DE2812377C2

DE2812377C2 - Phasengeregelter Oszillator

Info

Publication number: DE2812377C2
Application number: DE19782812377
Authority: DE
Inventors: Baldur Dipl.-Ing. 8000 München Stummer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1978-03-21
Filing date: 1978-03-21
Publication date: 1983-06-30
Also published as: DE2812377A1

Description

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Die Erfindung betrifft einen phasengeregelten Oszillator mit einem Phasendiskriminator, einem eine Reihenschaltung eines ohmschen Widerstandes und eines Kondensators enthaltenden Schleifenfilter, einem spannungsgesteuerten Oszillator und einem Schmitt-Trigger.

Phasengeregelte Oszillatoren — kurz PLL-Schaltungen genannt — werden meist dazu eingesetzt, um aus Frequenzgemischen diskrete Frequenzen zu selektieren. Typische Anwendungsfälle sind z. B. die Taktgewinnung aus digitalen Datenströmen in Digitalsignal-Empfangssystemen und Regeneratoren bzw. in FDM-Systemen die Erzeugung von Trägerfrequenzen, die zu einer Steuerfrequenz in einer festen Beziehung stehen.

In den meisten Fällen ist eine hohe Selektion der PLL-Schaltungen erwünscht, d. h. es besteht die Forderung, daß der gesteuerte Oszillator (VCO) der PLL-Schaltung im gerasteten Zustand mit der Frequenz der auszusiebenden Signalkomponente schwingt und von Störkomponenten in deren Umgebung möglichst wenig phasenmoduliert wird.

Realisiert man jedoch eine schmalbandige PLL-Schaltung (entspricht einem Kreis hoher Güte), so ergibt sich zwangläufig ein schmaler Fangbereich, d. h. die Ablage der auszusiebenden Frequenz von der Frequenz des VCO darf nur sehr klein sein, damit die PLL-Schaltung einrasten kann. In der Praxis bedeutet dies, daß ohne Sondermaßnahmen eine PLL-Schaltung wegen des Fangproblems nur so schmalbandig ausgelegt werden kann, wie es im Hinblick auf die Summe der Inkonstanzen von Referenzfrequenz und VCO-Frequenz möglich ist.

Aus der DE-OS 23 54 749 ist eine Signalerkennungsschaltung zum Identifizieren des Zustands zur Herstellung des Synchronismus einer Phasensynchronisierschaltung bekannt. Diese Signalerkennungsschaltung enthält eine Reihenschaltung aus einem Phasendetektor, aus einem Schleifenfilter und aus einem spannungsgesteuerten Oszillator sowie eine Rückkopplung von diesem zum Phasendetektor. Parallel zu dieser Reihenschaltung ist ein Netzwerk angeordnet, das einen Signalerkennungskreis und einen Pegelentscheidungskreis beispielsweise in Form eines Schmitt-Triggerkreises enthält.

Aus der DE-OS 23 36 132 ist schließlich noch eine Einrichtung zur Phasenregelung eines nichtstabilisierten Oszillators auf eine in der Frequenz stabilisierte Schwingung bekannt, bei der das von einem Phasendiskriminator abgeleitete Regelkriterium über einen Verstärker geführt wird und bei der ferner eine Schaltung vorgesehen ist, die bei nicht vorhandener Synchronisation den nicht stabilisierten Oszillator so mit einer niedrigen Frequenz wobbelt, daß seine Frequenz in den Fangbereich der Regelschaltung gelangt

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine phasengeregelte Oszillatorschaltung zu schaffen, die bei kleinem Schaltungsaufwand das Fangen von schmalbandigen Phasenregelschleifen in einem breiten Frequenzbereich ermöglicht

Zur Lösung dieser Aufgabe wird der phasengeregelte Oszillator der eingangs genannten Art derart ausgebildet, daß der Eingang des Schmitt-Triggers mit dem Ausgang des Schleifenfilters und der Ausgang des Schmitt-Triggers über einen ohmschen Gegenkopplungswiderstand mit dem Verbindungspunkt des ohmschen Widerstandes und des Kondensators des Schleifenfilters verbunden ist

Durch diese Maßnahmen erhält man zusätzlich zur normalen phasengeregelten Oszillatorschaltung und unter Ausnützung des Filterkondensators des Schleifenfilters eine Suchlaufschaltung, bei der der Suchlauf automatisch beendet wird, wenn der spannungsgesteuerte Oszillator in den Fangbereich gefcngt Der zusätzliche Aufwand ist sehr klein, die Schaltung selbst voll integrierbar, ohne daß zusätzliche Anschlußkontakte oder externe Bauteile verwendet werden müssen.

