JP7291376B2 - Phase lock circuit - Google Patents

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  • Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)

Description

本発明は、位相同期回路に関し、より具体的には、位相同期のアンロックを検出し復帰させるための制御回路を含む位相同期回路に関する。 The present invention relates to a phase locked loop circuit, and more particularly to a phase locked loop circuit including a control circuit for detecting and restoring unlocked phase lock.

従来から位相同期のアンロックを検出する方法は数多く存在する。その従来の方法の多くは、ロックしたい信号と基準信号との位相差の検出または周波数のカウントによってアンロックの有無を判定している。 Conventionally, there are many methods for detecting unlocking of phase lock. Many of the conventional methods determine whether or not the lock is unlocked by detecting the phase difference between the signal to be locked and the reference signal or by counting the frequency.

特許文献1は、PLL回路におけるアンロック信号検出方法を開示する。そのアンロック信号検出方法では、予め定められた周期でサンプリングし、アンロックであればカウンタでカウントアップし、予め定められた周期回数でカウントアップした値と予め定められたしきい値を制御部で比較し、カウントアップした値が予め定められたしきい値を超えている場合にアラーム信号を出力する。 Patent document 1 discloses an unlock signal detection method in a PLL circuit. In the unlock signal detection method, sampling is performed at a predetermined period, a counter counts up when the unlock signal is unlocked, and the value counted up at the predetermined number of times and a predetermined threshold value are calculated by a control unit. and outputs an alarm signal when the counted-up value exceeds a predetermined threshold value.

特許文献2は、PLLのアンロック状態を検出するアンロック検出回路を開示する。そのアンロック検出回路では、PLLへの基準信号、PLLからのフィードバック信号を一定のデューティ比のパルスに1対のデューティ調整回路でそれぞれ調整し、基準信号とフィードバック信号の位相誤差がデューティ調整後の基準信号、デューティ調整後のフィードバック信号のパルス幅より大きい場合にはアンロック信号として出力するようにして、デューティ調整回路への外部制御信号により、任意の感度でアンロック検出を可能にする。 Patent Document 2 discloses an unlock detection circuit that detects the unlocked state of the PLL. In the unlock detection circuit, the reference signal to the PLL and the feedback signal from the PLL are adjusted to pulses with a constant duty ratio by a pair of duty adjustment circuits, and the phase error between the reference signal and the feedback signal after duty adjustment is When the reference signal is larger than the pulse width of the feedback signal after duty adjustment, it is output as an unlock signal so that unlock detection can be performed with arbitrary sensitivity by an external control signal to the duty adjustment circuit.

特許文献1、2などで開示される従来のPLLの位相同期は、発振器の周波数が安定しているRF領域(例えば数十KHz~数百GHz)の位相同期に関するものがほとんどであり、例えばレーザーのような周波数ドリフトが大きい高周波な領域(例えば数十~数百THz)での位相同期のアンロック検出とその復帰を行うものではない。 Most of the conventional PLL phase synchronization disclosed in Patent Documents 1 and 2 are related to phase synchronization in the RF region (for example, several tens of kHz to several hundreds of GHz) where the frequency of the oscillator is stable. However, it does not detect and restore the unlocking of phase synchronization in a high frequency region (for example, several tens to several hundred THz) where frequency drift is large.

特開2008-104012JP 2008-104012 特開2007-243736JP 2007-243736

本発明の目的は、周波数ドリフトが大きい高周波領域での位相同期のアンロック検出とその復帰を行うことができる位相同期回路と位相同期の制御方法を提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a phase locked loop circuit and a phase locked control method capable of detecting and recovering unlocked phase lock in a high frequency region where frequency drift is large.

本発明の一態様の位相同期回路は、出力信号の位相同期のアンロックの検出と復帰を行うための制御回路を含む。その制御回路は、出力信号を2つの出力信号に分配する第1分配器と、第1分配器の出力信号の一方を遅延させる遅延線と、第1分配器の出力信号の他方と遅延線によって遅延された出力信号との位相差に応じた電圧を出力する第1位相比較器と、第1位相比較器の出力を受けて出力信号の位相同期のアンロックの検出とその復帰のための制御信号を出力する論理回路と、を含む。 A phase locked loop circuit of one aspect of the present invention includes a control circuit for detecting and restoring unlocked phase synchronization of an output signal. The control circuit comprises a first divider that divides an output signal into two output signals, a delay line that delays one of the output signals of the first divider, and a delay line that delays one of the output signals of the first divider. A first phase comparator that outputs a voltage corresponding to the phase difference with the delayed output signal, and detection of unlocking of phase synchronization of the output signal in response to the output of the first phase comparator and control for recovery thereof. and a logic circuit that outputs a signal.

本発明の一態様の位相同期回路の制御方法は、位相同期回路の出力信号を2つに分配するステップと、分配後の一方の出力信号を遅延線によって遅延させるステップと、分配後の他方の出力信号と遅延後の一方の出力信号との位相差に応じた電圧を生成するステップと、生成された電圧がキャプチャーレンジに対応する所定の電圧幅に入っているか否かで出力信号の位相同期のアンロックの有無を検出するステップと、を含む。 A method for controlling a phase locked loop circuit according to one aspect of the present invention includes the steps of: dividing an output signal of the phase locked loop circuit into two; delaying one of the divided output signals by a delay line; A step of generating a voltage corresponding to the phase difference between the output signal and one of the delayed output signals, and phase synchronization of the output signal based on whether the generated voltage is within a predetermined voltage width corresponding to the capture range. and detecting the presence or absence of unlocking.

