DE2735642C2

DE2735642C2 - Phasenverriegelungsschleife

Info

Publication number: DE2735642C2
Application number: DE2735642A
Authority: DE
Inventors: Wilfried Rene De Coninck; Jean Louis Ernest Raymond Brüssel Goret
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1976-08-20
Filing date: 1977-08-08
Publication date: 1982-05-19
Also published as: GB1533544A; US4117420A; DE2735642A1; FR2362528A1; CA1078472A; JPS5751775B2; JPS5326558A; AU2831477A; SE7709246L; NL7609251A; IT1084170B; NL174417B; AU510605B2; SE413450B; NL174417C; FR2362528B1

Description

Die Erfinduung betrifft eine Phasenverriegelungsschleife mit einem spannungssteuerbaren Oszillator sowie mit einem Phasendetektor, der aus dem Oszillatorsignal und einem mit periodischen Störungen behafteten Bezugssignal ein Ausgangssignal erzeugt, das als Stellsignal dem Oszillator über ein ein SDeicherelement enthaltendes Schleifenfilter zugeführt wird, das durch einen Steuerkreis zwischen einem ersten Zustand mit einem breiten Durchlaßband und einem zweiten Zustand mit einem schmalen Durchlaßband umschaltbar ist.

Phasenverriegelungsschleifen sind allgemein bekannt und werden häufig benutzt, um einen Oszillator auf bestimmte Komponenten eines dem Referenzsignaleingang des Phasendetektors angebotenen Frequenzspektrums zu verriegeln.

to Der Schleifenfilter ist zwischen einem ersten Zustand mit einem breiten Durchlaßband zur Verwirklichung einer großen Geräuschbandbreite der Phasenverriegelungsschleife, so daß ein großer Fangbereich und eine schnelle Verriegelung erhalten werden, und einem zweiten Zustand mit einem schmalen Durchlaßband zur Verwirklichung einer geringen Geräuschbandbreite der Schleife umschaltbar, um die Einflüsse des Rauschens und des Phasenzitterns des zugeführten Frequenzspektrums auf das Oszillatorsignal herabzusetzen (vgl.: F. M.

Cardner, Phaselock Techniques, John Wiley and Sons, Ine, 1966. S. 53).

Bei der Signalübertragung über Fernsprechkanäle wird das Phasenzittern, dem das zugeführte Frequenzspektrum ausgesetzt ist, durch vorwiegend mit der Netzspeisung zusammenhängende Instabilitäten der Trägeroszillatoren verursacht. Dieses Phasenzittern kann als eine Niederfrequenzmodulation aller Komponenten des zugeführten Frequenzspektrums durch ein nahezu sinusförmiges Signal mit einer Frequenz von 50 Hz betrachtet werden. Dies bedeutet, daß auch die auszuwählenden Komponenten von Seitenbandkomponenten in einem Frequenzabstand von 50 Hz und Vielfachen davon begleitet werden. Wenn sich das Schleifenfilter im ersten Zustand befindet (breites Durchlaßband), verursachen außer dem bereits vorhandenen Rauschen auch diese Seitenbandkomponenten Störungen im Regelsignal für den Oszillator, wobei die Komponente in einem Frequenzabstand von 50 Hz den größten Einfluß ausübt.

Bei Verwendung eines derartigen bekannten umschaltbaren Schleifenfiltcrs in einer Phasenverriegelungsschleife tritt der Nachteil auf, daß beim Umschalten des Schleifenfilters vom breiten zum schmalen Durchlaßband die bereits erreichte Anfangsverriegelung der Phasenverriegelungsschleife durch diese im Stellsignal vorhandenen Störungen verloren gehen kann.

Eine Phasenverriegelungsschleife der eingangs genannten Art ist aus der US-PS 36 20 426 bekannt. Auch dabei enthält das Bezugssignal eine periodische Störung. Zwar wird bei dieser bekannten Anordnung das Schleifenfilter vom breiten zum schmalen Durchlaßband umgeschaltet, wenn die Verriegelung dieser Schleife sowie gleichzeitig die Verriegelung einer weiteren Schleife erreicht ist, jedoch erfolgt die Umschaltung des Schleifenfilters unabhängig von dem momentanen Wert des Stellsignals, so daß auch hier die bereits erreichte Anfangsverriegelung verloren gehen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Phasenverriegelungsschleife der eingangs erwähnten Art zu schaffen, in der trotz des Rauschens und des Phasen/itterns des Frequenzspektrums die Möglichkeit des Verlorengehens der Anfangsveiriegclung beim

i>⁵ Umschalten des Schleifenfilters stark reduziert wird.

