DE2422979A1

DE2422979A1 - Digitaler phasen- und frequenzkomparator

Info

Publication number: DE2422979A1
Application number: DE2422979A
Authority: DE
Inventors: Jean Jacques Thiebaut
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1973-05-14
Filing date: 1974-05-13
Publication date: 1974-12-05
Also published as: US3947775A; CA1007715A; JPS5017684A; GB1461459A; IT1011289B; NL7406100A

Description

Digitaler Phasen-und Frequenzkoraparator

Die Erfindung betrifft einen digitalen Phasen-und Frequenzkomparator, der insbesondere zur Verwendung als Fehlerdetektorglied in einer Phasenregelanordnung für zwei Signale bestimmt ist.

Aus der US-PS 3 501 701 ist ein digitaler Frequenzkomparator bekannt, der an einem Ausgang ein binäres Signal liefert, das ein Kennzeichen für das Vorzeichen der Frequenzabweichung zwischen den beiden verglichenen Signalen ist, jedoch ist es mit dieser Anordnung nicht möglich, eine Phasenregelung durchzuführen.

Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines digitalen Komparators von einfachem Aufbau, der an zwei Ausgängen ein binäres Phasenabweichungssignal und ein binäres Frequenzabweichungssignal liefert, wobei das zuletzt genannte Signal für sich allein die Durchführung einer Frequenz- und Phasenregelung mit einem sehr geringen Restfehler ermöglicht, der von den Parametern der Regelschaltung abhängt.

Lei/Ba

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Nach der Erfindung ist ein digitaler Phasen- und Frequenzkomparator, der ein Bezugssignal und ein zweites Signal empfängt, und ein binäres Frequenzabweichungssignal liefert, dessen Wert das Vorzeichen der Differenz der Frequenzen der beiden empfangenen Signale anzeigt, gekennzeichnet durch eine Phasenvergleichsschaltung für den Vergleich der Phasen der beiden empfangenen Signale, die das Vorzeichen der gegenseitigen Phasenverschiebung für eine vorbestimmte Phase <Pq jeder Periode des zweiten Signals feststellt und ein binäres Phasenabweichungssignal liefert, und durch eine zweite Schaltung, die von den Änderungen des Werts des Phasenabweichungssignals diejenigen feststellt, die bei einer Phase des Bezugssignals entstehen, die in einem vorbestimmten, den Wert 0 oder π einschliessenden Teil jeder Periode des Bezugssignals enthalten ist, und deren Ausgangssignal das binäre Frequenzabweichungssignal darstellt.

Die >Erfindung wird an Hand der Zeichnung beispielshalber beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig.1 das Übersichtsschema eines Phasen- und Frequenzkomparators nach der Erfindung,

Fig.2 das Schema einer Phasenregelanordnung mit einem Komparator nach der Erfindung und

Fig.3 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der Regelanordnung von Fig.2.

Der in Fig.1 dargestellte Phasen- und Frequenzkomparator hat zwei Eingänge 1 und 2, von denen der eine Eingang ein sinusförmiges Bezugssignal der Frequenz f empfängt, während der andere Eingang ein Hilfssignal empfängt, das mit dem Bezugssignal verglichen werden soll. Die Anordnung hat ferner einen Ausgang 3, der ein binäres Signal liefern soll,

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dessen beide Zustände anzeigen, ob die Frequenz des Hilfssignals größer oder kleiner als die Frequenz des Bezugssignals ist, sowie einen Ausgang 4, der ein binäres Signal liefern soll, dessen beide Zustände anzeigen, ob das Hilfssignal eine Phasenvoreilung oder eine Phasennacheilung gegenüber dem Bezugssignal aufweist. An den Eingang ist ein Begrenzerverstärker 10 angeschlossen, der ein Rechtecksignal liefert, dessen Zustände 1 und 0 den Halbperioden £~~ ^π » CLZ bzw. £~0, τγ_7 des Bezugssignals entsprechen. An den Eingang 2 ist ein Begrenzerverstärker 11 angeschlossen, dessen Ausgang eine Impulsgeneratorschaltung 12 speist. Die Impulsgeneratorschaltung 12 enthält eine Differenzierschaltung, der eine monostabile Kippschaltung nachgeschaltet ist; sie liefert Impulse, deren Dauer (die gleich der Dauer des metastabilen Zustands der monostabilen Kippschaltung ist) klein gegen die Perioden der beiden Signale ist, und deren Lage kennzeichnend für die abfallenden Flanken des Ausgangssignals des Verstärkers 11 und demzufolge kennzeichnend für die Phase 0 (modulo 2 π ) des am Eingang 2 empfangenen Hilfssignals ist, wenn dieses Hilfssignal sinusförmig ist. Diese Impulse werden den Steuereingängen von zwei in Kaskade geschalteten Verschieberegisterstufen 13 und 14 zugeführt. Der Signaleingang der ersten Stufe 13 ist an den Ausgang des Begrenzerverstärkers 10 angeschlossen.

In jeder Periode des Hilfssignals empfängt die erste Stufe 13 bei der Phase 0 des Hilfssignals einen Steuerimpuls, und sie tastet das ihr vom Begrenzerverstärker zugeführte Rechtecksignal ab; sie speichert entweder den Zustand 1 oder den Zustand 0, je nachdem, ob das Bezugssignal eine Phasennacheilung oder eine Phasenvoreilung gegenüber dem Hilfssignal im Verlauf der betreffenden Periode aufweist. Das aufgezeichnete binäre Signal ist

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kennzeichnend für die Phasenverschiebung zwischen den beiden Signalen im Verlauf einer Periode des Hilfssignals. Diese Phasenverschiebung, von der nur das Vorzeichen festgestellt wird, kann Werte zwischen -n und + π annehmen.

Der Ausgang der Stufe 13 ist mit dem Ausgang 4 des !Comparators identisch; er liefert das Vorzeichen der scheinbaren Phasenverschiebung in binärer Form.

Das Grundprinzip des !Comparators besteht darin, die Änderungen der phasenverschiebung zwischen den beiden Signalen zur Bestimmung des Vorzeichens ihrer Frequenzdifferenz zu verwenden.

Es läßt sich zeigen, daß die Übergänge des binären Phasenabweichungssignals einer negativen Frequenzabweichung (f-fx) entsprechen, wenn sie vom Zustand 0 in den Zustand erfolgen, und zwar für einen (negativen) Wert der Phasenverschiebung, der dem Absolutwert nach kleiner als ein negativer Wert - E₁ ist, während sie einer positiven Frequenzabweichung (f_Q - f,j) entsprechen, wenn sie vom Zustand in den Zustand 0 erfolgen, und zwar für einen (positiven). Wert der Phasenverschiebung, der kleiner als ein positiver Wert E₂ ist. Dabei ist f_Q die Frequenz des Bezugssignals und f.. die Frequenz des Hilfssignals.

Die Rechnung zeigt, daß für einen gegebenen Wert von f_Q die Größen E₁ und E₂ von dem kleinsten Wert bzw. dem größten Wert der Frequenz f^ abhängen, so daß von diesen Werten der eine nach unten und der andere nach oben begrenzt ist, da die Werte E₁ und E₂ beide positiv sein müssen. Wenn man die Bedingung E = E₁ = E₂ vorgibt, wobei der Wert E so gewählt ist, daß die verbleibenden Übergänge für den beabsichtigten Anwendungsfall ausreichend

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zahlreich sind, wird dadurch eine untere Grenze für den Kleinstwert von f<« und eine obere Grenze für den Größtwert von f.j vorgeschrieben. Für E= η/2, was dem Fall der beschriebenen Anordnung entspricht, sind diese Werte 4f_Q/5 bzw. 4f_Q/3 .