本発明の位相同期回路は、以下の効果を奏することができる。
(a)制御回路中に分配器と遅延線と位相比較器を含むことにより位相同期のアンロックの検出が可能であるので、比較的簡単かつ低コストである。
(b)制御回路中に論理回路を含むことによりアンロック検出だけでなく、キャプチャーレンジに戻して自動復帰させる機構を持たせることができる。
(c)出力信号の位相ではなく、周波数(より正確には周波数に対応した電圧)を検出してアンロック検出を行うため、別の周波数に誤ってロックしてしまうことを防ぐことができる。
The phase locked loop circuit of the present invention can have the following effects.
(a) Since the control circuit includes a distributor, a delay line and a phase comparator, it is possible to detect the unlocking of the phase synchronization, so that it is relatively simple and inexpensive.
(b) By including a logic circuit in the control circuit, it is possible to provide not only unlock detection but also a mechanism for automatically returning to the capture range.
(c) Unlock detection is performed by detecting the frequency (more precisely, the voltage corresponding to the frequency) rather than the phase of the output signal, thereby preventing erroneous locking to a different frequency.

本発明の一実施形態の位相同期回路の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the phase locked loop circuit of one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態の周波数fと位相差に応じた信号(電圧)S1との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the frequency f of one Embodiment of this invention, and signal (voltage) S1 according to a phase difference. 本発明の一実施形態の位相同期回路の制御方法のフローを示す図である。It is a figure which shows the flow of the control method of the phase synchronous circuit of one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態の位相差に応じた信号(電圧)S1とダイナミックレンジの広いアクチュエータへの制御信号S3の時間変化を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing temporal changes of a signal (voltage) S1 corresponding to a phase difference and a control signal S3 to an actuator having a wide dynamic range according to an embodiment of the present invention;

図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図1は、本発明の一実施形態の位相同期回路の構成を示す図である。位相同期回路100は、いわゆる周波数の負帰還回路を構成する位相比較器22とループフィルタ24と発振器26に加えて以下の構成を含む。すなわち、発振器26の出力をフィードバックした出力信号OUTを分配する分配器(パワースプリッタ、以下単にスプリッタとも記す)20と、スプリッタ20で分配された出力信号OUT1を入力とする、出力信号OUTの位相同期のアンロックの検出と復帰を行うための制御回路1(破線囲み部)とを含む。 An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a phase locked loop circuit according to one embodiment of the present invention. The phase synchronization circuit 100 includes the following configuration in addition to the phase comparator 22, the loop filter 24, and the oscillator 26, which form a so-called frequency negative feedback circuit. Namely, a splitter (power splitter, hereinafter simply referred to as a splitter) 20 for splitting the output signal OUT obtained by feeding back the output of the oscillator 26, and a phase synchronization of the output signal OUT which receives the output signal OUT1 split by the splitter 20 as an input. and a control circuit 1 (enclosed by a dashed line) for detecting and restoring unlocking of the .

負帰還回路を構成する位相比較器22とループフィルタ24と発振器26では、最初に分配器20によって分配された出力信号の一方OUT2を受けた位相比較器22が基準信号との位相差を比較し、その位相差に応じた電圧を信号S4としてループフィルタ24へ出力する。ループフィルタ24は、位相比較器22からの信号S4を比例及び積分制御(処理)する機能を有する。その比例及び積分制御する機能(処理)は、制御回路1内の後述する論理回路16によって積分制御をオフし比例制御のみに切り替えることができる。ループフィルタ24は、比例及び積分制御(処理)後の信号を制御信号S5として発振器26へ出力する。発振器26の速いアクチュエータAはその制御信号S5を受けて発振周波数を変化させる。 In the phase comparator 22, the loop filter 24 and the oscillator 26 that constitute the negative feedback circuit, the phase comparator 22 that first receives OUT2, one of the output signals distributed by the distributor 20, compares the phase difference with the reference signal. , and outputs a voltage corresponding to the phase difference to the loop filter 24 as a signal S4. The loop filter 24 has the function of proportional and integral control (processing) of the signal S4 from the phase comparator 22 . The proportional and integral control function (processing) can be switched to only proportional control by turning off the integral control by a logic circuit 16 in the control circuit 1, which will be described later. The loop filter 24 outputs the signal after proportional and integral control (processing) to the oscillator 26 as the control signal S5. The fast actuator A of the oscillator 26 receives its control signal S5 and changes its oscillation frequency.

発振器26は、速いアクチュエータA(以下、単にアクチュエータAとも呼ぶ)と、ダイナミックレンジの広いアクチュエータB(以下、単にアクチュエータBとも呼ぶ)を備えている。速いアクチュエータで言う「速い」とは、周波数の制御スピードが速いことを意味し、例えばキャプチャーレンジ内のような比較的小さな周波数の範囲(ずれ)を素早く調整できる機能を意味する。ダイナミックレンジの広いアクチュエータで言う「ダイナミックレンジの広い」とは、比較的大きな周波数のずれを調整できる範囲を意味し、例えばキャプチャーレンジを大きくはずれた場合に周波数をキャプチャーレンジ内に戻す機能を意味する。なお、キャプチャーレンジは、位相同期をロック状態に戻す(引き込む)ことが可能な周波数幅を意味し、位相同期のアンロックの有無を判断する基準となる周波数幅である。 The oscillator 26 includes a fast actuator A (hereinafter simply referred to as actuator A) and a wide dynamic range actuator B (hereinafter simply referred to as actuator B). "Fast" in the case of a fast actuator means that the frequency control speed is fast, and means the ability to quickly adjust a relatively small frequency range (deviation) such as within the capture range. "Wide dynamic range" in terms of actuators with a wide dynamic range means a range in which relatively large frequency deviations can be adjusted. . Note that the capture range means a frequency width capable of returning (pulling in) the phase synchronization to a locked state, and is a frequency width used as a reference for determining whether or not the phase synchronization is unlocked.

