DE2505479A1

DE2505479A1 - Phasenkomparator und verfahren zu seinem betrieb

Info

Publication number: DE2505479A1
Application number: DE19752505479
Authority: DE
Inventors: Karlheinrich Dipl In Horninger
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1975-02-10
Filing date: 1975-02-10
Publication date: 1976-08-19
Also published as: US4039859A; JPS51105754A; FR2300459A1; CA1056912A; IT1055084B; FR2300459B1; GB1544435A

Description

Phasenkomparator und Verfahren zu seinem Betrieb

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Phasenkomparator mit mindestens zwei Signalvergleichseingängen.

Phasenkomparatoren sind "bekannt und werden beispielsweise von M. Elphick unter dem Titel "Focus on Comparator ICs" in Electronic Design 22, Oct. 26, 1972, S. 52-58 bzw. von L.Altman unter dem Titel "Bridging the analog and digital words with linear ICs" in Electronics, June 5, 1972, S. - 98 beschrieben. Es handelt sich dabei um integrierte Phasenkomparatoren, die als Differenzverstärker aufgebaut sind. Das Ausgangssignal des Komparators steht als Analogsignal zur Verfugung. Um den unterschiedlichen Phasenwinkel zweier Eingangssignale digital angeben zu können, muß dem Phasenkomparator ein Analog-Digital-Ümwandler nachgeschaltet werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Phasenkomparator anzugeben, der ohne großen zusätzlichen Schaltungsaufwand wahlweise ein digitales oder analoges Ausgangssignal zu liefern imstande ist.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß wenigstens eine Widerstandsleitung oder -kette und ein oder mehrere Spannungswertvergleicher vorhanden sind, daß jeweils ein erster Vergleichereingang eines jeden Spannungswertvergleichers an die Widerstandsleitung angeschlossen ist, daß ein Ende der Widerstandsleitung über eine erste Gleichspannungssperre mit dem ersten SignalVergleichseingang verbunden ist und daß der zweite Signalvergleicbseingang über einen Inverter und eine zweite Grleicbspannungssperre an das andere Ende der Widerstandsleitung angeschlossen ist. Unter Gleicbspannungssperre sei dabei VPA 9/710/4161 Ed/Sti 6 0 9 8 3 A /Ό 5 1 3

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jede Vorrichtung verstanden, die den GIeichspannungaanteil einer Wechselspannung eliminiert, also nur die Wechselspannung durchläßt. Danach eignen sich als Gleichspannungssperre sämtliche Frequenzfilter, die mindestens die Gleichspannung unterdrücken. Solche Filter könnsn "beispielsweise aus Kondensatoren, Widerständen und/oder Transformatoren hergestellt werden. Vorteilhaft ist es jedoch, wenn Jede Gleichspannungssperre aus einem Kondensator ."besteht. Die Kapazität jedes dieser Kondensatoren richtet sich dabei in bekannter Weise nach der zu übertragenden Frequenz, d.h. nach der Frequenz des Eingangssignals.

Vorteilhafterweise ist ein vorstehend angegebener Phasenkomparator so ausgebildet, daß jeder Spannungswertvergleicher wenigstens einen Transistor aufweist, daß der Steuerelektrodenanschluß des Transistors den ersten Vergleichereingang, ein weiterer Transistoranschluß den zweiten Vergleichereingang und der dritte Transistoranschluß den Ausgang des Spannungswertvergleichers bildet. Dabei ist es für den Fall, daß das Ausgangssignal des Phasenkomparator in digitaler Form ausgegeben werden soll, zweckmäßig, wenn an dem dritten Transistoranschluß eines jeden Transistors ein Lasteleraent angeschlossen ist, welches mit seinem freien Ende an eine Bezugsspannungsquelle anschließbar ist. Vorzugsweise besteht das · Lastelement aus mindestens einem Widerstand.

Vorteilhafterweise ist für den Fall, daß das Ausgangssignal in analoger Form entnommen w-erden soll, ein vorstehend beschriebener Phasenkomparator so ausgebildet, daß die Ausgänge der Spannungswertvergleicber an eine zweite Widerstandsleitung oder -kette angeschlossen sind und daß an mindestens einem Abgriffpunkt der zweiten Widerstandsleitung mindestens ein Widerstand angeschlossen ist.

Zweckmäßig ist es, wenn bei jedem der vorstehend beschriebenen Phasenkomparatoren die Signalvergleichseingänge nach freier

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¥abl über einen Schalter verbindbar sind. Torzugsweise ist der Schalter ein elektronischer Schalter.

Pur den Pail, daß das Ausgangssignal in digitaler Porm entnommen werden soll, werden die betreffenden, vorstehend beschriebenen Phasenkomparatoren vorteilhafterweise so betrieben, daß an ein Ende der Widerstandsleitung eine feste Spannung angelegt und an das andere Ende eine eingeprägte Stromquelle angeschlossen wird, daß die zweiten ■Vergleichereingänge sämtlicher Spannungswertvergleicher auf eine feste Referenzspannung, die gleich dem arithmetischen Mittel der beiden, an den Enden der Widerstandsleitung anliegenden, durch die Stromquelle und Spannungsquelle erzeugten Spannungen ist, gelegt werden, daß an jeden Signalvergleichseingang jeweils eines von zwei zu vergleichenden EingangsSignalen gegeben wird und daß an sämtlichen Vergleicherausgängen das Ausgangssignal des Phasenkomparators parallel ,entnommen wird.

Pur den Pail, daß das Ausgangssignal in analoger Porm entnommen werden soll, v/ird ein betreffender, vorstehend beschriebener Phasenkomparator vorteilhafterweise so betrieben, daß an ein Ende der Widerstandsleitung eine feste Spannung angelegt und an das andere Ende eine eingeprägte Stromquelle angeschlossen wird, daß die zweiten Vergleichereingänge sämtlicher Spannungswertvergleicher auf eine feste Referenzspannung gelegt werden, wobei die Referenzspannung gleich dem arithmetischen Mittelwert aus den beiden, an den Enden der Widerstandsleitung- anliegenden, durch die Spannungsquelle und die Stromquelle erzeugten Spannungen ist, daß an die beiden Enden der zweiten Widerstandsleitung eine feste Spannung angelegt wird, daß an den freien Anschluß des Widerstandes eine weitere feste Spannung angelegt wird, daß an jedem Signalvergleichseingang jeweils eines von zwei zu vergleichenden Eingangs Signalen gegeben wird und daß am Abgriffpunkt das Ausgangssignal des Phasenkomparators entnommen wird. Vorteilhafterweise wird an die Enden der zweiten Widerstandsleitung die Referenzspannung angelegt.

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Die Vorteile des angegebenen Phasenkomparator liegen aarin, daß er ohne großen schaltungstechnischen Aufwand wahlweise ein digitales oder analoges Signal liefert. Damit sind keine teuren Analog-Digital-Wandler erforderlich. Außerdem kann er leicht auf einem Halbleiterkörper, beispielsweise in MOS-Technologie, integriert werden.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren erläutert.

Figur 1 zeigt das Schaltbild eines Phasenkomparator, bei dem das Ausgangssignal als Digitalwort entnommen wird.

Figur 2 zeigt den jeweiligen Spannungsabfall entlang der Widerstandsleitung bei verschiedenen Eingangssignalen.

Figur 3 zeigt die Ausgangskennlinie der in Figur 1 dargestellten Schaltungsanordnung in Abhängigkeit vom Phasenwinkel.

Figur 4 zeigt die Schaltungsanordnung eines Phasenkomparators, bei dem das Ausgangssignal als Analogsignal entnommen wird.

Figur 5 und Figur 6 zeigen vorteilhafte Realisierungsmöglichkeiten der in Figur 1 und Figur 4 dargestellten Schaltbilder.

In der in Figur 1 dargestellten Schaltungsanordnung eines Phasenkomparator sind an die Widerstandsleitung 1 über die ersten Vergleichereingange 21 bis 61 die Spannungswertvergleicher 2 bis 6 angeschlossen. Die zweiten Vergleichereingänge 22 bis 62 sind durch eine elektrische Leitung 7 miteinander verbunden. Ein Signalvergleichseingang 18 ist über eine GleichSpannungssperre 13 mit einem Ende 11 der Widerstandsleitung, der andere Signalvergleicbseingang 19 ist über einen Inverter 15 und über eine G-leichspannungssperre 14 mit dem anderen Snae 12 der Widerstandsleitung verbunden.

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Beim Betrieb des in Figur 1 dargestellten Phasenkomparators wird an das eine Ende 11 der Widerstandsleitung eine feste Spannungsquelle 16 und an das andere Ende 12 eine eingeprägte Stromquelle 17 angeschlossen. An die elektrische Leitung 7 wird eine feste Referenzspannung angelegt. Jeweils eines der "beiden zu vergleichenden Eingangssignale wird an den Signalvergleichseingang 18 angelegt, während das andere auf den Signalvergleichseingang 19 gegeben wird,' Außerdem werden beim Betrieb die Spannungswertvergleieher an die Versorgung angeschlossen.

Anhand der Figur 2 sei die Wirkungsweise des Phasenkomparators beschrieben. In der Figur 2 geben die Geraden 100 bis 300 den Spannungsabfall entlang der Widerstandsleitung von einem Ende 11 bis zum anderen Ende 12.für verschiedene zu vergleichende Eingangssignale an. Gerade 100 gebe den Spannungsabfall an, wenn die Eingangssignale beide 0 sind. U-. sei dabei die Spannung am Ende 11, Up sei die Spannung am Ende 12 der Widerstandsleitung. Werden an die Eingänge 18 und 19 Signale angelegt, so überlagern sich diese den Spannungen U^ bzw. T^. Sind beide Signale gleichphasig, so sind sie wegen des Inverters 15 an den Enden derWiderstandsleitung um 180 Grad phasenverschoben. Das bedeutet, daß eine Spannungsänderung um einen bestimmten Betrag in einer Richtung am Ende 11 der Widerstandsieitung eine Spannungsänderung um den gleichen Betrag in entgegengesetzter Richtung am Ende 12 der Widerstandsleitung nach sich zieht. Die gestrichelt gezeichnete Gerade 200 gibt den momentanen Spannungsabfall entlang der Widerstandsleitung für einen solchen Fall an. Danach verändert sich der Punkt 400 auf der Widerstandsleitung, an dem die mittlere Spannung U«.=- (U-j +"0^)/2 herrscht, nicht. Sind jedoch die Eingangssignale nicht gleichphasig, so sind die Spannungshübe an den Enden der

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Widerstandsleitung nicht gleich oder nicht entgegengesetzt gerichtet. Die strichpunktierte Gerade 300 gibt den momentanen Spannungsabfall für einen solchen Fall an. Der Ort der mittleren Spannung U,, hat sich danach an den Punkt verschoben. Legt man nun an die Leitung 7 als Referenzspannung die Spannung TJ,, , so geben sämtliche Spannungswertvergleicher, die links vom Punkt 400 bzw. Punkt 500 an die Widerstandsleitung angeschlossen sind., das Signal " <C ( ^> )ü"m" ^{αηα a}ü^e Spannungswertvergleicher, die rechts vom Punkt 400 bzw. Punkt 500 angeschlossen sind, das Signal " ^ ( < )TXjv[^{ir a}^-· Die Anzahl derjenigen Spannungswertvergleicher, die das Signal " > ( <C ) Π,»" abgeben,hängt linear von der Phasenverschiebung ab.

In der Figur 3 ist schematisch die Ausgangskennlinie des Phasenkomperators in Abhängigkeit vom Phasenwinkel dargestellt. Auf der Abszisse ist der Phasenwinkel ψ , auf der Ordinate die Anzahl der Spannungswertvergleicher und damit zugleich die Anzahl der Bits aufgetragen. Unter der Voraussetzung, daß der Spannungsabfall entlang der Widerstandsleitung von links nach rechts abfällt und daß dem Signal ">Ü_M" ein positiver Spannungswert zugeordnet wird, ergibt sich die nach rechts steigende Treppenfunktion 600.

Es ist auch möglich, Spannungswertvergleicher zu verwenden, die nur bei Koinzidenz der beiden Eingangs spannungen am Ausgang ein Signal abgeben. Die Stelle, an welcher dieses Signal erscheint, ist ein Maß für die Phasenverschiebung.

