JP3296297B2 - 同期制御方式 - Google Patents

同期制御方式

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    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03LAUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION, OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
    • H03L7/00Automatic control of frequency or phase; Synchronisation
    • H03L7/06Automatic control of frequency or phase; Synchronisation using a reference signal applied to a frequency- or phase-locked loop
    • H03L7/08Details of the phase-locked loop
    • H03L7/099Details of the phase-locked loop concerning mainly the controlled oscillator of the loop
    • H03L7/0991Details of the phase-locked loop concerning mainly the controlled oscillator of the loop the oscillator being a digital oscillator, e.g. composed of a fixed oscillator followed by a variable frequency divider
    • H03L7/0992Details of the phase-locked loop concerning mainly the controlled oscillator of the loop the oscillator being a digital oscillator, e.g. composed of a fixed oscillator followed by a variable frequency divider comprising a counter or a frequency divider
    • HELECTRICITY
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    • H03L7/08Details of the phase-locked loop
    • H03L7/085Details of the phase-locked loop concerning mainly the frequency- or phase-detection arrangement including the filtering or amplification of its output signal

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、外部から入力さ
れるデータに同期した周波数出力を生成する同期制御方
式に関する。
【0002】
【従来の技術】従来より、入力信号に同期した周波数出
力信号を生成する方式としてPLL(位相ロックルー
プ)回路が知られている。一般的なPLL回路は、入力
信号と出力信号(再生クロック信号等)とを位相比較す
る位相比較器と、その出力を平滑化するループフィルタ
と、その出力によって周波数が変化する再生クロックを
出力するVCO(電圧制御発振器)とを基本として構成
される。また、例えば1kHzの入力信号からこれに同
期する44.1kHzのサンプリングクロックを再生す
るような場合、44.1kHzの再生クロックの周波数
を1kHzまで低減させるための分周回路が位相比較器
へのフィードバック経路に必要となる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
PLL回路の場合、全ての素子をハードウェアで構成し
なくてはならないため、特に分周段数が多いと素子数も
多くなり、回路構成が複雑になるという問題がある。ま
た、従来の回路は、引き込み時の応答性がループフィル
タの時定数に依存し、この時定数は容易に変更できない
ため、入力信号と出力周波数とが大きくかけ離れている
と、引き込みに時間がかかるという問題がある。更に、
従来の回路は回路素子が特定の入出力周波数比を想定し
て作り込まれているため、異なる周波数比の入出力信号
に柔軟に対処することができないという問題もある。
【0004】この発明は、このような問題点に鑑みなさ
れたもので、回路構成が簡単で、引き込み速度も速く、
しかも異なる周波数比の入出力信号に対して柔軟に対処
することができる同期制御方式を提供することを目的と
する。
【0005】
【課題を解決するための手段】この発明に係る同期制御
方式は、デバイダ値に基づいて出力周波数を変化させる
ディジタル可変周波数発振器と、外部から入力されるデ
ータを格納しこのデータを前記ディジタル可変周波数発
振器の出力に基づいて出力するデータ格納手段と、前記
デバイダ値を算出して前記ディジタル可変周波数発振器
を制御する制御手段とを備え、該制御手段は、前記デー
タに同期して入力される同期の基準となるタイミング信
号が外部から入力されたタイミングで前記データ格納手
段のデータ残量を監視量としてチェックし、このチェッ
ク時のデータ残量と目標値との差分に対して新たな前記
デバイダ値を算出し前記データ残量と前記目標値との差
分を吸収するように前記ディジタル可変周波数発振器の
出力周波数を制御し、 PLLがロックするまでは、ラン
ニングアベレージ値並びに前記データ残量及び前記目標
値に基づいて得られた値を用いて前記デバイダ値を算出
し、このランニングアベレージ値と前回算出された前記
デバイダ値とが等しいか否かをチェックすることにより
ロック検出を行い、PLLがロックした後は、前記デバ
イダ値の変動周波数が可聴帯域外の低周波領域となるよ
うな変動許容範囲を設け、前記データ残量と前記目標値
との差分が前記変動許容範囲内に収まっているときに
は、前記デバイダ値を変更しないようにしたことを特徴
とする。
【0006】この発明では、ディジタル可変周波数発振
器の出力に従ってデータ格納手段からデータを出力させ
ながら、同期の基準となるタイミング信号が外部から入
力されるタイミングで制御手段に例えば割り込みをかけ
て、このデータ残量をチェックする。そして、データ残
量と目標値との差分を求め、この差分に対して新たなデ
バイダ値を算出し、データ残量と目標値との差分を吸収
するようにディジタル可変周波数発振器の発振周波数を
制御する。従って、この発明によれば、データの残量の
チェック、データ残量と目標値との差分検出、フィルタ
リング処理及びディジタル可変周波数発振器の制御量算
出は、すべてソフトウエア的に実現することができ、必
要とする素子数を大幅に削減することができる。また、
本発明では、データ残量と目標値との差分によってディ
ジタル可変周波数発振器の出力周波数のずれ量が正負の
方向も含めて直接的に求められるので、このずれ量を吸
収すべく素早い周波数引き込み動作が可能になる。さら
に、この発明によれば、デバイダ値の算出に際し、フィ
ルタリング処理を行うので、回路系が安定するという利
点がある。すなわち、PLLがロックするまでは、ラン
ニングアベレージ値を用いて前記デバイダ値を算出する
ので、系の発振が抑止される
【0007】また、本発明では、PLLがロックした後
は、前記デバイダ値の変動周波数が可聴帯域外の低周波
領域となるような変動許容範囲を設け、前記データ残量
と前記前記目標値との差分が前記変動許容範囲内に収ま
っているときには、前記デバイダ値を変更しないように
する。これにより、入力データのジッタに起因した周波
数変動成分を可聴帯域外の低周波領域に追いやることが
でき、オーディオ特性が改善する。
【0008】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
の好ましい実施の形態について説明する。図1は、この
発明の一実施例に係る同期制御回路を適用したシステム
の構成例を示す図である。同期の基準となるタイミング
を与えるホストコンピュータ1と、このホストコンピュ
ータ1からの出力に同期する同期対象機器2とは、例え
ばUSB(Universal Serial Bus)等の信号ケーブル3
を介して接続されている。同期対象機器2としては、例
えばホストコンピュータ1から出力される音楽データを
受信して楽音を生成出力する簡易型オーディオ機器等が
考えられる。この同期対象機器2の中にこの発明に係る
同期制御回路が内蔵されている。
【0009】図2は、この同期制御回路の構成を示すブ
ロック図である。この回路は、データ格納手段としての
FIFO(First In First Out)11及びバッファ12
と、制御手段としてのCPU13及びROM14と、デ
ィジタル可変周波数発振器としての1/Nデバイダ15
及び外部固定発振器16とを備えて構成されている。
【0010】図3にはこの回路に入力される入力データ
Di及びデータバス上での同期の基準となるタイミング
信号としてのSYNC信号が示されている。なお、US
B規格では、同等の同期信号をSOF(Start of Fram
e)信号と呼んでおり、T=1msecの周期でホストから
出力される。SYNCに続くバースト状入力データDi
は、例えば44.1KHz、16ビット・ステレオ・オ
ーディオデータであり、SYNC信号1周期に、44×
2×2バイト(但し、10回に1回だけ45×2×2バ
イト)だけ送信されるデータである。これにより、全体
的なデータフローが44.1KHzとなる。
【0011】USBの場合、その同期方式には次の3通
りがある。 Async方式 ホストコンピュータ1と同期対象機器2のクロックは非
同期で、同期対象機器2によるフィードバックで同期を
取る方式。 Sync方式 ホストコンピュータ1も同期対象機器2もディスクリプ
タの周波数でデータを受け渡し、同期対象機器2は、S
YNC(SOF)にロックする。 Adaptive方式 基本的にはディスクリプタの周波数でデータを受け渡す
が、同期対象機器2はデータフローにロックする。
【0012】上記は、ホスト1の負担が大きく、マル
チデバイスとなったときにデータ破綻が生ずる可能性が
ある。上記は、SYNC信号にはロックするが、デー
タフローには同期しないので、データフローがSYNC
信号に完全にロックしていない場合や周波数に変動があ
る場合には、データ破綻の可能性がある。また上記のよ
うに10回に1度45×2×2バイトのデータが到来す
るシステムでは、低い周波数で再生クロックのロックを
かける必要が生じ分周回路も大きくなり、系も安定しに
くい。そこで、このシステムでは、データ破綻の生じな
いの方式をベースとする。
【0013】SYNC信号に続くバースト状の入力デー
タDiは、FIFO11に格納されたのち、CPU13
の制御のもと、バッファ12を介して出力データDoと
して出力される。CPU13は、内部に種々の監視値を
格納するレジスタ群21を備えると共に、ROM14に
格納されたマイクロプログラムに基づき、周期TでSY
NC信号が外部から割り込み入力される度に、レジスタ
群21に格納されたポインタに基づいてFIFO11の
データ残量を監視量としてチェックする。そして、CP
U13は、データ残量と目標残量との差分に基づいて1
/Nデバイダ15のデバイダ値のランニングアベレージ
値を算出するソフトフィルタ部22と、このランニング
アベレージ値に基づいてデバイダ値を算出して1/Nデ
バイダ15を制御するデバイダ制御部23とを機能的に
実現する。1/Nデバイダ15は、与えられたデバイダ
値に基づいて外部固定発振器16の出力を分周し、出力
データDoに同期した出力サンプリング信号fsを出力
する。この出力サンプリング信号fsは、図示しない次
段の回路、例えば出力データDoをD/A変換するため
のD/A変換器等に出力されると共に、FIFO11の
リードポインタを更新するためにCPU13に供給され
る。
【0014】図4には、FIFO11のデータ残量と各
種変数及び設定値とを示している。ここで、WP,RP
は、それぞれFIFO11のライトポインタ、リードポ
インタを示し、TxByteがFIFO11の残量(WP−R
P)である。この実施例では、FIFOメモリを最大効
率で使用するため、FIFO11の残量TxByteが、FI
FO11の容量Fullの1/2、即ち図示のCENTERと一致
するように制御が行われる。但し、このCENTERに対して
上下にそれぞれFIFO_much,UNLOCK_H及びFIFO_few,UNL
OCK_Lが設定されており、これらの設定値によって後述
するように変動許容範囲を設定している。
【0015】図5は、CPU13にSYNC信号が割り
込まれたときの割り込み処理(同期処理)を示すフロー
チャートである。このシステムでは、同期処理に関して
“Run Ave SYNC”モードと“UP/DOWN SYNC”モードの2
つのモードを実行するようにしている。“Run Ave SYN
C”モードは、PLLがロックするまでの処理であり、
SYNC信号の割り込み後に、FIFO11の残量TxBy
teが常にFIFO11の容量の1/2となるように、1
/Nデバイダ15を制御すると共に、ランニングアベレ
ージを用いてフィードバック系にディレイを入れること
で、系の発振を抑えるようにしている。一方、“UP/DOW
N SYNC”モードは、PLLがロックした後の処理であ
り、FIFO11の残量に変動許容範囲を設け、それを
超えたら1/Nデバイダ15にフィードバックすること
で、サンプリング周波数fsの変動周期を可聴帯域以下
にして歪みを抑制するようにしている。
【0016】図5において、SYNC信号の割り込みが
発生したら、レジスタ群21内のPLLモードという変
数をチェックし(S1)、“0”であれば“Run Ave SY
NC”モード(S2)、“1”であれば“UP/DOWN SYNC”
モード(S3)を実行する。図6は、“Run Ave SYNC”
モードの処理を示すフローチャートである。まず、FI
FO11の残量TxByte(=WP−RP)を求める(S1
1)。次に、1/Nデバイダ15にセットされるデバイ
ダ値PLLDIVのランニングアベレージフィルタ計算を実行
する(S12)。即ち、各変数を次のように設定する
と、
【0017】 PLLDIV_av[N] :今回求めるランニングアベレージ値 PLLDIV_av[N-1]:前回求めたランニングアベレージ値 PLLDIV[N] :今回求めるデバイダ値 PLLDIV[N-1] :前回求めたデバイダ値 #filter :任意の係数
【0018】ランニングアベレージ値PLLDIV_av[N]は、
次のように求めることができる。
【0019】
【数1】PLLDIV_av[N]=PLLDIV_av[N-1]+(PLLDIV[N-
1]−PLLDIV_av[N-1])/#filter
【0020】ここで、#filterは、フィルタの時定数に
相当し、この数値が大きいほどアベレージングの効果が
高くなる。次に、デバイダ値PLLDIV[N]を下記数2のよ
うに算出する(S13)。
【0021】
【数2】 PLLDIV[N]=PLLDIV_av[N]+Table[TxByte−CENTER]
【0022】ここで、Table[TxByte−CENTER]は、FI
FO11の残量TxByteとFIFO11の容量の1/2と
の差分に対する制御量を決めるテーブルで、例えば図7
に示すように、制御系の望ましい応答速度特性に応じて
予め設定されたものである。図中Aは、入出力が1次の
直線関係であり、更に応答性を高めたい場合には、Bの
ように2次の+−で極性反転させた特性や、Cのような
3次の特性を用いても良い。このようにしてデバイダ値
PLLDIV[N]が算出されたら、この値を1/Nデバイダ1
5にセットする(S14)ことにより、外部固定発振器
16の分周段数を制御して出力周波数fsを調整する。
【0023】図8〜図10は、#filterやtableを種々変
えたときのフィードバック系の応答特性をシミュレート
した図である。図8は外部固定発振器の発振周波数を4
8MHz、#filterを4とし、1次のtableを使用した
例、図9は外部固定発振器の発振周波数を48MHz、
#filterを8とし、1次のtableを使用した例、図10は
外部固定発振器の発振周波数を48MHz、#filterを
8とし、2次のtableを使用した例である。図示のよう
に、係数#filterは、4よりも8の方が遅れが大きい
が、ロック状態までの時間が速い。また、tableは、1
次よりも2次の方が格段に速くロック状態に移行するこ
とが分かる。ちなみに、このようなフィルタリングを行
わない場合、系は発振することが確認された。
【0024】図6のステップS14において、デバイダ
値PLLDIVがセットされたら、次にロック検出を実行する
(S15)。図11は、ロック検出処理を示すフローチ
ャートである。まず、前回算出されたデバイダ値PLLDIV
[N-1]と今回求められたデバイダ値のランニングアベレ
ージ値PLLDIV_av[N]とが等しいかどうかをチェックする
(S21)。もし、等しければロック状態である可能性
が高いため、LOCKカウンタを1つだけ増加し(S2
2)、等しくなければLOCKカウンタを0にする(S
23)。LOCKカウンタがある設定値#LOCK_DIFFより
も大きければ(S24)、デバイダ値がそのランニング
アベレージ値と一致した期間がある程度続いているとい
うことであるので、ロック状態であることを示す変数LO
CK=1とし(S25)、LOCKカウンタが#LOCK_DIFF
以下であれば(S24)、ロック状態でないとして変数
LOCK=0とする(S26)。
【0025】このロック検出処理(S15)により、ロ
ック状態が検出された場合には(S16)、PLLモー
ド=1とし(S17)、ロック状態でない場合にはPL
L=0を維持してRun Ave SYNC モードを続行する。P
LLがロック状態となり、PLLモード=1になった場
合には、SYNC信号の割り込みにより、UP/DOWN SYNC
モードに移行する(S1,S3)。
【0026】図12は、UP/DOWN SYNC モードの処理を
示すフローチャートである。まず、FIFO11の残量
TxByteがFIFO_muchを超えたかどうかを判定し(S3
1)、もし、超えた場合にはデバイダ値PLLDIVを−1し
て(S32)、サンプリング周波数fsを増加させる。
また、FIFO11の残量TxByteがFIFO_fewを下回った
場合には(S33)、デバイダ値PLLDIVを+1して(S
34)、サンプリング周波数fsを低減させる。更に、
TxByteがUNLOCK_Hよりも大きい場合(S35)、又はUN
LOCK_Lよりも小さい場合(S36)には、ロック状態か
ら外れたと判断してPLLモード=0とし(S37)、
処理を終了する。
【0027】このUP/DOWN SYNC モードで特徴的な点
は、FIFO_fewとFIFO_muchの間を変動許可範囲(不感
帯)とし、FIFO残量TxByteがこの範囲内である場合
には、特に制御を行わないようにした点である。即ち、
このような不感帯を設けない場合、再生クロックに含ま
れるジッタの影響で、ロック状態において、図13のよ
うにデバイダ値が可聴帯域である数百Hzで変動する。
これに対し、図14に示すように、FIFO残量TxByte
に対して変動許容範囲を設けると、デバイダ値の変動周
波数を可聴帯域外の数Hzまで低減することができる。
これにより、オーディオ特性を改善することができる。
【0028】
【発明の効果】以上述べたように、この発明によれば、
ディジタル可変周波数発振器の出力に従ってデータ格納
手段からデータを出力させながら、同期の基準となるタ
イミング信号が外部から入力されるタイミングで制御手
段に例えば割り込みをかけて、このデータ残量をチェッ
クし、そして、データ残量と目標値との差分を求め、こ
の差分に対して新たな周波数制御データを生成し、デー
タ残量と目標値との差分を吸収するようにディジタル可
変周波数発振器の発振周波数を制御するようにしている
ので、データ残量のチェック、データ残量と目標値との
差分算出、フィルタリング処理及びディジタル可変周波
数発振器の制御量算出は、全てソフトウェアによって実
現することができ、必要とする素子数を大幅に削減する
ことができる。また、データ残量と目標値との差分によ
ってディジタル可変周波数発振器の出力周波数のずれ量
が正負の方向も含めて直接的に求められるので、このず
れ量を吸収すべく素早い周波数引き込み動作が可能にな
るという効果を奏する。また、PLLがロックした後
は、変動許容範囲の設定により、デバイダ値の変動周波
数が可聴帯域外の低周波領域に追いやられるので、オー
ディオ特性が改善する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の一実施例に係る同期制御回路が適
用されるシステムの構成を示す図である。
【図2】 同システムで使用される実施例の同期制御回
路のブロック図である。
【図3】 同回路への入力データ及び各部の状態を示す
タイミングチャートである。
【図4】 同回路におけるFIFOのデータ残量と各種
設定値との関係を示す図である。
【図5】 同回路のSYNC信号割り込み時の処理を示
すフローチャートである。
【図6】 図5におけるRun Ave SYNCモードの処理を示
すフローチャートである。
【図7】 同処理で使用されるテーブルの例を示す図で
ある。
【図8】 同処理の効果を説明するためのグラフであ
る。
【図9】 同処理の効果を説明するためのグラフであ
る。
【図10】 同処理の効果を説明するためのグラフであ
る。
【図11】 図6の処理のロック検出処理を示すフロー
チャートである。
【図12】 図5の処理におけるUP/DOWN SYNC 処理を
示すフローチャートである。
【図13】 同処理の効果を説明するためのグラフであ
る。
【図14】 同処理の効果を説明するためのグラフであ
る。
【符号の説明】
1…コンピュータ、2…同期対象機器、3…信号ケーブ
ル、11…FIFO、12…バッファ、13…CPU、
14…ROM、15…1/Nデバイダ、16…外部固定
発振器、21…レジスタ群、22…ソフトフィルタ部、
23…デバイダ制御部。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−322532(JP,A) 特開 平4−10712(JP,A) 実開 平2−105272(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H03L 7/00 - 1/199 G11B 20/10 H04L 7/00

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 デバイダ値に基づいて出力周波数を変
    化させるディジタル可変周波数発振器と、 外部から入力されるデータを格納しこのデータを前記デ
    ィジタル可変周波数発振器の出力に基づいて出力するデ
    ータ格納手段と、前記デバイダ値を算出して前記ディジタル可変周波数発
    振器を制御する 制御手段とを備え、 該制御手段は、 前記データに同期して入力される同期の基準となるタイ
    ミング信号が外部から入力されたタイミングで前記デー
    タ格納手段のデータ残量を監視量としてチェックし、 このチェック時のデータ残量と目標値との差分に対して
    新たな前記デバイダ値を算出し前記データ残量と前記目
    標値との差分を吸収するように前記ディジタル可変周波
    数発振器の出力周波数を制御し、 PLLがロックするまでは、ランニングアベレージ値並
    びに前記データ残量及び前記目標値に基づいて得られた
    値を用いて前記デバイダ値を算出し、このランニングア
    ベレージ値と前回算出された前記デバイダ値とが等しい
    か否かをチェックすることによりロック検出を行い、 PLLがロックした後は、前記デバイダ値の変動周波数
    が可聴帯域外の低周波領域となるような変動許容範囲を
    設け、前記データ残量と前記目標値との差分が前記変動
    許容範囲内に収まっているときには、前記デバイダ値を
    変更しないようにしたことを特徴とする 同期制御方式。
  2. 【請求項2】 前記変動許容範囲よりも更に広い第二の
    変動許容範囲を設け、前記前記データ残量と前記目標値
    との差分がこの第二の許容範囲よりも大きくなった場合
    には前記制御手段の処理を終了する請求項1に記載の同
    期制御方式。
  3. 【請求項3】 前記ランニングアベレージ値から前記デ
    バイダ値を算出する際、前記データ残量と前記目標値と
    の差分を入力とした2次以上の出力特性における該出力
    を制御量とし、該制御量と前記ランニングアベレージ値
    との和を前記デバイダ値とした請求項1に記載の同期制
    御方式
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