FR2685583A1 - Multi-band frequency synthesizer - Google Patents

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Abstract

Multi-band frequency synthesizer including a first oscillator (2) with voltage-controlled frequency, slaved in frequency by a regulation loop (4, 7, 8, 9) receiving a frequency datum signal (SC) and including a phase comparator (7) receiving the frequency of the oscillator (2) after passing through a divider (8) of rank R, a synthesizer (1) including a second similar oscillator (3), capable of being substituted for the first oscillator (2) and controllable by this regulation loop (4, 7, 8, 9), the gain of the phase comparator (7) being controlled in such a way as to compensate for the variations of the gain in terms of frequency of the loop as a function of the rank R.

Description

SYNTHETISEUR DE FREQUENCES MULTIBANDE
La présente invention concerne un synthétiseur de fréquences multibande à asservissement par boucle à verrouillage de phase comportant un oscillateur commandé en tension (VCO).MULTIBAND FREQUENCY SYNTHESIZER
The present invention relates to a multiband frequency synthesizer with phase locked loop control comprising a voltage controlled oscillator (VCO).

Les synthétiseurs, ou générateurs, de fréquences multibande connus comportent des boucles d'asservissement contrôlant chacune l'une des bandes de fréquences possibles au moyen d'un oscillateur à fréquence variable commandée en tension, le choix entre les signaux de fréquences issus de ces oscillateurs étant effectué par un commutateur relié à la sortie de ces oscillateurs. Dans chaque boucle, un comparateur de phase reçoit des signaux respectivement représentatifs d'une fréquence de référence ainsi que de la fréquence issue de l'oscillateur concerné, afin d'effectuer l'asservissement de fréquence.Known multiband frequency synthesizers or generators have servo loops each controlling one of the possible frequency bands by means of a voltage-controlled variable frequency oscillator, the choice between the frequency signals from these oscillators being effected by a switch connected to the output of these oscillators. In each loop, a phase comparator receives signals respectively representative of a reference frequency as well as the frequency from the oscillator concerned, in order to carry out the frequency control.

Cependant, les caractéristiques, et en particulier le gain, des divers éléments constituant la boucle peuvent varier en fonction de la fréquence de la boucle, ce qui écarte leur fonctionnement d'un fonctionnement optimal pour lequel ils sont prévus. Et, en particulier comme la frequence de référence est issue d'un générateur à fréquence fixe, il faut avoir un changeur de frequence commandable sur l'une des entrées du comparateur, afin de pouvoir choisir la fréquence de la boucle. De façon à avoir une plus grande souplesse dans le choix de la fréquence de boucle, on peut même prévoir un changeur de fréquence sous forme, par exemple, d'un diviseur de fréquence propre à chaque entrée du comparateur, CR qui permet de comparer des sous-multiples de rangs différents de la fréquence du générateur à fréquence fixe et de la fréquence de boucle.Cependant, la présence d'un changeur de fréquence, sur l'entrée du comparateur recevant le signal venant de l'oscillateur à fréquence variable, fait percevoir ce dernier comme ayant une sensibilité, en Hertz/Volt, variable avec la fréquence de boucle, si bien que le gain global de boucle dépend de cette frequence boucle et empêche un fonctionnement optimal sur toute la plage des fréquences possibles.However, the characteristics, and in particular the gain, of the various elements constituting the loop can vary as a function of the frequency of the loop, which eliminates their operation from the optimal operation for which they are intended. And, in particular as the reference frequency comes from a generator with fixed frequency, it is necessary to have a frequency changer controllable on one of the inputs of the comparator, in order to be able to choose the frequency of the loop. In order to have greater flexibility in the choice of the loop frequency, it is even possible to provide a frequency changer in the form, for example, of a frequency divider specific to each input of the comparator, CR which makes it possible to compare submultiples of different ranks of the frequency of the fixed frequency generator and of the loop frequency. However, the presence of a frequency changer, on the input of the comparator receiving the signal coming from the variable frequency oscillator, makes the latter perceive as having a sensitivity, in Hertz / Volt, variable with the loop frequency, so that the overall loop gain depends on this loop frequency and prevents optimal operation over the entire range of possible frequencies.

De ce fait, les générateurs de fréquences multibandes comportent autant de boucles d'asservissement que de bandes, avec l'inconvénient induit d'une multiplication des coûts. La présente invention vise à pallier cet inconvénient.As a result, multiband frequency generators include as many servo loops as there are bands, with the disadvantage of increasing costs. The present invention aims to overcome this drawback.

A cet effet, le synthétiseur de fréquences multibande, selon l'invention, et qui comporte un oscillateur à fréquence commandable en tension, agencé pour être asservi en fréquence par une boucle d'asservissement recevant un signal de consigne en fréquence, et comportant un comparateur est caractérisé par le fait qu'il comporte au moins un autre oscillateur à fréquence commandable en tension, ladite boucle d'asservissement étant agencée pour asservir en fréquence aussi ledit autre oscillateur et le comparateur est à gain variable.To this end, the multiband frequency synthesizer, according to the invention, and which includes a voltage-controlled frequency oscillator, arranged to be frequency-controlled by a control loop receiving a frequency reference signal, and comprising a comparator is characterized in that it comprises at least one other oscillator with frequency controllable in voltage, said control loop being arranged to control in frequency also said other oscillator and the comparator is with variable gain.

On utilise ainsi une seule boucle pour effectuer l'asservissement selon la fréquence voulue en fonction du signal de consigne, les deux oscillateurs étant commandés de façon optimale quelle que soit la fréquence.A single loop is thus used to carry out the servo-control according to the desired frequency as a function of the setpoint signal, the two oscillators being optimally controlled whatever the frequency.

Avantageusement, ladite boucle d'asservissement comporte un comparateur de phase à gain programmable. Advantageously, said control loop includes a phase comparator with programmable gain.

On peut ainsi adapter ce comparateur, en fonction de la fréquence voulue, pour qu'il fournisse un signal d'erreur ayant une sensibilité, par rapport à la phase, qui soit adaptée en fonction de la fréquence de la boucle, ceci afin de compenser les variations de gain de boucle en fonction de la fréquence, dues aux autres éléments, qui ne permettraient plus un fonctionnement optimal. Ladite boucle d'asservissement comporte de préférence un filtre destiné à améliorer la stabilité de l'asservissement. Pour permettre de choisir plus aisément les fréquences, ladite boucle d'asservissement peut comporter un changeur de fréquence. On peut ainsi, par exemple, multiplier ou diviser une fréquence de référence et la comparer à la fréquence de la boucle d'asservissement, elle-même éventuellement multipliée ou divisée.Si la boucle comporte, par exemple, un diviseur de fréquence, qui entraîne le fait que le comparateur perçoit une fréquence plus faible que celle issue du
VCO, sa sensibilité par rapport à la fréquence du VCO, donc le gain de la boucle, diminue d'autant, ce qui est compensé en commandant une augmentation du gain de ce comparateur. Ledit changeur de fréquence peut, en particulier, être réalisé très simplement, sous la forme d'un compteur logique.We can thus adapt this comparator, as a function of the desired frequency, so that it provides an error signal having a sensitivity, with respect to the phase, which is adapted as a function of the frequency of the loop, this in order to compensate the variations in loop gain as a function of frequency, due to the other elements, which would no longer allow optimal operation. Said control loop preferably comprises a filter intended to improve the stability of the control system. To make it easier to choose frequencies, said control loop may include a frequency changer. We can thus, for example, multiply or divide a reference frequency and compare it to the frequency of the servo loop, itself possibly multiplied or divided. If the loop includes, for example, a frequency divider, which causes the fact that the comparator perceives a lower frequency than that from the
VCO, its sensitivity with respect to the frequency of the VCO, therefore the gain of the loop, decreases accordingly, which is compensated for by controlling an increase in the gain of this comparator. Said frequency changer can, in particular, be produced very simply, in the form of a logic counter.

L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description de la forme de réalisation préférée en référence à la figure unique représentant le synthétiseur selon l'invention.The invention will be better understood using the description of the preferred embodiment with reference to the single figure representing the synthesizer according to the invention.

Le synthétiseur de fréquences selon l'invention comporte un premier oscillateur 2, du type à fréquence contrôlée en tension, usuellement appelé VCO (pour Voltage
Controlled Oscillator), représenté sur la figure unique.The frequency synthesizer according to the invention comprises a first oscillator 2, of the voltage-controlled frequency type, usually called VCO (for Voltage
Controlled Oscillator), shown in the single figure.

I1 comporte une entrée 2C de contrôle en tension de la fréquence, et fournit, sur sa sortie 2F, une première fréquence F1. Un second oscillateur 3, du même type que l'oscillateur 2, a son entrée 3C reliée à l'entrée 2C, tandis que sa sortie 3F fournit une seconde fréquence
F2. Les sorties 2F et 3F sont respectivement reliées à une première entrée de signal 4A à une seconde entrée de signal 4B d'un commutateur 4 à deux voies comportant une entrée de commande 4C dont l'état met en relation la première entrée de signal 4A ou la seconde entrée de signal 4B avec une sortie 4S de ce commutateur 4.Ce commutateur 4 a une constitution semblable sur chaque voie, qui comprend, en série sur l'entrée de signal correspondante, une résistance, respectivement R1 et R2, suivie d'un condensateur, respectivement C1 et C2, puis d'une diode PIN, respectivement P1 et P2, les cathodes de ces diodes P1 et P2 étant reliées ensemble ainsi qu'à la sortie 4S.Les anodes des diodes PIN sont aussi respectivement reliées à une résistance, respectivement
R3 et R4 dont l'autre extrémité est reliée respectivement à une première sortie 5A et à une seconde sortie 5B d'un relais 5 aiguilleur à deux positions possibles, mettant en relation une entrée de signal 5E avec l'une ou l'autres desdites première ou seconde sorties 5A et 5B, en fonction d'un signal de commande appliqué sur une entrée de commande 5C, reliée à l'entrée de commande 4C, reliée à un côté de sa bobine, qui est alimentée, de 1'autre côté, par une tension continue non représentée. L'entrée de signal 5E est reliée à une résistance R5 reliée, de l'autre côté, à une alimentation continue positive VP. Par ailleurs, la sortie 4S est reliée à une résistance R6 allant, de l'autre côté, à la masse.I1 has an input 2C for controlling the frequency voltage, and provides, on its output 2F, a first frequency F1. A second oscillator 3, of the same type as oscillator 2, has its input 3C connected to input 2C, while its output 3F provides a second frequency
F2. The outputs 2F and 3F are respectively connected to a first signal input 4A to a second signal input 4B of a two-way switch 4 comprising a control input 4C the state of which relates the first signal input 4A or the second signal input 4B with an output 4S of this switch 4. This switch 4 has a similar constitution on each channel, which comprises, in series on the corresponding signal input, a resistor, respectively R1 and R2, followed by a capacitor, respectively C1 and C2, then of a PIN diode, respectively P1 and P2, the cathodes of these diodes P1 and P2 being connected together as well as at the 4S output. The anodes of the PIN diodes are also respectively connected to a resistance, respectively
R3 and R4, the other end of which is connected respectively to a first output 5A and to a second output 5B of a relay switch 5 with two possible positions, relating a signal input 5E to one or the other of said said first or second outputs 5A and 5B, depending on a control signal applied to a control input 5C, connected to the control input 4C, connected to one side of its coil, which is supplied, on the other side , by a DC voltage not shown. The signal input 5E is connected to a resistor R5 connected, on the other side, to a positive DC power supply VP. Furthermore, the 4S output is connected to a resistor R6 going, on the other side, to ground.

La sortie 4S du commutateur est reliée à l'entrée d'un synthétiseur de fréquences 6, tel un circuit intégré fabriqué par la société PHILIPS sous la référence
UMA 1014T, comportant un comparateur 7 recevant, sur une première entrée 7A, le signal issu de ladite sortie 4S après traversée d'un diviseur de fréquence 8 dont le rang R de division est commandé par un signal de consigne SC en fréquence, sous forme d'un nombre parvenant par une entrée de consigne 8C, tandis qu'une seconde entrée 7B de ce comparateur 7 reçoit le signal de fréquence issu d'un générateur de fréquence 9.Ce générateur de fréquences 9 fournit un signal logique sous forme de créneaux répétitifs à un état successivement haut puis bas, représentant chaque demipériode de la fréquence considérée, tandis que le diviseur de fréquence 8 fournit un signal de même type traduisant les alternances positives et négatives du signal issu de l'oscillateur 2 ou 3. Le comparateur 7 est ainsi à même de déterminer l'écart de phase entre les signaux appliqués à ses deux entrées 7A et 7B en mesurant le temps pendant lequel il y a discordance entre l'état de ses entrées, et en fournissant en sortie un signal d'erreur proportionnel à ce temps de discordance.Le signal de consigne SC est aussi appliqué à une entrée 10E d'un décodeur 10 dont la sortie 10S est reliée à l'entrée de commande 4C et à une entrée de contrôle de gain 7G du comparateur 7, et fournit un signal binaire significatif de la fréquence F1 ou F2 choisie en fonction du signal de consigne SC.The switch output 4S is connected to the input of a frequency synthesizer 6, such as an integrated circuit manufactured by the company PHILIPS under the reference
UMA 1014T, comprising a comparator 7 receiving, on a first input 7A, the signal coming from said output 4S after crossing a frequency divider 8 whose division rank R is controlled by a setpoint signal SC in frequency, in the form of a number arriving by a setpoint input 8C, while a second input 7B of this comparator 7 receives the frequency signal from a frequency generator 9.This frequency generator 9 provides a logic signal in the form of slots repetitive to a successively high then low state, representing each half-period of the frequency considered, while the frequency divider 8 provides a signal of the same type translating the positive and negative alternations of the signal from the oscillator 2 or 3. The comparator 7 is thus able to determine the phase difference between the signals applied to its two inputs 7A and 7B by measuring the time during which there is a discrepancy between the state of its inputs, and by providing an output with an error signal proportional to this discrepancy time. The setpoint signal SC is also applied to an input 10E of a decoder 10 whose output 10S is connected to the control input 4C and to a gain control input 7G of the comparator 7, and provides a significant binary signal of the frequency F1 or F2 chosen as a function of the setpoint signal SC.

