DE1045480B

DE1045480B - Frequenzstabilisierter Oszillator

Info

Publication number: DE1045480B
Application number: DE1957P0018364
Authority: DE
Inventors: Gerhard Hoyer; Dipl-Ing Arthur Walter
Original assignee: PINTSCH ELECTRO GmbH
Current assignee: PINTSCH ELECTRO GmbH
Priority date: 1957-04-17
Filing date: 1957-04-17
Publication date: 1958-12-04

Description

DEUTSCHES

In der Nachrichtentechnik werden vielfach Oszillatoren benötigt, die auf mehrere vorbestimmte Frequenzen abstimmbar sind, wobei jede dieser Frequenzen möglichst konstant sein soll. Diese Forderungen lassen sich bei sehr sorgfältigem mechanischem und elektrischem Aufbau in gewissem Maße auch mit aus Spulen und Kondensatoren aufgebauten Schwingkreisen erfüllen. Der Frequenzwechsel erfolgt hierbei mittels eines Wahlschalters, der einen der Blindwiderstände, beispielsweise die Kreiskapazität, stufenweise umzuschalten gestattet.

Bei höheren Ansprüchen bezüglich der Frequenzkonstanz ist es jedoch empfehlenswert und üblich, als frequenzbestimmendeBauelementeelektromechanische, vorzugsweise piezoelektrische Schwinger zu verwenden, die sowohl an den Ausgangsklemmen des aktiven Vierpols (z. B. einer Elektronenröhre) der Schaltung als auch in dem die Selbsterregung bewirkenden Rückkopplungspfad angeordnet sein können und bei besonders hochwertigen Oszillatoren in einem Thermostaten untergebracht werden. Auch hier ist es üblich, den Frequenzwechsel mittels eines Wahlschalters durchzuführen, der den jeweils gewünschten Schwingquarz in die Schaltung einfügt bzw. mit dieser verbindet. Die Verwendung eines solchen Umschalters hat jedoch verschiedene Nachteile bezüglich der konstruktiven Erfordernisse sowie der Frequenzkonstanz eines Quarzoszillators zur Folge. Die Schalterkapazitätan sind temperaturabhängig und verschlechtern dadurch die Frequenzkonstanz. Bei hohen Frequenzen stört auch die Induktivität der Schalter Zuleitungen in ähnlicher Weise. Um den schädlichen Einfluß der Schalterkapazitäten auf die Temperaturkonstanz des Oszillators zu vermeiden, ist man gezwungen, außer den Schwingquarzen auch den Schalter im Thermostaten unterzubringen.

Es sind bereits Schaltungsanordnungen bekanntgeworden, bei denen an den Ausgangsklemmen eines aktiven Vierpols ein abstimmbarer Schwingkreis von relativ geringer Güte liegt, während zwei oder mehrere in Serie geschaltete, auf ihrer Parallelresonanz schwingende Quarze so in einen zu den Eingangsklemmen führenden Rückkopplungspfad eingefügt sind, daß bei Abstimmung des Schwingkreises auf eine dieser Parallelresonanzen die Selbsterregungsbedingung des Oszillators erfüllt ist. Diese Schaltungen ermöglichen es also, den Frequenzwechsel ohne Verwendung eines mit den Schwingquarzen in Verbindung stehenden Schaltorgans durchzuführen. Ihrer praktischen Anwendung stehen jedoch verschiedene Nachteile entgegen. Da nur ein einziger der verwendeten Schwingquarze mit Masse verbunden sein kann, kann die Frequenzkonstanz der Anordnung beispielsweise durch unvermeidliche Streuimpedanzen un-Frequenzstabilisierter Oszillator

Anmelder:

Pintsch. Electro G.m.b.H.,
Konstanz, Bücklestr. 3

Dipl.-Ing. Arthur Walter und Gerhard Hoyer, Konstanz, sind als Erfinder genannt worden

günstig beeinflußt werden. Ferner bewirkt der Austausch eines der in Serie liegenden Quarze gegen ein anderes Exemplar in den meisten Fällen eine Änderung der wirksamen Resonanzfrequenzen aller übrigen Quarze.

Die Erfindung hat einen frequenzstabilisierten Oszillator zum Gegenstand, der hinsichtlich der Frequenzumschaltung die gleichen Vorteile aufweist wie die vorerwähnten Schaltungen, ohne jedoch mit ihren Nachteilen behaftet zu sein. Dieser Oszillator unterscheidet sich von den bekannten Schaltungen dadurch, daß die in dem Rückkopplungspfad wirksamen Resonanzstellen nunmehr durch die Serienresonanzen von zwei oder mehreren Resonanzsystemen hoher Güte, wie z. B. Schwingquarzen, gebildet werden, wobei diese parallel zueinander geschaltet sind.

