DE10049531C2 - Taktgenerator - Google Patents

Abstract

Ein Taktgenerator mit einer PLL-Schaltung dient der Erzeugung einer sich periodisch über einen vorgegebenen Bereich ändernden Ausgangsfrequenz, wobei dieser Bereich eine gewünschte Grundtaktfrequenz enthält. Die PLL-Schaltung enthalt einen spannungsgesteuerten Oszillaltor (18), dessen Schwingungsfrequenz mittels einer analogen Steuerspannung auf die gewünschte Grundtaktfrequenz einstellbar ist. Diese Grundtaktfrequenz steht in einem festen Verhältnis zu einer der PLL-Schaltung zugeführten Referenzfrequenz. Der Taktgenerator enthält einen zweiten spannungsgesteuerten Oszillator (22), dessen Schwingungsfrequenz über einen vorgegebenen Bereich periodisch veränderlich ist. Der zweite Oszillator (22) ist so ausgebildet, daß seine Schwingungsfrequenz mittels eines digitalen, schrittweise veränderlichen Steuersignals über den vorgegebenen Bereich veränderbar ist. Durch die Veränderung der Ausgangsfrequenz des Taktgenerators kann eine Verbreiterung seines Ausgangsfrequenzspektrums erhalten werden, die zu einer Verringerung von Hochfrequenzstörungen durch das von Taktgenerator erzeugte Signal führt.

Description

Die Erfingung bezieht sich auf einen Taktgenerator mit einer PLL-Schaltung zur Erzeugung einer sich periodisch über einen vorgegebenen Bereich ändernden Ausgangsfrequenz, der eine gewünschte Grundtaktfrequenz enthält, wobei die PLL-Schal­ tung einen spannungsgesteuerten Oszillator enthält, dessen Schwingungsfrequenz mittels einer analogen Steuerspannung auf die gewünschte Grundtaktfrequenz einstellbar ist, die in einem festen Verhältnis zu einer der PLL-Schaltung zugeführ­ ten Referenzfrequenz steht, und mit einem zweiten spannungs­ gesteuerten Oszillator, dessen Schwingungsfrequenz über den vorgegebenen Bereich periodisch veränderlich ist.

Ein Taktgenerator dieser Art ist aus der EP 0 739 089 A2 bekannt. Bei diesem bekannten Taktgenerator wird den beiden spannungsgesteuerten Oszillatoren ein Steuersignal zuge­ führt, das sie auf eine Grundtaktfrequenz stellt, die in einem vorgegebenen Verhältnis zu der der PLL-Schaltung zuge­ führten Referenzfrequenz steht. Dem zweiten spannungsge­ steuerten Oszillator wird jedoch eine zusätzliche Steuer­ spannung zugeführt, die zur erstgenannten Steuerspannung addiert wird. Bei beiden Steuerspannungen handelt es sich um analoge Spannungswerte, die vor ihrer Zuführung zum zweiten spannungsgesteuerten Oszillator in einer analogen Addierschaltung addiert werden. Die zusätzlche Steuerspannung wird gemäß einem vorgegebenen, in einem Speicher abgespeicherten Profil verändert, wobei in dem Speicher enthaltene, das ge­ wünschte Änderungsprofil repräsentierende digitale Werte in einem Digital/Analog-Umsetzer in analoge Werte umgesetzt und dann der Addierschaltung zugeführt werden. Durch aufeinan­ derfolgendes Zuführen der in dem Speicher abgespeicherten digitalen Werte zu dem Digital/Analog-Umsetzer und zur Addierschaltung kann die Ausgangssfrequenz des zweiten spannungsgesteuerten Oszillators über einen gewünschten Be­ reich verändert werden, wobei dieser Bereich dann die mit Hilfe der beiden spannungsgesteuerten Oszillatoren zuge­ führten Steuerspannung eingestellte Grundtaktfrequenz ent­ hält.

Mit Hilfe eines solchen Taktgenerators soll eine Streuung des Spektrums der vom Taktgenerator erzeugten Ausgangs­ frequenzen erreicht werden, damit elektromagnetische Stö­ rungen reduziert werden, die mit hoher Frequenz arbeitende Taktgeneratoren erzeugen, deren Ausgangssignal fest auf eine Frequenz eingestellt ist. Durch die Veränderung der Taktfre­ quenz über einen vorgegebenen Bereich wird die von dem Takt­ generator abgestrahlte Energie über einen größeren Spektral­ bereich verteilt und somit an den einzelnen Frequenzlinien niedriger.