Die die Lösung dieser Aufgabe darstellende erfindungsgemäße Phasenverriegelungsschleife ist dadurch gekennzeichnet, daß eine an das Speicherelement des

jmschaltbaren Schieifenfilters angeschlossene Anordnung zur Bestimmung der Zeitpunkte vorhanden ist, zu Jenen der Momentanwert des im Speicherelement gespeicherten Signals nahezu gleich dem in einer Einrichtung aus dem Momentanwert des im Speicherelement gespeicherten Signals gebildeten Mittelwert des Stellsignals ist, und daß der Steuerkreis das Schleifenfilter nach dem Erreichen des Phastüsynchronismus nur zu einem von der an das Speicherelement angeschlossenen Anordnung bestimmten Zeitpunkt vom ersten zum ίο zweiten Zustand umschaltet

Auf diese Weise wird mit einfachen Mitteln erreicht, daß die einmal erreichte Verriegelung zuverlässig erhalten bleibt.

In der Zeitschrift» Electronics«, Juni 1977, Heft 12, Seite 132 ist eine Anordnung mit einer Phasenregelschleife angegeben, bei der abhängig von Amplitudenwerten auf den Regelkreis eingewirkt wird. Hierbei handelt es sich aber um einen Amplitudenschwund des Eingangssignals.

Aus der DE-OS 22 47 974 ist es bekannt, bei einer Oszillatorregelschleife in dem Phasenvergleich^ die Änderung des Mittelwerts der Spannung in Abhängigkeit von der Periodendauer zu berücksichtigen.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteran-Sprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine mit einem umschaltbaren Schleifenfilter versehene Phasenverriegelungsschleife, 3«

F i g. 2 den Verlauf einer Anzahl von Signalen, wie sie an bestimmten, unterschiedlichen Punkten in der Phasenverriegelungsschleife nach F i g. 1 auftreten,

F i g. 3 eine Anzahl von Diagrammen zur Erläuterung der Wirkungsweise des Steuerkreises in F i g. 1, «

Fig.4 eine abgewandelte Anordnung zum Bestimmen der erwähnten Zeitpunkte,

F i g. 5 eine ftinfache Ausführung eines umschaltbaren Schieifenfilters für die Verwendung in einer Phasenverriegelungsschleife nach F i g. 1.

Die Phasenverriegelungsschleife nach Fig. 1 enthält einen Phasendetektor 1 und einen spannungssteuerbaren Oszillator 2, dessen Ausgangssignal über eine Leitung 3 einem ersten Eingang 4 des Phasendetektors 1 zugeführt wird. An einen zweiten Eingang 5 des Phasendetektors 1 gelangt ein Referenzsignal. Der Phasendetektor 1 liefert an seinem Ausgang 6 ein Ausgangssignal, das über ein umschaltbares Schleifenfilter 7 als Stellsignal einem Steuereingang 8 des spannungssteuerbaren Oszillators 2 zur Regelung der 5J Frequenz des Oszillatorsignals zugeführt wird. Das umschaltbare Schleifenfilter 7 enthält im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 zwei miteinander verbundene Widerstände 9 und 10 mit einem kleinen bzw. großen Widerstandswert, deren gemeinsamer Verbindungs- ">5 punkt 11 mit dem Ausgang 6 des Phasendetektors 1 verbunden ist, wobei die Widerstände über Schalter 12 bzw. 13 mit einem invertierenden Eingang 14 eines Operationsverstärkers 15 verbunden sind, von dem ein nicht invertierender Eingang 16 an ein Referenzpotential gelegt ist.

Zwischen dem invertierenden Eingang 14 und einem Ausgang 17 des Operationsverstärkers 15 ist eine Impedanz aufgenommen, die bei der dargestellten Ausführungsform durch die Serienschaltung aus einem b"> als Speicherelement arbeitenden Kondensator 18 und einem Widerstand 19 gebildet wird. Der Ausgang 17 des ODerationsverstärkers (5 bildet einen Ausgang des Schleifenfilters 7 und ist mit dem Stelleingang 8 des spannungssleuerbaren Oszillators 2 verbunden.

