DE2000703A1 - Frequenzmodulierbarer Oszillator - Google Patents

Description

PATENTANWALT

DlPL-ING. LEO FLEUCHAUS

β München 7i, 8. Jan. I97O

MelchiorstraBe 42

Mein Zeichen: J^ 2P- 315

Motorola, Inc.

9401 West Grand Avenue

Franklin Park, Illinois

V.St.A.

Frequenzmodulierbarer Oszillator

Die Erfindung betrifft einen frequenzmodulierbaren Oszillator mit einem elektronischen Schwingelement und einem damit verbundenen frequenzbestimmenden Schaltkreis, der einen spannungsabhängig veränderlichen und mit dem Schwingelement zur Änderung der Oszillatorfrequenz gekoppelten Kondensator umfasst. i

Frequenzmodulierbare Oszillatoren sind mit unterschiedlichen Schaltungen in vielfacher Weise bekannt, wobei derartige Oszillatoren auch in Festkörperbauweise aufgebaut sein können. Derartige Oszillatoren finden bei Sendern Verwendung, die in einem bestimmten Frequenzbereich frequenzmoduliert werden. Die insbesondere in Form piezoelektrischer Kristalle verwendeten elektronischen Schwingelemente arbeiten sowohl in Serien- als auch in Parallelschaltung und werden zur Stabilisierung der Mittelfrequenz der Schwingung verwendet. Es ist auch bereits bekannt,

Fs/wi in

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in den frequenzbestimmenden Netzwerken derartiger Oszillatoren spannungsabhängig veränderliche Kondensatoren zu verwenden, deren Kapazität in Abhängigkeit von der Amplitude einer Modulationsspannung geändert wird, um das gewünschte frequenzmodulierte Ausgangssignal zu erhalten. Nach einer Verstärkung des frequenzmodulierten Signals kann dessen Frequenzauslenkung, wie sie durch die Kapazitätsänderung des spannungsabhängig veränderlichen Kondensators und die Güte des Kristalls bestimmt wird, für die Aussteuerung der Mittelfrequenz in einem Übertragungsfrequenzband ausreichen.

Es gibt jedoch viele Anwendungsmoglichkeiten, bei denen ein kristallgesteuerter Oszillator in der Lage sein soll, mehrere unterschiedliche Frequenzen zu modulieren. Dies ist der Fall, wenn ein Sender mit einer Vielzahl von Mittelfrequenzen in einem Übertragungsfrequenzband oder mit je einer Mittelfrequenz in verschiedenen Frequenzbändern arbeitet. Diese Art von Sender kann z.B. bei tragbaren Funksprechgeräten Verwendung finden, wie sie in vielfacher Weise z.B. auch bei der Polizei benutzt werden. Bei derartigen Sendern soll es möglich sein, mehrere Frequenzbänder abwechselnd zu benutzen, um zu übertragende Informationen auf unterschiedlichen Frequenzen an verschiedene, auf unterschiedliche Frequenzen abgestimmte Empfänger zu übertragen. Obwohl bekannte frequenzmodulierte Oszillatoren zur vollen Zufriedenheit mit einer einzigen Mittelfrequenz arbeiten, sind derartige Oszillatoren nicht für den Einsatz insbesondere bei Funksprechgeräten geeignet, die als Taschengeräte mit einer Vielzahl von frequenzmodulierbaren Mittelfrequenzen betrieben werden sollen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen frequenzmodulierbaren und kristallgesteuerten Oszillator zu schaffen, der auf eine Vielzahl von Mittelfrequenzen umschaltbar ist, und der insbesondere sehr einfach, billig und als kleine kompakte Baugruppe herstellbar ist. Dieser Oszillator soll sehr

