NL8100013A - Fasevergrendelingsstelsel. - Google Patents

Description

-1- * 81301T/AA/t1

Kbrte aanduiding: Fas evergrendelings st els el

De uitvinding heeft "betrekking op een fasevergrendelingsstelsel en in het "bijzonder op een inrichting voor het detecteren van fasefouten en het opwekken van een correctiesparming daarvoor.

Er "bestaat een zeer grote "behoefte aan ketens die in nauwkeurige 5 tijdrelatie met een eerste signaal een tweede signaal kunnen leveren. Het is bekend hiervoor fasevergrendelingslussen te gebruiken. Ih een fasever-grendelingslus worden twee signalen naar een fasedetector gevoerd, waarvan het uitgangssignaal een functie is van het faseverschil tussen de twee toegevoerde signalen. Deze verschilspanning wordt via een laagdoorlaatketen 10 zodanig toegevoerd naar de stuuringang van een spanningsgestuurde oscillator dat de fase van het oseillatorsignaal de fase van het ingangssignaal moet volgen. In de meeste fasevergrendelingslussen van de tweede orde moet een verschilversterker tussen de fasedetector en de spanningsgestuurde oscillator opgencmen worden.

15 Meer gedetailleerde informatie met betrekking tot fasevergrende- lingslusketens wordt gegeven in "Frequency Synthesis" hoofdstuk 6 door V.F. Kroupa, 1973s Charles Griffin & Company Limited.

Volgens de uitvinding wordt het uitgangssignaal van de spannings-gestuurde oscillator nauwkeurig in fase vergrendeld met een referentiepuls. 20 De volgens de uitvinding toegepaste fasedetector onttrekt slechts strocan tijdens de duur van een vrijgeefpuls, waardoor de kans dat ruis naar de stuuringang van de spanningsgestuurde oscillator overgebracht wordt kleiner is. De uitvoering van de fasedetector is zodanig, dat geen verschil-signaalversterker nodig is, waardoor een andere mogelijke ruisbron uitge-25 sloten wordt. Verder wordt het tijdstip waarop de fasedetectie plaatsvindt nauwkeurig verkregen door middel van een strocmspiegel. De strocmspiegel-keten wordt toegepast cm strocm naar en van het lusfilter te voeren.

De uitvinding verschaft een fasevergrendelingslusketen waarin tussen de fasedetector en het lusfilter geen versterker benodigd is, 30 en voorts een fasedetector voor een fasevergrendelingslus, waarvan het verschiluitgangssignaal niet versterkt behoeft te worden.

De uitvinding beoogt verder een fasedetector te verschaffen waarin het detectiepunt nauwkeurig vastgesteld wordt.

8100013 -+ -2-

De uitvinding beoogt bovendien een fasedetector te verschaffen waarin het detectiepunt eenvoudig gewijzigd kan worden.

De keten volgens de uitvinding wordt daartoe gekenmerkt door gestuurde signaalgeneratormiddelen voor het opwekken van het tweede signaal, 5 vrijgeefpulsgeneratormiddelen voor het opwekken van een vrijgeefpuls middelen voor het vergelijken van het eerste signaal met het tweede signaal en voor het besturen, van de gestuurde generatormiddelen in responsie op de vergelijking ter handhaving van het tweede signaal in nauwkeurige tijdrelatie met het eerste signaal, waarbij de vergelijkingsmiddelen ge-10 activeerd worden door een vrijgeef puls afkomstig van de vrijgeefpttlsgene-ratormiddelen.

De uitvinding wordt toegelicht aan de hand van de tekening.

Fig. 1 toont een blokdiagram van een bekende fasevergrendelings- keten; 15 fig. 2 toont in gecombineerde blok- en schaaavorm een stelsel vol gens de uitvinding; fig. 3 toont enkele signaalgolfvomen ter toelichting van de werking der keten volgens fig. 2.

Hoewel de werking van fasevergrendelingslussen voor deskundigen in 20 hoofdzaak bekend zal zijn, zal de uitvinding beter begrepen worden middels een toelichting aan de hand van fig. 1 waarin een blokdiagram van een bekend stelsel getoond is.

Volgensfig. 1 levert een referentie-oscillator 100 een signaal met frequentie f ^. Het is gewenst een tweede signaal f g in nauwkeurige tijd-25 relatie met het eerste signaal te verkrijgen. Het signaal met de frequentie fg wordt geleverd door generatormiddelen of een oscillator 500 voor een signaal met gestuurde frequentie, waarbij een dergelijke oscillator een stuuringang 510 heeft met hoge impedantie. De oscillator 500 kan een kristaloscillator zijn die spanningsgestuurd is.

