-
Schaltungsanordnung zur Steuerung eines
-
spannungsabhängigen Oszillators Die Erfindung bezieht sich auf eine
Schaltungsanordnung zur Steuerung eines spannungabhängigen Oszillators mit einem
Referenzoszillator und einem nachgeschalteten Frequenzteiler, dessen Ausgangssignal
mit dem Ausgangssignal eines vom spannungsabhängigen Oszillator beeinflußten Frequenzteilers
verglichen wird zur Erzeugung eines den spannungsabhängigen Oszillator über ein
aktives Filter nachstellenden Signals.
-
Schaltungsanordnungen dieser Art sind grundsätzlich bekannt und werden
häufig auch als "Phasen-lock-loop-Schaltungen" bezeichnet.
-
Bei den in diesen Schaltungsanordnungen eingesetzten Phasenkomparatoren
handelt es sich um digitale Komparatoren, d.h. die zwei getrenntenAusgänge geben
je nach Verschiebungsrichtung der Eingangssignale jeweils
entsprechende
Impulse ab, 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 von Null bestehen, welche sicherstellt,
daß jede kleinste Phasenänderung auch eine entsprechende proportionale Änderung
der Impulsbreiten bei 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 am mit dem zugeordneten
Ausgang des Phasenkomparators verbunden sind. Zwei jeweils aus einem Widerstand
und einem Kondensator 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.
-
Ein solches aktives Filter kann aber nicht verhindern, daß das erzeugte
Nachstellsignal Anteile enthält, welche den spannungsabhängigen Oszillator modulieren.
Ursache hierfür. ist die sogenannte Offset-Spannung an den Eingängen des aktiven
Filters (Offset = die Ablage der Eingangsspannung von
Null Volt
bei einer Ausgangsspannung von Null Volt).
-
Diese Offset-Spannung hat, wenn der spannungsabkiängige 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 der 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 Ausgangs signal des spannungsabhängigen
Oszillators zu vermeiden. Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe dadurch gelöst,
daß die Koppelwiederstände zwischen den beiden Ausgängen des Phasenkomparators und
den beiden Eingängen des aktiven Filters durch jeweils gleich dimensionierte Gleichrichterschaltungen
überbrückt sind, deren über Ladewiderstände aufladbare Kondensatorein sich über
mit den Abgriffen an den Eingängen des aktiven Filters liegende Spannungsteiler
entladen.
-
Die erfindungsgemäße Maßnahme führt zu einer Kompensation der Offset-Spannung
am Eingang des aktiven Filters und beseitigt damit die Ursache für die Phasenmodulation
des spannungabhängigen Oszillators. Dabei ist es sinnvoll die Ausgänge des Phasenkomperators
jeweils über den Ladewiderstand, eine Diode und einen Kondensator zum Bezugspotential
(Masse) zu führen und die Verbindungspunkte der Dioden und Kondensatoren mit dem
zugeordneten Eingang des aktiven Filters über je einen Entladewiderstand 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 entsteht daher eine geglättete Gleichspannung, 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 verkUrzen
und die Kompensation der Offset-Spannung mit den zuvor gespeicherten Spannungswerten
der Kondensatoren überbrücken.
-
Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen: 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 sind. 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 Phasenkomp -rators 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 zugeordr.reten
Ausgang D,U des Phasenkomparators 12 verbundenen Ladewiderstand 30, einer Diode
31 einem von der Kathode der Diode 31 nach Masse führenden Kondensa.-tor 32, sowie
einem vom Hochpunkt des Kondensators
32 zum jeweiligen Eingang des
Operationsverstärkers 20 führenden Entladewiderstandes 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.
-
abgeleiteten Entladung abhängen. Da diese Ladungsmengen im abgeglichenen
Zustand gleich sind, kann für beide Zweige folgende Beziehung aufgestellt werden:
Hierbei bedeuten UO die Impulsspannung an einem Ausgang des Phasenkomparators 12,
tR die Dauer eines Ausgangsimpulses des Phasenkomparators und T die Periodendauer
der Vergleichsfrequenz der im Phasenkomparator verglichenen Signale. Uc 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 Uc an den Kondensatoren 32 am stärksten ändert, wenn Uc = Uo/2 oder T/tR
5 (R33 + R25)/R30 wird. Die um den Faktor R25/(R33 + R25) g Spannung Uc der Kondensatoren
32 bewirkt als Differenz mit den über die Koppelwiderstände 25 zugeführte 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 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.
Leerseite