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Linear-veränderlicher Sinusoszillator
Die Erfindung betrifft einen Sinusoszillator zum Erzeugen eines Signals mit einer von nur einer Impedanz linear abhängigen Periodendauer oder Frequenz, bestehend aus wenigstens einem Verstärker und aus frequenzbestimmenden Bauelementen, zu welchen wenigstens eine erste regelbare Impedanz und wenigstens eine zweite regelbare Impedanz gehört.
Anordnungen zur Erzeugung sinusförmiger Ausgangsgrössen, deren Frequenz oder Periodendauer Wirkoder Blindwiderständen proportional ist, sind bekannt. Man unterscheidet zwei verschiedene Arten : Oszillatoren, deren frequenzbestimmendes Netzwerk aus zwei verschiedenartigen Blindwiderständen besteht (LC-Oszillatoren), und Oszillatoren, deren frequenzbestimmendes Netzwerk aus mindestens zwei gleichartigen Blindwiderständen und mindestens zwei ohmschen Widerständen besteht (RC - oder RL -Oszil- latoren).
Nachteilig bei allen bekannten Sinusoszillatoren ist, dass stets mindestens zwei frequenzbestimmende Bauelemente gleichzeitig in gleicher Weise verändert werden müssen, um eine Schwingung mit einer Periodendauer oder Frequenz zu erzeugen, die den frequenz bestimmenden Elementen linear pro-
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te des frequenzbestimmenden Netzwerkes sind. Auch hier müssen daher mindestens zwei Bauelemente, z. B. Ri und R, in gleicher Weise verändert werden, um eine zu R (oder Rz) proportionale Periodendauer zu erzielen.
Zweck der Erfindung ist es, einen Sinusoszillator zu schaffen, dessen Frequenz oder Periodendauer von dem Wert nur einer durch eine zu messende Grösse veränderbaren Impedanz linear abhängig ist.
Oszillatoren dieser Art sind besonders vorteilhaft, wenn eine in nur einem Wirk- oder Blindwiderstand abgebildete zu messende Grösse in eine ihr proportionale Frequenz oder Periodendauer umgewandelt werden soll.
Ein als solcher bekannter Sinusoszillator zum Erzeugen eines Signals mit einer von nur einer Impedanz linear abhängigen Periodendauer oder Frequenz, bestehend aus wenigstens einem Verstärker und aus frequenzbestimmenden Bauelementen, zu welchen wenigstens eine erste regelbare Impedanz und wenigstens eine zweite regelbare Impedanz gehört, ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die zweite regelbare Impedanz von einer von der Schwingung des Oszillators abgeleiteten Steuergrösse gesteuert ist.
Handelt es sich um einen LC-Oszillator, so kann eine Induktivität L bzw. ein Kondensator C durch eine zu messende, von ausserhalb des Oszillators herrührende Grösse eingestellt werden, wobei dann nach der Erfindung der Kondensator C bzw. die Induktivität L mittels der erzielten Steuergrösse derart geregelt werden, dass zwischen der zu messenden Grösse und der Oszillatorperiode eine lineare Beziehung ent-
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steht.
Handelt es sich um einen RC- oder RL-Oszillator, so kann das frequenz bestimmende Netzwerk aus einem ersten regelbaren Wirkwiderstand, wenigstens einem zweiten regelbaren Wirkwiderstand und wenigstens zwei Blindwiderständen gleichen Typs, oder aus einem ersten regelbaren Blindwiderstand, wenigstens einem zweiten regelbaren Blindwiderstand gleichen Typs und wenigstens zwei Wirkwider- ständen bestehen, und der zweite regelbare Wirkwiderstand oder der zweite regelbare Blindwiderstand werden von der Steuergrösse gesteuert.