30 Het uitgangssignaal van de oscillator 500 wordt naar middelen ge voerd voor het vergelijken van de fase van het eerste signaal met de frequentie f^ met het tweede signaal met frequentie fg. Deze middelen kunnen gevormd worden door een fasedetector 200. Als de signalen met de frequenties f^ en fg de gewenste faserelatie hebben levert de fasedetector 200 35 geen verschilsignaal. Zouden echter de twee signalen een andere dan de gewenste tijdrelatie hebben dan levert de fasedetector 200 een stuurspanning naar de stuuringang 510 van de oscillator 500 ter verandering van de fre 8100013 * 'Λ -3- quentie f^ in een richting waarbij de nauwkeurige faserelatie tussen de twee voornoemde signalen gehandhaafd wordt.

Het lusfilter 300 en de versterker. lfOO zijn opgencmen in de signaal-weg voor genoemde stuursparming. De overdrachtsfunctie van het lusfilter 5 300 is van grote invloed op de stabiliteit van de lus. Het lusfilter 300 heeft als taak snelle veranderingen in het faseverschil ten gevolge van ruis in het signaal met de frequentie f ^ te verzwakken; het is eveneens nuttig voor het aflakken van de hoog frequentie componenten van het uitgangssignaal van de fasedetector. De versterker 1+00 is opgencmen tussen de 10 fasedetector en de stuur ingang 510 van de oscillator 500 ter verkrijging van de verlangde lusversterking. Als alternatief kunnen de passieve componenten van het lusfilter 300 toegepast worden in een terugkoppelnetwerk van een versterker met hoge versterkingsfactor ter verkrijging van een actief filter (niet getoond). Door het toepassen van een lusfilter wordt een 15 fasevergrendelingslus verkregen die bekend staat als lus van de tweede orde.

Fig. 2 toont een voorkeursuitvoeringsvorm, van het stelsel volgens de uitvinding, terwijl fig. 3 typische golf vormen toont die optreden in de keten van fig. 2. De pulsgenerator 100 levert bij voorkeur rechthoekige pulsen zoals die van de golf vorm A in fig. 3. De generator 100, die een 20 generator met bekende opbouw kan zijn, levert .de rechthoekige pulsen met frequentie f^.

De vrijgeefpulsgenerator 600 levert pulsen die gelijken op die als getoond in de golfvorm B van fig. 3. Zowel de referentiepulsen als de vrijgeef pulsen worden naar de fasedetector 200’. gevoerd.

25 De fasedetector 200’ omvat D-type flip-flop 205. en 210,. schakeltran- sistors 220, 230 en 2^+0, een constante stroombron 215 en een ankerende strocmversterker TOO. De flip-flops 205 en 210 zijn bekende componenten, die worden getriggerd op negatieve flanken van een triggersignaal. De re-ferentiepuls wordt naar de zetingang van de flip-flop 205 gevoerd, terwijl 30 de vrijgeefpuls naar de D ingang van zowel de flip-flop 205 als van de flip-flop 210 wordt gevoerd. De Q uitgang van de flip-flop 205 en de Q uitgang van de flip-flop 210 worden niet gebruikt, terwijl de Q uitgang van de flip-flop 205 verbonden is met de basis van de transistor 230 en de Q uitgang van de flip-flop 210 verbonden is met de basis van de transis-35 tor 220.

De emitters van de transistors 220, 230 en 2l+0 zijn gezamenlijk verbonden met een klem van een bekende stroombron 215· De andere klem van de 8 1 00 0 1 3 -u- stroombron 215' is met aarde verbonden. Be collector van de transistor 220 is eveneens met aarde verbonden. De collector van de transistor 230 is verbonden'met de ingang van de stroamversterker 700' en de collector van de transistor 2^0' is verbonden met de uitgang van de strocmversterker 700.

5 De basis van de transistor 21+0 is verbonden met een geschikte instelspan-ningsbron 225·

De stroanversterker 700 omvat de PNP transistors 250 en 260, de weerstanden 235s 255 en 265. Van de transistors 250 en 260 zijn de emitr ters via de weerstanden 255 resp. 265 verbonden met een spanningsbron, die 10 duidelijkheidshalve slechts is aangegeven, met de positieve bron 2l+5- De basis van de transistor 250 is via .de weerstand 235 verbonden met haar collector en is aldus op bekende wijze werkza'am als diode. De als diode geschakelde transistor 250 levert daardoor.de instelspanning voor een stroam-brcntransistor 2Ö0, waartoe de collector van de transistor 250 eveneens 15 direct verbonden is met de basis van de transistor 260. De hierboven toegelichte keten is geheel beschreven' in het Amerikaanse octrooischrift 3.939.^1+.. . .

