DE3634594A1 - Schaltungsanordnung zur erzeugung rationalzahliger frequenzverhaeltnisse - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung von im wesentlichen rechteckförmigen Schwingungen mit rationalzahligen Frequenzverhältnissen.

Aus dem IBM Technical Disclosure Bulletin Band 17, Nr. 12, vom Mai 1975 ist eine Schaltungsanordnung zu synchronen Frequenzteilung durch den Faktor 2,5 bekannt. Diese Schaltungsanordnung besteht im wesentlichen aus zwei Zählern, die wechselweise durch jeweils zwei von drei Flipflops gebildet werden. Durch Umschalten zwischen diesen Zählern mittels eines vierten Flipflops wird erreicht, daß die Schaltungsanordnung, getaktet durch ein rechteckförmiges Oszillator-Eingangssignal, ausgehend von einem Anfangszustand nach fünf Halbperioden des Oszillatorsignals in diesen Ausgangszustand zurückkehrt. Dabei entsteht am Ausgang der Schaltungsanordnung ein rechteckförmiges Signal mit einem Tastverhältnis von drei : zwei.

Die bekannte Schaltungsanordnung hat den Nachteil, daß sie für lediglich ein festes Teilerverhältnis ausgelegt ist und daß zur Verwirklichung anderer Teilerverhältnisse zusätzliche Anordnungen vorgesehen werden müssen. Dadurch, daß bei der bekannten Schaltungsanordnung ganze Halbperioden des Oszillator-Eingangssignals zur Erzeugung des Ausgangssignals abgezählt werden, ist außerdem die Menge der einstellbaren Teilerverhältnisse eng begrenzt. Außerdem liefert diese Schaltungsanordnung nur ein Ausgangssignal mit einem von eins abweichenden Tastverhältnis.

Aus der Zeitschrift "Elektronik", Jahrgang 1986, Heft 11 vom 30. 5. 1986 ist weiterhin eine Schaltungsanordnung mit einem Schieberegister zur Einstellung gebrochener Frequenzteilungsverhältnisse bekannt. Diese Schaltung umfaßt ein vierundsechzigstufiges Schieberegister, durch das ein festes Muster von Nullen und Einsen im Takt des Ausgangssignals eines Frequenzteilers rotiert. Dem Frequenzteiler wird ein Systemtakt zugeführt. Der Frequenzteiler teilt die Frequenz dieses Systemtaktes durch eine gerade Zahl: Durch das im Schieberegister rotierende Muster von Nullen und Einsen werden in dem dem Frequenzteiler zugeführten Systemtakt einzelne Signalflanken unterdrückt, so daß die Zahl der in jeder Zeiteinheit vom Frequenzteiler abgegebenen Impulse geringfügig vermindert wird. Diese Impulse weisen dadurch nicht nur ein von Eins abweichendes Tastverhältnis auf, sondern zusätzlich eine Periodenlängenschwankung . Sie sind daher nicht geeignet für alle Anwendungen, in denen die genaue Einhaltung von Frequenz und Phase bedeutsam ist.

Eine Schaltungsanordnung, die diesen Anforderungen gerecht werden soll, ist in der europäischen Patentschrift 80 970 beschrieben. Diese Anordnung arbeitet unter anderen mit einem Zähler und einer Vielzahl von Speichern und Verknüpfungsgattern und ist sehr kompliziert aufgebaut.

Die Erfindung hat demgegenüber die Aufgabe, eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung rationalzahliger Frequenzverhältnisse zu schaffen, die einfach aufgebaut ist und eine Vielzahl von Frequenzverhältnissen einzustellen gestattet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art einen Oszillator, der eine Anzahl von im wesentlichen rechteckförmigen Basissschwingungen gleicher Frequenz liefert, deren Phasen in gleichen Abständen im Bereich eines ganzzahligen Vielfachen der Periode der Basisschwingung angeordnet sind, sowie eine Umschaltstufe umfaßt, die nacheinander jeweils eine Basisschwingung in einer nach der Anordnung der Phase bestimmten zeitlichen Reihenfolge ihrem Ausgang zuführt und zu einem vorgegebenen Zeitpunkt der gerade zugeführten Basisschwingung von dieser zu einer weiteren umschaltet, wodurch am Ausgang der Umschaltstufe eine gegenüber den Basisschwingungen rationalzahlig frequenzgeteilte Schwingung abgegeben wird.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine in einem rationalzahligen Frequenzverhältnis geteilte Schwingung aus einer Basisschwingung mit einfachen Mitteln dadurch erhalten werden kann, daß die Periodendauer der Basisschwingung um einen bestimmten Bruchteil verlängert oder verkürzt wird, und daß diese Verlängerung oder Verkürzung auf einfache Weise dadurch erreicht werden kann, daß die zu erzeugende Schwingung, die zur Basisschwingung in einem rationalzahligen Frequenzverhältnis steht, aus einzelnen Zeitintervallen mehrerer gegeneinander phasenverschobener Basisschwingungen gleicher Frequenz zusammengesetzt wird. Die Phasenverschiebung zwischen den einzelnen Basisschwingungen und damit deren Anzahl sind mitbestimmend für das Frequenzverhältnis. Werden beispielsweise N Basisschwingungen erzeugt, die zueinander um jeweils einen N-ten Teil von 360°C gegeneinander phasenverschoben sind, kann zum Beispiel durch Umschalten zwischen den einzelnen Basisschwingungen eine neue Schwingung erzeugt werden, deren Periodendauer um diesen N-ten Teil oder Vielfache davon verkürzt oder verlängert ist. Durch Wahl der Anzahl und der Kombinaton der Basisschwingungen lassen sich so Signale erzeugen, die zu den Basisschwingungen beliebige rationalzahlige Frequenzverhältnisse aufweisen.