La sortie du comparateur 7 est reliée à l'entrée d'un filtre 11 éliminant les fréquences élevées et ayant une courbe de réponse amplitude/fréquence satisfaisant aux critères de stabilité bien connus, tel le critère de
Nyquist, la sortie de ce filtre étant reliée aux entrées 2C et 3C des oscillateurs 2 et 3 à fréquence contrôlée en tension.The output of comparator 7 is connected to the input of a filter 11 eliminating the high frequencies and having an amplitude / frequency response curve satisfying well-known stability criteria, such as the
Nyquist, the output of this filter being connected to inputs 2C and 3C of oscillators 2 and 3 with frequency controlled voltage.

Le fonctionnement de ce synthétiseur est le suivant. Le signal de consigne SC est appliqué sur l'entrée 8C du diviseur de fréquence 8, ce qui fait que l'entrée 7A du comparateur 7 reçoit la fréquence de boucle issue de la sortie 4S divisée par le rang R de division. Par ailleurs, ce signal de consigne SC commande aussi l'état du relais 5, à travers le décodeur 10. Ainsi, l'anode de l'une des diodes PIN, P1 ou P2, reçoit une tension positive, issue de l'alimentation VP à travers le pont diviseur constitué des résistances R5, R3 (ou R4) et R6, tandis que l'autre diode PIN, P2 ou P1, a son anode "en l'air" alors que sa cathode est polarisée positivement par la tension aux bornes de la résistance R6, ce qui bloque cette dernière diode P2 ou P1.Le pont diviseur est tel qu'il permet le passage de l'onde de fréquence ayant l'amplitude de tension voulue, sans risque de blocage. Le signal à fréquence de boucle voulue issu de l'oscillateur 2 ou 3 relié à la voie comportant la diode
PIN conductrice, P1 ou P2, peut ainsi parvenir, au travers du diviseur de fréquence 8, à l'entrée 7A du comparateur 7, qui compare sa fréquence à celle issue du générateur de fréquence 9 et fournit un signal d'erreur de phase.The operation of this synthesizer is as follows. The setpoint signal SC is applied to the input 8C of the frequency divider 8, so that the input 7A of the comparator 7 receives the loop frequency from the output 4S divided by the division rank R. Furthermore, this setpoint signal SC also controls the state of the relay 5, through the decoder 10. Thus, the anode of one of the PIN diodes, P1 or P2, receives a positive voltage, coming from the power supply VP through the divider bridge made up of resistors R5, R3 (or R4) and R6, while the other PIN diode, P2 or P1, has its anode "in the air" while its cathode is positively polarized by the voltage across the resistor R6, which blocks this last diode P2 or P1.The divider bridge is such that it allows the passage of the frequency wave having the desired voltage amplitude, without risk of blockage. The signal at the desired loop frequency from oscillator 2 or 3 connected to the channel comprising the diode
Conductive PIN, P1 or P2, can thus reach, through the frequency divider 8, the input 7A of the comparator 7, which compares its frequency with that coming from the frequency generator 9 and provides a phase error signal.

Comme la sensibilité, exprimée en Hertz/Volt, de l'ensemble constitué par l'oscillateur à fréquence contrôlée en phase 2 ou 3 utilisé et par le diviseur de fréquence 8 dépend du rang R de division de ce dernier, le gain du comparateur 7 est commandé par le signal issu de la sortie 10S du décodeur, de façon telle qu'il prenne une valeur compensant, par rapport à une valeur optimale, ladite variation de sensibilité en Hertz/Volt due à la valeur particulière du rang R de division. On a ainsi un comparateur 7 à gain programmable qui, dans cet exemple, a deux gains possibles, dans un rapport égal à celui des fréquences F1 et F2. Le signal d'erreur traverse le filtre 11 et parvient ainsi aux entrées 2C et 3C des oscillateurs 2 et 3 à fréquence commandable en tension en ayant une dynamique de tension de commande indépendante de la fréquence de boucle asservie, ce qui permet d'utiliser sensiblement de la même façon ces deux oscillateurs 2 et 3. As the sensitivity, expressed in Hertz / Volt, of the assembly constituted by the frequency controlled oscillator in phase 2 or 3 used and by the frequency divider 8 depends on the rank R of division of the latter, the gain of the comparator 7 is controlled by the signal coming from the output 10S of the decoder, so that it takes a value compensating, compared to an optimal value, said variation of sensitivity in Hertz / Volt due to the particular value of the rank R of division. There is thus a comparator 7 with programmable gain which, in this example, has two possible gains, in a ratio equal to that of the frequencies F1 and F2. The error signal passes through the filter 11 and thus reaches the inputs 2C and 3C of oscillators 2 and 3 with frequency controllable in voltage by having a dynamic control voltage independent of the frequency of the controlled loop, which makes it possible to use substantially in the same way these two oscillators 2 and 3.

Claims (6)

REVENDICATIONS 1. Synthétiseur de fréquences multibande comportant un1. Multiband frequency synthesizer comprising a oscillateur (2) à fréquence commandable en tension, voltage-controlled frequency oscillator (2), agencé pour être asservi en fréquence par une boucle arranged to be frequency controlled by a loop d'asservissement (4,7,8,9) recevant un signal de servo (4,7,8,9) receiving a signal consigne (SC) en fréquence et comportant un setpoint (SC) in frequency and comprising a comparateur (7), caractérisé par le fait qu'il comparator (7), characterized in that it comporte au moins un autre oscillateur (3) à comprises at least one other oscillator (3) to fréquence commandable en tension, ladite boucle frequency controllable in voltage, said loop d'asservissement (4,7,8,9) étant agencée pour aussi of servo (4,7,8,9) being arranged for also pouvoir asservir en fréquence ledit autre oscillateur be able to slave said other oscillator in frequency (3) en fonction dudit signal de consigne (SC) et (3) as a function of said setpoint signal (SC) and ledit comparateur (7) est à gain variable. said comparator (7) is of variable gain. 2. Synthétiseur de fréquences multibande selon la2. Multiband frequency synthesizer according to the revendication 1, dans lequel ladite boucle claim 1, wherein said loop d'asservissement (4,7,8,9) comporte un comparateur de servo (4,7,8,9) includes a comparator of phase à gain programmable (7). programmable gain phase (7). 3. Synthétiseur de fréquences multibande selon la3. Multiband frequency synthesizer according to the revendication 1 ou 2 dans lequel ladite boucle claim 1 or 2 wherein said loop d'asservissement (4,7,8,9) comporte un filtre (11) servo-control (4,7,8,9) comprises a filter (11) destiné à améliorer la stabilité de l'asservissement. intended to improve the stability of the servo. 4. Synthétiseur de fréquences multibande selon l'une4. Multiband frequency synthesizer according to one quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel any of claims 1 to 3, wherein ladite boucle d'asservissement (4,7,8,9) comporte un said servo loop (4,7,8,9) includes a changeur de fréquence (8). frequency changer (8). 5. Synthétiseur de fréquences multibande selon l'une5. Multiband frequency synthesizer according to one quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel any of claims 1 to 4, wherein ledit changeur de fréquence (8) est un diviseur de said frequency changer (8) is a divider of fréquence.  frequency. 6. Synthétiseur de fréquences multibande selon l'une des6. Multiband frequency synthesizer according to one of the revendications 1 à 5, dans lequel un moyen claims 1 to 5, wherein a means commutateur (4,5), commandé à partir dudit signal de switch (4,5), controlled from said signal consigne (SC), est apte à mettre en ou hors service setpoint (SC), is able to activate or deactivate l'un desdits oscillateurs (2,3).  one of said oscillators (2,3).
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