FI105501B - Digitaalinen vaihekomparaattori sekä vaiheensäätöpiiri - Google Patents

Description

105501

Digitaalinen vaihekomparaattori sekä vaiheensäätöpiiri Tämä keksintö koskee patenttivaatimuksen 1 laji-määritelmän mukaista digitaalista vaihekomparaattoria sekä 5 vaiheensäätöpiiriä.

Tällainen vaihekomparaattori on tunnettu DE-julkaisusta 4 025 307 AI. Periaatteessa siinä mitataan verrattavien signaalien kahden samanvaiheisen kohdan ajallinen etäisyys. Siinä oletetuilla analogisignaaleilla mää-10 ritetään nollanylimenojen vaihe-ero. Jos on verrattava di-gitaalisignaaleja, niin vertailukohtia ovat reunat. Jos toisen signaalin nousevia nollanylimenoja tai reunoja verrataan toisen signaalin laskeviin nollanylimenoihin tai reunoihin, niin määritettyyn vaihe-eroon on vielä lisättä-15 vä 180 astetta, mikä monien sovellusten tapauksessa voi olla toivottavaa. Tunnetussa komparaattorissa portin avaa se signaali, jonka vertailuvaihe esiintyy ensin; toinen signaali taas sulkee tämän portin. Laskuri laskee näiden välillä olevat aikatahtipulssit. Aikatahti liittyy tunne-20 tussa esimerkissä toiseen näistä kahdesta signaalista siten, että sen taajuus on vertailusignaalin taajuuden koko-naislukumonikerta. Jos aikatahdin taajuus on esimerkiksi 360 kertaa vertailusignaalin taajuus, niin lasketut pulssit antavat vaihe-eron suoraan asteina.

• 25 Mainitulla komparaattorilla pienin mitattavissa oleva vaihe-ero on yksi aste. Hienojakoisempi erottelu-tarkkuus voidaan aikaansaada vain aikatahdin pulssitaa-juutta nostamalla. Sille on kuitenkin asetettu suhteellisen ahtaat rajat. Tunnetulla komparaattorilla ilmenee pie-. 30 nillä vaihe-eroilla_____samanaikaisuusehkäisy, mikä samoin 5 0· - 1111 ' -'—'--r—·· toimii pienimpien erojen mittausta vastaan.

Tämä keksintö perustuu tehtävään, jonka tarkoituk-sena on aikaansaada sellainen vaihekomparaattori, joka tyydyttävästi määrittää pienetkin vaihe-erot, sekä vai-35 heensäätöpiiri, joka säädön avulla tasoittaa pienetkin vaihe-erot tyydyttävällä tavalla. Tehtävä on ratkaistu pa- 2 105501 tenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkien mukaisella digitaalisella vaihekomparaattorilla sekä patenttivaatimuksen 5 tunnusmerkkien mukaisella vaiheensäätöpiirillä.

Kahden saman rakenteen omaavan haaran ja niitä 5 seuraavan eronmuodostuksen käyttäminen samanaikaisuuseh-käisyn ongelman ratkaisemiseksi on kaksisuuntaisella laskurilla tunnettu kirjasta U. Tietze, Ch. Schenk, Halblei-ter-Schaltungstechnik, 8. painos, Springer-Verlag 1986, s. 247. Sen kautta, että kumpikin laskuri vapautetaan vastaa-10 van toisen kahdesta signaalista avulla ja että ne sitten yhdessä vasta apusignaalin avulla jälleen suljetaan, varmistetaan että laskurin mittausajat ovat niin pitkät, että esiintyvät laskettavat tahtipulssit yleensä ovat luettavissa. Se seikka että laskurit ylipäätään reagoivat esiin-15 tyviin laskettaviin tahtipulsseihin, on tärkeä edellytys sille, että ne pienillä vaihe-eroilla ainakin satunnaisesti laskevat myös eri määrän pulsseja.

