DE1122997B

DE1122997B - Circuit arrangement for stabilizing the amplitude of self-excited vibration generators

Info

Publication number: DE1122997B
Application number: DEH39081A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Lynen
Original assignee: Hartmann and Braun AG
Current assignee: ABB Training Center GmbH and Co KG
Priority date: 1960-04-06
Filing date: 1960-04-06
Publication date: 1962-02-01

Description

Schaltungsanordnung zur Stabilisierung der Amplitude von selbsterregten Schwingungserzeugern Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Stabilisierung der Amplitude von selbsterregten elektrischen Schwingungserzeugern mit zwei getrennt wirkenden Rückführkreisen und einer zugehörigen Brückenanordnung mit einem amphtudenabhängigen Widerstand, welcher die Rückkopplung im Sinne einer Stabilisierung beeinflußt. Eine besondere Rolle spielen derartige Schaltungen bei der Stabilisierung von Schwingungen, deren Frequenz durch ein auf elektrischem Wege erregtes, mechanisch schwingendes Gebilde bestimmt wird. Diese mechanisch schwingenden Gebilde, z. B. Stimmgabeln, zeigen häufig eine verhältnismäßig starke Frequenzabhängigkeit von der Amplitude, so daß die Frequenzkonstanz einer solchen Schaltungsanordnung voraussetzt, daß die Amplitude in der Anordnung konstant gehalten wird. Außerdem ist es auch für viele Anwendungsgebiete derartiger Schaltungen erwünscht, daß die Ausgangsamplitude konstant ist, z. B. bei der Steuerung von Frequenzrelais.Circuit arrangement for stabilizing the amplitude of self-excited Vibration Generators The invention relates to a circuit arrangement for Stabilization of the amplitude of self-excited electrical vibration generators with two separately acting feedback circuits and an associated bridge arrangement with an amphtuden-dependent resistor, which the feedback in the sense of a Stabilization affected. Such circuits play a special role the stabilization of vibrations, their frequency by an electrical way excited, mechanically vibrating structure is determined. This mechanically vibrating Structure, e.g. B. tuning forks, often show a relatively strong frequency dependence on the amplitude, so that the frequency constancy of such a circuit arrangement presupposes that the amplitude in the arrangement is kept constant. aside from that it is also desirable for many areas of application of such circuits that the Output amplitude is constant, e.g. B. in the control of frequency relays.

Eine bekannte Schaltung mit selbsterregten Schwingungserzeugern und Steuerung der Frequenz durch ein elektrisch erregtes mechanisch schwingendes Gebilde ist in Abb. 1 dargestellt. Diese Schaltung weist außerdem eine Stabilisierung durch eine im Rückführkreis eingeschaltete Brückenanordnung mit einem amplitudenabhängigen Widerstand auf. Als Verstärkerglieder sind in dieser Schaltung Transistoren benutzt. Das frequenzbestimmende elektromechanische Schwingungsgebilde . sei durch eine Stimmgabel l gegeben. Die Stimmgabel l wird von einer Spule 2 auf der einen Seite induktiv erregt, auf der anderen Seite befindet sich die Steuerspule 3. Die in ihr induzierte Spannung steuert den Transistor 4. Die zur Arbeitspunkteinstellung und Ankopplung vorgesehenen Widerstände und Kondensatoren sind in der Schaltung nicht näher bezeichnet, da ihre Wirkungsweise genügend bekannt ist. Der Transistor 4 steuert wiederum mit seinem Ausgang den Transistor 5, an dem die Primärwicklung 6 eines Transformators angeschlossen ist. An der Wicklung 7 des Transformators wird die erzeugte Schwingung bei 8 abgenommen. Außerdem speist der Transformator über die weitere Wicklung 9 noch die Rückkopplung, welche auf die Spule 2 wirkt. Um eine AmplitudenkonsLanz zu erreichen, wird in an sich bekannter Weise von der Wicklung 9 eine Brücke gespeist, bei der zwei Zweige aus den beiden Hälften dieser Wicklung bestehen. Die beiden gegenüberliegenden Zweige werden durch einen amplitudenabhängigen Widerstand 10 und einem festen Widerstand 11 gebildet. Als amplitudenabhängiger Widerstand 10 kann z. B. ein sogenannter Kaltleiter dienen, d. h. ein glühlampenähnliches Gebilde, dessen Widerstand sich mit steigender Belastung stark ändert. Die Rückkopplungsspannung wird an der Mittel= anzapfung der Wicklung 9 des Transformators abgenommen, während die gegenüberliegende Brückenecke an Masse liegt, die im vorliegenden Fall zugleich Pluspunkt der Stromversorgung ist.A known circuit with self-excited vibration generators and control of the frequency by an electrically excited, mechanically vibrating structure is shown in FIG. This circuit also has a stabilization by means of a bridge arrangement with an amplitude-dependent resistor that is switched on in the feedback circuit. Transistors are used as amplifier elements in this circuit. The frequency-determining electromechanical oscillation structure. be given by a tuning fork l. The tuning fork 1 is inductively excited by a coil 2 on one side and the control coil 3 on the other side. The voltage induced in it controls the transistor 4. The resistors and capacitors provided for setting and coupling the operating point are not in the circuit because their mode of action is well known. The transistor 4 in turn controls with its output the transistor 5, to which the primary winding 6 of a transformer is connected. At the winding 7 of the transformer, the generated oscillation is picked up at 8. In addition, the transformer feeds the feedback, which acts on the coil 2, via the further winding 9. In order to achieve an amplitude consistency, a bridge is fed in a manner known per se from the winding 9 , in which two branches consist of the two halves of this winding. The two opposite branches are formed by an amplitude-dependent resistor 10 and a fixed resistor 11 . As an amplitude-dependent resistor 10, for. B. serve a so-called PTC thermistor, ie a light bulb-like structure, the resistance of which changes sharply with increasing load. The feedback voltage is taken from the center tap of the winding 9 of the transformer, while the opposite corner of the bridge is connected to ground, which in the present case is also a plus point for the power supply.

Die Schaltung gehört bis zu diesem Punkt zum Stand der Technik. Die noch weiter eingezeichneten Schaltglieder, die später erläutert werden, seien zunächst außer acht gelassen.The circuit is state of the art up to this point. the Switch elements which are further drawn in and which will be explained later should be considered first disregarded.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung diene das in Abb. 2 dargestellte Blockschaltbild in Verbindung mit der Abb. 3. In Abb. 2 ist mit V der durch die Transistoren 4 und 5 in Abb. 1 gegebene Verstärker bezeichnet, B stellt die vom Verstärker-Ausgang gespeiste Brücke mit dem amplitudenabhängigen Widerstand dar. Mit R1 ist der Rückkopplungsweg über die Stimmgabel angedeutet. Das weiter vorgesehene Schaltglied R2 bleibe zunächst unbeachtet.The block diagram shown in Fig. 2 in conjunction with Fig. 3. In Fig. 2, V denotes the amplifier given by the transistors 4 and 5 in Fig. 1, B represents the amplifier output from the amplifier. Output-fed bridge with the amplitude-dependent resistance. R1 indicates the feedback path via the tuning fork. The switching element R2, which is also provided, is initially ignored.

Es ist zunächst der Verstärker an seinem Ein- und Ausgangspunkt von der übrigen Schaltung getrennt anzunehmen. Damit an seinen Ausgang die Spannung U, auftritt, muß ihm die Eingangsspannung zugeführt werden, wenn V für seinen Verstärkungsgrad gesetzt wird. Dies ist in Abb. 3 durch die gerade Linie dargestellt, die U1 in Abhängigkeit von U2 wiedergibt. Wird nun die Abhängigkeit zwischen U1 und U2 für den übrigen Teil der Schaltung, also für die Rückkopplung R, ohne den Verstärker betrachtet, so ergibt sich die gestrichelte Kurve R1. Durch die Einschaltung des amplitudenabhängigen Gliedes . in die Brücke B ist diese Kurve so gekrümmt, daß sie die Gerade schneidet. Beim Einschalten der Gesamtanordnung ist also zunächst die durch eine bestimmte Spannung UZ am Ausgang des Verstärkers über die Rückkopplung an dessen Eingang gebrachte Spannung U, größer, als zur Erzeugung der Ausgangsspannung U2 notwendig ist. Das hat zur Folge, daß die Schwingungsamplitude sich so lange aufschaukelt, bis der Punkt T erreicht wird, in dem die Kurve R, die Gerade schneidet. Dann ist U, gerade so groß, daß das vom Verstärker abgegebene U2 über die Rückkopplung wieder das ursprüngliche U, erzeugt.First of all, the amplifier must be assumed to be separate from the rest of the circuit at its entry and exit points. In order for the voltage U to appear at its output, the input voltage must be applied to it when V is set for its gain. This is in Fig. 3 by the straight line shown, which reproduces U1 as a function of U2. If the dependency between U1 and U2 is now considered for the remaining part of the circuit, that is to say for the feedback R, without the amplifier, then the dashed curve R1 results. By switching on the amplitude-dependent link. in the bridge B this curve is so curved that it is the straight line cuts. When the overall arrangement is switched on, the voltage U brought to its input by a certain voltage UZ at the output of the amplifier via the feedback is greater than is necessary to generate the output voltage U2. This has the consequence that the oscillation amplitude continues to rock until the point T is reached, in which the curve R intersects the straight line. Then U is just big enough that the from Amplifier output U2 via the feedback again generates the original U.

Der Schnittpunkt zwischen R, und wird durch entsprechende Bemessung der Widerstände der Brücke B auf die Sollamplitude gelegt, und es wird dadurch erreicht, daß der Verstärker mit der Sollamplitude schwingt. . Nachteilig ist jedoch, daß die Schnittlinien der beiden Kurven sehr flach zueinander verlaufen, und dies hat zur Folge, daß die Konstanthaltung der Amplitude nicht sehr stabil ist und in einem gewissen Umfang von äußeren Einflüssen gestört werden kann. Dies ist insbesondere bei der Verwendung von Transistoren der Fall, die eine starke Temperaturabhängigkeit und Beeinflussung durch Netzspannungsschwankungen aufweisen.The intersection between R, and is set to the nominal amplitude by appropriate dimensioning of the resistances of the bridge B, and it is achieved that the amplifier oscillates with the nominal amplitude. . However, it is disadvantageous that the lines of intersection of the two curves are very flat to one another, and this has the consequence that keeping the amplitude constant is not very stable and can be disturbed to a certain extent by external influences. This is particularly the case when using transistors, which have a strong temperature dependency and are influenced by mains voltage fluctuations.

Es sind auch schon Schaltungen bekanntgeworden, bei denen zwei getrennt wirkende Rückführkreise vorhanden sind. Hierbei wird die eine, negativ wirkende über einen stromabhängigen Widerstand gesteuert, während die andere, positiv wirkende proportional der Schwingungsamplitude der Ausgangsschwingung ist. Hierdurch wird eine Wirkung erzielt, die sich nicht wesentlich von der der bekannten Anordnung, wie sie in Abb. 3 dargestellt ist, unterscheidet, denn die Stabilisierung erfolgt auch durch die Zusammenwirkung eines von einem amplitudenabhängigen Widerstand gesteuerten Kreises und eines der Amplitude proportionalen Kreises.Circuits have also become known in which two are separated active feedback loops are available. Here is the one that has a negative effect controlled by a current-dependent resistor, while the other, positive-acting is proportional to the oscillation amplitude of the output oscillation. This will achieves an effect that does not differ significantly from that of the known arrangement, as shown in Fig. 3, differs, because the stabilization takes place also through the interaction of a resistor controlled by an amplitude-dependent resistor Circle and a circle proportional to the amplitude.

Die Erfindung bringt demgegenüber eine Schaltung mit besonders kräftiger Stabilisierung ohne Erhöhung des Aufwandes. Sie besteht darin, daß an der Brückenanordnung mit amplitudenabhängigem Widerstand sowohl eine dauernd mitkoppelnd wirkende Rückführspannung als auch eine solche zweite Rücktührspannung abgenommen wird, die mit der Ausgangsamplitude des Schwingungserzeugers Größe und Phasenlage ändert und deren Umkehrpunkt für die Phasenlage so gelegt ist, daß die zweite Rückführung den Sollwert der Amplitude durch Mit- und Gegenkopplung regelt. Diese zweite Rückführspannung wird in der Schaltung nach Abb. 1 an dem Punkt 12 zwischen den beiden Widerständen 13 und 14 abgenommen, welche mit dem amplitudenabhängigen Widerstand 10 und dem festen Widerstand 11 ebenfalls eine Brücke bilden.In contrast, the invention provides a circuit with particularly strong stabilization without increasing the effort. It consists in the fact that at the bridge arrangement with amplitude-dependent resistance both a permanently positive feedback voltage and such a second feedback voltage are picked up, which changes in size and phase position with the output amplitude of the vibration generator and whose reversal point for the phase position is set in such a way that the second feedback regulates the setpoint of the amplitude through positive and negative feedback. This second feedback voltage is picked up in the circuit according to FIG. 1 at the point 12 between the two resistors 13 and 14 , which also form a bridge with the amplitude-dependent resistor 10 and the fixed resistor 11.

Die bei 12 abgenommene Spannung wird bei dem Ausführungsbeispiel zunächst einem weiteren Transistor 15 zur Verstärkung zugeführt und dann auf die Steuerseite der Spule 3 geleitet. In Abb. 2 ist diese zusätzliche Rückführung mit R2 bezeichnet, und in Abb. 3 ist der Verlauf der von ihr an den Verstärkereingang abgegebenen Spannung U, in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung des Verstärkers durch die punktierte Kurve R2 dargestellt. Die Spannung U, steigt zunächst mit der Spannung UZ an, erreicht ein Maximum und schlägt dann beim Punkt P in der Phase um, so daß sie einen negativen Wert im Verhältnis zu der Eingangsamplitude annimmt. Dadurch, daß sie in dem als negativ bezeichneten Bereich in Gegenphase zu der in der Steuerspule 3 induzierten Spannung liegt, wirkt sie in diesem Bereich gegenkoppelnd, während sie in dem positiv bezeichneten Bereich mitkoppelnd wirkt. Die Wirkung beider Rückführspannungen zusammen ist in Abb. 3 durch die ausgezogene Kurve R, -# R2 dargestellt. Diese Kurve schneidet die Gerade unter einem wesentlich steileren Winkel als die Kurve R, und gibt daher eine zusätzliche sehr kräftig wirkende Stabilisierung.In the exemplary embodiment, the voltage taken off at 12 is first fed to a further transistor 15 for amplification and then fed to the control side of the coil 3. In Fig. 2 this additional feedback is denoted by R2, and in Fig. 3 the curve of the voltage U delivered by it to the amplifier input is shown as a function of the output voltage of the amplifier by the dotted curve R2. The voltage U, initially rises with the voltage UZ, reaches a maximum and then changes phase at point P so that it assumes a negative value in relation to the input amplitude. Because it is in phase opposition to the voltage induced in the control coil 3 in the region designated as negative, it has negative feedback in this region, while it has a positive coupling effect in the region designated as positive. The effect of both feedback voltages together is shown in Fig. 3 by the solid curve R, - # R2. This curve intersects the straight line at a significantly steeper angle than the curve R, and therefore gives an additional, very powerful stabilization.

Da nur die Rückführung R, über den Resonator wirkt, wird ihr zweckmäßig die größere Sollamplitude gegeben, damit ein Einschwingen auf die Resonanzfrequenz gewährleistet ist. Die Rückführung R, erregt nämlich, da V, B und der Rückführungszweig R2 unabhängig von der Resonatorfrequenz arbeiten, nach dem Einschalten eine Spannung, deren Frequenz im wesentlichen durch die Eigenschwingungszahl der Verstärkungsglieder bestimmt ist und die nicht mit der Resonatorfrequenz übereinstimmt. Diese Schwingung schaukelt sich bis zu dem Wert der Amplitude auf, bei dem R2 die Gerade schneidet (Punkt Q), und zwar mit einem Einschwingvorgang, der wesentlich schneller verläuft als derjenige über die Rückführung R1. Diese starke Schwingung erregt den Resonator durch Fremderregung. Dadurch und auf Grund der durch R2 bedingten größeren Verstärkung schwingt der Resonator wesentlich schneller ein als ohne die Rückführung R2. Dies bedeutet einen zusätzlichen Vorteil, der durch die Rückführung R2 erreicht wird.Since only the feedback R, acts via the resonator, it is expediently given the larger nominal amplitude so that a settling to the resonance frequency is guaranteed. Because V, B and the feedback branch R2 operate independently of the resonator frequency, the feedback R, excites a voltage after switching on, the frequency of which is essentially determined by the natural frequency of the amplifying elements and which does not match the resonator frequency. This oscillation swings up to the value of the amplitude at which R2 is the straight line intersects (point Q), with a transient process that is much faster than that via the feedback R1. This strong vibration excites the resonator through external excitation. Because of this and the greater gain caused by R2, the resonator settles in much faster than without the feedback R2. This means an additional benefit achieved by the feedback R2.

Die für den Anschwingvorgang sehr nützliche durch die Rückführung R2 erregte Schwingung wird dann während des Betriebes durch die Einstellung von R, auf größere Sollamplitude unterdrückt. Hierzu wird durch geeignete Wahl von 13 und 14 der Punkt P so gelegt, daß der Schnittpunkt S der Geraden mit R1 -- R2 zu einem kleineren Ordinatenwert U2 gehört als der Schnittpunkt T der Geraden mit R,. Nach dem Einschwingvorgang stellt sich die Resonatorfrequenz auf die zum Punkt S gehörende Amplitude ein. Da nun alle Frequenzen außer der Resonatorfrequenz ausschließlich über R2 rückgeführt werden, R2 in diesem Punkt S aber als Gegenkopplung arbeitet, brechen alle Frequenzen außer der Resonatorfrequenz zusammen.The oscillation excited by feedback R2, which is very useful for the oscillation process, is then suppressed during operation by setting R to a greater setpoint amplitude. For this purpose, by suitable choice of 13 and 14, the point P is placed in such a way that the intersection point S of the straight line with R1 - R2 belongs to a smaller ordinate value U2 than the intersection point T of the straight line with R ,. After the transient process, the resonator frequency adjusts to the amplitude associated with point S. Since now all frequencies except the resonator frequency are fed back exclusively via R2, but R2 works as negative feedback at this point S, all frequencies apart from the resonator frequency collapse.

Claims

PATE NTANSPRC, rCHE: 1. Circuit arrangement for stabilizing the amplitude of self-excited electrical oscillation generators with two separately acting feedback circuits and an associated bridge arrangement with an amplitude-dependent resistor, which influences the feedback in the sense of stabilization, characterized in that the bridge arrangement has an amplitude-dependent Resistance both a continuously positive feedback voltage and a second feedback voltage that changes size and phase position with the output amplitude of the vibration generator and whose reversal point for the phase position is set so that the second feedback regulates the nominal value of the amplitude through positive and negative feedback .

2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized characterized in that an amplifying element is switched into the second return channel is. Documents considered: Swiss Patent No. 236 497; British Patent No. 575 395.