DE3232519A1 - SIGNAL GENERATOR - Google Patents
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Description
Beschreibungdescription
Die vorliegende Erfindung betrifft einen programmierbaren Signalgenerator, dessen Oszillatorfrequenz durch ein digitales Steuersignal gesteuert ist.The present invention relates to a programmable signal generator, the oscillator frequency by a digital Control signal is controlled.
Die Verwendung von programmierbaren Signalgeneratoren wächst, da derartige Generatoren direkt beispielsweise durch Computer gesteuert werden können, um eine Vielzahl von Signalformen mit unterschiedlichen Frequenzen bzw. Folgefrequenzen zu erzeugen. Bei einem Typ eines programmierbaren Signalgenerators wird ein digitales Steuersignal in einen Digital-Analog-Wandler eingespeist, der seinerseits eine Steuerspannung für einen spannungsgesteuerten Oszillator liefert, so daß ein Ausgangssignal mit einer durch das digitale Steuersignal bestimmten Frequenz erzeugt wird. Das digitale Steuersignal kann mehrere Bits breit sein, um eine hochgenaue AusgangsSignalfrequenz zu erzeugen. Die tatsächliche Frequenz kann sich jedoch aufgrund von Verstärkungsun(3. Versatzfehlern im Digital-Analog-Wandler und im spannungsgesteuerten Oszillator ändern. Darüber hinaus kann die Ausgangsfrequenz ziemlich unstabil sein und aufgrund von Temperaturänderungen oder anderen physikalischen Einflüssen triften. Obwohl das digitale Steuersignal sehr stabil und bis zu einem hohen Grad aufgelöst sein kann, kann sich dennoch die Ausgangsfrequenz des Signalgenerators um 5% oder mehr ändern.The use of programmable signal generators is growing, since such generators can be controlled directly, for example by computers, in order to generate a large number of signal shapes with different frequencies or repetition frequencies. In one type of programmable signal generator, a digital control signal is fed into a digital-to-analog converter which in turn supplies a control voltage for a voltage-controlled oscillator so that an output signal is generated at a frequency determined by the digital control signal. The digital control signal can be several bits wide in order to generate a highly accurate output signal frequency. However, the actual frequency can change due to gain and offset errors in the digital-to-analog converter and the voltage controlled oscillator. In addition, the output frequency can be quite unstable and drift due to temperature changes or other physical influences. Although the digital control signal is very stable and can be resolved to a high degree, the output frequency of the signal generator can still change by 5% or more.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Signalgenerator mit genauerer Ausgangssignalfrequenz durch Selbstjustierung auf einen genauen und stabilen Ausgangsfrequenzwert anzugeben.The present invention is therefore based on the object of providing a signal generator with a more precise output signal frequency to be specified by self-adjustment to an exact and stable output frequency value.
Diese Aufgabe wird bei einem programmierbaren Signalgenerator der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.^In the case of a programmable signal generator of the type mentioned at the outset, this object is achieved according to the invention by the features of the characterizing part of claim 1 solved. ^
Der erfindungsgemäße programmierbare Signalgenerator besitzt ein Rückkoppelsteuersystem, das die Ausgangsfrequenz überwacht und das digitale Steuersignal auf einen Wert einstellt, welcher die erwünschte Frequenz genau ergibt. Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird das digitale Steuersignal über einen Digital-Analog-Wandler in einen spannungsgesteuerten Oszillator eingespeist. Die Zeitdauer für wenigstens eine Periode des Ausgangssignals wird durch eine Periodenmeßstufe gemessen, deren ,Q Ausgangssignal zur Justierung des digitalen Steuersignals auf einen geeigneten Wert dient.The programmable signal generator according to the invention has a feedback control system that controls the output frequency monitors and adjusts the digital control signal to a value which exactly gives the desired frequency. According to a particular embodiment of the invention the digital control signal is fed into a voltage-controlled oscillator via a digital-to-analog converter. The duration for at least one period of the output signal is measured by a period measuring stage, whose , Q output signal for adjusting the digital control signal serves to a suitable value.