Vaihekomparaattorit ovat yleensä rakenneosana vai-heensäätöpiirissä, joka säätää signaalin vaihetta siten, 20 että se on ennalta määrätyssä suhteessa vertailusignaalin vaiheeseen. Vaiheensäätöpiirit käsittävät tavallisesti myös ajallisesti tasoittavan vaikutuksen omaavan elementin, analogisessa tapauksessa yleensä alipäästösuotimen. Tämä elin voidaan ottaa huomioon vaihekomparaattorin ra- 25 kenteessa. Siksi riittää, jos pienet vaihe-erot tulevat mittauksessa vain satunnaisesti huomattaviksi. On kuitenkin yleisesti tunnettua, että mittaustarkkuuden lisääminen toistuvien mittausten ja niihin liittyvän keskiarvon muodostuksen avulla on aikaansaatavissa vain silloin, jos . 30 vältetään systemaattiset mittausvirheet. Kahden signaalin vaihe-erojen erillisellä mittauksella kolmannen signaalin suhteen ja niiden eron muodostamisella saadaan aikaan tietty erottaminen, joka palvelee systemaattisen mittausvirheen välttämistä.

i 3 105501

Apusignaali voidaan yksinkertaisimmassa tapaukses-sa johtaa kummastakin vertailtavasta signaalista (patenttivaatimus 2).

t Jos aikatahdin taajuus ei ole vertailtavien sig- 5 naalien taajuuden mikään kokonaislukumonikerta, niin saadaan lisäksi aikaan voimakas erottaminen mittaussovitelma-na olevan vaihekomparaättorin ja mittauskohteena olevien signaalien välillä. Tästä voimakkaasta erottamisesta seuraa systemaattisen mittausvirheen selvä pieneneminen 10 (patenttivaatimus 3).

Keskiarvon muodostus voi itse vaihekomparaattoris-sa tapahtua yksinkertaisella tavalla joka tapauksessa tarpeellisen eron muodostuksen yhteydessä esimerkiksi siten, että eron muodostus tapahtuu vasta tietyn mittausjaksojen 15 lukumäärän tultua täyteen (patenttivaatimus 4).

Keksintö on ^euraavassa selitetty lähemmin suori-tusesimerkkiin liittyen ja käyttäen apuna oheisia piirustuksia .

Kuvio 1 esittää tämän keksinnön mukaisen vaihekom-20 paraattorin lohkokaaviota.

Kuvio 2 esittää kuvion 1 mukaisen vaihekomparaat-torin aaltomuotoja.

Kuvio 3 esittää kuvion 1 mukaisella vaihekompa-raattorilla varustettua vaiheensäätöpiiriä.

« • 25 Kuvion 1 mukaisessa vaihekomparaattorissa 10 on kaksi bistabiilia muLtivibraattoria, nimittäin kiikku 11 ja kiikku 12, kaksi laskuria 13 ja 14, JA-portin 15 ja viiveasteen 16 käsittävä logiikkakytkentä sekä tiedonkäsittely-yksikkö 17.

30 Kummassakin kiikussa 11 ja 12 on datasisäänmeno D, kellosisäänmeno S, palautussisäänmeno R sekä ulostulo Q. Laskureissa 13 ja 14 on kummassakin kellosisäänmeno ck ja sallintasisäänmeno en, Laskurien rinnakkaismuotoiset da-taulostulot on osoitettu kummastakin laskurista tiedonkä-35 sittely-yksikköön 17 menevällä väylällä. Väylät on tosin 4 105501 varustettu suuntanuolilla, mutta päinvastaiseen suuntaan kulkevia asetusjohtimia ei kuitenkaan pidä poissulkea.

Vaiheensa suhteen verrattavat signaalit SI ja S3 vaikuttavat kiikun 11 ja vastaavasti 12 kellosisäänmenossa 5 S. Kummankin kiikun datasisäänmeno D on pysyvästi kytketty loogista arvoa "1" vastaavalle tasolle. Kellosisäänmenot S vaikuttavat tällöin kuten dynaamiset asetussisäänmenot. Palautussisäänmenoja R vastaavat asetussisäänmenot eivät kuitenkaan ole kytketyt siten, että ne eivät vaikuta. 10 Kiikkujen ulostulot Q on kytketty laskurin 13 tai vastaavasti 14 vapautussisäänmenoon, joten asetettu kiikku vapauttaa vastaavan laskurin ja ei-asetettu kiikku sulkee vastaavan kiikun. Laskurien 13 ja 14 kellosisäänmenossa ck vaikuttaa aikatahti T. Aikatahdin T taajuuden pitää olla 15 suuri verrattuna kummankin vertailtavan signaalin SI ja S3 taajuuteen. (Kahden signaalin välinen vaihevertailu edellyttää, että ainakin niiden nimellistaajuus on sama.) Mitä suurempi toisaalta aikatahdin T ja toisaalta signaalien SI ja S3 välinen taajuusero on, sitä hienojakoisemmin vaihe-20 erot ovat mitattavissa jo yksittäisellä mittauksella. Esillä oleva kytkentä on kehitetty käytettäväksi puhelinkeskuksessa. Kummankin signaalin SI ja S3 taajuus on 4 kHz luokkaa. Aikatahti T saadaan käytettävissä olevasta 10 MHz kellosta jaottimen avulla, joka jakaa alkuluvulla 23. Saa-25 tava noin 430 kHz taajuus on hyvänä pohjana muulle käsittelylle.

