DE4320087C1

DE4320087C1 - Steuergenerator mit Phasenregelschleife

Info

Publication number: DE4320087C1
Application number: DE4320087A
Authority: DE
Inventors: Oswald Dipl Ing Hermann; Erwin Dipl Ing Bratzdrum
Original assignee: Katek GmbH
Current assignee: Interessengemeinschaft fuer Rundfunkschutzrechte GmbH Schutzrechtsverwertung and Co KG
Priority date: 1993-06-17
Filing date: 1993-06-17
Publication date: 1994-08-18
Anticipated expiration: 2013-06-18

Description

Frequenzgeneratoren mit sog. PLL (Phase Lock Loop), d. h. einer einrastenden Phasenregelschleife, sind bekannt und nach dem Stand der Technik im allgemeinen so ausgeführt, daß die von einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) erzeugte Schwingung über einen Frequenzteiler auf den Wert eines z. B. quarzgesteuerten Referenzoszillators herunter geteilt und in einer Frequenz- und Phasenvergleichsschal tung verglichen wird. Die hier gewonnene, von der Frequenz- bzw. Phasenabweichung beider Schwingungen abhängige Regel spannung wird zur entsprechenden Nachsteuerung der VCO- Frequenz benutzt, so daß diese nach Ausregelung der ur sprünglich vorhandenen Frequenzdifferenz phasenstarr durch die Referenzfrequenz synchronisiert wird (a), (b). Aus der anfäng lichen Frequenzabweichung zwischen der Referenzfrequenz und der heruntergeteilten Frequenz des frei schwingenden VCO resultiert im eingerasteten Zustand eine feste Phasen differenz zwischen beiden Schwingungen, die jedoch für den technischen Einsatz des Generators praktisch ohne Bedeu tung ist. In Anwendungsfällen, wo das doch der Fall ist, kommen restfehlerfreie Regelsysteme zum Einsatz, welche ebenfalls in diversen Ausführungsformen bekannt sind, und mit welchen die Phasendifferenz exakt auf null gere gelt werden kann.

Im allgemeinen werden bei derartigen Generatoren Frequenz teiler mit ganzzahligen (n) Teilungsverhältnissen (1/n) eingesetzt. Damit sind aber nur Frequenzsprünge möglich, die ganzzahlige Vielfache der Referenzfrequenz sind.

Um die Ausgangsfrequenz in möglichst kleinen Schritten verändern zu können, muß eine niedrige Referenzfrequenz gewählt werden. Dabei ist aber von Nachteil, daß längere Einschwingzeiten und stärkeres Phasenrauschen die Einsatz möglichkeiten solcher Generatoren entsprechend einschränken.

Um auch mit einer höheren Referenzfrequenz kleinere Fre quenzschritte realisieren zu können, kommen Schaltungen mit komplizierteren Frequenzteilern zur Anwendung.

Mit Einsatz eines zusätzlichen ganzzahligen Teilers von der Form 1/2n+1 und Nachschaltung eines Verdopplers (c) er reicht man so z. B. eine Teilung vom Wert 2/2n+1, d. h. es ergeben sich in der möglichen Ausgangsfrequenz weitere Zwischenschritte im Abstand der halben Referenzfrequenz.

Mit der Forderung noch kleinerer Frequenzschritte würde aber der Aufwand für die weiteren und zudem höherfrequent auszulegenden Teiler und Vervielfacher so groß, daß auf diesem Wege keine praktisch brauchbare Problemlösung zu erreichen ist.

Eine andere Möglichkeit, kleinere Frequenzschritte zu re alisieren bieten die sog. "Fraktional-n-Teiler", welche innerhalb einer längeren Teilungsfolge mit dem Wert 1/n - davon abweichend einmalig oder mehrmalig - eine Teilung mit den Faktor 1/n+1 ausführen. Bei einer Folge von z. B. 9 Teilungen mit 1/n und einer Teilung mit 1/n+1 würde im Mittel eine Teilung von 1/n+0,1 resultieren, d. h. man er hält Zwischenschritte im Abstand von 1/10 der Referenzfre quenz (d).

Nachteil dieser Anordnung ist vor allem, daß bei jedem vom Normalwert 1/n abweichenden, mit dem Faktor 1/n+1 erfolgendem Teilungsvorgang in der Phasenvergleichsschal tung ein Nachregelimpuls erzeugt wird, welcher im spannungs gesteuerten Oszillator (VCO) einen entsprechenden Phasen sprung bzw. Störhub zur Folge hat. Diese Störungen treten dann als unerwünschte Nebenwellen in Erscheinung, die nur durch aufwendige Kompensationsschaltungen wieder besei tigt werden können.

