JPH09326695A - 周波数シンセサイザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、間接方式の周波数シンセサイザに
関し、動作温度の急変や発振周波数の大幅や切り替えに
柔軟かつ安定に追従することを目的とする。 【解決手段】 ２つの周波数の和に亘って発振周波数を
可変し、その発振周波数の信号を生成する可変周波発振
手段１１と、間接周波数合成方式の下で発振周波数の基
準となる基準周波数を与える基準信号と、可変周波発振
手段が生成した信号との位相差に適応した周波数を求
め、その周波数を２つの周波数の一方として可変周波発
振手段に与える制御手段１３と、可変周波発振手段の動
作環境の変動に起因する発振周波数の変位と、その変位
の値の内、制御手段１３が間接周波数合成方式の下で抑
圧できる上限の値以下の閾値との差分を求め、その差分
を２つの周波数の他方としてその可変周波発振手段に与
える周波数変位補正手段１５とを備えて構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基準周波数に対し
て間接方式の周波数合成処理を施すことにより所望の周
波数の信号を生成する周波数シンセサイザに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、種々の周波数の信号を生成する多
くの電子機器には、位相ロックループ（ＰＬＬ）を実現
する安価な集積回路が搭載され、その集積回路が出力す
る位相誤差を操作量として目的の周波数の信号を生成す
る間接方式の周波数シンセサイザが採用されている。

【０００３】図４は、従来の周波数シンセサイザの構成
例を示す図である。図において、位相比較器８１の一方
の入力には周波数が基準値ｆ_r である基準信号が与えら
れ、その出力は低域フィルタ８２を介して電圧制御発振
器８３の第一の制御入力に接続される。電圧制御発振器
８３の出力は外部に所望の周波数ｆ _o の出力信号を与
え、かつ予め分周比ｍが設定された可変分周器８４を介
して位相比較器８１の他方の入力に接続される。

【０００４】このような構成の周波数シンセサイザで
は、電圧制御発振器８３から出力される出力信号（ここ
では、簡単のため、周波数がｆ_o′ であると仮定す
る。）は可変分周器８４によってｍ分周され、位相比較
器８１はその分周の下で得られた周波数(ｆ_o′/ｍ)の信
号と上述した基準信号との位相差に比例した瞬時値をと
る位相差信号を生成する。

【０００５】低域フィルタ８２は、その位相差信号の成
分の内、高調波成分や雑音成分を周波数領域で抑圧する
ことにより、出力信号の周波数ｆ_o′ と基準値ｆ_r との
周波数の差を示す電圧の誤差信号を生成する。電圧制御
発振器８３は、その誤差信号の瞬時値（以下、「制御電
圧」という。）に応じて発振周波数を可変することによ
り、 ｆ_o ＝ｍｆ_r の式で示される周波数ｆ_o の出力信号を生成する。

【０００６】また、このような周波数シンセサイザにつ
いては、適用される機器の性能や仕様によっては、上述
した基準値ｆ_r や分周比ｍの可変幅が大きく、かつ電圧
制御発振器８３の特性のバラツキがあるために、可変分
周器８４、位相比較器８１および低域フィルタ８２から
なる位相ロックループのロック状態が解除されて復旧し
ない状態（以下、「ロック外れ」という。）を回避する
ことが要求される。

【０００７】このような機器では、得られるべき発振周
波数の帯域が数メガヘルツ程度の複数の帯域に分割さ
れ、かつ図４に示すように、２つの制御電圧の入力端子
を有する電圧制御発振器８３ａが電圧制御発振器８３に
代えて備えられると共に、同図に点線で示すように、こ
れらの入力端子の内、低域フィルタ８２の出力に接続さ
れないものに、所望の帯域の中心に個別に対応して予め
設定されたシフト電圧が適宜切り替えられて印加される
構成も多く適用されている。

【０００８】このような構成の従来例では、誤差電圧に
対する発振周波数の変化率が高いことに起因して生じる
ＣＮ比の劣化が抑圧され、かつ所望の広帯域に亘って所
望の周波数の出力信号が安定に生成される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した従来
例では、例えば、電圧制御発振器８３の動作中に温度が
急激に変化したときには、誤差信号の瞬時値（制御電
圧）が大幅に変化して電圧制御発振器８３が応答可能な
範囲（図５）を超えた値となり、上述した「ロック外
れ」が生じる可能性があった。

