DE2001451C3

DE2001451C3 - Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer harmonischen, ein schnelles Einschwingverhalten aufweisenden Schwingung

Info

Publication number: DE2001451C3
Application number: DE19702001451
Authority: DE
Inventors: Dietrich Dipl.-Ing. 2000 Hamburg Meyer
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1970-01-14
Filing date: 1970-01-14
Publication date: 1975-09-25
Also published as: DE2001451B2; DE2001451A1

Description

Amplitudenabhängigkeit der Schwingungsfrequenz 60 gelöst.

und sind somit Ursache von Frequenzinstabilität in- Aus der deutschen Auslegeschrift 1 122 996 ist

folge beispielsweise Speisespannungsschwankungen. eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer sinus-

Nun ist jedoch ein Oszillator, der ausschließlich aus förmigen Schwingung bekannt, bei der die Maxima Übertragungsgliedern mit linearer Kennlinie besteht, der erzeugten Spannung abgetastet werden, um die

ein labiles Gebilde und nicht zur Erzeugung einer 65 Amplitude der Spannung zu beeinflussen. Bei dieser

Wechselspannung mit konstanter Amplitude in der bekannten Schaltungsanordnung wird jedoch das ab- Lage. getastete Signal verwendet, um die Amplitude der Aus der Zeitschrift P. I. R. E., 22 (1934), S. 1051 Spannung im Augenblick des Maximums direkt zu

vergrößern oder zu verkleinern· Es wird jedoch nicht die Kreisverstärkung des Osziliatorkreises beeinflußt Diese bekannte Schaltung kann keine oberwellenfreie bzw. oberwellenanne Schwingung erzeugen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt

Fig. 1 das Blockschaltbild eines harmonischen Oszillators mit einer Amplitudenregelung,

Fig.2 ein Ausführungsbeispiel eines amplitudengeregelter RC-Oszillators und

F i g. 3 das Zeitdiagramm einiger Spannungen des Oszillators nach F i g. 2.

Das Blockschaltbild eines harmonischen Oszillators mit einer Amplitudenregelung zeigt Fig. 1. Der eigentliche Oszillator besteht hierin aus einem Oszillatorverstärker V mit über einen Steuereingang St steuerbarem Verstärkungsfaktor ν sowie einem Netzwerk N aus passiven Bauelementen und der Übertragungsfunktion

F = SRe(F)+ /frm (F) (1) ^ao

Ein stationäres Schwingen des Oszillators ist nur möglich, wenn die Kreisverstärkung v_k des geschlossenen Oszillatorkreises aus Verstärker K und Netzwerk N reell und 1 ist:

v* = ν · F = ν [3tt(F) + ;3m (F)] = 1 (2)
JRe (F) und ftnt (F) sind durch die Parameter der Elemente des Netzwerkes (N) bestimmt. Gleichung (2) fordert, daß ^m(F) zu Null wird. Bei einem geeigneten Oszillatornetzwerk tritt das bei einer und nur bei einer Frequenz ein. Dadurch ist also die Frequenz der Oszillatorschwingung festgelegt. Ist v_ft>l, dann wächst die Amplitude der Schwingung exponentiell an, ist v_k<l, strebt sie exponentiell gegen Null.

Damit die Schwingung stationär wird, muß v_k = 1 (d.h. ViRf(F)=I bei ftm(F) == 0) werden. Das kann durch Veränderung des Verstärkungsfaktors ν geschehen.

F i g. 1 zeigt weiterhin eine Amplitudenregelschaltung, bestehend aus einer Tor- und Speicherschaltung 75, einer Steuerschaltung S zur Ansteuerung der Torschaltung, einer Sollwert-Istwert-Vergleichsstelle SI V und einem Regler R. Aufgabe der Amplitudenschaltung ist es, d'e Amplitude der Oszillatorschwingung zu messen, mit einem Sollwert zu vergleichen und bei Abweichung vom Sollwert die Kreisverstärkung v_k des Oszillatorkreises so zu verändern, daß sich eine stationäre Schwingung mit der Sollamplitude einstellt

Die Amplitudenmessung geschieht run dadurch, daß die Steuerschaltung S einen Impuls erzeugt, wenn die Oszillatorschwingung durch ihr Maximum läuft. Dieser Impuls öffnet das Tor der Speicherschaltung TS, wodurch diese den Maximalwert der Oszillatorspannung einspeichert. Da das Tor nur eine kurze Zeit während des Maximums geöffnet ist, ist am Ausgang der Speicherschaltung während der vollen Zeit zwischen zwei Maximas der Oszillatorschwingung die Spannung des jeweils gerade vorangegangenen Maximums zu messen. Bei einer stetigen Veränderung der Schwingungsamplitude ändert sich die Ausgangsspannung des Speichers treppenförmig jeweils zu den Zeitpunkten der Maxima. Der entscheidende Vorteil gegenüber bekannten Amplitudenregelschaltungen besteht nun darin, daß bei stationärem Schwingen am Ausgang der Speicherschaltung nicht eine Überlagerung aus Gleichspannung und Wechselspannung, sondern schon ohne Filterung eine reine Gleichspan-

nung vom Spitzenwert der Oszülatorspannung erscheint Dieses steht auch im Gegensatz zu bekannten Spitzenwertgleichrichterschaltungen. Diese können einer Abnahme der Amplitude nur dann folgen, wenn die Entladezeitkonstante des Speicherkondensators genügend klein ist. Dann jedoch liefern sie bei konstanter Amplitude keine reine Gleichspannung, sondern eine Folge von Endadefunktionen. Die Spannung der Speicherschaltung kann der Sollwert-Istwert-Vergleidhsstelle SlV zugeführt werden. Aus der Regelabweichung wird dann über den Regler/? ein Stellsignal zur Steuerung des Verstärkungsfaktors ν erzeugt.

Durch den Fortfall jeglicher Filter zur Dämpfung von Wechselstromkomponenten im Ausgangssignal der Amplitudenmeßschaltung verbessert sich die Dynamik des Regelkreises. Der Regler kann dem Zeitverhalten des eigentlichen Oszillators optimal angepaßt werden. Daraus resultiert ein gegenüber nach bekannten Verfahren amplitudengeregelten harmonischen Oszillatoren um Größenordnungen schnelleres Einschwingverhalten.

F i g. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines amplitudengeregelten ÄC-Oszillators. Der eigentliche Oszillator ist ein RC-Oszillator nach Wien, bestehend aus einem frequenzbestimmenden Netzwerk aus zwei Widerständen E₁ und /?., und zwei Kondensatoren C₁ und C₂ sowie dem Oszillatorverstärker K₁, einem Operationsverstärker, der potentiometrisch übet Widerstände /?., und /?₄ gegengekoppelt ist. Zur Steuerung des Verstärkungsfaktors ν ist der Widerstand R₃ elektronisch veränderbar, realisiert beispielsweise als eine Kombination eines magnetfeldabhängigen Widerstandes (· Feldplatte«) und eines Elektromagneten. Mit dem Ausgang des Oszillators ist über einen elektronischen Schaltung Γ als Tor ein Speicherkondensator C_s verbunden. Der elektronische Schalter ist ζ. Β durch Halbleiter-Bauelemente, z. B. durch einen »MOSFET« zu realisieren. Die Steuerschaltung für dieses Tor besteht aus einem Differenzierglied aus einem Widerstand R_d und einem Kondensator C_d, einem Komparatorverstärker K, der die differenzierte Oszülatorspannung in eine Rechteckspannung umwandelt, sowie einer monostabilen Kippstufe M, die getriggert durch die Flanken der Komparator-Ausgangsspannung kurze Impulse zur öffnung des Tores T erzeugt. Die auf dem Kondensator gespeicherte Spannung wird über einen als Spannungsfolger geschalteten Operationsverstärker K₂, der infolge seines hohen Eingangswiderstandes die Entladung des Kondensators C_s verhindert, einem P/-Regler zugeführt. Als Regler dient ein mit einem Eingangswiderstand R₍ und einer Rückkopplungskombination aus einem Widerstand R₁ und Kondensator C, beschalteter Operationsverstärker K₃. Die Sollwertspannung f_so/( wird der nichtinvertierenden Eingangsklemme des Regelverstärkers K₃ zugeführt. Die Ausgangsspannung dieses Regelverstärkers stellt das Stellsignal für den steuerbaren Widerstand R₃ dar, wird also in diesem Beispiel in einen Steuerstrom für den erwähnten Elektromagneten umgewandelt.

Mit U₀, U_d, U_k, U_m und C/_s sind Spannungen an den entsprechenden Klemmen der Schaltung in F i g. 2 benannt. Das in F i g. 3 dargestellte Zeitdiagramm dieser Spannungen dient zur weiteren Verdeutlichung der Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 2.

Eine Verbesserung der beschriebenen Schaltungs-

anordnung besteht darin, daß ein Verstärker mit einem Verstärkungsfaktor — 1 aus der Oszillator-Wechselspannung eine amplitudengleiche, gegen diese jedoch in der Phase um 180° verschobene Spannung herleitet. Über zwei verschiedene Tore übernimmt die Speicherschaltung abwechselnd den Maximalwert der Öszillator-Wechselspannung und den der Ausgangsspannung des genannten Verstärkers. Mit dieser Maßnahme kann die Zeitspanne zwischen Eintritt einer Amplitudenabweichung und Reaktion der Speicher-Ausgangsspannung im Mittel halbiert werden. Das führt zu einer weiteren Verbesserung der Reglerdynamik.

Eine andere Ausführung eines amplitudengeregelten Oszillators besteht darin, daß die Kreisverstärkung v_k des Oszillatorkreises durch die Parameter-Veränderung eines oder mehrerer der passiven Bauelemente des frequenzbestimmenden Netzwerkes N gesteuert wird. In einem Beispiel ist der Widerstand R₁ eines Wien-Oszillators ähnlich Fig.2 von außen verstellbar. Die Kreisverstärkung wird durch einen an Stelle des Widerstandes R₂ eingefügten elektronisch steuerbaren Widerstand beeinflußt. Bei einem derartigen Oszillator ist die Periodendauer seiner Schwingung eine lineare Funktion nur eines einzigen Widerstandes R₁.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

bis 1086, ist eine Schaltungsanordnung zur Ampli-

Patentanspriiche· tudenstabilisierung durch eine nichtlineare Kennlinie

eines der Gfieder des Oszillatorkreises, z. B. eines

Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Verstärkers, bekannt Aus den obengenannten Griin-SE dn schnelles Einschwebten 5 den ist jedoch eine Nichtüneantat nicht wunschens-

E eb aufweisenden Schwingung, mit einem Oszillator- wert kreis, bestehend aus einem oder mehreren linearen Weiterhin sind Regelschaltungen zur Ampktuden-Verstärkera und einem oder mehreren, die stabilisierung bekannt, die aus einem MeßgUed zur Schwingfrequenz bestimmenden linearen Netz- Bestimmung der Amplitude einem Regler jund einem werken aus passiven Bauelementen, sowie mit io Stellglied zur Beeinflussung der Kreßverstarkung des einem Regelkreis zur Stabilisierung der Schwin- Oszillatorkreises bestehen, so ζ R aus Zinkegungsampütude duKh lineare Beeinflussung der Brunswig: »Lehrbuchder Hocnfrequenztechmk«, KreisvSrkung, dadurch gekennzeich- Berlin 1965, S. 426 In einem sehr einfachen Fall bett e t, daß eine Spannungs-Speicherschaltung (C₅) steht die Regelschaltung aus emem Heiß- oder KaItüber eine im Takt de? Oszilhrtorfrequenz ge- 15 leiter im Gegenkopplmgszwe^g ernes Verstärkers, der steuerte Torschaltung (T) nur eine gegenüber der dann alle drei genannten Glieder des Regelkreises in Oszfflawrschwingungsdauer kurze Zeit, und zwar sich vereinigt Solche bekannten amphtudengeregelten während des Maximums der oszillierenden Span- Oszillatoren haben lange Einschwingzeiten oder nung mit dieser verbunden wird und die zwischen neigen zu Regelsehwingungen. Ursache dafür tst die dem Auftreten zweier Maxima gespeicherte Span- ao große Tiefpaßzeitkonstante im Regler, die zur Unternung einem Regler (R) zuführt, dessen Ausgangs- drückung der bei der auf einem Gleichnchtergröße die Kreisverstärkung (v_t) des Oszillator- effekt basierenden Amplitudenmessung auftretenden kreises beeinflußt Wechselspannungsanteile dient. Besitzt der Gleich-
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, da- richter z. B. eine quadratische Kennlinie so setzt sich durch gekennzeichnet, daß die Speicherschaltung »5 sein Ausgangssignal aus einer amphtudenproportio-(C_s) zusätzlich über ein zweites Tor mit der um nalen Gleichspannung (Nutzsignal) und einer 180 in der Phase gedrehten oszillierenden Span- Wechselspannung der zweifachen Oszillatorfrequenz nung während deren Maximum verbunden wird. (Störsignal) zusammen. Wird dieses Storsignal nicht
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder unterdrückt, dann wird die Kreisverstarkung des 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer 30 Oszill?.torkreises mit diesem Signal moduliert, also in der Oszillatorverstärker elektronisch steuerbare fester Korrelation mit der Momentanspannung des Widerstände im Gegenkopplungszweig enthält Oszillators schwanken. Das ist jedoch effektiv iden-
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder tisch mit einer statischen Nichtlinearität im Oszilla-2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer torkreis mit ihren obenerwähnten Folgen.

der passiven Bauelemente des oder der frequenz- 35 Eine Verbesserung des Einschwingverhaltens

bestimmenden Netzwerke (N) in seinem elek- konnte bisher nur erzielt werden durch eine Kombi-

trischen Parameter elektronisch steuerbar ist. narion einer solchen beschriebenen Regelschaltung

mit einer statischen Nichtlinearität im Oszillatorkreis (vergleiche z.B. K. Bergmann: »Beiträge zur Stabi-

40 litätstheorie und Dynamik präzise amplirudengeregel-

ter Osziliatorsysteme«, Dissertation TH Aachen 1968). Eine derartige Kombination stellt natürlich immer

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung einen Kompromiß zwischen gutem Einschwingver-

iur Erzeugung einer harmonischen, ein schnelles Ein- halten und geringer Nichtlinearität dar und führt

echwingverhalten aufweisenden Schwingung, mit 45 nicht zu optimalen Regeleigenschaften bei gleichzeitig

einem Oszillatorkreis, bestehend aus einem oder bester Spektralreinheit und damit bester Frequenz-

reren, die Schwingfrequenz bestimmenden linearen Stabilität. Diese Eigenschaften sind jedoch in vielen

Netzwerken aus passiven Bauelementen sowie mit Fällen erwünscht, insbesondere dann, wenn Präzi-

einem Regelkreis zur Stabilisierung der Schwingungs- sionsosziliatoren als Meßgrößenformer eingesetzt

amplitude durch lineare Beeinflussung der Kreisver- 50 werden (vgl. dazu D. Meyer: »Ein Verfahren zur

Stärkung. Umformung von Meßgrößen in Frequenzen«, Philips

Nach dem Prinzip des harmonischen Oszillators Technische Rundschau, 29 [1968], 3/4, S. 131).

lassen sich unter anderem Frequenzquellen von sehr Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu-

»tabuer Frequenz sowie Wechselspannungsquellen gründe, eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung

von hoher Spektralreinheit bauen. Dabei ist eine 55 einer harmonischen Schwingung mit schnellem Ein-

streng lineare Übertragungskennlinie aller im Oszil- schwingverhalten zu schaffen, die die genannten gün-

latorkreis befindlichen Übertragungsglieder anzu- stigen Eigenschaften in sich vereint. Diese Aufgabe

Streben. Nichüinearitäten beeinträchtigen einerseits wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden

die Spektralreinheit, andererseits bewirken sie eine Teil des Hauptanspruchs angegebenen Maßnahmen