Aufgabe der Erfindung ist es, für einen Steuergenerator nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 eine Teiler konfiguration zu entwickeln, mit welcher es gelingt, die Ausgangsfrequenz des Generators bei vertretbarem Mehrauf wand in kleinen Schritten verändern und zugleich eine höhere Referenzfrequenz mit den damit verbundenen Vorteilen der kürzeren Einschwingzeit und des geringeren Phasenrauschens verwenden zu können, ohne aber damit Nachteile in Gestalt unerwünschter Störfrequenzen und entsprechend aufwendige Kompensationsschaltungen zu deren Beseitigung in Kauf neh men zu müssen.

Diese Aufgabe wird durch Anwendung der im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen technischen Maßnahmen gelöst.

Die Erfindung wird anhand der Abbildungen im folgenden näher erläutert.

Abb. 1 zeigt das Blockschaltbild einer Anordnung nach dem Stand der Technik mit einem spannungsgesteuerten Oszil lator 1 (VCO), einem ganzzahligen Teiler 2, einer Frequenz- und Phasenvergleichsschaltung 3, einem z. B. quarzgesteuer ten Referenzoszillator 4 und einem Schleifenfilter 5 zur Siebung der dem VCO 1 zugeführten Regelspannung.

Bei der in Abb. 2 dargestellten Anordnung gemäß der Erfin dung tritt an die Stelle des Teilers 2 der bekannten Schal tung der Direkte Digitale Synthesizer 6 (DDS), bestehend aus dem Addierwerk 7, dem Speicher 8 und dem D/A-Wandler 9. Bedarfsweise ist dem Synthesizer 6 noch ein Vorteiler 11 mit ganzzahligem, geringwertigem Teilungsfaktor vorgeschaltet. Als Taktfrequenz wird dem Synthesizer 6 die Ausgangsfrequenz des Steuergenerators direkt oder evtl. über den Vorteiler 11 zugeführt.

Erfindungsgemäß ist es die Aufgabe des Synthesizers 6, aus seiner Taktfrequenz - das ist die jeweilige Ausgangsfre quenz des Generators - auf digitalem Wege mit frei pro grammierbarem Teilungsfaktor eine Frequenz abzuleiten, welche näherungsweise mit der Referenzfrequenz überein stimmt, so daß die Ausgangsfrequenz über die Phasenregel schleife 3,5 mit der Referenzfrequenz synchronisiert werden kann, und zwar auch für etwa gebrochene Teilerverhältnisse. Erfindungsgemäß gelingt dieses in der Weise, daß den Takt steuerimpulsen für die Auslesung der im Speicher 8 abgeleg ten Sinus-Amplitudenwerte in laufender Folge nur solche Phasenwerte zugeordnet werden, deren zugehörige Amplituden werte mit großer Genauigkeit eine Sinusschwingung generie ren, welche in ihrer Frequenz der Referenzfrequenz sehr nahe kommt. Die Festlegung der Zuordnung geeigneter Pha senwerte zur Folge der Taktsteuerimpulse erfolgt im Addier werk 7 mit Eingabe eines für den gewünschten Wert der Aus gangsfrequenz charakteristischen binären Steuerwortes. Die ses wird in der Prozessorschaltung 10 - z. B. aus über ein Tastenfeld einzugebenden Daten - aufbereitet.

Bei einer gegebenen Referenzfrequenz wird der kleinstmög liche Frequenzschritt in einem bestimmten Ausgangsfrequenz bereich durch die Länge des Steuerwortes, d. h. durch die Anzahl seiner einzelnen Binärwerte, der sog. Bitbreite, festgelegt. In entsprechender Weise ist auch der Speicher 8 auszulegen, daß in ihm die erforderliche Anzahl von Ampli tudenwerten der Bitbreite entsprechend abgespeichert wer den kann.

Der erfindungsgemäße Steuergenerator vereinigt in sich eine Vielzahl technischer Vorteile, wie sie mit bekannten Schal tungen nicht oder zumindest nicht in vollem Umfang reali siert werden können.

Vor allem wichtig erscheint der Vorteil, daß der Generator nach der Erfindung auch mit einer Hohen Referenzfrequenz in kleinen Frequenzschritten einstellbar ist, wobei mit der Höhe der Referenzfrequenz zugleich sichergestellt wird, daß auch extreme Qualitätsforderungen in Bezug auf kurze Einschwingzeiten und geringes Phasenrauschen erreicht werden.

