FI79637C - Kretskoppling foer en faslaost slinga. - Google Patents

Description

1 79637

Vaihelukitun silmukan kytkentä

Esillä olevan keksinnön kohteena on vaihelukitun silmukan kytkentä, joka sisältää peräkkäin kytkettyinä digitaalisen vaihevertailijän, jonka toiseen sisääntuloon johdetaan ver-tailutaajuus, silmukkasuodattimen sekä jänniteohjatun oskillaattorin, josta on johdettu vaihevertailijän toiseen sisääntuloon takaisinkytkentähaara.

Tällaista vaihelukittua silmukkaa on esitetty lohkokaaviona kuviossa 1. Siinä tuodaan vertailutaajuus fref vaihevertaili-jan 1 sisääntuloon. Vaihevertailijän lähtö on kytketty sil-mukkasuodattimeen 2 ja tämän lähtö edelleen jänniteohjattuun oskillaattoriin 3. Oskillaattorin 3 lähtö on kytketty takaisin vaihevertailijaan 1 niin, että saadaan silmukka, joka tietyllä nopeudella asettuu vertailutaajuuden fref mukaan.

On hyvin tunnettua käyttää tällaista vaihelukittua silmukkaa esim. taajuussyntetisaattoreissa. Kun käytetään vaihelukittua silmukkaa taajuussynteesissä, jonka jänniteohjattua oskillaattoria (VCO) taajuusmoduloidaan, syntyy silmukan nopeuden suhteen ristiriitaisia vaatimuksia. Haluttaessa nopeaa aset-tumisaikaa kun siirrytään kanavalta toiselle, täytyy silmukan rajataajuuden olla mahdollisimman suuri. Jotta toisaalta silmukka ei korostaisi eikä vaimentaisi modulaatiota, olisi silmukan rajataajuuden taas oltava pieni, tarkemmin sanottuna olisi rajataajuuden oltava paljon pienempi kuin alin modulointitaajuus. Pienestä rajataajuudesta on lisäksi se etu, että jäännösmodulaatio pienenee ja vaihevertailutaajuudelle saadaan suurempi vaimennus.

Esimerkiksi US-patenteista 4 482 869 ja 4 516 083 sekä EP-patenttihakemuksesta 85615 on tunnettua nopeuttaa siimukka-suodatinta muuttamalla suodattimen integraattoriasteen vastus-arvoa joko vastuksia poistamalla tai oikosulkemalla. Vastaa 2 79637 vasti hidastus perustuu oikosulkujen poistamiseen tai vastusten lisäämiseen. US-patentissa 4 156 855 nopeutetaan silmukkaa lisäksi kasvattamalla integraattoriasteen kondensaattoria syöttävää virtaa virtapumpun avulla.

Vastuksien ohjaaminen kytkimien avulla häiritsee kuitenkin silmukan toimintaa. Esimerkiksi hitaan silmukan kytkentähet-kellä esiintyy yleensä hetkellinen nykäys suodattimelta saatavassa VCO:n säätöjännitteessä, jollaista ei esim. radiopuhe-linsovellutuksissa voida sallia. Samoin käy myös mikäli in-tegraattoria lataava virta yhtäkkisesti muuttuu.

Ilman häiriöitä ei ole siis ollut mahdollista käyttää vaihe-lukitulla silmukalla muodostettua taajuussynteesiä silloin, kun toisaalta vaaditaan nopeata asettumisaikaa ja toisaalta lineaarista modulaatiotaajuusvastetta. Milloin käytännössä on sovellettu vaihelukitulla silmukalla muodostettua moduloitua taajuussynteesiä, on kyseessä ollut kompromissi asettumisajän, modulaatiotaajuusvasteen lineaarisuuden ja referenssitaajuus-vaimennuksen suhteen.

Esimerkiksi sellaisissa radiopuhelinsovellutuksissa, joissa vaaditaan pientä asettumisaikaa ja lineaarista modulaatiotaa-juusvastetta on jouduttu käyttämään ns. siirto-oskillaattori-järjestelmää, jossa vastaanotininjektiotaajuuteen sekoitetaan moduloitu kiinteä siirto-oskillaattoritaajuus. Toisaalta siirto-oskillaattorista seuraa haittapuolena suuri määrä sekoitustuloksia, joiden vaimentaminen on hankalaa. Lisäksi haittapuolena on kytkennän monimutkaisuus ja kalleus.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on vähentää edellä mainittuja ongelmia ja aikaansaada kytkentä, joka mahdollistaa moduloidun taajuussynteesin käyttämisen myös silloin, kun siltä vaaditaan sekä nopeaa asettumisaikaa että pientä silmukan rajataajuutta.

