DE69427114T2

DE69427114T2 - Taktgenerator mit spektraler Dispersion und assoziiertes Verfahren

Info

Publication number: DE69427114T2
Application number: DE69427114T
Authority: DE
Inventors: James Ronald Booth; Donald Reid Bush; John T. Fessler; Keith B. Hardin
Original assignee: Lexmark International Inc
Current assignee: Lexmark International Inc
Priority date: 1993-11-29
Filing date: 1994-11-29
Publication date: 2001-10-18
Anticipated expiration: 2014-11-30
Also published as: US5867524A; JPH07235862A; KR100367540B1; AU676355B2; CA2131567C; EP1073194A3; EP1073194A2; DE69434994T2; EP0655829A1; JP3997248B2; US5488627A; EP1073194B1; AU7282194A; JP2006217642A; CA2131567A1; DE69427114D1; DE69434994D1; KR950016121A; EP0655829B1

Description

Diese Erfindung betrifft das Gebiet von Digitalschaltungen und spezieller eine Taktgeberschaltung mit reduzierten messbaren Störstrahlungs(EMI)emissionen.
Viele elektronische Bauelemente verwenden Mikroprozessoren oder andere Digitalschaltungen, die ein oder mehrere Taktsignale zur Synchronisation erfordern. Ein Taktsignal erlaubt z. B. die genaue Zeitsteuerung von Ereignissen im Mikroprozessor. Typische Mikroprozessoren können durch einen freischwingenden Oszillator, wie z. B. einen, der durch einen Schwingquarz, einen LC-Abstimmkreis oder eine externe Taktquelle angesteuert wird, überwacht oder synchronisiert werden. Taktfrequenzen bis zu und über 40 MHz hinaus sind in Personal-Computern üblich. Die Parameter eines Taktsignals werden typischerweise für einen Mikroprozessor spezifiziert und können umfassen: zulässige Minimal- und Maximaltaktfrequenzen, Toleranzen bei den Hoch- und Niederspannungspegeln, maximale Anstiegs- und Abfallzeiten auf den Wellenformflanken, Impulsbreitentoleranz, wenn die Wellenform keine Rechteckwelle ist und die Zeitsteuerungsbeziehung zwischen Taktphasen von Zweitaktphasensignalen benötigt wird. (Siehe Electronics Engineers' Handbook von Fink et al., S. 8-111, 1989.)
Unglücklicherweise sind Hochleistungsbauelemente auf Mikroprozessorbasis, welche Anstiegsflanken-Hochgeschwindigkeitsschaltungen verwenden, besonders anfällig dafür, Störstrahlung (EMI) zu erzeugen und abzustrahlen. Die Spektralkomponenten der EMI-Emissionen weisen typischerweise Spitzenamplituden bei Oberwellen der Grundfrequenz der Taktgeberschaltung auf. Demgemäß haben viele Überwachungsbehörden, wie z. B. die FCC in den Vereinigten Staaten, Prüfmethoden und maximal zulässige Emissionen für solche Produkte festgesetzt. Z. B. hat die Commission Electrotechnique Internationale (Comite International Special Des Perturbations Radioelectrique (C.I.S.P.R.)) Richtlinien, die Messgeräte und -techniken festsetzen, um eine Übereinstimmung mit den Ausführungsbestimmungen zu bestimmen. Spezieller ist für das in Betracht kommende Frequenzband für Taktgeberschaltungen die gemessene 6 dB-Bandbreite mit 120 kHz verhältinsmäßig breit.
Um solchen amtlich festgesetzten Grenzen für EMI-Emissionen nachzukommen, können kostspielige Unterdrückungsmaßnahmen oder umfassende Abschirmungen erforderlich sein. Andere Lösungsvorschläge zum Reduzieren von EMI umfassen eine sorgfältige Bahnführung von Signalleiterbahnen auf Leiterplatten, um Schleifen und andere potenzielle Abstrahlungsstrukturen zu minimieren. Unglücklicherweise führt ein solcher Lösungsweg häufig zu kostspieligeren Mehrlagenleiterplatten mit inneren Erdungsebenen. Zusätzlich muss sich eine größere Entwicklungsanstrengung damit befassen, um EMI-Emissionen zu reduzieren. Diese durch EMI-Emissionen verursachten Schwierigkeiten werden bei höheren Prozessor- und Taktgeschwindigkeiten verschlimmert.
Leistungsschaltkreise tendieren auch dazu, aufgrund des schnellen Schaltens von hohen Strömen und hohen Spannungen EMI-Emissionen zu erzeugen. Eine EMI-Rauschverminderung in solchen Schaltungen wird im Allgemeinen durch Unterdrückung der Rauschquelle, Isolation der Rauschkopplungsleiterbahn und Siebung oder Abschirmung erzielt, wie z. B. in Reduction of Power Supply EMI Emission by Switching Frequency Modulation, Lin et al., Virginia Power Electronics Center the VPEC Tenth Annual Power Electronics Seminar, Seiten 129-136, 20-22 September 1992 berichtet. Der Artikel offenbart weiter, dass es möglich ist, das EMI-Spektrum der Energieversorgungsschaltung zu modifizieren, um überwachungsbehördliche Prüfungen zu bestehen, indem die Schaltfrequenz moduliert wird, so dass Seitenbänder erzeugt werden, wodurch das Emissionsspektrum verschmiert wird.
Insbesondere offenbart der Artikel von Lin at al. eine Schaltfrequenz von 90 kHz, die mit einer einfachen Sinuswelle mit 400 Hz frequenzmoduliert ist, wobei die Frequenzänderung so gewählt ist, dass sie 15 kHz beträgt. Es wurde eine Emissionsverbesserung bei 90 kHz berichtet, was wichtig ist, weil die Grundfrequenz von EMI die Amplitude eines erforderlichen EMI-Filters für den Schaltkreis bestimmt. Der Artikel offenbart weiter, dass vom EMI-Standpunkt eine größere Frequenzänderung gewählt werden kann und dass es, da durch die einfache sinusförmige Frequenzmodulation Seitenband-Oberfrequenzen erzeugt werden, für den Schaltkreis notwendig ist, dass diese Seitenbänder nicht in den Hörbarkeitsbereich fallen.
