DE2718175C2 - Abtast-Halte-Schaltung für einen Phasendiskriminator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Abtast-Halte-Schaltung für einen Phasendiskriminator, mit Mitteln zur Erzeugung einer Sägezahnspannung mit gegenüber einem Referenzsignal gleicher Periode und Phase, wobei besagte Mittel über eine Reihenschaltung aus einem ersten und zweiten Schaher, die mittels 'Ar.es Scha'tsignals nach Maßgabe der Phasendifferenz zwischen dem Referenzsignal und einem mit diesem gleichfrequenten weiteren Signal durchgeschaltet bzw. gesperrt werden, mit einem Halte-Kondensator verbindbar sind, dem ein Verstärker mit hohem Eingangswiderstand, vorzugsweise ein Spannungsfolger, nachgeschaltet ist, der das demodulierte Ausgangssignal liefert. Ein Phasendiskriminator der eingangs genannten Art wird beispielsweise bei Anordnungen 7iir Frequenzaufberci'Mne für Sendebzw. Empfangszwecke benötigt. Eine derartige Anordnung ist z. B. in F i g. 1 dargestellt. Sie besteht aus einem piclikonstnntem Quarzoszillator 1 der Frequenz f_q. des.en Signale über einen Frequenzteiler 2 mit einem Teilcrfaktor M als Referenzsignal S] einem Phasendiskriminator 3 zugeführt wird. Das Ausgangssignal Landes Phasendiskriminn'.or'. 3 wird Ober einen Tiefpaß 4 einem spannungsgeMciierten Oszillator 5 (einem sog. VCO) als Regelgröße zugeleitet. Die Frequenz f— f_q - -jt- des

spannungsgesteuerten Oszillators 5 wird mitteis einer Regetschieife in der Weise auf dem gewünschten Wert gehalten, daß sein Ausgangssignal über einen Frequenzteiler 6 mit über einen Programmiereingang 6' einstellbarem Teilerfaktor N als Schaltsignal Sz dem Phasendiskriminator 3 zugeführt wird, in dem dieses bezüglich seiner Phasenlage mit dem ihm gleichfiequen-

!0 ten Referenzsignal Ä verglichen wird. Die Erfindung betrifft eine Abtast-Halte-Schaltung, die bei einem derartigen Phasendiskriminator 3 mit Vorteil verwendbar ist. Der Phasendiskriminator 3 liefert ein analoges Ausgangssignal U_n, das der Phasendifferenz seiner beiden Eingangssignale Si und £> direkt proportional ist. Der ideale Phasendiskriminator liefert bei konstanter Phasendifferenz als Ausgangssignal eine reine Gleichspannung, die — wie erwähnt — der Phasendifferenz der beiden Eingangswechselspännungen proportional

ist. Auf eine sprunghafte Änderung der Phasendifferenz erfolgt an seinem Ausgang unmittelbar, d. h. ohne Zeitverzögerung, ein entsprechender Sprung der Ausgangsgröße.

Der reale Phasendiskriminator ist dagegen mehr oder weniger unvollkommen. Sein Ausgangssigna! erscheint mit Verzögerung. Außer der gewünschten Gleichspannung enthält es noch unerwünschte Anteile der beiden Eingangssignale sowie deren Harmonische.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abtast-Halte-SchaJiiingder eingangs genannten Art für Phasendiskriminatoren zu schaffen, die einerseits ein Ausgangssignal mit möglichst hoher spektraler Reinheit liefert und die andererseits auch möglichst schnell ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst.

daß der erste und zweite Schalter stets gemeinsam durchgeschaltet bzw. gesperrt werden und dazu ein dritter Schalter vorgesehen ist. der in der Weise angeordnet ist und der mittels eines zu dem Schaltsignal komplementären Schaltsign&ls din eingeschaltet bzw. gesperrt wird, daß den ersten Schalter im gesperrten Zustand passierende Wechselspannungskomponenten kurzgeschlossen sind, und daß zur Reduzierung der Einschwingzeit die Kapazität des Halte-Kondensators klein im Vergleich zur Kapazität eines Kondensators für die Erzeugung der Sägezahnspannung gewählt ist.