Eine zweite Schaltung des Komparators besteht bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus der zweiten Verschieberegisterstufe 14, die den Zustand der ersten Stufe mit einer Verzögerung von der Periode des Hilfssignals wiedergibt, aus einer Antivalenzschaltung 15, die an ihren beiden Eingängen das Ausgangssignal der ersten Verschieberegisterstufe 13 ^ bzw. das Ausgangssignal der zweiten" Verschieberegisterstufe 14 empfängt, und aus einer monostabilen Kippschaltung 16, die für jede Vorderflanke des Ausgangssignals der Antivalenzschaltung 15 einen Impuls kurzer Dauer liefert. Die dritte Schaltung des Komparators besteht aus einer Verzögerungsschaltung 17» die das vom Verstärker 10 abgegebene Rechtecksignal mit einer festen Verzögerung liefert, die gleich einer Viertelperiode des Bezugssignals ist, und aus einer TJnd-S.chaltung 18, die an ihrem einen Eingang das von der Schaltung 17 verzögerte Rechtecksignal und an ihrem anderen Eingang die vom . Ausgang der, monostabilen Kippschaltung 16 gelieferten Impulse empfängt. Die Und-Schaltung 18 überträgt die Ausgangsimpulse der monostabilen Kippschaltung 16 nur dann, wenn sie bei einer Phase des Bezugssignals erzeugt werden, die zwischen - n/2 und + n/2 enthalten ist. Die von der Und-Schaltung 18 übertragenen Impulse werden dem Steuereingang einer dritten Verschieberegisterstufe 19 zugeführt, deren Ausgang mit dem Ausgang 3 des Komparators identisch ist, und deren Signaleingang an den Ausgang der ersten Verschieberegisterstufe 13 angeschlossen ist. Die dritte Verschieberegisterstufe 19 speichert einen Zustand 1, der

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für eine negative Frequenzabweichung (f_Q- f^) kennzeichnend ist, oder einen Zustand 0, der für eine positive Frequenzabweichung kennzeichnend ist, je nachdem, ob der Übergang, der zur Entstehung des Steuerimpulses geführt hat, ein Übergang von 0 nach 1 oder ein Übergang von 1 nach 0 war.

Sobald ein Übergang des Phasenabweichungssignals festgestellt wird, ist das am Ausgang 3 verfügbare Signal kennzeichnend für das Vorzeichen der Frequenzdifferenz; es hat den Wert 1 für f.j >f_Q und den Wert 0 für ±^<£_o. Je nach der Verwendung des !Comparators kann dieser als Phasenkomparator oder als Frequenzkomparator angesehen werden..

Auf Grund seines Arbeitsprinzips weist dieser Komparator einen großen Betriebsbereich auf; er liefert das Vorzeichen der Frequenzabweichung ohne Mehrdeutigkeit für die Werte der Frequenz f^, die zwischen 4f /5 und 4f /3 enthalten sind._>Andrerseits ermöglicht er die Feststellung von sehr kleinen Frequenzabweichungen, vorausgesetzt , daß der Vergleich über eine ausreichend große Anzahl von Perioden des Hilfssignals durchgeführt wird, so daß ein Übergang des Phasenabweichungssignals festgestellt werden kann. Dagegen ermöglicht er nicht die Angabe des Vorzeichens der Phasenabweichung zwischen zwei- Signalen gleicher Frequenz (beispielsweise der von einem gleichen Generator gelieferten Signale).

Infolge seiner Eigenschaften eignet sich dieser Komparator sehr vorteilhaft für eine Verwendung als Fehlerdetektor in einer Frequenz- und Phasenregelanordnung. Fig.2 zeigt das Schema einer solchen Regelanordnung.

Die Schaltung von Fig.2 enthält einen Bezugsoszillator 20 mit der Frequenz f_Q, einen Oszillator 23 für die zu regelnde Frequenz f^, einen in der zuvor geschilderten Weise ausgeführten

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Komparator 21, der die Ausgangssignale der beiden Oszillatoren empfängt, und eine Steuerschaltung 22, die zwischen dem Ausgang 3 des Komparators 21 und dem Frequenzsteuereingang des Oszillators 23 angeordnet ist.