Darüberhinaus ist die erzeugte Ausgangsspannung äußerst oberwellenarm und frei von sporadischen Störhüben, so daß Korrektur- und Kompensationsschaltungen aller Art nicht er forderlich sind.

Als weiterer Vorteil ist zu vermerken, daß der Generator über eine Eingabe geeigneter Steuerworte auf digitalem Wege sowohl phasen- als auch frequenzmoduliert werden kann.

Unter all diesen Gegebenheiten bleibt der Aufwand bei dem erfindungsgemäßen Steuergenerator relativ gering.

Eine erste Weiterbildung der Erfindung beinhaltet bei einem Steuergenerator mit Phasenregelschleife nach Anspruch 1 die technische Lehre gemäß dem Kennzeichen des Anspruchs 2.

Insbesondere bei Forderungen nach extrem hohen Generator- Ausgangsfrequenzen ist der Einsatz eines zusätzlichen festen Vorteilers von Vorteil, da dann auch in diesem Fall der Synthesizer 6 mit einer entsprechend niedrigeren Taktfre quenz zu steuern ist, so daß dessen Module, das Addierwerk 7, der Speicher 8 und der D/A-Wandler 9 nicht auf extrem hohe Frequenzen ausgelegt werden müssen, d. h. auch in einem sol chen Fall mit den Standart-Bauelementen bestückt bleiben können.

Eine andere Weiterbildung der Erfindung liegt darin, daß bei einem Steuergenerator mit Phasenregelschleife nach Anspruch 1 oder 2 die Maßnahmen gemäß dem Kennzeichen von Anspruch 3 zur Anwendung kommen.

Voraussetzung für die jeweilige Frequenzeinstellung des Steuergenerators nach der Erfindung auf die möglichen und fallweise gewünschten Ausgangsfrequenzen ist die Eingabe des entsprechenden Steuerwortes in das Phasen-Addierwerk 7. Diese u. U. komplizierte Binärzahl wird vorteilhafterweise in einer Prozessorschaltung 10 aufbereitet, welche die Umrechnung der z. B. über ein Tastenfeld einzugebenden Da ten der gewünschten Ausgangsfrequenz bzw. eines gewünschten Frequenzschrittes in das zugehörige Steuerwort übernimmt und dieses als Digitalsignal ausgibt.

Fundstellen zum Stand der Technik:

(a) radio fernsehen elektronik, 1985, H.1, S. 48-51
(b) telcom report 9, 1986, H.4, S. 263-269
(c) SCHOMANDL Test-Receiver ME 1000, Baujahr 1988/89
(d) Elektronik, Nr. 3/1992, S. 82/83

Claims

1. Steuergenerator mit Phasenregelschleife, bestehend aus einem spannungsgesteuerten Oszillator VCO (1), einem Referenzoszillator (4), einem programmierba ren Frequenzteiler (2), einer Frequenz- und Phasen vergleichsschaltung (3) und einem als Tiefpaß wir kenden Schleifenfilter (5), dadurch gekennzeichnet, daß der programmierbare Teiler (2) als direkter digitaler Synthesizer DDS (6) ausgeführt ist, wel cher aus einem getakteten Addierwerk (7), einem Da tenspeicher (8) und einem Digital-Analog-Wandler (9) besteht, daß die Oszillatorfrequenz zugleich Takt frequenz des Addierwerkes (7) ist, in welchem durch Eingabe eines frei wählbaren binären Steuerwortes der Adresscode zum Auslesen der im Datenspeicher (8) abgelegten Amplitudenwerte einer Sinus-Schwingung aufaddiert wird, daß die Auslesung mit der gleichen Taktfrequenz erfolgt und daß vom Ausgang des folgen den D/A-Wandlers (9) die mit dem gewünschten, belie big gebrochenen Faktor geteilte Oszillatorfrequenz abgenommen und der Phasenvergleichsschaltung (3) zugeführt wird.

2. Steuergenerator mit Phasenregelschleife nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem direkten digita len Synthesizer (6) als Taktfrequenz zugeführte Ein gangsspannung mittels eines festen Vorteilers (11) mit ganzzahligem Teilungsfaktor aus der Oszillator frequenz abgeleitet wird.

3. Steuergenerator mit Phasenregelschleife nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Prozessor schaltung (10) vorgesehen ist, welche das für die Auf addierung des Adresscodes im Addierwerk (7) benötigte Steuerwort unmittelbar aus dem über ein Tastenfeld ein gegebenen gewünschten Frequenzwert aufbereitet und ausgibt.