In der Figur 4 ist die Schaltungsanordnung eines Phasenkomparators dargestellt, bei dem das Ausgangssignal als Analogsignal entnommen wird. Der Ausgang eines jeden Spannungswertvergleichers ist an eine zweite Widerstandsleitung oder -kette 25 angeschlossen. An einem Abgriffpunkt dieser Widerstandsleitung ist ein Widerstand 210 angeschlossen. Die Schaltungsanordnung wird wie die in Figur 1 angegebene

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betrieben. Zusätzlich werden jedoch die beiden Enden 211 und 212 der zweiten Widerstandsleitung auf eine feste Spannung, beispielsweise die mittlere Spannung U_M gelegt und an das freie Ende 213 des Widerstandes 210 wird ebenfalls eine feste Spannung angelegt. Das Ausgangssignal wird am Abgriffpunkt 214 entnommen. Je nachdem , wie viele Spannungswertvergleicher beispielsweise das Signal " > U„^M abgeben, ändert sich die Spannung am Abgriffpunkt 214. Durch geeignete Wahl der Widerstandswerte zwischen den Anschlußpunkten der Yergleicherausgänge an die zweite Widerstandsleitung und durch geeignete Wahl der Spannungswertvergleicher kann ein beliebiger funktioneller Zusammenhang zwischen der AusgangsSpannung U. und dem Phasenwinkel f erreicht werden. So kann die Ausgangsspannung U. beispielsweise linear, quadratisch, exponentiell usw. vom Phasenwinkel abhängig gemacht v/erden. Die Gleichspannungssperren sind in Figur 4 und in den folgenden Figuren durch die Kondensatoren 131 und I4I realisiert, In den Figuren 5 und 6 sind vorteilhafte Realisierungsmöglichkeiten der in· Figur 1 und Figur 4 dargestellten Schaltungsanordnungen angegeben. In der Figur 5 sind die Spannungswertvergleicher einzeln durch die Transistoren 20 bis 60 und durch die Widerstände 120 bis 160 als Lastelemente realisiert. Der Steuerelektrodenanschluß 201 bis 601 eines jeden Transistors ist an die Widerstandsleitung 1 angeschlossen, während je ein zweiter Transistoranschluß 202 bis 602 an die Leitung 7 angeschlossen ist. An die dritten Transistoranschlüsse 203 bis sind die Widerstände 120 bis 160 angeschlossen. Sämtliche Widerstände 120 bis 160 sind durch eine elektrische Leitung 70 zusammengeschaltet. Beim Betrieb des Phasenkomparators wird diese Leitung 70 auf eine feste Bezugsspannung gelegt. Als Transistoren 20 bis 60 sind bipolare Transistoren oder Feldeffekttransistoren geeignet. Torzugsweise iirerden Feld„ effekttransistoren verwendet. Bei Terwandang von bipolaren Transistoren ist bei der Wahl der festen Bszugsspannung an der Leitung 70 auf die Durchlaßrichtung der Transistoren zu achten. Vorzugsweise wird als fest® Bezugsspannung die Ύ@τ°-

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sorgungsspannung gewählt. Das Ausgangssignal des Pbasenkomparators wird den Anschlüssen 203 Ms 603 parallel entnommen.

Der in Figur 6 dargestellte Phasenkomparator unterscheidet sich von dem in Figur 5 dadurch, daß die Transistoranschlüsse 203 bis 603 direkt an die zweite Widerstandsleitung 25 angeschlossen sind! Die in Figur 5 notwendigen Lastelemente sind in Figur 6 nicht unbedingt erforderlich und können daher entfallen. Als Transistoren eignen sich auch hier bipolare oder Feldeffekttransistoren.

Die in Figur 5 und 6 dargestellten Phasenkomparatoren lassen sich sehr leicht auf einem Halbleiterchip integrieren. Die Widerstandsleitung kann als durchgehende Leitung oder als eine aus diskreten Einzelwiderständen aufgebaute Leitung ausgeführt sein.

TJm vor einer Messung die durch den Inverter 15 verursachte Phasenverschiebung abgleichen zu können, ist es zweckmäßig, die beiden Signalvergleichseingänge 18 und 19 über einen Schalter zu verbinden. Vorzugsweise ist dieser Schalter ein elektronischer Schalter.

12 Patentansprüche
6 Figuren

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Claims

-g.

Patentansprüche

1.^Phasenkomparator mit mindestens zwei Signalvergleichseingängen, dadurch gekenna e ichnet , daß wenigstens eine Widerstandsleitung oder -kette (1) und ein oder mehrere Spannungswertvergleicher (2, 3, 4» 6) vorhanden sind,» daß jeweils ein erster Yergleichereingang (21 ₉ 31₉ 41» 61) eines jeden Spannungswertvergleichers an die Widerstands—, leitung angeschlossen ist, daß ein Ende (11) der Widerstandsleitung über eine erste Gleichspannungssperre (1.3) roit dem ersten Signalvergleichseingang verbunden ist und daß der zweite Signalvergleichseingang über einen Inverter (15) und eine zweite Gleichspannungssperre (14) an das andere Ende (12) der Widerstandsleitung angeschlossen

2. Phasenkomparator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß jede Gleichspannungssperrs aus einem Kondensator (131, 141) "besteht.

