DE1807095C3 - Oszillator - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Oszillator, !«stehend aus einem rückgekoppelten frequenzselektiven Verstärker mit einem einen Schwinger darstellenden frequenzbestimmenden Element in der Rück-Itopplungsschleife.

Bei Oszillatoren der vorgenannten Art ist die Anfegung einer Schwingung von der Erfüllung zweier Bedingungen abhängig. Erstens muß die Ringver- »tärkung

μβ =

0)

Und zweitens der Phasengang der Rückkopplungs-•chleife

θμ + θβ = Inn (2)

•ein. In den Gleichungen (1) und (2) bedeutet

η — eine ganze Zahl,

μ = Sättigungsverstärkung des Oszillatorkreises,

β = die Verstärkung des Schwingers,

θ μ = Phasengang des Oszillatorkreises,

θβ — Phasengang des Schwingers.

Da die Verstärkung des Oszillatorkreises in der Regel wesentlich größer ist als die Sättigungsverstärkung (dieser Unterschied wird Oszillationstoleranz genannt), wird die Gleichung (1) auch bei geringen Schwankungen der Verluste des Schwingers stets erfüllt, so daß die Voraussetzung für die Anregung einer Schwingung nur noch von der Erfüllung der Gleichung (2) abhängt. In diesem Zusammenhang ist weiter festzustellen, daß der Phasengang des Oszillatorkreises bei der Festlegung der Frequenz eine untergeordnete Rolle spielt. Die Ausregelung der Phase wird hier praktisch durch das den Schwinger darstellende frequenzbestimmende Element automatisch durchgeführt.

In F i g. 1 ist über der Frequenz / die Verstärkung des Schwingers β in unterbrochener Linie und der zugehörige Phasengang des Schwingers θβ in ausgezogener Linie aufgetragen. Die Eigenresonanzfrequenz des Schwingers ist mit /₀ angegeben. Wie das Diagramm nach F i g. 1 erkennen läßt, ist die in Abhängigkeit der Phasenmündung auftretende Frequenzänderung im Bereich der Resonanzfrequenz /₀ klein und nimmt mit zunehmendem Abstand hiervon zu. Wenn sich also der Phasengang des Oszillatorkreises durch Änderung der Umgebungstemperatur und Änderung der Spannung um — .1 θ ändert, wird auf seiten des Schwingers diese Phasenänderung um —ΔΘ automatisch ausgeglichen und auf diese Weise die erwünschte Oszillation aufrechterhalten. Die Änderung des Phasenganges des Schwingers um -je hat eine entsprechende Frequenzänderung zur Folge. Diese Frequenzänderung ist, wie bereits erwähnt wurde, so bemessen, daß sie in der Nähe der Resonanzfrequenz/₀ am kleinsten ist und sich hiervon mit zunehmendem Abstand vergrößert. Deshalb wird dann, wenn die Oszillation an einer von der Resonanzfrequenz weit entfernten Stelle durchgeführt wird, die Frequenz durch Schwankungen der Umgebungstemperatur und der Spannung erheblich geändert, was eine schlechte Frequenzstabilität bedeutet. In einem extremen Fall kann dadurch, daß der Schwinger die Phasenänderung um — J (-) auszugleichen sucht, der die Gleichung (1) erfüllende Bereich überschritten und die Oszillation unterbrochen werden. Es kann aber auch sein, daß in einem solchen Fall die Gleichung (1) und (2) für eine höhere Schwingungsfrequenz des Schwingers erfüllt werden, was der Anregung einer Oszillation bei einer unerwünschten Frequenz gleichkommt. Um eine stabile Oszillation bei der gewünschten Frequenz zu erreichen, ist es deshalb wichtig, diese in der Nähe der Resonanzfrequenz /_n des Schwingers durchzuführen.

Durch die US A.-Patentschriften 2 396 224, 2 926 313 und 2 956 242 sowie die britische Patentschrift 533 605 sind aus einem rückgekoppelten Verstärker bestehende Oszillatoren mit einem einen Schwinger darstellenden, frequenzbestimmenden Element bekannt, bei denen die Erfüllung der Selbsterregungsbedingung für eine Frequenz, die möglichst nahe der Resonanzfrequenz /₀ des Schwingers liegt, dadurch herbeigeführt wird, daß im Rückkopplungszweig ein ÄC-Tiefpaßfilter angeordnet ist, dessen Elemente gegebenenfalls abstimmbar ausgeführt sind.