【００１０】また、電圧制御発振器８３に与えられる制
御電圧については、一般に、その制御電圧に対して発振
周波数を示す特性や温度に応じたその特性の変化を示す
温度特性にバラツキがあるために、出荷や保守に際して
図５に示すように可変範囲の中心に設定されても、上
述したロック外れは確実には回避されなかった。本発明
は、動作温度の急変や発振周波数の大幅や切り替えに柔
軟かつ安定に追従し、かつロック外れの発生を確度高く
回避する周波数シンセサイザを提供することを目的とす
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】図１は、請求項１〜４に
記載の発明の原理ブロック図である。請求項１に記載の
発明は、入力される２つの周波数の和に亘って発振周波
数を可変し、その発振周波数の信号を生成する可変周波
発振手段１１と、間接周波数合成方式の下で発振周波数
の基準となる基準周波数を与える基準信号と、可変周波
発振手段１１によって生成された信号との位相差に適応
した周波数を求め、その周波数を２つの周波数の一方と
して可変周波発振手段に与える制御手段１３と、可変周
波発振手段１１の動作環境の変動に起因して生じる発振
周波数の変位と、その変位の値の内、制御手段１３が間
接周波数合成方式の下で抑圧できる上限の値以下の閾値
との差分を求め、その差分を２つの周波数の他方として
その可変周波発振手段に与える周波数補正手段１５とを
備えたことを特徴とする。

【００１２】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の周波数シンセサイザにおいて、周波数補正手段１５と
可変周波発振手段１１との段間に配置され、２つの周波
数の他方の変動分の内、急峻な成分を抑圧する濾波手段
２１と、２つの周波数の一方が制御手段１３の主導の下
で変更されるか否かの判別を行う切り替え判別手段２３
と、切り替え判別手段２３によって行われた判別の結果
が真であるときに、予め決められた期間に亘って濾波手
段２１を無効化する無効化手段２５とを備えたことを特
徴とする。

【００１３】請求項３に記載の発明は、請求項１に記載
の周波数シンセサイザにおいて、２つの周波数の一方が
制御手段１３の主導の下で変更されるか否かの判別を行
う切り替え判別手段２３と、切り替え判別手段２３によ
って行われた判別の結果が真であるときに、予め決めら
れた期間に亘って周波数補正手段１５を無効化する無効
化手段３１とを備えたことを特徴とする。

【００１４】請求項４に記載の発明は、請求項１に記載
の周波数シンセサイザにおいて、周波数補正手段１５と
可変周波発振手段１１との段間に配置され、２つの周波
数の他方の変動分の内、急峻な成分を抑圧する濾波手段
４０を備えたことを特徴とする。請求項１に記載の発明
にかかわる周波数シンセサイザでは、制御手段１３は発
振周波数の基準となる基準周波数を与える基準信号と、
可変周波発振手段１１が生成する信号との位相差に適応
した周波数を間接周波数合成方式の下で求め、可変周波
発振手段１１はその周波数に亘って発振周波数を可変す
ることによりこのような発振周波数の信号を生成する。

【００１５】しかし、動作環境の変動に起因して可変周
波発振手段１１の発振周波数が急激にかつ大幅に変化し
た場合には、周波数変位補正手段１５は、その発振周波
数の変位と、その変位の値の内、制御手段１３が上述し
た間接周波数合成方式の下で抑圧可能な上限の値以下の
閾値との差分をその可変周波発振手段１１に与える。可
変周波発振手段１１は、このような差分に等しいに等し
い周波数に亘って発振周波数を可変する。

【００１６】したがって、上述した動作環境の変動に起
因する可変周波発振手段１１の発振周波数の急激な変動
分は、その動作環境の変動の態様に柔軟に適応しつつ確
度高く吸収される。請求項２に記載の発明にかかわる周
波数シンセサイザでは、請求項１に記載の周波数シンセ
サイザにおいて、濾波手段２１は、周波数補正手段１５
が可変周波発振手段１１に与える周波数の変動分の内、
急峻な成分を抑圧する。したがって、その周波数の伝達
経路や周波数補正手段１５において電磁的に重畳された
雑音の成分の内、高い周波数成分に起因して生じる発振
周波数の誤差は、抑圧される。