Die überwachungsbehördlichen Anforderungen an Energieversorgungsschaltungen fallen in eine andere überwachungsbehödliche Kategorie als Taktgeberschaltungen. Insbesondere sind, wie von C.I.S.P.R. spezifiziert, solche Schaltkreise nur für eine verhältnismäßig kleine 6 dB-Bandbreite von 9 kHz gemessen. Demgemäß sind beschriebene Lösungswege, um einer solchen überwachungsbehördlichen Prüfung für eine solche kleine Bandbreite nachzukommen, nicht angemessen, um die Schwierigkeiten anzugehen, die mit der Reduzierung von EMI-Komponenten für Hochgeschwindigkeits-Digitalschaltungen, die im Bereich von einigen zehn Megahertz arbeiten, verbunden sind. Das mit dem Verringern von messbaren EMI-Emissionen verbundene Problem ist besonders schwierig, wo die gemessene Bandbreite verhältnismäßig groß ist, wie z. B. 120 kHz, wie in den C.I.S.P.R.-Ausführungsbestimmungen, die die Emissionen betreffen, wie sie bei typischen Taktfrequenzen erzeugt werden.
Die GB-A-2128828 offenbart eine Vorrichtung mit reduzierter Radiofrequenzbeeinträchtigung, in der das Taktsignal entweder durch eine Sinuswelle oder Rauschen winkelmoduliert ist.
Im Hinblick auf den vorgenannten Hintergrund ist es deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Taktgeberschaltung und ein zugehöriges Verfahren zum Erzeugen eines Taktsignals, wie z. B. zum Ansteuern eines Mikroprozessors oder einer anderen Digitalschaltung, bei verhältnismäßig hohen Frequenzen bereitzustellen, während die spektrale Amplitude von EMI- Komponenten, wie über eine verhältnismäßig große Bandbreite gemessen, reduziert wird.
Diese und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch eine Taktgeberschaltung bereitgestellt, die einen Oszillator zum Erzeugen eines Bezugsfrequenzsignals und eine Spread-Spektrum-Takterzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Spread-Spektrum-Taktausgangssignals mit einer Grund- oder Mittenfrequenz und EMI-Spektralkomponenten von reduzierter Amplitude bei Oberwellen der Grundfrequenz umfasst. Die Spread-Spektrum-Takterzeugungseinrichtung umfasst eine Taktimpulserzeugungseinrichtung zum Erzeugen einer Taktimpulsfolge und eine Profilmodulationseinrichtung zum Frequenzmodulieren der Taktimpulserzeugungseinrichtung mit einer periodischen Wellenform, wie in Anspruch 1 definiert. Die Taktgeberschaltung gemäß der Erfindung verbreitert und flacht Amplituden von EMI-Spektralkomponenten ab, die sonst durch die Taktimpulserzeugungseinrichtung erzeugt würden.
Die Taktimpulserzeugungseinrichtung, wenn sie nicht moduliert wird, würde typischerweise allgemein rechtwinklige oder trapezförmige elektrische Impulse erzeugen, die wiederum entsprechende impulsförmige EMI-Spektralkomponenten bei Oberwellen der Grundfrequenz erzeugen würden. Die Spread-Spektrum- Modulationseinrichtung reduziert die Spitzenamplitude der EMI-Spektralkomponenten, die sonst erzeugt würden. Demgemäß können kostspielige Abschirmungs- oder andere EMI-Unterdrückungstechniken in einem elektronischen Bauelement reduziert oder beseitigt werden, das die Spread-Spektrum-Takterzeugungsschaltung der vorliegenden Erfindung enthält. Wie von Fachleuten leicht eingesehen wird, kann die Spread-Spektrum- Takterzeugungsschaltung in einer Anzahl von elektronischen Bauelementen eine weite Anwendung finden, insbesondere denjenigen, die einen Mikroprozessor oder Mikrocontroller einschließen, wie z. B. ein Personal-Computer.
Mehrere bevorzugte oder wirkungsvolle Bereiche für ein solches Modulieren von periodischen Wellenformen werden später hierin beschrieben. Im Allgemeinen sind die bevorzugten Wellenformen komplizierter als eine einfache Sinuswelle, um dadurch die spektrale Spitze von EMI-Komponenten zu reduzieren, indem ihre Form verbreitert und abgeflacht wird.
Die Taktimpulserzeugungseinrichtung umfasst vorzugsweise eine Phasenregelschleife, wie sie üblicherweise in einer herkömmlichen Takterzeugungsschaltung verwendet wird. Die Frequenzmodulationseinrichtung kann durch verschiedene Typen von Schaltungen verwirklicht werden, die einen analogen Modulationsgenerator oder einen programmierbaren Modulationsgenerator einschließen, der für die Frequenzabweichung ein vorbestimmtes Profil erzeugen kann. Zusätzlich ist die Freguenzmodulationseinrichtung vorzugsweise imstande, die Taktimpulserzeugungseinrichtung mit einer periodischen Wellenform zu modulieren, die eine Periode von weniger als etwa 500 Mikrosekunden aufweist, d. h. die Modulationsfrequenz ist wünschenswerterweise größer als etwa 2 kHz.
Ein Verfahren gemäß der Erfindung dient zur Erzeugung eines Taktausgangssignals mit EMI-Spektralkomponenten von reduzierter Amplitude. Das Verfahren umfasst den Schritt eines Erzeugens eines Spread-Spektrum-Taktausgangssignals mit einer Grundfrequenz und EMI-Spektralkomponenten von reduzierter Amplitude bei Oberwellen der Grundfrequenz. Der Schritt eines Erzeugens eines Spread-Spektrum-Taktausgangssignals umfasst vorzugsweise die Schritte: Erzeugen einer Taktimpulsfolge und Profilmodulieren der Taktimpulsfolge mit einer periodischen Wellenform, wie in Anspruch 11 definiert. Das Verfahren gemäß der Erfindung verbreitert und flacht die Amplituden von EMI- Spektralkomponenten ab, die sonst durch die Taktimpulserzeugungseinrichtung erzeugt würden.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun nur anhand eines Beispiels und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 ist ein schematisches Blockschaltbild eines Personal-Computers, der eine Spread-Spektrum-Takterzeugungsschaltung gemäß der Erfindung umfasst.
