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Die Erfindung betrifft einen Wien-Robinson-Oszillator
mit einem Operationsverstärker,
der mit einem Gegenkopplungszweig und mit einem Mitkopplungszweig
versehen ist.
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Ein derartiger Wien-Robinson-Oszillator
ist insbesondere aus dem Fachbuch von Tietze – Schenk „Halbleiter-Schaltungstechnik", Springer Verlag,
B. überarbeitete
Auflage von 1986, Seiten 454 bis 458 bekannt. Die Frequenz eines
Wien-Robinson-Oszillators
wird durch RC-Glieder, d. h. aus Widerständen und Kondensatoren gebildete
Netzwerke, bestimmt. Derartige Oszillatoren werden vorzugsweise
im Niederfrequenzbereich eingesetzt, da in diesem Frequenzbereich
die Induktivitäten
und Kapazitäten
von LC-Oszillatoren unhandlich groß werden. Beim Wien-Robinson-Oszillator
wird eine Wien-Robinson-Brückenschaltung,
wie sie in der 15.26 auf Seite 455
dargestellt ist, als Rückkopplungsnetzwerk
und frequenzbestimmendes Glied eingesetzt. Die Prinzipschaltung
eines derartigen Oszillators ist in der 15.27 auf
Seite 456 dargestellt. Zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers und
Bezugspotential sind ein Gegenkopplungszweig und ein Mitkopplungszweig
angeordnet. Der Gegenkopplungszweig besteht im Wesentlichen aus
zwei Widerständen,
deren gemeinsamer Schaltungspunkt mit dem invertierenden Eingang
des Operationsverstärkers
verbunden ist. Der Mitkopplungszweig besteht aus der Reihenschaltung von
zwei RC-Gliedern, deren gemeinsamer Schaltungspunkt mit dem nichtinvertierenden
Eingang des Operationsverstärkers
verbunden ist. Das zwischen dem nichtinvertierenden Eingang des
Operationsverstärkers
und Bezugspotential angeordnete RC-Glied besteht aus der Parallelschaltung
eines Widerstands und eines Kondensators. Das zwischen dem nichtinvertierenden
Eingang und dem Ausgang des Operationsverstärkers angeordnete andere RC-Glied
besteht aus der Reihenschaltung eines weiteren Widerstands und eines
weiteren Kondensators. Damit die Schwingbedingung des Wien-Robinson-Oszillators erfüllt ist,
ist der zwischen dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers und
Bezugspotential angeordnete Widerstand des Gegenkopplungszweigs
halb so groß wie
der zwischen dem invertierenden Eingang und dem Ausgang des Operationsverstärkers angeordnete
Widerstand. Außerdem
sind die Widerstände
und die Kondensatoren der beiden RC-Glieder des Mitkopplungszweigs jeweils
gleich groß.
Um die Ausgangsspannung des Oszillators zu stabilisieren, ist in
der 15.27 der zwischen dem Bezugspotential
und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers angeordnete
Widerstand als Reihenschaltung eines festen Widerstands und eines
steuerbaren Widerstands ausgebildet. Den steuerbaren Widerstand
bildet die Drain-Source-Strecke eines in der Regel symmetrischen
Feldeffekttransistors, dessen Drain-Anschluß mit Bezugspotential verbunden
ist. Bei einem symmetrischen Feldeffekttransistor kann alternativ
der Source-Anschluß anstelle
des Drain-Anschlusses mit Bezugspotential verbunden sein. Der steuerbare
Widerstand in Form eines Feldeffekttransistors ermöglicht es,
das Widerstandsverhältnis
des Gegenkopplungszweigs so zu verändern, daß die Bedingung für eine konstante
Amplitude der Ausgangsspannung des Oszillators erfüllt ist.
Hierzu wird die Ausgangsspannung des Oszillators gleichge richtet
und die gleichgerichtete Spannung über eine Anpassungsschaltung
dem Gate-Anschluß des
Feldeffekttransistors als Steuerspannung zugeführt. Die Höhe der Amplitude der Ausgangsspannung
des Oszillators hängt
in dieser Schaltung von den Daten des Feldeffekttransistors ab.