3 79637

Keksintö perustuu siihen ratkaisuun, että muutetaan vaihelukitun silmukan vahvistusta säätämällä digitaaliselta vaihe-vertaili jalta saatavien pulssien jännitettä, jolloin on mahdollista käyttää suurta rajataajuutta eli nopeata silmukkaa asettumisien aikana ja pientä rajataajuutta asettumisen jälkeen. Koska ei käytetä siirto-oskillaattorijärjestelmää, ei synny haitallisia sekoitustuloksia.

Kun vaihelukitun silmukan vahvistusta muutetaan tänä tavalla digitaaliselta vaihevertailijalta saatavien pulssien jännitettä muuttamalla, vahvistuksen muuttaminen ei häiritse silmukan toimintaa.

Lisäksi kytkentä on yksinkertainen sekä soveltuu yleisesti käytetylle kaksilähtöiselle digitaaliselle vaihevertailijalle ja operaatiovahvistin-tyyppiselle integraattorille. Keksinnön mukainen kytkentä mahdollistaa haluttaessa myös portaattoman säädön ja säätö toimii pienilläkin vaihe-eroilla moitteettomasti .

Keksinnön pääasialliset tunnusmerkit ilmenevät oheisesta patenttivaatimuksesta 1 ja sen edulliset suoritusmuodot epäitsenäisistä vaatimuksista 2-10.

Digitaaliselta vaihevertailijalta saatavien pulssien jännitettä voidaan siis keksinnön mukaisesti muuttaa vaihevertaili jassa tai vaihevertailijän ulkopuolella esimerkiksi diodi-, transistori-, FET- tai jollain muulla jännitettä rajoittavalla kytkennällä. Pulssien jännitteenrajoitus voidaan toteuttaa esimerkiksi joko vaihevertailijän lähdön yhteyteen tai siimuk-kasuodattimeen rakennetulla edellä kuvatulla kytkennällä. Vaihevertaili jassa säätö on myös mahdollista toteuttaa esimerkiksi itse vaihevertailijän, tai sen lähtöasteen käyttöjännitettä muuttamalla.

* 79617

Olennaista on se, että kytkennässä voidaan pulssi jännitettä muuttamalla vaikuttaa vaihelukitun silmukan vahvistukseen ja siten muuttaa mm. silmukan rajataajuutta ja nopeutta.

Olennaista on myös se, että kun silmukan vahvistusta muutetaan tällä tavalla vaihevertailijalta saatavien pulssien jännitettä muuttamalla, vahvistuksen muuttaminen ei häiritse silmukan toimintaa. Lisäksi vahvistusta voidaan säätää portaattomasti.

Näinollen on mahdollista käyttää suurta rajataajuutta eli nopeata silmukkaa asettumisien aikana ja muuttaa rajataajuus pienemmäksi asettumisen jälkeen häiritsemättä silmukan toimintaa .

Tällä tavalla saadaan aikaan nopea asettumisaika sekä lineaarinen modulaatiotaajuusvaste, pieni jäännösmodulaatio ja suuri vertailutaajuuden vaimennus.

Keksinnössä esitettyä kytkentää vaihelukitun silmukan vahvistuksen säätämiseksi voidaan käyttää useissa vaihelukkosovel-lutuksissa, joita ovat mm. taajuus-synteesi-, modulaattori-tai demodulaattorisovellutukset (esim. AM, FM, PM), tracking-suodatin, kellosignaalin uudelleenkehitys jne.

Vaihelukitun silmukan vahvistuksen säätöä voidaan käyttää eri sovellutuksissa esim. silmukan rajataajuuden säätöön, silmukan nopeuttamiseen ja hidastamiseen, modulaatiotaajuusvasteen linearisoimiseen, referenssitaajuusvaimennuksen kasvattamiseen, tai esim. kompensoimaan silmukkavahvistuksen muutosta jakoiuvun muuttuessa.

Kytkennän muita etuja ovat mm. yksinkertaisuus ja halpuus, säädön ohjattavuus, säädön portaattomuus ja se että vahvistuksen säätö ei häiritse silmukan toimintaa.

Lisäksi esitettyä kytkentää voidaan soveltaa erityyppisiin digitaalisiin vaiheilmaisimiin esim. yksi tai kaksilähtöisiin vaiheiimaisimiin.

5 79637

Keksinnön sovellusta FM-moduloituun taajuus-syntetisaattoriin selostetaan seuraavassa lähemmin esimerkin muodossa ja viitaten oheisiin piirustuksiin, joissa kuvio 1 esittää jo selostettua vaihelukitun silmukan lohko-kaaviota, kuvio 2 esittää vaihelukitun silmukan sisältävän taajuussyn-tetisaattorin lohkokaaviota, kuvio 3 esittää keksinnön mukaisen kytkennän erästä käytännön toteutusta, kuvio 4 esittää kuvioon 3 liittyviä pulssikuvia, kuvio 5 esittää kuvioon 3 liittyviä taajuusvasteita, kuvio 6 esittää patenttivaatimuksiin 7 ja 8 liittyviä kuvia, kuvio 7 esittää patenttivaatimuksiin 8 ja 9 liittyviä kuvia.

Kuvion 2 mukaisessa taajuussyntetisaattorissa saadaan refe-renssitaajuus stabiilista kideoskillaattorista 4 (TCXO), jonka taajuus jaetaan jakoelimellä 2 (luvulla R) sopivan vaihever-tailutaajuuden synnyttämiseksi. Saatu vaihevertailutaajuus viedään vaihevertailijaan 1, jonka lähdöstä saatava signaali syötetään silmukkasuodattimeen 2. Tämä silmukkasuodatin on alipäästötyyppinen suodatin, jossa vaihevertailijän signaalista suodatetaan vaihtokomponentit ja saadaan tasajännite jänniteohjatun oskillaattorin 3 (VCO) ohjaukseen. Jänniteoh-jattua oskillaattoria 3 lähdöstä viedään takaisinkytkentä esi jakajan 6 ja jakoelimen 7 kautta vaihevertailijän 1 toiseen tuloon. Kun takaisinkytkentäsilmukan taajuusjakaja 7 (jakoluku N) tehdään ohjelmoitavaksi, voidaan jakolukua N muuttamalla syntetisoida useita taajuuksia. Esijakajaa 6 käytetään pudottamaan jänniteohjatun oskillaattorin 3 taajuutta ohjelmoitavan jakajan 7 toiminta-alueelle, jonka taajuusalue yleensä on suhteellisen pieni. Jänniteohjatun oskillaattorin 3 lähtö muodostaa samalla syntetisoijän lähdön fout.

β 79637

Koska tämä kytkentä on periaatteessa ammattimiehelle hyvin tunnettu, sitä ei tässä yhteydessä selosteta yksityiskohtaisemmin. Tänä päivänä on saatavissa valmiita integroituja piirejä, jotka sisältävät esimerkiksi jakoelimet 5, vaihevertai-lijan 1 sekä ohjelmoitavan jakajan 7, ja tällainen piiri on kuviossa 2 merkitty viitteellä IC.

Kuviossa 3 on esitetty keksinnön mukainen kytkentä, jossa edellä mainittu integroitu piiri IC on tyypiltään MC145156 (valmistaja Motorola).

Tässä on siis kyseessä kaksilähtöinen vaihevertailija, jonka lähdöt on kuviossa 3 merkitty 0V ja 0R. Nämä lähdöt viedään vastuksien R5 ja R6 kautta integraattorille, joka on kuvion mukaisessa tapauksessa toteutettu differentiaalivahvis-. timen A. avulla.

Ko. vaihelukitun silmukan ominaisvärähtelytaajuus fn on 1 / K0 · Kvco ^ (1) fn«— / -

2 fr . / N · C · R

jossa K0 on vaihevertailijän vahvistus 2iT*Afvco (2)

Kvco on -- AVvco N on kokonaisjakoluku (fout/fref) C on likimain C2 = C3 kuviossa 3 ja R on likimain R7 = R8 kuviossa 3.

Muuttamalla K0 saadaan 7 79637 /κ02 ^ (3) fn2 = /· fnl V Κ01 ts. silmukan ominaisvärähtelytaajuus on suoraan verrannollinen vaihevertailijän vahvistuksen neliöjuureen.

Kuvatussa tapauksessa vaikutetaan vaihevertailijän lähdöistä 0V ja 0R saatavien pulssien jännitteeseen seuraavasti:

Kumpaankin lähtöön on vastuksen R5 vast. R6 jälkeen kytketty leikkuritransistorien Q3 vast. Q2 emitterit ja transistorien kollektorit on kytketty syöttöjännitteeseen Vdd (5 V). Normaalitilanteessa on pieni rajataajuus eli hidas silmukka kytketty päälle, jolloin kondensaattori Cl on varautunut vastuksen R4 kautta +5 Vsiin ja transistorit Q2 ja Q3 leikkaavat vaihevertaili jän lähtöjen 0V ja 0R 5 V:in jännitepulssit noin 0,5 V:n pulsseiksi kuten kuviossa 4 kohdassa a on esitetty.

Kanavanvaihtohetkellä, jolloin käytetyn piirin ohjelmoitavaan jakajaan syötetty jakolukutieto aktivoidaan, saadaan mikropiirin terminaaliin 13 syötetystä aktivointipulssista (TSEN) myös ohjaus vastuksen R2 kautta kytkintransistorin Q1 kannalle. Tällöin Q1 tulee hetkellisesti johtavaksi ja kondensaattorin Cl varaus purkaantuu vastuksen R3 kautta. Näin ollen transistorien Q2 ja Q3 kantajännite laskee n. 0 V:iin ja transistorien emittereillä olevien pulssien korkeus nousee hetkellisesti 5 V:iin, kuten kuvion 4 kohdassa b on esitetty.

Tällöin silmukan vahvistuksen kasvamisesta johtuen myös silmukan rajataajuus ja nopeus kasvavat. Nopean silmukan eli suuren vahvistuksen päällä pysyminen riippuu kondensaattorin Cl määräämästä aikavakiosta. Esitetyssä tapauksessa nopea silmukka pysyy päällä suunnilleen 50 ms, jona aikana on silmukka ehtinyt asettua.

8 79637

Kun ko. vaihelukitun silmukan ominaisvärähtelytaajuus on esitetyllä kytkennällä nopealla silmukalla (fnl) noin 80 Hz, on hitaan silmukan ominaisvärähtelytaajuus (fn2) suunnilleen 0,5/5 x 80 Hz eli noin 25 Hz. (K01 . Kvco/N = 2300 Hz)

Kuvion 5 käyrästössä on esitetty esimerkkikytkennän suljetun silmukan vastetta sekä nopealla että hitaalla silmukalla. Vasteesta voidaan lukea sekä silmukan ominaisvärähtelytaajuus fn että suljetun silmukan -3 dB:n rajataajuus. Lisäksi kuvioon 5 on piirretty ko. silmukan modulaatiotaajuusvaste sekä nopealla että hitaalla silmukalla. Modulaatiotaajuusvaste pysyy suorana halutulla alueella 300 Hz - 10 kHz.

Claims (9)