Die Schalter 12 und 13, die z. B. als Feldeffekttransistoren (FET) ausgeführt sein können, werden vom Steuerkreis 20 durch Schaltsignale gesteuert, die aus einem bistabilen Element 21 herrühren, dessen Ausgänge 22 und 23 an die Gateelektroden der Feldeffekttransistoren 12 bzw. 13 angeschlossen sind. In einem ersten stabilen Zustand des bistabilen Elementes 21 ist der Schalter 12 leitend und der Schalter 13 gesperrt und befindet sich das Schleifenfilter 7 in einem ersten Zustand mit einem breiten Durchlaßband, da der Widerstand 9 mit geringem Widerstandswert eingeschaltet ist. In einem zweiten stabilen Zustand des bistabilen Elementes 21 ist der Schalter 13 leitend und der Schalter 12 gesperrt und das Schleifenfilter 7 befindet sich in einem zweiten Zustand mit einem schmalen Durchlaßband, da der Widerstand 10 mit großem Widerstandswert wirksam ist. Wenn im ersten Zustand (breites Durchlaßband) des Schleifenfilters 7 eine AnfangEverriegelung des Oszillatorsignals verwirklicht ist, zeigt das Stellsignal durch die vom Schleifenfilter 7 durchgelassenen Störungen Schwankungen, die unerwünschte Schwankungen in der Frequenz des Oszillatorsigna's verursachen. Zur Verringerung dieser Schwankungen wird das Schleifenfilter 7 in den zweiten Zustand mit schmalem Durchlaßband umgeschaltet. Das Erreichen der Anfangsverriegelung des Oszillatorsignals wird durch ein Verriegelungsmeldesignal angegeben, das auf verschiedene bekannte Weisen erhalten werden kann, beispielsweise mit Hilfe eines Quadraturphasendetektors, dem das Bezugssignal und das um 90° verschobene Oszillalorsignal zugeführt werden, wie solches im bereits erwähnten Buch von Gardner angegeben ist. Dieses Verriegelungsmeldesignal wird über eine Leitung 24 dem Steuerkreis 20 zugeführt. Um beim Verlust der Verriegelung das Schleifenfilter 7 aus dem zweiten zum ersten Zustand zurückzuschalten, ist das bistabile Element 21 mit einem Rückstelleingang 25 versehen, dem über ein invertierendes Element 26 das Verriegelungsmeldesignal zugeführt wird.

Bei der bisher beschriebenen bekannten Phasenverriegelungsschleife kann durch die Störungen im Regelsignal beim Umschalten des Schleifenfilters 7 zum zweiten Zustand mit schmalem Durchlaßband die Anfangsverriegelung wieder verloren gehen. Die endgültige Verriegelung wird auch dadurch unnötig verzögert, daß der Steuerkreis 20 beim Verlust der Verriegelung des Oszillatorsignals das Schleifenfilter 7 immer wieder aus dem zweiten in den ersten Zustand bringt.

Es wird die Möglichkeit des Verriegelungsverlustes beim Umschalten vom ersten zum zweiten Zustand des Schleifenfilters wesentlich dadurch verringert, daß eine an den als Speicherelement arbeitenden Kondensator 18 des umschaltbaren Schleifenfilters 7 angeschlossene Anordnung 27 zum Bestimmen der Zeitpunkte vorgesehen ist, zu denen der momentane Wert des im Kondensator 18 gespeicherten Signal» nahezu gleich dem Mittelwert des Stellsignals für den Oszillator 2 ist, und daß der Steuerkreis 20 derart eingerichtet ist, daß nach der Verriegelung das Umschalten des Schleifenfiltcrs 7 aus dem ersten zum zweiten Zustand zu einem der durch die Anordnung 27 bestimmten Zeitpunkte erfolgt.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist die Anordnung 27 an dem Knotenpunkt 28, d. h. an der Verbindung des Kondensators 18 und des Widerstandes 19, angeschlossen. Wenn angenommen wird, daß die im

Bezugssignal vorhandene Störung sinusförmig ist, hat das im Kondensator 18 gespeicherte und am Knotenpunkt 28 auftretende Signal nach der Anfangsvcrriegelung eine Form gemäß Fig. 2A. Das Signal besteht dabei aus einem mit F,i bezeichneten konstanten Term, der gleich dem Mittelwert des Stellsignals ist, und aus einem wechselnden Term F„ durch die sinusförmige Störung. Das am Knotenpunkt 28 erscheinende Signal gelangt an einen Eingang 29 der Anordnung 27, die bei der in Fig. 1 dai gestellten Ausführungsform ein Tiefpaßfilter 30 und einen Differenzverstärker 31 enthält, dem das dem Eingang 29 zugeführte und in Fig. 2A dargestellte Signal einerseits direkt und zum anderen über das Filter 30 zugeführt wird.

