DE4332798A1 - Circuit arrangement for a tunable resonant circuit - Google Patents

Circuit arrangement for a tunable resonant circuit

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Abstract

A circuit arrangement for a tunable resonant circuit is described which is of particularly simple construction and can be monolithically integrated. The arrangement can be used particularly advantageously in radio clock receivers for a number of different time signal transmitters.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für einen abstimmbaren Schwingkreis.The invention relates to a circuit arrangement for a tunable resonant circuit.

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.Vibration circles can be more complex to circumvent the initial effort Precision adjustment measures and / or for use with ver different frequencies can be tuned, wherein especially the change in the resonance frequency of the resonant circuit with a determining capacitance value of Be interpretation is.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine vorteil­ hafte Schaltungsanordnung für einen solchen abstimmbaren Schwingkreis anzugeben. The object of the present invention is to provide an advantage adhesive circuit arrangement for such a tunable Specify resonant circuit.  

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Un­ teransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.The invention is described in claim 1. The Un Claims contain advantageous refinements and Developments of the invention.

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.The circuit arrangement according to the invention stands out due to its simple structure and high monolithic inte digressibility. As capacities are preferably inte grated area capacitors used, the largely have temperature stable capacitance values and in the sub in contrast to capacitance diodes, no reference voltage is required The relative capacitance values can be calculated using area ver Ratios can be set with good accuracy. Ferti tolerances in the absolute values of the capacities not critical.

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.The invention can be used particularly advantageously in integrated radio clock receivers, especially for reception different local time signal signals on difference frequencies. The target can advantageously frequency signal as well as superposition signals of the receiver gers from the clock quartz signal as a common reference fre sequence can be derived.

Die Erfindung ist nachfolgend an einem bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Abbildung noch ein­ gehend veranschaulicht.The invention is based on a preferred embodiment Example with reference to the figure illustrated.

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.In the sketched example, a magnetic antenna 1 with one or more capacitors of a capacitor group CA forms an oscillator circuit at the input of a receiver E. The resonance frequency of the resonant circuit can be set by separately switching on or off the individual capacitances by means of switches in a switch group SCH.

Für optimalen Empfang ist die Resonanzfrequenz des Schwingkreises auf die Frequenz der zu empfangenden elek­ tromagnetischen Wellen abzustimmen.For optimal reception, the resonance frequency of the Resonant circuit to the frequency of the elec tune tromagnetic waves.

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.To find the optimal switch position for this Switch group SCH excites a vibration generator G during an adjustment phase the oscillation circuit to an oscillation on its resonance frequency fs. If during the Ab same phase also electromagnetic waves over the An tenne A can induce vibrations in the resonant circuit, is the amplitude of those excited by the generator Vibration large enough to choose for a clear Dominate the resonance vibration. For the execution of the The generator and its connection to the resonant circuit are on examples are known from the prior art. In particular in particular, the generator can have a feedback amplifier ker included.

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.In a frequency comparator K, the resonance frequency fs of the resonant circuit with a predefinable reference frequency compared fr. Instead of the frequencies fs and fr also derived from these frequencies by frequency division zen fs ', fr' are compared in the comparator K. Therefor can the comparator a divider arrangement with two Fre frequency dividers TS and TR with i.a. different divisors factors upstream. Preferably, the dated Generator G to the comparator K signal the Resonance frequency fs square waveform. The reference frequency fr there, including the divisor factor if necessary  a setpoint for the frequency dividers TS, TR Resonance frequency of the resonant circuit. In case of deviation of the actual value of the resonance frequency of the frequency comparator K causes this setpoint Change the switch position of the switch group SCH with the aim of finding out the frequency deviation equalize. The frequency comparator gives an off for this output signal, e.g. B. a larger (<) or smaller (<) signal to a subsequent evaluation and control device AS , which changes the direction of the change to be made effective capacity value. The frequency Comparator is preferably a digital phase detector executed with infinite target area. The use too is analog and other digital phase detectors conceivable.

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.For actuating the individual switches in the switch group SCH an up / down counter Z is preferably provided as an n-level binary counter in conjunction with a binary Grading of the switchable capacities ci the n individual capacities. Every exit bi of the n- stage counter Z actuates a switch of the switches group. To change the resonance frequency the Effective capacity changed by the resonant circuit Switch position of the switch group is changed. This again by changing the count of the counter Z. A clock signal P or a clock signal derived therefrom gnal P 'changes the counter reading with every clock pulse one increment each and the effective capacity value one step ideally always the same as small most switchable value is c1. The count direction is by the output signal of the frequency comparator or one of them  derived count direction signal U / D set. This The output signal therefore only needs the direction of the deviation but not their size.

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.About amplitude drops and phase jumps of the generator G to avoid by reloading switched capacities the, the switchover is advantageously always to same phase position of the vibration in the resonant circuit, before preferably near a zero crossing. This can be due to particularly simple way through a digital synchronization sier circuit (SS) can be achieved, which count of the up / down counter from the arrival of a signal edge of the Makes generator G dependent.