Eine besonders bevorzugte, weil für die Erhöhung des Störabstandes des Ausgangssignals bezüglich des Schaltsignals wichtige Ausgestaltungsform ist dadurch gegeben, daß der erste bis dritte Schalter jeweils als komplementär aufgebauter C-MOS-Schalter mit einem p-Kanal- und einem n-Kanal-MOS-Transistor ausgebildet sind und daß der erste und zweite Schalter mit dem Schaltsignal und der dritte Schalter mit dem komplementären Schaltsignal in der Weise beaufschlagt sind.

daß der p-Kanal- und der n-Kanal-MOS-Transistor des Schalters jeweils gegenphasig angesteuert sind, wodurch sich am Schalterausgang die gegenphasigen Ansteuersignale gerade kompensieren.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.

Fig. 2 zeigt einen bekannten Abtast-Halte-Phasendiskriminator3(Elektronik. 1975. Heft 2,S.85-86).dem als Eingangssignale eine Sägezahnspannung U₁ und ein Schaltsignal 5> gleicher Frequenz zuführbar sind und an dessen Ausgang das Ausgangssignal U_m abnehmbar ist. Der zeitliche Verlauf der Signale U\, S2 und U_n, ist in Fig. 3 als Spannungsveriauf U(I) über der Zeit ι

aufgetragen. Der Phasendiskriminator 3 weist als Schalter einen Feldeffekttransistor Tauf, der von dem pulsförmigen Schaltsignal S₂ (Abtastsignal) direkt gesteuert wird. Dem Schalter wird die Sägezahnspannung Ui zur Abtastung zugeführt Dem Schälter/Tist ein s Halte-Kondensator Ch nachgeschäjtet der. mit dem jeweiligen Abtastwert beaufschlagt wird. Die Spannung, am Halte-Kondensator Ch wird. über einen als Spannungsfolger SF ausgebildeten Verstärker mit hohem Eingangswiderstand auf den Ausgang' des Phasendiskriminators 3 gegeben. Der Eingangswiderstand des SpannungsfolgersSFist so groß gewählt, daß die Spannung am Halte-Kondensator Ch zwischen den einzelnen Abfragen (Abtastungen) konstant bleibt (ein Ladungsentzug durch den Spannungsfolger hätte sonst zur Folge, daß im Ausgangssignal eine Störspannung' mit der Frequenz der beiden Eingangssignale erscheint). Betrachten wir nun den Fall daß zwischen den Signalen Ui und S₂ keine Phasendifferenz besteht. Bei der Darstellung in F i g. 3 würde dann das schmale Schaltsignal S₂ mit dem Anfang der Sägezahnspannung Ui zusammenfallen. Der Schalter Twird also ganz kurz zu einem Zeitpunkt durchgeschaltet, zu dem die Sägezahnspannung U\ gerade den Spannungswert Null hat. Der Halte-Kondensator G/ speichert dann bis zur nächsten Abfrage den Abtastwert Null und gibt diesen über den Spannungsfolger SF auf den Ausgang weiter. Solange die Phasendifferenz Null bestehen bleibt, ergibt jede Abfrage den Wert Null, d.h. das Ausgangssignal U_m des Phasendiskriminators 3 ist dann gleich.Null.' Ändert sich die Phasendifferenz sprunghaft auf einen Wert ungleich Null, so wird bei den darauf folgenden Abfragen der Halte-Kondensator Ch auf den dieser Phasendifferenz