3. Phasenkomparator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e kennzeichnet , daß jeder Spannungswertvergleicher wenigstens einen Transistor (20, 3Q₂ 40» 60) aufweist, und daß der Steuerelektrodenanschluß (201, 301, 401 601) des Transistors den ersten Tergleichereingang, ein weiterer Transistoranschluß (202, 302,.402, 602) den zwei-. ten Vergleichereingang und der dritte Transistoranscbluß (203, 303, 403, 603) den Ausgang des Spannungswertvergleiobers bildet.

4. Phasenkomparator nach Anspruch 3, dadurob gekennzeichnet , daß an den dritten Transistoranscbliiß eines jeden Transistors ein Lastelement (120, 130, 140, 160) angeschlossen ist, welches mit seinem freien End® an eine Bezugsspannungsquelle anschließbar ist.

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-ΙΟΙ?. Phasenkomparator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Lastelement ans laindestens einem Widerstand "besteht.

6. Phasenkomparator nach Anspruch 3₉ 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet , daß jeder der Tranaistoren ein Feldeffekttransistor ist_s

?<, Phasenkomparator nach Anspruch 1, 2_g 3, 4, 5 oder 6₉ dadurch gekennzeichnet , daß die Ausgänge (23_s 33, 43» 203, 303, 403» 603) der Spannungswertvergleicher an eine zweite Widerstandsleitung oder -kette (25) angeschlossen sind und daß an mindestens einem Abgriffpunkt (214) der zweiten Widerstandsleitung mindestens ein Widerstand (210) angeschlossen ist .

8* Phasenkomparator nach Anspruch 1_S 2₅ 3_? 4_S S₅, β oder 7_S dadadurch gekennzeichnet _g daß die Signalvergleichseingänge nach freier Wahl über einen Schalter (80) verbindbar sind.

9. Phasenkomparator nach Anspruch 8_? dadurch gekenn ζ ei cbn e t , daß der Schalter ein elektronischer Schalter ist.

10. Verfahren zum Betrieb eines Phasenkomparator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch geken-nseichziet", daß an ein Ende der Widerstandsleitung eine feste Spannung angelegt und an das andere Ende eine eingeprägte Stromquelle (17) angeschlossen v/ird, daß die zweiten Tergleiehereingänge sämtlicher Spannungswertvergleicher auf eine feste Referenzspannung, die gleich dem arithmetischen Kittel der "beiden^ aa äen Enden der Widerstandsleitung anliegend en _s äiirch ca ie Stromquelle und Spannungsquelle erzeugten Spannung ist, gelegt werden, daß an jeden Signalvergleiobsaingang .jeweils eines von zwei zu vergleichenden Eingangssign&len gegeben wird und daß an sämtlichen Yergleisberausgängse. ä&.s Ausgangs signal des

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Phasenkomparators parallel entnommen wird.

11. Verfahren zum Betrieb eines Phasenkomparator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß an ein Ende der Widerstandsleitung eine feste Spannung angelegt und an das andere Ende eine eingeprägte Stromquelle (17) angeschlossen wird, daß die zweiten Vergleichereingänge sämtlicher Spannungswertvergleicher auf eine feste Referenzspannung gelegt werden, wobei die Referenzspannung gleich dem arithmetischen Mittelwert aus den "beiden, an den Enden der Widerstandsleitung anliegenden, durch die feste Spannung und die eingeprägte Stromquelle erzeugten Spannungen ist, daß an die beiden Enden (211, 212) der zweiten Widerstandsleitung eine feste Spannung angelegt wird, daß an den freien Anschluß (213) des Widerstandes (210) eine weitere feste Spannung angelegt wird, daß an jedem Signalvergleichseingang jeweils eines von zwei zu vergleichenden Eingangssignalen gegeben wird und daß am Abgriffspunkt (214) das Ausgangssignal des Phasenkomparators entnommen wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß an die beiden Enden der zweiten Widerstandsleitung die Referenzspannung angelegt wird.

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