Weitere Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.Further refinements of the inventive concept are characterized in the subclaims.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:The invention is explained in more detail below with reference to the exemplary embodiments shown in the figures of the drawing explained. It shows:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines programmierbaren Signalgenerators mit einem erfindungsgemäßen Rückkoppelsteuersystem; Fig. 1 is a block diagram of a programmable signal generator with a feedback control system according to the invention;
Fig. 2 ein detailliertes Blockschaltbild eines spannungs- _p- gesteuerten Oszillators zur Verwendung im erfindungsgemäßen Signalgenerator; und2 shows a detailed block diagram of a voltage-controlled oscillator for use in the invention Signal generator; and
Fig. 3 ein detailliertes Blockschaltbild einer Periodenmeßstufe zur Verwendung im erfindungsgemäßen Signalgenerator. 3 shows a detailed block diagram of a period measuring stage for use in the signal generator according to the invention.
Gemäß Fig. 1 liefert ein Prozessor 10 ein Frequenzsteuersignal in Form von parallelen Digitaldaten für einen Digital-Analog-Wandler 12 zur Umwandlung in eine analoge Steuerspannung. Der Prozessor 10 kann beispielsweise ein Mikroprozessor-System mit einem Speicher mit wahlfreiem Zugriff1, a processor 10 provides a frequency control signal in the form of parallel digital data for a digital-to-analog converter 12 for conversion into an analog control voltage. The processor 10 can, for example, be a microprocessor system with a random access memory
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für eine Zwischenspeicherung und einem Festwertspeicher zur Speicherung von Programmbefehlen sein. Die digitalen Steuerdaten zur Einstellung der Signalgeneratorfrequenz können über eine an den Prozessor 10 angekoppelte (nicht dargestellte) Tastatur eingegeben werden. Wenn die gewünschte Frequenz zunächst über die Tastatur eingegeben wird, so berechnet der Prozessor 10 den geeigneten Wert des Frequenzsteuersignals für den Digital-Analog-Wandler 12 und damit dessen Ausgangssteuerspannung, welche in einen spannungsgesteuerten Oszillator 14 eingespeist wird. Dieser spannungsgesteuerte Oszillator 14 erzeugt als Funktion der Steuerspannung ein Ausgangssignal, dessen Frequenz gleich oder etwa gleich (beispielsweise in einem Bereich von 5%) der gewünschten, durch die digitalen Steuerdaten vorgegebenen programmierten Frequenz ist. Das Ausgangssignal steht an einem Ausgang 16 zur Verfügung und wird in eine Periodenmeßstufe 18 eingespeist. Der Prozessor 10 initiiert sodann die Periodenmessung einer Periode des Äusgangssignals in der Periodenmeßstufe 18. Dies erfolgt generell durch Zählung schneller Impulse von einem Referenzoszillator während der Dauer einer Periode des Ausgangssignals. Der Referenzoszillator 20 kann zweckmäßigerweise ein Kristalloszillator sein, der ein stabiles Referenzfrequenzsignal mit gegenüber der Frequenz des Ausgangssignals vom spannungsgesteuerten Oszillator wesentlich höherer Frequenz, so daß genaue Periodenmessungen durchführbar sind.for intermediate storage and a read-only memory for storing program instructions. The digital Control data for setting the signal generator frequency can be sent via a (not keyboard shown). If the desired frequency is first entered via the keyboard, so the processor 10 calculates the appropriate value of the frequency control signal for the digital-to-analog converter 12 and thus its output control voltage, which is fed into a voltage-controlled oscillator 14. This The voltage-controlled oscillator 14 generates, as a function of the control voltage, an output signal whose frequency is the same or approximately the same (for example in a range of 5%) as the desired, predetermined by the digital control data programmed frequency. The output signal is available at an output 16 and is converted into a Period measuring stage 18 fed. The processor 10 then initiates the period measurement of a period of the output signal in the period measuring stage 18. This is generally done by counting fast pulses from a reference oscillator for the duration of one period of the output signal. The reference oscillator 20 can expediently be a crystal oscillator be that of a stable reference frequency signal with a significantly higher frequency than the frequency of the output signal from the voltage-controlled oscillator, so that precise period measurements can be carried out.