Bei dem bekannten Taktgenerator wird die Veränderung der Ausgangsfrequenz des zweiten spannungsgesteuerten Taktgene­ rators erreicht, indem seiner analogen Steuerspannung eine sich verändernde, ebenfalls analoge Steuerspannung durch Addition überlagert wird. Der Taktgenerator benötigt dazu einen Digital/Analog-Umsetzer und eine analoge Addier­ schaltung. Bei hohen Taktfrequenzen ist jedoch insbesondere der Schaltungsaufwand für eine analoge Addierschaltung sehr hoch, wenn berücksichtigt wird, daß die dabei verwendeten Spannungen im Bereich von Mikrovolt liegen. Ferner ist es bei dem bekannten Taktgenerator schwierig, die beiden spannungsgesteuerten Oszillatoren auf die gleiche Grundtaktfrequenz einzustellen, da dem zweiten Oszillator die von der PLL-Schaltung erzeugte Steuerspannung nicht direkt, sondern nur als Bestandteil der Ausgangsspannung der Addierschaltung zugeführt wird, so daß in der Addierschaltung auftretende Fehler auch zu einer fehlerhaften Einstellung der Grundtakt­ frequenz führen. Beim bekannten Taktgenerator gilt der ge­ wünschte Bereich der Taktfrequenzänderung, der durch die Veränderung der dem zweiten Oszillator über die Addier­ schaltung zugeführten Steuerspannung angestrebt wird, nur für eine bestimmte Grundtaktfrequenz. Bei einer Änderung der Grundtaktfrequenz bleibt der Änderungsbereich in absoluten Frequenzwerten unverändert, was bedeutet, daß die prozen­ tuale Abweichung bezüglich der Grundtaktfrequenz von Fre­ quenz zu Frequenz unterschiedlich ist. Dies ist aber uner­ wünscht, da sich dadurch die angestrebte optimale Verbrei­ terung des Spektrums zur Reduzierung der Störstrahlung nur bei einer ganz bestimmten Grundtaktfrequenz einstellt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Taktgene­ rator der eingangs angegebenen Art so auszugestalten, daß bei vereinfachtem Aufbau eine optimale Reduzierung der Stör­ strahlung unabhängig von der jeweils eingestellten Grund­ taktfrequenz erhalten wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der zweite Oszillator so ausgebildet ist, daß seine Schwingungsfrequenz mittels eines digitalen, schrittweise veränderlichen Steuersignals über den vorgegebenen Bereich veränderbar ist.

Beim erfindungsgemäßen Taktgenerator kann die Ausgangsfre­ quenz des zweiten spannungsgesteuerten Oszillators mit Hilfe des digitalen Steuersignals verändert werden, das ihm direkt zugeführt werden kann. Es ist also nicht erforderlich, dieses digitale Steuersignal über einen Digital/Analog-Um­ setzer in ein analoges Signal umzusetzen und dann zu dem analogen, von der PLL-Schaltung erzeugten Steuersignal zu addieren, um den zweiten Oszillator dann mit diesem Summensignal zu steuern.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Dabei ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß der zweite Oszillator aus 2n + 1 Negatorstufen besteht, die nach Art eines Ringoszillators miteinander in Kaskade geschaltet sind und das sie durchlaufende Signal jeweils um einen konstanten Wert verzögern, und daß das Sig­ nal in einer der Negatorstufen zusätzlich zu dem konstanten Verzögerungswert mittels des digitalen Steuersignals um ver­ änderliche Werte verzögerbar ist.

In einer besonderen Ausgestaltung ist vorgesehen, daß jede Negatorstufe einen n-Kanal-MOSFET und einen dazu in Serie geschalteten p-Kanal-MOSFET enthält, deren Gate-Anschlüsse miteinander verbunden sind, daß mit jeder Serienschaltung der beiden MOSFETs ein weiterer p-Kanal-MOSFET in Serie ge­ schaltet ist, an dessen Gate-Anschluß die analoge Steuer­ spannung zur Steuerung des durch die Serienschaltung fließenden Stroms angelegt ist, und daß in der einen Nega­ torstufe parallel zu dem weiteren p-Kanal-MOSFET zusätzliche p-Kanal-MOSFETs parallelgeschaltet sind, deren Gate-An­ schlüsse digitale Signale zur Veränderung des durch die Serienschaltung in dieser Negatorstufe fließenden Stroms anlegbar sind.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der auf die beige­ fügte Zeichnung Bezug genommen wird. In der Zeichnung zei­ gen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Taktgene­ rators,

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Aufbaus des zwei­ ten spannungsgesteuerten Oszillators und

Fig. 3 ein Schaltbild des Oszillators von Fig. 2.

