DE2025093A1 - Oszillator mit in Abhängigkeit von einem Eingangssignal veränderbarer Schwingfrequenz - Google Patents

Description

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Serial No. 827,188
Piling Date: May 23, 1969

RCA Corporation, New York, N.Y., V.St.A.

Oszillator mit in Abhängigkeit von einem Eingangssignal veränderbarer Schwingfrequenz

Die Erfindung betrifft einen Oszillator, dessen Schwingfrequenz sich in Abhängigkeit von einem Eingangssignal verändern läßt, mit einer frequenzbestimmenden Schaltung, die den Oszillator mit einer ersten Frequenz schwingen läßt, mit Frequenzveränderungsgliedern, die bei Anschließen an die frequenzbestimmende Schaltung den Oszillator mit einer zweiten Frequenz schwingen lassen, und mit einer auf das Eingangssignal ansprechenden Koppelschaltung zum wahlweisen Anschließen der Frequenzveränderungs"glieder an die frequenzbestimmende Schaltung. Insbesondere läßt sich bei diesem Oszillator die Frequenz in Abhängigkeit vondem Eingangssignal zwischen zwei oder mehr vorbestimmten Werten ver-^ ändern.

Wenn man die Schwingfrequenz eines Oszillators entsprechend einem Digitaleode umschaltet, dann können digitale Daten oder digitalcodierte analoge Informationen übertragen werden. Bei vielen Oszillatoren, insbesondere wenn sie als frequenzbestimmende Elemente RC-Olieder verwenden, wird die Schwingfrequenz dadurch verändert, daß die Impedanz der frequenzbestimmenden Glieder schnell umgeschaltet wird.

Bei dieser Impedahzveränderung entstehen jedoch beim Frequenzumschalten Schaltübergangserscheinungen infolge unterschiedlicher Spannungen und Ströme durch die Impedanz vor und nach deren Umschaltung und infolge von Änderungen der Gleiehspannungs-

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und Gleichstrompegel in der übrigen Schaltung, welche durch die · Impedanzumschaltung in dem frequenzbestimmenden Glied verursacht werden. Diese Schaltübergangserscheinungen äußern sich in einer Störung der Oszillatorschwingungsform, welche zu Signalverzer-■'■-· rungen und zu gegenseitigen Beeinflussungen mit Signalen bei anderen Frequenzen führen. ■

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, bei Oszillatoren mit veränderbarer, insbesondere umschaltbarer Frequenz derartige Schaltübergangserscheinungen zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird bei einem Oszillator, dessen Schwingfrequenz sich in Abhängigkeit von einem Eingangssignal verändern läßt mit einer frequenzbestimmenden Schaltung, die den Oszillator mit einer ersten Frequenz schwingen läßt,' mit Frequenzveränderungsgliedern, die bei Anschließen an die frequenzbestimmende Schaltung den Oszillator mit einer zweiten Frequenz schwingen lassen, und mit einer auch das Eingangssignal ansprechenden KoppelschaT-tung zum wahlweisen Anschließen der Frequenzveränderungsglieder ■ an die frequenzbestimmende Schaltung erfindungsgemäß gelöst durch eine an den Anschlußpunkten der Frequenzveränderungsglieder an die frequenzbestimmende Schaltung ein konstantes Potential erzeugende und aufrecht erhaltende Vorspannungsschaltüng, wobei die Gleichspannungspotentialdifferenz zwischen den Anschlußpunkten unabhängig davon, ob die Frequenzveränderungsglieder angeschlossen sind oder nicht, Null beträgt. Auf diese Weise entstehen beim Z,u- und Abschalten der Frequenzveränderungsglieder keine Potentialsprünge, so daß eine Anregung von Schaltübergangserscheinungen vermieden wird.

In besondere Ausgestaltung der Erfindung weist die frequenzbestimmende Schaltung des Oszillators nur Widerstandselemente und kapazitive Elemente auf, und die Frequenzveränderungsglieder enthalten einen Widerstand, der mit Hilfe der Koppelschaltung parallel zum Widerstand der frequenzbestimmenden Schaltung anschließbar ist, 3O daß dann der Oszillator mit der zweiten Frequenz schwingt. Die Koppelschaltung kann dabei einen in Reihe

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mit den Frequenzveränderungsgliedern, insbesondere mit dem' Frequenzveränderungswiderstand, liegenden Schalter aufweisen, wobei diese Reihenschaltung an zwei Punkte der frequenzbestimmenden Schaltung angeschlossen sind.