1. 9 79637 Patentti vaatimukset
2. 1. Vaihelukitun silmukan kytkentä, joka sisältää peräkkäin kytkettyinä digitaalisen vaihevertai 1 ijan (1), jonka toiseen sisääntuloon tuodaan vertai 1 utaajuus (fref), silmuk-kasuodattimen (2) sekä jänniteohjatun oskillaattorin (3), josta on johdettu vaihevertailijän toiseen sisääntuloon takai sinky tkentähaara , tunnettu siitä, että digitaaliselta vaihevertail ijalta (1) saatavien pulssien jännite on sovitettu säädettäväksi, jolloin vaihelukitun silmukan rajaraajuutta ja nopeutta voidaan muuttaa.
3. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kytkentä, tunnettu siitä, että se digitaaliselta vaihevertai1ijalta (1) saatavien pulssien jännite on sovitettu säädettäväksi itse vaihevertai-lijassa tai sen 1ähtöasteessa esimerkiksi käyttöjännitettä säätämäl 1 ä.
4. 3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kytkentä, tunnettu siitä, että digitaaliselta vaihevertai1ijalta (1) saatavien pulssien jännite on sovitettu säädettäväksi vaihevertai1ijän ulkopuolelle rakennetulla diodi-, transistori- tai jollain muulla pulssien jännitettä rajoittavalla kytkennällä.
5. 4. Patenttivaatimuksen 2 ja 3 mukainen kytkentä, tunnettu siitä, että digitaaliselta vaihevertailijalta saatavien pulssien jännitettä säädetään siten, että käytetään suurempaa silmukan rajataajuutta asettumisen (lukittumi sen) aikana ja pienempää rajataajuutta asettumisen jälkeen. 1 2 3 4 Patenttivaatimuksen 2 ja 3 mukainen kytkentä, tun 2 nettu siitä, että digitaaliselta vaihevertailijalta (1) saa 3 tavien pulssien jännitettä säädetään silmukan ollessa lukittu 4 neena siten, että silmukan vahvistus ja rajataajuus muuttuu. 10 79637
6. 6. Patenttivaatimuksen 4 ja 5 mukainen kytkentä, tunnettu siitä, että digitaaliselta vaihevertailijalta (1) saatavien pulssien jännite on sovitettu säädettäväksi vai hever-tailijan lähdön ja silmukkasuodattimen väliin kytketyn pulssien jännitettä muuttavan (vahvistavan tai vaimentavan) kytkennän käyttöjännitettä säätämällä, jolloin kytkennän lähdöstä saatavien pulssien jännitettä ja siten silmukan vahvistusta ja rajataajuutta voidaan säätää.
7. 7. Patenttivaatimuksen 4 ja 5 mukainen kytkentä, tunnettu siitä, että kaksi 1ähtöiseitä digitaaliselta vaihevertai-lijalta saatavien pulssien jännite on sovitettu säädettäväksi vaihevertailijän ulkopuolelle rakennetulla transistori leikkurilla (Q4, Q5), jossa transistorien emitterit on kytketty vastusten (R11, R12) kautta vaihevertai1ijän lähtöihin 0R, 0V) ja kollektorit syöttöjännitteeseen (+Vdd), jolloin kanta jännitettä (Us) säätämällä voidaan säätää transistorien emittereillä olevaa puissikorkeutta ja siten silmukan vahvistusta ja rajataajuutta.
8. 8. Patenttivaatimuksen 4 ja 5 mukainen kytkentä, tunnettu siitä, että kaksi 1ähtöiseitä digitaaliselta vaihevertai1i-jalta saatavien pulssien jännite on sovitettu säädettäväksi vaihevertailijän ulkopuolelle rakennetulla diodileikkurilla (Dl, D2), jossa diodien katodit on kytketty vastusten (R13, R14 ) kautta vai hevertai1ijän lähtöihin (0fR, 0V ), jolloin diodien anodijännitettä (Us) säätämällä voidaan säätää diodien katodeilla olevaa puissikorkeutta ja siten silmukan vahvistusta ja rajataajuutta. 1 Patenttivaatimuksen 4 ja 5 mukainen kytkentä, tunnettu siitä, että yksi 1ähtöiseitä digitaaliselta vaihevertail ijalta saatavien pulssien jännite on sovitettu säädettäväksi vaihevertai1ijan ulkopuolelle rakennetulla transistori-leikkurilla (Q6, Q7), jossa transistorien emitterit on kytketty vastuksen (R15) kautta vaihevertai1ijan lähtöön (Pd) ja 11 79637 NPN-transistorin (Q6) kollektori käyttöjännitteeseen (+Vdd) ja PNP-transistorin (Q7) kollektori maihin, jolloin transistorien (Q6, Q7) kantajännitteitä (Ua, Ub) säätämällä voidaan säätää transistorien emittereillä olevaa pulssikorkeutta ja siten silmukan vahvistusta ja rajataajuutta.
9. 10. Patenttivaatimuksen 4 ja 5 mukainen kytkentä, tunnet tu siitä, että yksilähtöiseltä digitaaliselta vaihevertaili-jalta saatavien pulssien jännite on sovitettu säädettäväksi vaihevertailijän ulkopuolelle rakennetulla diodileikkurilla (D3, D4), jossa toisen diodin (D3) katodi ja toisen diodin (D4) anodi on kytketty vastuksen (R16) kautta vaihevertaili-jan lähtöön (Pd), jolloin toisen diodin (D3) anodijännitettä (Ua) ja toisen diodin (D4) katodijännitettä (Ub) säätämällä voidaan säätää kytkennän lähdöstä saatavaa pulssikorkeutta ja siten silmukan vahvistusta ja rajataajuutta.