DE1934173C3

DE1934173C3 - Sinuswellengenerator mit einem rückgekoppelten Verstärker

Info

Publication number: DE1934173C3
Application number: DE1934173A
Authority: DE
Inventors: Heinz Langenthal Steinger (Schweiz)
Original assignee: Hasler AG
Current assignee: Hasler AG
Priority date: 1968-07-11
Filing date: 1969-07-05
Publication date: 1979-02-15
Also published as: US3597704A; DK121962B; SE345179B; GB1261386A; CS159248B2; HU166094B; AT321362B; CH485369A; ES369468A1; DE1934173B2; DE1934173A1

Description

I + T'/S' 1 + Q'/V

ΙΟ

wobei V die erste, Q' die zweite, 5' die dritte Impedanz erster Art, F die erste und G die zweite Impedanz zweiter Art bezeichnet.

3. Generator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltungselement ein zur Frequenzumschaltung dienender einpoliger Ausschalter (B) ist.

4. Generator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltungselement (P) eine zur Frequenzeinstellung veränderbare vierte Impedanz erster Art ist.

5. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltungselement eine vierte Impedanz (P) erster Art ist, daß die erste Impedanz (V) erster Art zur Frequenzeinstellung veränderbar ist, daß die beiden Impedanzen zweiter Art den gleichen Wert haben (F = G) und daß zwischen der /weiten -'"(ton und vierten Impedanz erster Art Die Erfindung betrifft einen Sinuswellengenerator mit einem rückgekoppelten Verstärker, der einen ersten und einen zweiten Pol, von denen einer den Eingang und einer den Ausgang des Verstärkers bildet, sowie einen dritten Pol hat, der an Masse liegt, und mit einem mit den Polen des Verstärkers verbundenen Rückkopplungsnetzwerk, das aus Impedanzen zweier Arten besteht, deren eine Widerstände und deren andere Kondensatoren sind, wobei zwischen dem ersten Pol und Masse der Widerstand des Rückkopplungsnetzwerkes groß gegenüber dem des Verstärkers und zwischen dem zweiten Pol und Masse der Widerstand des Rückkopplungsnetzwerkes klein gegenüber dem des Verstärkers ist.

Es ist bekannt (Funkschau 1963, Heft 18, Seiten 505, 506), als Verstärker eines solchen Sinuswellengenerators einen Röhrenverstärker, der einen hohen Eingangswiderstand hat, und als Rückkopplungsnetzwerk eine vom Verstärkerausgang gespeiste Wien-Robinson-Brücke zu verwenden, von der eine als Mitkopplung und eine als Gegenkopplung wirkende Spannung an den Verstärkereingang geführt wird. Wenn die Mitkopplung die Gegenkopplung (hinreichend) überwiegt, schwingt der Generator mit einer von den Widerständen und Kapazitäten der beiden komplexen Brückenzweige abhängigen Frequenz. Normalerweise werden die Widerstände und die Kapazitäten dieser beiden Zweige gleich gewählt. Die Frequenz ist dann umgekehrt proportional dem Widerstand bzw. der Kapazität.

Zur Einstellung einer gewünschten Frequenz sind die Widerstände oder die Kondensatoren der komplexen Brückenzweige gemeinsam veränderbar. An den Gleichlauf der beiden Widerstände bzw. Kondensatoren sind hohe Anforderungen zu stellen, da sich bei Abweichungen vom Gleichlauf die Amplitude mit der Frequenz ändert.

Es ist auch ein Sinuswellengenerator bekannt (Funkschau 1967, Heft 16, Seiten 501-503), bei dem zur Einstellung der Frequenz nur ein Widerstand verändert wird. Dieser Generator hat im Gegensat/ zu denen der eingangs genannten Art eine frequenzunabhängige Mitkopplung und ein ius zwei Kondensatoren und fünf Widerständen bestehendes Gegenkopplungsnetzwerk, dessen Phasenverschiebung zwischen Eingang und Ausgang bei einer Frequenz Null ist, die an einem der Widerstände eingestellt werden kann. Der Generator schwingt mit dieser Frequenz, wenn die Gegenkopplung durch die Mitkopplung aufgehoben ist. Die Gegenkopplungsspannung ist stark frequenzabhängig, so daß eine entsprechend wirksame automatische Verstärkungsre gelung erforderlich ist. Die Frequenz steht in keinem

bo einfachen Zusammenhang mit dem eingestellten Wider standswert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Sinuswellengenerator der eingangs genannten Art die Frequenz durch Änderung eines einzigen ohmschen