Der in Fig. 1 dargestellte Taktgenerator 10 enthält eine herkömmliche PLL-Schaltung mit einem Frequenzteiler 12, einem Phasendetektor 14, einem Tiefpaßfilter 16, einem spannungsgesteuerten Oszillator 18 und einem weiteren Fre­ quenzteiler 20. Wie Fig. 1 zeigt, wird dem ersten Frequenz­ teiler 12 eine Referenzfrequenz f_r zugeführt, der diese Fre­ quenz durch den angegebenen Faktor M teilt. Der Phasende­ tektor 14 vergleicht die Phase des Ausgangssignals des Fre­ quenzteilers 12 mit der Phase des Ausgangssignals des Fre­ quenzteilers 20, der die Frequenz des Ausgangssignals des Oszillators 18 durch den Faktor N teilt. Das Ausgangssignal des Phasendetektors, das der Phasenabweichung der ver­ glichenen Signale proportional ist, wird durch das Tiefpaß­ filter 16 geschickt, dessen Ausgangssignal eine analoge Steuerspannung für den Oszillator 18 darstellt. Die Wirkung dieser PLL-Schaltung besteht darin, daß die Ausgangsfrequenz des Oszillators 18 auf einen Wert geregelt wird, der dem Produkt aus der Referenzfrequenz f_r und dem Verhältnis der Teilerfaktoren N/M entspricht.

Die Ausgangsspannung des Tiefpaßfilters 16, die die analoge Steuerspannung für den Oszillator 18 darstellt, steuert auch einen zweiten spannungsgesteuerten Oszillator 22 in der gleichen Weise wie den Oszillator 18. Die beiden Oszilla­ toren 18 und 20 haben den gleichen prinzipiellen Aufbau. Sie können beide mit Hilfe der analogen Steuerspannung auf eine Grundtaktfrequenz eingestellt werden, wobei jedoch der Oszillator 22 zusätzliche Bauelemente enthält, mit deren Hilfe seine Frequenz durch digitale Steuersignale verändert werden kann.

Aufgrund der besonderen Ausgestaltung des spannungsge­ steuerten Oszillators 22, die im Zusammenhang mit den Fig. 2 und 3 noch erläutert wird, kann die Schwingungs­ frequenz dieses Oszillators durch direktes Anlegen digitaler Signale aus einem Festspeicher 24 verändert werden. Das An­ legen der digitalen Steuersignale wird mit Hilfe einer Steuereinheit 26 gesteuert. Die Steuereinheit 26 sorgt dafür, daß die im Festspeicher 24 gespeicherten digitalen Signale nacheinander in einer sich periodisch wiederholenden Reihenfolge an den Oszillator 22 angelegt werden, so daß sich dessen Ausgangsfrequenz ebenfalls periodisch über einen Bereich ändert, der die mit Hilfe der Steuerspannung aus dem Tiefpaßfilter 16 eingestellte Grundtaktfrequenz enthält.

Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Oszillators 22. Wie zu erkennen ist, besteht dieser Oszillator aus fünf nach Art eines Ringoszillators in Kaskade geschalteten Negator­ stufen 22.1, 22.2, 22.3, 22.4 und 22.5. In der Kaskanden­ schaltung ist der Ausgang einer Negatorschaltung mit dem Eingang der nächstfolgenden Negatorschaltung verbunden, wäh­ rend der Ausgang der letzten Negatorschaltung 22.5 zur Bildung eines Rings mit dem Eingang der ersten Negator­ schaltung 22.1 verbunden ist. Die in der PLL-Schaltung er­ zeugte analoge Steuerspannung wird dem Eingang 28 des Oszillators 22 zugeführt. Die Negatorschaltung 22.3 kann über zusätzliche Steuersignale aus dem Festspeicher 24, der durch die Steuereinheit 26 gesteuert wird, beeinflußt werden. Der wesentliche Parameter, der die Schwingungs­ frequenz des Oszillators 22 bestimmt, ist die Laufzeitver­ zögerung, die die Signale beim Durchlaufen der einzelnen Negatorschaltungen erfährt. In den Negatorschaltungen 22.1, 22.2, 22.4 und 22.5 wird die Laufzeitverzögerung durch die dem Eingang 28 zugeführte analoge Steuerspannung fest einge­ stellt, wobei auch in der Negatorschaltung 22.3 durch diese analoge Steuerspannung eine Grundeinstellung der Laufzeit­ verzögerung vorgenommen wird. Die aus dem Festspeicher 24 an die Negatorschaltung 22.3 angelegten digitalen Steuersignale beeinflussen die Laufzeitverzögerung, so daß dadurch die Schwingungsfrequenz des Oszillators 22 verändert werden kann.