Die resultierende Periodeninformation wird in den Prozessor 10 eingegeben, welcher die Daten liest und den Prozentsatz des Frequenzfehlers des Ausgangssignals des spannungsgesteuerten Oszillators in bezug auf den programmierten Wert berechnet. Der Prozessor 10 modifiziert sodann die parallelen Digitaldaten für den Digital-Analog-Wandler 12 durch den inversen Wert des Frequenzfehlers, so daß die Ausgangsfrequenz auf den gewünschten Wert korrigiert wird. Diese Sequenz wird wiederholt, bis die Ausgangsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 14 in einem vorgegebenenThe resulting period information is fed into processor 10 which reads the data and the percentage the frequency error of the output signal of the voltage controlled Oscillator calculated with respect to the programmed value. The processor 10 then modifies the parallel ones Digital data for the digital-to-analog converter 12 by the inverse value of the frequency error, so that the output frequency is corrected to the desired value. This sequence is repeated until the output frequency of the voltage controlled oscillator 14 in a predetermined
Fehlerband um die programmierte Frequenz liegt. Es ist zu bemerken, daß die vorstehend erläuterte Operation durch das Programm im Prozessor 10 gesteuert wird. Darüber hinaus können der Prozessor 10 und die Periodenmeßstufe 18 die Ausgangssfrequenz auf einer periodischen Basis routinemäßig überwachen, um eine Langzeit-Ausgangsfrequenzstabilität zu gewährleisten.Error band is around the programmed frequency. It should be noted that the above-mentioned operation is supported by the Program in processor 10 is controlled. In addition, the processor 10 and the period measuring stage 18 can Routinely monitor the output frequency on a periodic basis for long-term output frequency stability to ensure.
Wie aus den vorstehenden Ausführungen folgt, bringt der erfindungsgemäße programmierbare Signalgenerator die Ausgangsfrequenz in den Grenzen des Digital-Analog-Wandlers und dem Auflösungsvermögen der Periodenmessung sowie der Genauigkeit und der Frequenz des Referenzoszillatorsignals so nahe wie möglich an den gewünschten Wert heran. Bei einer praktischen Ausfuhrungsform wurde die Frequenzgenauigkeit von einem unkorrigierten Wert von 5% auf einen Wert von 0,1% korrigiert.As follows from the above, the programmable signal generator according to the invention brings the output frequency within the limits of the digital-to-analog converter and the resolution of the period measurement as well as the Accuracy and the frequency of the reference oscillator signal as close as possible to the desired value. at Frequency accuracy became a practical embodiment corrected from an uncorrected value of 5% to a value of 0.1%.
Die Einzelheiten einer Ausführungsform eines spannungsgesteuerten Oszillators 14 sind in Fig. 2 dargestellt. Eine Spannungsquelle 22 und eine Stromsenke 2 4 sind an einen elektronischen Schalterkreis 26 angekoppelt, welcher einen Ausgang 28 als Funktion des Ausgangsimpulses von einem Pegeldetektor 30 entweder an die Stromquelle 22 oder die Stromsenke 24 ankoppelt. Die Strompegel der Kreise 22 und 24 ändern sich als Funktion der vom Digital-Analog-Wandler 12 kommenden analogen Steuerspannung. Ein Kondensator 32 liegt zwischen dem Ausgang 28 und dem Schalterkreis 26. Ein Pufferverstärker 34 speist die Spannung am Kondensator 32 in den Pegeldetektor 30 ein. Der Pufferverstärker 34 ist zweckmäßigerweise ein als Source-Folger betriebener Feldeffekttransistor, so daß der Kondensator 32 eine hohe Impedanz sieht, durch die eine Stromentkopplung für den Ausgangssignalzweig erfolgt. Der Pegeldetektor 30 erfaßt vorgegebene obere und untere Pegel der Ausgangsspannung des Pufferverstärkers 34, um einen rechteckförmi-The details of one embodiment of a voltage controlled Oscillators 14 are shown in FIG. A voltage source 22 and a current sink 2 4 are on an electronic switch circuit 26 is coupled, which has an output 28 as a function of the output pulse