Zur Festlegung eines reproduzierbaren Auswahlkriteriums zwischen den einzelnen Basisschwingungen ist es dabei angezeigt, das Umschalten von einer zur nächsten Basisschwingung stets zu einem vorgegebenen Zeitpunkt der gerade zugeführten Basisschwingung vorzunehmen. Dadurch wird ein gleichmäßiges Zeitraster für das Umschalten und somit eine exakt konstante Frequenz der Schwingung am Ausgang der Umschaltstufe erreicht. Der vorgegebene Zeitpunkt in der Basisschwingung kann auf einfache Weise, z. B. mit Schaltungen zur Messung von Zeitintervallen oder zur Detektion bestimmter Signalpegel festgestelt werden.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung hat den Vorteil, daß mit einfachen Mitteln eine exakt rationalzahlig frequenzgeteilte Schwingung bereitgestellt wird, ohne daß dafür ein übermäßiger Schaltungsaufwand erforderlich wäre. Die Einsparung bezieht sich zum einen auf die Anzahl der Bauteile der Schaltungsanordnung und andererseits auf die Anforderugnen an deren Kenndaten. So ist es beispielsweise nicht erforderlich, eine Frequenz zu erzeugen und zu verarbeiten, die höher ist als die Frequenz der Basisschwingungen. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung benötigt daher an keiner Stelle Bauteile, die für höhere Frequenzen als diejenige der Basisschwingungen ausgelegt sind.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist der Oszillator nach Art eines Ringoszillators aufgebaut. Derartige Ringoszillatoren liefern auf einfache Weise eine wählbare Anzahl von Basisschwingungen gleicher Frequenz, deren Phasen in gleichen Abständen im Bereich eines ganzzahligen Vielfachen der Periode der Basisschwingung angeordnet sind, wie dies für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung vorgesehen ist.

Ein solcher Ringoszillator umfaßt nach einer Weiterbildung der Erfindung eine ungerade Anzahl invertierender Verzögerungsstufen zur Erzeugung einer ungeraden Anzahl von Basisschwingungen. Eine derartige Anordnung ist z. B. aus der US-PS 39 31 588 an sich bekannt. Wie in dieser Schrift näher erläutert ist, liefert diese Schaltung an den Ausgängen ihrer einzelnen invertierenden Verzögerungsstufen in besonders einfacher Weise die in der vorliegenden Erfindung benutzte Anzahl von Basisschwingungen gleicher Frequenz und mit in gleichen Abständen angeordneten Phasen. Die Anzahl der Basisschwingungen ist durch Wahl der Anzahl der invertierenden Verzögerungsstufen beliebig wählbar. Die Frequenz der Basisschwingungen bestimmt sich einerseits aus der einstellbaren Verzögerungszeit der einzelnen invertierenden Verzögerungsstufen und andererseits aus dem im Ringoszillator angeregten Schwingungstyp. So ist in Fig. 5 bis 9 der US-PS 39 31 588 die Grundschwingung des Oszillators dargestellt, bei der an einer der Verzögerungsstufen erst nach Durchlauf einer Zustandsänderung des von dieser Verzögerungsstufe abgegebenen Signals durch alle übrigen Verzögerungsstufen eine erneute Zustandsänderung des Signals auftritt. Ebensogut können in einem derartigen Ringoszillator auch Oberschwingungen angeregt werden, bei denen während der Zeit eines Durchlaufes einer Signaländerung durch alle Verzögerungsstufen mehrere Zustandsänderungen des Signals an einer Verzögerungsstufe auftreten derart, daß vom Ausgang einer der Verzögerungsstufen während einer Durchlaufzeit eine ungerade Anzahl von Halbwellen der Basisschwingung abgegeben wird. Durch wahlweise Anregung der Grund- oder einer Oberschwingung und durch die Einstellung der Verzögerungszeit der einzelnen Verzögerungsstufen läßt sich die Frequenz der Basisschwingungen beliebig einstellen.

Nach einer anderen Weiterbildung der Erfindung umfaßt der Ringoszillator eine gerade Anzahl Verzögerungsstufen zur Erzeugung einer geraden Anzahl von Basisschwingungen. Da das einzustellende rationalzahlige Frequenzverhältnis von der Anzahl der Basisschwingungen abhängt, ist durch diese Weiterbildung der Erfindung die Möglichkeit geschaffen, auch solche Frequenzverhältnisse einzustellen, für deren Verwirklichung oder zumindest einfache Verwirklichung eine gerade Anzahl von Basisschwingungen angezeigt ist.

Nach einer weiteren Fortbildung der Erfindung ist jede Verzögerungsstufe nach Art eines Ringoszillators ausgebildet. Die jeweils eine Verzögerungsstufe bildenden Ringe sind dabei insbesondere wiederum aus einzelnen Verzögerungsstufen aufgebaut und werden bevorzugt über je zwei Anzapfungen zwischen diesen Verzögerungsstufen nach Art eines übergeordneten Ringes miteinander verbunden. Diese Anordnung zur Bildung eines Ringoszillators ist insbesondere vorteilhaft zur Erzeugung einer geraden Anzahl von Basisschwingungen, da dafür ein einfacher Ring aus gleichartigen, invertierenden Verzögerungsstufen nicht verwendbar ist. Jedoch können auf diese Weise auch Ringoszillatoren zur Erzeugung einer ungeraden Anzahl von Basisschwingungen aufgebaut sein. Vorzugsweise können auch die Verzögerungsstufen, aus denen sich die einzelnen, nach Art eines Ringoszillators ausgebildeten Verzögerungsstufen des gesamten Ringoszillators zusammensetzen, unterschiedliche Verzögerungszeiten aufweisen, wodurch in bestimmten Fällen die Anpassung der Abstände der Phasen der Basisschwingungen vereinfacht wird. Eine andere vorteilhafte Möglichkeit der Anpassung der Phasen kann darin bestehen, daß der eine Verzögerungsstufe bildende Ring aus einer Kombination von invertierenden und nicht invertierenden Verzögerungsstufen gleicher Verzögerungsstufen besteht. Auch eine Verbindung dieser Maßnahmen ist möglich.

Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfaßt die Umschaltstufe einen Wahlschalter mit je einem Eingang für jede Basisschwingung und einem Ausgang, der mit dem Ausgang der Umschaltstufe verbunden ist. Derartige Wahlschalter bei denen der Ausgang wahlweise jeweils mit einem der Eingänge verbindbar ist, sind als mechanische und elektronische Umschaltvorrichtungen bekannt. Sie sind einfach aufgebaut und ermöglichen eine beliebige Verbindung eines der Eingänge mit dem Ausgang durch Zuführen einfacher Steuersignale.

Dazu weist nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung die Umschaltstufe weiterhin eine Steuerung auf, durch die der Wahlschalter derart fortschaltbar ist, daß seine Eingänge in zyklischer Folge mit dem Ausgang verbunden sind. Nach Durchlaufen aller Eingänge wird also auf den ersten zurückgeleitet. Das Fortschalten von einem zum nächsten Eingang kann dann beispielsweise durch einen einfachen Steuerimpuls erfolgen, wie dies bereits aus der Telefontechnik geläufig ist. Die Steuerung kann dabei auch derart ausgelegt sein, daß beim Fortschalten jeweils ein oder mehrere Eingänge übersprungen werden. In Verbindung mit der Wahl der Anzahl der Basisschwingungen ist dadurch ein beliebiges rationalzahliges Frequenzverhältnis zwischen der Basisschwingung und der Schwingung am Ausgang der Umschaltstufe einstellbar.

Nach einer weiteren Fortbildung der Erfindung schaltet die Steuerung den Wahlscalter zum Zeitpunkt des Auftretens einer Signalflanke der gerade zugeführten Basisschwingung fort. Zwar kann das Fortschalten grundsätzlich zu jedem Zeitpunkt der Basisschwingung durchgeführt werden, insbesondere bei gleichartiger Festlegung dieses Zeitpunktes für alle Basisschwingungen, die Ausnutzung einer Signalflanke stellt jedoch eine besonders einfache Möglichkeit dar.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung schaltet die Steuerung den Wahlschalter um jeweils einen oder mehrere Eingänge in der zyklischen Folge fort, vorzugsweise um eine Anzahl von Eingängen kleiner oder gleich der Anzahl der Basisschwingungen. Die Fortschaltung um eine Anzahl von Eingängen, die größer ist als die Anzahl der Basisschwingungen, führt bei der zyklischen Fortschaltung zum selben Ergebnis.

In einer weiteren Fortbildung umfaßt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung einen Frequenzhalbierer, dessen Eingang mit dem Ausgang der Umschaltstufe verbunden ist. Dieser Frequenzhalbierer ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung Ausgangssignale mit einem Tastverhältnis von Eins liefern soll. Je nach Auslegung der vorstehend beschriebenen Teile der Schaltungsanordnung können diese Rechtecksignale liefern, deren Tastverhältnis mehr oder weniger stark von Eins abweicht. Diese Abweichungen werden durch den Frequenzhalbierer korrigiert, der vorzugsweise an seinem Ausgang ein wenigstens nahezu rechteckförmiges Signal liefert, dessen Zustandsänderungen durch in bestimmter Richtung erfolgende Zustandsänderungen im Signal am Ausgang der Umschaltstufe ausgelöst werden. Vorzugsweise ist der Frequenzhalbierer durch ein Flipflop gebildet. Die Frequenzhalbierung dieser Stufe ist für das rationalzahlige Frequenzverhältnis bei der Auslegung der voraufgehenden Teile der Schaltungsanordnung zu berücksichtigen.

Bei einer derart ausgestalteten Schaltungsanordnung ergeben sich einfache rechnerische Zusammenhänge zwischen der Frequenz f 0 der Basisschwingungen, ihrer Anzahl N sowie der Anzahl k der Eingänge, um die der Wahlschalter in der zyklischen Folge jeweils fortgeschaltet wird. Man erhält je nachdem, ob die Zahlen N und k gerade oder ungerade natürliche Zahlen sind, die folgenden Beziehungen:
f=(N/k) f 0 für N ungerade, k gerade,
f=(N/(N+k) f 0 für N ungerade, k ungerade sowie
f=(N/2k) f 0 für N gerade, k beliebig.