b5 Widerstandes oder eines einzigen Kondensators bei gleichbleibendem Verhältnis der Ausgangs- zur Eingangsspannung des Rückkopplungsnetzwerkes zu verändern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Rückkopplungsnetzwerk eine erste Impedanz zweiter Art einerseits mit dem ersten Pol des Verstärkers und andererseits mit je einen Pol einer ersten und einer zweiten Impedanz erster Art verbunden ist, daß der andere Pol der ersten Impedanz erster Art über eine dritte Impedanz eister Art und der andere Pol der zweiten Impedanz erster Art über eine zweite Impedanz zweiter Art mit Masse verbunden ist, daß die Verbindung zwischen der zweiten Impedanz erster Art und der zweiten Impedanz zweiter Art direkt mit dem zweiten Pol des Verstärkers und über ein Schaltungselement an die Verbindung zwischen der ersten und der dritten Impedanz erster Art angeschlossen ist und daß der erste Pol des Verstärkers den Ausgang und der zweite Pol den Eingang des als Spannungsverstärker ausgeführten Verstärkers oder der erste Pol den Eingang und der zweite Pol den Ausgang des als Stromverstärker ausgeführten Verstärkers bildet.

Das Schaltungselement kann ein einpoliger Ausschalter sein, wobei in einer Schalterstellung eine und in der anderen Schalterstellung eine andere, vorbestimmte Frequenz erzeugt wird. Das Schaltungselement kann auch eine veränderbare Impedanz (Widerstand oder Kapazität) sein, wobei die Frequenz des Sinuswellengenerators durch Veränderung dieser Impedanz einstellbar ist. Das Spannungsteilungsverhältnis des Rückkopplungsnetzwerks bleibt genau (nicht nur angenähert) konstant, unabhängig von der eingestellten jo Frequenz.

Bei einer vorzugsweisen Ausführungsform des Rückkopplungsnetzwerkes besteht folgende Beziehung zwischen den genannten Impedanzen:

1 + T[S'

werden, dessen Eingangs- und Ausgangsspannung in Phase sind und dessen Innenwiderstand klein gegenüber der Impedanz zwischen A und O und dessen Eingangswiderstand groß gegenüber der Impedanz zwischen E und O des Netzwerks ist. Das Rückkopplungs.ietzwerk ist ein Spannungsteiler mit zwei Kondensatoren G und Cj und drei Widerständen Q, S, T. Zwischen dem Kondensator G und den zusammengefaßten Polen O liegt eine Serienschaltung der Widerstände Γ und S und parallel dazu eine Serienschaltung des Widerstandes Q mit dem Kondensator C₂. Der Verbindungspunkt von Q mit C₂ ist mit dem vierten Pol E und über einen einpoligen Ausschalter B mit dem Verbindungspunkt von Γ mit 5 verbunden. Der erste Pol A bildet den Eingang, der vierte Pol Eden Ausgang des Spannungsteilers. Wenn ζ B.

2=^(3 + \5)S = ca. 2,62S,
T= ^l-(\ + !5)5 = ca. 1,62 S,
ist die Kreisfrequenz bei geschlossenem Schalter

"^tl= C₁-S
und bei geöffnetem Schalter

40

1 + Q¹IT G "

wobei Fdie erste, Q'dic zweite, S'die dritte Impedanz erster Art, F die erste und C die zweite Impedanz zweiter Art bezeichnet.

Bei einer Ausführungsform mit kontinuierlich veränderbarer Frequenz ist das Suiaitungselement eine vierte Impedanz erster Art, die erste Impedanz erster Art ist zur Frequenzeinstellung veränderbar, die beiden Impedanzen zweiter Art haben den gleichen Wert, und zwischen der zweiten, dritten und vierten Impedanz erster Art besteht ^folgende Beziehung:

P² = Q'S\

worin Q' die zweite, S' die dritte und P die vierte Impedanz erster Art bezeichnen.

Im folgenden werden an Hand der Zeichnung zwei Ausführungsbeispiele näher beschrieben.

Es zeigt

Fig. 1 ein Rückkopplungsnetzwcrk für einen Sinuswellengenerator,

Fig. 2 einen Sinuswellengenerator mit einem ähnlichen Rückkopplungsnetzwerk.

Fig. 3 eine grafische Darstellung der Abhängigkeit der Frequenz eines Sinuswellengenerators nach Fig. 2 von dem Wert eines Schaltungseleinents des Rückkopplungsnetzwerks.

Das Rückkopplungsnetzwcrk nach Fig. 1 ist dazu bestimmt, mit einem ersten Pol A an den Ausgang, mit _h<-, einem zweiten Pol E an den Eingang und mit seinen anderen beiden, zusammengefaßten Polen O an die M-' ·-<* eines Spannungsverstärkers angeschlossen /11

bO

2,62 C₁-S 2,62

Wenn C\ = Ci, ist eine Umschaltung zwischen zwei Frequenzen für eine phasenreine, von der Schalterstellung unabhängige Spannungsteilung auch bei anderen Verhältnissen von 5. Tund Q möglich. Die Berechnung zeigt, daß die Widerstände der Gleichung genügen müssen:

T² = Q ■ S.