Die Erfindung ist im folgenden anhand eines in der einzigen Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Üie dargestellte Schaltung zeigt einen RC-Oszillator unter Verwendung einer Wien-Brücke, mit einem Verstärker 25* der einen Eingangsanschluß 54 und einen Ausgangsanschluß 64 hat. Die Eingangsimpedanz des Verstärkers 25 ist vorzugsweise relativ niedrig, während seine Ausgangsimpedanz relativ hoch ist. Vom Ausgangsanschluß 64 verläuft eine Stromrückkopplung über die frequenzbestimmende RC-Schaltung 35b und eine Spannungsrückkopplung über die frequenzbestimmende RC-Schaltung 35a auf den Eingangsanschluß 54, wobei die frequenzbestimraende Schaltung 35a zwischen dem Ausgnagsanschluß 64 des Verstärkers und die Versorgungsspannungsanschlußklemme 64 über eine Spannungsteiler- und Entkoppelachaltung mit den Widerständen 97 und 99 und einem Kondensator 70 angeschlossen ist.

Im Betrieb wird die Versorgungsspannung dem Verstärker von der . Spannungsquelle +Vl über die Klemme 76 und von der Spannungsquelle -V über die Klemme 69 zugeführt.

Eine erste Schwingfrequenz des Oszillators wird durch einen Widerstand 98 und eine KapaziiSt94 der frequenzbestimmenden Schaltung 35a und durch einen Widerstand 96 und eine Kapazität 95 der frequenzbestimmenden Schaltung 35b bestimmt, dwenn die Schalttransistoren 20 und 30 gesperrt sind. Sind die Schalttransistoren 20 und 30 dagegen leitend, dann schwingt der Oszillator mit einer zweiten Schwingfrequenz, welche durch die Parallelschaltung der Widerstände 88 und 98 und die Kapazität 94 der frequenzbe3timmenden Schaltung 35a (die Widerstände 88 und 89 sind für Wechselstromsignale parallel geschaltet, da der Anschluß s der frequenzbestinmenden Schaltung 35a wegen der niedrigen Wechsel-'

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stromimpedanz der Kapazität 70 wechselstrommä£ig auf MassePötenfcial liegt), und welche durch die Kapazität 95 in Reihe mit der Parallelschaltung der Widerstände 86 und 96 der frequenzbestimmenden Schaltung 35b bestimmt wird.

Zur Vermeidung von Schaltübergangserscheinungen beim Umschalten des Transistors 20 zwischen seinem durchlässigen und seinem gesperrten Zustand werden die Werte der Widerstände 97, 98 und 99 und der verschiedenen Bestandteile des Verstärkers 25 so gewählt, daß der Verstärkerausgangsanschluß 64 auf Massepotential vorgespannt wird; damit liegt der Ausgangsanschluß 64 quasi an Masse, wie durch das bei χ gestrichelt dargestellte Massesymbol veranschaulicht ist. Wenn der Transistor 20 leitend wird, ist somit der Widerstand 88 zwischen den virtuellen Massepunkt χ und den tatsächlichen Massepunkt q geschaltet■, so daß an ihm keine Gleichspannungspotentialdifferenz auftritt und unerwünschte SchaltÜbergangserscheinungen vermieden werden. Der Transistor ist so vorgespannt, daß er in seinem gesperrten Zustand nur einenaußerordentlich geringen Strom führt,(während ein sehr kleiner Spannungsabfall zwischen seinem Kollektor 22 und seinem Emitter 23 liegt), so daß die Vorspannung am Verstärkerausgangsanschluß 64 auf Massepotential bleibt unabhängig davon, ob der Transistor 20 leitet oder gesperrt ist.

Auch beim Umschalten des Transistors 30 der frequenzbestimmenden Schaltung 35b treten keine Schaltübergangserscheinungen auf, da wegen des Vorhandenseins der Reiejinkapazität 95 kein Gleichstrom durch die Widerstände 86 und 96 fließt, s© daß der Punkt q der frequenzbestimmenden Schaltung 35b auf demselben Gleichspannungspotential (also Massepotential) wie der Ausgangsanschluß. 64 des Verstärkers 25 bleibt.

Der Verstärker 25, welche keine Phasenumkehr bewirkt,enthält npn-Transistoren 40, 50 und 60, wie sie in der integrierten Schaltung CA 3046 der RCA Corporation enthalten sind. Die Basis Sl des Transistors 60 ist ebenso wie der Widerstand 46 und die Kapazität 95 an den Eingangsanschluß 54 angeschlossen. Der

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Emitter 63 ist mit einem Widerstand 48 verbunden, der wiederum an die Klemme 69 angeschlossen ist, der ein negatives Potential (beispielsweise -7,5V)zugführt wird. Der Emitter 43 des. Transistors 40 ist über einen Widerstand 47 an die Klemme 69 angeschlossen. Der Kollektor 62 des Transistors 60 ist mit einem Widerstand 49 und mit der Basis 51 des Transistors 50 verbunden. Der Emitter des Transistors 50 liegt an der Basis 41 des Transistors 40, und der Emitter 43 des Transistors 40 liegt an den anderen Enden der Widerstände 47 und 46. Der Kollektor 42 des Transistors 50 ist ebenso wie das andere Ende des Widerstandes 49 an den Verbindungspunkt 36 angeschlossen. Die Widerstände 46, 47 und 48 bestimmen die Verstärkung des Verstärkers 25. Außerdem vervollständigen diese Widerstände einen Rückkopplungsweg von Emitter des Transistors 40 zur Basis 61 des Transistors 60. Der Widerstand 49 ist der Lastwiderstand für den Kollektor 62 und gleichzeitig der Basisvorspannungswiderstand für die Transistoren 40 .und 50.

Mit dem Verstärker 25 sind zwei frequenzbestimmende Schaltungen 35a und 35b verbunden. Die Schaltung 35a enthält einen Widerstand 98, der parallel zu einem Blindwiderstand, wie einem Sondensator 94, geschaltet ist; ein Ende der Elemente 98 und 94 ist mit dem Punkt s und mit dem Schaltungspunkt 36 verbunden. Die anderen Enden der Elemente 98 und 94 liegen am Punkt d und am Kollektor 42 des Transistors 40 sowie am Verstärkerausgangsanselil'iß 64 _s am Oszillatorausgangsanschluß 68 und an der Schaltung 35b» Der Widerstand 96 der Schaltung 35b liegt zwischen den Anschlüssen t und u, während ein Blindwiderstand, wie ein Kondensator 95j> zwischen den Anschluß u und dem Verstärkereingangsanschluß 54 angeschlossen ist.

Dem Verstärker 25 wird die Energie über eine Schaltun 45 zugeführt, welche eine Gleichspannungsquelle Vl (beispiels weise + 7>5 V) enthält, die über den Widerstand 99 an äen ¥ey bindungspunkt % angesehlogen ist. Mit dem Verb.indimgspunkt 36 sind ferner cle? "Punkt s und ein Ende des Widerstandes 9? iBid

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Kondensators TO verbundene Die anderen Enden des Widerstandes "97 und des Kondensators 70 liegen an ftesseanscnluß q. Der Kondensator 70 ist ein Wechselstromentkopplungskondensator niedriger Impedanz, dessen Kapazität wesentlich größer (etwa iOOmal größer) als die des Kondensators Sk ist. Die Schaltungsanordnung H5 erzeugt zusammen mit dem Verstärker 25 an vorbestimmten Punkten, nämlich den Funkten t und q ein Weehselspannungspotentialj, das praktisch gleieh ist_s nämlich dem virtuellen Gleiehspannungs=