【００１７】また、切り替え判別手段２３は制御手段１
３によって可変周波発振手段１１に与えられる周波数が
その制御手段１３の主導の下で変更されるか否かを判別
し、無効化手段２５はその判別の結果が真であるとき
に、予め決められた期間に亘って濾波手段２１を無効化
する。したがって、制御手段１３が主導的に行う正常な
切り替えに応じて可変周波発振手段１１の発振周波数が
更新される場合には、濾波手段２１の過渡応答特性に起
因した発振周波数の収束の遅れが圧縮あるいは回避さ
れ、かつ反対にその発振周波数がほぼ定常値に保たれて
いる場合には、その濾波手段２１によって発振周波数の
安定化がはかられる。

【００１８】請求項３に記載の発明にかかわる周波数シ
ンセサイザでは、切り替え判別手段２３は、制御手段１
３によって可変周波発振手段１１に与えられる周波数の
更新がその制御手段１３の主導の下で行われているか否
かの判別を行う。無効手段３１は、その判別の結果が真
であるときに、予め決められた期間に亘って周波数補正
手段１５を無効化する。

【００１９】すなわち、可変周波発振手段１１の動作環
境が急激に変化したためではなく、制御手段１３が行う
正常な切り替えに応じてその可変周波発振手段１１に与
えられる周波数が変動した場合には、周波数変位補正手
段１５は発振周波数の更新に関与しない。したがって、
可変周波発振手段１１は制御手段１３から直接与えられ
る周波数変位のみに応じて間接方式による周波数合成を
行い、上述した関与に起因するロックアップタイムの増
加が回避される。

【００２０】請求項４に記載の発明にかかわる周波数シ
ンセサイザでは、濾波手段４０は、周波数変位補正手段
１５が可変周波発振手段１１に与える周波数の成分の
内、急峻な成分を抑圧する。

【００２１】すなわち、濾波手段４０は、制御手段１３
が行う正常な切り替えに応じてその可変周波発振手段１
１に与えられる周波数が変動した場合における周波数補
正手段１５の関与を緩和する。したがって、可変周波発
振手段１１は制御手段１３から直接与えられる周波数の
みに応じて間接方式による周波数合成を行い、上述した
関与に起因するロックアップタイムの増加が回避され
る。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の実
施形態について詳細に説明する。図２は、請求項１〜３
に記載の発明に対応した実施形態を示す図である。図に
おいて、図４に示すものと機能および構成が同じものに
ついては、同じ符号を付与して示し、ここではその説明
を省略する。

【００２３】本実施形態と図４に示す従来例との構成の
相違点は、低域フィルタ８２の出力が電圧制御発振器８
３ａの一方の制御入力に併せて差動増幅器４１の一方の
入力に接続され、その差動増幅器４１の出力が加算増幅
器４２を介して電圧制御発振器８３ａの他方の制御入力
に接続されると共に、差動増幅器４１の他方の入力には
基準電圧Ｖ_f が与えられ、シフト電圧が加算増幅器４２
の加算入力に接続された点にある。

【００２４】本実施形態と図１に示すブロック図との対
応関係については、電圧制御発振器８３ａは可変周波発
振手段１１に対応し、可変分周器８４、位相比較器８１
および低域フィルタ８２は制御手段１３に対応し、差動
増幅器４１および加算増幅器４２は周波数補正手段１５
に対応する。以下、請求項１に記載の発明に対応した実
施形態の動作を説明する。動作温度や電源電圧の急激な
変化に起因して電圧制御発振器８３ａの発振周波数が大
幅に変化した場合には、誤差信号の瞬時値は、一般に、
大幅にかつ急激に変化する。

【００２５】また、基準電圧Ｖ_f は、このようにして誤
差信号の瞬時値が変化する態様に対して、差動増幅器４
１および加算増幅器４２が電圧制御発振器８３ａに後述
する制御電圧を与えることができる値に予め設定され
る。差動増幅器４１は、このような瞬時値の大幅かつ急
激な変化が生じた場合には、その瞬時値と基準電圧Ｖ_f
との差分をとることにより補正信号を生成し、その補正
信号を加算増幅器４２を介して電圧制御発振器８３ａに
与える。

