DE1944792B2 - Regelbarer oszillator - Google Patents

Description

die Periodendauer oder Frequenz eines Oszillaiorsi-•nals bestimmt. Dies ist vor allem in den Fällen von Vorteil, in denen ein Meßwertaufnehmer in Form eines Widerstandes, einer Kapazität oder einer Induktivität in einem schwer zugänglichen Raum mit hohem Störpegel angeordnet ist, weil ein Signal, bei dem es nur auf die Frequenz bzw. die Periodendauer, nicht aber auf die Amplitude ankommt, zuverlässig übertragen und digital gemessen werden kann.

Die Frfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 ein Blockschaltbild des Oszillators, Fig. 2 eine Ausführungsform des ersten Phasenschiebernetzwerkes mit Verstärker,

Fig. 3 eine andere Ausführungsform des ersten Phasenschiebernetzwerkes,

Fig. 4 eine Ausführungsform der Phasenumkehrvoirrichtung,

Fig. 5 eine Phasenumkehrvorrichtung mit Widerständen und Verstärker,

Fig. 6 eine Phasenumkehrvorrichtung mit zwei Widerständen und einem Transistor.

Fig. 1 eine praktische Ausführungsform des Oszillators,

Fig. 8 eine andere Ausführungsform des Oszillators und

Fig. 9 einen Oszillator mit Operationsverstärkern. In Fig. 1 sind die wichtigsten Bestandteile des Oszillators in Form von Blöcken dargestellt.

Block 1 stellt das erste Phasenschiebernetzwerk dar. Das umlaufende Oszillaiorsignal wird beim Durchlaufen dieses Netzwerkes, unabhängig von der Frequenz des Signals, um nahezu 90° in der Phase verschoben. Block 2 ist ein Verstärker, der gegebenenfalls eine Amplitudenregelfunktion erfüllen oder mit dem Block 1 kombiniert sein kann. Block 3 ist eine Vorrichtung, die mit einem Rückkopplungsverstärker versehen sein kann und mit deren Hilfe ein Oszillatorsignal mit einer Phasenverschiebung von 0° bzw. von 180° einer Reihenschaltung zweier Impedanzen Z₁ und Z₂ bzw. 4 und 5 in Fig. 1 zugeführt wird, wobei eine der Impedanzen ein Widerstand und die andere eine Reaktanz, z.B. eine Kapazität oder eine Induktivität ist.

Zum Erfüllen der Schwingungsbedingung ist es erforderlich, daß das Oszillatorsignal, das am Verbindungspunkt der Impedanzen Z₁ und Z₂ erhalten wird, in bezug auf das Oszillatorsignal am Eingang der Phasenumkehrvorrichtung 3 um 90° in der Phase verschoben ist. Wenn angenommen wird, daß die Amplituden des 0°- und des 180°-Signals einander gleich sind, was nicht durchaus notwendig ist, ist die Bedingung zum Erhalten des um 90° in der Phase verschobenen Signals: coL =■■ R, falls Z₁ bzw. Z₂= R und Z₂ bzw. Z₁ = O)L, oder loRC = 1, falls Z₂ bzw. Z₁ = 1.'O)C ist. Daraus läßt sich schließen, daß die folgenden Kombinationen möglich sind:

Die Frequenz ist bei konstanter Induktivität linear vom einstellbaren Widerstand R abhängig;

die Periodendauer ist bei konstantem R linear von der einstellbaren Induktivität abhängig;

die Periodendauer ist bei konstanter Kapazität linear von dem einstellbaren Widerstand abhangig:

die Periodendauer ist bei konstantem Widerstand linear von der einstellbaren Kapazität abhangig.

Der Block 6 in Fig. 1 ist eine Endstufe zur Leistungsverstärkung, zur Trennung des Ausganges 7 des Oszillators von dem frequenzabhängigen Teil und zur Rückkopplung, gegebenenfalls in Kombination mit einer Phasenverschiebung von 180°. Auch kann in 6 eine Amplitudenregelfunktion eingebaut sein, so daß das Ausgangssignal an 7 eine konstante Amplitude hat und die für die Schwingungserzeugung erforderliche Amplitude stets erreicht wird.