Durch die Parallelschaltung der Resonanzsysteme ist es jetzt möglich, jedes einzelne System (z. B. jeden Schwingquarz) einseitig an Masse zu legen, wodurch z. B. das Auswechseln einzelner Schwinger sehr erleichtert wird. Andererseits wird dadurch die Ausnutzung der Serienresonanzsteile ermöglicht, deren Eigenschaften bekanntlieh nur vom Quarz selbst abhängen, also z. B. gegenüber dem Einfluß von Streuimpedanzen unempfindlich ist. Eine gegenseitige Beeinflussung der Schwingquarze, die beim Austausch eines Quarzes zu Frequenzänderungen der übrigen Quarze führen könnte, ist bei dem Oszillator gemäß der Erfindung nicht zu befürchten.

Dieser Oszillator kann so aufgebaut sein, daß die parallel geschalteten Resonanzsysteme als Längsglied eines Spannungsteilers dienen, der in den positiven Rückkopplungspfad des Oszillators eingefügt ist und dort bewirkt, daß sich jeweils nur an den genannten Resonanzstellen eine zur Selbsterregung führende Mitkopplungsspannung aufbauen kann. Die Resonanzsysteme können aber in vorteilhafter Weise auch so in einem Gegenkopplungspfad des Oszillators angeordnet

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sein, daß die den Eingangsklemmen zugeführte, der Selbsterregung entgegenwirkende Gegenkopplungsspannung an den Resonanzstellen ein ausgeprägtes Minimum aufweist.

Bei Verwendung von Schwingquarzen können diese sowohl auf ihrer Grundwelle als auch auf einer Oberwelle betrieben werden. An Stelle dieser piezoelektrischen können im Rahmen der Erfindung in ähnlicher Weise auch magnetostriktive Schwinger, elektrodynamisch bzw. elektromagnetisch erregte mechanische Schwinger oder andere Resonanzsysteme verwendet werden. Andererseits können beispielsweise auch die Nullstellen eines aus einer Vielzahl von Blindwiderständen aufgebauten Netzwerkes (Filters) als frequenzbestimmende Resonanzstellen dienen. Hieraus ist zu ersehen, daß es eine größere Anzahl von Schaltungen geben wird, mit denen sich die Erfindung entsprechend der Art und Anordnung des bzw. der verwendeten Resonanzsysteme verwirklichen läßt.

Die in der Zeichnung dargestellten Schaltungsbeispiele sollen dazu dienen» zumindest einen Teil dieser Möglichkeiten aufzuzeigen und an Hand der speziellen AttsfüTaroiigen das Wesen der Erfindung näher zu erläutern.

Der Oszillator nach Fig. 1 ermöglicht die Erzeugung von vier stabilisierten Frequenzen, die mittels eines Stufenschalters 1 wählbar sind. Dieser liegt im Anodenkreis der Osztliatorröfire 2 und schaltet jeweils einen- der Kondensatoren S, 4, 5 oder 6 parallel zur Schwingkreisinduktivität 7. Der Schwingkreis ist durch einen besonderen Widerstände gedämpft. Außerdem sind dem Schwingkreis, die in Serie liegenden Widerstände 9: and IO parallel geschaltet, die die Aufgabe haben, die· Amplitude der erzeugten Sdiwingaag zu stabilisieren. Der Widerstand 9t ist ein Heißleiter, während der Wert des linearen öhmschen Widerstandes IQ sä gewählt ist, daß er den fallenden Teil der Strom-Spannuirgs-Charakteristik von 9? derart ergänzt, daß in efnenm weiten Bereich des Stromes durch 9 and 10 die Spannung über diesen; Widerständenkonstant bleibt. Ferner ist der Temperaturkoeffizient vom lft so gewählt, daß er in einem, gewissen Temperaturbereich entgegengesetzt gleich dem von 9 ist. Die Kathaderckojnbinatioii 11,12 dient in bekannter Weise zur Erzeugung der Gittervorspannung dter Röhre 2. Eine Koppelspule 13 entnimmt dem Schwingkreis die zur Selbsterregung dienende RSckkoppiurxgsspanming. Diese liegt jedoch nicht unmittelbar zwischen der Kathode tmd dem Gitter der Rohere, vielmehr ist m den positiven Rückkopplungspfad ein Spannungsteiler eingefügt,, dessen Otierglred d-urdi den Gitterableitwiderstand t4L und dessen Längsglied' durch vier parallel geschaltete; mit ihrer Serienresonanz wirksame Schwingquarze 15, 16, 17 und IS gebildet wird. Die Frequenzabhängigkeit dieses. Spannungsteilers wirkt sich sa aus, daß die zwischen Kathode un-dl Gitter liegend» Mitkopplungsspannuiig· jeweils an den Nullstellen des Blmdwiderstandsverlaufes der einzelnen-Quarze ein scharfes Maximum aufweist. Dabei ist die Schaltung so bemessen, daß) die Selbsterregungsbedinsgungdes Oszillators jeweils nur dann« erfMit ist, wenn die Abstimmung des Schwingkreises- sich einer- dieser Xulistellen nähert Die Umschaltung des OäzillatOTS auf die Frequenzen dfer einzelnen Schwingquarze erfolgt also, wie angestrebt, lediglich durch Betätigung des im Ausgangskreis- liegenden Wählschalters--1.