【００２６】電圧制御発振器８３ａはその補正信号の瞬
時値として与えられる制御電圧に応じて速やかに発振周
波数を可変するので、その発振周波数に応じて低域フィ
ルタ８２の出力に得られる誤差電圧はこのような発振周
波数の変化に応じて高速に小さな値に収束する。なお、
電圧制御発振器８３ａが低域フィルタ８２の出力から直
接与えられる誤差電圧に応じて発振周波数を可変する動
作については、従来例と同様であるから、ここではその
説明を省略する。

【００２７】このように本実施形態によれば、発振周波
数が大幅に変化した場合には、低域フィルタ８２の出力
から差動増幅器４１および加算増幅器４２を介して電圧
制御発振器８３ａの第二の制御入力に至る副位相ロック
ループによって、その電圧制御発振器８３ａの発振周波
数の定常値に対する収束が高速に達成される。したがっ
て、電圧制御発振器８３ａの特性やその電圧制御発振器
８３ａに与えられる制御電圧の基準値に、例えば、回路
を構成する素子の特性や手動による調整に起因するバラ
ツキがある場合においても、ロック外れからの脱却が短
期間に確度高くはかられる。

【００２８】なお、上述した実施形態では、動作温度や
電源電圧が急激にかつ大幅に変化した場合のみにおける
各部の動作が示されているが、本発明はこのような場合
に限定されず、例えば、基準信号の周波数ｆ_r や分周比
ｍの設定値が大幅に変更された場合にも同様に各部が動
作する場合には、ロックアップタイムの短縮がはかられ
る。

【００２９】以下、図２を参照して請求項２に記載の発
明に対応した実施形態について説明する。本実施形態と
請求項１に記載の発明に対応した実施形態との構成の相
違点は、加算増幅器４２の出力と電圧制御発振器８３ａ
の他方の制御入力との段間に、並列に低域フィルタ５１
とスイッチ５２とが配置された点にある。

【００３０】なお、本実施形態と図１に示すブロック図
との対応関係については、低域フィルタ５１は濾波手段
２１に対応し、図示されない制御回路は切り替え判別手
段２３に対応し、スイッチ５２は無効化手段２５に対応
することを除いて、請求項１に記載の発明に対応した実
施形態と同様である。以下、本実施形態の動作を説明す
る。

【００３１】スイッチ５２の接点は、基準信号の周波数
ｆ_r と分周比ｍとの設定値の何れか一方または双方が変
化した場合には、上述した制御回路が行う制御の下で一
次的に閉設定される。このような状態では、差動増幅器
４１の出力から加算増幅器４２を介して与えられる補正
信号は、周波数領域において何ら抑圧されることなく、
直接電圧制御発振器８３ａの他方の制御入力に与えられ
る。したがって、電圧制御発振器８３ａの発振周波数
は、請求項１に記載の発明に対応した実施形態と同様に
して急速に定常値に収束する。

【００３２】しかし、上述した制御回路は、基準信号の
周波数ｆ_r と分周比ｍとの設定値の変化が生じた時点を
起点としてこのような収束が完了すると見なし得る程度
の時間が経過すると、スイッチ５２の接点を開設定す
る。このような状態では、低域フィルタ５１は、上述し
た補正信号の内、予め設定された通過域の成分のみを電
圧制御発振器８３ａの他方の制御入力に与えるので、副
位相ロックループにおいて電磁的に重畳された雑音と、
位相ロックループの伝達特性の下で電圧制御発振器８３
ａに生じる発振周波数の変動分と、加算増幅器４２に与
えられるシフト電圧に重畳された雑音とに起因するＣＮ
比の劣化が抑圧される。

【００３３】以下、図２を参照して請求項３に記載の発
明に対応した実施形態について説明する。本実施形態と
請求項１に記載の発明との構成の相違点は、差動増幅器
４１と加算増幅器４２との段間にスイッチ６１が配置さ
れた点にある。なお、本実施形態と図１に示すブロック
図との対応関係については、スイッチ６１は無効化手段
３１に対応することを除いて、請求項１に記載の発明に
対応した実施形態と同様である。

