DE1949404A1

DE1949404A1 - Oscillator whose frequency is stabilized by a resonance circuit of high quality

Info

Publication number: DE1949404A1
Application number: DE19691949404
Authority: DE
Inventors: Christian Dipl Ing Mueller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1969-09-30
Filing date: 1969-09-30
Publication date: 1971-04-01
Also published as: DE1949404C3; DE1949404B2

Description

Oszillator, dessen Frequenz durch einen Resonanz kreis hoher Güte stabilisiert ist. Oscillator whose frequency is controlled by a high-quality resonance circuit is stabilized.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Oszillator, bei dem an ein an sich die Schwingfrequenz bestimmendes Resonanzsystem ein Resonanzkreis mit im Vergleich zum ersteren hoher Güte zur Stabilisierung der Oszillatorfreguenz schwach angekonnolt ist und beide frequenzbestimmende Resonanzsystemc so aufeinander abgestimmt sind, daß eine ontimale Stabilisierung erfolgt.The invention relates to an oscillator in which an on The resonance system that determines the oscillation frequency is compared with a resonance circuit to the former, high quality, weakly connected to stabilize the oscillator frequency and both frequency-determining resonance systems are coordinated so that that an ontimal stabilization takes place.

Bei Oszillatoren dieser Art, insbesondere für hohe Frequenzen tritt häufig das Problem auf, eine optimale Stabilisierung auf einfache Weise sicherzustellen. Es ist beispielsweise bei Röhrenoszillatoren bekannt, zu den an sich die Schwingfrequenz des Oszillators festlegenden Reaktansen, im einfachsten Fall einem LC-Kreis, einen weiteren Resonator schwach angekonnelt hinzuzuschalten, der eine im Vergleich zum ersterwähnten Resonanzkreis sehr hohe Güte hat. Ein solcher Oszillator wird i.a. als Oszillator mit zwei Freiheitsgraden" bezeichnet, da seine Resonanzfrequenz durch beide Kreise bestimmt wird. Im allgemeinen bereitet es bei solchen Oszillatorsystemen-Schwierigkeiten, die Abstimmung der beiden Kreise in Abhängigkeit von der gewünschten Schwingfrequenz so vorzunehmen, daß, wie an sich bekannt, der Punkt für die optimale Stabilisierung der Schwingfrequenz erreicht wird.In oscillators of this type, especially for high frequencies occurs often the problem of ensuring optimal stabilization in a simple manner. It is known, for example, in the case of tube oscillators, to which per se the oscillation frequency of the oscillator defining reactants, in the simplest case an LC circuit, a to connect another resonator weakly connected, the one compared to the The first-mentioned resonance circuit has a very high quality. Such an oscillator is i.a. referred to as an oscillator with two degrees of freedom "because its resonance frequency is through both circles is determined. In general, difficulties in such oscillator systems are the coordination of the two circles depending on the desired oscillation frequency make so that, as is known per se, the point for optimal stabilization the oscillation frequency is reached.

Dor Erfindung liegt die Aufgabe ugrunde eine Schaltung anzugeben4 durch die eine derartige Einstellung der beiden Reßonanskreise auf den für die optimale Stabilisierung erforderlichon Wert automatisch vorgenommen wird.The invention is based on the task of specifying a circuit4 by setting the two Reßonans circles to the optimum one Stabilization required on value is carried out automatically.

Diese Aufgabe wird bei einem Oszillator, bei dem an ein an sich die Schwingfrequenz bestimmendes Resonanzsystem ein Resonanzkreis mit im Vergleich zum ersteren hoher Güte zur Stabilisierung der Oszillatorfrequenz schwach angekoppelt ist und beide, frequenzbestirnmende Resonanzsysteme so aufeinander abgestimmt sind, daß eine optimale Stabilisierung erfolgt, gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß dem einen der beiden Resonanzkreise eine veränderbare Reäktanz'zugeordnet ist, deren Wert von einer von der Oszillatorspqannung abgeleiteten Gleichspannung gesteuert ist, und daß ein Schwellwertelement, wie eine Zenerdiode vorgesehen ist, durch dessen Schwelle der für die optimale Stabilisierung erforderliche Reaktanzwert festgelegt ist.This task is performed with an oscillator, in which an in itself the Oscillation frequency determining resonance system with a resonance circuit compared to the former, high quality, weakly coupled to stabilize the oscillator frequency and both, frequency-determining resonance systems are so coordinated with each other, that an optimal stabilization takes place, solved according to the invention in that a changeable reactance is assigned to one of the two resonance circles, whose Value controlled by a direct voltage derived from the oscillator voltage is, and that a threshold value element such as a Zener diode is provided by its Threshold of the reactance value required for optimal stabilization is set is.

Eine vorteilhafte Schaltungsausführung besteht darin, daß die veränderbare Reaktanz eine Kapazitätsvariationsdiode ist, die in Serie mit einem Koppelkondensator an einem der beiden Resonanzsysteme liegt und der über die Gleichvorspannung für die Kapazitädiode, die durch Selbstgleichrichtung erzeugt wird von der Hochfrequenzsnannung entkoppelnde Elemente, die Zenerdiode mit geeignetem Schwellwert parallel geschaltet ist.An advantageous circuit design is that the changeable Reactance is a capacitance-varying diode that is in series with a coupling capacitor is due to one of the two resonance systems and the one via the DC bias for the capacitance diode, which is generated by self-rectification from the high-frequency voltage decoupling elements, the Zener diode connected in parallel with a suitable threshold value is.

In manchen Fällen kann es auch vorteilhaft sein, wenn die Vorspannung für die Kapazitätsvariationsdiode durch Gleichrichtung in einer gesonderten Gleichrichterschaltung.In some cases it can also be advantageous if the preload for the capacitance varying diode by rectification in a separate rectifier circuit.

erzeugt ist.is generated.

Es kann für'manche Anwendungsfälle auch vorteilhaft sein wenn in die G,leichs»annwgszuführung von der Gleichrichterschaltung zur Xapazitätsvariationsdiode eine zusätzliche Vorspannungsquelle eingeschaltet ist, deren Spannung so gepolt und gewählt ist, daß beim Anschwingen des Os,,ziliators zunächst eine oberhalb der optimalen Sohwingfrequenz liegende Frequenz erzeugt wird, die bei steigender Oszillatorspannung durch den Rückgang der Vorspannung der Kapazitätsvariationsdiode sich allmählich zum Wert optimaler Einstellung verringert.It can also be advantageous for some applications if the G, easy »analog supply from the rectifier circuit to the capacitance variation diode an additional bias source is switched on, the voltage of which is polarized in this way and it is chosen that when the os ,, ciliators begin to oscillate, one above the optimal vibration frequency Frequency is generated which at increasing oscillator voltage due to the decrease in the bias voltage of the capacitance varying diode gradually decreases to the value of the optimal setting.

Nachstehend wird die Erfindung mit ihren Verteilen anhand von Figuren 1 bis 3 näher erläutert.The invention and its distribution are described below with reference to figures 1 to 3 explained in more detail.

Die Fig. 1 zeigt einen Oszillator, der zunächst aus folgenden Grund elementen besteht. An der Basis des Transistors Tr liegt der zunächst frequenzbestimmende Kreis, bestehend aus der Induktivität Li, der Kapazität C1 und den Kapazitäten C2, C3 sowie der Auskoppelinduktivität L4, anderen Anzanfung die Ausgangsklemme A des Oszillators liegt. Die Rücklcopplung des Oszillators besorgt die Kapazität CE in der Emitterzuleitung, so daß hier die bekannte Emitterrückkopplungsschaltung vorliegt. Die vorstehend geschilderten Elemente bestimmen im wesentlichen die Schwingfrequenz, wenn man davon absieht, daß die Kapazitätsdiode CV unwirksam, z.B.Fig. 1 shows an oscillator initially for the following reason elements. At the base of the transistor Tr is the first frequency-determining Circuit, consisting of the inductance Li, the capacitance C1 and the capacitances C2, C3 as well as the decoupling inductance L4, other drawing the output terminal A of the Oscillator. The feedback of the oscillator provides the capacitance CE in the emitter lead, so that the known emitter feedback circuit is present here. The elements described above essentially determine the oscillation frequency, if one disregards the fact that the varactor diode CV is ineffective, e.g.