Die Verwendung der Heißleiterlcombinatian 9, 10 unterstützt- und^; ergänzt die Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung bezüglich- der erzielbsren F-re¹-quenz- und Amplitudenkonstanz. Durch diese Kombination werden auch Steilheitsschwankungen der Röhre 2 sowie Schwankungen der Betriebsspannungen ausgeglichen, so daß eine besondere Stabilisierung dieser Spannungen meist entbehrlich sein wird.

An Stelle der in den· Ausführungsbeispielen dargestellten Triode können selbstverständlich auch Pentoden benutzt werden. Ferner lassen sich im Rahmen der Erfindung auch andere aktive Vierpole, wie z. B. Transistoren, verwenden.

Das Entfallen von Schaltern bzw. Schaltkontakten an den frequenzbestimmenden Elementen des Oszillators bedeutet, wie aus dem eingangs Gesagten hervorgeht, an sich bereits einen großen und wesentlichen Vorteil. Darüber hinaus werden aber durch diesen Umstand weitere Möglichkeiten zur vorteilhaften Anwendung bzw. weiteren Ausbildung ätt Erfindung erschlossen.

Mao kann nämlich unter Anwendung der erfiftdungsgemäßeii Erkenntnis freqaenzsfetbilisierte Oszillatoren bauen, bei denen die Umschaltung von einer der durch konstante Resonanzsystem« vorbestimmten Frequenzen auf eine andere ledig-Iicii durch efttsp-reciieiide Änderung einer elektrischen Steuergröße, wie z. B. einer Gleichspannung oder eines Gleichstromes, erfolgt. Dadurch läßt sich mit geriagem Aufwand beispielsweise eine rein elektrische Femumscfialttfiig von mit mehreren Schwingquarzen ausgestatteten Oszillatoren verwirklichen. Hierzu wird aa defl Ausgangsklemmen des jeweils verwendetet! aktiven Vierpols ein elektristifasteuerbarer Blindwiderstaasd angeschlossen, dessen- Werf durch die genannte -elektrische Steuergröße verändert wird Ein solcher Blindwiderstand kanal in an sich bekannter Weise z. B. durch eine ReaktaH-zröteeMscha-tteig ©der eine darch Vorffiagnetisieitmg sf euertere Iadaktivitäf gebildet werden¹.

Eine weitere Anwenduögsrnög-liclikeit der elektrischen bzw. elektronischen FreqüeszüHisehahtiHg bietet sich auf dem- Gebiet der Weehselstromtelegraphie mit Frequenzumtastung: Hierbei sind itt der Oszillstorschaltung zwei den beiden- Arbeitsfrequenzen· entsprechende Resonanzsfeil'en wirksam¹, wobei der die Grundimpulse enthaltende Telegraphiestrom beispielsweise die Stetterklemmen einer durch Vormagnetisierung steuerbaren, im Atfsgangskreis der Schaltung liegenden Induktivität dfarefeflieüt und¹ auf diese Weise uiiwiftelbar die elektronische Frequenzumtastung bewirkt.