Ein Nachteil dieser im vorhergehenden Absatz erwähnten Oszillatorart nach der Erfindung besteht darin, dass stets eine Impedanz gleichen Typs wie die erste regelbare Impedanz von der Steuergrösse ein- gestellt wird. Dies bereitet in bestimmten Fällen praktische Schwierigkeiten, wenn die beiden regel- baren Impedanzen Blindwiderstände, z. B. Kapazitäten, sind.
Es ist aber auch nach der Erfindung mög lich, bei einem Sinusoszillator zum Erzeugen eines Signals mit einer von nur einer Impedanz linear ab- hängigen Periodendauer oder Frequenz, mit wenigstens einem Verstärker und frequenzbestimmenden Bau- element bestehend aus einem ersten regelbaren Wirkwiderstand, wenigstens einem zweiten Wirkwider- stand und wenigstens zwei Blindwiderständen gleichen Typs, von denen wenigstens einer regelbar ist, oder aus einem ersten regelbaren Blindwiderstand, wenigstens einem zweiten Blindwiderstand und wenig- stens zwei Wirkwiderständen, von denen wenigstens einer regelbar ist, die von der Schwingung des Os- zillators abgeleitete Steuergrösse den regelbaren Blindwiderstand oder den regelbaren Wirkwiderstand steuern zu lassen.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen : Fig. 1 das Blockschalt- bild eines bekannten RC-Oszillators mit einer Wien-Brücke als frequenzbestimmendes Netzwerk, bei dem zur Erzielung einer linearen Widerstands-Periodendauer-Charakteristik beide ohmschen Wider- stände in gleichem Masse von aussen verändert werden müssen : Fig. 2 ein mögliches Ausführungsbeispiel (Blockschaltbild) eines Oszillators nach der Erfindung, bestehend aus einem Wien-Brücken-Netzwerkmit einem von aussen veränderbaren ohmschen Widerstand, einem Verstärker, einer Vorrichtung zur Ableitung einer Steuergrösse aus der Schwingamplitude sowie einer Vorrichtung zur mechanischen Verstellung eines als zweiter ohmscher Widerstand der Wien-Brücke dienenden Potentiometers ;
Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Oszillators nach der Erfindung mit einer Vorrichtung zur optischen Beeinflussung des Widerstandswertes eines als zweiter ohmscher Widerstand der Wien-Brücke dienenden lichtempfindlichen Widerstandes ; Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Oszillators gemäss der Erfindung mit einer Vorrichtung zur magnetischen Beeinflussung des Widerstandswertes eines als zwei- ter ohmscher Widerstand der Wien-Brücke dienenden magnetfeldempfindlichen Widerstandes ;
Fig. 5 ein viertes Ausführungsbeispiel eines Oszillators gemäss der Erfindung mit einer von aussen veränderbaren Induktivität und einer Vorrichtung zur Beeinflussung des induktiven Widerstandes einer als zweite Induktivität der Wien-Brücke dienenden vormagnetisierten nichtlinearen Induktivität : Fig. 6 ein fünftes Ausführungsbeispiel eines Oszillators gemäss der Erfindung mit einer von aussen veränderbaren Kapazität und einer Vorrichtung zur Beeinflussung des kapazitiven Widerstandes einer als zweite Kapazität dienenden spannungsabhängigen nichtlinearen Kapazität ;
Fig. 7 ein Beispiel eines Oszillators nach der Erfindung, bei dem die von aussen einstellbare Impedanz von einem andern Typ ist als die von der Steuergrösse eingestellte Impedanz, und Fig. 8 ein weiteres Beispiel des Oszillators nach der Erfindung mit verschiedenen Arten von regelbaren Impedanzen.