Das Verhältnis der beiden Frequenzen ist vom Verhältnis Q/S'abhängig.

Diese Möglichkeit der Umschaltung zwischen zwei verschiedenen Frequenzen bei gleichbleibendem Spannungsteilungsverhältnis besteht auch dann, wenn Ci Φ Ci ist. Die Bedingung, die die Widerstände T, Q und S in diesem Falle zu erfüllen haben, wird durch folgende Gleichung gegeben:

+TS

C₂ C₁

(Gleichung 1)

Setzen wir C2/C1 = K und das Verhältnis des resultierenden Widerstandes der Parallelschaltung von 7und Qzum Widerstand S:

TQ

σ \ Q)S

(Gleichung 2)

so berechnet sich das Spannungsteilungsverhältnis

W₀ und ω™ sind unabhängig von Ci, S, K und N, das Verhältnis ωο/ω» hängt nur von K und N ab.

Mit den Gleichungen 1 und 2 können T und Q bei gegebenen K, Wund Sberechnet werden.

Es kann nun weiterhin durch Rechnung gezeigt werden, daß, wenn man den Schalter B in Fi g. 1 durch einen veränderbaren Widerstand P(Fi g. 2) ersetzt, das Spannungsteiungsverhältnis für alle Werte des Widerstandes P phasenrein und konstant ist, wenn die Widerstände fund Q nach den soeben beschriebenen Kriterien gewählt werden. Damit ist die Frequenz des Generators zwischen den beiden soeben genannten Werten ωο und ω« stetig einstellbar. Der Frequenzbereich wächst mit zunehmendem N. Man wird jedoch N nicht zu groß wählen, um den Widerstand 5 einerseits und die Widerstände T und Q andererseits nicht zu verschieden werden zu lassen.

Fig. 3 zeigt die Abhängigkeit der Frequenz /vom Widerstand Pfür ein bestimmtes Verhältnis C₂ zu G und verschiedene Parameter N. Für die Dimensionierung wird man im allgemeinen so vorgehen, daß man zunächst das Verhältnis der Frequenzgrenzen des Generators wählt, sich aus einem Satz Kurvenscharen, von denen Fig. 3 eine zeigt, ein geeignetes K und N auswählt, danach G und 5 bestimmt, womit auch die Widerstände Tund Qgegeben sind.

Eine mögliche Kombination für Widerstände und Kondensatoren ist beispielsweise:

S	= 1 kn
T	= 19,51 kQ.
Q	= 20,51 kn
G	= 1 nF
C₂	= 1OnF
K	= 10
N	= 10
P	für 10 kHz = ca. l,5kn
P	für 5 kHz = ca. 15kn
V	= 21

Die Kurvenpunkte für die beiden Frequenzen 5 und 10 kHz sind für N = 10 in F i g. 3 hervorgehoben.

Es kann weiterhin durch Rechnung gezeigt werden, daß für den Spezialfall G = C₂ die Frequenzänderung auch durch Veränderung des Widerstandes T erfolgen kann, wobei die Widerstände ζ). Sund Pder Gleichung

P² = Q- S

genügen müssen.

Für G Φ C: muß jedoch der Widerstand /'veränderbar sein, um ein frequenzunabhängiges Spannungsteilungsverhältnis zu erhalten.

Eine besonders einfach zu realisierende Schaltung erhält man für einen Generator, dessen Frequenz nur in

engen Grenzen um eine Sollfrequenz -jj einstellbar ist, wenn G = C₂ und die Widerstände Sund ζ)und Poder T = -^-£ und der restliche Widerstand T oder P zwischen Werten etwas oberhalb und unterhalb von —γ, veränderbar ist. Das Spannungsteilungsverhältnis Vist in diesem Falle 1 :2,5, wobei ωό/ω» = 2.