Das erste Phasenschiebernetzwerk 1 ist nach Fig. 3 aus einem Reihenwiderstand 15 und einem Parallelkondensator 16 aufgebaut. Unter der Bedingung, daß ίο WA₃C₃ viel größer als 1 ist, wird an den Klemmen 19 und 20 ein Signal erhalten, das in bezug auf das Signal an den Klemmen 17 und 18, dessen Amplitude WA₃C₃ mal kleiner ist, um nahezu 90° verschoben ist.

Es sei bemerkt, daß die Phasenverschiebung — 90° beträgt. Das Netzwerk 1 läßt sich mit dem Verstärker 2 zu einem Miller-Integrator zusammenbauen, wie er in Fig. 2 dargestellt ist. Am Eingang des Verstärkers 10 ist ein Reihenwiderstand 8 angeordnet, während ein Kondensator 9 zwischen dem Ausgang und dem Eingang angebracht ist. Das Signal an den Klemmen 13 und 14 ist in bezug auf das Signal an den Klemmen 11 und 12 um +90° verschoben und hat eine U)R₂C₂ kleinere Amplitude, während die Bedingung erfüllt sein muß, daß 10R₂C₂ A viel größer als 1 ist, wenn A die Spannungsverstärkung am Verstärker 10 darstellt.

Die Phasenumkehrvorrichtung 3 ist nach Fig. 4 mit einem Transformator 21 mit Eingangsklemmen 25 und 26 für das Oszillatorsignal an einer Primärwicklung 22 versehen. Die Sekundärwicklung 23 hat eine Mittelanzapfung 24. In bezug auf die Klemme 24 sind die Signale an den Klemmen 27 und 28 in Gegenphase. Eine Abwandlung der Phasenumkehrvorrichtung3derFig. 1 ist in Fig. 5 dargestellt. Arn Eingang eines Verstärkers 31 ist ein Reihenwiderstand 29 mit einem Wert R₅ angeordnet, während ein nahezu gleich großer Widerstand 30 die Rückkopplung zwischen dem Ausgang und dem Eingang des Verstärkers 31 bewirkt. Die Ausgangsspannung an der Klemme 35 ist in bezug auf die Eingangsspannung an den Klemmen 32 und 33 um 180° in der Phase verschoben. In Fig. 6 wird das Oszillatorsignal über die Klemmen 39 und 40 der Basis des Transistors 38 zugeführt. Das 0° -Signal wird über die Klemme 42 dem Emitterwiderstand 37 entnommen, während das 180°-Signal dem Kollektorwiderstand 36, der einen nahezu gleich großen Wert K₆ wie der Emitterwiderstand 37 aufweist, über die Klemme 41 entnommen wird. Die Fig. 7 und 8 zeigen ausgearbeitete Schaltbilder der Fig. 1, wobei die Teilschaltungen nach den Fig. 2, 5 und 6 angewandt sind.

In Fig. 7 bilden der Widerstand 44, der Kondensator 45 und der Verstärker 46 einen Miller-Integrator mit einer frequenzunabhängigen Phasenverschiebung von +90°, während die Widerstände 47 und 50 mit dem Verstärker 51 die Phasenumkehrvorrichtung bilden, an die das zweite Phasenschiebernetzwerk, das aus dem Widerstand 48 und dem Kondensator 49 bc-00 steht, angeschlossen ist. Am Verbindungspunkt von Ry und C₉ wird ein Signal erhalten, das in bezug auf das Signal an Ä_H, R₁, um — 90^u in der Phase verschoben ist.

Dieses Signal wird dem Emitterfolger 52 zugeführt, 65 wobei die Emitterklemme 53 als Oszillatorausgang dient; es erreicht die Klemme 55 in der richtigen Phase zum Aufrechterhalten des Oszillatorsignals. Zur Überwachung des für die Schwingungsbildung erfor-

derlichen Verstärkungsfaktors oder zur gleichzeitigen Stabilisierung des Ausgangssignals an der Klemme 53 ist in der Rückkopplungsleitung zwischen 53 und 55 eine Regelvorrichtung 54 angeordnet. Eine derartige Regelvorrichtung kann die Amplitude des Oszillatorsignals mittels spannungsabhängiger Widerstände oder Widerstandsteiler, die auch durch in der Sperrrichtung vorgespannte Dioden oder Zener-Dioden gebildet werden können, konstant halten. Auch kann die Leistung des Oszillatorsignals nach Umwandlung in Wärme Widerstandsänderungen in Widerständen mit positivem oder negativem Temperaturkoeffizienten, die in die Verstärker oder in die Rückkopplungsleitung des Oszillatorkreises aufgenommen sind, herbeiführen. Die Schwingungsbedingung bezüglich der Signalamplitude kann dadurch erfüllt werden.