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Die Basen 21 und 31 der Transistoren 20 und 30 sind entsprechend mit den Widerständen 82 und BH verbunden, die wiederum am Widerstand 8.0 liegen. Das andere Ende des Widerstandes 80 ist mit dem Anschluß 67 verbunden, welchem eine positive Gleichspannung V2 (beispielsweise 4-7,5V) zugeführt wird. Die Widerstände 86 und 88 sind vorzugsweise gleich groß. Dar wirksame Widerstand (weniger Ohm) der Kollektor-Emitter-Strecken der Transistoren 20 und 30 ist im leitenden Zustand wesentlich kleiner als die Widerstände 86 und 88. Die Basiswiderstände 82 und 8*1 haben hohe Werte (beispielsweise 150 KOhm) damit der Kollektor-Emitter-Strom durch die Schalttransistoren 20 bzw. 30 möglichst klein gehalten wird. DerUmschalttransistor 10, welcher vom'Typ 2N37O*J sein kann, ist mit seinem Kollektor 12 an den Verbindungspunkt der Widerstände 80, 82 und 8M angeschlossen, sein Emitter 13 ist geerdet, und seiner Basis 11 wird über den Anschluß 66 das Umschalteingangssignal zugeführt.

Es sei nun der Betrieb des Oszillators beschrieben. Der Verstärker 25 und die Widerstände 9£ und 98 sowie die Reaktanzen 9¹* und 95 bilden einen Wienbrücken-Oszillator mit einer positiven Rückkopplung vom Ausgangsanschluß 64 auf den Eingangsanschluß 5^· Die eine Schwingfrequenz wird durch die Werte der Widerstände 98 und 96, welche etwa je 2970 0hm haben, und der Kapazitäten 9** und 95, welche etwa je 0,05/iF haben, bestimmt. Die Schaltungen J 35a und 35b haben praktisch gleiche Widerstände und Reaktanzen. Der Verstärkungsgrad des Verstärkers 25 wird auf eine Schleifenverstärkung von 1 eingestellt. In diesem Falle ist die Durchlaßverstärkung 3.

Für eine abgeglichene Wienbrücke mit zwei Widerstands-Reaktanz-Zweigen gilt die folgende Beziehung

F =-

2 IT RC

wobei F die Frequenz der Brücke, R der Widerstand in einem Brückenzweig und C der Kapazitätswert im selben Brückenzweig ist,

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wobei ferner die Widerstands- und Kapazitätswerte für beide Brückenzweige praktisch gleich sind»

Die Frequenz ist damit eine umgekehrte Funktion der Widerstandsund Kapazitätswerte jeder der frequensbestimmenden Schaltungen. Zur Veränderung der Oszillatorfrequenz müssen die Werte der Widerstände und/oder Reaktanzen der Schaltungen 35a und 35b verändert werden. Vorzugsweise verändert man die Widerstandswerte. Damit der Brückenabgleich erhalten bleibt«, müssen die Widerstandswerte in den Schaltungen 35a und 35b unabhängig von der jeweiligen Schwingfrequenz praktisch gleich bleiben.

Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Widerstände 86 und 88 gleich, ebenso sind die Widerstände 98 und 96 einander gleich. Wenn die Transistoren 20 und 30 leiten_s dann liegt der Widerstand 86 parallel zum Widerstand 961 und der Widerstand 88 liegt für Wechselstromsignale über den Entkoppelkondensator 70 parallel zum Widerstand 98. Zur Vermeidung des Entstehens unerwünschter Schaltübergangserscheinungen müssen die Gleichspannungspotentiale an den Anschlußpunkten der Schaltungen 35a und 35b praktisch fest bleiben.

normalerweise würden beim Zu- und Abschalten der Widerstände sowie bei einer Veränderung der effektiven Widerstandswerte Schaltübergangserscheinungen auftreten. Dadurch daß nun praktisch an vorbestimmten Punkten, wie den Punkten t, u und q in den frequenzbestimmenden Schaltungen 35a und 35b praktisch konstante Potentiale aufrechterhalten werden, werden diese Schaltübergänge vermieden.

Zu diesem Zwekce erzeugen der Spannungsteiler il5, der nur beispielshalber dargestellt ist, und der Verstärker 25 am übergang t ein virtuelles Masse-Gleichpotential. Dies wird mit Hilfe einer negativen Gleichspannung -V (beispielsweise -7,5 V) erreicht ,welche dem Anschluß 69 zugeführt wird, und intern man die Werte der Widerstände 46, *J7 und lJ8 im Zusammenhang mit den

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Werten der Widerstände 97» 99 und 98 wählt. Der Widerstand 98 ist nicht nur kritisch hinsichtlich der Schwingfrequenz, sondern er spielt auch eine wichtige Rolle für die Bestimmung des Potentials am Punkt t, und schließlich ist er der Lastwiderstand des Spannungsteilers 45 für die Aufrechterhaltung einer konstanten Spannung der Schaltung. Der Widerstand 98 erfüllt diese Funktionen, ohne die Erzeugung der gewünschten Frequenzen zu beeinträchtigen. /

Die Widerstände 47 und 48 haben Werte von 1620 Ohm bzw. 39 Ohm, während die Widerstände 97 und 99 die Werte 340 Ohm bzw. 680 Ohm haben. Der Lastwiderstand 49 kann 6200 0hm haben. Der Wert des ^ Widerstandes 46 kann vorzugsweise durch Versuch festgestellt werden.

Da die Punkte q und t das gleiche Potential (Gleichspannungsmasse) haben, befinden sich alle hintereinandergeschalteten Punkte auf dem gleichen Potential. Der Kondensator 95 sperrt die Gleichspannung am Punkt u und der Kondensator 70 wirkt als Wachselspannungsüberbrückung für am Punkt s auftretende Signale.

Der Widerstand 80, der Kollektorwiderstand für den Transistor 10, kann 3900 0hm haben. Macht man die Basiswiderstände 82 und 84 relativ groß (z.B. 15O KOhm), dann fließt durch den Kollektor - ä Emitter-Kreis ein sehr niedriger Strom (z.B. 50 uA), so daß die Signalverzerrungen unter IJi bleiben.

Normalerweise macht die am Anschluß 67 zugeführte Spannung die Transistoren 20 und 30 leitend. WM der Basis 11 des Transistors 10 ein binäres Eingangssignal zugeführt, dann schaltet der höhere der beiden Binärpegel den Transistor 10 ein. Das Potential am Kollektor 12 verschiebt sich nach Masse, und die Transistoren 20 und 30 werden gesperrt. Das Ausgangssignal des Oszillators , wird am Anschluß 68 abgenommen, es hat eine Wellenform, die sich schnell zwischen zwei Frequenzen ändert, ohne daß'unerwünschte Schaltübergangsersüheinungen auftreten würden.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   ( l.J Oszillator3 dessen Schwingfrequenz sich in Abhängigkeit von einem Eingangssignal verändern läßt« mit einer frequensbestimmenden Sehaltung₉ die den Oszillator mit einer ersten Frequenz schwingen läßt» mit Frequensveränderungsgliedern, die bei Anschließen an die frequensbestiiranende Schaltung den Oasillator mit ©iner weiten Frequenz schwingen lassen₉ und mit eiiier auf das Eingangssignal ansprechenden Koppelschaltung zum wahlweisen Anschließen der Frequensveränderungsglieder an die frequenzbestiimnende Schaltung^ gekennzeichnet durch eine an den Ansehlußpunkten-der Freqüenzveränderungsglieder (86 _a SB) an die frequensbestimmend® Schaltung (3Sa₃, 35b) ein konstantes Potential erzeugende und aufrechterhaltende Vor~ spannungsschaltung (97_ö 9B_S 93_s 95 _s 25)» wob·*:·! ©lie Gleieh= spannungspotentialöifferens ^wf^^aa ami -AnsehluBpunkten unab™ iiängig äo,VOa₃ ob die Frequens^epliide^ungsglieder (86_S 88) angeschlossen sind ©der nicht₃ BJuII beträgt«

   2 ο Oscillator na©h Anspruch l_s dadurch

   gekettßgeiehnetj, daß die frequenKbestiiffiienden Schaltungen OSa₁₅ 35b) nur Widerstände (96_ΰ 9B) und Kapazitäten (95» Sk) enKiIIt₃ imd daß die Frequensveränderungsglieder einen Widerstand (86s, 88) auft^eisen«, welche?· mit Hilfe der Koppel·=- schaltung (2O_S 30) parallel sum Widerstand der frequence·= stimmenden Schaltung anschlieBbar ist»

   3. Oszillator nach Ansprach 1 oder 2^ dadurch gekennzeichnet öaß die Koppelsehaltung (2O_S 30) einen Schalt transistor enthalte, d©2° in B@ihe saifc einem Veränderungsglied (86_S 88) zwischen Punfet© Cu₃ s_s t) ämw qyenzbesti»ieM©n Schaltung (35a_s 35b) gesehaltet isto

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