DE1516787B1

DE1516787B1 - Sinusoszillator mit linearer Abhaengigkeit der Frequenz- oder Periodendauer von nur einem passiven Element

Info

Publication number: DE1516787B1
Application number: DE19661516787
Authority: DE
Inventors: Meyer Dipl-Ing Dietrich; Schott Dipl-Ing Winfried
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1966-04-01
Filing date: 1966-04-01
Publication date: 1969-10-16
Also published as: SE332017B; CH460876A; NL153038B; NL6704449A; US3491311A; GB1186443A; DE1541539B1; BE696458A

Description

Anordnungen zur Erzeugung sinusförmiger Ausgangsgrößen, deren Frequenz oder Periodendauer Wirk- oder 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-Oszillatoren).

Nachteilig bei allen bekannten Sinusoszillatoren ist, daß stets mindestens zwei frequenzbestimmende Bauelemente in gleicher Weise verändert werden müssen, um eine Frequenz oder Periodendauer zu erzeugen, die den frequenzbestimmenden Elementen linear proportional ist. Verändert man bei einem LC-Oszillator nur einen der beiden Blindwiderstände, z. B. die Kapazität, so erhält man eine Periodendauer, die proportional der Quadratwurzel aus dem Kapazitätswert ist:

r~ \t~c .

Bei einem Oszillator der zweiten Art, z. B. dem bekannten Wien-Brückenoszillator, ist die Periodendauer gegeben durch:

T ~ ][Ri · W₁ · Ci · Ci,

wobei Ri, Ri, C\ und Ci Elemente des frequenzbestimmenden Netzwerkes sind. Man erkennt, daß auch hier mindestens zwei Bauelemente, z. B. R\ und Ri in gleicher Weise verändert weiden müssen, um eine zu Ri (oder Ri) proportionale Periodendauer zu erzielen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Sinusoszillator zu schaffen, dessen Frequenz oder Periodendauer von dem Wert nur eines von außen veränderbaren passiven Bauelementes linear abhängig ist. Oszillatoren dieser Art sind besonders vorteilhaft, wenn beispielsweise eine in nur einem Wirk- oder Blindwiderstand abgebildete zu messende Größe in eine ihr proportionale Frequenz oder Periodeiulauer umgewandelt werden soll.

Diese Aufgabe wird bei einem an sis.li bekannten Sinusoszillator, bestehend aus einem Verstäiker, einem frequenzbestimmenden Netzwerk, aufgebaut aus einem veränderbaren Wirkwiderstaml, mindestens einem weiteren Wirkwiderstand und mindestens zwei Blindwiderständen gleicher Art oder aus einem veränderbaren Blindwiderstand, mindestens einem weiteren Blindwiderstand gleicher Art und mindestens zwei Wirkwiderständen, eifindung.geinäß dadurch gelöst, daß Mittel vorgesehen sind zur Ableitung einer Steuergröße aus der Schvvingamplitude des Oszillators sowie Mittel zur Steuerung ties /weiten oder der weiteren Wirk- oder Blindwiderstände mit dieser Steuergröße in dem Sinne, daß die Oszillatoramplitude wieder ihren ursprünglichen, vor der Veränderung des veränderbaren Widerstandes vorhandenen Wert annimmt.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung beschrieben. Darin zeigt

F i g. 1 das Blockschaltbild eines bekannten RC-Os/illators mit einer Wien-Brücke als frequen/besümmendes Netzwerk, bei dem zur Erzielung einer linearen Widerstands-Periodendauer-Charakteristik beide ohmschen Widerstände in gleichem Maße von außen verändert werden müssen.

F i g. 2 ein mögliches Ausführungsbeispiel (Blockschaltbild) eines Oszillators nach der Erfindung, bestehend aus einem Wien-Brücken-Netzwerk mit 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 Wider-Standes,

F i g. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Oszillators gemäß der Erfindung mit einer Vorrichtung zur magnetischen Beeinflussung des Widerstandswertes eines als zweiter ohmscher Widerstand der Wien-Brücke dienenden magnetfeldempfindlichen Widerstandes.

F i g. 5 ein viertes Ausführungsbeispiel eines Oszillators gemäß der Erfindung, jedoch mit einer von außen veränderbaren Induktivität und einer Vorrichtung zur Beeinflussung des induktiven Widerstandes einer als zweite Induktivität der Wien-Brücke dienenden vormagnetisierbaren nichtlinearen Induktivität,
F i g. 6 ein fünftes Ausführungsbeispiel eines Oszillators gemäß der Erfindung, jedoch mit einer von außen veränderbaren Kapazität und einer Vorrichtung zur Beeinflussung des kapazitiven Widerstandes einer als zweite Kapazität dienenden vorspannbaren nichtlinearen Kapazität.

Zur Veranschauliehung der Funktionsweise von Oszillatoren nach der Erfindung soll zunächst ein bekannter /{(.'-(oder /?i-)Sinusoszillator betrachtet werden. F i g. 1 zeigt als Ausfiihrungsbeispiel eines solchen Oszillators den bekannten Wien-Brückenoszillator, bestehend aus dem Differenzverstärker \\ mit der Verstärkung r₍₎, dem passiven frequenzbestiminenden Riickkopplungsnetzvverk Ru. X\, Ri, X-i und dem passiven freqiienzuiuibhängigen Gegenkopplungsnetzwerk R:u R\. Die komplexe Ubertra-

4; gungsf unk tion /■' des frequen/bestiinmenden Netzwerkes i,,t gegeben durch

1 t

AV

-V₁".

Eine stabile Schwingung stellt sich ein, wenn die 5s Fordenuiü

F ■ ν = I (2)

erfüllt ist. r ist darin die (reelle) Verstärkung des über die Widerstände /i, und R₁ gegengekoppelten Dif'feieii/verstärkers V₁. Mit Gleichung (2) ergibt sich zunächst die Frequenz der stabilen Schwingung aus der Bedingung, daß /· rein reell sein muß.
Aus

Im (F) = 0
⁽⁾5 folgt also

A₂
R,

R,

(3)

Bei einem Wien-Brückenoszillator mit Kapazitäten und ohmschen Widerständen ergeben sich dann die Frequenz bzw. die Periodendauer

R₁ -R₁- C₁ C₁

T₀ = Li \ R₁ R,-C₁ C₁

(3 a)

Bei einem Wien-Brückenos/illator mit Induktivitäten und ohmschen Widerständen dagegen ist die Frequenz

R₁ RV L₁-L₁ ■

(3 b)

Zusammen mit der Gleichung (3) liefert die Schwingbedingung (2) die erforderliche Verstärkung!:

Wert angenommen hat. Bei konstanter Verstärkung ν ist das gerade dann der Fall, wenn R₁ um den Betrag

IK, = (R₁ R₁)- IK₁

vergrößert (verkleinert) worden ist.

Durch Einsetzen der um IK₁ und IK₂ veränderten Widerstände in Gleichung (3a) erhält man für einen Oszillator mit Widerständen und Kapazitäten

I /' = 2 .τ

IK₁

K₁

^C₁- C₁ = k- IK₁,

A = konstant, und durch Einsetzen in Gleichung (3 b) für einen Oszillator aus Widerständen und Induktivitäten

Ii

Λ'.

(4)

Wird bei einem Oszillator nach F i g. 1 eine lineare Abhängigkeit der Frequenz oder der Periodendauer beispielsweise von ohmschen Widerständen gefordert, so ist es nach Gleichung (3 a) oder (3b) notwendig, daß die ohmschen Widerstände R₁ und R, der Bedingung

R, .

■■'■■ = konstant

'M

(5)

genügen.

Da ΛΊ und .V; konstant sind, wird damit die Verstärkung r ebenfalls konstant und unabhängig von der Frequenz des Oszillator·.

F i g. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Oszillators nach der Erfindung, bestehend aus einem Wien-Briicken-Netzwerk, einem Verstärker I\, einer Einrichtung. 1 zur Ableitung einer Steuergröße aus der Schwingamplitude und jiner .Steuereini ichtun ι S. In diesem Aiiifiihriingsbei .piel ist der Widerstand R₁ des frequenzbestimmenden Netzwerkes \on außen, z. B. von Hand, einstellbar. Rj. Ut ein veränderbarer Widerstand, dessen Schleifer mechanisch mit dein Rotor eines als Steuereinrichtung dienenden, an sich bekannten Elektromotors verbunden ist. Der Elektromotor wird mit der Ausgangsspannung der Einrichtung.( betrieben, die z. B. erzeugt wird durch Vergleich der gleichgerichteten Oszillator-Aiisgangsspannun» mit einer nicht gezeichneten Referenzspannung.

Wird der von außen ein.iti-llbare Widerstand R₁ um einen Betrag IK₁ vergröUeit (verkleinert), dann wird die Kreisverstärkung

■--- ν ■ Γ

R,

X,

(ο)

iS

größer (kleiner) als 1. Dadurch wird die Schwingung instabil, ihre Amplitude steigt an (fällt ab), ober die Einrichtung . ί zur .Ableitung einer Steuergröße aus der Schwingamplitude erhält die Steuereinrichtung .V eine Spannung und bewirkt eine Veränderung des Widerstandes R-> so lange, bis die Steuerspannung an der .Steuereinrichtung .S' wieder verschwindet, d. h., bis die Oszillatoraniplitude wieder ihren ursprünglichen, durch die Referenzspannung gegebenen

so

IK₁-

L₁-L,

IK

1 ■

An Stelle des im Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 mechanisch veränderbaren Widerstandes Ri 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.

F i g. 3 zeigt ein Ausfiihrungsbeispiel, in dem R₁ ein fotoeinpfindlicher Widerstand und die Steuereinrichtung S eine beliebige steuerbare Lichtquelle L (z. B. Glühlampe, Lichtdiode usw.) ist.

F" i g. 4 zeigt ein Alisführungsbeispiel, in dein Ri ein magnetfeldabhängiger Widerstand und die Steuereinrichtung .V ein Elektromagnet M mit Luftspalt ist.

Vorteilhaft an den Ausführungsbeispielen nach den I i g. 3 und 4 ist das Fehlen mechanisch bewegter Teile. Im Gegensatz zu der im Ausführungshei.ipiel nach F i g. 2 beschriebenen Anordnung kann hier die Referenzspannung entfallen. Der iiachgefiihrte Widerstand wird dann so lange verändert, bis die Kreisverstärkung des Oszillators ι _K wieder 1 geworden ist. Die Amplitude des Oszillators ist dann frequenzabhängig.

Aus den Gleichungen (1), (4) und (6) geht hervor, daß bezüglich der Verstärkung die ohmschen Widerstände und die Blindwiderstände vertauschbar sind. Diese Tatsache führt zu weiteren Ausführungsbeispielen (Fig. 5 und 6).

f i g. 5 zeigt als Aiislühriingsbeispiel einen Wien-Brückenoszillator, bei dem eine Induktivität L\ von außen veränderbar ist. während als zweiter induktiver Widerstand eine nichtlineare, durch Vormagnetisierung steuerbare Induktivität Li dient. Die Steuereinrichtung besteht hier aus einer von dem Steuerstrom durchllossenen Wicklung \\\.

F i g. 6 zeigt das Ausfiihriingsbeispiel eines kapazitiv gesteuerten Wien-Brückenoszillators, bei dem tier nachzuführende kapazitive Widerstand als eine nichtlineare spannungsgesteuerte Kapazität ausgebildet ist. Die Steuereinrichtung besteht aus zwei Kapazitäten C zur Abtrennung der Steuer-Gleichspannung und zwei Widerständen R, die verhindern. daß die an der steuerbaren Kapazität abfallende Wechselspannung durch den Ausgang der Einrichtung . 1 kurzgeschlossen wird. Für die Änderung der

Periodendauer erhält man bei Anordnungen nach den F i g. 5 und 6:

IT = k- IL₁
AT= k- !C₁,
worin k = konstant ist.

Claims

Patentansprüche: IO

1. Sinusoszillator mit linearer Abhängigkeit der Frequenz oder Periodendauer von nur einem passiven Element, bestehend aus einem Verstärker, einem frequenzbestimmenden Netzwerk, aufgebaut aus einem veränderbaren Wirkwiderstand, mindestens einem weiteren Wirkwiderstand und mindestens zwei Blindwiderständen gleicher Art oder aus einem veränderbaren Blindwiderstand, mindestens einem weiteren Blindwiderstand gleieher Art und mindestens zwei Wirkwiderständen, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind zur Ableitung einer Steuergröße aus der Schwingamplitude des Oszillators sowie Mittel zur Steuerung des zweiten oder der weiteren Wirk- oder Blindwiderstände mit dieser Steuergröße in dem Sinne, daß die Oszillatoramplitude wieder ihren ursprünglichen, vor der Veränderung des veränderbaren Widerstandes vorhandenen Wert annimmt.

2. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Ableitung einer Steuergröße aus der Schwingamplitude des Oszillators eine an sich bekannte Gleichrichterschaltung ist.

3. Oszillator nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Ableitung einer Steuergröße aus der Schwingamplitude des Oszillators eine Gleichrichterschaltung mit nachfolgender Vergleichsschaltung zum Vergleich der Gleiclirichterausgangsgröße mit einer Referenzgröße ist.

4. Oszillator nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß als steuerbarer Wirk- oder Blindwiderstand ein Potentiometer, Variometer oder Drehkondensator vorgesehen und das Mittel zu dessen Steuerung ein Motor ist.

5. Oszillator nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als steuerbarer Wirkwiderstand ein fotoempiindlicher Widerstand und als Mittel zu dessen Steuerung eine steuerbare Lichtquelle vorgesehen ist.

6. Oszillator nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als steuerbarer Widerstand ein magnetfeldabhängiger Widerstand vorgesehen und das Mittel zur Steuerung dieses Widerstandes eine Einrichtung zur Erzeugung eines elektrisch steuerbaren Magnetfeldes ist.

7. Oszillator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung eines elektrisch steuerbaren Magnetfeldes eine Spule mit oder ohne Eisenkern ist.

8. Oszillator nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als steuerbarer Blindwidersland eine nichtlineare, durch Vormagnetisierung beeinflußbare Induktivität vorgesehen ist.

9. Oszillator nach Anspruch 1 und 2. dadurch gekennzeichnet, daß als steuerbarer Blindwiderstand eine nichtlineare spannungssteuerbare Kapazität vorgesehen ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen