DE2826053C2 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Regelung eines frei schwingenden Oszillators - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines frei schwingenden Oszillators, wobei die freie Schwingungsfrequenz an eine Bezugsfrequenz gebunden wird, indem aus einem Ist-Signal, das der regelbare Oszillator abgibt, und aus einem Soll-Signal zwei um 90" gegeneinander phasenverschobene Steuersignale gebildet und in getrennten Kanälen bereitgestellt werden, und aus diesen Steuersignalen ein auf die Schwingungsfrequenz des regelbaren Oszillators wirkendes Korrektursignal erzeugt wird, dessen Amplitude dem Betrag der Differenzfrequenz von Ist- und Soll-Signal proportional ist und dessen Vorzeichen dem Vorzeichen dieser Differenzfrequenz entspricht, und wobei Impulse, die bei jedem zweiten Nulldurchgang eines Steuersignals erzeugt werden, und eine Amplitudenmittelung angewandtwerden.

Die Erfindung bezieht sich auch auf eine zur Ausführung dieses Verfahrens vorgesehene Schaltungsanordnung zur Regelung eines frei schwingenden, ein Ist-Signal abgebenden Oszillators mit einem die freie Schwingungsfrequenz an ein Soll-Signal als Bezugsfrequenz bindenden Regelkreis, der einen Phasenschieber und zwei Umsetzer aufweist, denen Komponenten eines

b5 der beiden Signale mit einer gegenseitigen Phasenverschiebung um 90° und Komponenten des anderen Signals phasengleich zugeführt werden.

Aus der DE-OS 23 55 239 ist für ein Verfahren der

eingangs genannten Art zur Stabilisierung der Schwingungsfrequenz eines frei schwingenden, gegebenenfalls frequenzmodulierten, Oszillators eine Lösung bekannt, der jedoch die Aufgabenstellung zugrunde liegt, eine freie Schwingungsfrequenz mit einer gewünschten Annäherung auf dem Wert einer stabilen Bezugsfrequenz zu halten. Dementsprechend is>; dort außer dem frei schwingenden, regelbaren Oszillator ein weiterer, beispielsweise quarzgesteuerter Oszillator vorgesehen, der die Bezugsfrequenz mit hoher Stabilität erzeugt. Die mit zwei Umsetzern aus den ihnen zugeführten Signalen dieser beiden Oszillatoren hergestellten und in getrennten Kanälen bereitgestellten Steuersignale lassen sich als Impulsfolgen je nach Vorzeichen der Differenzfrequenz in einem von zwei Frequenzzählern auswerten. Dazu sind an die Ausgänge von Multivibratoren geeignete Tiefpaßfilter geschaltet, welche die Mittelwerte der Ausgangsspannungen der betreffenden Multivibratoren bilden, so daß am Ausgang eines nachgeschalteten Differenzverstärkers eine entsprechende Regelspannung zur Nachregelung der Frequenz des frei schwingenden Oszillators zur Verfugung steht. Dieses Regelungsprinzip ist unempfindlich gegenüber Verzögerungs- oder Laufzeitdifferenzen in den Schaltungsketten, solange derartige Differenzen nicht 90° erreichen (s. DE-OS 23 55 239, Seite 6, letzter Absatz). Das heißt aber auch, Phasenabweichungen zwischen zwei Schwingungen können auf diese Weise weder festgestellt noch ausgeregelt werden.

Für eine reine Phasenregelung ist aus der US-PS so 38 05 180 eine Schaltungsanordnung bekannt, die zur Taktrückgewinnung aus einem Binärsignal gedacht ist und erlaubt, abhängig von der Häufigkeit einer Impulsgruppe ein anderes Signal zu beeinflussen (Triggerung). Als Phasenvergleicher kann aufgrund des speziellen Codes des Binärsignals ein D-Flip-1-Ίορ eingesetzt weiden. Da bei diesem Code einer logischen »I« ein Vorzeichcnwechscl, einer logischen »0« kein Vorzeichenwechsel je Zeiteinheil entspricht, jedoch zwischen zwei aufeinanderfolgenden »O«-Signalcn ein Vorzeichenwechsel auftritt, reagiert die Flip-Flop-Schaltung auch bei längeren Nullfolgen und steuert den Oszillator genügend häufig an. Fehlende Flankenwechsel wurden dementsprechend dazu führen, daß der Oszillator an seinen oberen oder unteren Extremwert gesteuert würde.