entsprechenden Spannungswert. der Sägezahnspannung U\ aufgeladen- Wie groß die Anzahl m der dazu notwendigen Abfragen'ist (vgl. Fig.7). hängt von der Pulsbreite des Schaltsignals Si. dem Innenwiderstand der Quelle der Sägezahnspannung U\ und von der Kapazität des Halte-Kondensators Cn ab. Die Pulsbreite des Schaltsignals 52 ist möglichst klein gewählt, da während des Pulses die Sägezahnspannung U\ auf den Ausgang des Phasendiskriminators 3 durchgeschaltet ist (Störspannung!). Der Abtast-Halte-Phasendiskriminator gemäß F i g. 2 ist zwar — unter der Voraussejzung richtiger Dimensionierung der Schaltelemente — schnell, als großer Nachteil ist bei ihm jedoch die Tatsache anzusehen, daß die beiden Eingangssignale U\ und Si als Störsignal am Ausgang erscheinen, da ihre Ausgangsamplituden bezogen auf die Eingangsampiituden nur um bis zu 60 dB gedämpft so sind. Einer Verbesserung der Dämpfung stehen im wesentlichen zwei Tatsachen entgegen. Zum einen ist es die Kapazität Cs 1 des gesperrten Feldeffekt-Transistors T und zum anderen eine Kapazität Cs2 desselben Transistors, über die die Sägezahnspannung U\ und das Schaltsignal 52 auf den Halte-Kondensator C/igelangen. Fig.4 zeigt einen weiteren bekannten Phasendiskriminator 3 (Frequenz, 24 (1970), Heft 5, S. 131 -139) der sich von demjenigen gemäß F i g. 2 dadurch unterscheidet, daß bei ihm zwei in Serie geschaltete Schalter in Form eines ersten und eines zweiten Feldeffekttransistors Γι und 7j vorgesehen sind, zwischen denen ein Zwischenspeicher-Kondensator C/dem Halte-Kondensator Ch parallel geschaltet ist. Der erste Feldeffekttransistor 71 wird von den· Schaltsignal 52 direkt, der zweite »5 Feldeffekttransistor T₂ über einen Inverter / in der Weise angesteuert, daß beide Schalter zu keinem Zeitpunkt zugleich durchgeschaltet sind, sie werden vielmehr abwech'selrid..durchgeschaltet bzw,, gesperrt. Damit wird Erreich V d^aßciie.Sägezahnspannung U_{, zu keinem ZeijpunWt direlct auf deniialte-Kondensator Ch durchgeschaltet ist,,."wodurch der. Störabstand der Ausgangsspannüng ini Vergleich zum Störabstand des Phasendiskriminators. geinäß" Fig-2 um, etwa 2OdB angehoben wird. Die Kapazität C" bzw. C" des jeweils gesperrten Feldeffekttransistors 71 bzw. T₂ stört jedoch nach wie vor, weil über sie.die Sägezahnspannung auf den'Halte-Kondensator Cw und auf den Ausgang,des Phasendiskriminators gelangt. Auch der . störende Entlaß der Gate-Drain-Kapazität C" des Feldeffekttransistors T₂ bleibt bestehen, über den das invertierte Schaltsignal Sl auf den Halte-Kondensator Ch überkoppelt Der Phasendiskriminator gemäß F.i g. 4 weist zwar gegenüber demjenigen gemäß Fig.2 den Vorteil der höheren Störungsunterdrückung auf, durch die Verwendung ,des Zwischenspeicher-Kondensators Cz ist er jedoch wesentlich langsamer als letzterer.