Der Oszillator 23 ist so ausgebildet, daß seine Frequenz veränderlich ist, beispielsweise unter Verwendung einer Kapazitätsdiode, so daß die Schwingungsfrequenz durch eine Steuerspannung bestimmt wird. Die Steuerschaltung 22 besteht aus einer bistabilen Kippschaltung, die je nach dem Wert des ihr zugeführten binären Signals eine Spannung +U oder eine Spannung -U liefert, und «aus einem Integrator, der die Ausgangsspannung dieser Kippschaltung empfängt und den Steuereingang des Oszillators 23 speist.

Die Wirkungsweise der Regelanordnung von Fig.2 soll an Hand von Fig.3 beschrieben werden, die in einer Phasenebene aufeinanderfolgende Zustände der Regelanordnung darstellt. Die horizontale Achse der Phasenebene zeigt die Phasenverschiebung φ= φ - φ^ zwischen den beiden Signalen an, und die vertikale Achse zeigt ihre Frequenzabweichung (f -f^) an.

Zum Zeichen des Diagramms wird angenommen, daß im Anfangszeitpunkt das Signal des Oszillators 23 eine Frequenz hat, die kleiner als die.Frequenz f ist, und eine Phasenvoreilung aufweist, die in der Nähe von 180° liegt; die Regelanordnung befindet sich dann in dem Zustand, der durch den Punkt 30 angegeben ist. Ferner ist angenommen, daß der Komparator 21, der noch keinen Übergang des Phasenabweichungssignals festgestellt hat, eine Anzeige 1 liefert, die falsch ist, da sie eine negative Frequenzabweichung angibt. Der Integrator der Steuerschaltung 22 liefert eine

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ansteigende Spannung zum Oszillator 23, welche die Frequenz f^ zu verringern und somit die Frequenzabweichung zu vergrössern sucht. Gleichzeitig entsteht ein Phasenschlupf, welcher den Phasenunterschied Φ dem algebraischen ¥ert nach zu grössern sucht.

Im Zeitpunkt 31 ändert die Phasenverschiebung das Vorzeichen, und der Komparator 21 liefert dann eine richtige Information Der" Integrator liefert eine abnehmende Spannung, die- durch Einwirkung auf den Oszillator 23 die Frequenz f^ zu erhöhen sucht. Die Änderung des Phasenschlupfes setzt sich in der gleichen Richtung fort, da die Frequenz f^ noch kleiner als die Frequenz f_Q ist.

Im Zeitpunkt 32 ändert der Phasenunterschied das Vorzeichen, doch wird dies vom Komparator 21 nicht festgestellt, der weiterhin ein Signal 0 liefert. Im Zeitpunkt 33 ändert der Phasenunterschied das Vorzeichen; dies wird vom Komparator festgestellt, der ein Signal 0 abgibt.

Im Zeitpunkt 34 ändert die Frequenzabweichung das Vorzeichen; diese Änderung wird nicht festgestellt. Die Spannung des Integrators nimmt weiterhin ab, und die Frequenz f₁ steigt an; der Phasenschlupf ändert die Richtung. Im Zeitpunkt 35 stellt der Komparator eine Änderung des Vorzeichens der Phasenverschiebung vom Zustand 0 zum Zustand 1 fest, und er liefert ein Signal 1; der Integrator liefert dann eine ansteigende Spannung, und die Frequenz f^ verringert sich; der Phasenschlupf setzt sich in der gleichen Richtung fort.

Im Zeitpunkt 36 ändert die Frequenzabweichung ihr Vorzeichen, ohne daß dies festgestellt wird; die Frequenz f* nimmt weiterhin ab, jedoch ändert sich die Richtung des Phasenschlupfes.

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Die weitere Entwicklung des Systems erfolgt in der gleichen Weise; das Fehlersignal und die Richtung der Korrektur ändern jedesmal dann ihr Vorzeichen, wenn der Bildpunkt die vertikale Achse überquert, d.h. jedesmal dann, wenn die Phasenverschiebung das Vorzeichen ändert. Der Phasenschlupf ändert jedesmal dann die Richtung,wenn der Bildpunkt die horizontale Achse überquert, d.h. jedesmal dann, wenn die Frequenzabweichung ihr Vorzeichen ändert.