Der Verlauf des am Ausgang des Filters 30 auftretenden Signals ist in Fig. 2B dargestellt und stellt im wesentlichen den Mittelwert des Stellsignals dar. Durch den Differenzverstärker 31 wird der Unterschied zwischen den zugeführten Signalen bestimmt, die in F i g. 2A und F i g. 2B dargestellt sind. Der Differenzverstärker 31 wird durch die zugeführten Signale derart übersteuert, daß an seinem Ausgang 32 Impulse auftreten, deren Flanken die Zeitpunkte bestimmen, zu denen der momentane Wert des im Kondensator 18 gespeicherten Signals nahezu gleich dem Mittelwert des Stellsignals ist. Diese Ausgangsimpulse sind in Fig. 2C angegeben.

Die am Ausgang 32 des Differenzverstärkers 31 auftretenden Ausgangsimpulse gelangen über die Leitung 33 zu einer Gatterschaltung 34, die einen Teil des Steuerkreises 20 bildet. Über die Leitung 24 gelangt an die Gatterschaltung 34 auch das bereits erwähnte Verriegelungsmeldesignal über eine Verzögerungsschaltung 35 zum Überbrücken der Dauer der Einschwingerscheinungen des Filters 30. An einem Ausgang der Gatterschaltung 34 treten Setzimpulse auf, um das bistabile Element 21 aus dem ersten in den zweiten stabilen Zustand zu bringen, wenn beim Auftreten des Verriegelungsmeldesignals eine Flanke der über die Leitung 33 zugeführten Ausgangsimpule auftritt.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise des Slcucrkreises 20 sind in Fig. 3 einige Zeitdiagramme dargestellt. In F i g. 3A ist das Verriegelungsmeldesignal dargestellt, das über die Leitung 24 zugeführt wird. Dadurch wird angegeben, daß nach dem Zeitpunkt ii das Oszillatorsignal verriegelt ist F i g. 3B zeigt das von der Verzögerungsschaltung 35 verzögerte Verriegelungsmeldesignal, wobei τ die Verzögerungszeit der Verzögerungsschaltung 35 ist Die am Ausgang 32 des Differenzverstärkers 31 auftretenden Ausgangsimpulse sind in F i g. 3C dargestellt, und F i g. 3D zeigt die durch die Gatterschaltung 34 gelieferten Setzimpulse für das bistabile Element 21. Wenn das Oszillatorsignal nicht verriegelt ist, wird der in Fig. 3E dargestellte Rückstellimpuls dem Rückstelleingang 25 des bistabilen Elements 21 zugeführt.

In F i g. 3F und F i g. 3G sind die an den Ausgängen 22 und 23 abgegriffen und den Gaterelektroden der Feldeffekttransistoren 12 bzw. 13 zugeführten Schaltsignale dargestellt. Dabei befindet sich das Schleifenfil-

■-, ter 7 bis zum Zeitpunkt h im ersten Zustand (breites Durchlaßband) und nach dem Zeitpunkt t₂ im zweiten Zustand (schmales Durchlaßband).

Bei der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform hat das Filter 30 für eine ausreichend genaue Annäherung

lü des Mittelwertes des Stellsignals eine verhältnismäßig niedrige Grenzfrequenz, z.B. von 15Hz, und eine entsprechend lange Einschwingzeit, die von der erwähnten Verzögerungsschaltung 35 überbrückt werden muß.

π Fig. 4 zeigt eine Abwandlung der in Fig. 1 dargestellten Anordnung 27. Diese Anordnung enthält ebenfalls ein Tiefpaßfilter 30 und einen Differenzverstärker 31, unterscheidet sich jedoch von der in der Fig. 1 dargestellten Anordnung 27 durch einen zwischen dem Filter 30 und dem Differenzverstärker 31 angeordneten Verzögerungskreis 36 zum Korrigieren der vom Filter 30 eingeführten Phasenverschiebung. Das Ausgangssignal des Verzögerungskreises 36 ist in Fig. 2D dargestellt, und die dabei am Ausgang 32 des Differenzverstärkers 31 auftretenden Ausgangsimpulse sind in F i g. 2E wiedergegeben.