【００３４】以下、本実施例の動作を説明する。スイッ
チ６１は、基準信号の周波数ｆ_r と分周比ｍとの設定値
が一定に保たれている状態では、図示されない制御回路
が行う制御の下で閉設定される。したがって、このよう
な状態では、副位相ロックループは、請求項１に記載の
発明に対応した実施形態と同様にして電圧制御発振器８
３ａに制御電圧を供給し、動作温度や電源電圧の変動に
起因した発振周波数の変動分を圧縮する。

【００３５】しかし、基準信号の周波数ｆ_r と分周比ｍ
との設定値の何れか一方または双方が変更された場合に
は、上述した制御回路は、その変更がなされた時点を起
点とし、かつ位相ロックループを介して行われる電圧制
御発振器８３ａの発振周波数の引き込みが完了したと見
なし得る時点に至る期間に限って、スイッチ６１の接点
を開設定する。

【００３６】このような期間には、加算増幅器４２を介
して電圧制御発振器８３ａの他方の制御入力に与えられ
る制御電圧の更新が実効的に行われないので、その電圧
制御発振器８３ａの発振周波数は、従来例と同様にして
単一の位相ロックループを介して制御され、上述した周
波数ｆ_r と分周比ｍとに適応した所望の値に収束する。

【００３７】このように本実施形態によれば、動作温度
や電源電圧の変動以外の正規の要因に応じて発振周波数
の切り替えが行われる過程では、副位相ロックループの
動作が規制されるので、その副位相ロックループのルー
プ利得や電圧制御発振器８３ａの他方の制御入力に対す
る応答性が高い場合においても、請求項１に記載の発明
が確実に適用可能となる。

【００３８】図３は、請求項４に記載の発明に対応して
実施形態を示す図である。図において、図２に示すもの
と機能および構成が同じものについては、同じ符号を付
与して示し、ここではその説明を省略する。本実施形態
と請求項３に記載の発明に対応した実施形態との構成の
相違点は、スイッチ６１に代えて低域フィルタ７１が備
えられた点にある。

【００３９】なお、本実施形態と図１に示すブロック図
との対応関係については、低域フィルタ７１が濾波手段
４０に対応することを除いて、請求項１に記載の発明に
対応した実施形態と同様である。以下、本実施形態の動
作を説明する。差動増幅器４１の出力端の電位は基準信
号の周波数ｆ_r と分周比ｍとの設定値の何れか一方また
は双方の変更に応じて変化するが、低域フィルタ７１
は、このような電位の変動分の内、高域の成分（急峻な
変動分）を抑圧する。

【００４０】したがって、電圧制御発振器８３ａの他方
の制御入力に加算増幅器４２を介して与えられる制御電
圧の急峻な変化が抑圧されるので、その副位相ロックル
ープのループ利得や電圧制御発振器８３ａの第二の制御
入力に対する応答性が高い場合においても、請求項３に
記載の発明と同様にして請求項１に記載の発明の適用が
可能となる。

【００４１】なお、請求項３、４に記載の発明に対応し
た実施形態では、スイッチ６１や低域フィルタ７１が差
動増幅器４１の後段に配置されているが、このようなス
イッチ６１および低域フィルタ７１については、差動増
幅器４１の前段や加算増幅器４２の後段に配置されても
よい。

【００４２】また、上述した各実施形態では、加算増幅
器４２を介して印加されるシフト電圧に応じた電圧制御
発振器８３ａの動作については、何ら記述されていない
が、そのシフト電圧が加算増幅器４２を介してその電圧
制御発振器８３ａに与えられる点を除いて図４に点線で
示す従来例と同じであるから、ここではその説明を省略
する。