Wenn der Klirrfaktor des Oszillatorausgangssignals niedrig sein soll und das Ausgangssignal innerhalb enger Grenzen eine konstante Amplitude haben soll, wird ein Regelkreis mit den folgenden Elementen angewandt: Das Ausgangssignal des Oszillators wird gleichgerichtet, geglättet und als Gleichspannung in einer Vergleichsschaltung mit einer z. B. von einer Zenerdiode herrührenden Bezugsspannung verglichen. Das verstärkte Differenzsignal dient zur Beeinflussung von Elementen im Oszillatorkreis, die die Schleifenverstärkung bedingen, wodurch eine Regelung der Amplitude des Oszillatorsignals innerhalb enger Grenzen erhalten wird, die durch die Bestandteile des beschriebenen Regelkreises bestimmt werden. Außer den oben bereits erwähnten Bauelementen mit veränderlicher Spannungs-, Strom- oder Widerstandskennlinie kann auch ein dem Licht einer Lichtquelle ausgesetzter lichtempfindlicher Widerstand Anwendung finden Die Lichtquelle wird von dem verstärkten Differenzsignal zwischen der Bezugsspannung und der Oszillatorspannung gespeist, und der lichtempfindliche Widerstand kann einen Teil eines zu dem Miller-Integrator gehörigen Widerstandes bilden (A₇ in Fig. 7,R₁₀inFig. 8, R₁₃ in Fig. 9). Da die Amplitude des Miiller-Integrators sich mit a>RC ändert, kann mittels des lichtempfindlichen Elementes erzielt werden, daß loR und somit die Ampiiiude konstant bleibt, bei der die Phasendrehung von 90° noch stets erreicht wird, wenn toRCA viel größer als 1 ist (A = Verstärkung).

In Fig. 8 ist der Miller-Integrator 56, 57, 58, der aus dem Widerstand R₁₀, dem Kondensator C₁₀ und dem Transistor 58 besteht, mit der Phasenumkehrvorrichtung 60, 61, 62 verbunden, an die über den Kollektorwiderstand 62 und den Emitterwiderstand 61 das zweite Phasenschiebernetzwerk 63, 64 angeschlossen ist, das aus dem Kondensator C₁₂ und dem Widerstand A₁₂ besteht. Der Emitterfolger 65 hat am Iimiuerwiderstand 66 die Ausgangs.klemme 69 für das Oszillatorsignal. Die Rückkopplungsleitung ist zwischen den Klemmen 69 und 68 angebracht und enthält die obenerwähnte Regelvorrichtung 67 zur Schwingungs- und Amplitudenstabilisierung.

Fig. 9 zeigt einen Oszillator, der einen aus einem Widerstand 73, einem Kondensator 74 und einem Verstärker 72 bestehenden Miller-Integrator und eine besonders ausgebildete Phasenumkehrvorrichtung

ίο mit einem zweiten Phasenschiebernetzwerk enthält. Zu diesem Zweck wird ein Operationsverstärker oder ein Differenzverstärker 79 verwendet. Die Eigenschaften eines derartigen Verstärkers, z.B., daß die Eingangsimpedanz hoch ist und daß nur die Differenzspannung zwischen den Eingängen α und b verstärkt und am Ausgang r wiedergegeben werden, sind bekannt.

Das zweite Phasenschiebernetzwerk, das aus dem Widerstand 76 und dem Kondensator 77 besteht, ist zwischen dem Punkt A und dem Bezugspotential des Oszillators, z.B. Erde oder Masse, eingeschaltet. Der Verbindungspunkt der beiden Impedanzen ist mil dem Eingang b des Verstärkers 79 verbunden. Zwischen dem Ausgang c und dem Eingang 0 ist ein Rückkopplungswiderstand 78 mit einem Wert R_u angebracht, während außerdem der Eingang α über den Widerstand 75 mit dem gleichen Wert R₁₄ mit dem Punkt A verbunden ist. Das Signal am Ausgang c hat die gleiche Amplitude wie das Signal am Punkt A.

aber der Phasenwinkel ist von O)R₁₅C₁₅ abhängig. Bei einem Wen 1 des letzteren Elements ist der Winkel 90°, wodurch in Kombination mit der Phasenverschiebung des ersten Phasenschiebernetzwerkes die für das 'Erzeugen von Schwingungen erforderliche Phasenlage erreicht wird.

Diese Schaltungsanordnung hat den Vorteil. daü die veränderbare Impedanz, die in Fig. 9 durch den Kondensator 77 gebildet ist, mit einer ihrer Klemmen an das Bezugspotential, z.B. Masse oder Erde, gelegt werden kann.

Das Oszillatorsignal am Ausgang c des Verstärkers 79 wird einem Emitterfolger mit Transistor 80 zugeführt und erscheint am Ausgang 82.

Die Rückkopplungsleitung erstreckt sich vom Ausgang 82 des Miller-Integrators.

Aus den Fig. 7, 8 und 9 ist deutlich ersichtlich. daL-sich der Oszillator einfach als eine integrierte Halbleiterschaltung ausführen läßt, wobei es nun fur MeLV zwecke möglich ist, den Aufnehmer, d.h. den verän derlichen Widerstand oder Kondensator R₉, R₁₂ bzw C₉, C₁₂, C₁₅ mit dem Oszillator zusammenzubauen wodurch ein Meßwertaufnehmer erhalten wird, de seinen Meßwert linear in die Periodendauer eines Os zillatorsignals umwandelt und dieses Signal zur Verar

beitung abgibt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Oszillator zum Erzeugen einer Spannung, deren Frequenz von einer einzigen veränderbaren Impedanz abhängig ist, mit einem ersten Phasenschiebernetzwerk, mindestens einem Verstärker, einer Phasenumkehrvoi richtung mit einem zweiten Phasenschiebernetzwerk und einer Rückkopplung zum Aufrechterhalten des Oszillatorsignals, dadurch gekennzeichnet daß das erste Phasenschiebernetzwerk (1) das Oszillatorsignal unabhängig von der Frequenz um nahezu 90° in der Phase verschiebt und daß das zweite Phasenschiebernetzwerk, das aus der Reihenschaltung eines Widerstandes (Z₁) und einer Reaktanz (Z₂) aufgebaut ist, zusammen mit einer Pbasenumlcehrvorrichtung (3) das Oszillatorsignal in Abhängigkeit von der Frequenz und von den Werten dieser Impedanzen gleichfalls um nahezu 90° in der Phase verschiebt, daß eine dieser Impedanzen (Z₁ bzw. Z₂) veränderbar ist und daß die Periodendauer des Oszillatorsignals proportional oder umgekehrt proportional zum Wert dieser Impedanz ist.

2. Oszillator nach Anspruch!, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Phasenschiebernetzwerk (1) mit einem Verstärker (10) zu einem Miller-Integrator zusammengebaut ist (Fig. 2).

3. Oszillator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenumkehrvorrichtung (3) eine Transistorstufe (38) mit gleich großem Emitter- und Kollektorwiderstand enthält, derart, daß eine zum Oszillatorsignal gleichphasige Komponente am Emitterwiderstand (37) und eine gegenphasige Komponente am Kollektorwiderstand (36) entnehmbar ist (Fig. 6).

4. Oszillator nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Phssenschiebernetzwerk aus einem Reihenwiderstand (/?₃) und einem sich daran anschließenden Parallelkondensator (C₃) aufgebaut ist (Fig. 3).

5. Oszillator nach Anspruch 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenumkehrvorrichtung ein Transformator ist, dessen Primärwicklung (22) das Oszillatorsignal zugeführt wird und dessen Sekundärwicklung (23) mit einer Mittelanzapfung (24) versehen ist (Fig. 4).

6. Oszillator nach Anspruch 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenumkehrvorrichtung mit dem zweiten Phasenschiebernetzwerk (76, 77) einen Operationsverstärker (79) enthält, dessen Ausgangsklemme (c) das phasenverschobene Oszillatorsignal liefert, dessen eine Eingangsklemme (b) mit dem Verbindungspunkt der beiden Impedanzen des zweiten Phasenschiebernetzwerkes verbunden ist und dessen andere Eingangsklemme (α) mit dem Verbindungspunkt zweier nahezu gleich großer Widerstände verbunden ist, von denen der eine (78) mit der Ausgangsklemme des Operationsverstärkers, und der andere (75) mit der Klemme (A) für das Oszillatorsignal verbunden ist, mit der das zweite Phasenschiebernetzwerk auch verbunden ist.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Oszillator gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Ein derartiger Oszillator ist aus der FR-PS 1015580 bekannt.

Dieser bekannte Oszillator enthält gleichfalls Verstärker, zwei Phasenschiebernetzwerke und eine Rückkopplung, wobei die Phasenschiebernetzwerke aus je einer Reihenschaltung eines Widerstandes R_] bzw. A₂ und eines Kondensators C₁ bzw. C₂ bestehen.

ίο Beim Durchlaufen dieser Netzwerke verschiebt sich das Oszillatorsignal derart, daß eine Gesamtphasenverschiebung von 180° erhalten wird, wobei die Bedingung erfüllt wird, daß ω² R_xC₁ ■ R₂C₂= 1 ist, wobei ω die Kreisfrequenz des erzeugten Signals darstellt.

Ein Nachteil des bekannten Oszillators ist es, daß zwei Impedanzen (R_t und A₂) gleichzeitig im gleichen Verhältnis geregelt werden müssen, damit eine proportionale Beziehung zu der Periodendauer des Oszillatorsignals erhalten oder mit nicht zu großen Wider-

Standsänderungen dennoch ein breiter Frequenzbereich bestrichen werden kann. Dieser Nachteil ergibt sich auch bei dem aus »Funk-Technik« 1968, Heft 1, Seiten 12 bis 34 bekannten Wien-Brücken-Oszillator. Aus der FR-PS 1516699 sind Oszillatoren bekannt, bei denen neben der von außen her einstellbaren Impedanz eine zweite Impedanz der frequenzbestimmenden Netzwerke mit einem Regelsystem eingestellt wira, um eine lineare Beziehung zwischen der Periodendauer oder der Frequenz und der zuerst erwähnten Impedanz zu erzielen.

Dabei macht das Regelsystem den Oszillator teuer und verwickelt.

Aus der GB-PS 1 100 744 ist ein Oszillator bekannt, mit dessen Hilfe nichtelektrische Größen, wie z. B. die Temperatur, in eine Frequenz umgewandelt werden können. Dabei ist ein erstes Phasenschiebernetzwerk in einer Rückkopplungsschleife vorgesehen, in dem die nichtelektrische Größe, z.B. die Temperatur, durch Änderung einer Impedanz, etwa eines Wider-Standes, eine Phasenverschiebung hervorruft. In der gleichen Rückkopplungsschleife ist ein weiterer Phasenschieber vorhanden, bei dem die Phasenlage des Übertragungsfaktors von der Frequenz abhängt. Der Oszillator schwingt dabei jeweils auf der Frequenz, bei der die Phasenverschiebungen der beiden Phasenschiebernetzwerke entgegengesetzt gleich sind. Der erste Phasenschieber wird dabei durch eine erste Brückenschaltung gebildet, die ein Signal mit konstanter Phasenlage, jedoch mit von der Temperatur abhängiger Amplitude liefert, und durch eine zweite Brückenschaltung, die ein Signal mit konstanter Amplitude, jedoch mit von der Oszillatorfrequenz abhängiger Phasenverschiebung liefert, wobei die Phasenverschiebung bei einer bestimmten Frequenz 90° beträgt. Die Ausgangssignale der beiden Brückenschaltungen werden einem Verstärker zugeführt, der das zweite Phasenschiebernetzwerk speist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Oszillator zu schaffen, bei dem eine proportionale oder eine umgekehrt proportionale Beziehung zwischen einer Impedanz und der Periodendauer der Oszillatorschwingung besteht.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Oszillator der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Hauptanspruchs angegebenen Maßnahmen gelöst.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß ein Widerstand, eine Kapazität oder eine Induktivität in linearer Weise