発振器26としては、例えば電圧制御発振器(VCO)や外部共振器型半導体レーザー(ECLD)が挙げられる。VCOの場合、アクチュエータAは水晶発振器への印加電圧が該当し、アクチュエータBは水晶発振器の温度が該当する。ECLDの場合、アクチュエータAは使用する半導体レーザーの注入電流が該当し、アクチュエータBは外部共振器長を変化させるピエゾ素子の印可電圧が該当する。VCOやECLDでのアクチュエータA、Bの制御は、ループフィルタ24または論理回路16からの制御信号S5、S3によって上記した印可電圧、温度、あるいは注入電流を変化させることにより行われる。 Examples of the oscillator 26 include a voltage controlled oscillator (VCO) and an external cavity semiconductor laser (ECLD). In the case of the VCO, actuator A corresponds to the voltage applied to the crystal oscillator, and actuator B corresponds to the temperature of the crystal oscillator. In the case of ECLD, the actuator A corresponds to the injection current of the semiconductor laser used, and the actuator B corresponds to the applied voltage of the piezoelectric element that changes the external cavity length. The control of the actuators A and B in the VCO and ECLD is performed by changing the applied voltage, temperature, or injected current with the control signals S5 and S3 from the loop filter 24 or the logic circuit 16. FIG.

制御回路1は、スプリッタ10と、遅延線12と、位相比較器(ミキサ)14と、論理回路16を含む。スプリッタ10は、スプリッタ20と同様なパワースプリッタである。スプリッタ10は、スプリッタ20で分配された出力信号OUT1を受けて、さらに2つの出力信号OUT3、OUT4に分配する。遅延線12は分配された出力信号の一方OUT3を遅延させる。遅延線12は、均一な特性インピーダンスをもつケーブルを使用することができる。その遅延量(遅延時間)はケーブルの長さに応じて設定することができる。ケーブルは例えば同軸ケーブルを用いることができる。同軸ケーブルは例えば1mあたり約5nsの遅延時間を持つ。 Control circuit 1 includes splitter 10 , delay line 12 , phase comparator (mixer) 14 and logic circuit 16 . Splitter 10 is a power splitter similar to splitter 20 . The splitter 10 receives the output signal OUT1 split by the splitter 20 and further splits it into two output signals OUT3 and OUT4. A delay line 12 delays one of the split output signals OUT3. The delay line 12 can use a cable with uniform characteristic impedance. The amount of delay (delay time) can be set according to the length of the cable. A coaxial cable, for example, can be used as the cable. A coaxial cable, for example, has a delay time of about 5 ns per meter.

位相比較器14は、スプリッタ10の出力信号の他方OUT4と遅延線12によって遅延された出力信号OUT3との位相差に応じた出力S1(電圧V)を出力する。電圧Vは、
V ∝ cos(2πft)
で変化する。fは信号の周波数、tは遅延時間である。tが一定の時、Vはfに依存して変化するため、出力信号の周波数fを電圧Vに変換したことになる。
The phase comparator 14 outputs an output S1 (voltage V) corresponding to the phase difference between the other output signal OUT4 of the splitter 10 and the output signal OUT3 delayed by the delay line 12 . The voltage V is
V ∝ cos(2πft)
change with f is the signal frequency and t is the delay time. When t is constant, V changes depending on f, so the frequency f of the output signal is converted to voltage V.

論理回路16は、例えばFPGA(field-programmable gate array)で構成することができる。論理回路16は、位相比較器14の出力S1を受けて発振器26の出力信号OUTの位相同期のアンロックの検出を行う。位相同期のアンロックの検出は、位相比較器14の出力S1の電圧がキャプチャーレンジに対応する所定の電圧幅に入っているか否かで判断する。なお、以下の説明では、「出力信号の周波数がキャプチャーレンジに入っているか否か」と記す場合があるが同様な意味で用いている。 The logic circuit 16 can be composed of, for example, an FPGA (field-programmable gate array). The logic circuit 16 receives the output S1 of the phase comparator 14 and detects unlocking of the phase synchronization of the output signal OUT of the oscillator 26 . Detection of unlocking of phase synchronization is determined by whether or not the voltage of the output S1 of the phase comparator 14 is within a predetermined voltage width corresponding to the capture range. In the following description, "whether or not the frequency of the output signal is within the capture range" may be used with the same meaning.