Fig. 2 ist eine grafische Darstellung, die eine Reduktion einer Spitzenspektralamplitude einer Oberwelle der Taktgrundfrequenz veranschaulicht, die durch die Spread- Spektrum-Takterzeugungsschaltung erzeugt wird, gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 ist eine grafische Darstellung, die eine Ausführungsform eines gewünschten Modulationsprofils zum Erzeugen eines Spread-Spektrum-modulierten Taktsignals veranschaulicht, gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 4 ist eine grafische Darstellung, die mehrere Modulationsprofilsbereiche zum Erzeugen eines Spread-Spektrum-modulierten Taktausgangssignals veranschaulicht, gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 5 ist eine grafische Darstellung, die noch eine andere Ausführungsform eines gewünschten Modulationsprofils zum Erzeugen eines Spread-Spektrum-modulierten Taktausgangssignals veranschaulicht, gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 6 ist ein schematisches Blockschaltbild, das eine erste Schaltungsausführungsform zum Erzeugen des Spread-Spektrum-modulierten Taktausgangssignals veranschaulicht, gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 7 ist ein schematisches Blockschaltbild, das eine zweite Schaltungsausführungsform zum Erzeugen des Spread- Spektrum-modulierten Taktausgangssignals veranschaulicht, gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 8 ist ein schematisches Blockschaltbild, das eine dritte Schaltungsausführungsform zum Erzeugen des Spread- Spektrum-modulierten Taktausgangssignals veranschaulicht, gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 9 ist ein schematisches Blockschaltbild, das eine vierte Schaltungsausführungsform zum Erzeugen des Spread- Spektrum-modulierten Taktausgangssignals veranschaulicht, gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die vorliegende Erfindung wird nun im Folgenden mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt sind, vollständiger beschrieben. Diese Erfindung kann jedoch in vielen unterschiedlichen Formen verkörpert sein und sollte nicht so aufgefasst werden, als ob sie auf die hierin angegebenen Ausführungsformen beschränkt wäre. Vielmehr stellen die Anmelder diese Ausführungsformen bereit, damit diese Offenbarung gründlich und vollständig ist und Fachleuten den Bereich der Erfindung voll und ganz vermittelt. Gleiche Ziffern beziehen sich durchgehend auf gleiche Elemente.
Mit Bezug zuerst auf die Fig. 1 bis 5 werden ein die Spread-Spektrum-Takterzeugungsschaltung enthaltendes elektronisches Bauelement und sein grundsätzlicher Betrieb zuerst erklärt. Wie in Fig. 1 dargestellt, kann ein elektronisches Bauelement, wie z. B. der schematisch veranschaulichte Personal-Computer 10, daraus Nutzen ziehen, dass er reduzierte messbare EMI-Spektralkomponentenemissionen aufweist, die durch den Spread-Spektrum-Taktgenerator 14 (SSCG) gemäß der Erfindung bereitgestellt werden. Ein Bezugsfrequenzgenerator 15, wie z. B. ein piezoelektrischer Kristall, der durch eine geeignete Treiber- oder Oszillatorschaltung an seiner Resonanzfrequenz angesteuert wird, liefert eine Bezugsfrequenz für den SSCG 14. Der veranschaulichte Personal-Computer 10 umfasst auch eine Anzeige 12 und eine Tastatur 13.
Wie von Fachleuten leicht eingesehen wird, können auch eine Anzahl von elektronischen Geräten, die Mikroprozessoren oder andere Digitalschaltungen enthalten, die ein Taktsignal zur Synchronisation erfordern, den SSCG 14 auch wünschenswerterweise enthalten. Z. B. können Computerdrucker auch wünschenswerterweise den SSCG 14 enthalten.
Der SSCG 14 erzeugt das Spread-Spektrum-Ausgangstaktsignal durch Frequenzmodulieren eines typischen Taktsignals, das eine trapezförmige oder allgemein rechtwinklig geformte elektrische Taktimpulsfolge einschließt. Die Modulation verringert die spektrale Amplitude der EMI-Komponenten bei jeder Oberwelle des Takts, im Vergleich mit dem Spektrum desselben Taktsignals ohne Modulation. Fig. 2 ist eine schematische Darstellung dieses Effekts, wo die spektrale Amplitude gegen die Frequenz bei einer Oberwelle (NF) durch die mit M bezeichnete Auftragung angegeben ist. Wie auch dargestellt, ist das Spektrum bei derselben Oberwelle eines Standardtaktsignals als mit I bezeichnete Impulsfunktion angegeben. Das Spektrum des SSCG-Ausgangstaktsignals bei derselben Oberwelle nimmt idealerweise eine Trapezform an, wie durch die mit T bezeichnete Auftragung veranschaulicht.
Obwohl im Allgemeinen die spektrale "Breite" des Spread-Spektrum-Ausgangstaktsignals bei einer Oberwelle größer ist als die Breite des nicht modulierten Standardtaktsignals, ist die maximale Amplitude für die Oberwelle reduziert. Bei einer tatsächlichen Verwirklichung ist die Amplitude der Spread- Spektrum-modulierten Oberwelle nicht gleichförmig, sondern zeigt nahe der Mittenfrequenz und an den Flanken etwas Spitzenwertbildung, wie durch die Auftragung M veranschaulicht.