Wie einschlägige, der Erfindung zugrunde liegende Untersuchungen gezeigt haben, tritt bei Oszillatoren dieser Art ein weiteres Problem auf, das in Schwankungen der Größe der Ausgangsspannung, die durch äußere Schwingungen und Stöße bedingt sind, besteht. Da der Schwinger in der Regel ein mechanischer Schwinger ist, modulieren auf den Oszillator einwirkende Schwingungen und Stöße die im Schwinger induzierte Spannung. Diese Modulation wird verstärkt und hat eine unstabile Oszillatorausgangsleistung zur Folge.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen Oszillator der einleitend beschriebenen Art eine einfache, die geschilderten Schwierigkeiten überwindende Lösung anzugeben.

Ausgehend von einem Oszillator, bestehend aus einem rückgekoppelten frequenzselektiven Verstärker rrit einem einen Schwinger darstellenden frequenzbestimmenden Element in der Rückkopplungsschleife, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der durch die Rückkopp.'uiigsschleife gegebene Oszillatorkreis für eine Ringverstärkung gleich Eins bei der Sättigungsverstärkung des Verstärkers bemessen ist, daß ferner im Zuge des Verstärkers zwischen seinem Ein- und Ausgang, und zwar auf seiner Ausgangsseite, ein RC-Tiefpaßfilter TP ist und daß die Abnahmestelle 1, 2, 3 für die über den Schwinger 5 auf den Verstärkereingang rückgekoppelte Energie im Zuge des Verstärkers frei wählbar ist.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß im Gegensatz zu den bekannten genannten Oszillatorer« das für die Phaseneinstellung erforderliche RC-Filternetzwerk auch im Zuge des Verstärkers, und zwar auf der Ausgangsseite des Verstärkers, also nicht im Rückkopplungszweig, angeordnet werden kann. Wird in diesem Falle zusätzlich bewußt auf die Erzeugung einer sinusförmigen Schwingung dadurch verzichtet, daß die Ringverstärkung gleich Eins erst bei der Sättigungsverstärkung des Verstärkers erreicht wird, dann ist es nämlich möglich, das RC-Filternetzwerk zusätzlich noch für die Unterdrückung der durch die Einwirkung äußerer Stöße und Schwingungen auf den Oszillator bewirkten Modulation auszunutzen. Dies geschieht dadurch, daß das RC-Tiefpaßfilter die Oberwellen, die durch die äußere Störbeeinflussung erzeugt werden, aussiebt.

Im Hinblick auf die Frequenzstabilität des Erfindungsgegenstandes ist es sinnvoll, die Phasenbildung des Oszillators durch geeignete Wahl der Abnahmestelle im Bereich des Tiefpaßfilters für die über den Schwinger auf den Verstärkereingang rückgekoppelte Energie so festzulegen, daß diese Phasenbedingung wenigstens annähernd für die Eigenresonanzfrequenz des Schwingers erfüllt ist.

In den meisten Anwendungsfällen wird eine sinusförmige Ausgangsleistung des Oszillators erwünscht sein. Hierzu ist es dann erforderlich, das /?C-Tiefpaßfilter für eine Unterdrückung der Oberwellen der Grundfrequenz der angeregten Schwingung zu bemessen.

An Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden. In der Zeichnung bedeutet

F i g. 1 ein bereits erläutertes Diagramm,

F i g. 2 ein Blockschaltbild des Oszillators,

F i g. 3 ein schaltungstechnische Einzelheiten aufzeigendes Ausführungsbeispiel des Oszillators.

Das Blockschaltbild nach F i g. 2 sieht im wesentlichen eine Verstärkeranordnung, bestehend aus Verstärkern A 1 und A 2, vor, zwischen denen ein RC-Tiefpaßfilter TP angeordnet ist. Der Rückkopplungszweig wird im wesentlichen von einem Schwinger 5 gebildet, dem eingangsseitig von einem Abgriff am RC-Tiefpaßfilter TP Schwingungsenergie zugeführt wird, die er über seinen Ausgang dem Eingang des Verstärkers A 1 zuführt. Der auf dem RC-Tiefpaßfilter TP nachgeschaltete Verstärker Λ 2 ist nicht mehr in die Rückkopplungsschleife einbezogen. Er stellt praktisch eine Entkopplung zwischen der am Ausgang A anzuschließende Last und dem eigentlichen Oszillatorkreis dar.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten, dem Blockschaltbild nach F i g. 2 entsprechenden Ausführungsbeispiel