Aus der DE-OS 19 48 109 ist für das Gebiet der Frequenzsynthese ein digitaler Normalfrequenzgenerator bekannt, bei dem einem steuerbaren Oszillator eine zusätzliche Regelgröße zugeführt wird. Dabei handelt es sich um einen Schaltungsaufbau für zwei Bezugssignale, für die zwischen dem Ausgang und dem gesteuerten Eingang des Oszillators zwei Schleifen vorgesehen sind. Jede dieser Schleifen dient dabei der Korrektur der Frequenz des Oszillators entsprechend der Frequenz des betreffenden Bezugssignals. Da das eine dieser Bezugssignale über einen veränderbaren Teiler aus dem vom Oszillator abgegebenen Signal erzeugt und mit dem anderen Bezugssignal mit einer festen Frequenz verglichen wird, läßt sich der steuerbare Oszillator auf diese Weise auf unterschiedliche Ausgangsfrequenzen einstellen. Derartige Regelvorgänge können jedoch sehr lange dauern, wenn der Oszillator bei beispielsweise 225MHz mit einer Korrekturfrequen/ von 100 Hz, d.h. je einmal pro β> 2 250 000 Perioden korrigiert wird. Die zusätzliche Regelgröße dient nun dazu, diese Korrekturfrequenz zu erhöhen. Dazu wird im Schaltungsaufbau eine weitere Schleife mit einer Tastscha'tung vorgesehen, die im gewünschten Sinn mit einem Faktor 500 beim gewählten Beispiel beträgt.

Aus der DE-OS 25 47 907 ist ein Frequenz-Synchronisationsvystem bekannt, für das ein spannungsgesteuerter Oszillator zur Erzeugung einer Ausgangsfrequenz vorgesehen ist, die sich als eine Funktion des Steuereingangs ändert Weiterhin sind ein Teiler zum Heruntcrteilen der Ausgangsfrequenz sowie ein Detektor vorgesehen, der mehrere Fehlersignale liefert, die proportional zur Abweichung der geteilten Ausgangsfrequenz und eines von einer festen Signalquelle zugeführten Eingangssignals sind. Die Synchronisierung des Systems erfolgt dadurch, daß die Fehlersignale über Summiereinrichtungen, Verknüpfungsglieder, asymmetrisch leitende Einrichtungen, z. B. Dioden, und Impedanzeinrichtungen in den Steuereingang zur Veränderung des spannungsgesteuerten Oszillators umgesetzt werden. Für einen Spektrumanalysator, der die Eigenschaft aufweisen soll, daß seine Oszillatoren stabiler sind als die Oszillatoren, deren Frequenz zu messen ist, besteht die Möglichkeit, mittels Integrationseinrichtungen, z. B. einem Verstärker und einem Kondensator, und den für die Systemsynchronisierung vorgesehenen Einrichtungen die Steuersignale für den spannungsgesteuerten Oszillator nur dann zu liefern, wenn der Steuereinging den Wert Null durchläuft. Dieses bekannte Frequenz-Synchronisationssystem ermöglicht damit eine automatische Einstellung der Mittenfrequenz eines Ablenkgeneratots und vermeidet so, daß im Falle der Änderung der Abstimmfrequenz einer zu untersuchenden Einrichtung die Darstellung des elektrischen Signals außerhalb des Gesichtsfeldes gerät.

In der Elektronik besteht häufig die Aufgabe, einen Oszillator hinsichtlich Frequenz- und Phasengleichlauf auf ein Eingangssignal zu synchronisieren. Ein dazu geeignetes Regelsystem ist ein mit PLL (Phase-lockedloop) bezeichneter Phasenregelkreis, in dessen synchronisiertem Zustand ein Sollwert der Phasenverschiebung zwischen Eingangssignal und Oszillatorsign;i| erreicht oder wenigstens nahezu erreicht wird.