Die Konstanz der Ausgangsspannung des Oszillators läßt sich – wie anhand
der 15.28 auf Seite 458 dargestellt – durch
eine Zwischenverstärkung
der Gate-Spannung verbessern. Die genannten Maßnahmen verbessern zwar die
Konstanz der Ausgangsspannung des Oszillators, andererseits erhöhen sie
aber auch den für
den Oszillator erforderlichen schaltungstechnischen Aufwand. Als
weiterer Nachteil der beschriebenen Schaltungsanordnung kommt eine
starke Empfindlichkeit der Amplitudenregelung gegenüber EMV-Störungen hinzu.
Die Buchstabenfolge „EMV" steht hier in üblicher
Weise für „elektromagnetische
Verträglichkeit".
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
einen Wien-Robinson-Oszillator der eingangs genannten Art zu schaffen,
bei dem die Amplitude der Ausgangsspannung mit einfachen Mitteln
konstant gehalten ist.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale
des Anspruchs 1 gelöst.
Der zusätzliche
Widerstand zwischen dem von dem Bezugspotential abgewandten Ende
des Mitkopplungszweigs und dem Ausgang des Operationsverstärkers bewirkt
in Verbindung mit zwei betragsmäßig gleichen
Hilfsspannungen entgegengesetzter Polarität, die mit dem gemeinsamen Schaltungspunkt
des Mitkopplungszweigs und des zusätzlichen Widerstands über je eine
Diode verbunden sind, über
eine Veränderung
des Verhältnisses zwischen
der Mitkopplung und der Gegenkopplung eine Stabilisierung der Amplitude
der Ausgangsspannung.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet. Der gemäß Anspruch
2 zusätzlich
eingefügte
Widerstand verbessert die Signalgüte, insbesondere die Sinusform
der Ausgangsspannung des Oszillators und verringert den Klirrfaktor.
Als Ausgang des Oszillators kann einer der beiden Anschlüsse des
Widerstands, der in Reihe zu dem Ausgang des Operationsverstärkers angeordnet
ist, verwendet werden. Dient gemäß Anspruch
3 der von dem Ausgang des Operationsverstärkers abgewandte Anschluß des Widerstands als
Ausgang des Oszillators, ist die Amplitude der Ausgangsspannung
bei im wesentlichen konstanter Belastung stabiler als wenn – wie im
Anspruch 4 angegeben – der
Ausgang des Operationsverstärkers als
Ausgang des Oszillators dient. Außerdem wird bei der Ausgestaltung
nach Anspruch 3 die dritte Oberwelle der Ausgangsspannung des Oszillators
stärker unterdrückt als
bei der Ausgestaltung nach Anspruch 4. Ein gegenüber Änderungen der Belastung stabiles Signal
erhält
man, wenn – wie
im Anspruch 4 angegeben – den
Ausgang des Operationsverstärkers
als Ausgang des Oszillators verwendet wird. Das Ausgangssignal des
Operationsverstärkers
ist insbesondere als Hilfssignal für die Steuerung von Schaltvorgängen gut
geeignet. Der Einsatz eines dem Ausgang des Oszillators nachgeschalteten
Treibers gemäß Anspruch
5 vermeidet Rückwirkungen
auf den Oszillator bei sich ändernder
Last oder aufgrund von externen Störungen, die über ein
zu der Last führendes
Kabel eingekoppelt werden. Durch die Belastung des Ausgangs des
Treibers mit einem aus der Parallelschaltung eines induktiven Widerstands
und einer Kapazität
gebildeten Schwingkreises gemäß Anspruch
6 werden hochfrequente Störungen
unterdrückt
sowie die Stromaufnahme und die Verlustleistung des Oszillators
verringert. Dies gilt in besonderem Maße dann, wenn die Eigenfrequenz
des Schwingkreises gemäß Anspruch
7 so bemessen ist, daß sie
gleich der Schwingfrequenz des Oszillators ist. Der Oszillator,
insbesondere in seiner Ausgestaltung gemäß Anspruch 6 oder Anspruch
7 ist insbesondere zur Speisung von induktiven oder kapazitiven
Meßwertaufnehmern,
insbesondere Wegaufnehmern, geeignet.
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Die Erfindung wird im folgenden mit
ihren weiteren Einzelheiten anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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Die einzige Figur zeigt das Schaltbild
eines erfindungsgemäß ausgebildeten
Wien-Robinson-Oszillators 10 in Verbindung mit einer entsprechend
den Unteransprüchen
ausgebildeten Verstärkeranordnung 11 und
einem schematisch dargestellten induktiven Wegaufnehmer 12.