ίο bestehi das RC-Tiefpaßfilter aus den Querkondensatoren C 2, C 3 und C 4 und den Längswiderständen RT, RS und R9. Der Verstärker Al nach Fig. 2 wird von zwei Transistoren TSl und TSl in Emitterschaltung gebildet. Die basisseitige Vorspannung erhalten die beiden Transistoren über Widerstände Al, Rl und A4. Die Emitterelektrode des Transistors TS1 ist mit Bezugspotential über den Widerstand R 3 und die Emitterelektrode des ihm nachgeschalteten Transistors TSl mit Bezugspotential über die Parallelschaltung aus dem Widerstand Λ 5 und dem Kondensator C1 verbunden. Der ausgangsseitige Lastwiderstand dieses Verstärkers ist durch den kollektorseitigen Widerstand R 6 des Transistors TS 2 gegeben. Der Verstärker ist in Verbindung mit seiner Rückkopplung so bemessen, daß der Transistor TSl im eingeschwungenen Zustand des Oszillatorkreises ausreichend gesättigt ist. Auf diese Weise ist gewährleistet, daß die im Widerstand R 6 abfallende Spannung auch dann eine stabile Sättigungsspannung (Rechteckwelle) bleibt, wenn durch äußere auf den Oszillator einwirkende Schwingungen und Stöße die im Schwinger induzierte Spannung moduliert wird. Wie F i g. 3 erkennen läßt, ist der im wesentlichen aus dem Schwinger S bestehende Rückkopplungszweig auf Seiten des RC-Tiefpaßfilters wahlweise auf verschiedene Abgriffe 1 bis 3 umschaltbar ausgeführt. Dadurch ist es möglich, die im Sinne einer optimalen Frequenzstabilität günstigste Phasenbedingung einzustellen. Durch Alterung hervorgerufene Frequenzänderungen lassen sich bei dieser Anordnung zusätzlich dadurch kompensieren, daß die Widerstände R 7, RS und R9 in geringem Umfang regelbar ausgeführt sind.

Der Verstärker A 2 nach F i g. 2 wird in F i g. 3 durch den Transistor TS3 in Emitterschaltung verwirklicht, der basisseitig parallel zum Widerstand R10 dem Ausgang des RC-Tiefpaßfilters parallel liegt. Emitterseitig ist der Transistor TS 3 einerseits über den Widerstand RIl und andererseits über die Reihenschaltung des Widerstandes R12 mit dem Kondensator Cl mit Bezugspotential verbunden. KoI-lektorseitig weist der Transistor TS 3 einen auf die Grundfrequenz der angeregten Schwingung abgestimmten Ausgangsübertrager Ü auf, dessen Sekundärwicklung den Ausgang A des Oszillators darstellt.

Die am Widerstand R 6 des Transistors TS 2 auf

Grund der Sättigung auftretende Rechteckwelle wird über das RC-Tiefpaßfilter dadurch in eine Sinuswelle umgeformt, daß die Oberwellen der Grundschwingrng dieser Rechteckwelle vom Tiefpaßfilter unterdrückt werden,.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Oszillator, bestehend aus einem rückgekoppelten frequenzselektiven Verstärker mit einem einen Schwinger darstellenden frequenzbestimmenden Element in der Rückkopplungsschleife, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Rückkopplungsschleife gegebene Oszillatorkreis für eine Ringverstärkung gleich Eins bei der Sättigungsverstärkung des Verstärkers bemessen ist, daß ferner im Zuge des Verstärkers zwischen seinem Ein- und Ausgang, und zwar auf seiner Ausgangsseite, ein ÄC-Tiefpaßfilter (TP) ist und daß die Abnahmestelle (1, 2, 3) für »5 die über den Schwinger (5) auf den Versiärkereingang rückgekoppelte Energie im Zuge des Verstärkers frei wählbar ist.

2. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß seine Phasenbedingung durch a° geeignete Wahl der Abnahmestelle (1, 2, 3), im Bereich des Tiefpaßfilters, für die über den Schwinger (S) auf den Verstärkereingang rückgekoppelte Energie wenigstens annähernd für die Eigenresonanzfrequenz (/₀) des Schwingers (S) erfüllt ist.

3. Oszillator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das RC-Tiefpaßfilter (TP) für eine Unterdrückung der Oberwellen der Grundfrequenz der angeregten Schwingung bemessen ist.