Sobald eine Abweichung von diesem Sollwert auftritt, wird der Oszillator so lange nachgeregclt. bis die Abweichung Null oder minimal wird.

Die in allen PLL-Typen vorhandenen drei grundsätzlichen Funktionsblöcke

— Oszillator

— Phasendetektor und

— Filter

lassen eine Unterscheidung und Klassifizierung zu. Allein bezüglich der verwendbaren Filter lassen sich zwei Hauptgruppen unterscheiden:

— Passive Filter, die im Bereich niedriger Frequenzen nicht als Integrator fungieren,

— Aktive Filter, die irn Bereich niedriger Frequenzen integrierend arbeiten.

Mit diesen Filtertypen aufgebaute Phasenregelkreise unterscheiden sich in wesentlichen Punkten:
Bei Verwendung nicht integrierender Filter

— ist bei abgeschaltetem Eingangssignal der Arbeitspunkt stabil,

— tritt ein Regelungsfehler auf, der eine Funktion der Ruhefrequenzablage des spannungsgesteuerten

Oszillators von der Sollfrequenz, der Dimensionierung der Schleife sowie bei PCM-Signalen der Signalflankendichte ist,

— besteht ein Fangbereich (maximale Frequenzabweichung der Ruhefrequenz des Oszillators, bei der die Schleife bei Anlegen des Signals automatisch synchronisiert), der stets erheblich kleiner als der Ziehbereich des Oszillators ist und der ebenfalls von der Dimensionierung der Schleife und von der Signalflankendichie abhängt.

Während der erstgenannte Punkt als Vorteil anzusehen ist, ist der zweite Punkt eine Quelle störenden systematischen Jitters: der reduzierte Fangbereich bedingt — bei vorgegebener Bandbreite der Schleife — höhere Anforderungen an die Stabilität des Oszillators.

Bei Verwendung von Integratoren als Filter gibt es

— bei abgeschaltetem Eingangssignal, bedingt durch Drifteffekte, keinen stabilen Arbeitspunkt,

— theoretisch keinen Regelungsfehler,

— theoretisch einen Fangbereich, der dem Ziehbereich des Oszillators entspricht.

Hier ist der zweite Punkt als Vorteil anzusehen, während der erste Punkt insofern nachteilig wirkt, als der theoretisch große Fangbereich in der Praxis durch Drifteffekte so erheblich eingeschränkt wird, daß ein abgedrifteter Oszillator häufig nicht mehr durch Einschalten des Eingangssignals gefangen werden kann.

Aus »Proceedings of the I-R-E«. Januar 1954. Seiten 106 bis 133, insbesondere Seiten 116 bis 118, ist eine Schaltungsanordnung — ein sogenannter Quadrikorrelator für Synchronisationszwecke beim NTSC-Fa ;bfernsehsystem bekannt, bei der zwei um 90° phasenverschoben angesteuerte Phasendetektoren zwei gleichfalls um 90° phasenverschobene Ausgangsspannungen (Beatnotes) erzeugen. Die Frequenz dieser Signale entspricht dabei der Differenz der Eingangsfrequenzen, liegt also im Bereich niedriger Frequenzen, bezogen auf die Arbeitsfrequenz des Systems. Bei diesem bekannten Quadrikorrelator wird eines der Beatnote-Signale differenziert und dann auf einen weiteren Phasendetektor gegeben, an dessen zweitem Eingang das andere, unveränderte Beatnote-Signal liegt. Am Ausgang dieses Phasendetektors entsteht nach Filterung eine Spannung, die proportional der Differenzfrequenz der hochfrequenten Signale ist und zur Frequenzregelung benutzt werden kann.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe stellt sich insbesondere für die Synchronisation bei der Taktrückgewinnung digitalisiert übertragender Nachrichten mit einer Mehrfachausnutzung der Übertragungswege im Zeitbereich bei hohen Übertragungsgeschwindigkeiten (GHz-Bereich). Hierbei ist es erforderlich, daß ein abgedrifteter Oszillator schnell und zuverlässig synchronisiert wird. Der Regelvorgang soll dabei außer auf eine Phasenabweichung auch auf eine Frequenzabweichung ansprechen, damit der Fangbereich der Schleife bis an die Grenzen der maximalen Verstimmbarkeit des Oszillators erweitert wird