Dabei ist k größer als 0 und kleiner oder gleich N. Soll für k ein Wert größer als N gesetzt werden, so ist in den obigen Formeln anstelle von k der Wert k modulo N zu verwenden.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Nachfolgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Phasenregelkreis mit einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

Fig. 2 ein Beispiel eines Oszillators zur Lieferung einer ungeraden Anzahl von Basisschwingungen,

Fig. 3 einen Oszillator zur Erzeugung von vier Basisschwingungen;

Fig. 4 einen Oszillator zur Erzeugung von sechs Basisschwingungen,

Fig. 5 ein Beispiel für einen Aufbau einer Verzögerungsstufe des Oszillators nach Fig. 3,

Fig. 6 ein Beispiel für den Aufbau einer Verzögerungsstufe zur Verwendung in den Schaltungen nach Fig. 3 oder Fig. 4,

Fig. 7 ein Schaltungsbeispiel für eine invertierende Verzögerungsstufe,

Fig. 8 ein Schaltungsbeispiel für den Aufbau einer nichtinvertierenden Verzögerungsstufe,

Fig. 9 ein Beispiel für Signalverläufe im Oszillator nach Fig. 2,

Fig. 10 ein weiteres Beispiel für Signalverläufe in einem Oszillator nach Fig. 2,

Fig. 11 ein Beispiel für Signalverläufe in einem Oszillator nach Fig. 3,

Fig. 12 ein Beispiel für Signalverläufe in einem Oszillator nach Fig. 4,

Fig. 13 ein Beispiel für Signalverläufe in einer Verzögerungsstufe gemäß Fig. 5 und

Fig. 14 ein Beispiel für Signalverläufe in einer Verzögerungsstufe nach Fig. 6.

Fig. 1 zeigt als Blockschaltbild einen Phasenregelkreis, in dem die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung Verwendung findet. Der Phasenregelkreis besteht aus einem Phasenvergleicher 1, dem an einem ersten Eingang 2 ein Referenzsignal und an einem zweiten Eingang 3 ein in seiner Frequenz entsprechendes Ist-Signal zugeleitet werden und der an einem Ausgang 4 ein Signal abgibt, das ein Maß für die Phasenabweichung zwischen dem Referenzsignal und dem Ist-Signal bildet (ungefiltertes Stellsignal). Dieses Signal wird über ein Schleifenfilter 5, beispielsweise einen Tiefpaß gefiltert und von dessen Ausgang 6 einem Oszillator 7 als Stellsignal zum Einstellen der Schwingfrequenz des Oszillators zugeführt.

Der Oszillator 7 umfaßt eine Anzahl N Verzögerungsstufen 11, 12, 13 bis 1N mit je einem Signaleingang 111, 121, 131 bis 1 N 1 und je einem Signalausgang 112, 122, 132 bis 1N 2. Die Verzögerungsstufen 11, 12, 13 bis 1N sind mit ihren Signalein- und -ausgängen derart zu einem Ring verbunden, daß der Signalausgang 112 der Verzögerungsstufe 11 mit dem Signaleingang 121 der Verzögerungsstufe 12, der Signalausgang 122 der Verzögerungsstufe 12 mit dem Signaleingang 131 der Verzögerungsstufe 13, usw., und schließlich der Signalausgang 1 N 2 der Verzögerungsstufe 1N mit dem Signaleingang 111 der Verzögerungsstufe 11 verbunden ist. Auf diese Weise durchläuft ein dem Signaleingang 111 der Verzögerungsstufe 11 zugeführtes Signal sämtliche Verzögerungsstufen und beginnt danach erneut den Durchlauf am Signaleingang 111. Jede der Verzögerungsstufen 11, 12, 13 bis 1 N weist eine gleiche Signallaufzeit T auf. Das ist die Zeit, die vom Zuführen einer Signaländerung an einem Signaleingang bis zur Abgabe einer dadurch ausgelösten Signaländerung am Signalausgang derselben Stufe vergeht. Die Signallaufzeiten T aller Verzögerungsstufen sind über Stelleingänge 113, 123, 133 bis 1 N 3 einstellbar, im vorliegenden Fall werden alle gemeinsam in gleicher Weise durch das Stellsignal eingestellt. Von jedem der Verbindungspunkte zwischen je einem Signaleingang 111, 121, 131 bis 1N 1 und einem Signalausgang 112, 122, 132 bis 1N 2 ist eine Anzapfung 114, 124, 134, 144, bzw. 1N 4 zu jeweils einem Eingang einer Umschaltstufe 20 bzw. eines von dieser umfaßten Wahlschalters 21 geführt. Über diese Anzapfungen wird jeweils eine Basisschwingung (1), (2) bis (N) des Oszillators 7 geleitet. Wie in der US-PS 39 31 588 beschrieben ist, haben je zwei an benachbarten Anzapfungen 114, 124, 134, 144 bzw. 1 N 4 liegende Basisschwingungen zueinander gleiche Phasenverschiebungen, wobei die Summe aller Phasenverschiebungen einem ganzzahligen Vielfachen von 360°C entspricht. Der Wahlschalter 21 verbindet wahlweise einen seiner Eingänge mit einem Ausgang 23. Diese Verbindung ist in der Fig. 1 als mechanischer Umschaltkontakt 22 dargestellt, jedoch kann der Wahlschalter 21 bevorzugt in der Art eines Multiplexers mit elektronischen Schaltern ausgeführt sein. Vom Ausgang 23 des Wahlschalters 21, der auch den Ausgang der Umschaltstufe 20 bildet, wird die jeweils ausgewählte Basisschwingung einem Fortschalteingang 24 einer Steuerung 25 zugeführt. Die Steuerung 25 gewinnt aus der Basisschwingung ein Fortschaltsignal, das über eine Fortschaltleitung 26 den Umschaltkontakt 22 des Wahlschalters 21 um k Schritte, d. h. um k Eingänge, in zyklischer Folge fortschaltet. Vorzugsweise erfolgt dieses fortschalten jedesmal dann, wenn in der Basisschwingung eine ansteigende Signalflanke auftritt. Die Zahl k ist dabei über einen Vorwahleingang 27 einstellbar. Dazu kann dem Vorwahleingang 27 beispielsweise ein entsprechendes, gegebenenfalls mehrstelliges binäres Signal zugeleitet werden. Der Aufbau einer derartigen Steuerung ist im Prinzip bekannt.