Het uitgangssignaal van de fasedetector 200 wordt af genamen van het knooppunt van de collector van de transistor. 2βθ en de collector van de 20 transistor 2b0. Dit verschilsignaal wordt naar een bekend lusfilter 300 gevoerd welke filter op de hiervoor beschreven wijze werkzaam is. Het gefilterde verschilsignaal wordt dan. naar de stuuringang 510 van een spannings-gestuurde oscillator 500'gevoerd. De stuuringang 510 is bij voorkeur verbonden met een aansluiting van een diode met variabele capaciteit voor het 25 wijzigen van de frequentie van de oscillator 500. Het uitgangssignaal van de spanning sg es tuur de oscillator 500' is het gewenste signaal met de frequentie fg · Benevens het gebruik daarvan als uitgangssignaal, wordt het signaal met de frequentie f g eveneens teruggekoppeld naar. de fasedetector 200'. Hetwordt in het bijzonder gevoerd naar de klokingang CK van.zowel de flip-30 flop 205 als van de flip-flop 210.

Met hiervoor beschreven keten wordt in hoofdzaak hetzelfde beoogd als met de bekende keten volgens fig. 1. Een tweede signaal met frequentie fg wordt in nauwkeurige tijdrelatie met een eerste signaal met frequentie f1 geleverd. Volgens de uitvinding wordt echter een afwijkende fase-35 detector 200' toegepast waarvan de werking hieronder uiteengezet wordt.

De fasedetector wordt geactiveerd bij de ontvangst van. een negatief-gaande vrijgeefpuls op de D ingang van de flip-flop 210. Daardoor zal de 8 1 000 1 3 -5- Q uitgang van de flip-flop 210 negatief -worden "bij de ontvangst van de volgende klokpuls op haar klokingang CE. De vrijgeefpuls wordt eveneens naar de D ingang van de flop-flöp 205 gevoerd. Omdat de flip-flop 205 dezelfde klokpulsen als van de flip-flop 210 ontvangt.zal in het geval dat 5 de Q uitgang van de flip-flop 210. laag wordt, de Q uitgang van de flipflop 205 hoog worden waardoor een positieve spanning aan de "basis van de transistor 230 gelegd wordt. De transistor 230 wordt daarmee in geleiding gebracht, waardoor een stroom i^ door de transistor 230 vloeit. Door middel van de stroomspiegelwerking wordt in de collector van de transistor 260 10 een stroom, mi^ opgewekt. De aanduiding m stelt de versterkingsfactor voor van de stroomspiegelversterker 700 en is gelijk aan de verhouding van de waarde van de eerstand 255 tot de waarde van de .weerstand 265. Door deze stroom wordt een lading opgebouwd, over het lusfilter 300. De lading neemt over het filter 300 toe totdat de positief-gaande flank van de referentie-15 puls optreedt. Het tijdsverloop tussen het begin van de vrijgeefpuls en het begin van de refer ent iepuls is in fig. 3 aangegeven met a. De over het lusfilter ontwikkelde lading bedraagt dan: Q1 = mi .ja- (1)

Als een positief-gaande referent iepuls de ZET ingang van de flip-20 flop 205 bereikt wordt haar Q uitgang naar de volgende klokpuls laag.

De toestand van de flip-flop 210. blijft ongewijzigd. De negatieve spanning aan de basis van de transistor 230' doet .de strocmdoorgang ophouden. De lading over het lusfilter 300 doet echter een stroom vloeien over de collec-toraaitterweg van de transistor 2^0 tot aan het einde van.de vrijgeefpuls.

25 In fig. 3 is de duur van de vrijgeefpuls aangegeven met b. De uit het lusfilter 300 opgenomen lading bedraagt daarom: Q2 = i1 (b-a) (2)

De nettolading in het lusfilter bedraagt dus

Qy * ad^a - Ij (b-a) (3) 30 De over het lusfilter ontwikkelde spanning stuurt de frequentie van de oscillator 500. In de blijvende toestand, Q=0 geldt daarom: mi^a = i^ (b-a) (if·) en 35 f = fm+1) (5)

Het punt a/b is dus met uitzondering van m, welke de versterkingsf actor van de ankerende versterker 700 is, onafhankelijk van alle parameters van de 8100013 -6-

it- V

keten. Hieruit volgt dat het detectiepunt gewijzigd kan worden door variatie van m. In de uitvoeringsvorm volgens fig. 2 geldt m-1 s omdat de waarde van. de weerstand. 255 gelijk gekozen werd aan de waarde van de weerstand 265, en geldt a/b=1 /2.. Dientengevolge wordt het . signaal met fre-5 quentie f^ vergrendeld op het midden van. de vrijgeef puls, dat samenvalt met de positief-gaande flank van de referentiepuls.