Um die Amplitude des Signals für alle Frequenzen zu minimieren, muss die Modulation des Standardtaktsignals eindeutig spezifiziert sein. Demgemäß umfasst der SSCG 14 eine Profilmodulationseinrichtung, um die Taktimpulserzeugungseinrichtung mit einer periodischen Wellenform mit einer vorbestimmten Periode und einem vorbestimmten Frequenzabweichungsprofil als Funktion der vorbestimmten Periode frequenzzumodulieren. Die hierin beschriebenen Modulationsprofile erzeugen verhältnismäßig optimierte flache Spektralamplituden bei jeder Oberwelle. Im Allgemeinen sind die bevorzugten Profile komplizierter als eine einfache Sinuswelle, um dadurch die messbaren spektralen Spitzen der EMI-Komponenten zu reduzieren. Mit anderen Worten ausgedrückt, wandelt die vorliegende Erfindung Schmalbandoberwellen in Breitbandsignale um, die die gemessenen Emissionen für die FCC und andere Überwachungsorgane weltweit signifikant reduzieren. Diese Emissionsreduktionen können entsprechende Kostenreduktionen von etwa $20 oder mehr pro Produkt ermöglichen, im Vergleich mit den Kosten von herkömmlichen Maßnahmen, um EMI-Emissionen zu unterdrücken oder abzuschirmen.
Fig. 3 veranschaulicht ein typisches Profil der Frequenzabweichung gegen die Zeit, wie es im SSCG 14 verwendet werden kann. Die veranschaulichte maximale Abweichung beträgt 100 kHz. Diese maximale Frequenzabweichung ist wünschenswerterweise über eine serielle Verbindung programmierbar, wobei eine obere Grenze der maximalen Abweichung vorzugsweise etwa 250 kHz für typische momentane Anwendungen ist. Jedoch kann abhängig von der Anwendung die maximale Abweichung viel größer als 250 kHz sein, wie für Fachleute leicht ersichtlich ist. Wie für Fachleute ebenfalls leicht ersichtlich ist, kann ein nicht moduliertes Standardtaktsignal erhalten werden, indem man die maximale Abweichung auf 0 programmiert.
Die Frequenz des Signals, das das in Fig. 3 dargestellte Profil moduliert, beträgt 30 kHz. Eine erhebliche Spitzenamplitudenreduktion kann auch erzielt werden, wo die Frequenz über 2 kHz beträgt, d. h., wo die Periode der Modulationswellenform oder -profils kürzer ist als etwa 500 us. Diese Frequenz ist auch wünschenswerterweise über die serielle Verbindung programmierbar oder kann fest sein, abhängig von der Anwendung. Das veranschaulichte Modulationsprofil ist eine Linearkombination einer Standarddreieckswelle und ihrer Kurve 3ten Grades. Die Werte des Profils sind in der nachstehenden Tabelle 1 für maximale Frequenzabweichungen von 100 kHz und 200 kHz angegeben. Für von 100 kHz oder 200 kHz verschiedene maximale Abweichungen können Werte für das Modulationssignal erhalten werden, indem man einfach die in Tabelle 1 gefundenen Werte skaliert, wie für Fachleute leicht ersichtlich ist. TABELLE 1 Frequenzabweichungswerte für maximale Frequenzabweichungen von 100 kHz und 200 kHz mit einer Modulationsfrequenz von 30 kHz. TABELLE 1 - Fortsetzung Frequenzabweichungswerte für maximale Frequenzabweichungen von 100 kHz und 200 kHz mit einer Modulationsfrequenz von 30 kHz. TABELLE 1 - Fortsetzung Frequenzabweichungswerte für maximale Frequenzabweichungen von 100 kHz und 200 kHz mit einer Modulationsfrequenz von 30 kHz.
Mit Bezug nun insbesondere auf Fig. 4 sind mehrere bevorzugte Bereiche von Profilen einer Frequenzabweichung veranschaulicht. Insbesondere sind die Profile als Prozentanteil Frequenzabweichung gegen einen Prozentanteil der Periode (%- Periode) der periodischen Wellenform ausgedrückt. Der äußerste Bereich oder die Umhüllungskurve ist durch die mit F&sub1;, F&sub2; bezeichneten gepunkteten Linien im zweiten Quadranten II veranschaulicht, d. h. zwischen 0% und 25% der Periode. Einfache Symmetrie definiert die Begrenzungen in den anderen angegebenen Quadranten, wie beschrieben. Demgemäß können Fachleute leicht die Bereiche für eine gewünschte Anwendung verwirklichen und skalieren.
Die gepunkteten Linien können durch vorbestimmte obere und untere Grenzen für den zweiten Quadranten II mathematisch definiert werden. Die obere Grenze F&sub1; ist durch
100%[-1 + -(%-Periode/25)² + 4(%-Periode/25) + 0,0973]
definiert, während die untere Grenze F&sub2; durch
50%[%-Periode/25]¹&sup0;
definiert ist.
Wie von Fachleuten leicht eingesehen wird, sind die durch F&sub1; und F&sub2; definierten Grenzen für die anderen Quadranten wie folgt:
Quadrant I (-25%- bis 0%-Periode): Untere Grenze = -F&sub1;(-%-Periode), Obere Grenze = -F&sub2;(-%-Periode);
Quadrant III (25%- bis 50%-Periode): Untere Grenze = F&sub2;(50 - %-Periode), Obere Grenze = F&sub1;(50 - %-Periode); und
Quadrant IV (50%- bis 75%-Periode): Untere Grenze = -F&sub1;(%-Periode - 50) Obere Grenze = -F&sub2;(%-Periode - 50).
Ein bevorzugterer Profilbereich wird durch die in Fig. 3 angegebenen gestrichelten Linien angegeben. Im Quadranten II wird dieses Profil durch eine oberen Grenze F&sub3; und eine untere Grenze F&sub4; definiert. Die obere Grenze F&sub3; ist im Quadranten II durch
100%[%-Periode/25]
definiert, und die untere Grenze ist im Quadranten II durch
100%[%-Periode/25]³
definiert.
Demgemäß sind die anderen Begrenzungen durch:
Quadrant I (-25%- bis 0%-Periode): Untere Grenze = -F&sub3;(-%-Periode), Obere Grenze = -F&sub4;(-%-Periode);
Quadrant III (25%- bis 50%-Periode): Untere Grenze = F&sub4;(50 - %-Periode), Obere Grenze = F&sub3;(50 - %-Periode); und
Quadrant IV (50%- bis 75%-Periode): Untere Grenze = -F&sub3;(%-Periode - 50) Obere Grenze = -F&sub4;(%-Periode - 50)
gegeben.
Wie auch in Fig. 2 dargestellt, veranschaulicht die durchgezogene Linie P&sub1; von Fig. 3 die Linearkombination einer Dreieckswellenform und ihrer Kurve dritten Grades. Spezieller wird dieses Profil im Quadranten II durch F&sub5; definiert, das gleich
100%[0,45(%-Periode/25)³ + 0,55(%-Periode/25)].
ist.
Demgemäß ist die durchgezogene Linie in den anderen Quadranten wie folgt definiert:
Quadrant I (-25%- bis 0%-Periode): -F&sub5;(-%-Periode);