Vorteilhafterweise kann dabei der Schmitt-Trigger aus einem über ohmsche Widerstände rückgekoppelten Operationsverstärker bestehen.

Will man eine definierte Phasenbezeichnung im gerasteten Zustand erreichen, kann der phasengeregelte Oszillator auch so ausgebildet sein, daß parallel zum ohmschen Gegenkopplungswiderstand die Reihenschaltung eines ohmschen Widerstandes und einer Diode liegt. Dann kann die Rastung nur während des einen (positiven) Suchlaufs erfolgen.

Das Schleifenfilter kann dabei sowohl aus einem aktiven, insbesondere einem über eine /?C-Schaltung gegengekoppelten weiteren Operationsverstärker realisierten, als auch einem passiven Filter bestehen.

An Hand der Ausführungsbeispiele nach den F i g. 1 und 2 wird die Erfindung näher erläutert.

F i g. 1 zeigt dabei einen phasengeregelten Oszillator mit einem aktiven Schleifenfilter;

Fig.2 zeigt einen phasengeregelten Oszillator mit einem passiven Schleifenfilter.

Da die Wirkungsweise in beiden Anordnungen gleich ist, gilt die anschließende Beschreibung für beide Figuren.

Die konventionelle PLL-Schaltung besteht aus dem Phasendiskriminator PD, dem Schleifenfilter R 1, R 2, C

und evtl. Ci, sowie dsm spannungsgesteuerten Oszillator VCO,

Das Phasenübertragungsverhalten sowie die Fangeigenschaften dieser PLL-Schaltungen seien als bekannt vorausgesetzt. Erwähnt sei noch, daß der »statische« Phasenfehler — der sich aus einer Abweichung der VCO-Ruhefrequenz von der Eingangsfrequenz ergäbe — durch Einfügen des Kondensators Cum die Leerlaufverstärkung des Verstärkers V in der Schaltung nach Fig. 1, bzw. um das Verhältnis

R1 + R2

Rl

in der Schaltung nach F i g. 2 reduziert wird.

Dies ergibt sich aus der für die Frequenz Nu!I entsprechend höheren Gegenkopplung der Schleife gegenüber dem Fall der PLL-Schaltung erster Ordnung, wo der Kondensator durch einen Kurzschluß ersetzt wäre. Um Überhöhungen im Phasenübertragungsmaß klein zu halten, muß hier allerdings die Grenzfrequenz der Kombination RZ ■ Centsprechend weit unter der dynamischen Grenzfrequenz der PLL-Schallung gehalten werden, die sich aus der Steilheit des Phasendiskriminators und des VCO sowie dem Spannungsübertragungsmaß des Schleifenfilters ergibt.

Die Schaltung nach der Erfindung, die das sichere Einrasten gewährleistet, besteht aus dem Komparator K, der über den Widerstand R 5 in Richtung auf den Widerstand R 4 rückgekoppelt sowie über den Widerstand A3 (bzw. auch D) integrierend mit Hilfe des Schleifenfilterkondensators C gegengekoppelt ist- Die Schaltungsanordnung wirkt als Schmitt-Trigger, der Ausgang schaltet also bei Überschreiten der einen, bzw. Unterschreiten der anderen Eingangsschweüe in den jeweils anderen Ausgangszustand um. Im Eingangsspannungsbereich zwischen den beiden Schwellen (Hysterese), der durch die Dimensionierung der Rückkopplungswiderstände R 4 und R 5 vorgegeben ist, bleibt der jeweils vorhergehende Schaltzustand erhalten. Auf Grund dieses Schaltzustandes wird über die Gegenkopplung A3 ^bzw.die Diode D)der Kondensator Cso umgeladen, daß sich die Eingangsspannung des Komparators rampenförmig gegen diejenige Schaitschwelle bewegt, deren Überschreitung zu einer Umschaltung in den jeweils anderen Zustand führt Die Eingangsspannung des Komparator« und damit also die Sieuerspannung des VCO ist demnach eine Dreieckfunktion (bzw. eine Sägezahnfunktion bei Einsatz der Diode DJi die zwischen den beiden Schwellenspannungen im Hysteresebereich hin und her läuft Damit wird die VCO-Ausgangsfrequenz über den erforderlichen Inkonstanzbereich hin und her gewobbelt Dies gilt jedenfalls, solange die Phasendiskriminatorausgangsspannung in ihrem Mittelwert so klein ist, daß der über R 1 fließende Strom nicht ausreicht, den Strom über R 3 (bzw. D) zu kompensieren.

Der Suchlauf funktioniert also sicher, solange die VCO-Frequenz noch nicht in den Fangbereich gelaufen ist und der Strom über R 3 größer ist als der Strom, der auf Grund des Phasendiskriminatoroffsets über R1 dem Kondensator C zufließt Kommt die VCO-Frequenz in den Fangbereich, so rastet die PLL ein und es stellt sich der Synchronzustand bei einem Winkel am Phasendiskriminator ein, bei dem der konstante Strom über A3 gerade kompensiert wird. Dieser Fehlwinkel ist demnach systematisch und konstant und L-gt bei optimaler Dimensionierung gerade über dem Wen ±.s maximal zu erwartenden Offsetwinkels des Phasendiskriminators. Würde die Diode D nicht vorhanden sein, so würde dieser Fehlwinkel im gerasteten Zustand positiv oder negativ sein, abhängig davon, ob das Einrasten während der positiven oder negativen Rampe des VCO-Suchlaufs erfolgte.

Für Anwendungsfälle, bei denen der Winkel, bei dem die PLL-Schaltung arbeitet nicht von Bedeutung ist (z. B. Frequenzsynthese und dergleichen), kann also auf die Diode verzichtet werden. In Fällen, wo diese Voraussetzung nicht gegeben ist (zum Beispiel bei Taktgewinnung von PCM-Empfängern oder Regeneratoren), sorgt die Diode dafür, daß während der steilen Rücklauframpe die PLL-Schaltung nicht rasten kann, weil dann der maximal mögliche Ausgangsstroin aus dem Phasendiskriminator den Strom D nicht kompensieren kann. Ein Einrasten ist demnach nur in der langsamen Hinlaufphase möglich, der Phasenfehlwinkel ist in seinem Vorzeichen sowie in seinem Betrag fest vorgegeben ^nd kann damit fest berücksichtigt werden, beispielsweise durch einen Phasenschieber am VCO-Ausgang.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Phasengeregelter Oszillator mit einem Phasendiskriminator (PD), einem eine Reihenschaltung eines ohmschen Widerstandes (R 1, R 2) und eines Kondensators (C) enthaltenden Schleifenfilters (F), einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) und einem Schmitt-Trigger, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang des Schmitt-Triggers (T) mit dem Ausgang des Schleifenfilters (F) und der Ausgang des Schmitt-Triggers (T) über einen ohmschen Gegenkopplungswiderstand (R 3) mit dem Verbindungspunkt des ohmschen Widerstandes (RT) und des Kondensators (C)des Schleifenfilters 1--. (T^verbunden ist

Z Phasengeregelter Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmitt-Trigger (T) aus einem über ohmsche Widerstände (R 4, R 5) rückgekoppelten Operationsverstärker (K) besteht

3. Phasengeregelter Oszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum ohmschen Gegenkopplungswiderstand (R 3) die Reihenschaltung eines ohmschen Widerstandes und einer Diode (Xtyliegt

4. Phasengeregelter Oszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schleifenfilter (F) aus einem aktiven Filter besteht, insbesondere einem über eine RC-Schaltung gegengekoppelten weiteren Operations-Verstärker (V).