Bei dieser Ausführungsform wird ein genauer Hinweis auf die Zeitpunkte erhalten, zu denen der momentane Wert des im Kondensator 18 gespeicherten

jo Signals gleich dem Mittelwert des Stellsignals ijt, trotz einer höheren Grenzfrequenz des Filters 30, z. B. von 30 Hz, und somit einer kürzeren Einschwingzeit.

In Fig. 5 ist eine einfache Ausführungsform eines umschaltbaren Schleifenfilters 7 dargesteiit, wobei die dem Schleifenfilter nach Fig. 1 entsprechenden Elemente mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind. So enthält dieses Schleifenfilter ebenfalls zwei miteinander verbundene Widerstände 9 und 10, die über Schalter 12 bzw. 13 mit dem als Speicherelement arbeitenden Kondensator 18 verbunden sind. In dieser Ausführungsform wird das Stellsignal für den Oszillator 2 am Kondensator 18 abgegriffen, und dieses Stellsignal ist somi; gleich der im Kondensator 18 gespeicherten Spannung.

Es sei bemerkt, daß es unter bestimmten Umständen zum Aufrechterhalten der Stabilität der Phasenverriegelungsschleifen nach F i g. 1 notwendig sein kann, den Wert des Widerstandes 19 dem schmalen Durchlaßband des Schleifenfilters 7 anzupassen. Dies läßt sich beispielsweise dadurch verwirklichen, daß statt des Widerstandes 19 zwischen dem Kondensator 18 und dem Ausgang i/ zwei WidersiaiidSiweige mit jeweils einem Schalter in jedem Zweig aufgenommen werden. Das Umschalten kann durch Betätigung dieser Schalter synchron mit den Schaltern 12 und 13 mit Hilfe des bistabilen Elementes 21 erfolgen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Phasen Verriegelungsschleife mit einem spannungssteuerbaren Oszillator sowie mit einem Phasendeteklor, der aus dem Oszillatorsignal und einem mit periodischen Störungen behafteten Bezugssignal ein Ausgangssignal erzeugt, das als Stellsignal dem Oszillator über ein ein Speicherelement enthalten des Schleifenfilter zugeführt wird, das durch einen Steuerkreis zwischen einem ersten Zustand mit einem breiten Durchlaßband und einem zweiten Zustand mit einem schmalen Durchlaßband umschaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine an das Speicherelement (18) des umschaltbaren Schleifenfilters (7) angeschlossene Anordnung (27) zur Bestimmung der Zeitpunkte vorhanden ist, zu denen der Momentanwert des im Speicherelement (18) gespeicherten Signals nahezu gleich dem in einer Einrichtung (30) aus eiern Momentanwert des im Speicherelement (18) gespeicherten Signals gebildeten Mittelwert des Stellsignals ist, und daß der Steuerkreis (20) das Schleifenfilter (7) nach dem Erreichen des Phasensynchronismus nur zu einem von der an das Speicherelement (18) angeschlossenen Anordnung (27) bestimmten Zeitpunkt vom ersten zum zweiten Zustand umschaltet.

2. Phasenverriegelungsschleife nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung (27) als Einrichtung (30) zur Mittelwertbildung ein Tiefpaßfilter aufweist und außerdem einen Differenzverstärker enthält, daß das im Speicherelement (18) gespeicherte Signal einerseits direkt und zum anderen über das Tiefpaßfilter (30) dem Differenzverstärker (31) zugeführt wird und daß die Flanken der am Ausgang (32) des Differenzverstärkers (31) auftretenden Ausgangsimpulse die Umschaltung des Schleifenfilters (7) steuern.

3. Phasenverriegelungsschleife nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Tiefpaßfilter (30) und dem Differenzverstärker (31) ein Verzögerungskreis (36) zum Korrigieren der vom Tiefpaßfilter (30) eingeführten Phasenverschiebung aufgenommen ist.

4. Phasenverriegelungsschleife nach Anspruch 2 oder 3 mit einer Einrichtung zum Erzeugen eines Verriegelungsmeldesignals bei Erreichen der Verriegelung, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkreis (20) mit einer Gatterschaltung (34), der einerseits über eine Verzögerungsschaltung (35) das Verriegelungsmeldesignal und andererseits die Ausgangsimpulse des Differenzverstärkers (31) zugeführt werden, und mit einem bistabilen Element (21) versehen ist, dem die Ausgangsimpulse der Gatterschaltung (34) als Setzimpulse und über ein invertierendes Element (26) das Verriegelungsmeldesignal als Rückstellsignal zugeführt werden und das die Schaltsignale für das Schleifenfilter (7) liefert.