Die durch die Erfindung ermöglichte störungsfreie und betriebssichere Art dfer FrequeiTztnasehaltung läßt sieh ferner zur- Lösung* von Aufgaben¹ verwenden, die auf andere Weise nur schwierig zu bewältigen sind. Sa- läß't sich beispielsweise ein zur Erzeugung eines Spektrums von insbesondere nichü harmonischen Frequenzen geeigneter Oszillator in dfer Weise verwirklichen, daß man eine entsprechend große Anzahl von frequenzbesfimmeHden Resorianzstelfet vorsieht and die Abstimmung des·· Schwingkreises- periodisch verändert ('wobbeltj*.. Beispielsweise könnte der Wählschalter 1 des· Oszillators nach Fig. 1 mit einem mötö¹-risch angetriebenen Sctekarrxi ausgestattet sen*, wobei Abstand und Anzahl dfer erzeiügbäreH· FrequeazeM den jeweiligen. Erfordernissen angepaßt wird'. Wenn ma-n^ was- empfehtensw-erli s'ein kann, Sc&aiMioHtakte' überhaupt vermeiden will, kann¹ man sich arach hierbei einer elektronischen Fpe'qaenzumsehaitüaig bedienen. Noch einfacher läßt sich die Abstimmung des Schwingkreises; durch Verwendung eines'· mechanisch angeteiebeßeni Drefokonitensaitfors· wob'beliT, w-ie dies in der S-chatetng; nacfe Flg.- 2: atügedeatet ist:

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Auch in Fig. 2 befindet sich in dem die Selbsterregung vermittelnden positiven Rüekkopplttngspfad ein frequenzabhängiger Spannungsteiler. Sein Querglied wird durch die Gitter-Kathoden-Kapazität 19 gebildet; im Längsglied befindet siöh eine größere Anzahl von in s Serienresonanz betriebenen Schwingquarzen 20, 21, 22 usw. Die galvanische Gitterrückführung erfolgt über die Rückkopplungsspule 23 und einen genügend hochohmigen Widerstand 24. Der Schwingkreis der Schaltung besteht aus einer Spule 25 und einem Drehkondensator 26 und ist durch einen Widerstand 27 bedämpft. Dieser Kondensator ist durchdfehbar ttnd wird durch einen Motor 28 kontinuierlich angetrieben. Während einer solchen Umdrehung ändert sich jedoch — im Gegensatz zu den bekannten kontinuierlich gewobbelten Oszillatoren — die von diesem Oszillator abgegebene Frequenz nicht stetig, sondern sprunghaft entsprechend den durch die Resonanzsysteme 20, 21, 22 ... vorbestimmten Frequenzen.

Bei Verwendung eines handelsüblichen Drehkondensators für diesen Zweck würden die einzelnen Resonanzsysteme beim Durchdrehen des Kondensators jeweils nur ganz kurze Zeit ansprechen können. Man kann diesem Nachteil in weiterer Ausbildung der Erfindung dadurch begegnen, daß man einen Drehkondensator verwendet, dessen Rotor- oder Statorplatten gemäß Fig. 5 gestaltet sind. Diese Platten weisen sektorförmige Ausschnitte 29 auf, welche bewirken, daß während der deren Winkelöffnung entsprechenden Verdrehung K der Platten keine Kapazitätsänderung erfolgt. Auf diese Weise erzielt man einen treppenartigen Kapazitätsverlauf, der in Fig. 4 schematisch dargestellt ist. Die beispielsweise angenommenen vier Kapazitätswerte C₁. .. C_i bleiben jeweils während einer Verdrehung K konstant, der Übergang von einem Kapazitätswert zum anderen erfolgt beschleunigt während der den einzelnen Plattenflügeln 30 entsprechenden Verdrehungen A. In Fig. 5 sind die einzelnen Flügel 30 des Plattenschnittes so dargestellt, daß der kleinste Radius des jeweils folgenden Flügels ebenso groß ist wie der größte Radius des vorhergehenden Flügels. Es ist selbstverständlich, daß die Plattenradien je nach dem gewünschten Verlauf des Überganges von einem Kapazitätswert zum nächsten auch anders gewählt werden können; wesentlich ist nur das Vorhandensein der sektorförmigen Ausschnitte, durch die die Plattenfläche fächerartig aufgefiedert erscheint.

Bei den bisher beschriebenen Oszillatoren waren die frequenzbestimmenden Resonanzsysteme in dem die Selbsterregung bewirkenden Mitkopplungspfad angeordnet, derart, daß sich jeweils nur an den Resonanzstellen eine zur Selbsterregung führende Mitkopplungsspannung aufbauen konnte. Der Erfindungsgedanke kann jedoch auch in abgewandelter Weise verwirklicht werden. Ein Beispiel zeigt Fig. 3.