Vom Ausgang 23 der Umschaltstufe 20 wird das dort anliegende Signal außerdem einem Frequenzhalbierer 30 zugeleitet. Dieser besteht im vorliegenden Beispiel aus einem Flipflop, das derart geschaltet ist, daß an seinem Ausgang 31 eine Signal-Zustandsänderung auftritt, wenn am Ausgang 23 der Umschaltstufe 20 eine ansteigende Signalflanke erscheint. Das Signal am Ausgang 31 des Frequenzhalbierers 30 weist somit die halbe Frequenz des Signals am Ausgangs 23 der Umschaltstufe 20 auf. Zwischen der Frequenz f des Signals am Ausgang 31 und der Frequenz f 0 einer der Basisschwingungen, die in Fig. 1 von der Anzapfung 114 abgegriffen wird, besteht dann ein Frequenzverhältnis gemäß den oben aufgeführten Gleichungen.

In Fig. 1 ist weiterhin die Basisschwingung von der Anzapfung 114 über einen Frequenzteiler 32 als Ist-Signal dem zweiten Eingang 3 des Phasenvergleichers 1 zugeführt, wodurch der Phasenregelkreis geschlossen wird. Der Frequenzteiler 32 kann je nach dem einzustellenden Frequenzverhältnis von herkömmlicher Bauart oder auch erfindungsgemäß ausgestaltet sein. Es ist dann auch möglich, ihm mehrere Basisschwingungen zuzuleiten.

Die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 weist außerdem noch einen zweiten Frequenzhalbierer 34 auf, der an seinem Ausgang 33 ein Signal mit der halben Frequenz der Basisschwingung (1) von der Anzapfung 114 liefert. Die dargestellte Schaltungsanordnung erzeugt somit drei verschiedene Signale, die ein bestimmtes Frequenzverhältnis zueinander aufweisen. Wird beispielsweise N gleich 3 und k gleich 1 gewählt, verhalten sich die Frequenzen an den Punkten 33, 31 und 114 wie 2 : 3 : 4.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen Oszillator 7 für eine ungerade Anzahl N von Verzögerungsstufen 11, 12, 13 bis 1 N. Mit Fig. 1 übereinstimmende Schaltungsteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 sind die Verzögerungsstufen 11, 12, 13 bzw. 1 N durch Inverter 115, 125, 135 bzw. 1 N 5 gebildet, deren Signallaufzeit T einstellbar ist. Ein solcher Ringoszillator entspricht dem in der US-PS 39 31 588 beschriebenen Oszillator und wird untenstehend noch näher erläutert werden.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Ringoszillator 7 für eine gerade Anzahl von Verzögerungsstufen, nämlich N=4. Mit Fig. 1 übereinstimmende Schaltelemente sind wieder mit denselben Bezugszeichen versehen. Gegenüber dem Ringoszillator gemäß Fig. 2 werden nun geänderte Verzögerungsstufen 116, 126, 136, 146 verwendet, deren Aufbau an zwei Beispielen nachstehend erläutert wird.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine gerade Anzahl N von Verzögerungsstufen, nämlich N=6. Auch bei dieser Schaltungsanordnung unterscheiden sich die Verzögerungsstufen 116, 126, 136, 146, 156, 166 von der Ausführung gemäß Fig. 2.

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Gestaltung einer Verzögerungsstufe 116, 126, 136 bzw. 146 für den Oszillator gemäß Fig. 3. Diese Verzögerungsstufe besteht aus drei Invertern 117 und einer nichtinvertierenden Stufe 118, die zu einem Ring zusammengeschaltet sind und beide die gleiche Signallaufzeit T′ aufweisen, die über den Stelleingang 113 einstellbar ist. An dem Ring sind zwei Anzapfungen (a) und (c) vorgesehen, den Signaleingang 111 bzw. den Signalausgang 112 der Verzögerungsstufe 116 bilden. Die Summe der Signallaufzeiten zwischen den Anzapfungen (a) und (c) über die beiden Inverter 117 einerseits bzw. über den Inverter 117 und die nichtinvertierende Stufe 118 andererseits sind gleich groß. Anstelle der Kettenschaltung des Inverters 117 und der nichtinvertierenden Stufe 118 kann auch ein Inverter mit doppelter Signallaufzeit (zweimal T′) verwendet werden.

Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Ausgestaltung einer Verzögerungsstufe 116, die sowohl für den Oszillator gemäß Fig. 3 als auch für den nach Fig. 4 verwendet werden kann. Diese Anordnung besteht aus einem Ring aus fünf Invertern 217 bzw. 317, wobei die Inverter 217 eine Signallaufzeit T′ 2 und die Inverter 317 eine Signallaufzeit T′ 1 aufweisen mit T′ 2 : T′ 1 = 3 : 2. Dadurch ist die Summe der Signallaufzeiten T′ 2 der beiden Inverter 217 gleich der Summe der Signallaufzeiten T′ 1 der drei Inverter 317. An den Verbindungspunkten zwischen den Ketten aus den Invertern 217 und 317 sind Anzapfungen (a), (c) herausgeführt, außerdem ist zwischen dem zweiten und dem dritten Inverter 317 eine weitere Anzapfung (d) angeordnet. Die Anzapfungen dienen bei Zusammenschaltung der Verzögerungsstufen zu den Ringoszillatoren gemäß Fig. 3 und 4 als Signalein- bzw. -ausgänge. Die beiden übrigen Verbindungen zwischen den Invertern 217 bzw. 317 sind mit (e) bzw. (b) bezeichnet; entsprechend ist die bisher nicht genannte Verbindung zwischen den Invertern 117 in Fig. 5 mit (b) und die Verbindung zwischen der nicht invertierenden Stufe 118 und dem Invertern 117 mit (d) bezeichnet.

Anstelle der beiden Inverter 217 in Fig. 6 kann auch eine Kettenschaltung aus zwei weiteren Invertern 317 mit einer Signallaufzeit T′ 1 und einer nichtinvertierenden Stufe mit derselben Signallaufzeit verwendet werden.

Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Transistorschaltung, mit der die Inverter 115 bis 1 N 5, 117, 217 oder 317 verwirklicht werden können. Ein derartiger Inverter besteht aus drei MOSFETs, deren Source-Drain- Strecken zwischen einem Versorgungsspannungsanschluß 40 und Masse 41 in Reihe geschaltet sind und von denen zwei miteinander und mit Masse verbunden vom n-Kanal-Typ und der dritte vom p-Kanal-Typ sind. Die Gate-Anschlüsse des p-Kanal-MOSFETs 42 und des mit ihm unmittelbar verbundenen n-Kanal-MOSFETs sind miteinander zu einem Signaleingang 111 verbunden, während der Verbindungspunkt zwischen den Source-Drain-Strecken dieser MOSFETs den Signalausgang 112 bildet. Entsprechend bilden die genannten Verbindungspunkte auch bei den übrigen Invertern 115 bis 1N 5, 117, 217, 317 die Ein- bzw. Ausgänge. Der zwischen dem n-Kanal-MOSFET 43 und Masse 41 angeordnete weitere n-Kanal-MOSFET 44 stellt eine steuerbare Stromquelle dar, mit der die Signallaufzeit des Inverters beeinflußt werden kann. Fig. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Transistorschaltung, mit der eine nichtinvertierende Stufe 118 aufgebaut werden kann. Sie entspricht weitgehend der Schaltung nach Fig. 7; es ist lediglich der p-Kanal-MOSFET 42 durch einen n-Kanal-MOSFET 51 und der n-Kanal-MOSFET 43 durch einen p-Kanal-MOSFET 52 ersetzt worden. Die Signallaufzeit dieser nichtinvertierenden Stufe 118 wird wieder durch den n-Kanal-MOSFET 44 über die am Stelleingang 113 zugeführte Spannung eingestellt. Die Schaltungen nach den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen sind alle auf einem Halbleiterplättchen integrierbar und damit sehr platzsparend und kostengünstig auch im Zusammenhang größerer Schaltungskonzepte einsetzbar. Fig. 9 zeigt einige Signalverläufe einer Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2, bei der die Anzahl N der Inverter auf drei festgesetzt ist. An den Anzapfungen 114, 124 bzw. 134 treten dann die in Fig. 9 a) mit (1), (2) bzw. (3) analog zu Fig. 2 gekennzeichneten Basisschwingungen auf. Jeder der drei Inverter 115, 125 und 135 weist eine Signallaufzeit T auf. Die Periodendauer der Basisschwingungen beträgt das sechsfache der Signallaufzeit T.

Fig. 9 b) zeigt Signalverläufe für k = 1. Das bedeutet, daß bei jeder ansteigenden Signalflanke einer der Basisschwingungen die Steuerung 25 den Umschaltkontakt 22 zur nächsten der Anzapfungen 114, 124 bzw. 134 zyklisch fortschaltet. Am Ausgang 23 des Wahlschalters 21 tritt dann der in Fig. 9 b) in der oberen Kurve dargestellte Signalverlauf auf; am Ausgang 31 des Frequenzhalbierers 30 der in der unteren Kurve von Fig. 9 b) dargestellte Verlauf. Dieses Signal hat die Frequenz f = (3/4)f 0. Die mit einfacher Vollinie ausgezogenen Pfeile in Fig. 9 a) deuten das Umschalten von einer Basisschwingung zur nächsten im Wahlschalter 21 an.

Fig. 9 c) zeigt der Fig. 9 b) entsprechende Signalverläufe für k = 2. Am Ausgang 31 ergibt sich dann die Frequenz f = (3/2)f 0. Die mit doppelter Vollinie ausgezogenen Pfeile in Fig. 9 a) deuten das Umschalten von einer Basisschwingung zur zweitnächsten im Wahlschalter 21 an. Entsprechend erhält man für k = 3 die in Fig. 9 d) dargestellten Signalverläufe, wobei gilt: f = f 0/2.

