DE3218363C2

DE3218363C2 -

Info

Publication number: DE3218363C2
Application number: DE19823218363
Authority: DE
Inventors: Peter 2301 Schierensee De Buttenschoen
Original assignee: Howaldtswerke Deutsche Werft GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp Marine Systems GmbH
Priority date: 1982-05-15
Filing date: 1982-05-15
Publication date: 1992-06-04
Also published as: DE3218363A1

Description

Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung zum Steuern eines spannungsabhängigen Oszillators nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Schaltungsanordnungen dieser Art sind beispielsweise aus der US-PS 41 55 050 bekannt und werden häufig auch als "Phasen-lock-loop-Schaltungen" bezeichnet.

Bei den in diesen Schaltungsanordnungen eingesetzten Phasenkomparatoren handelt es sich um digitale Komparatoren, die zwei getrennte Ausgänge aufweisen, die je nach Verschiebungsrichtung der Eingangssignale jeweils entsprechende Impulse abgeben, deren Breiten sich mit dem Phasenunterschied der Eingangssignale ändern. Bei Phasengleichheit der aktiven Flanken der zwei zugeführten Signale sind die Impulsbreiten der Ausgangssignale theoretisch Null, während bei einer Phasenverschiebung die Impulsbreite des einen oder anderen Ausgangssignals je nach Verstimmungsrichtung zunimmt. In der Praxis bleibt jedoch an den Ausgängen des Phasenkomparators eine Restimpulsbreite bei einer Phasenverschiebung zu Null bestehen, welche sicherstellt, daß jede kleinste Phasenänderung auch eine entsprechende proportionale Änderung der Impulsbreiten bie den Ausgangssignalen bewirkt.

Die im Phasenkomparator auf die beschriebene Weise erzeugten Impulse werden dann in einem aktiven Filter verglichen, dessen Ausgangssignal den spannungsabhängigen Oszillator nachstellt. Dieses aktive Filter besteht aus einem Operationsverstärker mit Differenzeingängen, die jeweils über einen Koppelwiderstand mit dem zugeordneten Ausgang des Phasenkomparators verbunden sind. Zwei jeweils aus einem Widerstand und einem Kondensator ausgebildete und auf die Eingänge zurückgeführte Rückkoppelzweige machen das aktive Filter zu einem Regler mit Proportional-Integral- Anteil, bei dem die Koppelwiderstände und die Kondensatoren der Rückkoppelzweige den Integralteil und die Koppelwiderstände und die Rückkoppelwiderstände den zur Dämpfung des Regelkreises notwendigen Proportionalteil bestimmen.

Bei der aus der US-PS 41 55 050 bekannten Schaltung wird ein aufgrund von Temperatureinflüssen und Schwankungen der Versorgungsspannung auftretender Phasen- Offset durch ein Widerstandsnetzwerk kompensiert. Ein aus der Mindestimpulsbreite der Ausgangssignale des Phasenkomparators resultierender Offset kann mit Hilfe dieses Widerstandsnetzwerkes jedoch nicht kompensiert werden.

Aus der US-PS 40 09 449 ist eine andere Schaltungsanordnung zur Steuerung eines spannungsabhängigen Oszillators bekannt, die gleichfalls von einem Referenzoszillator gespeist wird und einen Phasenkomparator aufweist. Der Phasenkomparator gemäß dieser Druckschrift ist als ein NOR-Gatter ausgebildet. Die beiden Ausgänge des Phasenkomparators sind mit den Eingängen eines Operationsverstärkers jeweils durch eine Reihenschaltung einer Diode und eines Widerstandes gekoppelt. Auch mit Hilfe dieser Kopplungen ist es nicht möglich, einen Offset zu kompensieren, der aus der Mindestimpulsbreite der Ausgangssignale des Phasenkomparators resultiert.

Aus Tietze/Schenk, "Halbleiter-Schaltungstechnik", Springer-Verlag, Berlin, 1974, ist bekannt, einen aus einem endlichen Eingangswiderstand eines Operationsverstärkers resultierenden Eingangsstrom sowie eine bauartbedingte Offset-Spannung des Operationsverstärkers durch Widerstandsnetzwerke bzw. die Verwendung einer externen Spannungsquelle zu kompensieren. Auch die aus dieser Druckschrift bekannten Schaltungsvarianten vermögen lediglich die spezifischen Offset- Effekte eines Operationsverstärkers zu kompensieren.

Auch ein zwischen dem Phasenkomparator und dem spannungsabhängigen Oszillator angeordnetes aktives Filter kann nicht verhindern, daß das erzeugte Nachstellsignal Anteile enthält, welche den spannungsabhängigen Oszillator modulieren. Ursache hierfür ist die aus der Mindestimpulsbreite der vom Kompensator generierten Signale resultierende Offset- Spannung an den Eingängen des aktiven Filters, wobei unter Offset die Ablage der mittleren Eingangsspannung von 0 Volt bei einer Phasengleichheit von Referenz und Ausgangssignal verstanden wird. Diese Offset-Spannung hat, wenn der spannungsabhängige Oszillator frequenzmäßig eingefangen ist, am Ausgang des aktiven Filters eine den spannungsabhängigen Oszillator in seiner Frequenz modulierende Sägezahnspannung zur Folge, welche gleichzeitig auch eine sich parabelförmig ändernde Phasenmodulation bewirkt. Diese nachteilige Phasenmodulation steigt in ihrem Phasenhub mit dem Teilungsfaktor einer Frequenzteilung und ist Ursache dafür, daß diese Schaltungsanordnungen als unbefriedigend gelten.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art die Phasenmodulation im Ausgangssignal des spannungsabhängigen Oszillators zu vermindern.

Diese Aufgabe ist mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Die erfindungsgemäße Maßnahme führt zu einer Kompensation der Offset-Spannung am Eingang des aktiven Filters und beseitigt damit die Ursache für die Phasenmodulation des spannungsabhängigen Oszillators. Bei einer geeigneten Dimensionierung des Kondensators, der Ladewiderstände, der Koppelwiderstände sowie der Entladewiderstände wird die Aufintegration der während der Mindestimpulsbreite des Phasenkomparators am Operationsverstärker anliegenden Steuerspannung durch eine Aufintegration der aus der Kondensatorentladung während der restlichen Periodendauer des Referenzsignals am Operationsverstärker anliegenden Entladespannung kompensiert. Es tritt hierdurch nur noch eine geringfügige Modulation der dem spannungsabhängigen Oszillator zugeführten Spannung auf.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, die Ausgänge des Phasenkomparators jeweils über den Ladewiderstand, die Diode und den Kondensator zum Bezugspotential (Masse) zu führen und die Verbindungspunkte der Dioden und Kondensatoren mit dem zugeordneten Eingang des aktiven Filters über je einen der Entladewiderstände zu verbinden, die mit dem jeweiligen Koppelwiderstand die Spannungsteiler bilden.

In den Gleichrichterschaltungen ist es zweckmäßig, die Ladewiderstände auf kleine Widerstandswerte und die Entladewiderstände auf große Widerstandswerte zu bemessen, damit die sich ergebende Zeitkonstante für die Entladung der Kondensatoren groß gegenüber der Periodendauer der Vergleichsfrequenz der im Phasenkomparator zu vergleichenden Signale wird. An den beiden Kondensatoren der Gleichrichterschaltung entstehen daher geglättete Gleichspannungen, deren Höhen sich so einstellen, daß die Differenzen der Eingangsspannungen am aktiven Filter zur Kompensation der Offset-Spannung führen.

Die Ausgänge des Phasenkomparators können mit den Ladewiderständen der Gleichrichterschaltungen auch über je eine Gatterschaltung verbunden sein, welche bei Umschaltungen des Teilungsfaktors der Frequenzteiler den Ladevorgang kurzzeitig unterbricht. Hiermit läßt sich die sonst bei Umschaltvorgängen auftretende lange Einschwingzeitkonstante durch Unterbrechung der Kondensatorladungsvorgänge verkürzen und die Kompensation der Offset-Spannung mit den zuvor gespeicherten Spannungswerten der Kondensatoren überbrücken.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zur Steuerung eines spannungsabhängigen Oszillators und

Fig. 2 das aktive Filter nach Fig. 1 mit Gattern zur Unterbrechung des Kondensatorladungsvorganges.

Wie die Darstellung nach Fig. 1 zeigt, besteht die teilweise als Blockschaltbild abgebildete Schaltungsanordnung aus einem Referenzoszillator (10), dessen Ausgangssignal über einen Frequenzteiler (11) einem Eingang (R) eines digitalen Phasenkomparators (12) zugeführt ist. Der zweite Eingang (V) des Phasenkomparators (12) erhält Signale von einem Frequenzteiler (13), welcher von den Ausgangssignalen eines spannungsabhängigen Oszillators (14) angesteuert wird. Die Ausgangssignale der beiden Ausgänge (D, U) des Phasenkomparators (12) werden in einem aktiven Filter (15) verglichen, dessen Ausgangssignal den spannungsabhängigen Oszillator (14) nachstellt.

Das aktive Filter (15) besteht aus einem Operationsverstärker (20), dessen Ausgang über eine Reihenschaltung eines Kondensators (21) und eines Widerstandes auf den invertierenden Eingang (-) zurückgekoppelt ist. Der nichtinvertierende Eingang (+) des Operationsverstärkers (20) ist über eine gleichdimensionierte Reihenschaltung eines Widerstandes (23) und eines Kondensators (24) mit Masse verbunden. Beide Eingänge des Operationsverstärkers (20) sind darüber hinaus über je einen Koppelwiderstand (25) gleicher Größe mit dem zugeordneten Ausgang (D, U) des Phasenkomparators (12) verbunden.

Zur Kompensation der Offset-Spannung beim Operationsverstärker (20) sind die Koppelwiderstände (25) jeweils durch gleichdimensionierte Gleichrichterschaltungen überbrückt. Diese Gleichrichterschaltungen bestehen jeweils aus einem mit dem zugeordneten Ausgang (D, U) des Phasenkomparators (12) verbundenen Ladewiderstand (30), einer Diode (31), einem von der Kathode der Diode (31) nach Masse führenden Kondensator (32) sowie einem vom Hochpunkt des Kondensators (32) zum jeweiligen Eingang des Operationsverstärkers (20) führenden Entladewiderstand (33). Die Entladewiderstände (33) bilden zusammen mit den jeweiligen Koppelwiderständen (25) zwei Spannungsteiler, an deren Abgriffen die Eingänge des Operationsverstärkers (20) liegen. Die Ladewiderstände (30) sind dabei auf einen kleinen Widerstandswert bemessen, während die Entladewiderstände (33) auf einen großen Widerstandswert bemessen sind. Hierdurch wird die Zeitkonstante für die Entladung der Kondensatoren (32) groß gegenüber der Periodendauer der Vergleichsfrequenz der im Phasenkomparator (12) zu vergleichenden Signale.

Beim Betrieb der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 stellt sich an den beiden Kondensatoren (32) eine geglättete Gleichspannung ein, deren Höhen von der den Kondensatoren jeweils zugeführten Ladung bzw. der abgeleiteten Entladung abhängen. Da diese Ladungsmengen im abgeglichenen Zustand gleich sind, kann für beide Zweige folgende Beziehung aufgestellt werden:

Hierbei bedeuten U_o die Impulsspannung an einem Ausgang des Phasenkomparators (12), t_R die Dauer eines Ausgangsimpulses des Phasenkomparators und T die Periodendauer der Vergleichsfrequenz der im Phasenkomparator verglichenen Signale. U_c ist die Spannung der Kondensatoren (32). Die zuvor angegebene Gleichung kann nach einer Umformung auch wie folgt geschrieben werden:

Aus dieser Gleichung läßt sich entnehmen, daß sich die Spannung U_c an den Kondensatoren (32) am stärksten ändert, wenn U_c=U_o/2 oder T/t_R=(R₃₃+R₂₅)/R₃₀ wird. Die um den Faktor R₂₅/(R₃₃+R₂₅) geteilte Spannung U_c der Kondensatoren (32) bewirkt als Differenz mit den über die Koppelwiderstände (25) zugeführten Spannungen die Kompensation der Offset-Spannung am Operationsverstärker (20). Diese Kompensation erfolgt bis auf einen vernachlässigbaren Rest, der um mehrere Größenordnungen kleiner ist als die Offset-Spannung ohne Kompensation. Das Ausgangssignal des spannungsabhängigen Oszillators (14) ist daher im wesentlichen frei von Phasenmodulation und erfüllt damit hinsichtlich der Phasenreinheit sehr hohe Anforderungen.