from a level detector 30 is coupled either to the current source 22 or the current sink 24. The current levels of circuits 22 and 24 change as a function of the analog control voltage coming from the digital-to-analog converter 12. A capacitor 32 lies between the output 28 and the switching circuit 26. A buffer amplifier 34 feeds the voltage at Capacitor 32 in level detector 30. The buffer amplifier 34 is expediently a source follower operated field effect transistor, so that the capacitor 32 sees a high impedance, through which a current decoupling for the output signal branch. The level detector 30 detects predetermined upper and lower levels of the output voltage of the buffer amplifier 34 in order to
gen Impuls zu erzeugen, welcher in den Ausgang 16 und in den elektronischen Schalterkreis 26 eingespeist wird. Wenn der Ausgang 28 des elektronischen Schalters 26 an die Stromquelle 22 angekoppelt ist, so fließt Strom in den Kondensator 32, wodurch an diesem eine Sägezahnspannung mit positiver Steigung erzeugt wird. Wenn die Sägezahnspannung den vorgegebenen oberen Pegel des Pegeldetektors 30 erreicht, so wird dessen Ausgangssignal geschaltet, wodurch der neue Spannungspegel in den elektronischen Schalter 28gen impulse, which in the output 16 and in the electronic switch circuit 26 is fed. When the output 28 of the electronic switch 26 to the Current source 22 is coupled, current flows into the capacitor 32, whereby a sawtooth voltage is also applied to it positive slope is generated. When the sawtooth voltage reaches the predetermined upper level of the level detector 30, so its output signal is switched, whereby the new voltage level in the electronic switch 28
IQ eingespeist wird, so daß der Ausgang 28 an die Stromsenke 24 angekoppelt wird. In diesem Zustand fließt Strom aus dem Kondensator 32 in die Stromsenke 24, wodurch eine Sägezahnspannung mit negativer Steigung am Kondensator erzeugt wird. Wenn diese Sägezahnspannung mit negativer Steigung auf einen vorgegebenen unteren Pegel abnimmt, so schaltet der Pegeldetektor 30 erneut, wodurch der neue Spannungspegel in den elektronischen Schalter 28 eingespeist wird, um den Ausgang 28 an die Stromquelle 22 anzukoppeln, so daß der Prozess wiederholt wird. Gemäß diesem wiederholten Prozess wird am Kondensator 32 eine dreieckförmige Spannung erzeugt, wobei der Pegeldetektor 30 einen rechteckförmigen Impuls erzeugt, dessen Flanken dann auftreten, wenn die dreieckförmige Spannung die durch den Pegeldetektor 30 eingestellten vorgegebenen Pegel erreicht. Die Ausgangssteuerspannung vom Digital-Analog-Wandler 12 steuert die Werte der Stromquelle 22 und der Stromsenke 24 und damit die Steigung der dreieckförmigen Spannung am Kondensator 32, so daß das Ausgangssignal des Digital-Analog-Wandlers 12 im Effekt die Frequenz des rechteckförmigen Impulses vom Pegeldetektor 30 steuert. IQ is fed in, so that the output 28 is coupled to the current sink 24. In this state, current flows from the capacitor 32 into the current sink 24, as a result of which a sawtooth voltage with a negative slope is generated on the capacitor. If this sawtooth voltage decreases with a negative slope to a predetermined lower level, the level detector 30 switches again, whereby the new voltage level is fed into the electronic switch 28 in order to couple the output 28 to the current source 22, so that the process is repeated. According to this repeated process, a triangular voltage is generated across the capacitor 32, the level detector 30 generating a square pulse, the edges of which occur when the triangular voltage reaches the predetermined level set by the level detector 30. The output control voltage from the digital-to-analog converter 12 controls the values of the current source 22 and the current sink 24 and thus the slope of the triangular voltage on the capacitor 32, so that the output signal of the digital-to-analog converter 12 in effect the frequency of the square-wave pulse from the level detector 30 controls.