【００４３】さらに、上述した各実施形態では、位相ロ
ックループ、副位相ロックループの利得については、何
ら記述されていないが、本発明が適用されるべき機器の
性能や仕様に適応した値であれば、如何なる値に設定さ
れてもよい。また、上述した各実施形態では、電圧制御
発振器８３ａの構成については、何ら示されていない
が、２つの制御電圧の和（差）に適応した発振周波数が
確実にえられるならば、例えば、これらの制御電圧によ
って個別に駆動される可変容量ダイオードが搭載された
り、搭載された可変容量ダイオードの両端にこれらの制
御電圧が個別に印加される構成であってもよく、さら
に、発振周波数の可変を実現する回路の方式についても
如何なるものであってもよい。

【００４４】

【発明の効果】上述したように請求項１に記載の発明で
は、動作環境の変動に起因した発振周波数の急激な変動
分がその変動の態様に柔軟に適応して確度高く吸収され
る。また、請求項２に記載の発明では、発振周波数がほ
ぼ定常値に保たれているときには発振周波数の安定化が
はかられ、かつ正常な発振周波数の切り替えが行われる
ときにはその安定化に付随する発振周波数の収束の遅れ
が圧縮あるいは回避される。

【００４５】請求項３、４に記載の発明では、発振周波
数の正常な切り替えに応じて可変周波発振手段が与える
周波数変位が変動した場合に、発振周波数の更新に周波
数補正手段が関与することに起因して生じ得るロックア
ップタイムの増加が回避される。したがって、本発明が
適用された電子機器では、性能および信頼性が高められ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１〜４に記載の発明に対応した原理ブロ
ック図である。

【図２】請求項１〜３に記載の発明に対応した実施形態
を示す図である。

【図３】請求項４に記載の発明に対応した実施形態を示
す図である。

【図４】従来の周波数シンセサイザの構成例を示す図で
ある。

【図５】電圧制御発振器の特性の一例を示す図である。

【符号の説明】

可変周波発振手段 １１ 制御手段 １３ 周波数補正手段 １５ 濾波手段 ２１，４０ 切り替え判別手段 ２３ 無効化手段 ２５，３１ 差動増幅器 ４１ 加算増幅器 ４２ 低域フィルタ ５１，７１，８２ スイッチ ５２，６１ 位相比較器 ８１ 電圧制御発振器 ８３，８３ａ 可変分周器 ８４

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入力される２つの周波数の和に亘って発
   振周波数を可変し、その発振周波数の信号を生成する可
   変周波発振手段と、 間接周波数合成方式の下で前記発振周波数の基準となる
   基準周波数を与える基準信号と、前記可変周波発振手段
   によって生成された信号との位相差に適応した周波数を
   求め、その周波数を前記２つの周波数の一方として前記
   可変周波発振手段に与える制御手段と、 前記可変周波発振手段の動作環境の変動に起因して生じ
   る前記発振周波数の変位と、その変位の値の内、前記制
   御手段が前記間接周波数合成方式の下で抑圧できる上限
   の値以下の閾値との差分を求め、その差分を前記２つの
   周波数の他方としてその可変周波発振手段に与える周波
   数補正手段とを備えたことを特徴とする周波数シンセサ
   イザ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の周波数シンセサイザに
   おいて、 周波数補正手段と可変周波発振手段との段間に配置さ
   れ、２つの周波数の他方の変動分の内、急峻な成分を抑
   圧する濾波手段と、 前記２つの周波数の一方が制御手段の主導の下で変更さ
   れるか否かの判別を行う切り替え判別手段と、 前記切り替え判別手段によって行われた判別の結果が真
   であるときに、予め決められた期間に亘って前記濾波手
   段を無効化する無効化手段とを備えたことを特徴とする
   周波数シンセサイザ。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の周波数シンセサイザに
   おいて、 前記２つの周波数の一方が制御手段の主導の下で変更さ
   れるか否かの判別を行う切り替え判別手段と、 前記切り替え判別手段によって行われた判別の結果が真
   であるときに、予め決められた期間に亘って周波数補正
   手段を無効化する無効化手段とを備えたことを特徴とす
   る周波数シンセサイザ。
4. 【請求項４】 請求項１に記載の周波数シンセサイザに
   おいて、 周波数補正手段と可変周波発振手段との段間に配置さ
   れ、２つの周波数の他方の変動分の内、急峻な成分を抑
   圧する濾波手段を備えたことを特徴とする周波数シンセ
   サイザ。