DE2025093B2 - Frequenzumschaltbarer Oszillator - Google Patents
Frequenzumschaltbarer OszillatorInfo
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- H03B—GENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
- H03B5/00—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input
- H03B5/20—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element comprising resistance and either capacitance or inductance, e.g. phase-shift oscillator
- H03B5/24—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element comprising resistance and either capacitance or inductance, e.g. phase-shift oscillator active element in amplifier being semiconductor device
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- H03B2201/00—Aspects of oscillators relating to varying the frequency of the oscillations
- H03B2201/02—Varying the frequency of the oscillations by electronic means
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- Inductance-Capacitance Distribution Constants And Capacitance-Resistance Oscillators (AREA)
- Oscillators With Electromechanical Resonators (AREA)
- Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)
- Digital Transmission Methods That Use Modulated Carrier Waves (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft einen frequenzumschaltbaren Oszillator, wie er im Oberbegriff des Anspruchs
vorausgesetzt ist.
Wenn man die Schwingfrequenz eines Oszillators entsprechend einem Digitalcode umschaltet, dann
können digitale Daten oder digitalcodierte analoge Informationen übertragen werden. Bei vielen Oszillatoren,
insbesondere wenn sie als frequenzbestimmende Elemente /?C-Glieder verwenden, v/ird die Schwingfrequenz
dadurch verändert, daß die Impedanz der frequenzbestimmenden Glieder schnell umgeschaltet
wird.
Ein derartiger Oszillator ist beispielsweise aus der DT-AS 12 11 292 bekannt. Durch Hinzuschalten eines
Parallelkondensators zum frequenzbestimmenden Schwingkreis des Oszillators mit Hilfe eines Schalttransistors
läßt sich die Schwingfrequenz auf einen niedrigeren Wert umschalten. Ein weiterer Oszillator ist
aus der DT-AS 1151011 bekannt, der als flC-Oszillator
ausgebildet ist, wobei eines der drei /?C-Glieder durch
Parallelschalten eines Zusatzwiderstandes zu dem Ä-Anteil, ebenfalls mit Hilfe eines Schalttransistors,
verändert werden kann und sich demzufolge die Schwingfrequenz des /?C-Oszillators ändert.
Bei derartigen Impedanzveränderungen zur Frequenzschaltung entstehen jedoch Schaltübergangserscheinungen
infolge unterschiedlicher Spannungen und Ströme durch die Impedanz vor und nach deren
Umschaltung und infolge von Änderungen der Gleichspannungs- 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 Signalverzerrungen und zu gegenseitigen Beeinflussungen mit Signalen bei anderen Frequenzen führen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines frequenzumschaltbaren Oszillators, bei welchem
beim Frequenzumschalten keine Übergangsschwingungen auftreten und außerdem auch das Ausgangsruhepotential
des Oszillators nicht verändert wird. Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des
Anspruchs angegebenen Merkmale gelöst.
Die Erfindung ist im folgenden anhand eines in der einzigen Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele
näher erläutert.
Die dargestellte Schaltung zeigt einen ÄC-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
/?C-Schaltung 35a auf den Eingangsanschluß 54, wobei die frequenzbestimmende Schaltung 35a zwischen
dem Ausgangsanschluß 64 des Verstärkers und die Versorgungsspannungsanschlußklemme 76 über
eine Spannungsteiler- und Entkoppelschaltung mit den Widerständen 97 und 99 und einem Kondensator 70
angeschlossen ist.