JA-portin 15 sisäänmenot on kytketty kiikkujen li ja 12 ulostuloihin Q. Viiveaste 16 viivästää JA-portin 15 lähtösignaalia, ja se muodostaa apusignaalin S2, joka vai-. 30 kuttaa kummankin kiikun palautussisäänmenossa R. Viiveas- teen 16 viiveaika on valittava vähintään niin suureksi, ' että laskuri, joka kerran on vapautettu, pysyy vapautettuna vähintään niin kauan kuin se tarvitsee reagoidakseen vaikuttavaan tahtipulssiin. Tässä nimenomaan erityisesti 35 huomioon otettavilla hyvin pienillä vaihe-eroilla näitä vaihe-eroja vastaavat, aikatahdin avulla verrattavat ajat i 5 105501 ovat hyvin lyhyet. Niiden täytyy olla jopa lyhyemmät kuin yksittäinen tahtipulssi. Toisaalta laskurissa ei saa myöskään vaikuttaa mikään täydellinen pulssijakso, jotta laskuri laskee edelleen, Laskuri reagoi pikemminkin, rakenne-5 tyyppinsä mukaan, jo aikatahdin nousevalla tai laskevalla reunalla. Koska tällainen reuna ei toisaalta kuitenkaan ole ideaalinen (luiskamainen muutosreuna hyppäyksen sijasta) ja koska laskuri toisaalta tarvitsee tietyn vähimmäis-reagointiajan, niin viiveasteen 16 täytyy taata laskurille 10 tietty vähimmäisvapautusaika. Tällöin on otettava huomioon, että myös kiikuilla 11 ja 12, JA-portilla 15 ja laskureilla 13 ja 14 on tietty vähimmäisviive. Viiveaste 16 voi olla viivelinja, siirtorekisteri, monostabiili kiikku tai invertteriketju, kysymyksessä olevassa tapauksessa se 15 voi kokonaan puuttuakin, jos muut viiveet eivät ole merkityksettömiä.

Yli minimin menevä vähimmäisvapautusaika ei periaatteessa ole häiritsevä. Siksi kiikun 11 ja 12 palauttamiseksi voidaan käyttää myös apusignaalia S2, jolla on li-20 kimain signaalien SI ja S3 taajuus mutta jolla on eri lähde. Tärkeätä kuitenkin on, että apusignaali S2 on niin paljon kuin mahdollista erotettu signaaleista SI ja S3 sekä aikatahdista T. Vähimmäisviiveajan ei käytännön syistä tule olla liian pitkä, koska se rajoittaa mittausaluetta 25 ja koska tämä tietynlaisen peruskuormituksen johdosta kuormittaa laskureita tarpeettomasti.

Edellä mainitussa, käyttöä puhelinkeskuksessa koskevassa esimerkissä, jossa aikatahdin T taajuus on noin 430 kHz ja signaalien SI ja S3 taajuus noin 4 kHz, valit-30 tiin 200 ns viive; laskuri 13 ja 14 ovat 16-bittisiä bi-.· naarilaskureita, joiden reagointiaika on noin 50 ns.

Laskurien 13 ja 14 ulostulot on kytketty tiedonkäsittely-yksikköön 17, joten tämä voi lukea niiden laskuri-tilat. Tiedonkäsittely-yksikkö 17 käsittelee nyt laskuri-35 tilat siten, että se esim. digitaalisen invertterin ja digitaalisen summaimen avulla muodostaa erotuksen ja asettaa 6 105501 sen käytettäväksi digitaalisena lähtösignaalina O. Tämä voidaan saada aikaan jokaisen yksittäisen mittauksen jälkeen esimerkiksi apusignaalilla S2. Seuraavaksi tiedonkäsittely-yksikkö 17 aiheuttaa laskurin 13 ja 14 palautuk-5 sen. Laskurien palautuksen asemesta voitaisiin viimeinen laskuritila myös tallentaa ja vähentää seuraavasta.

Parhaana pidetään että tiedonkäsittely-yksikkö 17 suorittaa vasta useiden mittausten jälkeen laskuritilojen tulkitsemisen. Sitä varten voidaan esimerkiksi apusignaali 10 S2' jakaa 100:11a jaottimen avulla. Tämä johtaa silloin keskiarvon muodostukseen 100 mittauksen yli. Mikäli yksittäiset mittaukset, kuten edellä on esitetty, ovat riittävästi toisistaan erotetut, saadaan siten myös mittausvirheen pieneneminen sadasosaan. Jakajasta sekä aikatahdin T 15 ja signaalien SI ja S2 taajuuksien suhteesta on seurauksena täysin määrätty, hyvin suuri mittaustulosten erottelu-tarkkuus .

Esillä olevassa esimerkissä määritys tapahtuu kes-keytysohjauksella mikroprosessorin avulla 100 ms välein. 20 Tällöin saadaan 5,8 ns erottelutarkkuus. Kuvioon 2 liittyen selitetään vielä lyhyesti kuvion 1 mukaisen vaihekompa-raattorin toiminta. Siinä on esitetty aaltomuodot A, B, C, D ja E ajan funktiona.

B:llä ja C:llä on tässä merkitty vertailtavat sig-25 naalit SI ja S3, jotka vaikuttavat kiikun 11 tai vastaavasti 12 kellosisäänmenoissa S. D:llä ja E:llä on merkitty vastaavissa ulostuloissa Q esiintyvät signaalit, joita käytetään laskurin 13 tai vastaavasti 14 vapauttamiseksi. A:11a on tässä merkitty aikatahti T.

. 30 Esitetyssä esimerkissä signaali C on jäljessä sig- . naalista B. Vapautussignaali D asetetaan siksi aikaisemmin kuin vapautussignaali E. Kumpikin palautetaan kuitenkin samanaikaisesti (viiveasteen avulla). Laskuri 13 vapautetaan siten noin neljän aikatahtipulssin ajaksi, laskuri 14 35 sitävastoin noin kahden pulssin ajaksi.

105501

Laskuri 13 laskee 100 mittauksella nyt esimerkiksi 54 kertaa neljä pulssia, muulloin vain kolme, ja sen las-kuritilana on lopussa 354. Laskuri 14 puolestaan laskee samana aikana 76 kertaa kaksi pulssia ja muulloin vain yh-5 den, ja sillä on lopussa laskuritilana 176. Tässä esimerkissä saadaan erotukseksi 178 ja keskiarvoksi 1,78. Vaihe-ero on tällöin 1,78 kertaa aikatahdin T jaksonaika.

Kuvioon 3 liittyen selitetään nyt vielä vaiheen-säätöpiiri, joka käsittää edellä selitetyn vaihekomparaat-10 torin 10. Vaihekomparaattorin 10 lisäksi vaiheensäätöpiiri käsittää vielä jänniteohjatun oskillaattorin 20, jaottimen 30, säätöasteen 40 sekä digitaali-analogimuuntimen 50.

Lukuunottamatta tälle keksinnölle ominaista muotoa ja digitaalisen määrityksen takia tarpeellista digitaali-15 analogimuunninta tämä on vaiheensäätöpiirin tavallinen rakenne .

Jänniteohjattu oskillaattori 20 on mitoitettu halutulle nimellistaajuudelle. Sen lähtösignaali, joka annetaan myös ulos, jaetaan jaottimella 30 siten, että sitä 20 voidaan vaihekomparaattorissa 10 verrata referenssitaajuu teen. Säätöaste 40 pitää huolen halutusta säätömuodost <> . Se sisältää kertojalla varustetun suhteellisuushaaran, jc ka määrää suhdesäätötavan, jonka avulla kulloisetkin poik keamat tasoitetaan säädöllä juoksevasti, sekä integroint; *· 25 haaran, joka määrää integroivan säätötavan, jonka avull..

pitkän ajan kuluessa., (tässä muutamasta sadasta useisiin tuhansiin sekunteihin olevalla aikavakiolla) vielä jäljelle jääneet pienehköt poikkeamat summataan ja voidaan siten lopulta myös ottaa huomioon. Derivointihaaraa, jonka avul-30 la voitaisiin nopeasti reagoida lyhytaikaisiin poikkea- ψ * . miin, ei tässä ole käytetty. Integrointihaara on toteutet tu kertojalla ja sen jäljessä olevalla summaimella ja rekisterillä. Rekisteri johtaa summaimen lähtöarvon takaisin sen toiseen sisäänmenoon, joten se lisätään integrointi-35 haaran kertojan lähtöarvoon. Suhteellisuushaaran lähtöarvot ja integrointihaaran lähtöarvot summataan toisella 105501 8 summaimella, ja ne muodostavat säätöasteen lähtöarvon, jonka avulla analogiseksi muuntamisen jälkeen jänniteohja-tun oskillaattorin taajuutta ja vaihetta korjataan säätämällä tunnetulla tavalla.

i

Claims (5)

9 105501 ψ

1. Digitaalinen vaihekomparaattori (10), joka käsittää bistabiilin multivibraattorin (11), joka on ensim- 5 mäisen signaalin (SI) tietyn vaiheenylimenon avulla asetettavissa ja toisen signaalin (S2) tietyn vaiheenylimenon avulla palautettavissa, sekä laskurin (13), joka vapautetaan bistabiilin multivibraattorin (11) avulla niin kauan kun tämä on asetettuna ja sen kellosisäänmenossa (ck) vai-10 kuttaa aikatahti (T), jonka taajuus on ensimmäisen signaalin (SI) ja toisen signaalin (S2) taajuuteen verrattuna korkea, tunnettu siitä, että on käytetty toista bistabiilia multivibraattoria (12), joka on kolmannen signaalin (S3) tietyn vaiheenylimenon avulla asetettavissa ja 15 yhdessä (ensimmäisen) bistabiilin multivibraattorin (11) kanssa palautettavissa, toista laskuria (14), joka vapautetaan toisen bistabiilin multivibraattorin (12) avulla niin kauan kun tämä on asetettuna ja sen kellosisäänmenossa (ck) vaikuttaa aikatahti (T), että on käytetty tiedon-20 käsittely-yksikköä (17), joka kummankin laskurin laskuri-tilasta eronmuodostuksen avulla muodostaa ensimmäisen signaalin (SI) ja kolmannen signaalin (S3) vaihe-eron ver-tausarvon, ja että toinen signaali (S2) on apusignaali, jonka taajuus on likimäärin yhtä suuri kuin ensimmäisen 25 signaalin (SI) ja kolmannen signaalin (S3) taajuus.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen vaihekomparaattori, tunnettu siitä, että siinä on logiikkakyt-kentä, joka muodostaa toisen signaalin (S2) JA-toiminnon (15) ja sitä seuraayan viiveen (16) avulla bistabiilien 30 multivibraattorien (11, 12) lähtösignaaleista. P 9

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen vaihekomparaattori, tunnettu siitä, että aikatahdin (1) taajuus ei ole ensimmäisen signaalin (SI) eikä kolmannen signaalin (S3) mikään kokonaislukumonikerta.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen vaihekomparaat tori, tunnettu siitä, että tiedonkäsittely- 105501 yksikkö (17) suorittaa keskiarvon muodostuksen useiden vaihe-erojen yli.

5. Vaiheensäätöpiiri, joka on varustettu digitaalisella vaihekomparaattorilla (10) , joka käsittää bista-5 hiilin multivibraattorin (11), joka on ensimmäisen signaalin (SI) tietyn vaiheenylimenon avulla asetettavissa ja toisen signaalin (S2) tietyn vaiheenylimenon avulla palautettavissa, sekä laskurin (13), joka vapautetaan bistabii-lin multivibraattorin (11) avulla niin kauan kun tämä on 10 asetettuna ja sen kellosisäänmenossa (ck) vaikuttaa aika-tahti (T), jonka taajuus on ensimmäisen signaalin (SI) ja toisen signaalin (S2) taajuuteen verrattuna korkea, tunnettu siitä, että on käytetty toista bistabii-lia multivibraattoria (12), joka on kolmannen signaalin 15 (S3) tietyn vaiheenylimenon avulla asetettavissa ja yhdes sä (ensimmäisen) bistabiilin multivibraattorin (11) kanssa palautettavissa, toista laskuria (14), joka vapautetaan toisen bistabiilin multivibraattorin (12) avulla niin kauan kun tämä on asetettuna ja sen kellosisäänmenossa (ck) 20 vaikuttaa aikatahti (T), että on käytetty tiedonkäsittely-yksikköä (17), joka kummankin laskurin laskuritilasta eronmuodostuksen avulla muodostaa ensimmäisen signaalin (SI) ja kolmannen signaalin (S3) vaihe-eron vertausarvon, ja että toinen signaali (S2) on apusignaali, jonka taajuus • 25 on likimäärin yhtä suuri kuin ensimmäisen signaalin (SI) ja kolmannen signaalin (S3) taajuus. 105501