F i g. 5 zeigt eine Ausführungsform · ines erfindungsgemäßen Phasendiskriminators 3, der in sich die Vorteile der beiden vorgenannten Phasendiskriminatoren unter Vermeidung ihrer Nachteile vereint Er enthält eine Konstantstromquelle KS, die einen Kondensator Q zur Erzeugung einer Sägezahnspannung Ui speist Zur Erzeugung der Sägezahnspannung Ui wird der Kondensator Ci periodisch im Takt des Referenzsignals Si über einen von dem Referenzsignal gesteuerten Schalter K* entladen. Der zutliche Zusammenhang zwischen der Sägezahnspannung Ui und dem Referenzsignal St ist in den beiden oberen Diagrammen in F i g. 6 dargestellt. Referenzsignal Si und Sägezahnspannung Ui haben gleiche Periodendauer.

Der Anfang des Sägezahnpulses fällt immer mit einem Puls des Referenzsignals Si zusammen. Wichtig ist, daß die — wie beim Phasendiskriminator naqh F i g. 4 — in Reihe geschalteten Schalter Ki und K2 im Unterschied, zur Anordnung nach Fig.4 von dem Schaltsignal S₂ stets gemeinsam durchgeschaltet und gesperrt werden und daß zwischen den beiden Schaltern Ki unjK₂\m Unterschied zur Anordnung gemäß Fig. 4 anstelle des Zwischenspeicher-Kondensators Cz ein Schalter Ks angeordnet ist. der von einen! zu dem Schaltsignal S₂ komplementären Schaltsignal S₂ zeitlich komplementär zu den beiden Schaltern K\ und K₂ durchgeschaltet und gesperrt wird, so daß die Schalter K\ und K₂ jeweils gerade gesperrt sind, wenn der Schalter Ks durchgeschaltet ist, und umgekehrt. Das Schaltsignal Sz für die Schalter K\ und K₂ und das komplementäre SchaUsignai S₂ für den Schaller K₃ sind in Fig.6 im dritten bzw, vierten Diagramm von oben dargestellt. Wie aus Fig.6 hervorgeht, werden die Schalte. K] und K₂ durch das Schaltsignal S2 zu einem Zeitpunkt, der der Phasendifferenz zwischen den Signalen Si und S₂ entspricht, kurzzeitig durchgeschaltet, wobei dann der Schalter Ks gerade durch das komplementäre Schaltsignal S₂ gesperrt ist, so daß in dem der Pulsbreik: des Schaltsignals S₂ entsprechenden Zeitraum der Halte-Kondensator Ch durch die Sägezahnspannung U\ auf den der jeweiligen Phasendifferenz entsprechenden Spannungswert aufgeladevi wird und am Ausgang des Phasendiskriminators das dazugehörige Ausgangssignal U_n, erscheint. Bei gesperrten Schaltern Am und K2 ist der Schalter Ks jeweils gerade durchgeschaltet, wodurch der Halte-Kondensator Cn weites'.gehend von den den Schalter K\ im gesperrten Zustand passierenden Wechselspannungskomponenten abgeschirmt ist. Bei geeigneter Wahl des Kapazitätsver-

hältnisses Qi Cn — die Kapazität des Halte-Kondensators Cn sollte im Vergleich zu der Kapazität des Kondensators C\ für die Sägezahnerzeugung möglichst klein gewählt werden — umi genügend kleiner Zeitkonstante der Schaltung bestehend aus der Summe der Durchlaßwiderstände der (durchgeschalteten) Schalter Ki und K₂ und dem Halte-Kondensator Cw wird der der aktuellen Phasendifferenz zukommende Spannungswert U_n, praktisch bereits nach einer Abfrage erreicht. Die Störkapazitäten C_K ι und C_K2 der gesperrten Schalter Ki und K₂ wirken sich nicht mehr negativ aus, da der dann durchgeschaltete Schalter K₃ die Übertragung der Sägezahnspannung U\ auf den Halte-Kondensator Ch verhindert. Wirksam bleibt nur noch die Störkapazität Ck \i der Gesamtreihenschaltung der (gesperrten) Schalter K, und K₂, deren Betrag allerdings so gering ist, daß sie nahezu ohne Einfluß auf den Störabstand bleibt. Wichtig ist auch die Tatsache, daß bei den als Schalter K\ bis K* vorzugsweise verwendeten C-MOS-Schaltern — auf die später in Verbindung mit Fig.8 näher eingegangen wird — das Schaltsignal S₂ (bzw. das komplementäre Schaltsignal S₂) infolge der gegenphasigen Ansteuerung des p-Kanal- und des n-Kanal-MOS-Transistors des C-MOS-Schalters am Schaltcrausgang nicht mehr erscheint. Mit der erfindungsgemäßen Abtast-Halte-Schaltung läßt sich eine Unterdrückung der Signale Si (bzw. Ui) und 52 von 9OdB erreichen. Auf eine sprunghafte Änderung der Phasendifferenz zwischen den Eingangssignalen Si und S₂ folgt praktisch bereits nach einer Abfrage, d. h. nach einer Abtastung, das zugehörige Ausgangssignal U_n, am Ausgang des Phasendiskriminators.

Wie bereits erwähnt, wird bei der erfindungsgemäßen Abtast-Halte-Schaltung bei einer sprunghaften Änderung der Phasendifferenz zwischen den beiden Eingangssignalen Si und 5; das zugehörige Ausgangssigna!