Zur Verdeutlichung der Funktionsweise des Oszillators nach der Erfindung soll zunächst ein bekannter RC- (oder RL-) Sinusoszillator betrachtet werden. Fig. 1 zeigt als Ausführungsbeispiel eines solchen Oszillators den bekannten Wien-Brücken-Oszillator, bestehend aus dem Differenzverstärker--V,- mit der Verstärkung-v-, dem passiven frequenzbestimmenden Rückkopplungsnetzwerk-R , X., R, X-und dem passiven frequenzunabhängigen Gegenkopplungsnetzwerk-Rg, R ". Die komplexe Übertragungsfunktion F des frequenzbestimmenden Netzwerkes ist gegeben durch
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Eine stabile Schwingung stellt sich ein, wenn die Forderung F. vol (2)
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Mit Gleichung (2) ergibt sich die Frequenz der stabilen Schwingung aus der Bedingung, dass F rein reell sein muss.
Im (f) =0 # X2/R1 = R2/X1 (3)
Bei einem Wien-Brücken-Oszillator mit Kapazitäten und ohmschen Widerständen ergeben sich dann die Frequenz bzw. die Periodendauer
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Bei einem Wien-Brücken-Oszillator mit Induktivitäten und ohmschen Widerständen ist die Frequenz
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Zusammen mit der Gleichung (3) liefert die Schwingbedingung (2) die erforderliche Verstärkung
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v=1/F=1+R2/R1+X2/X1 (4)
Wird bei einem Oszillator nach Fig. 1 eine lineare Abhängigkeit der Frequenz oder der Perioden- dauer beispielsweise von ohmschen Widerständen gefordert, so ist es nach Gleichung (3a) oder (3b) notwendig, dass die ohmschen Widerstände --R1 und R2-- der Bedingung
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hängig von der Frequenz des Oszillators.
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Oszillators nach der Erfindung, bestehend aus einem Wien-Brücken-Netzwerk, einem Verstärker --V1--. einer Einrichtung --A-- zur Ableitung einer Steuergrösse aus der Schwingamplitude und eirer Steuereinrichtung --S--. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Widerstand-R-des frequenzbestimmenden Netzwerkes von aussen, z. B. von Hand, einstellbar, - zist ein veränderbarer Widerstand, dessen Schleifer mit dem Rotor eines als Steuereinrichtung, dienenden, an sich bekannten Elektromotors verbunden ist. Der Elektromotor wird mit der Ausgangsspannung der Einrichtung-A-betrieben, die z. B. erzeugt wird durch Vergleich der gleichgerichteten Oszillator-Ausgangsspannung mit einer (nicht gezeichneten) Referenzspannung.
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grösser (kleiner) als 1.
Dadurch wird die Schwingung instabil, ihre Amplitude steigt an (fällt ab). Über die Einrichtung - zur Ableitung einer Steuergrösse aus der Schwingamplitude erhält die Steuereinrichtung-Seine Spannung und bewirkt so lange eine Veränderung des Widerstandes --R2--'bis die Steuerspannung an der Steuereinrichtung --S-- wieder verschwindet, d. h. bis die Oszillatoramplitude wieder ihren ursprünglichen, durch die Referenzspannung gegebenen Wert angenommen hat.
Bei konstanter Ver-
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einen Oszillator mit Widerständen und Kapazitäten
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und durch Einsetzen in Gleichung (3b) für einen Oszillator aus Widerständen und Induktivitäten
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An Stelle des im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 mechanisch veränderbaren Widerstandes --R2-kann ein beliebig anders veränderbarer Widerstand verwendet werden. Die Steuereinrichtung --S-- muss dann so beschaffen sein, dass sie den Wert des veränderbaren Widerstandes beeinflussen kann.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, in dem-R,-ein photoempfindlicher Widerstand und die Steuereinrichtung --S-- eine beliebig gesteuerte Lichtquelle --L-- (z. B. Glühlampe, Lichtdiode usw.) ist.
Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, in dem -R2-- ein magnetfeldabhängiger Widerstand und die Steuereinrichtung --S-- ein Elektromagnet --M-- mit Luftspalt ist.
Vorteilhaft an den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 3 und 4 ist das Fehlen mechanisch bewegter Teile. Im Gegensatz zu der im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 beschriebenen Anordnung kann hier die Referenzspannung entfallen. Der nachgeführte Widerstand wird dann so lange verändert, bis die Kreis-
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lWiderstände und die Blindwiderstände vertauschbar sind. Diese Tatsache führt zu weiteren Ausführungsbeispielen (Fig. 5 und 6).
Fig. 5 zeigt als Ausführungsbeispiel einen Wien-Brücken-Oszillator mit einer von aussen veränderbaren Induktivität während als zweiter induktiver Widerstand eine nichtlineare, durch Vormagnetisierung steuerbare Induktivität--L 2--dient. Die Steuereinrichtung besteht hier aus einer von dem Steuerstrom durchflossenen Wicklung --Ws--.
Fig. 6 zeigt das Ausführungsbeispiel eines kapazitiv gesteuerten Wien-Brücken-Oszillators, bei dem der nachzuführende kapazitive Widerstand als eine nichtlineare spannungsgesteuerte Kapazität ausgebildet ist. Die Steuereinrichtung besteht aus zwei Kapazitäten --C -- zur Abtrennung der SteuerGleichspannung und zwei Widerständen --R--, die verhindern, dass die an der steuerbaren Kapazität abfallende Wechselspannung durch den Ausgang der Einrichtung-A-kurzgeschlossen wird. Die Änderung der Periodendauer in den Anordnungen nach den Fig. 5 und 6 ist gegeben durch AT = K. AL bzw.
AT = K. AC, worin K = konstant.
Eine Klasse von Sinusoszillatoren enthält ein Tiefpassfilter --Lp-- vom ersten Grad mit der Über- tragungsfunktion FLP = 1/ (1 + p # LP).
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teilt ist. Durch Anbringung der Verstärkerteile zwischen den beiden Filtern ist gleichzeitig eine Entkopplung der Filter entstanden.
Aus den Übertragungsfunktionen der Einzelteile des Oszillators lässt sich die Kreisverstärkung --vK-des Oszillators ableiten.
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Bei vK = 1 stellt sich eine stabile Schwingungsfrequenz--w -- ein.-u- ist durch die Forderung bestimmt, dass der Imaginärteil von --v -- gleich Null sein muss :
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von --v K -- gleichIst die Verstärkung-v--konstant und z. B. gleich 2, so ist nach Gleichung (9) nur dann eine stabile Schwingung möglich, wenn
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Fig. 8 zeigt ein weiteres Beispiel eines Oszillators nach der Erfindung, bei dem die von aussen einstellbare Impedanz von einem andern Typ ist als die von der Steuergrösse eingestellte regelbare Impedanz. Hier ist wieder ein Hochpassfilter --HP2-- mit einem Widerstand-R-und einer Spule --L21-und ein Tiefpassfilter-LP -mit einem Widerstand --R22-- und einem Kondensator --C22 -- mit den Verstärkerteilen-Vi und V2 -- und der Vorrichtung --A-- verwendet. Die Steuergrösse steuert in diesem Beispiel eine regelbare Impedanz (Wirkwiderstand --R22 --) des Tiefpassfilters --LP2--, das aus dem Widerstand --R22 -- und dem Kondensator-C-besteht.
Eine regelbare Impedanz eines andern Typs (hier eine Induktivitätsspule--L,.-) des Hochpassfilters --HP2--, das aus einem Widerstand --R21-- und einer Spule --L21-- besteht, wird von aussen durch die zu messende Grösse eingestellt.
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wenden, ist es naturgemäss auch möglich, dafür Wirkwiderstände zu wählen und dann eine geeignete Impedanz eines andern Typs (Blindwiderstand) von der Steuergrösse steuern zu lassen.
Bei den Oszillatoren der zuletzt genannten Art lassen sich die gleichen Mittel wie früher erwähnt verwenden, um die regelbaren Impedanzen von der Steuergrösse steuern zu lassen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Sinusoszillator zum Erzeugen eines Signals mit einer von nur einer Impedanz linear abhängi-
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ert ist.