Fig. 3 zeigt den Schaltungsaufbau des Oszillators 22 in seinen Einzelheiten. Es ist zu erkennen, daß die Negator­ stufen 22.1, 22.2, 22.4 und 22.5 jeweils gleich aufgebaut sind, während die Negatorstufe 22.3 zusätzliche Schaltungs­ elemente enthält, an die die Steuersignale aus dem Festspei­ cher 24 angelegt werden können. Der grundsätzliche Aufbau jeder Negatorschaltung wird anhand der Negatorschaltung 22.1 erläutert. Diese Negatorschaltung enthält einen n-Kanal- MOSFET N1, einen damit in Serie geschalteten p-Kanal-MOSFET sowie einen weiteren p-Kanal-MOSFET P2. Die Gate-Anschlüsse der zwei in Serie geschalteten MOSFETs N1 und P1 sind ebenso wie deren Drain-Anschlüsse miteinander verbunden. Die Source-Drain-Strecke des MOSFET P2 liegt zwischen einer Ver­ sorgungsspannungsleitung 30 und dem Source-Anschluß des MOS- FET P1. Der Gate-Anschluß des MOSFET P2 ist mit dem Eingang 28 verbunden, an den die analoge Steuerspannung aus der PLL- Schaltung angelegt werden kann. Der MOSFET P2 wirkt in der Negatorschaltung als Stromquelle, wobei die analoge Steuer­ spannung an seinem Gate-Anschluß den durch ihn fließenden Strom bestimmt. Durch Einstellen dieses Stroms kann die Laufzeitverzögerung der Negatorschaltungen festgelegt werden, die maßgeblich für die Schwingungsfrequenz des aus der Kaskadenschaltung der Negatorschaltungen gebildeten Os­ zillators ist. Die Kaskadenschaltung entsteht dadurch, daß die verbundenen Drain-Anschlüsse der Negatorschaltungen mit den verbundenen Gate-Anschlüssen der nächstfolgenden Nega­ torschaltung verbunden sind, während die verbundenen Drain- Anschlüsse der letzten Negatorschaltung 22.5 zum Schließen des Rings mit den verbundenen Gate-Anschlüssen der ersten Negatorschaltung 22.1 verbunden sind. Die Source-Anschlüsse aller n-Kanal-MOSFETs liegen an Masse, während die Source- Anschlüsse aller als Stromquellen wirkenden p-Kanal-MOSFETs mit der Versorgungsspannungsleitung 30 verbunden sind.

In der Negatorschaltung 22.3 liegen parallel zu dem als Stromquelle P2.3 wirkenden p-Kanal-MOSFETs weitere p-Kanal- MOSFETs P_S0, P_S1 . . P_Sn. Durch Anlegen digitaler Steuer­ signale an die Eingänge S0, S1 . . Sn und die damit verbundenen Gate-Anschlüsse der MOSFETs P_S0, P_S1 . . P_Sn können diese eben­ falls als Stromquelle wirkenden Transistoren ein- bzw. aus­ geschaltet werden. Je nachdem, wieviele der zusätzlichen Transistoren eingeschaltet sind, wird die Laufzeitver­ zögerung der Negatorschaltung 22.3 schneller oder langsamer, so daß dadurch die Schwingungsfrequenz des Oszillators 22 beeinflußt werden kann. Wenn beispielsweise durch die Steuersignale ein Transistor nach dem anderen eingeschaltet wird, dann wird die Schwingungsfrequenz des Oszillators 22 schrittweise, ausgehend von der durch die Steuerspannung am Eingang 28 festgelegten Grundtaktfrequenz schrittweise höher.

Die Steuersignale werden den Eingängen S0, S1 . . Sn unter der Steuerung durch die Steuereinheit 26 aus dem Festspeicher 24 zugeführt. Mit Hilfe der im Festspeicher 24 abgespeicherten Datenwerte kann somit festgelegt werden, wie sich die Schwingungsfrequenz des Oszillators 22 mit dem Anlegen einer Gruppe aus n-Bits bestehenden Steuersignalen an die Eingänge S0 bis Sn verändert. Durch periodisches Anlegen der im Fest­ speicher 24 abgespeicherten Steuersignalgruppen kann eine periodische Veränderung der Schwingungsfrequenz des Os­ zillators 22 erreicht werden.

Es ist zu erkennen, daß es mit Hilfe der Steuersignalgruppen auf sehr einfache Weise möglich ist, das Modulationsprofil der Schwingungsfrequenz des Oszillators 22 zu beeinflussen. Je nach den im Festspeicher 24 abgespeicherten Datenwerten der einzelnen Steuersignalgruppen können solche Änderungen der Schwingungsfrequenz erreicht werden, daß ein gewünschtes Modulationsprofil der gewünschten Taktfrequenz erreicht wird. Auf diese Weise kann die Energieverteilung im Spektrum des erzeugten Ausgangssignals des Taktgenerators erhalten werden, mit der möglichst geringe Hochfrequenzstörungen her­ vorgerufen werden.

Ein besonderer Vorteil eines mit einem Oszillator in der Ausführung von Fig. 3 ausgestatteten Taktgenerators besteht darin, daß bei jeder erzeugbaren Grundtaktfrequenz mit Hilfe der digitalen Steuersignale die gleiche, auf diese Grund­ taktfrequenz bezogenene prozentuale Frequenzänderung zur Verbreiterung des Spektrums erzielt werden kann. Damit wird bei den verschiedenen erzeugbaren Grundtaktfrequenzen stets die gleiche optimale Verbreiterung des Frequenzspektrums und damit die gleiche Reduzierung der erzeugten Hochfrequenz­ störungen erhalten.

Bei gleichem Aufbau der beiden Oszillatoren 18 und 22 kann sichergestellt werden, daß beide Oszillatoren mit der glei­ chen Grundtaktfrequenz schwingen, die mit Hilfe der in der PLL-Schaltung erzeugten Steuerspannung eingestellt wird. Diese Steuerspannung gelangt direkt an die beiden Oszilla­ toren, ohne daß sie durch weitere Schaltungseinheiten beein­ flußt wird. Die Beeinflussung der Schwingungsfrequenz des Oszillators 22 mit Hilfe der digitalen Signale hat keine Auswirkung auf die durch die Steuerspannung am Eingang 28 eingestellte Grundtaktfrequenz, so daß gewährleistet ist, daß die gewünschte Grundtaktfrequenz mit Sicherheit in dem durch die digitalen Steuersignale verursachten Änderungsbe­ reich enthalten ist.

Claims (3)

1. Taktgenerator mit einer PLL-Schaltung zur Erzeugung einer sich periodisch über einen vorgegebenen Bereich ändernden Ausgangsfrequenz, der eine gewünschte Grundtaktfrequenz ent­ hält, wobei die PLL-Schaltung einen spannungsgesteuerten Oszillator enthält, dessen Schwingungsfrequenz mittels einer analogen Steuerspannung auf die gewünschte Grundtaktfrequenz einstellbar ist, die in einem festen Verhältnis zu einer der PLL-Schaltung zugeführten Referenzfrequenz steht, und mit einem zweiten spannungsgesteuerten Oszillator, dessen Schwingungsfrequenz über den vorgegebenen Bereich periodisch veränderlich ist, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Oszillator so ausgebildet ist, daß seine Schwingungsfrequenz mittels eines digitalen, schrittweise veränderlichen Steuer­ signals über den vorgegebenen Bereich veränderbar ist.

2. Taktgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Oszillator aus 2n + 1 Negatorstufen besteht, die nach Art eines Ringoszillators miteinander in Kaskade geschaltet sind und das sie durchlaufende Signal jeweils um einen konstanten Wert verzögern, und daß das Signal in einer der Negatorstufen zusätzlich zu dem konstanten Verzögerungs­ wert mittels des digitalen Steuersignals um veränderliche Werte verzögerbar ist.

3. Taktgenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Negatorstufe einen n-Kanal-MOSFET und einen dazu in Serie geschalteten p-Kanal-MOSFET enthält, deren Gate-An­ schlüsse miteinander verbunden sind, daß mit jeder Serien­ schaltung der beiden MOSFETs ein weiterer p-Kanal-MOSFET in Serie geschaltet ist, an dessen Gate-Anschluß die analoge Steuerspannung zur Steuerung des durch die Serienschaltung fließenden Stroms angelegt ist, und daß in der einen Nega­ torstufe parallel zu dem weiteren p-Kanal-MOSFET zusätzliche p-Kanal-MOSFETs parallelgeschaltet sind, deren Gate- Anschlüsse digitale Signale zur Veränderung des durch die Serienschaltung in dieser Negatorstufe fließenden Stroms anlegbar sind.