- 2 - zuverlässig

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zuverlässig arbeiten, aus wenigen Bauelementen aufgebaut sein und ein sehr geringes Gewicht besitzen. Vorzugsweise soll der Oszillator in Festkörpertechnik ausgeführt werden und frequenzbestimmende Schwingkristalle umfassen, die zusammen mit einem spannungsabhängig veränderlichen Kondensator (Varaktor) für die Frequenzabstimmung des Oszillators Verwendung finden, wobei der Oszillator auf eine Vielzahl von Mittelfrequenzen leicht umschaltbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass eine Vielzahl von Netzwerken vorhanden ist, die ein in Serienresonanz betriebenes piezoelektrisches Element umfassen, welches j in Serie zu einer Induktivität geschaltet ist, dass Schaltereinrichtungen zum wahlweise in Serie Schalten der Netzwerke zu dem spannungsabhängig veränderlichen Kondensator vorhanden sind, so dass das an den Kondensator angeschaltete Netzwerk

mit diesem zusammen einen auf Serienresonanz abgestimmten Schaltkreis bildet, und dass Einrichtungen zum Anlegen einer Modulationsspannung an den auf Serienresonanz abgestimmten Schaltkreis vorhanden sind.

Eine Weiterausbildung der Erfindung besteht darin, dass die in jedem Netzwerk vorhandene Induktivität zur Abstimmung des Serienresonanzkreises und zur Einstellung der Mittelfrequenz

des Oszillators veränderbar ist. ä

Ferner ist vorgesehen, dass in jedem Netzwerk parallel zu dem piezoelektrischen Schwingelement ein Widerstand geschaltet ist, um Störschwingungen des Schwingelementes zu unterdrücken, und um einen Gleichstromweg für den spannungsabhängig veränderlichen Kondensator zu schaffen.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht aus einem Transistor, dessen Kollektor wechselstrommässig an Masse angeschlossen ist. Der Emitter ist mit einem ersten Kondensator

- 3 - verbunden

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verbunden, an dem sich die Spannung aufbaut, welch· über einen zweiten Kondensator an die Basis des Transistors zurückgekoppelt wird, üb den Schwingzustand aufrechtzuerhalten. Ein spannungsabhängig veränderlicher Kondensator, z.B. ein Varaktor, ist mit einer einen Seite an die Basis des Transistors über einen dritten Kondensator angekoppelt, wogegen die andere Seite des spannungsabhängig veränderlichen Kondensators an dem Schaltarm eines Drehschalters derart angeschlossen ist, dass der spannungsabhängig veränderliche Kondensator wahlweise über den Schalter mit einer Vielzahl von frequenzbestimmenden Netzwerken verbunden werden kann. Dadurch ist es möglich, eine sinusförmige Schwingung bei einer Vielzahl von bestimmten Mittelfrequenzen einzustellen. Jedes dieser frequenzbestimmenden Netzwerke besteht aus einem in Serienresonanz betriebenen Kristallelement, dessen eine Seite mit Hasse verbunden und dessen andere Seite über eine veränderbare Induktivität an einen Schaltkontakt des Drehschalters angeschlossen ist. Ferner ist ein Widerstand parallel zum Kristall nach Hasse geschaltet. Indem der Kristall derart hergestellt wird, dass er bei der gewünschten Mittelfrequenz in Serienresonanz schwingt, und indem die Induktivität derart abgestimmt wird, dass sie zusammen mit der Serienkapazität des spannungsabhängig veränderlichen Kondensators und zusammen mit dem ersten, zweiten und dritten Kondensator bei der Serienresonanzfrequenz des Kristalle anschwingt, kann das frequenzbestimmende Netzwerk auf die gewünschte Mittelfrequenz voreingestellt werden. Über den im frequenzbestimmenden Netzwerk vorgesehenen Widerstand ist der spannungsabhängig veränderliche Kondensator Jeweils gleichstrommässig an Hasse angeschlossen, wobei dieser Widerstand gleichzeitig der Unterdrückung ungewünschter Schwingungemodi des Kristallelementes dient. Die Modulationsspannung wird am spannungsabhängig veränderlichen Kondensator angelegt und ändert dessen Kapazität, wodurch entsprechend die eingestellte Mittelfrequenz nach oben und unten verschoben wird, so dass am Ausgang des Oszillators das gewünschte frequenzmodulierte

- 4 - Signal

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Signal zur Verfugung steht. Dieses frequenzmodulierte Ausgangssignal wird über einen Koppelkondensator von der Basis des Transistors an eine Last übertragen, die z.B. aus einem auf eine Harmonische der ausgewählten Mittelfrequenz abgestimmten Oszillatorschwingkreis bestehen kann, wodurch eine Frequenzvervielfachung erzielt wird. Anstelle des Schwingkreises kann auch eine Pufferschaltung, ein Verstärker oder eine andere Schaltung am Ausgang vorgesehen sein, die das frequenzmodulierte Signal weiter verarbeitet.

Eine beispielsweise Ausfuhrungsform der Erfindung ist in der aus einer Figur bestehenden Zeichnung dargestellt, welche . " einen frequenzmodulierbaren Kristalloszillator zeigt.

Die dargestellte Oszillatorschaltung umfasst einen Transistor 10, dessen Kollektor 12 direkt mit einer Stromversorgungsklemme 14 verbunden ist, die die erforderliche geregelte Vorspannung liefert. Die Basis 16 des Transistors ist mit der Klemme 14 über einen Widerstand 18 verbunden, wogegen der Emitter 20 über eine Serienschaltung aus einer HF-Drossel 22 und einem Widerstand 24 an Masse bzw. an ein entsprechendes Bezugspotential angeschlossen ist. An diese? Serienschaltung baut sich der erforderliche Spannungsabfall auf. Ein am Kollektor 12 liegender Kondensator 26 schliesst diesen wechselstrommässig an Masse ä an und sorgt dafür, dass die Oszillatorschwingung nicht zur Spannungsquelle übertragen wird. Die Widerstände 18 und 24 werden derart ausgewählt, dass der Transistor im A-Betrieb arbeitet und somit durch die von der Klemme 14 aus angelegte Vorspannung zu schwingen anfängt. Ein Kondensator 25 liegt vom Emitter 20 aus nach Masse und liefert das Rückkopplungspotential, das über einen Kondensator 28 an die Basis 16 zur Aufrechterhaltung der Schwingung übertragen wird. Sobald der Oszillator zu aäwingen anfängt, wird der Transistor derart durch die Schaltungskonfiguration vorgespannt, dass er im C-Betrieb arbeitet.

- 5 - Das

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Das frequenzbestiamende Netzwerk des Oszillators besteht aus einem Varaktor, dessen Kathode 34 über einen Kondensator 32 mit der ^asis 16 des Transistors 10 verbunden ist. Die Anode 36 des Varaktors 30 ist über die Klemme 38 mit einem Drehschalter 40 verbunden, dessen Schaltarm 42 in verschiedene Positionen wahlweise eingestellt werden kann und in diesen z.B. mit den Schaltkontakten 42 und 44 verbunden ist, an welche auf bestimmte Mittelfrequenzen eingestellte Netzwerke (46 und 47) angeschlossen sind. Wenn sich der Drehschalter in der in der Figur dargestellten Position befindet, wird für den Oszillator die durch das Netzwerk 46 bestimmte Mittelfrequenz ein gestellt. Dieses Netzwerk 46 besteht aus einer Serienschaltung aus einer veränderbaren Induktivität 48 und einem Kristall 50, die überjden Schalter zusammen mit dem Varaktor 30 eine an Masse liegende Serienschaltung bilden. Der Kristall 50 ist derart aufgebaut, dass er bei der gewünschten Mittelfrequenz schwingt und eine Güte Q besitzt, die eine Frequenzänderung für den Oszillator innerhalb des gewünschten Bandes zulässt. Da der Kristall 50 in Serienresonanz betrieben wird, stellt er für die Serienresonanzfrequenz einen Kurzschluss nach Masse dar. Die veränderbare Induktivität 48 bildet zusammen mit der Serienkapazität des Varaktors 30, dem Koppelkondensator 32, dem Rückkopplungskondensator 28 und dem Kondensator 25 einen Resonanzkreis, der bei der Frequenz des Kristalls 50 in Serienresonanz schwingt. Die Induktivität 48 ist verstellbar, um den Resonanzkreis bei der gewünschten Mittelfrequenz auf Serienresonanz abstimmen zu können. Der Widerstand 52 dämpft unerwünschte Schwingungsmodi des Kristalls 50.

Mit Hilfe des Schaltarms 41 des Drehschalters 40 ist dieser / auf den Schaltkontakt 44 einstellbar, an den das frequenzbestimmende Netzwerk 47 angeschlossen ist, das somit ebenfalls zwischen dem Varaktor 30 und Masse liegt. In der Figur ist ein Netzwerk 47 dargestellt, das den identischen Aufbau des Netzwerkes 46 besitzt; jedoch ist der Kristall derart aufgebaut,

- 6 - dass

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dass er bei einer anderen gewünschten Hittelfrequenz anschwingt, die z.B. in Vergleich zum Kristall 50 in einem Nachbarband liegen kann. Die Induktivität 58 wird entsprechend vorgesehen, so dass sie mit der Kapazität des Varaktors 30 und den Kondensatoren 25* 28 und 32 einen Schwingkreis bildet, der bei der gewünschten Hittelfrequenz auf Serienresonanz abstimmbar ist. Es ist selbstverständlich, dass der Drehschalter weitere Cchaltkontakte aufweisen kann, die mit weiteren frequenz-Kj stimmenden Netzwerken verbunden sind und mit welchen weiv re Oszillator-Hittelfrequenzen einstellbar sind.

Die Serienechaltung eines Widerstandes 60 und eines Vider- i Standes 62 stellt ein Gleichstromvorspannungsnetzwerk dar, über welches der Varaktor 30 an «ine amplitudengeregelte Stromspannungsquelle über die Klemme 64 angeschlossen ist. Hit Hilfe dieser Vorspannung wird die Ruhekapazität des Varaktors eingestellt. Die Klemmen 64 und 14 können an derselben Stromversorgungsquelle liegen. Venn sich der Drehschalter 40 in der in der Figur dargestellten Position befindet, ist der Varaktor 30 über die Induktivität 48 und den Widerstand 52 gleichstrommässig an Hasse angeschlossen, so dass über diesen Gleichstromweg der Vorspannungsstrom fliessen kann. Ein Kondensator 66, der für die Hodulationsspannung als Kurzschluss wirksam ist, trennt die Hodulationsquelle gleichstrommässig vom Oszillator und verbindet die Modulations- f Eingangsklemme 68 mit dem Varaktor 30 über den Widerstand Das Modulationssignal wird über den Kondensator 66 und den Widerstand 62 an den Varaktor 30 angelegt. Die Induktivität 48 und der Widerstand 52 und die entsprechenden Teile der anderen frequenzbestimmenden Netzwerke sind derart ausgelegt, dass sie eine niedere Impedanz für die Modulationsfrequenz besitzen und keine Amplitudendämpfung für das Modulationssignal bewirken. Der Kondensator 32 hält das Hodulationssignal vom Transistor 10 ab und besitzt jedoch eine genügend niedere Impedanz für die gewünschte Oszillatorschwingung. Die

- 7 - Kapazität

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Kapazität des Varaktors 30 kann entsprechend der Amplitude der Modulationsspannung von s. einem Mittelwert aus nach oben und unten geändert werden, wodurch die Resonanzfrequenz des Serienresonanzkreises innerhalb vorgegebener Grenzen geändert wird, die durch die Güte Q des Kristalls und die Amplitude der Modulationsspannung festgelegt werden. Die Kapazitätsänderung des Varaktors 30 ändert die eingestellte Mittelfrequenz des Oszillators um entsprechende Frequenzen nach oben und nach unten, so dass der Oszillator mit der angelegten Modulationsspannung moduliert wird.

Das frequenzmodulierte Signal wird von der Basis 16 des Transistors 10 über einen Kondensator 70 an eine Last 72 gekoppelt· Der Kondensator 70 ist derart ausgewählt, dass er die Impedanz der Last 72 an die Impedanz des Oszillators anpasst, so dass eine maximale Energieübertragung stattfindet.

Eine nach den Merkmalen der Erfindung aufgebaute Oszillatorschaltung, die bei einer geregelten Spannung von 6,8 Volt bei Frequenzen von 16,75 bis 19,3 MHz betriebsfähig ist, besteht aus den folgenden Bauelementen mit den angegebenen Grossen:

Transistor 10	NPN Motorola Typ MAS918	uF	Induktivität
Widerstand 18	56 K Ohm
Drossel 22	68 /uH	Typ 1N5146
Widerstand 24	1 K Ohm
Kondensator 25	80 pF	3 /uH veränderbar
Kondensator 26	0,0055 /	,YUSW Typ
Kondensator 28	470 pF
Varaktor 30	Motorola	YUSW Typ
Kondensator 32	470 pF
Induktivität 48	1,4 - 3,
Kristall 50	Motorola
Widerstand 52	47O Ohm
Kristall 56	Motorola
	- 8 -
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Induktivität 58 1,4 - 3>? /uH veränderbar

Widerstand 60 4γ? Κ Ohm

Widerstand 62 10 K Ohm

Kondensator 66 0,22 /uF

Die vorausgehend beschriebene Schaltung ist für einen einfachen kristallgesteuerten und frequenzmoaulierbaren Oscillator, der auf eine Vielzahl von Mttelfrequeiizen einstellbar ist, vorgesehen. Die in den frequensbestisae.nden Netzwerken angeordneten Kristalle sind jeweils mit einer Seite an Masse gelegt, wobei der Kristall in Serienresonans betrieben wird, iim einen frequenzstabilen Betrieb bei ändernden Temperaturen sowie eine lineare Änderung mit der Kapazitätsänderung des Varaktors zu bewirken. Die Induktivitäten der frequenzbestimmender. Netzwerke können jeweils unabhängig voneinander abgestimmt werden, so dass die Abstimmung des Oszillators auf die gewünschten Mittelfrequenzen einfach durchzuführen ist. Der Oszillator selbst besteht aus einem Minimum an Bauteilen und kann insbesondere sehr vorteilhaft als Festkörperschaltung ausgeführt werden, wodurch die Schaltung sehr klein, leicht und trotzdem bei maximalem Wirkungsgrad sehr zuverlässig ist.

- 9 - Patentansprüche

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Claims (4)

PATENTANWALT DIPL-ING. LEO FLEUCHAUS /.000703 /tO 8 MÖNCHEN 71,8. JaJQ. 1970 Melchlor»tre6e 42 Me.nZe.chen: Patenansprüche

1.) Frequenzmodulierbarer Oszillator mit einem elektronischen Schwingelement und einem damit verbundenen frequenzbestimmenden Schaltkreis, der einen spannungsabhängig veränderlichen und mit dem Schwingelement zur Änderung der Oszillatorfrequenz gekoppelten Kondensator umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Netzwerken (46, 47) vorhanden ist, die ein in Serienresonanz betriebenes piezoelektrisches Element umfassen, welches in Serie zu einer Induktivität geschaltet ist, dass Schaltereinrichtungen (40) zum wahlweise in Serie Schalten der Netzwerke zu dem spannungsabhängig veränderlichen Kondensator vorhanden sind, so dass das an den Kondensator angeschaltete Netzwerk mit diesem zusammen einen auf Serienresonanz abgestimmten Schaltkreis bildet, und dass Einrichtungen zum Anlegen einer Modulationsspannung an den auf Serienresonanz abgestimmten Schaltkreis vorhanden sind.

2. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in jedem Netzwerk vorhandene Induktivität (48, 58) zur Abstimmung des Serienresonanzkreises und zur Einstellung der Mittelfrequenz des Oszillators veränderbar ist.

3. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Netzwerk parallel zu dem piezoelektrischen

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Schwingelement ein Widerstand geschaltet ist, um Störschwingungen des Schwingelementcs 5*u i^nterdrücken, und um einen Gleichstromweg für den spannungsabhängig veränderlichen Kondensator zu schaffen.

4. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichn e t, dass die piezoelektrischen Schwingelemente der Netzwerke aus Quarzkristallen bestehen, die auf unterschiedliche Schwingfrequenzen abgestimmt sind«

ORIGINAL INSPECTED

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