Als de positief-gaande flank van de vrijgeef puls de D ingangen van de flip-flops 205 en 210 "bereikt zullen hun uitgangen, van toestand veranderen na de ontvangst van de volgende klokpuls. De Q uitgang van de flip-10 flop 210' zal hoog worden en de Q uitgang, van de. flip-flop 205 zal laag, worden. De hoge spanning aan de basis van. de transistor 220 zal dan de fasedetector 200 blokkeren. -De lading over het lusfilter.300 zal de spanning van de stuuringang 510. behouden. Bij de ontvangst van de volgende vrijgeefpuls wordt de hierboven uiteengezette.werking herhaald.

15 Samenvattend: het uitgangssignaal van.de spanningsgestuurde oscil lator 500 wordt dankzij het.feit dat. het klokingangssignaal voor de flipflops 205 en 210' iss nauwkeurig in fase vergrendeld met een referentiepuls. De fasedetector wordt alleen vrijgegeven en neemt alleen stroom op tijdens de duur van de vrijgeefpttls, -waardoor er slechts een geringe kans 20 bestaat dat ruis naar de stuuringang. 510 van de oscillator 500. overgebracht . wordt. Verder wordt het tijdstip waarbij de fasedetectie optreedt nauwkeurig vastgesteld met behulp van een stroamspiegelketen; deze wordt gebruikt om stroom naar en van het lusfilter van het stelsel te voeren.

8 1 0 0 0 1 3

Claims (6)

1. Stelsel ter verkrijging van een tweede signaal met een tweede frequentie in nauwkeurige tijdrelatie met een eerste signaal met een eerste frequentie gekenmerkt door gestuurde signaalg ener at oimiddelèn voor het opwekken van het tweede signaal, 5 vrijgeefpulsgeneratormiddelen voor het opwekken van een vrijgeef puls, middelen voor het vergelijken van het eerste signaal met het tweede signaal en voor het "besturen van de gestuurde generatormiddelen in. responsie op de •vergelijking ter handhaving van het tweede signaal in nauwkeurige tijdre-latie met het eerste signaal, waarbij de vergelijkingsmiddelen geactiveerd 10 worden door een vrijgeef puls afkanstig van de -vrijgeefpulsgeneratonaidde-len.

2. Stelsel volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de vergelijkingsmiddelen "bestaan uit een eerste flip-flopketen met een klokingang die verhouden, is met de uit-15 gang van de gestuurde signaal generatormiddelen, een D ingang die verbonden is met de uitgang van de vrijgeef pulsgenerator, een ZET ingang die het eerste signaal ontvangt, en eeii Q uitgang, een tweede flip-flopketen met een klokingang die verbonden is met de uitgang van de gestuurde signaalgeneratormiddelen, een D ingang die verbonden 20 is met de uitgang van de vrijgeef pulsgenerator, en een Q uitgang, stroamversterkermiddelen ter verkrijging van een schakeibare verschilstroam, en schakelmiddelen voor het schakelen, van de verschilstrocm. naar de gestuurde signaalgenerator en die verbonden zijiinet de Q en Q uitgangen.

3. Stelsel vógens conclusie 1, gekenmerkt door een lusfilter dat is opgencmen tussen de vergelijkingsmiddelen en de. gestuurde signaalgenerator-middelen. Stelsel volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de gestuurde signaalg eneratormiddelen een spanningsgestuurde oscillator met hoge ingangs-30 impedantie cmvatten.

5· Fasedetectorstelsel voor het vergelijken van de fase van een eerste signaal met een eerste frequentie m et die een tweede signaal met een tweede frequentie gekenmerkt door vrijgeefpulsgeneratormiddelen voor het opwekken van een vrijgeefpuls, 35 een eerste flip-flopketen met een klokingang waarnaar het tweede signaal 8 1 00 0 1 3 -8- -»> V gevoerd wordt, een D ingang waarnaar het uitgangssignaal van de vrijgeef-pulsgenerator gevoerd wordt,, een ZET ingang waarnaar het eerste signaal gevoerd wordt,, en eeii Q uitgang, een tweede flip-f lopketen met een' klokingang waarnaar het tweede signaal 5 gevoerd wordt, een D ingang waarnaar het uitgangssignaal.van de vrijgeef-pulsgenerator gevoerd wordt en.een Q uitgang, stroamverSterkingsmiddelen ter verkrijging van een.schakelbare verschil-stroon., en schakelmiddelen die reageren op de Q en Q uitgangssignalen voor het scha-10 kelen van de verschilstrocm.

6. Stelsel volgens conclusie 1 of 5, met het kenmerk, dat de stroom-versterkingsmiddelen een strocmspiegelketen omvatten.

7. Stelsel, volgens conclusie 2 of 5, met het kenmerk, dat de schakel-middelen bestaan uit.een eerste schakeltransistor waarvan.de basiselektrode 15 is verbonden met de Q uitgang, een tweede schakeltransistor waarvan de basiselektrode verbonden is met de Q uitgang en een derde schakeltransistor waarvan de instelelektrode met een instelspanningsbron verbonden is. 8100013