Fig. 10 zeigt Signalverläufe für ein weiteres Schaltungsbeispiel gemäß Fig. 2. Dabei wurden N = 5 gewählt, so daß jetzt fünf Basisschwingungen (1) bis (5) wie in Fig. 10 a) dargestellt auftreten. Die Signallaufzeit jedes der Inverter 115 bis 155 beträgt wieder T. Die Periodendauer der Basisschwingungen beläuft sich nun auf das Zehnfache der Signallaufzeit T.

Die Fig. 10 b) bis f) zeigen die Signalverläufe am Ausgang 23 des Wahlschalters 21 (jeweils die obere Kurve) und am Ausgang 31 des Frequenzhalbierers 30 (jeweils die untere Kurve) für verschiedene Werte von k. Für die Frequenz f am Ausgang 31 lassen sich dabei in Abhängigkeit vom Wert für k im Vergleich zur Frequenz f 0 der Basisschwingungen die folgenden Verhältnisse einstellen.

k = 1: f = (5/6)f 0,
k = 2: f = (5/2)f 0,
k = 3: f = (5/8)f 0,
k = 4: f = (5/4)f 0,
k = 5: f = (1/2)f 0,

Entsprechend lassen sich weitere Beispiele für andere Werte von N und k aufstellen. Man erkennt, daß damit Frequenzverhältnisse zwischen f und f 0 über weite Wertebereiche wählbar sind.

Fig. 11 zeigt Signalverläufe zu der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 3. In Fig. 11 a) sind die vier phasenverschobenen Basisschwingungen (1) bis (4) an den Anzapfungen 114 bis 144 dargestellt. Die Signallaufzeit jeder der (veränderten) Verzögerungsstufen 116 bis 146 beträgt wieder T. Die Frequenz der einzelnen Basisschwingungen ist wieder mit f 0 bezeichnet, die Periodendauer der Basisschwingungen beträgt das vierfache der Signallaufzeit T.

Fig. 11 b) bis e) zeigt analog zu Fig. 9 b) bis d) bzw. Fig. 10 b) bis f) Signalverläufe an den Ausgängen 23 bzw. 31 für unterschiedliche Werte von k. Für die Frequenzen der Signale am Ausgang 31 ergibt sich:

k = 1: f = 2f 0,
k = 2: f = f 0,
k = 3: f = (2/3)f 0,
k = 4: f = (1/2)f 0.

Fig. 12 schließlich zeigt ein weiteres Beispiel für eine gerade Anzahl N von Verzögerungsstufen, nämlich die Signalverläufe der Schaltungsanorndung gemäß Fig. 4. An den Anzapfungen 114 bis 164 treten jetzt die in Fig. 12 a) mit (1) bis (6) bezeichneten Basisschwingungen auf. Diese sind gegeneinander wieder um die Signallaufzeit T der einzelnen (veränderten) Verzögerungsstufen 116 bis 166 phasenverschoben. Die Periodendauer einer Basisschwingung beträgt das sechsfache der Signallaufzeit T. Während bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 3 die einzelnen Basisschwingungen gegeneinander um 90° phasenverschoben sind (vergleiche Fig. 11 a)), beträgt jetzt die Phasenverschiebung zwischen je zwei Basisschwingungen 60°.

Die Fig. 12 b) bis g) zeigen wieder die Signalverläufe an den Ausgängen 23 bzw. 31 für unterschiedliche Werte von k. Es ergibt sich:

k = 1: f = 3f 0,
k = 2: f = (3/2)f 0,
k = 3: f = f 0,
k = 4: f = (3/4)f 0,
k = 5: f = (3/5)f 0,
k = 6: f = (1/2)f 0.

Fig. 13 zeigt zur Erläuterung der Entstehung der Basisschwingungen bei einer Schaltungsanordnung gemäß Fig. 3 ein Beispiel für einen Aufbau einer (veränderten) Verzögerungsstufe. Diese besteht - wie bereits oben erläutert - aus drei Invertern 117 und einer nichtinvertierenden Stufe 118, zwischen denen mit (a) bis (d) bezeichnete Verbindungen bestehen, durch die die Stufen 117, 118 zu einem Ring verbunden sind. Diese (veränderte) Verzögerungsstufe bildet für sich wieder einen Ringoszillator; an den Verbindungen zwischen den einzelnen Stufen treten die in Fig. 13 entsprechend mit (a) bis (d) gekennzeichneten Signalverläufe auf. Die Signallaufzeiten der Stufen 117, 118 sind im vorliegenden Beispiel gleichgroß zu T′ gewählt. Die in Fig. 13 dick ausgezeichneten Signalverläufe (a) und (c) sind an einen Signaleingang 111 bzw. einen Signalausgang 112 bildenden Anzapfungen herausgeführt. Zwischen ihnen tritt eine Signallaufzeit T auf, die dem zweifachen der Signallaufzeit entspricht. Die Signale (a) und (c) bilden für den Ringoszillator gemäß Fig. 3 zwei Basisschwingungen mit einer Phasenverschiebung von T entsprechend 90° oder einem Viertel der Periodendauer, der Basisschwingungen.

In Fig. 14 sind die Signalverläufe dargestellt, wie sie in einer Schaltungsanordnung gemäß Fig. 6 auftreten. Diese Schaltung bildet für sich wieder einen Ringoszillator, in dem die Inverter 217 eine Signallaufzeit T′ 2 und die Inverter 317 eine Signallaufzeit T′ 1 aufweisen. Dabei beträgt T′ 2 das Eineinhalbfache von T′ 1. Von den in Fig. 6 dargestellten fünf Verbindungen (a) bis (e) zwischen den Invertern sind drei als Anzapfungen herausgeführt, nämlich (a), (c) und (d). Zwischen den Verbindungen (a) und (d) ergibt sich dabei eine Signallaufzeit von T 1 entsprechend dem Zweifachen der Signallaufzeit T′ 1, zwischen den Verbindungen (c) und (a) entsprechend eine Signallaufzeit von T 2 die das Doppelte der Signallaufzeit T′ 2 ist.

Wie aus den Signalverläufen nach Fig. 14 deutlich wird, läßt sich die (veränderte) Verzögerungsstufe gemäß Fig. 6 sowohl im Ringoszillator nach Fig. 3 als auch in dem nach Fig. 4 einsetzen. Für die Verwendung in Fig. 3 werden die Anzapfungen an den Verbindungen (a) und (c) als Signalausgang 112 bzw. Signaleingang 111 geschaltet. Die Signale bilden dann zwei um 90° entsprechend T 2 gegeneinander phasenverschobene Basisschwingungen. Bei Verwendung im Ringoszillator nach Fig. 4 werden die Anzapfung an der Verbindung (a) als Signaleingang 111 und die Anzapfung an der Verbindung (d) als Signalausgang 112 verwendet. Die Signale an diesen Anzapfungen bilden dann zwei Basisschwingungen mit einer Phasenverschiebung von 60° entsprechend T 1. Im Vorstehenden ist die Funktion der beschriebenen Schaltungsanordnungen stets anhand von rechteckförmigen Signalen dargestellt worden. In der Praxis werden jedoch mehr oder weniger trapezförmige Signalverläufe auftreten, die jedoch an der Funktion der beschriebenen Schaltungsanordnungen nichts ändern. Im Grenzfall können sogar wenigstens nahezu sinusförmige Basisschwingungen auftreten, die ebenfalls ein einwandfreies Funktionieren der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 gewährleisten, sofern - wie in der Regel üblich - die Steuerung 25 und der Frequenzhalbierer 30 Eingangsleitungen mit definierten Schaltschwellen aufweisen. Gegebenenfalls kann die Zwischenschaltung eines Tiefpaßfilters erforderlich sein, um durch das Umschalten des Wahlschalters 21 entstehende Signalsprünge auszufiltern, die sonst unter Umständen in der Steuerung 25 und dem Frequenzhalbierer 30 zu Fehlfunktionen führen könnten.

Claims (10)

1. Schaltungsanordnung zur Erzeugung von im wesentlichen rechteckförmigen Schwingungen mit rationalzahligen Freuenzverhältnissen, gekennzeichnet durch einen Oszillator (7), der eine Anzahl von im wesentlichen rechteckförmigen Basisschwingungen ((1), (2), . . . (N)) gleicher Frequenz (f 0) liefert, deren Phase in gleichen Abständen (T) im Bereich eines ganzzahligen Vielfachen der Periode der Basisschwingung angeordnet sind, sowie durch eine Umschaltstufe (20), die nacheinander jeweils eine Basisschwingung ((1), (2), . . . (N)) in einer nach der Anordnung der Phasen bestimmten zeitlichen Reihenfolge ihrem Ausgang (23) zuführt und zu einem vorgegebenen Zeitpunkt der gerade zugeführten Basisschwingung ((1), (2), . . . (N)) von dieser zu einer weiteren umschaltet, wodurch am Ausgang (23) der Umschaltstufe (20) eine gegenüber den Basisschwingungen ((1), (2), . . . (N)) rationalzahlig frequenzgeteilte Schwingung abgegeben wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (7) nach Art eines Ringoszillators aufgebaut ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringoszillator (7) eine ungerade Anzahl (N) invertierender Verzögerungsstufen (115, 125, . . ., 1 N 5) umfaßt zur Erzeugung einer ungeraden Anzahl (N) von Basisschwingungen ((1), (2), . . . (N)).

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringoszillator (7) eine gerade Anzahl (N) Verzögerungsstufen (116, 126, . . ., 1 N 6) umfaßt, zur Erzeugung einer geraden Anzahl (N) von Basisschwingungen ((1), (2), . . . (N)).

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Verzögerungsstufe (115, . . ., 116, . . .) nach Art eines Ringoszillators ausgebildet ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltstufe (20) einen Wahlschalter (21) mit je einem Eingang (114, . . ., 1 N 4) für jede Basisschwingung ((1), (2), . . . (N)) und einem Ausgang umfaßt, der mit dem Ausgang (23) der Umschaltstufe (20) verbunden ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltstufe (20) eine Steuerung (25) aufweist, durch die der Wahlschalter (21) derart fortschaltbar ist, daß seine Eingänge (114, . . ., 1 N 4) in zyklischer Folge mit dem Ausgang (23) verbunden sind.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (25) den Wahlschalter (21) zum Zeitpunkt des Auftretens einer Signalflanke der gerade zugeführten Basisschwingung ((1), (2), . . . (N)) fortschaltet.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung den Wahlschalter (21) um jeweils einen oder mehrere Eingänge (114, . . , 1 N 4) in der zyklischen Folge fortschaltet, vorzugsweise um eine Anzahl (k) von Eingängen (114, . . . 1 N 4) kleiner oder gleich der Anzahl (N) der Basisschwingungen ((1), (2), . . . (N)).

10. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Frequenzhalbierer (30), dessen Eingang mit dem Ausgang (23) der Umschaltstufe (20) verbunden ist.