Quadrant III (25%- bis 50%-Periode): F&sub5;(50 - %-Periode); und
Quadrant IV (50%- bis 75%-Periode): -F&sub5;(%-Periode - 50)
Fig. 5 veranschaulicht noch eine andere Ausführungsform eines Profils für die Frequenzabweichungsmodulation, das skaliert sein kann, um in das äußerste Profil zu passen, das durch F&sub1; und F&sub2; definiert ist, wie von Fachleuten leicht eingesehen wird.
Mit Bezug nun außerdem auf die Fig. 6 bis 9 werden bevorzugte Schaltungsausführungsformen für den SSCG 14 beschrieben. Die Blockschaltbilder ähneln mehreren herkömmlichen Phasenregelschleifen(PLL)-Frequenzsynthesizerchips; jedoch ist ein Modulationsabschnitt hinzugefügt, der in mehreren Ausführungsformen einen programmierbaren Modulationsgenerator oder in anderen Ausführungsformen einen analogen Modulationsgenerator einschließt. Die Modulation wird in einen spannungsgesteuerten Oszillator(VCO) oder Oszillatortankkreis eingespeist, um den gewünschten Modulationsindex zu ergeben.
Der SSCG 14 kann wünschenswerterweise über einen seriellen I²C-Bus oder Ansteuerleitungen programmierbar sein, um eine Variation der Mittenfrequenz, maximalen Frequenzabweichung und Modulationsfrequenz zu ermöglichen. Eine einzige +5 V- Versorgung, minimale externe Schaltungsbauteile und ein Schwingquarz erzeugen eine TTL- und CMOS-kompatible Ausgangsgröße mit gesteuerten Anstiegs- und Abfallzeiten. Außerdem sind alle Eingangsgrößen standard-TTL-kompatibel.
Den folgenden elektrischen Eigenschaften (Tabelle 2) und unten angegeben Schalteigenschaften (Tabelle 3) wird auch wünschenswerterweise durch die Ausführungsformen des SSCG 14 entsprochen, um mit herkömmlichen Digitalschaltungen oder Mikroprozessortakteingangserfordernissen kompatibel zu sein. Tabelle 2 - Elektrische Eigenschaften Tabelle 3 - Schalteigenschaften
* Programmierbar über serielle Verbindung
Mit Bezug zuerst auf das schematische Blockschaltbild von Fig. 6 wird zuerst eine Phasenregelschleifen(PLL)-Verwirklichung des allgemein durch das Bezugszeichen 30 bezeichneten SSCG gemäß der Erfindung erklärt. Y1 31 ist ein piezoelektrischer Kristall, der mit einem Schwingkreis 33 verwendet wird, um einen stabilen Taktimpulszug oder ein unmoduliertes Taktsignal zu erzeugen. Ein erster programmierbarer Zähler 35 dividiert das unmodulierte Taktsignal durch eine ganze Zahl (M). Ein spannungsgesteuerter Oszillator 39 (VCO) erzeugt ein von einem Puffer 40 ausgegebenes Ausgangstaktsignal, das zur Eingangsspannung vom Phasendetektor 37 und Filter 38 proportional ist.
Ein zweiter programmierbarer Zähler 42 dividiert das Signal vom VCO 39 durch eine ganze Zahl (N). Der Phasendetektor 37 und das Filter 38 erzeugen ein Analogsignal, das proportional zum Phasenfehler zwischen dem ersten und zweiten programmierbaren Zähler 35 bzw. 42 ist. Demgemäß ist der Taktsignalausgang vom Puffer 40 gleich der Oszillatorfrequenz mal N/M. Wie für Fachleute leicht ersichtlich ist, arbeitet diese Schaltung als Standard(PLL)schaltung, wenn N und M konstant sind.
Die Spread-Spektrum-Modulation gemäß der Erfindung wird in dieser Ausführungsform durch die Spread-Spektrum-Modulationseinrichtung 41 eingeführt, die M und N als Funktion der Zeit ändert. Ein dritter programmierbarer Zähler 45 dividiert das Signal vom Oszillator 33 durch eine ganze Zahl (I), was die Rate, um die sich M und N ändern, oder die Modulationsfrequenz einstellt. Eine erste und zweite Nachschlagtabelle 46 bzw. 47 weisen die tabellarisierten Werte für M und N auf, die die Ausgangstaktsignalfrequenz modulieren. Ein Vor-Rückwärts-Zähler 49 wird verwendet, um aufeinanderfolgende Einträge in den Nachschlagtabellen zu indexieren. Eine serielle Verbindung 51, die zum Betrieb nicht erforderlich ist, kann verwendet werden, um unterschiedliche Werte in den programmierbaren Zählern oder Nachschlagtabellen zu programmieren, um Modulationseigenschaften zu modifizieren.
Mit Bezug nun auf Fig. 7 wird eine zweite Ausführungsform des allgemein mit dem Bezugszeichen 50 bezeichneten SSCG beschrieben. Zuvor erörterte Elemente werden durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet und brauchen nicht weiter beschrieben zu werden. In dieser Ausführungsform wird die Spread- Spektrum-Modulation durch einen zweiten VCO 51 und eine Analogschaltung 52 eingeführt. Der zweite VCO erzeugt ein Taktsignal, das mit dem ersten VCO 39 identisch ist, wenn keine Modulation vorhanden ist. Der zweite VCO 51 spricht auf die analoge Modulation an, um dadurch das Spread-Spektrum- Taktausgangssignal zu erzeugen.
Eine Ausführungsform der analogen Modulationsschaltung 52 kann umfassen: einen Oszillator, um die Modulationsfrequenz zu erzeugen, einen Integrator, um eine Dreieckswellenfunktion (r(t)) zu erzeugen, einen log-anti-log-Verstärker (alog(3log (r(t)))) und einen Addierer, um ein Modulationsprofil von 0,55r(t) + 0,45(alog(3log(r(t)))), wie durch die Auftragung P1 in Fig. 3 dargestellt, zu erzeugen. Eine Alternative der veranschaulichten Ausführungsform würde darin bestehen, die Modulation zum ersten VCO 39-Eingang hinzuzufügen, wie für Fachleute leicht ersichtlich ist.
