppe. Zur Veränderung der Resonanzfrequenz wird die im Schwingkreis wirksame Kapazität verändert, indem die Schalterstellung der Schaltergruppe verändert wird. Dies wiederum erfolgt durch Ändern der Zählstellung des Zählers Z. Ein Taktsignal P oder ein daraus abgeleitetes Taktsi­ gnal P′ verändert den Zählerstand mit jedem Taktimpuls um jeweils ein Zählinkrement und den wirksamen Kapazitätswert um einen Schritt der im Idealfall immer gleich dem klein­ sten schaltbaren Wert c1 ist. Die Zählrichtung wird durch das Ausgangssignal des Frequenzkomparators bzw. ein daraus abgeleitetes Zählrichtungssignal U/D festgelegt. Dieses Ausgangssignal braucht daher nur die Richtung der Abwei­ chung, nicht aber deren Größe anzugeben.

Um Amplitudeneinbrüche sowie Phasensprünge des Generators G durch Umladen von umgeschalteten Kapazitäten zu vermei­ den, erfolgt die Umschaltung vorteilhafterweise immer zu derselben Phasenlage der Schwingung im Schwingkreis, vor­ zugsweise in der Nähe eines Nulldurchgangs. Dies kann auf besonders einfache Weise durch eine digitale Synchroni­ sierschaltung (SS) erzielt werden, welche ein Weiterzählen des Auf/Ab-Zählers vom Eintreffen einer Signalflanke des Generators G abhängig macht.

Da während des Abgleichvorgangs kein Empfang elektromagne­ tischer Signale möglich ist, ist dieser Abgleichvorgang zeitlich einzugrenzen. Der Abgleichvorgang kann beendet werden, wenn die Resonanzfrequenz bis auf eine vom klein­ sten Kapazitätsschritt c1 abhängige maximale Restabwei­ chung mit dem Sollwert übereinstimmt. Zur Feststellung der Übereinstimmung kann in der Auswerte- und Steuereinrich­ tung AS beispielsweise ein Zeitglied (t) vorgesehen sein, welches für den Abgleichvorgang eine feste Zeitspanne vor­ gibt, beispielsweise die für den Durchlauf des vollständi­ gen Zählbereichs notwendige Zeitspanne. Gemäß einer ande­ ren vorteilhaften Ausführungsform ist in der Einrichtung AS ein Detektor vorgesehen, der aus Signalflanken im Aus­ gangssignal des Frequenz-Komparators K den erfolgten Ab­ gleich erkennt. Signalflanken in diesen Signal treten dann auf, wenn der Abgleich erfolgt ist und mit jedem weiteren Zähltakt sich das Vorzeichen der Frequenzabweichung und damit die Zählrichtung umkehrt. Die Resonanzfrequenz pen­ delt dann um ihren Sollwert. Vorzugsweise ist ein solcher Detektor als Abgleichzähler (ZA) ausgeführt, der erst nach mehreren Zählrichtungswechseln den Abgleich feststellt. Mittels eines Ein- Ausschaltsignals E/A von der Auswerte- und Steuereinrichtung wird der Generator G nur während des Abgleichvorgangs aktiviert. Vorzugsweise wird außerhalb des Abgleichvorgangs auch der Frequenzkomparator abge­ schaltet. Nach Beenden des Abgleichvorgangs bleibt der Zähler Z in der zuletzt eingenommenen Zählstellung und speichert somit die Schalterstellung in Form seines Zähl­ werts und die für die gewünschte Resonanzfrequenz gefun­ dene Schalterstellung der Schalterergruppe SCH bleibt er­ halten.

Für den Fall, daß die Resonanzfrequenz auf mehrere Soll­ werte einstellbar sein soll, ist für jeden Sollwert in ei­ nem eigenen Abgleichvorgang eine eigene Schalterstellung zu ermitteln. Zur Vorgabe unterschiedlicher Sollwerte kön­ nen die Teilerfaktoren der Frequenzteiler TR, TS und/oder die Referenzfrequenz fr veränderlich vorgebbar sein. Es kann dann jeweils mit jedem Wechsel des Sollwerts ein er­ neuter Abgleich vorgenommen werden oder es können die zu verschiedenen Sollwerten einmal ermittelten Schalterstellungen als n-stellige Binärworte in einem Speicher in Zuordnung zu den jeweiligen Sollwerten abge­ legt und bei einem Wechsel des Sollwerts wieder abgerufen und zur Einstellung der Schaltergruppe SCH, z. B. als Pre­ set-Wert für den Zähler Z ohne weiteren Abgleichvorgang herangezogen werden.

Alternativ der vorstehend beschriebenen Anordnung können die Elemente zum Frequenzvergleich, zur Auswertung und Steuerung und zum Verändern der Schalterstellung einzeln, kombiniert oder insgesamt auch in Form eines Steuerpro­ gramms eines Prozessors mit an sich bekannten Schaltungs­ elementen realisiert werden. Die anhand der Abbildung be­ schriebenen Mittel sind dann in angepaßter Form Bestand­ teil des Prozessoraufbaus.

Die gesamte Anordnung kann einschließlich des Empfängers und weiterer Schaltungsteile vorteilhafterweise monoli­ thisch integriert werden, wobei die magnetische Antenne als externes Element über einen oder zwei Kontakte ange­ schlossen ist. Vorzugsweise wird die Anordnung in CMOS- oder BICMOS-Technologie ausgeführt.

Die Anordnung ist insbesondere von Vorteil für eine inte­ grierte Funkuhr-Empfängerschaltung für verschiedene lokale oder regionale Zeitzeichensender mit unterschiedlichen Übertragungsfrequenzen und ermöglicht dabei mit geringem Aufwand eine schnelle Anpassung an eine neue Empfangsfre­ quenz. Vorzugsweise wird die Referenzfrequenz dann aus der Schwingfrequenz des Uhrenquarzes abgeleitet, ebenso die Überlagerungsfrequenz(en) des Empfängers.

Claims (13)

1. Schaltungsanordnung für einen abstimmbaren Schwing­ kreis mit folgenden Merkmalen:

• a) der Schwingkreis enthält mehrere Kapazitäten, wel­ che über mehrere Schalter einer elektronischen Schaltergruppe getrennt zu- und abschaltbar sind,
• b) mittels eines Schwingungsgenerators kann in einer Abgleichphase der Schwingkreis zu einer Schwingung auf seiner Resonanzfrequenz angeregt werden,
• c) ein Frequenzkomparator vergleicht in der Abgleich­ phase die Schwingungsfrequenz des Schwingkreises mit einem Wert durch eine Referenzfrequenz vorge­ gebenen Sollwert und veranlaßt bei einer Fre­ quenzabweichung eine Veränderung der Schalterstellung der Schalter­ gruppe bis zur Übereinstimmung der verglichenen Frequenzen
• d) ein Detektor erkennt die Übereinstimmung der verg­ lichenen Frequenzen und veranlaßt die Abschaltung des Schwingungsgenerators unter Speicherung der erreichten Schalterstellung.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzkomparator ein digitaler Phasendetektor ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, gekenn­ zeichnet durch eine Frequenzteileranordnung für die Schwingungsfrequenz des Schwingkreises und/oder die Referenzfrequenz.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitätswerte der mehreren Kapa­ zitäten binär abgestuft sind.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalterstellung der Schalter­ gruppe nach Maßgabe der binären Ausgänge eines Binärzäh­ lers betätigt sind und der Frequenzkomparator bei festge­ stellter Frequenzabweichung eine Veränderung der Zählstel­ lung des Binärzählers veranlaßt.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Binärzähler ein Auf-/Abwärtszähler ist und der Fre­ quenzkomparator die Zählrichtung bestimmt.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor aus dem Wechsel der Zählrichtung das Errei­ chen des Sollwerts der Frequenz erkennt.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Umschaltung von Schaltern der Schaltergruppe im Nulldurchgang der Schwingung des Schwingkreises erfolgt.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekenn­ zeichnet durch einen Digitalspeicher, der mehrere Digital­ werte als Steuerwerte zur Einstellung der Schaltergruppe in Abhängigkeit verschiedener Sollwerte der Resonanzfre­ quenz enthält.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkreis der Resonanzkreis ei­ ner magnetischen Empfangsantenne ist.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsamplitude der während der Abgleichphase vom Schwingungsgenerator erzeugten Schwingung wesentlich größer ist als die von elektromagnetischen Wellen indu­ zierte Empfangssignalamplitude.

12. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsantenne Teil eines Funkuhrempfängers ist.

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekenn­ zeichnet durch die Ausführung in CMOS-Technologie oder BICMOS-Technologie.