図2は、本発明の一実施形態の周波数f(Hz)と位相差に応じた出力(電圧)S1(V)との関係を示す図である。出力(電圧)S1(V)のキャプチャーレンジの周波数幅に対応する電圧幅ΔVは、図2に示すように予め設定される。論理回路16は、電圧S1(V)が所定の電圧幅ΔVに入っていない場合に位相同期がアンロックロックしていると判断する。 FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the frequency f (Hz) and the output (voltage) S1 (V) according to the phase difference in one embodiment of the present invention. A voltage width ΔV corresponding to the frequency width of the capture range of the output (voltage) S1 (V) is preset as shown in FIG. Logic circuit 16 determines that the phase lock is unlocked when voltage S1 (V) is not within a predetermined voltage range ΔV.

論理回路16は、位相同期のアンロックを検出した場合、その復帰のための制御信号を出力する。具体的には、論理回路16は、ループフィルタ24へ積分制御をオフするための論理信号S2を出力する。ループフィルタ24は、位相比較器22から出力される信号S4に対して比例制御のみを行って制御信号S5として発振器26のアクチュエータAへ出力する。論理回路16は、同時に発振器26のアクチュエータBへアンロックを復帰させるための制御信号S3を出力する。 When the logic circuit 16 detects unlocking of the phase synchronization, it outputs a control signal for the recovery. Specifically, the logic circuit 16 outputs a logic signal S2 for turning off integration control to the loop filter 24 . The loop filter 24 performs only proportional control on the signal S4 output from the phase comparator 22 and outputs it to the actuator A of the oscillator 26 as a control signal S5. The logic circuit 16 simultaneously outputs a control signal S3 for returning the unlock to the actuator B of the oscillator 26. FIG.

発振器26において、制御信号S3を受けたアクチュエータBは、強制的に出力信号OUTの周波数がキャプチャーレンジに入るように周波数を変化させる。出力信号OUTは逐次フィードバックされてスプリッタ10で分配された後に制御回路1に入力される。論理回路16において上述したキャプチャーレンジに入っているか否かが判断される。出力信号OUTの周波数がキャプチャーレンジに入ると、ループフィルタ24の比例制御のみが有効になっているため、その制御信号S5を受けるアクチュエータAによってすぐに基準信号の周波数に引き込まれる。その後、論理回路16は、ループフィルタ24へ積分制御をオンするための論理信号S2を出力し、ループフィルタ24の比例及び積分制御を再開させる。 In the oscillator 26, the actuator B, which receives the control signal S3, forcibly changes the frequency of the output signal OUT so that it falls within the capture range. The output signal OUT is sequentially fed back and input to the control circuit 1 after being distributed by the splitter 10 . The logic circuit 16 determines whether or not it is within the capture range described above. When the frequency of the output signal OUT enters the capture range, it is immediately pulled into the frequency of the reference signal by the actuator A receiving the control signal S5 because only the proportional control of the loop filter 24 is valid. After that, the logic circuit 16 outputs the logic signal S2 for turning on the integral control to the loop filter 24, and restarts the proportional and integral control of the loop filter 24. FIG.

出力信号OUTの周波数がキャプチャーレンジ内に入った場合、より正確には、位相比較器14の出力S1の電圧がキャプチャーレンジに対応する所定の電圧幅に入っている場合、出力信号OUTの位相同期は、図1の負帰還回路を構成する位相比較器22とループフィルタ24と発振器26を用いて以下のように行われる。分配された出力信号の一方OUT2を受けた位相比較器22が基準信号との位相差を比較し、その位相差に応じた電圧(誤差信号)を信号S4としてループフィルタ24へ出力する。ループフィルタ24は、その誤差信号の電圧がゼロになるように比例積分制御を行い、その制御信号S5を発振器26のアクチュエータAへ出力する。アクチュエータAは、発振器26の周波数の調整を行う。 When the frequency of the output signal OUT falls within the capture range, more precisely, when the voltage of the output S1 of the phase comparator 14 falls within a predetermined voltage width corresponding to the capture range, the phase synchronization of the output signal OUT is performed as follows using the phase comparator 22, the loop filter 24, and the oscillator 26 that constitute the negative feedback circuit of FIG. Phase comparator 22 receives one of the distributed output signals OUT2, compares the phase difference with the reference signal, and outputs a voltage (error signal) corresponding to the phase difference to loop filter 24 as signal S4. The loop filter 24 performs proportional integral control so that the voltage of the error signal becomes zero, and outputs the control signal S5 to the actuator A of the oscillator 26. FIG. Actuator A adjusts the frequency of oscillator 26 .

発振器26が外部共振器型半導体レーザー(ECLD)の場合、一般的に室温、気圧などの影響でゆっくりと周波数がドリフトし、アクチュエータAだけではダイナミックレンジを超えてロックが落ちることが多い。そこで、論理回路16はループフィルタ24からドリフト補正のための信号S6を受けて、アクチュエータBへ制御信号S3を出力する。アクチュエータBは、アクチュエータAへの制御信号S5の電圧が一定値になるように、発振器26の発振周波数の調整を行う。発振器26が電圧制御発振器(VCO)の場合、位相同期にはアクチュエータBは必ずしも必要ではないが、位相同期の自動復帰には必要になる。 When the oscillator 26 is an external cavity semiconductor laser (ECLD), the frequency generally drifts slowly under the influence of room temperature and atmospheric pressure, and actuator A alone often exceeds the dynamic range and loses lock. Therefore, logic circuit 16 receives signal S6 for drift correction from loop filter 24 and outputs control signal S3 to actuator B. FIG. Actuator B adjusts the oscillation frequency of oscillator 26 so that the voltage of control signal S5 to actuator A is constant. If oscillator 26 is a voltage controlled oscillator (VCO), actuator B is not necessarily required for phase locking, but is required for automatic recovery of phase locking.