Es läßt sich zeigen, daß die Bahn des Bildpunktes einem Grenzkreis zustrebt, der den Punkt 0 umgibt, d.h. den Punkt, für den die Phasenverschiebung und die Frequenzabweichung beide Null sind. DiesemCrenzkreis entspricht ein Phasenfehler φ2 und ein Frequenzfehler fp. Diese Fehler können durch Einwirkung auf die Parameter der Regelanordnung beliebig klein gemacht werden.

Die Erfindung ist nicht auf die in Verbindung mit Fig.1 und 2 beschriebene Ausführungsform beschränkt. Man kann natürlich verschiedene Ausführungsvarianten der Schaltungen in Betracht ziehen, die dazu verwendet werden, die Richtung des Phasenschlupfes zwischen den beiden Signalen festzustellen und daraus das Vorzeichen der Frequenzabweichung abzuleiten.

Es ist zu bemerken, daß das am.Ausgang 4 (Fig.1) des Komparators gelieferte Frequenzabweichungssignal in der Schaltung von Fig.2 nicht verwendet wird. Dieses Signal kann insbesondere dazu verwendet werden, die Größe des Korrektursignals zu modulieren, damit die Herstellung der Synchronlage beschleunigt wird.

Wenn nämlich die Übergänge des Phasenabweichungssignals gleichzeitig mit den Übergängen des Frequenzabweichungssignals auftreten, zeigt dies an,däß man sehr nahe bei der Synchronlage ist.

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Es kann also vorteilhaft sein, Korrektursignaie von unterschiedlichen Amplituden zu verwenden, je nachdem, ob diese Bedingung nicht erfüllt ist (große Amplitude ) oder erfüllt ist (kleine Amplitude).

Bei der beschriebenen Anordnung werden die Übergänge des Phasenabweichungssignals festgehalten, die ausreichend nahe bei der Phase 0 des Bezugssignals liegen. Man kann auch die Übergänge festhalten, die nahe bei der Phase ir" des Bezugssignals liegen, wobei ein Übergang von 1 nach 0 bedeutet, daß die Frequenzabweichung f - f^ negativ ist, während ein Übergang von 0 nach 1 anzeigt, daß die Frequenzabweichung f_Q - f^ positiv ist.

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Claims

Patentensprüche

/1. (Digitaler Phasen- und Frequenzkomparator, der ein Bezugs- ^ signal und ein zweites Signal empfängt und ein binäres Frequenzabweichungssignal liefert, dessen Wert das Vorzeichen der Differenz der Frequenzen der beiden empfangenen Signale anzeigt, gekennzeichnet durch eine Phasenvergleichsschaltung für den Vergleich der Phasen der beiden empfangenen Signale, die das Vorzeichen der gegenseitigen Phasenverschiebung für eine vorbestimmte Phase <p_Q jeder Periode des zweiten Signals feststellt und ein binäres Phasenabweichungssignal liefert, und durch eine zweite Schaltung,die von den Minderungen des ¥erts des Phasenabweichungssignals diejenigen feststellt, die bei einer Phase des Bezugssignals entstehen, die in einem vorbestimmten,'den Viert 0 oder einschliessenden Teil jeder Periode des Bezugssignals enthalten ist, und deren Ausgangssignal das binäre Frequenzabweichungssignal darstellt.
2. Phasen-und Frequenzkomparator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den Fall, daß die vorbestimmte Phase φ^ gleich 0 ist, die Phasenvergleichsschaltung eine Schwellenschaltung enthält, die das Bezugssignal in ein binäres Signal umformt, das bei der Phase 0 des Bezugssignals seinen Zustand ändert, sowie eine Abtastschaltung, die den Wert des binären Signals bei der Phase 0 des zweiten Signals abtastet, wobei der Abtastwert das Phasenabweichungssignal bildet.
3. Phasen- und Frequenzkomparator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schaltung ein Speicherelement für die aufeinanderfolgende Speicherung der Phasenabweichungs-

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signale sowie eine logische Schaltung enthält, die mit der Abtastschaltung und den Speicherelement verbunden ist und die Änderungen des Werts des Phasenabweichungssignals feststellt.

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