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Der Wien-Robinson-Oszillator 10 weist
einen Operationsverstärker 15 auf,
der mit einem Gegenkopplungszweig und einem Mitkopplungszweig versehen
ist. Als Versorgungsspannungen für
den Operationsverstärker 15 dienen
zwei Spannungen +Uv und –Uv mit
entgegengesetzten Vorzeichen, deren Beträge gleich groß sind.
Der Gegenkopplungszweig ist aus zwei in Reihe geschalteten Widerständen 16 und 17 gebildet.
Ihr gemeinsamer Schaltungspunkt ist mit dem invertierenden Eingang
des Operationsverstärkers 15 verbunden.
Der andere Anschluß des Wider stands 16 ist
mit Bezugspotential verbunden, während
der andere Anschluß des
Widerstands 17 mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 15 verbunden
ist. Der Ausgang des Operationsverstärkers 15 ist mit dem
Bezugszeichen 18 versehen, seine Ausgangsspannung ist mit
ua1 bezeichnet. Der Mitkopplungszweig ist
aus zwei in Reihe geschalteten RC-Gliedern gebildet, wobei das eine
RC-Glied aus der Parallelschaltung eines Widerstands 20 und
eines Kondensators 21 besteht und das andere RC-Glied aus
der Reihenschaltung eines weiteren Widerstands 22 und eines
weiteren Kondensators 23. Das aus dem Widerstand 20 und
dem Kondensator 21 gebildete RC-Glied ist zwischen dem
nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 15 und Bezugspotential
angeordnet. Das aus dem Widerstand 22 und dem Kondensator 23 gebildete RC-Glied
ist zwischen dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 15 und
dem Ausgang 18 des Operationsverstärkers 15 angeordnet, wobei
zwischen dem Kondensator 23 und dem Ausgang 18 ein
weiterer Widerstand 25 angeordnet ist. Der gemeinsame Schaltungspunkt
des Kondensators 23 und des Widerstands 25 ist
mit dem Bezugszeichen 26 versehen. Die Spannung des Schaltungspunktes 26 ist
mit ua2 bezeichnet. Mit dem Schaltungspunkt 26 ist
ein Widerstand 28 verbunden, dessen anderer Anschluß mit dem
Bezugszeichen 29 versehen ist. Die Spannung, die sich am
Schaltungspunkt 29 einstellt, ist mit ua3 bezeichnet.
Der Schaltungspunkt 29 ist über eine erste Diode 30 mit
einer konstanten positiven Hilfsspannung +Uk1 verbunden und über eine
zweite, entgegengesetzt gepolte Diode 31 mit einer konstanten
negativen Hilfsspannung –Uk1. Die Beträge der Hilfsspannungen +Uk1 und –Uk1 sind gleich groß, sie sind jedoch kleiner
als die Beträge
der Spannungen +Uv und –Uv gewählt.
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Überbrückt man
zunächst
in Gedanken den Widerstand 25 und trennt zugleich die Verbindung zwischen
dem Schaltungspunkt 26 und dem Widerstand 28 auf,
so erhält
man einen bekannten Wien-Robinson-Oszillator. Die Schwingbedingung
eines derartigen Oszillators ist in bekannter Weise dann erfüllt, wenn
der zwischen dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 15 und
Bezugspotential angeordnete Widerstand 16 des Gegenkopplungszweigs
halb so groß ist
wie der zwischen dem invertierenden Eingang und dem Ausgang 18 des
Operationsverstärkers 25 angeordnete Widerstand 17 und
wenn außerdem
die Widerstände 20 und 22 sowie
die Kondensatoren 21 und 23 der beiden RC-Glieder
des Mitkopplungszweigs jeweils gleich groß sind. In diesem Fall sind
Gegenkopplung und Mitkopplung gleich groß und es ergibt sich eine im
wesentliche sinusförmige
Spannung ua1 am Ausgang 18, deren
mit f10 bezeichnete Frequenz in bekannter
Weise durch das Produkt aus dem Widerstand 20 und dem Kondensator 21 bestimmt
ist. Wie bereits einleitend ausgeführt, waren bisher umfangreiche
zusätzliche
Maßnahmen
erforderlich, um die Amplitude der Schwingung eines derartigen Oszillators
konstant zu halten.