Der Schwingkreis des in Fig. 3 dargestellten Oszillators umfaßt gleich dem der Fig. 1 eine Spule 7, einen Dämpfungswiderstand 8 und eine Heißleiterkombination 9, 10. Die Kreiskapazität wird durch einen Drehkondensator 31 gebildet. Eine Koppelspule 13 entnimmt dem Schwingkreis die positive Rückkopplungsspannung, die über die Kathodenkombination 11, 12 und einen Gitterwiderstand 32 zwischen Kathode und Gitter der Röhre 2 gelangt. Durch eine zweite Koppelspule 33 wird dem Schwingkreis außerdem eine Gegenkopplungsspannung entnommen und über einen durch ein Resonanzsystem mit mehreren Resonanzstellen gebildeten Vierpol 34, gegenphasig zur Mitkopplungsspannung, an den Widerstand 32 und damit an die Eingängski emmen der Schaltung gelegt. Der Vierpol 34 ist so ausgebildet, daß die den Eingängsklemmen zugeführte, der Selbsterregung entgegenwirkende Gegenköpplüngsspäriming jeweils an den Resonanzstellen ein ausgeprägtes Minimum aufweist. Nur bei Abstimmung des Schwingkreises auf eine dieser Resonanzstellen kann somit die Selbsterregungsbedingung erfüllt werden, und der Oszillator schwingt.

Claims

Patentansprüche:

1. Auf zwei oder mehrere Frequenzen umschaltbarer frequenzstabilisierter Oszillator mit einem aktiven Vierpol (Elektronenröhre, Transistor), an dessen Ausgangsklemmen ein abstimmbarer Schwingkreis von relativ geringer Güte liegt, während in einem zu den Ausgangsklemmen führenden Rückkopplungspfad Resonanzsysteme hoher Güte (z. B. piezoelektrische oder magnetostriktive Schwinger) mit insgesamt zwei oder mehreren gleichartigen Resonanzstellen so in die Schaltung eingefügt sind, daß bei Abstimmung des Schwingkreises auf eine dieser Resonanzstellen die Selbsterregungsbedingung des Oszillators erfüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem Rückkopplungspfad wirksamen Resonanzstellen durch die Serienresonanzen von zwei oder mehreren parallel zueinander geschalteten Resonanzsystemen (z. B. Schwingquarzen) gebildet werden.

2. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die parallel geschalteten Resonanzsysteme als Längsglied eines Spannungsteilers dienen, der in den positiven Rückkopplungspfad (Mitkopplung) des Oszillators eingefügt ist und dort bewirkt, daß sich jeweils nur an den genannten Resonanzstellen eine zur Selbsterregung führende Mitkopplungsspannung aufbauen kann.

3. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzsysteme so in einem Gegenkopplungspfad angeordnet sind, daß die den Eingangsklemmen zugeführte, der Selbsterregung entgegenwirkende Gegenkopplungsspannung an den genannten Resonanzstellen jeweils ein ausgeprägtes Minimum aufweist.

4. Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Resonanzsysteme Schwingquarze dienen, die auf einer Oberwelle betrieben werden.

5. Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der Schwingspannung durch einen in die Schaltung eingefügten temperaturabhängigen Widerstand begrenzt wird.

6. Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung des Oszillators von einer der durch die genannten Resonanzstellen vorbestimmten Frequenzen auf eine andere durch entsprechende Änderung einer elektrischen Steuergröße (Spannung, Strom) bewirkt wird, indem an den Schwingkreis ein elektrisch steuerbarer Blindwiderstand (z. B. eine Reaktanzröhrenschaltung) angeschlossen ist, der durch die Steuergröße beeinflußt wird.

7. Oszillator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß er mit zwei frequenzbestimmenden Resonanzstellen versehen ist und als unmittelbar elektronisch getasteter Steuergenerator eines Wechselstromtelegraphiesystems mit Frequenzumtastung dient.

8. Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines Spektrums von insbesondere nicht harmonischen Frequenzen die Frequenz des Schwingkreises periodisch verändert (gewobbelt) wird.

9. Oszillator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingkreisabstimmung mittels eines angetriebenen Drehkondensators erfolgt, dessen Rotor- oder Statorplatten zur Erzielung

eines treppenartigen Kapazitätsverlaufes durch radial angeordnete sektorförmige Ausschnitte unterbrochen sind.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 468 673; britische Patentschrift Nr. 553 091; französische Patentschrift Nr. 928 671; USA.-Patentschrift Nr. 1 858 339.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen