DE1222994B - Quarzgenerator hochkonstanter Frequenz - Google Patents

Description

• Quarzgenerator hochkonstanter Frequenz Quarzgeneratoren hochkonstanter Frequenz sind in den verschiedensten Ausführungsformen bereits bekannt. Für einen Quarzgenerator, dessen frequenzbestimmendes Glied ein Biegeschwingerquarz mit Phasenumkehr ist, hat sich eine Schaltung, wie sie in F i g. 1 dargestellt ist, infolge ihres einfachen und übertrager- bzw. schwingkreislosen Aufbaus sehr gut bewährt.
• Beim heutigen Stand der Fertigungstechnik von Biegeschwingerquarzen erreicht man Quarzgüten von > 105. In der Schaltung nach F i g. 1 wird die Schwingamplitude durch den Gitterstrom der Röhre begrenzt. Infolge der Röhrendaten muß man von dem Rückkopplungsspannungsteiler P aus an den Quarz Q eine Spannung von einigen Volt legen, damit eine günstige Begrenzung der Schwingamplitude durch Gitterstromeinsatz erreicht wird. Da der Strom durch den Quarz aus mechanischen Festigkeits- und Frequenzstabilitätsgründen einen vorgegebenen Wert nicht überschreiten soll, ist man nicht in der Lage, den Quarz durch einen Widerstand RC" der gleich oder kleiner ist als sein Serienresonanzwiderstand, abzuschließen. Dies bedeutet aber einen beträchtlichen Güteverlust in der Schaltung.
• Die am Anodenarbeitswiderstand R" auftretende Anodenwechselspannung, welche man an den Klemmen a, b zur Aussteuerung einer weiteren Verstärkerstufe abgreifen kann, schwankt annähernd in ihrer Größe in gleichem Maße wie die angelegte Anodengleichspannung. Da über den Spannungsteiler P ein Teil dieser Anodenwechselspannung als Rückkopplungsspannung dem Quarz zugeführt wird, ändert sich in einem bestimmten Maße die erregte Eigenfrequenz des Quarzes mit der Änderung der Rückkopplungsspannung. Infolge der Gitterstrombegrenzung ist die Anodenwechselspannung nicht sinusförmig.
• Falls man von einem Biegeschwingerquarz-Generator eine Frequenzkonstanz verlangt, die, abgesehen von der natürlichen Quarzalterung, welche man durch fertigungstechnische Maßnahmen, z. B. durch Voralterung der Quarze, eliminieren kann, über einen längeren Zeitraum ohne Frequenznachstellung in der Größenordnung von ± 1 - 10-7 seiner Sollfrequenz sein soll, ist, wie aus dem Vorhergesagten hervorgeht, eine Schaltungsanordnung, wie sie in F i g. 1 dargestellt ist, nicht mehr anwendbar.
• Gemäß der Erfindung wird eine Schaltung für einen Quarzgenerator hochkonstanter Frequenz vorgeschlagen, bei der aus einer mindestens zweistufigen Verstärkerschaltung eine Rückkopplungsspannung an einem Widerstand der zweiten bzw. einer der folgenden Röhren, vorzugsweise an einem Widerstand der letzten Röhre, der insbesondere gleichzeitig als Gegenkopplungswiderstand benutzt ist, phasenrichtig abgegriffen und einer Anordnung zur Amplitudenstabilisierung übertragerlos zugeführt wird und bei der diese Anordnung über einen die Phase um 1801 drehenden Quarz, insbesondere einen Biegeschwinger als selektives Glied im Rückkopplungsweg mit dem Eingang der ersten Röhre verbunden ist, derart, daß der Quarzgenerator unabhängig von Temperatur-, Betriebsspannungs-, Lastschwankungen und Röhrenalterung mit bestimmter gleichbleibender Aussteuerung arbeitet. Die als Begrenzer wirkende Anordnung zur Amplitudenstabilisierung wird dabei zweckmäßig aus einer Kombination von Richtleitern mit temperaturunabhängigen und temperaturabhängigen Widerständen gebildet. Die Anordnung zur Amplitudenstabilisierung wird mit besonderem Vorteil aus mindestens . zwei antiparallelgeschalteten Richtleitern und aus em»em Vorwiderstand, bestehend aus einerParallelschaltung eines temperaturunabhängigen und eines stark temperaturabhängigen Widerstandes, beispielsweise eines unter der Bezeichnung Thernewid bekannten Widerstandes, gebildet. In an sich bekannter Weise ist ferner am Eingang des Schwingquarzes ein Spannungsteiler vorhanden, der so dimensioniert ist, daß der Quarz im stabilen Gebiet kleiner Aussteuerung arbeitet.
• In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es besonders vorteilhaft, den Quarz mit beiderseitigen Abschlußwiderständen, die gleich oder kleiner sind als der Serienresonanzwiderstand des Quarzes, derart abzuschließen, daß sich eine höhere Kurzzeitfrequenzkonstanz ergibt.. Unter Kurzzeitfrequenzkonstanz ist diejenige Frequenzkonstanz des Generators zu verstehen, die sich mit Rücksicht auf Änderungen in den Versorgungsspannungen oder auf Änderungen, die durch tägliche Temperatureinflüsse auf die Bauelemente (mit Ausnahme des Quarzes selbst) auftreten, erzielen läßt. Für diese Betriebszustandsänderungen ist die Frequenzkonstanz des Generators um so größer,je größer die in der Schaltung ausnutzbare Quarzgüte ist. Von besonderem Vorteil ist es ferner, daß Quarze, die in einer Schaltung gemäß der Erfindung verwendet sind, nur wenig altern, da sie bei sehr kleiner Amplitude betrieben werden. In den bekannten Schaltungen, also mit höherer Amplitude betriebene Quarze, altem demgegenüber wesentlich stärker.
• Ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung wird an Hand der in der F i g. 2 dargestellten Schaltung näher erläutert..
• Die Schaltung nach F i g. 2, die im wesentlichen aus den Röhren Rö, und Rö, einschließlich der zugehörigen Schaltmittel, dem Biegeschwingerquarz Q und der Anordnung zur Amplitudenbegrenzung B, ThIR, besteht, erfüllt sehr hohe Anforderungen an die Frequenzkonstanz. Der Quarz Q, dessen Elektroden so angeordnet sind, daß zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung eine Phasendrehung um 180' entsteht, liegt im Rückkopplungsweg einer über zwei Röhrenstufen rückgekoppelien Schaltung. Unter Voraussetzung einer hohen Quarzgüte und bei richtiger Dimensionierung der Koppelglieder ist infolge Nichtvorhandenseins von übertragern bzw. Resonanzkreisen im Zuge der Schaltung die erregte Schwingung praktisch ausschließlich von den Quarzdaten abhängig. Die Rückkopplungsspannung wird phasenrichtig am Kathodenwiderstand R1c2 der Röhre Rö, abgegriffen. Der Kathodenwiderstand Rk, dient gleichzeitig zur Erzeugung einer Stromgegenkopplung, für die durch die Röhre Rö" gebildete zweite Verstärkerstufe der Schaltung, an deren Anodenarbeitswiderstand Ra2 eine sinusförmige, amplitudenstabilisierte Ausgangsspannung an den Klemmen a, b abgegriffen werden kann. Die Rückkopplungsspannung wird in ihrer Amplitude durch eine Anordnung zur Amplitudenstabilisierung, also durch ein Netzwerk begrenzt, welches im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus der ParalleIschaltung der Widerstände ThIR, und dem Begrenzer Bg besteht. Der Begrenzer Bg ist dabei aus vier Richtleitem in Antiparallelschaltung aufgebaut. Die Richtleiter werden zweckmäßig in einen Modulatorstecker eingebaut, wie er auch an anderen Stellen in der Trägerfrequenztechnik verwendet wird.
• Um die bekannte Temperaturabhängigkeit von Richtleitem und damit eine Inkonstanz der Schwingamplitude bei Temperaturänderungen infolge Veränderung der Begrenzereigenschaften auszugleichen, wird der durch die Parallelschaltung des temperaturunabhängigen Widerstandes R, und des stark temperaturabhängigen Widerstandes Th gebildete Vorwiderstand des Begrenzers Bg so dimensioniert, daß trotz Temperaturschwankungen die Schwingamplitude in der Schaltung konstant gehalten wird.
• Bei geeigneter Wahl der Größe der am Kathodenwiderstand Rk. abgegriffenen Rückkopplungsspannung erreicht Ülan, daß an dem Spannungsteiler P eine konstante Spannung für den Quarz abgegriffen werden kann. Diese Spannung bleibt auch konstant, wenn die Anodenspannung in bestimmten Grenzen schwankt oder sich die Steilheit der Röhren Rö, und/oder Rö2 im Laufe ihrer Lebensdauer vermindert. Diese Wirkung wird noch unterstützt durch die an den Kathodenwiderständen Rki und R/c2 der Röhren Röl und Rö, abfallenden Gegenkopplungsspannungen.
• Die Verstärkung der durch die Röhre Röl gebildeten Stufe ist so groß gewählt, daß die an dem Kathodenwiderstand Rk, abgegriffene Rückkopplungsspannung für eine gute Begrenzerwirkung der antiparallelgeschalteten Richtleiter ausreicht und die am Spannungsteiler P abgegriffene Spannung für den Quarz Q hinreichend klein (einige Millivolt) bleibt, so daß auch bei Abschluß des Quarzes Q mit dem Widerstand RQ, der kleiner oder gleich dem Serienresonanzwiderstand des Quarzes ist, ein kleiner Quarzstrom fließt und die hohe Güte des Quarzbiegeschwingers in der Schaltung ausgenutzt werden kann.
• An Stelle der als Begrenzer geschalteten Richtleiter kann beispielsweise auch ein spannungsabhängiger Widerstand (Heißleiter oder Siliziumkarbidwiderstand) verwendet werden. Solche Bauelemente haben jedoch entweder eine größere Zeitkonstante als Richtleiter oder eine höhere zeitliche Inkonstanz ihrer Sollwerte. Demgegenüber ändert sich die Begrenzerwirkung der Richtleiter bereits nach einer halben Periode der erregten Schwingung.

Claims (2)

1. Patentansprüche: 1. Quarzgenerator hochkonstanter Frequenz, vorzugsweise mit stabilisiertem Ausgangsstrom, dadurch gekennzeichnet, daß aus einer mindestens zweistufigen Verstärkerschaltung eine Rückkopplungsspannung an einem Widerstand der zweiten bzw. einer der folgenden Röhren, vorzugsweise an einem Widerstand der letzten Röhre, der insbesondere gleichzeitig als Gegenkopplungswiderstand benutzt ist, abgegriffen und einer Anordnung zur Amplitudenstabilisierung übertragerlos zugeführt ist und daß diese Anordnung Über einen die Phase um 180' drehenden Quarz, insbesondere einen Biegeschwinger mit dem Eingang der ersten Röhre verbunden ist, derart, daß der Quarzgenerator unabhängig von Temperatur-, Betriebsspannungs-, Lastschwan-. kungen und Röhrenalterung mit bestimmter, gleichbleibender Aussteuerung arbeitet.
2. 2. Quarzgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die als Begrenzer wirkende Anordnung zur Amplitudenstabilisierung aus einer Kombination von Richtleitem mit temperaturunabhängigen und temperaturabhängigen Widerständen gebildet ist. 3. Quarzgenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Amplitudenstabilisierung aus mindestens zwei antiparallelgeschalteten Richtleitern und aus einem Vorwiderstand besteht. 4. Quarzgenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorwiderstand der antiparalleIgeschalteten Richtleiter aus einer Parallelschaltung eines temperaturunabhängigen Widerstandes (R,) und eines stark temperaturabhängigen Widerstandes besteht. 5. Quarzgenerator C C, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Eingang des Schwingquarzes ein Spannungsteiler (P) vorhanden ist. 6. Quarzgenerator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler (P) so dimensioniert ist, daß der Quarz im stabilen Gebiet kleiner Aussteuerung betrieben ist. 7. Quarzgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Quarz mit beiderseitigen Abschlußwiderständen, die gleich oder kleiner sind als der Serienresonanzwiderstand des Quarzes, derart abgeschlossen ist, daß sich eine höhere Kurzzeitfrequenzkonstanz ergibt. ln Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 878 228; französische Patentschrift Nr. 1001794; USA.-Patentschrift Nr. 2 478 330.