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Um die Amplitude der Ausgangsspannung des
Wien-Robinson-Oszillators 10 konstant zu halten, ist erfindungsgemäß – wie bereits
oben beschrieben – zwischen
den Schaltungspunkten 18 und 26 der Widerstand 25 eingefügt. Als
Ausgangsspannung des Wien-Robinson-Oszillators 10 dient
in diesem Ausführungsbeispiel
die Spannung ua2 des Schaltungspunkts 26.
Alternativ hierzu ist es jedoch auch möglich, die Ausgangsspannung
des Operationsverstärkers 15,
d. h. die Spannung ua1 des Schaltungspunktes 18,
als Ausgangsspannung des Wien-Robinson-Oszillators 10 zu verwenden.
In diesem Ausführungsbeispiel
wird die Spannung ua2 als Ausgangsspannung
des Wien-Robinson-Oszillators 10 verwendet,
da sie bei im wesentlichen konstanter Belastung stabiler als die
Ausgangsspannung ua1 des Operationsverstärkers 15 ist.
Die Spannung ua1 ist dagegen als Hilfssignal
für eine
hier nicht dargestellte und auch nicht beschriebene Steuerung von
Schaltvorgängen
gut geeignet.
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Der Mitkopplungszweig des erfindungsgemäßen Wien-Robinson-Oszillators 10 ist
so ausgebildet, daß die
Mitkopplung die Gegenkopplung überwiegt,
so lange die Dioden 30 und 31 sperren. In diesem
Betriebszustand ist die Spannung ua3 gleich
der Spannung ua2, da über den Widerstand 28 kein
Strom fließt.
Die Amplituden der Spannungen ua1 und ua2 klingen bei überwiegender Mitkopplung so
lange auf, bis die Spannung ua2 und damit
auch die Spannung ua3 betragsmäßig größer ist
als die um die Durchlaßspannung
der Diode 30 oder der Diode 31 erhöhte Hilfsspannung
+Uk1 bzw. –Uk1.
Wird die Spannung ua2 größer als die um die Durchlaßspannung
der Diode 30 erhöhte
Hilfsspannung +Uk1, wird die Diode 30 leitend
und es fließt
von dem Schaltungspunkt 26 Strom über den Widerstand 28 und
die Diode 30. Dabei wird die die Mitkopplung bestimmende
Spannung ua2 auf einen Wert begrenzt, der
um den Spannungsabfall an dem Widerstand 28 größer als
die Spannung ua3 ist. Die Spannung ua3 ist in diesem Betriebszustand gleich der
Summe aus der Hilfsspannung +Uk1 und der
mit ud30 bezeich neten Durchlaßspannung
der Diode 30. Der in diesem Betriebszustand über den
Widerstand 28 fließende
Strom bewirkt einen zusätzlich Spannungsabfall
an dem Widerstand 25. Dies führt zu einer weiteren Erhöhung der
die Gegenkopplung bestimmenden Spannung ua1.
Somit wirkt in diesem Betriebszustand die Gegenkopplung stärker als
die Mittkopplung. Dies führt
zu einem Abklingen der Schwingungen bis die Spannung ua2 so
weit abgesunken ist, daß die
Diode 30 wieder sperrt und die Mitkopplung erneut stärker als
die Gegenkopplung ist. Die Mitkopplung des Wien-Robinson-Oszillators 10 ist
somit abwechselnd stärker
oder schwächer
als die Gegenkopplung. Auf diese Weise stellt sich im zeitlichen
Mittel eine praktisch sinusförmige
Schwingung mit konstanter Amplitude ein. Der. Widerstand 25 ist
so dimensioniert, daß der
Operationsverstärker 15 im
linearen Bereich arbeitet. Je kleiner der Widerstand 28 bemessen
ist, desto stärker
wird die Sinusform der als Ausgangsspannung des Wien-Robinson-Oszillators 10 verwendeten
Spannung ua2 beschnitten, wenn die Begrenzung
durch die Diode 30 und die Hilfsspannung +Uk1 oder
durch die Diode 31 und die Hilfsspannung –Uk1 wirksam wird.
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Die Verstärkeranordnung 11 weist
einen Treiber 35, einen diesem nachgeschalteten Umkehrverstärker 36 und
einen Kondensator 37 auf. Der mit dem Bezugszeichen 40 versehene
Eingang der Verstärkeranordnung 11 ist
mit dem Ausgang 26 des Wien-Robinson-Oszillators 10 verbunden.
Der Treiber 35 verhindert Rückwirkungen aufgrund von Änderungen
einer an den Wien-Robinson-Oszillator 10 angeschlossenen
Last. Die Verstärkeranordnung 11 weist zwei
Ausgänge 41 und 42 auf.
Der Ausgang 41 ist gleichzeitig der Ausgang des Treibers 35,
während der Ausgang 42 gleichzeitig
der Ausgang des Umkehrverstärkers 36 ist.
Die Ausgangsspannung des Treibers 35 und die Ausgangsspannung
des Umkehrverstärkers 36 sind
mit ua4 bzw. ua5 bezeichnet. Der
Treiber 35 ist in diesem Ausführungsbeispiel als invertierender
Verstärker
ausgebildet. Grundsätzlich ist
es aber auch möglich,
den Treiber als nichtinvertierenden Verstärker auszubilden. Der Umkehrverstärker 36 ist
als invertierender Verstärker
mit dem Verstärkungsfaktor
V = –1
ausgebildet. Damit stellt sich die Spannung ua5 so
ein, daß sie
gleich –ua4 ist.
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Der induktive Wegaufnehmer 12 weist
eine Primärspule 44 sowie
zwei gegenläufig
gewickelte Sekundärspulen 45 und 46 auf.
Die Versorgung der Primärspule 44 erfolgt
durch die gegenphasigen Spannungen ua4 und
ua5. Zwischen der Primärspule 44 und den
Sekundärspulen 45 und 46 ist
ein beweglicher Kern 47 angeordnet, der die Kopplung zwischen
der Primärspule 44 und
den Sekundärspulen 45 und 46 entsprechend
seiner Auslenkung verändert.
Der Wegaufnehmer 12 setzt in an sich bekannter Weise einen
Weg s in eine hier mit us bezeichnete Spannung
um, die in hier nicht dargestellten Schaltungsanordnungen weiter.
Die Ausgänge 41 und 42 der
Verstärkeranordnung 22 sind über Leitungen 48 bzw. 49 mit
der Primärspule 44 des
Wegaufnehmers 12 verbunden. Die Leitungen 48 und 49 weisen
in Abhängigkeit
von dem jeweiligen Anwendungsfall eine unterschiedliche Länge auf.
Es besteht die Gefahr, daß über die
Leitungen 48 und 49 Störsignale eingestreut werden.
Der Treiber 35 verhindert eine Rückwirkung von Störsignalen
auf den Ausgang des Wien-Robinson-Oszillators 10.
Der Kondensator 37 bildet zusammen mit der Primärspule 44 des
Wegaufnehmers 12 einen LC-Schwing kreis. Die Kapazität des Kondensators 37 ist
so bemessen, daß die
Eigenfrequenz f0* des LC-Schwingkreises 37, 44 gleich der
Schwingfrequenz f0 des Wien-Robinson-Oszillators 10 ist.
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Hierdurch werden hochfrequente Störungen unterdrückt und
die Verlustleistung des Wien-Robinson-Oszillators 10 verringert.
Die Leitungen 48 und 49 bilden einen Kondensator 50,
der parallel zu dem Kondensator 37 und zu der Primärspule 44 liegt.
Der Kondensator 50 ist in der Figur durch Strichlinien
dargestellt, da es sich hier nicht um einen konkreten Kondensator
sondern um den kapazitiven Anteil der Leitungen 48 und 49 handelt.
Sofern die Kapazität der
Leitungen 48 und 49 nicht vernachlässigbar
klein gegenüber
dem Kondensator 37 ist, ist zusätzlich die Größe des Kondensators 50 bei
der Bemessung des Kondensators 37 zu berücksichtigen,
d. h. der Kondensator 37 ist entsprechend kleiner zu wählen.
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Anstelle des in der Figur dargestellten
induktiven Wegaufnehmers 12 mit einer Primärspule und zwei
Sekundärspulen
ist es auch möglich,
als induktiven Wegaufnehmer eine Drossel mit Mittelanzapfung und
einem die Kopplung der Drossel steuernden beweglichen Kern zu verwenden.
In diesem Fall ist die an der Mittelanzapfung abgegriffene Spannung ein
Maß für die Auslenkung
des beweglichen Kerns.