Fig. 8 veranschaulicht noch eine andere Ausführungsform des SSCG 70 gemäß der Erfindung. Ein invertierender Verstärker 71 mit einer Induktionsspule L und einem Kondensator C1 bildet einen einfachen Schwingkreis 72, um ein stabiles Taktsignal zu erzeugen. Die Kondensatoren C1, C3 und die Varaktordiode D werden verwendet, um die effektive Kapazitanz von C1 zu ändern, was dadurch die Schwingkreisfrequenz ändert. Die Varaktordiode ändert ihre Sperrschichtkapazitanz proportional zur darüber angelegten Spannung. Die analoge Modulationsschaltung 52 ist vorzugsweise dieselbe wie vorstehend mit Bezug auf Fig. 7 erörtert. Der Ausgang des invertierenden Verstärkers 71 ist ein Spread-Spektrum-Taktsignal, das direkt verwendet werden kann oder das auch auf eine andere Frequenz skaliert werden kann, indem eine PLL-Schaltung hinzugefügt wird, wie veranschaulicht. Ein erster programmierbarer Zähler 35 dividiert das Oszillatorsignal durch eine ganze Zahl (M), während der VCO 39 ein Taktsignal erzeugt, das proportional zur Eingangsspannung vom Phasendetektor 37 und Filter 38 ist. Der zweite programmierbare Zähler 42 dividiert das VCO-Signal durch eine ganze Zahl (N). Der Phasendetektor 37 und das Filter 38 geben ein Analogsignal aus, das proportional zum Phasenfehler zwischen dem ersten und zweiten programmierbaren Zähler 35 bzw. 42 ist. Die Frequenzhalbierschaltung 63 kann verwendet werden, um ein Taktausgangssignal mit einem 50%- Tastgrad zu erzeugen, wie für Fachleute leicht ersichtlich ist.
Noch eine andere Ausführungsform eines SSCG 80 wird in Fig. 9 veranschaulicht und wird wie folgt beschrieben. Die veranschaulichte Ausführungsform ähnelt derjenigen, die in Fig. 7 dargestellt ist, aber die Modulation wird durch einen ROM 82 erzeugt, der darin Modulationsamplitudenwerte gespeichert aufweist, die in einen D/A-Wandler 83 (DAC) eingespeist werden. Ein Vor-Rückwärts-Zähler 84 wird verwendet, um die Werte im ROM 82 zu indexieren, während ein dritter programmierbarer Zähler 85 die Modulationsfrequenz einstellt.
Eine andere Ausführungsform eines SSCG kann einen digitalen Direktsythesizer einschließen. Eine Schaltung aus Schwingquarz und Oszillator erzeugt ein stabiles oder unmoduliertes Taktsignal. Wie für Fachleute leicht ersichtlich ist, ist der digitale Direktsynthesizer (DDS) ein Akkumulator, wobei jeden Taktzyklus eine Phasenkonstante zum Akkumulator hinzugefügt wird und der in Verbindung mit einem Festwertspeicher (ROM) eine Rechteckwelle vom höchstwertigen Bit (MSB) erzeugt. Die Frequenz einer Ausgangsrechteckwelle kann moduliert werden, indem die Phasenkonstante als Funktion der Zeit geändert wird. Dies wird vorzugsweise erreicht, indem man einen programmierbaren Vor-Rückwärts-Zähler und eine Nachschlagtabelle, die denjenigen gleicht, die in Fig. 6 veranschaulicht sind, verwendet. Ein VCO erzeugt ein Taktsignal, das proportional zur Eingangsspannung von einem Phasendetektor und Filter ist. Ein programmierbarer Zähler dividiert das VCO- Signal durch eine ganze Zahl (N). Der Phasendetektor und das Filter geben auch ein Analogsignal aus, das proportional zum Phasenfehler zwischen dem programmierbaren Zähler und der DDS-Schaltung ist. Das Spread-Spektrum-modulierte Taktsignal kann von einem Dividierer oder Puffer ausgegeben werden.
Wie für Fachleute leicht ersichtlich ist, kann man bei einer Verwirklichung von irgendeiner der hierin beschriebenen Schaltungen in einem körperlichen Gehäuse mehrere solche Spread-Spektrum-Takterzeugungsschaltungen (SSCGs) in demselben DIL-Gehäuse antreffen. Außerdem kann auch ein Standard-Phasenregelschleifen-Frequenzsynthesizer in demselben DIL-Gehäuse angeordnet sein, um Standardtaktsignale zu liefern, wenn gewünscht. Der SSCG kann auch mit einem Mikroprozessor oder irgendeiner anderen digitalen oder analogen Schaltung im Innern eingeschlossen sein.
Ein Verfahren gemäß der Erfindung dient zur Erzeugung des Spread-Spektrum-Taktausgangssignals. Das Verfahren umfasst vorzugsweise die Schritte: Erzeugen einer Taktimpulsfolge und Spread-Spektrum-Modulieren der Taktimpulsfolge, um Amplituden von EMI-Spektralkomponenten zu verbreitern und abzuflachen, die sonst zusammen mit der Taktimpulsfolge erzeugt würden. Der Schritt eines Spread-Spektrum-Modulierens der Taktimpulsfolge umfasst vorzugsweise den Schritt eines Frequenzmodulierens der Taktimpulse mit einer periodischen Wellenform mit einer vorbestimmten Periode und einem vorbestimmten Frequenzabweichungsprofil als Funktion der vorbestimmten Periode, wie vorstehend in größerer Einzelheit beschrieben.
Der Schritt eines Frequenzmodulierens der Taktimpulsfolge umfasst vorzugsweise das Modulieren der Taktimpulsfolge mit einer periodischen Wellenform mit einer Periode von kürzer als etwa 500 Mikrosekunden. Die Spread-Spektrum-Modulation gemäß der Erfindung verursacht ein Variieren der Taktgrundfrequenz, was wiederum zu einer 5-10%tigen Reduktion der durchschnittlichen Taktfrequenz führen kann, im Vergleich mit der Festfrequenz einer herkömmlichen Taktgeberschaltung. Für eine erhebliche Anzahl von Anwendungen verringert jedoch der SSCG gemäß der Erfindung signifikant gemessene EMI-Emissionen, ohne dass die Gesamtleistungsfähigkeit des elektronischen Bauelements nachteilig beeinflusst wird.
Viele Modifikationen und andere Ausführungsformen der Erfindung werden dem Fachmann einfallen, der Nutzen aus den Lehren zieht, die in den vorangehenden Beschreibungen und den zugehörigen Zeichnungen dargelegt worden sind. Deshalb versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf die speziellen offenbarten Ausführungsformen zu begrenzen ist, sondern durch den Umfang der angefügten Ansprüche definiert ist.

Claims

1. Taktgeberschaltung zum Erzeugen eines Taktausgangssignals mit Störstrahlungs-EMI-Spektralkomponenten von reduzierter Amplitude, wobei die Taktgeberschaltung umfasst:

eine Oszillatoreinrichtung (15) zum Erzeugen eines Bezugsfrequenzsignals; und

eine Spread-Spektrum-Takterzeugungseinrichtung (14), die mit der Oszillatoreinrichtung zusammenwirkt, um ein Spread-Spektrum-Taktausgangssignal zu erzeugen, das eine Grundfrequenz und EMI-Spektralkomponenten von reduzierter Amplitude bei Oberwellen der Grundfrequenz aufweist, wobei die Spread-Spektrum-Takterzeugungseinrichtung (14) umfasst:

eine Taktimpulserzeugungseinrichtung zum Erzeugen einer Reihe von Taktimpulsen und

eine Profilmodulationseinrichtung zum Frequenzmodulieren der Taktimpulserzeugungseinrichtung mit einer periodischen Wellenform, die ein Frequenzabweichungsprozentanteil-Profil als Funktion eines Prozentanteils einer Periode, %-Periode, der periodischen Wellenform innerhalb einer Umhüllungskurve aufweist, die durch eine vorbestimmte obere und untere Grenze definiert ist, wobei die vorbestimmte obere Grenze in einem zweiten Quadranten von 0- bis 25%-Periode durch F&sub1; definiert ist, das gleich

100%[-1 + -(%-Periode/25)2 + 4(%-Periode/25) + 0,973]

ist, wobei die vorbestimmte untere Grenze über dem zweiten Quadranten durch F&sub2; definiert ist, das gleich

50%[%-Periode/25]¹&sup0;

ist; wobei für einen ersten Quadranten zwischen -25%- bis 0%-Periode die untere Grenze gleich -F&sub1;(-%-Periode) ist und die obere Grenze gleich -F&sub2;(-%-Periode) ist;

wobei für einen dritten Quadranten zwischen 25%- bis 50%-Periode die untere Grenze gleich F&sub2;(50 - %-Periode) ist und die obere Grenze gleich F&sub1;(50 - %-Periode) ist;

und wobei für einen vierten Quadranten die untere Grenze gleich -F&sub1;(%-Periode - 50) ist, und die obere Grenze gleich -F&sub2;(%-Periode - 50) ist.

2. Taktgeberschaltung nach Anspruch 1, bei der die Profilmodulationseinrichtung umfasst: eine Einrichtung zum Modulieren der Taktimpulserzeugungseinrichtung mit einer periodischen Wellenform, die ein Frequenzabweichungsprozentanteil- Profil als Funktion eines Prozentanteils einer Periode, % -Periode, der periodischen Wellenform innerhalb einer Umhüllungskurve aufweist, die durch eine vorbestimmte obere und untere Grenze definiert ist, wobei die vorbestimmte obere Grenze in einem zweiten Quadranten durch F&sub3; definiert ist, das gleich

100%[%-Periode/25]

ist, wobei die vorbestimmte untere Grenze durch F&sub4; definiert ist, das gleich

100%[%-Periode/25]³

ist; wobei für einen ersten Quadranten zwischen -25%- bis 0%-Periode die untere Grenze gleich -F&sub3;(-%-Periode) ist und die obere Grenze gleich -F&sub4;(-%-Periode) ist; wobei für einen dritten Quadranten zwischen 25%- bis 50%-Periode die untere Grenze gleich F&sub4;(50 - %-Periode) ist und die obere Grenze gleich F&sub3;(50 - %-Periode) ist; und wobei für einen vierten Quadranten die untere Grenze gleich -F&sub3;(%-Periode - 50) ist und die obere Grenze gleich -F&sub4;(%-Periode - 50) ist.

3. Taktgeberschaltung nach Anspruch 1, bei der die Profilmodulationseinrichtung umfasst: eine Einrichtung zum Modulieren der Taktimpulserzeugungseinrichtung mit einer periodischen Wellenform, die ein Frequenzabweichungsprozentanteil- Profil als Funktion eines Prozentanteils einer Periode, % -Periode, der periodischen Wellenform aufweist, die in einem zweiten Quadranten durch F&sub5; definiert ist, das gleich

100%[0,45(%-Periode/25)³ + 0,55(%-Periode/25)]

ist, wobei für einen ersten Quadranten zwischen -25% bis 0%- Periode das Profil gleich -F&sub5;(-%-Periode) ist; wobei für einen dritten Quadranten zwischen 25%- bis 50%-Periode das Profil gleich F&sub5;(50 - %-Periode) ist; und wobei für einen vierten Quadranten das Profil gleich -F&sub5;(%-Periode - 50) ist.

4. Taktgeberschaltung nach einem vorangehenden Anspruch, bei der die Taktimpulserzeugungseinrichtung eine Phasenregelschleife umfasst.

5. Taktgeberschaltung nach Anspruch 4, bei der die Profilmodulationseinrichtung einen analogen Modulationsgenerator (52) umfasst, der in Wirkverbindung mit der Phasenregelschleife gekoppelt ist.

6. Taktgeberschaltung nach Anspruch 4, bei der die Profilmodulationseinrichtung einen programmierbaren Modulationsgenerator (82) umfasst, der in Wirkverbindung mit der Phasenregelschleife gekoppelt ist.

7. Taktgeberschaltung nach einem vorangehenden Anspruch, bei der die Profilmodulationseinrichtung umfasst: eine Einrichtung zum Modulieren der Taktimpulserzeugungseinrichtung mit einer periodischen Wellenform, die eine Periode von weniger als etwa 500 Mikrosekunden aufweist.

8. Taktgeberschaltung nach einem vorangehenden Anspruch, bei der die Oszillatoreinrichtung (15) einen Kristall umfasst, der eine vorbestimmte Resonanzfrequenz aufweist.

9. Ein elektronisches Bauelement mit Störstrahlungs-EMI- Spektralkomponenten von reduzierter Amplitude, wobei das elektronische Bauelement umfasst:

eine Spread-Spektrum-Takterzeugungseinrichtung (14) zum Erzeugen eines Spread-Spektrum-Taktausgangssignals, das eine Grundfrequenz und EMI-Spektralkomponenten von reduzierter Amplitude bei Oberwellen der Grundfrequenz aufweist; und

eine Digitalschaltung (11), die mit der Spread-Spektrum- Takterzeugungseinrichtung verbunden ist und einen Takteingang aufweist, der durch das Spread-Spektrum-Taktausgangssignal angesteuert wird,

wobei die Spread-Spektrum-Takterzeugungseinrichtung (14) umfasst:

100%[-1 + -(%-Periode/25)² + 4(%-Periode/25) + 0,973]

50%[%-Periode/25]¹&sup0;

ist; wobei für einen ersten Quadranten zwischen -25%- bis 0%-Periode die untere Grenze gleich -F&sub1;(-%-Periode) ist und die obere Grenze gleich -F&sub2;(-%-Periode) ist; wobei für einen dritten Quadranten zwischen 25%- bis 50%-Periode die untere Grenze gleich F&sub2;(50 - %-Periode) ist und die obere Grenze gleich F&sub1;(50 - %-Periode) ist; und wobei für einen vierten Quadranten die untere Grenze gleich -F&sub1;(%-Periode - 50) ist und die obere Grenze gleich -F&sub2;(%-Periode - 50) ist.

10. Elektronisches Bauelement nach Anspruch 9 und umfassend die Merkmale von einem der Ansprüche 2 bis 8.

11. Verfahren zum Erzeugen eines Taktausgangssignals mit Störstrahlungs-EMI-Spektralkomponenten von reduzierter Amplitude, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Erzeugen eines Spread-Spektrum-Taktausgangssignals mit einer Grundfrequenz und EMI-Spektralkomponenten von reduzierter Amplitude bei Oberwellen der Grundfrequenz, wobei das Verfahren weiter die Schritte umfasst:

Erzeugen einer Reihe von Taktimpulsen; und

Profilmodulieren der Reihe von Taktimpulsen mit einer periodischen Wellenform, die ein Frequenzabweichungsprozentanteil-Profil als Funktion eines Prozentanteils einer Periode, %-Periode, der periodischen Wellenform innerhalb einer Umhüllungskurve aufweist, die durch eine vorbestimmte obere und untere Grenze definiert ist, wobei die vorbestimmte obere Grenze in einem zweiten Quadranten von 0- bis 25%-Periode durch F&sub1; definiert ist, das gleich

100%[-1 + -(%-Periode/25)² + 4(%-Periode/25) + 0,973]

50%[%-Periode/25]¹&sup0;

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem der Schritt eines Profilmodulierens umfasst: Modulieren der Reihe von Taktimpulsen mit einer periodischen Wellenform, die ein Frequenzabweichungsprozentanteil-Profil als Funktion eines Prozentanteils einer Periode, %-Periode, der periodischen Wellenform innerhalb einer Umhüllungskurve aufweist, die durch eine vorbestimmte obere und untere Grenze definiert ist, wobei die vorbestimmte obere Grenze für einen zweiten Quadranten durch F&sub3; definiert ist, das gleich

100%[%-Periode/25]

100%[%-Periode/25]³

13. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem der Schritt eines Profilmodulierens umfasst: Modulieren der Reihe von Taktimpulsen mit einer periodischen Wellenform, die ein Frequenzabweichungsprozentanteil-Profil als Funktion eines Prozentanteils einer Periode, %-Periode, der periodischen Wellenform aufweist, die in einem zweiten Quadranten durch F&sub5; definiert ist, das gleich

100% [0,45(%-Periode/25)³ + 0,55(%-Periode/25)]

ist; wobei für einen ersten Quadranten zwischen -25% bis 0%- Periode das Profil gleich -F&sub5;(-%-Periode) ist; wobei für einen dritten Quadranten zwischen 25%- bis 50%-Periode das Profil gleich F&sub5;(50 - %-Periode) ist; und wobei für einen vierten Quadranten das Profil gleich -F&sub5;(%--Periode - 50) ist.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11, 12 oder 13, bei dem der Schritt eines Frequehzmodulierens umfasst: Modulieren der Reihe von Taktimpulsen mit einer periodischen Wellenform, die eine Periode von weniger als etwa 500 Mikrosekunden aufweist.