次に、図3を参照しながら本発明の一実施形態の位相同期回路の制御方法のフローについて説明する。下記の説明においては図1の一実施形態の位相同期回路100を用いた場合の例も記載している。 Next, the flow of the control method for the phase locked loop circuit according to one embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the following description, an example of using the phase locked loop circuit 100 of the embodiment of FIG. 1 is also described.

ステップS10において、発振器の出力信号を2つに分配する。図1の位相同期回路100では、スプリッタ20で2つに分配された発振器26の出力信号OUT1、2をさらにスプリッタ10で2つの出力信号OUT3、OUT4に分配することが該当する。 In step S10, the output signal of the oscillator is divided into two. In the phase synchronization circuit 100 of FIG. 1, the output signals OUT1 and 2 of the oscillator 26 split into two by the splitter 20 are further split by the splitter 10 into two output signals OUT3 and OUT4.

ステップS11において、分配後の一方の出力信号を遅延線で遅延させる。図1の位相同期回路100では、スプリッタ10で分配後の出力信号OUT3を遅延線12で遅延させることが該当する。遅延線12及びその遅延量(遅延時間)の例については上述したように、例えば同軸ケーブルを用いて、その長さによって遅延時間を設定することができる。 In step S11, one of the distributed output signals is delayed by a delay line. In the phase synchronization circuit 100 of FIG. 1, delaying the output signal OUT3 after being split by the splitter 10 by the delay line 12 corresponds to this. As for the example of the delay line 12 and its delay amount (delay time), for example, a coaxial cable can be used and the delay time can be set according to its length.

ステップS12において、分配後の他方の出力信号と遅延後の一方の出力信号との位相差に応じた電圧V1を生成する。図1の位相同期回路100では、位相比較器14が出力信号4と遅延後の出力信号OUT3との位相差に応じた電圧V1の信号S1を出力することが該当する。 In step S12, a voltage V1 is generated according to the phase difference between the other output signal after distribution and the one output signal after delay. In the phase locked loop circuit 100 of FIG. 1, the phase comparator 14 outputs the signal S1 of the voltage V1 corresponding to the phase difference between the output signal 4 and the delayed output signal OUT3.

ステップS13において、電圧V1がキャプチャーレンジに対応する所定の電圧幅に入っているか否かを検知する。図1の位相同期回路100では、論理回路16が位相比較器14から受けた信号S1の電圧V1がキャプチャーレンジに対応する所定の電圧幅に入っているか否かを検知する。所定の電圧幅は例えば上述した図2の電圧幅ΔVが該当する。 At step S13, it is detected whether or not the voltage V1 is within a predetermined voltage width corresponding to the capture range. In the phase locked loop circuit 100 of FIG. 1, the logic circuit 16 detects whether the voltage V1 of the signal S1 received from the phase comparator 14 is within a predetermined voltage width corresponding to the capture range. The predetermined voltage width corresponds to, for example, the voltage width ΔV in FIG. 2 described above.

ステップS14において、ステップS13の判断がNoの場合、すなわち電圧V1がキャプチャーレンジに対応する所定の電圧幅に入っていない場合、位相同期がアンロックであると判断しループフィルタの積分制御をオフする。図1の位相同期回路100では、論理回路16がループフィルタ24へ積分制御をオフするための論理信号S2を出力する。ループフィルタ24は、論理信号S2を受けて積分制御をオフして、入力する信号S4の比例制御のみを行う。 In step S14, if the determination in step S13 is No, that is, if the voltage V1 is not within the predetermined voltage width corresponding to the capture range, it is determined that the phase synchronization is unlocked, and the integral control of the loop filter is turned off. . In the phase locked loop circuit 100 of FIG. 1, the logic circuit 16 outputs a logic signal S2 to the loop filter 24 for turning off integration control. The loop filter 24 receives the logic signal S2, turns off the integral control, and performs only the proportional control of the input signal S4.

ステップS15において、ダイナミックレンジの広いアクチュエータで発振器の発振周波数を制御する。図1の位相同期回路100では、論理回路16は、発振器26のアクチュエータBへアンロックを復帰させるための制御信号S3を出力する。発振器26において、制御信号S3を受けたアクチュエータBは、強制的に出力信号OUTの周波数がキャプチャーレンジに入るように周波数を変化させる。 In step S15, the oscillation frequency of the oscillator is controlled by an actuator with a wide dynamic range. In the phase locked loop circuit 100 of FIG. 1, the logic circuit 16 outputs a control signal S3 for restoring the unlock to the actuator B of the oscillator 26. FIG. In the oscillator 26, the actuator B, which receives the control signal S3, forcibly changes the frequency of the output signal OUT so that it falls within the capture range.

ステップ15の後にステップS10へ戻りステップS10以降がさらに実行される。ステップS13において、電圧V1がキャプチャーレンジに対応する所定の電圧幅に入っていると検知された場合、ステップS17において、発振器の出力信号と基準信号の位相差に応じた電圧V2を生成する。図1の位相同期回路100では、分配された出力信号の一方OUT2を受けた位相比較器22が基準信号との位相差を比較し、その位相差に応じた電圧V2の信号S4としてループフィルタ24へ出力する。 After step S15, the process returns to step S10, and steps after step S10 are further executed. If it is detected in step S13 that the voltage V1 is within a predetermined voltage range corresponding to the capture range, then in step S17 a voltage V2 is generated according to the phase difference between the output signal of the oscillator and the reference signal. In the phase locked loop circuit 100 of FIG. 1, the phase comparator 22 that receives one of the distributed output signals OUT2 compares the phase difference with the reference signal, and the loop filter 24 generates a signal S4 of voltage V2 corresponding to the phase difference. Output to

ステップS18において、ループフィルタが電圧V2に応じた比例積分制御を行う。図1の位相同期回路100では、ループフィルタ24は信号S4の電圧V2がゼロになるように比例積分制御を行い、その制御信号S5を発振器26のアクチュエータAへ出力する。 At step S18, the loop filter performs proportional integral control according to the voltage V2. In the phase locked loop circuit 100 of FIG. 1, the loop filter 24 performs proportional integral control so that the voltage V2 of the signal S4 becomes zero, and outputs the control signal S5 to the actuator A of the oscillator 26. FIG.

ステップS19において、速いアクチュエータで発振器の発振周波数を制御する。図1の位相同期回路100では、制御信号S5を受けたアクチュエータAは、発振器26の周波数の調整を行う。制御信号S5に基づく発振周波数の制御により出力信号の周波数が基準信号の周波数に引き込まれる。 In step S19, a fast actuator controls the oscillation frequency of the oscillator. In the phase locked loop circuit 100 of FIG. 1, the actuator A that receives the control signal S5 adjusts the frequency of the oscillator 26. In FIG. The frequency of the output signal is drawn to the frequency of the reference signal by controlling the oscillation frequency based on the control signal S5.

ステップS18の実行において、ステップS14でのループフィルタの積分制御のオフ状態が維持されている場合は、ループフィルタ24は信号S4の電圧V2がゼロになるように比例制御のみを行い、その制御信号S5を発振器26のアクチュエータAへ出力する。制御信号S5に基づく発振周波数の制御により出力信号の周波数が基準信号の周波数に引き込まれる。その後、ステップ16のループフィルタの積分制御のオンが実行される。図1の位相同期回路100では、論理回路16がループフィルタ24へ積分制御をオンするための論理信号S2を出力する。ループフィルタ24は、論理信号S2を受けて積分制御をオンして、入力する信号S4の比例積分制御を行う状態に復帰する。 In the execution of step S18, if the off state of the integration control of the loop filter in step S14 is maintained, the loop filter 24 performs only proportional control so that the voltage V2 of the signal S4 becomes zero, and the control signal S5 is output to actuator A of oscillator 26 . The frequency of the output signal is drawn to the frequency of the reference signal by controlling the oscillation frequency based on the control signal S5. Thereafter, step 16 of turning on integration control of the loop filter is executed. In the phase locked loop circuit 100 of FIG. 1, the logic circuit 16 outputs a logic signal S2 to the loop filter 24 for turning on integration control. The loop filter 24 receives the logic signal S2, turns on the integral control, and returns to the state of performing the proportional integral control of the input signal S4.

ステップS20において、ダイナミックレンジの広いアクチュエータで発振器の発振周波数を制御する。ステップS20での制御は、発振器が外部共振器型半導体レーザー(ECLD)の場合に実行される。その理由は、既に上述した通りである。図1の位相同期回路100では、論理回路16は、発振器26のアクチュエータBへ制御信号S3を出力する。発振器26において、制御信号S3を受けたアクチュエータBは、アクチュエータAへの制御信号S5の電圧が一定値になるように、発振器26の発振周波数の調整を行う。 In step S20, the oscillation frequency of the oscillator is controlled by an actuator with a wide dynamic range. The control in step S20 is executed when the oscillator is an external cavity semiconductor laser (ECLD). The reason for this is already mentioned above. In phase locked loop 100 of FIG. 1, logic circuit 16 outputs control signal S3 to actuator B of oscillator . In the oscillator 26, the actuator B that receives the control signal S3 adjusts the oscillation frequency of the oscillator 26 so that the voltage of the control signal S5 to the actuator A becomes constant.

本発明の位相同期回路を用いて外部共振器型半導体レーザー(ECLD)の位相同期のアンロックの検出および復帰の実験を行った。実験では、基準となるマスターレーザーとして、ULE(Ultra Low Expansion)光共振器に安定化したNd:YAGレーザー(1064nm)を基準とした光周波数コムを用いた。光周波数コムの1156nmの成分を、非線形素子を用いた2次高調波発生により578nmに波長変換した。制御対象となるスレーブレーザーとしてECLD(1156nm)を用い、2次高調波発生により578nmに波長変換した。578nmの光周波数コムとECLDのそれぞれの出力光を重ね合わせ、光検出器でビート信号を検出した。ECLDの発振周波数の位相同期を、ビート信号の周波数を基準信号の30MHzに対して位相同期を行うことにより実行した。 Using the phase locked loop circuit of the present invention, an experiment was conducted to detect and restore the phase locked state of an external cavity semiconductor laser (ECLD). In the experiment, an optical frequency comb based on a Nd:YAG laser (1064 nm) stabilized in a ULE (Ultra Low Expansion) optical resonator was used as a reference master laser. The 1156 nm component of the optical frequency comb was wavelength-converted to 578 nm by second harmonic generation using a nonlinear element. An ECLD (1156 nm) was used as a slave laser to be controlled, and the wavelength was converted to 578 nm by second harmonic generation. The output light from the 578 nm optical frequency comb and the ECLD were superimposed, and a beat signal was detected with a photodetector. The oscillation frequency of the ECLD was phase-locked by synchronizing the frequency of the beat signal with respect to the reference signal of 30 MHz.

図4は、その際の本発明の一実施形態の位相差に応じた信号(電圧)S1とダイナミックレンジの広いアクチュエータへの制御信号S3の時間変化を測定した図である。ダイナミックレンジの広いアクチュエータは、外部共振器長を変化させるピエゾ素子への印可電圧である。図4では、Aで示す0.6~0.7秒の間で578nmの2次高調波の光周波数コムを遮断して強制的にアンロック状態を作っている。0.6秒から制御信号S3による外部共振器長の制御が始まり、1秒の時刻では信号S1がキャプチャーレンジに相当する電圧幅ΔV(0.22~0.32V)に入って、位相同期のアンロックが解消しロック状態になっていることがわかる。 FIG. 4 is a graph showing time changes of the signal (voltage) S1 according to the phase difference and the control signal S3 to the actuator having a wide dynamic range in the embodiment of the present invention at that time. A wide dynamic range actuator is the applied voltage to the piezo element that changes the external resonator length. In FIG. 4, an unlocked state is forcibly created by interrupting the optical frequency comb of the second harmonic of 578 nm between 0.6 and 0.7 seconds indicated by A. In FIG. Control of the external resonator length by the control signal S3 starts from 0.6 seconds, and at the time of 1 second, the signal S1 enters the voltage width ΔV (0.22 to 0.32 V) corresponding to the capture range, and the phase synchronization is stopped. It can be seen that the unlock is canceled and the lock state is reached.

本実験によって、ECLDの発振周波数の位相同期を1日以上無人で持続することができた。RF領域で使われる水晶発振器と違い、光領域の発振器であるレーザーには脆弱性があり、従来の方法では位相同期の長期間の持続は困難であった。本発明の方法は、これまで容易でなかったレーザーの発振周波数の位相同期の長期持続を確認することができた。 Through this experiment, the phase synchronization of the oscillation frequency of the ECLD could be maintained unattended for more than one day. Unlike crystal oscillators used in the RF region, lasers, which are oscillators in the optical region, are fragile, and it has been difficult to maintain phase synchronization for a long period of time using conventional methods. The method of the present invention was able to confirm the long-term maintenance of the phase synchronization of the oscillation frequency of the laser, which was not easy until now.

本発明の実施形態について、図を参照しながら説明をした。しかし、本発明はこれらの実施形態に限られるものではない。さらに、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々なる改良、修正、変形を加えた態様で実施できるものである。 Embodiments of the present invention have been described with reference to the drawings. However, the invention is not limited to these embodiments. Furthermore, the present invention can be implemented in aspects with various improvements, modifications, and variations based on the knowledge of those skilled in the art without departing from the scope of the invention.

本発明の位相同期回路は、レーザー、高周波半導体、コンピュータ、あるいは無線通信等の技術分野で発振器の位相同期のアンロックの検出及び復帰を行うために利用することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The phase locked loop circuit of the present invention can be used to detect and restore the phase locked state of oscillators in technical fields such as lasers, high frequency semiconductors, computers, and wireless communications.

1 制御回路
10 第1分配器(スプリッタ)
12 遅延線
14 第1位相比較器(ミキサ)
16 論理回路
20 第2分配器(スプリッタ)
22 第2位相比較器(ミキサ)
24 ループフィルタ
26 発振器
100 位相同期回路
1 control circuit 10 first distributor (splitter)
12 delay line 14 first phase comparator (mixer)
16 logic circuit 20 second distributor (splitter)
22 second phase comparator (mixer)
24 loop filter 26 oscillator 100 phase synchronization circuit

Claims (7)