Es kann schließlich rechnerisch gezeigt werden, daß in allen obigen Netzwerken Widerstände und Kondensatoren vertauscht werden können, derart, daß ein fester Kondensator durch einen festen Widerstand, ein fester Widerstand durch einen festen Kondensator, ein veränderbarer Widerstand durch einen veränderbaren Kondensator ersetzt wird. Iη F i g. 2 ist ein Sinuswellengenerator mit einem Verstärker V und einem Rückkopplungsnetzwerk dargestellt, der vier Impedanzen erster Art T. Q', S', Pund zwei Impedanzen zweiter Art FunC G enthält. Die Impedanzen erster Art sind durch das Impedanzsymbol mit einem Längsstrich, die Impedanzen zweiter Art durch das Impedanzsymbol mit zwei Querstrichen dargestellt. Die Impedanzen einer der beiden Arten sind Widerstände, die der anderen Art Kondensatoren. Da die Impedanz eines Kondensators umgekehrt proportional seiner Kapazität ist, tritt im allgemeinen Fall anstelle der Gleichung 1 folgende Gleichung:

1 + T¹S' _ F
I + Q\ T ~ G

Für F gleich G bleiben die für G gleich C₂ angegebenen Gleichungen gültig, wenn kapazitive Impedanzen und ohmsche Widerstände miteinander vertauscht werden.

Im Zusammenhang mit Fig. 1, 2 und 3 wurde angenommen, daß der Verstärker ein Spannungsverstärker (Eingangswiderstand groß gegenüber dem Innenwiderstand) ist. Der Verstärker kann jedoch auch ein Stromverstärker (Eingangswiderstand klein gegenüber dem Innenwiderstand) sein. In diesem Falle isl der Pol A des Netzwerkes mit dem Eingang und der Pol E des Vierpols mit dem Ausgang des Verstärkers zu verbinden. Dabei wirkt das Netzwerk als Stromteiler.

Der Verstärker kann auch ein Differentialverstärker (Spannungs- oder Stromverstärker) sein, an dessen zweiten Eingang der Ausgang eines frequenzunabhängigen, z. B. aus zwei ohmschen Widerständen bestehenden Spannungsteilers bzw. Stromteilers angeschlossen ist, der vom Verstärkerausgang gespeist ist

Die Einstellung des veränderbaren Widerstandes bzw. Kondensators kann sowohl von Hand als auch durch eine Steuergröße (z. B. Spannung, Strom, Temperatur, Druck) erfolgen. Damit läßt sich auf einfache Weise ein frequenzgeregelter, frequenzmodulierter oder frequenzgetasteter Sender relativ hoher Frequenz- und Amplitudenkonstanz aufbauen. Bei einem frequenzgeregelten oder frequenzmodulierten Generator wird man dabei im abfallenden Teil der Kurven nach Fig.3 arbeiten, während es für eine Frequenzumtastung zweckmäßig ist, zwischen den beiden horizontalen Teilen einer Kurve umzuschalten, um eine hohe Frequenzkonstanz zu erhalten.

Bei Frequenzumtastung ist es besonders vorteilhaft, daß keine Ampütudensprünge auftreten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Sinuswellengenerator mit einem rückgekoppelten Verstärker, der einen ersten und einen zweiten Pol, von denen einer den Eingang und einer den Ausgang des Verstärkers bildet, sowie einen dritten Pol hat, der an Masse liegt, und mit einem mit den Polen des Verstärkers verbundenen Rückkopplungsnetzwerk, das aus Impedanzen zweier Arten besteht, deren eine Widerstände und deren andere Kondensatoren sind, wobei zwischen dem ersten Pol und Masse der Widerstand des Rückkopplungsnetzwerkes groß gegenüber dem des Verstärkers und zwischen dem zweiten Pol und Masse der Widerstand des Rückkopplungsnetzwerkes klein gegenüber dem des Verstärkers ist, dadurch gekennzeichnet,

daß im Rückkopplungsnetzwerk eine erste Impedanz zweiter Art (F) einerseits mit dem ersten Pol (A) des Verstärkers (V) und andererseits mit je einem Pol einer ersten (V) und einer zweiten (Q') Impedanz erster Art verbunden ist, daß der andere Pol der ersten Impedanz erster Art (V) über eine dritte Impedanz erster Art (S') und der andere Pol der zweiten Impedanz erster Art (Q') über eine zweite Impedanz zweiter Art (G) mit Masse (O) verbunden ist,

daß die Verbindung zwischen der zweiten Impedanz erster Art (Q') und der zweiten Impedanz zweiter Art (G) direkt mit dem zweiten Pol (E) des Verstärkers (V) und über ein Schaltungselement (B oder P) an die Verbindung zwischen der ersten (V) und der dritten (S') Impedanz erster Art angeschlossen ist

und daß der erste Pol (A) des Verstärkers (V) den Ausgang und der zweite Pol (E)dzr\ Eingang des als Spannungsverstärker ausgeführten Verstärkers (V) oder der erste Pol (A) den Eingang und der zweite Pol (E) den Ausgang des als Stromverstärker ausgeführten Verstärkers (V) bildet.

2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß folgende Beziehung zwischen den genannten Impedanzen besteht:

folgende Beziehung besteht:

P-' = Q'S',

worin Q' die zweite, S' die dritte und P die vierte I impedanz erster Art bezeichnet