durch einen Kurzschluß ersetzt ist. In diesem Äusführungsbeispiel bestehen diese Elemente aus einem Bandfilter, dessen beide Kreise durch C2 miteinander verkoppelt sind.is replaced by a short circuit. In this exemplary embodiment These elements consist of a band filter whose two circles go through C2 with each other are coupled.

Im Normalfall könnte jedoch auch nur ein Kreis vorgesehen sein. Zur Prcquenzstabilisierung dieses Gebildes ist nun, wie von Röhrenschaltungen an sich bekannt, ein Resonanzkreis sehr hoher Güte vorgesehen, der im Schaltbild als Koaxialresonator Re mit Abstimmstift dargestellt ist.Normally, however, only one circle could be provided. To the The rate stabilization of this structure is now like that of tube circuits per se known, a very high quality resonance circuit is provided, which is shown in the circuit diagram as a coaxial resonator Re is shown with tuning pin.

Dieser Resonator hat eine Eigenfrequenz, die mit fII bezeichnet ist. Der Resonator ist mit den sonstigen frequenzbestimmendeii Elementen-des Oszillators durch die Koppelsehleife K schwach verkoppelt.This resonator has a natural frequency which is denoted by fII. The resonator is connected to the other frequency-determining elements of the oscillator weakly coupled by the coupling loop K.

Eine derartige Einrichtung hat folgende Eigenschaften. Wird eine der frequenzbestimmenden Reaktanzen, zB. die Kanazität C1 des ursnrünglich die Frequenz des Oszillators bestimmenden Resonanzsystems verändert, so richtet sich weit unterhalb der Eigenresonanz des Resonators Re die vom Oszillator erzeugte Frequenz zunächst nur nach diesem Resonanzsystem, bestimmt im wesentlichen durch die Einstellung der Kapazität Cm. kommt diese Frequenz in die Nähe der Resonanzfrequenz des Resonators Re, so beeinflußt auch dieser die Schwingfrequenz des Oszillators mit, und zwar.in der Weise, wie in Fig. 2 im Diagramm gezeigt ist.Such a device has the following properties. Will be one of the frequency-determining reactances, e.g. the channel capacity C1 of the original the frequency of the oscillator-determining resonance system changed, so directs far below the natural resonance of the resonator Re that generated by the oscillator Frequency initially only according to this resonance system, essentially determined by the setting of the capacity Cm. this frequency comes close to the resonance frequency of the resonator Re, this also influences the oscillation frequency of the oscillator with, in the manner as shown in Fig. 2 in the diagram.

Bei der Fig. 2 ist auf der Abszisse der Frequenzunterschied zwischen den Resonanzsystemen f1 und f11 dargestellt. fI ist die durch das- erstgenannte Resonanzsystem bestimmte Frequenz, weshalb die Bezeichnung f1 bei den betreffenden Elementen der Fig. 1 angegeben ist. fII ist die Resonanzfrequenz des Resonators Re. Die eigentliche Schwingfrequenz, die durch beide Resonatoren bestimmt wird, ist mit fi bezeichnct und die Ausgangsfrequenz des Oszillators an der Klemme A. Wenn die Eigenfrequenz f1 des Resonanzsystems relativ niedriger Güte (1<1, Cl, C2, C3, L2) hinreichend weit unter der Eigenfrequenz f11 des Resonators Re hoher Güte liegt, wird die Schwingfrequenz fj des Gesamtoszillators durch f bestimmt,wie es auch bei. Fehlen des Resonators hoher Güte der Fall wäre.- Dies ist in der Fig. 2 durch eine Gerade durch den Ursprung dargestellt. Wird jetzt von den niedrigen Frequenzen her (z.B. von B' aus) z.B. Cl bei der Fig. 1 vermindert, so wird f. erhöht und es wird zunehmend die Gerade verlassen, um asymptotisch auf die Eigenfrequenz fil (Gerade) des Resonators hoher Güte zuzulaufen, bis der Punkt A erreicht wird. An diesem Punkt erfolgt ein sprungharter Übergang der Oszillatorfrequenz auf einen wesentlich größeren Wert, der durch den Punkt A' angezeigt ist und der ungefähr durch die Eigenfrequenz fI des Resonanzsystems relativ zu Re niedriger Güte gegeben ist.In FIG. 2, on the abscissa is the frequency difference between the resonance systems f1 and f11. fI is the one through the former Resonance system specific frequency, which is why the designation f1 for the relevant Elements of Fig. 1 is indicated. fII is the resonance frequency of the resonator Re. The actual oscillation frequency, which is determined by both resonators, is marked with fi and the output frequency of the oscillator at terminal A. If the natural frequency f1 of the resonance system is of relatively low quality (1 <1, Cl, C2, C3, L2) sufficiently far below the natural frequency f11 of the resonator Re higher Quality, the oscillation frequency fj of the overall oscillator is determined by f, how it also with. Absence of the high quality resonator would be the case - This is shown in Fig. 2 represented by a straight line through the origin. Is now used by the low If frequencies are reduced (e.g. from B ') e.g. Cl in Fig. 1, then f. Is increased and it will increasingly leave the straight line to asymptotically respond to the natural frequency fil (straight line) of the high-quality resonator until point A is reached. At this point there is a sudden transition from the oscillator frequency to one much larger value, which is indicated by the point A 'and which is approximately given by the natural frequency fI of the resonance system relative to Re of low quality is.

Wird jetzt Cl vergrößert, um die Oszillatorfrequenz fi wieder zu verkleinern, so nähert sich f. wiederum asymptotisch von der Seite höherer Frequenz her, bis schließlich im Punkt B die Oszillatorfrequenz fi plötzlich nach tieferen Brequenzen, charakterisiert durch den Punkt B', springt. Untersuchungen zeigten, daß in den Punkten A, B der Sehwingkreis mit der Frequenz f1 unter Einschluß des Lastwiderstandes eine um 3 dB geringere Leistung Pl aufnimmt, als in den Punkten A' B'. Für das aktive Element (Transistor Tr) ist dabei eine frequenzunabhängige van-der-Pol-Charakteristik vorausgesetzt.If Cl is now increased in order to reduce the oscillator frequency fi again, thus f. again approaches asymptotically from the side of the higher frequency until finally at point B the oscillator frequency fi suddenly changes to lower frequencies, characterized by the point B ', jumps. Research showed that in the Points A, B the oscillation circuit with the frequency f1 including the load resistance absorbs a power Pl lower by 3 dB than in points A 'B'. For the active The element (transistor Tr) is a frequency-independent van der Pol characteristic provided.

Für die Stabilisierung ist der Bereich interessant, wo sich fi asymptotisch fII nähert. In diesem Bereich wird nahmlich f. nahezu ausschließlich durch die Eigenfrequenz fII des Resonators Re hoher Güte bestimmt. Änderungen der Eigenfrequenz f1 des Resonanzsystems niedriger Güte, zWBç durch Arbeitspunktverschiebung, Exemplarstreuungen des aktiven Elements, Schwankungen des Lastwiderstandes und del. beeinflussen die Frequenz fi des Gesamtoszillators in diesem Kurvenbereich nur geringfügig.The area where fi is asymptotic is of interest for stabilization fII is approaching. In this area, f. Is almost exclusively due to the natural frequency fII of the high quality resonator Re is determined. Changes in the natural frequency f1 of the resonance system low quality, e.g. due to shifting of the operating point, specimen variance of the active one Element, fluctuations in load resistance and del. Affect the frequency fi of the total oscillator only slightly in this curve area.

Ein derart günstiger Betriezbspunkt ist beisielsweise durch den Punkt C gegeben. Wird in diesem Punkt C die Betriebssparnrnng des aktiven Elements abgeschaltet, so ist die Oszillatorfrequenz f. nicht mehr durch den Punkt C, sondern durch den Punkt C' gegeben, da die asymptotischen Zweige nur ausgehend von der Ursprungsgeraden erreicht werden können. Im Normalfall muß also 9 zunächst z.B. durch Verringern von C1 erhöht werden bis längs des unteren asymntotischen Zweiges der Punkt A erreicht- wird, wo die Frequenz nach A' springt und dann muß C1 wiedersvorgrößert werden, bis die Frequenz längs des oberen asymptotischen Zweiges wieder in den Ausgangspunkt D gelangt.Such a favorable operating point is, for example, through the point C given. If the operating saving of the active element is switched off at this point C, so the oscillator frequency f. is no longer through the point C, but through the Point C 'given, since the asymptotic branches only proceeding from the straight line through the origin can be achieved. Normally 9 must therefore first e.g. by decreasing increase from C1 until point A is reached along the lower asymntotic branch - where the frequency jumps to A 'and then C1 has to be increased again, until the frequency along the upper asymptotic branch returns to the starting point D arrives.

Um diesen Einstellprozess gemäß der Erfindung zu automatisieren, sind in Schaltbeispielen nach der Fig. 1 folgende Elemente vorgesehen. In Serie mit der Kapazität Cl liegt eine Kapazitätsvariationsdiode CV gegen Masse. An der Anode dieser Diode liegt eine Drossel Dr zur Hochfrequenzentkopplung, so daß die Kapazitätsvariationsdiode CV bei Vorhandensein von Schwingspannung sich selbst aufladen kann.In order to automate this setting process according to the invention, are The following elements are provided in circuit examples according to FIG. 1. In series with the A capacitance-varying diode CV is connected to ground. At the anode of this Diode is a choke Dr for high-frequency decoupling, so that the capacitance-varying diode CV can charge itself in the presence of oscillation voltage.

Der Drossel folgt ein Siebkondensator C4, dem parallel nach Masse eine Zenerdiode ZD und ein Widerstand R parallel geschaltet sind. Beim Binschalten des Oszillators steigt also die Spannung an der Kapazitätsdiode, deren Gleichspannungsanteil UR allmählich wächst, und zwar bis zu dem Punkt an dem die Zenerdiode ihren Schwellwert hat und die Spannung UR begrenzt. Wird der Schwellwert der Zenerdiode so gewählt, daß die Vorspannung und damit die Kapazität der Kapazitätsvariationsdiode den Frequenzpunkt D in der Fig. festlegt, so erfolgt eine automatische Stabilisierung auf diesen Ontimalwert durch den Resonator Re.The choke is followed by a filter capacitor C4, which is parallel to ground a Zener diode ZD and a resistor R are connected in parallel. When switching on of the oscillator, the voltage across the capacitance diode, its DC voltage component, increases UR gradually increases, up to the point at which the Zener diode reaches its threshold value and limits the voltage UR. If the threshold value of the Zener diode is chosen so that the bias and thus the capacitance of the capacitance varying diode is the frequency point D in the figure, there is an automatic stabilization to this ontimal value through the resonator Re.

Die Schaltung nach Fig. 1 mit Selbsterregung der Regelspannung UR durch die Kanazitätsdiode CV kann auch durch eine Schaltung ersetzt werden, bei der eine gesonderte Diode zur Erzeugung der Regelspannung UR vorgesehen wird, die beispielsweise an den Ausgang A des Oszillators angekoppelt sein kann.The circuit according to FIG. 1 with self-excitation of the control voltage UR by the capacitance diode CV can also be replaced by a circuit at which a separate diode is provided for generating the control voltage UR, the for example, can be coupled to the output A of the oscillator.

Will-man erreichen, daß sich die Oszillstorfrequenz von oben her dem Punkt C in der Fig. 2 nähert, so ist eine Schaltung vorteilhaft, wie sie beispielsweise in der Fig. 3 niedergelegt ist. Dabei sind die wesentlichen Elemente bis auf die zur Regelspannungserzeugung die gleichen wie bei der Fig. 1. Zusätzlich ist eine über eine kleine Kapazität C5 angekonnelte Gleichrichterdiode D vorgesehen, sowie eine Ladekapazität C4 und ein Ableitwiderstand R1. In Serie zu der so erzeugten Spannung ist mit entgegengesetzter Polung eine Spannung V gelegt, die über der Drossel Dr der Kapazitätsdiode CV zugeführt wird. Die Vorspannung V ist so gewählt, daß beim Einschalten des Oszillators die Vorspannung für die Diode CV zunächst hoch im Sperrbereieh der Diode liegt. Der Oszillator wird also zunächst mit einer wesentlich höheren Frequenz als der durch den Resonator Re bestimmten anschwingen und dann seine Frequenz allmählich erniedrigen, da die Spannung an der Diode D entgegengesetzt der Vorspannung V ist und die Gesamtvorsnannung für CV erniedrigt.If one wants to achieve that the oscillating gate frequency from above is the Approaching point C in FIG. 2, a circuit such as that shown, for example, is advantageous is laid down in FIG. 3. The essential elements are except for the for control voltage generation the same as in FIG. 1. In addition, there is a A rectifier diode D connected via a small capacitance C5 is provided, as well as a load capacitance C4 and a bleeder resistor R1. In series too the voltage generated in this way is applied with opposite polarity a voltage V, which is supplied to the capacitance diode CV via the choke Dr. The bias voltage V is chosen so that when the oscillator is switched on, the bias voltage for the diode CV is initially high in the blocking range of the diode. So the oscillator will first at a much higher frequency than that determined by the resonator Re start to oscillate and then gradually lower its frequency as the voltage across the Diode D is opposite to the bias voltage V and lowers the total bias voltage for CV.

Die dargestellten Schaltungen mit Transistoren sind nur Schaltbeispiele, es könnten auch andere schwingungserzeugende Elemente vorgesehen sein, z.B. Negativwiderstandselemente.The illustrated circuits with transistors are only circuit examples, other vibration generating elements could also be provided, for example negative resistance elements.

4 Patentansprüche 3 Figuren4 claims 3 figures

Claims

P.å t e n t a n s n r ü c h e 1. Oscillator, in which an in itself The resonance system that determines the oscillation frequency is compared with a resonance circuit to the former, high quality to stabilize the oscillator frequency, is weakly connected and both frequency-determining resonance systems are matched to one another in such a way that an optimal stabilization takes place, characterized in that one of the Both resonance circuits are assigned a variable reactance, the value of which is a DC voltage derived from the oscillator voltage is controlled, and that a threshold value element, such as a Zener diode, is provided by its threshold the reactance value required for optimal stabilization is specified.

2. Oscillator according to claim 1, characterized in that the changeable Reactance is a capacitance varying diode that is in series with a DC blocking capacitor is due to one of the two resonance systems and the one via the DC bias for the capacitance diode, which is generated by self-rectification, from the high-frequency voltage decoupling elements, the Zener diode with geefnotem Sohwellwert parallel goc3altot is.

3. Oscillator according to claim 2, characterized in that the bias for the capacitance varying diode by rectification in a separate rectifier circuit is generated.

4. Oscillator according to claim 3, characterized in that in the Global voltage supply from the rectifier circuit to the capacitance variation diode an additional bias voltage source is switched on, the voltage of which is polarized in this way and it is selected that when the oscillator starts to oscillate, initially one above the optimal oscillation frequency lying frequency is generated, which with increasing oscillator voltage by decreasing the bias voltage of the capacitance varying diode gradually reduced to the value of the optimal setting.