In der Darstellung nach Fig. 2 ist eine Abwandlung des aktiven Filters (15) nach Fig. 1 zu sehen, bei der die Ladewiderstände (30) nicht direkt von den Ausgängen (D, U) des Phasenkomparators (12), sondern von den Ausgängen je einer Gatterschaltung (40) angesteuert werden. Diese Gatterschaltungen (40) liegen jeweils mit einem ihrer Eingänge an den entsprechenden Ausgängen (D, U) des Phasenkomparators (12), während ihre zweiten Eingänge in Abhängigkeit von der Umschaltung der Teilungsfaktoren der Frequenzteiler kurzzeitig ansteuerbar sind. Als Gatter können Und-Gatter eingesetzt werden, welche bei gleichzeitiger Ansteuerung beider Eingänge den Ausgang einschalten. Es ist daher bei Umschaltvorgängen der Teilungsfaktoren der Frequenzteiler möglich, den Ladevorgang der Kondensatoren kurzzeitig zu unterbrechen und damit sonst auftretende lange Einschwingzeitkonstanten zu verkürzen. Die Kompensation der Offset-Spannung am Operationsverstärker (20) wird dann für den Unterbrechungszeitraum mit den in den Kondensatoren (32) gespeicherten Spannungswerten fortgesetzt.

Claims

1. Schaltungsanordnung zum Steuern eines spannungsabhängigen Oszillators mit einem Referenzoszillator, dessen Ausgangssignal mit dem Ausgangssignal des spannungsabhängigen Oszillators im Bereich eines Phasenkomparators zum Erzeugen eines den spannungsabhängigen Oszillator über ein aktives Filter nachstellenden Signals verglichen wird, dadurch gekennzeichnet,
daß ein dem Referenzoszillator (10) nachgeschalteter Frequenzteiler (11) sowie ein zwischen dem spannungsabhängigen Oszillator (14) und dem Phasenkomparator (12) angeordneter Frequenzteiler (13) vorgesehen sind,
daß Koppelwiderstände (25) zwischen zwei Ausgängen (D, U) des Phasenkomparators (12) und zwei Eingängen eines aktiven Filters (15) durch jeweils gleich dimensionierte Gleichrichterschaltungen überbrückt sind, die über Ladewiderstände (30) aufladbare Kondensatoren (32) aufweisen, die sich über mit Abgriffen an den Eingängen des aktiven Filters (15) liegenden Spannungsteilern, die jeweils aus der Reihenschaltung von Widerständen (33, 25) ausgebildet sind, entladen und
daß zwischen den Ladewiderständen (30) und den Kondensatoren (32) jeweils eine Diode (31) angeordnet ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge (D, U) des Phasenkomparators (12) jeweils über den Ladewiderstand (30), die Diode (31) und den Kondensator (32) zum Bezugspotential (Masse) führen und daß die Verbindungspunkte der Dioden (31) und Kondensatoren (32) mit dem zugeordneten Eingang des aktiven Filters (15) über je einen der Entladewiderstände (33) verbunden sind, die mit den jeweiligen Koppelwiderständen (25) die Spannungsteiler bilden.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladewiderstände (30) auf kleine Widerstandswerte und die Entladewiderstände (33) auf derart große Widerstandswerte bemessen sind, daß die sich ergebenden Zeitkonstanten für die Entladung der Kondensatoren (32) groß gegenüber der Periodendauer der Vergleichsfrequenz der im Phasenkomparator (12) zu vergleichenden Signale ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge (D, U) des Phasenkomparators (12) mit den Ladewiderständen (30) der Gleichrichterschaltungen über je eine Gatterschaltung (40) verbunden sind, welche bei Umschaltungen des Teilungsfaktors der Frequenzteiler (11, 13) den Ladungsvorgang der Kondensatoren (32) kurzzeitig unterbricht.