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.Because there is no electromagnetic reception during the adjustment process table signals is possible, this adjustment process limit time. The adjustment process can be ended when the resonance frequency is down to a small one most capacity step c1 dependent maximum residual deviation coincides with the setpoint. To determine the Agreement can be found in the evaluation and control unit device AS, for example, a timer (t) may be provided, which specifies a fixed period of time for the adjustment process there, for example, for the passage of the full time required for the counting range. According to another ren advantageous embodiment is in the device AS a detector is provided which consists of signal edges in the off output signal of the frequency comparator K the Ab immediately recognizes. Signal edges then appear in this signal when the adjustment has been made and with each further one The sign of the frequency deviation and so that the counting direction is reversed. The resonance frequency pen  then around their setpoint. Such is preferred Detector as adjustment counter (ZA), which only after several changes in counting direction. By means of an on / off signal I / O from the evaluation and control device, the generator G is only during the Matching process activated. Preferably outside of the adjustment process also the frequency comparator switches. After the adjustment process has ended, the Counter Z in the last count position and thus saves the switch position in the form of its count value and found for the desired resonance frequency he remains in the switch position of the switch group SCH hold.

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.In the event that the resonance frequency is set to several values should be adjustable is in egg for each setpoint a separate switch position to investigate. To specify different setpoints the divider factors of the frequency dividers TR, TS and / or the reference frequency can be predefined as variable. It can then be changed each time the setpoint changes new adjustment can be made or it can be various setpoints once determined Switch positions as n-digit binary words in one Memory assigned to the respective setpoints and retrieves when the setpoint changes and for setting the switch group SCH, z. B. as Pre set value for the counter Z without further adjustment be used.

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.Alternatively, the arrangement described above can the elements for frequency comparison, evaluation and  Control and for changing the switch position individually, combined or in total in the form of a tax pro grams of a processor with circuit known per se elements can be realized. The be Written funds then exist in adapted form part of the processor structure.

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.The entire arrangement can include the receiver and other circuit parts advantageously monoli thisch be integrated, the magnetic antenna as an external element via one or two contacts is closed. The arrangement is preferably in CMOS or BICMOS technology.

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.The arrangement is particularly advantageous for an inte Free radio clock receiver circuit for various local or regional time signal transmitters with different ones Transmission frequencies and thereby enables with low Effort to quickly adapt to a new reception frequency quenz. The reference frequency is then preferably from the Vibration frequency derived from the watch quartz, as well as the Superposition frequency (s) of the receiver.

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.
1. Circuit arrangement for a tunable resonant circuit with the following features:
  • a) the resonant circuit contains several capacities which can be switched on and off separately via several switches in an electronic switch group,
  • b) by means of an oscillation generator, the oscillation circuit can be excited to oscillate at its resonance frequency in an adjustment phase,
  • c) a frequency comparator compares the oscillation frequency of the resonant circuit with a value given by a reference frequency predetermined setpoint and causes a frequency deviation to change the switch position of the switch group to match the compared frequencies in the adjustment phase
  • d) a detector detects the agreement of the compared frequencies and causes the vibration generator to be switched off while storing the switch position reached.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzkomparator ein digitaler Phasendetektor ist.2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the frequency comparator is a digital phase detector. 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, gekenn­ zeichnet durch eine Frequenzteileranordnung für die Schwingungsfrequenz des Schwingkreises und/oder die Referenzfrequenz.3. Arrangement according to claim 1 or claim 2, characterized characterized by a frequency divider arrangement for the Vibration frequency of the resonant circuit and / or the Reference frequency. 4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitätswerte der mehreren Kapa­ zitäten binär abgestuft sind.4. Arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized characterized in that the capacitance values of the several Kapa are graduated in binary. 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.5. Arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized characterized that the switch position of the switch group according to the binary outputs of a binary tough lers are actuated and the frequency comparator at festge frequency deviation is a change in the digit causes the binary counter. 6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Binärzähler ein Auf-/Abwärtszähler ist und der Fre­ quenzkomparator die Zählrichtung bestimmt. 6. Arrangement according to claim 5, characterized in that the binary counter is an up / down counter and the fre quenz comparator determines the counting direction.   7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor aus dem Wechsel der Zählrichtung das Errei­ chen des Sollwerts der Frequenz erkennt.7. Arrangement according to claim 6, characterized in that the detector from changing the counting direction Chen the setpoint of the frequency recognizes. 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.8. Arrangement according to one of claims 1 to 7, characterized characterized in that a switch of switches Switch group in the zero crossing of the oscillation of the Resonant circuit. 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.9. Arrangement according to one of claims 1 to 8, characterized is characterized by a digital memory that contains several digital values as control values for setting the switch group depending on various setpoints of the resonance frequency quenz contains. 10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkreis der Resonanzkreis ei­ ner magnetischen Empfangsantenne ist.10. Arrangement according to one of claims 1 to 9, characterized characterized in that the resonant circuit of the resonant circuit ei ner magnetic receiving antenna. 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.11. The arrangement according to claim 10, characterized in that the vibration amplitude during the adjustment phase vibration generated by the vibration generator essential is greater than that of electromagnetic waves indu graceful received signal amplitude. 12. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsantenne Teil eines Funkuhrempfängers ist.12. The arrangement according to claim 10, characterized in that the receiving antenna is part of a radio clock receiver. 13. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekenn­ zeichnet durch die Ausführung in CMOS-Technologie oder BICMOS-Technologie.13. Arrangement according to one of claims 1 to 12, characterized characterized by the execution in CMOS technology or BICMOS technology.
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