発振器と、
前記発振器の出力信号を2つの出力信号に分配しその一方を第1分配器へ出力する第2分配器と、
前記第2分配器の出力信号の他方と基準信号との位相差に応じた電圧を出力する第2位相比較器と、
前記第2位相比較器の出力を比例及および積分制御する機能を有し、前記出力信号の位相同期のための第1制御信号を前記発振器へ出力するループフィルタと、
制御回路と、を備え、
前記制御回路は、
前記第2分配器からの前記出力信号を受けて2つの出力信号に分配する前記第1分配器と、
前記第1分配器の出力信号の一方を該出力信号の周波数に応じて遅延させる遅延線と、
前記第1分配器の出力信号の他方と前記遅延線によって遅延された出力信号との位相差に応じた電圧を出力する第1位相比較器と、
前記第1位相比較器の出力に応じて前記出力信号が所定の周波数範囲から外れたか否かの位相同期のアンロックの有無の検出を行う論理回路と、を含み、
前記論理回路は、前記出力信号が所定の周波数範囲から外れたことを検出した場合、前記出力信号が前記所定の周波数範囲に入るように前記発振器が強制的に周波数を変化させるための第2制御信号を該発振器に出力する、位相同期回路
an oscillator;
a second distributor that distributes the output signal of the oscillator into two output signals and outputs one of them to the first distributor;
a second phase comparator that outputs a voltage corresponding to a phase difference between the other output signal of the second divider and a reference signal;
a loop filter having a function of proportionally and integrally controlling the output of the second phase comparator and outputting a first control signal for phase synchronization of the output signal to the oscillator;
a control circuit;
The control circuit is
the first distributor receiving the output signal from the second distributor and distributing it into two output signals;
a delay line for delaying one of the output signals of the first distributor according to the frequency of the output signal ;
a first phase comparator that outputs a voltage corresponding to the phase difference between the other output signal of the first distributor and the output signal delayed by the delay line;
a logic circuit that detects whether or not the phase synchronization is unlocked according to the output of the first phase comparator, whether the output signal is out of a predetermined frequency range ,
When the logic circuit detects that the output signal is out of a predetermined frequency range, second control for forcing the oscillator to change the frequency so that the output signal falls within the predetermined frequency range. A phase locked loop that outputs a signal to the oscillator .
前記発振器は、前記第1制御信号を受けて前記出力信号の周波数ずれを調整する第1アクチュエータと、前記第2制御信号を受けて前記第1アクチュエータよりも大きな周波数ずれを調整する第2アクチュエータと、を含み、
前記第2アクチュエータは、前記論理回路から第2制御信号を受けると、強制的に前記出力信号を前記所定の周波数範囲に入るように周波数を変化させる、請求項1記載の位相同期回路
The oscillator includes a first actuator that receives the first control signal and adjusts a frequency deviation of the output signal, and a second actuator that receives the second control signal and adjusts a frequency deviation larger than that of the first actuator. , including
2. The phase locked loop circuit according to claim 1, wherein said second actuator forcibly changes the frequency of said output signal so as to fall within said predetermined frequency range upon receiving a second control signal from said logic circuit.
前記ループフィルタは、前記第2位相比較器の出力を比例及び積分制御する機能を有し、前記論理回路は、前記位相同期のアンロックの検出に応じて前記ループフィルタへ積分制御をオフするための論理信号を出力する、請求項1または2に記載の位相同期回路。 The loop filter has a function of proportionally and integrally controlling the output of the second phase comparator, and the logic circuit turns off integral control of the loop filter in response to detection of unlocking of the phase synchronization. 3. The phase locked loop circuit according to claim 1 , which outputs a logic signal of . 前記論理回路は、前記位相同期のアンロックの検出を前記第1位相比較器の出力電圧がキャプチャーレンジに対応する所定の電圧幅に入っているか否かで判断する、請求項1~3のうちいずれか一項に記載の位相同期回路。 4. Of claims 1 to 3 , wherein said logic circuit determines whether or not said unlocked state of said phase synchronization is detected based on whether the output voltage of said first phase comparator is within a predetermined voltage width corresponding to a capture range. A phase locked loop circuit according to any one of the preceding claims. 前記遅延線は遅延量に応じて長さが設定される同軸ケーブルを含む、請求項1~4のいずれか1項に記載の位相同期回路。 5. The phase locked loop circuit according to claim 1, wherein said delay line includes a coaxial cable whose length is set according to the amount of delay. 発振器と、前記発振器の出力信号を2つの出力信号に分配しその一方を第1分配器へ出力する第2分配器と、前記第2分配器の出力信号の他方と基準信号との位相差に応じた電圧を出力する第2位相比較器と、前記第2位相比較器の出力を比例及および積分制御する機能を有し、前記出力信号の位相同期のための第1制御信号を前記発振器へ出力するループフィルタと、制御回路と、を備える位相同期回路の制御方法であって、
前記制御回路によって、
前記第2分配器からの前記出力信号を受けて2つの出力信号に分配するステップと、
前記分配後の一方の出力信号を遅延線によって該出力信号の周波数に応じて遅延させるステップと、
前記分配後の他方の出力信号と前記遅延後の一方の出力信号との位相差に応じた電圧を生成するステップと、
前記生成された電圧に応じて前記出力信号が所定の周波数範囲から外れたか否かの位相同期のアンロックの有無を検出するステップと、
前記出力信号が所定の周波数範囲から外れたことを検出した場合、前記出力信号が前記所定の周波数範囲に入るように前記発振器が強制的に周波数を変化させるための第2制御信号を該発振器に出力するステップと、を実行する、前記制御方法
an oscillator, a second divider that divides the output signal of the oscillator into two output signals and outputs one of them to the first divider, and the phase difference between the other of the output signals of the second divider and the reference signal a second phase comparator that outputs a corresponding voltage; and a function of proportionally and integrally controlling the output of the second phase comparator, and a first control signal for phase synchronization of the output signal to the oscillator. A control method for a phase locked loop circuit comprising a loop filter that outputs and a control circuit ,
By the control circuit,
receiving and dividing the output signal from the second splitter into two output signals;
delaying one of the distributed output signals by a delay line according to the frequency of the output signal ;
generating a voltage corresponding to a phase difference between the other output signal after distribution and the one output signal after delay;
a step of detecting whether the output signal is out of a predetermined frequency range according to the generated voltage, that is, whether or not the phase synchronization is unlocked;
upon detecting that the output signal is out of the predetermined frequency range, sending a second control signal to the oscillator to force the oscillator to change frequency so that the output signal falls within the predetermined frequency range; and outputting .
前記遅延線は遅延量に応じて長さが設定される同軸ケーブルを含む、請求項6に記載の制御方法。 7. The control method according to claim 6, wherein said delay line includes a coaxial cable whose length is set according to the amount of delay.
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