Fig. 3 zeigt ein detailliertes Blockschaltbild einer Ausführungsform der Periodenmeßstufe 18. Ein durch einen vorsetzbaren Zähler gebildeter programmierbarer Schleifenzähler 36 zählt eine vorgegebene Anzahl von Ausgangsperioden des Signals vom spannungsgesteuerten Oszillacor 143 shows a detailed block diagram of an embodiment the period measuring stage 18. One can be set by a Programmable loop counter 36 formed by counters counts a predetermined number of output periods of the signal from the voltage controlled oscillator 14
um über mehrere Perioden anstelle von lediglich einer Periode ein Zeitintervallsignal zu erzeugen. Die vorgegebene Anzahl wird durch den Prozessor 10 als Funktion der über die Tastatur eingegebenen gewünschten Ausgangsfrequenz festgelegt. Die vorgegebene Anzahl für den programmierbaren Schleifenzähler 36 ändert sich proportional mit der gewünschten Ausgangsfrequenz, so daß zur Gewinnung des Zeitintervallsignals umso mehr Perioden gezählt werden, je höher die gewünschte Frequenz ist. Durch Zählung mehrer Perioden für die Erzeugung des Zeitintervallsignals können die Anforderungen an die Genauigkeit der Frequenz des Referenzoszillators 20 etwas geringer sein. Das Zeitintervallsignal vom Zähler 36 wird in einen Eingang eines UND-Gatters 38 eingespeist, das bei Wirksamschaltung durch das Zeitintervallsignal ein Referenzsignal vom Referenzoszillator 20 zu einem Referenzzähler 40 durchläßt. Der Zähler 40 zählt daher während des Intervalls des Zeitintervallsignals eine Anzahl von Referenzfrequenzperioden vom Referenzoszillator 20, wobei die resultierende Information vom Zähler 40 in den Prozessor 10 eingespeist wird.to over multiple periods instead of just one period generate a time interval signal. The predetermined number is determined by the processor 10 as a function of the over the desired output frequency entered on the keypad. The specified number for the programmable Loop counter 36 changes proportionally with the desired output frequency so as to obtain the time interval signal the more periods are counted, the higher the desired frequency. By counting several periods for the generation of the time interval signal, the requirements for the accuracy of the frequency of the reference oscillator 20 be a little lower. The time interval signal from counter 36 is input to an AND gate 38 fed, which when activated by the time interval signal, a reference signal from the reference oscillator 20 to a reference counter 40 lets through. The counter 40 therefore counts one during the interval of the time interval signal Number of reference frequency periods from the reference oscillator 20, the resulting information from the counter 40 in the processor 10 is fed.
Der erfindungsgemäße Signalgenerator besitzt gegenüber einer analogen phasenstarren Schleife insofern Vorteile, als nicht nur eine Langzeitstabilität sondern bei Betrieb in einer offenen Steuerschleife auch eine nahe bei der Frequenzgenauigkeit einer geschlossenen Regelschleife liegende Genauigkeit erreicht wird, da der Prozessor 10 sich an einen digitalen Korrekturfaktor "erinnert".The signal generator according to the invention has advantages over an analog phase-locked loop in that not only long-term stability but also close to frequency accuracy when operated in an open control loop A closed control loop lying accuracy is achieved, since the processor 10 on a digital correction factor "remembers".
Im Rahmen der Erfindung sind Abwandlungen von den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen möglich. So kann beispielsweise der spannungsgesteuerte Oszillator 14 eine Kapazitätsdiode enthalten, deren Kapazität durch die analoge Steuerspannung vom Digital-Analog-Wandler 12 zur Festlegung der Ausgangsfrequenz gesteuert wird. Weiterhin können auch andere Arten von Frequenzzählern in der Periodenmeßstufe verwendet werden.Modifications of the above are within the scope of the invention described embodiments possible. For example the voltage-controlled oscillator 14 contain a capacitance diode whose capacitance is determined by the analog control voltage is controlled by the digital-to-analog converter 12 to determine the output frequency. Furthermore can also other types of frequency counters can be used in the period measuring stage.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| 8136 | Disposal/non-payment of the fee for publication/grant |