Gemäß der Erfindung wird bei einem Verfahren der im Oberbegriff des Anspruches 1 enthaltenen Art das vom steuerbaren Oszillator abgegebene Ist-Signal sowohl hinsichtlich des Frequenz- als auch hinsichtlich des Phasengleichlaufs auf ein als Eingangssignal empfangenes Soll-Signal synchronisiert, und dazu werden

— für den auf Frequenzabweichungen ansprechenden Regelvorgang die von zwei Phasendetekloren in den getrennten Kanälen bereitgestellten Steuersignale zum Frequenz-Korrektursignal verarbeitet, indem eine Spannung, die dem Steuersignal des einen Kanals entspricht, mittels Impulsen, die aus dem Steuersignal des anderen Kanals immer dann erzeugt werden, wenn das Vorzeichen dieses Steuersignals von Plus nach Minus wechselt, abhängig von der Häufigkeit dieser Impulse abgetastet und zu einem die durchgeschalteten Werte mittelnden Tiefpaß übertragen wird; die Ausgangsspannung dieses Tiefpasses wird als eine der Differenzfrequenz von 1st- und Soll-Signal proportionale und vorzeichenrichtige Regelgröße einem integrierend arbeitenden Filter zugeführt,

und gleichzeitig wird

für den auf Phasenabweichungen ansprechenden Regelvorgang das Steuersignal des einen, auch einem Phasenregelkreis angehörenden Kanals dem integrierend arbeitenden Filter unmittelbar zugeführt,

und dem regelbaren Oszillator wird vom integrierend arbeitenden Filter eine Regelgröße für Frequenz- und Phasen-Korrekturen über eine gemeinsame Nachregelleitung zugeführt.

Einzelheiten und vorteilhafte Eigenschaften des erfindungsgemäßen Verfahrens gehen aus der Erläuterung des Ausführungsbeispiels noch detailliert hervor. Im Vergleich zum zuletzt erwähnten Stand der Technik ist jedoch darauf hinzuweisen, daß es für die Taktrückgewinnung aus z. B. PCM-Signalen äußerst nachteilig wäre, wenn wegen der dabei auftretenden Amplitudenmodulation von Beatnote-Signalen aufgrund zeitlich veränderlicher Flankendichte der PCM-Signale sehr »rauhe« Signalformen entstünden. Diese Rauheit würde durch Differenziervorgänge noch erheblich verstärkt, so daß — speziell auch für periodische Änderungen der Flankendichte — eine definierte Ableitung einer frequenzabhängigen Regelspannung nicht möglich wäre. Außerdem würde im

synchronisierten Zustand des Phasenregelkreises durch variable Flankendichte und Differenziervorgänge der erwünschte Abschalteffekt der Frequenzregelung verhindert werden. Bei dem Verfahren nach der Erfindung werden diese Nachteile vermieden, da flankendichteunabhängige Nulldurchgänge des betreffenden Steuersignals ausgewertet werden, und da im synchronisierten Zustand, auch beim Anliegen von KOivi-Signaien, die Frequenzregelung mit Sicherheit abschaltet. In diesem Zusammenhang stehen auch die in den Unteransprü-

chen 2 und 3 enthaltenen vorteilhaften Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Bezüglich der auf eine Schaltungsanordnung gerichteten Ansprüche wird hier auf deren Wortlaut verwiesen. Vorteilhafte weitere Ausbildungen der im Anspruch 4 für die Erfindung angegebenen Schaltungsanordnung sind in den Ansprüchen 5 und 6 enthalten. Auch hierbei wird von den bereits oben gewürdigten Vorveröffentlichungen als Stand der Technik ausgegangen. So sind z. B. aus der DE-OS 23 55 239 für einen

Regelkreis eines Oszillators ein Phasenschieber und zwei Umsetzer bekannt, denen Komponenten eines Signals mit einer gegenseitigen Phasenverschiebung um 90° und Komponenten eines zweiten Signals phasen-

In der Zeichnung ist cine Ausführungsform der in den Ansprüchen 4 bis 6 enthaltenen Erfindung schematisch als Blockschallbild dargestellt. Im gestrichelt eingerahmten Bereich sind die drei Grund-Funktions-Blöcke — der Oszillator VCO, ein Phasendetektor PD 1 und ein ·-. Filter LF — enthalten. Das Filter LF arbeitet integrierend.

An den Oszillator VCO ist ein 90°-Phasenschieber PS angeschlossen, der zu einem zweiten Phasendetektor PD 2 führt. Damit ergeben sich zwei Kanäle für die to beiden um 90° gegeneinander phasenverschobenen Steuersignale.

Im ausgerasteten Zustand entstehen am Ausgang der beiden Tiefpässe TPi und TP2 die Steuersignale, die sich in erster Näherung wie folgt beschreiben lassen: ι j

U\ = Ü ■ sin Amt U-i = Ü ■ cos Δω t

Hierbei ist Oder Spitzenwert der Steuersignale und Δω die jeweilige Frequenzdifferenz zwischen Eingangssignal und Referenzsignal des Oszillators VCO. (Bei Verwendung eines Phasendetektors mit dreieckförmiger Kennlinie sind entsprechende Formeln aufstellbar.)

Das in dem an den Phasendetektor PD 1 angeschlossenen Kanal entstehende Steuersignal kann in einem gleich zugeführt werden. Weitere Einrichtungen, z. B. ein Analogschalter sowie eine Integrationseinrichtung, sind aus der DE-OS 19 48 109 bzw. aus der DE-OS 25 47 907 bekannt.

Begrenzer-Verstärke· LA so umgeformt werden, daß sich für positive Werte von U\ ein fester positiver Ausgangswert und für negative Werte von LJ\ ein fester negativer Wert gleicher Größe ergibt.

Das in dem an den Phasendetektor PD 2 angeschlossenen Kanal entstandene Steuersignal erzeugt mit Hilfe eines Null-Spannungs-Komparators (ZCD) und einer nachgeschalteten monosnibilcn Kippstufe (MF) immer dann einen Impuls, wenn das Vorzeichen des Steuersignals von Plus nach Minus wechselt.

Der entstehende Impuls soll kürzer als Ua der Periodendauer des Steuersignals mit der höchsten zu verarbeitenden Differenzfrequenz sein.

Mit Hilfe des so entstandenen Impulses wird ein Analogschalter AS geschlossen, mit dem die das Vorzeichen der Frequenzdifferenz angebende Spannung U\ auf einen Tiefpaß TP 3 geschaltet wird. Da dieser Tiefpaß TP3 über die Anzahl der je Zeiteinheit durchgeschaltetcn Werte mittelt, stellt seine Ausgangsspannung eine der Frequenzdifferenz proportionale, vorzeichenrichtige Meßgröße dar, die zur Frequenz-Regelung dem Oszillator VCO zugeführt wird.

Bemerkenswert ist, daß im eingerasteten Fall U\ bei Null liegt (bedingt durch das Regelverhalten), während Uz dann den Maximalwert hat, also keine weiteren Impulse zur Betätigung des Analogschalters AS entstehen. Dies bedeutet ein automatisches, sicheres Abschalten der Frequenzregelschleife im eingerasteten Zustand.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Regelung eines frei schwingenden Oszillators, wobei die freie Schwingungsfrequenz an eine Bezugsfrequenz gebunden wird, indem aus einem Ist-Signal, das der regelbare Oszillator abgibt, und aus einem Soll-Signal zwei um 90° gegeneinander phasenverschobene Steuersignale gebildet und in getrennten Kanälen bereitgestellt werden, und aus diesen Steuersignalen ein auf die Schwingungsfrequenz des regelbaren Oszillators wirkendes Korrektursignal erzeugt wird, dessen Amplitude dem Betrag der Differenzfrequenz von Ist- und Soll-Signal proportional ist und dessen Vorzeichen dem Vorzeichen dieser Differenzfrequenz entspricht, und wobei Impulse, aie bei jedem zweiten Nulldurchgang eines Steuersignals erzeugt werden, und eine Amplitudenmittelung angewandt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das vom steuerbaren Oszillator abgegebene Ist-Signal sowohl hinsichtlich des Frequenz- als auch hinsichtlich des Phasengleichlaufs auf ein als Eingangssignal empfangenes Soll-Signal synchronisiert wird und dazu

— für den auf Frequenzabweichungen ansprechenden Regelvorgang die von zwei Phasendetektoren in den getrennten Kanälen bereitgestellten Steuersignale zum Frequenz-Korrektursignal verarbeitet werden, indem eine Spannung, die dem Steuersignal des einen Kanals entspricht, mittels Impulsen, die aus dem Steuersignal des anderen Kanals immer dann erzeugt werden, wenn das Vorzeichen dieses Steuersignals von Plus nach Minus wechselt, abhängig von der Häufigkeit dieser Impulse abgetastet und zu einem die durchgeschalteten Werte mittelnden Tiefpaß übertragen wird, und die Ausgangsspannung dieses Tiefpasses als eine der Differenzfrequenz von lsi- und Soll-Signal proportionale und vorzeichenrichtige Regelgröße einem integrierend arbeitenden Filter zugeführt wird,

und gleichzeitig

— für den auf Phasenabweichungen ansprechenden Regelvorgang das Steuersignal des einen, auch einem Phasenregelkreis angehörenden Kanals dem integrierend arbeitenden Filter unmittelbar zugeführt wird,

und daß dem regelbaren Oszillator vom integrierend arbeitenden Filter eine Regelgröße für Frequenz- und Phasen-Korrekturen über eine gemeinsame Nachregelleitung zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Bildung der beiden Steuersignale den beiden Phasendetektoren vom empfangenen Eingangssignal gleichphasige Komponenten und vom Ist-Signal, das der regelbare Oszillator abgibt, um 90° gegeneinander phasenverschobene Komponenten zugeführt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Erzeugung des Frequenz-Korrektursignals abzutastende Spannung aus dem betreffenden Steuersignal als ein Rechteck

signal mit von der Amplitude dieses Steuersignals unabhängiger, konstanter Amplitude gebildet wird.

4. Schaltungsanordnung zur Regelung eines frei schwingenden, ein Ist-Signal abgebenden Oszillators mit einem die freie Schwingungsfrequenz an ein Soll-Signal als Bezugsfrequenz bindenden Regelkreis, der einen Phasenschieber und zwei Umsetzer aufweist, denen Komponenten eines der beiden Signale mit einer gegenseitigen Phasenverschiebung um 90° und Komponenten des anderen Signals phasengleich zugeführt werden, gekennzeichnet durch zwei Phasendetektoren (PDl, PD 2) als Umsetzer, denen für zwei um 90° gegeneinander phasenverschobene Steuersignale jeweils ein Kanal zugeordnet ist, von denen der eine Kanal mit dem einen Phasendetektor (PDi), einem integrierend arbeitenden Filter (LF) und dem regelbaren Oszillator (VCO) eine Phasenregelschleife (PLL) bildet sowie derart von dem Phasendetektor (PD 1) über ein Tiefpaßfilter (TPX), einen Analogschalter (AS) und ein weiteres Tiefpaßfilter (TP 3) zum integrierend arbeitenden Filter (LF) führt, daß er einen Teil des Frequenz-Regelkreises bildet, dessen anderer Teil vom anderen Kanal mit dem anderen Phasendetektor (PD2). einem Tiefpaßfilter (TP2), einem Nullspannungskomparator (ZCD) und einer nachfolgenden monostabilen Kippstufe (MF), die den Aiialogschalter (/^steuert, gebildet wird.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenschieber (PS) an den regelbaren Oszillator (VCO) angeschlossen ist und zu dem dem Frequenz-Regelkreis zugeordneten Phasendetektor (PD 2) führt.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch einen eine Rechteckspannung liefernden Begrenzerverstärker (LA) vor dem Eingang des Analogschalters (AS).