U_n, am Ausgang des Phasendiskriminators bereits praktisch nach einer Abfrage erreicht. In I ' . ^: ·
Verhältnis das Ausgangssignal U_n, nach der 111 1 ii Abfrage und das Auseangssignn! Um η;κ ii im·.·\.:i .v vielen Abfragen dargestellt in Abhängigkeit von dor Anzahl m der Abfragen. Es ergibt sich eine :i .vrnpt-v.ische Annäherung von {/»an U<*> mit steigendem /;.'. lj;'s Verhältnis U_nJUc läßt sich in seiner Abhängigkeit von der Zahl m durch folgende Formel zum
bringen:

«■"■

wobei C//die Kapazität des Halte-Kondensators »1:ic!
die Kapazität des Kondensators für die Sägczahnfiv.c.igung sind. Der Formel laß; sich entnehmen, daß der (näherungsweise) richtige wert des Ausgangssignals Ij',,, um so schneller, d. h. mit um so weniger Abfragen, erreicht wird, je kleiner die Kapazität des Halte-Kondensators gegenüber derjenigen des Kondensators liir die Sägezahnerzeugung gewählt ist.

Fig.8 zeigt ein Beispiel für einen als Schalter K; bis K< vorzugsweise verwendeten C-fvIOS-Schaiier mit einem Eingang E, einem Ausgang A und einem Eingang S für das Schaltsignal. Der Schalter weist einen p-Kanal- und eiiurn n-Kanal-MOS-Transistor auf. Der n-Kanal-MOS-Transistor wird von dem Schaltsignal direkt angesteuert, während der p-Kanal-MOS-Transisior von dem mittels eines inverters / invertierten Schaltsignal, d. h. gegenphasig zu dem n-Kanal-MOS-Transistor. geschaltet wird. Infolgedessen löschen sich die über die Kapazitäten C_p und C_n der Transistoren überkoppelnden Spannungen (Schaltsignal und invertiertes Schaltsignal) gerade gegenseitig aus. so daß das Schaltsignal am Ausgang A des Schahers nicht erscheint.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   t. Abtast-Halte-Schaltung für einen Phasendiskriminator, mit Mitteln zur Erzeugung einer Sägezahnspannung mit gegenüber einem Referenzsignal gleicher Periode und Phase, wobei besagte Mittel über eine Reihenschaltung aus einem ersten und zweiten Schalter, die mittels eines Schaltsignals nach Maßgabe der Phasendifferenz zwischen dem Referenzsignal und einem mit diesem gleichfrequenten weiteren Signal durchgeschaltet bzw. gesperrt werden, mit einem Halte-Kondensator verbindbar sind, dem ein Verstärker mit hohem Eingangswiderstand, vorzugsweise ein Spannungsfolger, nachgeschaltet ist, der das demodulierte Ausgangssignal liefert, dadurch gekennzeichnet,-daß der erste und zweite Schalter (K\ und Kt) stets gemeinsam durchgeschaltet bzw. gesperrt werden und dazu ein dritter Schalter (Kj) vorgesehen ist, der in der Weise angeordnet ist und der mittels eines zu dem Schaltsignal (&>) komplementären Schaltsignals (S2) durchgeschaltet bzw. gesperrt wird, daß den ersten Schalter (Ki) im gesperrten Zustand passierende Wechselspannungskomponenten kurzgeschlossen sind, und daß zur Reduzierung der Einschwingzeit die Kapazität des Halte-Kondensators (Ch) klein im Vergleich zur Kapazität eines Kondensators (Ci) für die Erzeugung der Sägezahnspannung gewählt ist.
2. 2. Abtast-i'.alte-Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet. daß der erste bis dritte Schalter (K\ bis Ki) jeweils als komplementär aufgebauter C-MOS-Scha'ter irM einem p-Kanal und einem n-Kanal-MOS-Transistor ausgebildet sind und daß der erste und zweite Schalter (Kt und Κ?) mit dem Schaltsignal (S2) und der dritte Schalter (Ki) mit dem komplementären Schaltsignal (57) in der Weise beaufschlagt sind, riaß der p-Kanal- und der n-Kanal-MOS-Transistor des Schalters jeweils gegenphasig angesteuert sind.