Im Betrieb wird die Versorgungsspannung dem Verstärker von der Spannungsquelle + V1 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 Kapazität 94 der
frequenzbestimmenden Schaltung 35a und durch einen Widerstand 96 und eine Kapazität 95 der frequenzbestimmenden
Schaltung 35b bestimmt, wenn 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
frequenzbestirnmenden Schaltung 35a (die Widerstände 88 und 89 sind für Wechselstromsignale parallel
geschaltet, da der Anschluß s der frequenzbestimmenden Schaltung 35a wegen der niedrigen Wechselstromimpedanz
der Kapazität 70 wechselstrommäßig auf Massepotential 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 20 ist so vorgespannt, daß er in seinem gesperrten Zustand nur einen
außerordentlich geringeren 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 Reihenkapazität 95 '<ein Gleichstrom
durch die Widerstände 86 und 96 fließt, so 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 enthalten sind. Die Basis 61 des Transistors 60 ist ebenso wie der
Widerstand 46 und die Kapazität 95 an den Eingangsanschluß 54 angeschlossen. Der Emitter 63 ist mit einem
Widerstand 48 verbunden, der wiederum an die Klemme 69 angeschlossen ist, der ein negatives Potential
(beispielsweise —7,5 V) zugeführt 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 53 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 43 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 Kondensator 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
Verstärkerausgangsanschluß 64, am Oszillatoraus- ^,angsanschluß 68 und an der Schaltung 356. Der
Widerstand 96 der Schaltung 35b liegt zwischen den Anschlüssen t und u, während ein Blindwiderstand, wie
ein Kondensator 95, zwischen dem Anschluß u und dem Verstärkereingangsanschluß 54 angeschlossen ist.
Dem Verstärker 25 wird die Energie über eine Schaltungsanordnung 45 zugeführt, welche eine Gleichspannungsquelle
V\ (beispielsweise +7,5 V) enthält, die über den Widerstand 99 an den Verbindungspunkt 36
angeschlossen ist. Mit dem Verbindungspunkt 36 sind ferner der Punkt s und ein Ende des Widerstandes 97
und des Kondensators 70 verbunden. Die anderen Enden des Widerstandes 97 und des Kondensators 70
liegen am Masseanschluß q. Der Kondensator 70 ist ein Wechselstromentkopplungskondensator niedriger Impedanz,
dessen Kapazität wesentlich größer (etwa lOOmal größer) als die des Kondensators 94 ist. Die
Schaltungsanordnung 45 erzeugt zusammen mit dem Verstärker 25 an vorbestimmten Punkten, nämlich den
Punkten / und q ein Wechselspannungspotential, das praktisch gleich ist, nämlich dem virtuellen Gleichspannungsmassepotential.
Die Schaltungsanordnung 45 stellt praktisch einen Spannungsteiler dar, der aus der Gleichspannungsquelle
+ Vi und den in der dargestellten Weise verbundenen Widerständen 97,98 und 99 besteht. Der Widerstand 99
ist der Reihenwiderstand, am Widerstand 97 fällt die gewünschte Spannung ab, und der Widerstand 98 ist der
Lastwiderstand. Wählt man den Widerstand 98 wesentlich größer als den Widerstand 97 (etwa lOmal größer),
so ist der durch den Widerstand 98 fließende Strom wesentlich kleiner als der durch die Widerstände 97 und
99 fließende Strom. Irgendwelche Stromänderungen in der gesamten Schaltung führen somit nicht zu
äquivalenten Gleichpotentialschwankungen, welche hier unerwünschte Schaltübergangserscheinungen in
der Ausgangsschwingungsform zur Folge haben würden. Der Spannungsabfall zwischen den Punkten sund q
wird gleich dem Spannungsabfall zwischen den Punkten s und t gemacht, so daß das Gleichspannungspotential
am Punkt c virtuell auf Masse (im Vergleich zum tatsächlichen Massepotential am Punkt q) gehalten
wird.
Die Frequenzumschaltung erfolgt mit Hilfe der Widerstände 86 und 88 und der Schalttransisloren 20
und 30, welche vom Typ 2N3704 sein können. Der Widerstand 86 liegt zwischen dem Punkt u und dem
Kollektor 32 des Widerstands 30. Der Widerstand 88 liegt über dem Punkt t am Emitter 33 des Transistors 30.
Das andere Ende des Widerstandes 88 liegt am Kollektor 22 des Transistors 20. Der Emitter 23 des
Transistors 20 liegt am Masseanschluß q.
Die Basen 21 und 31 der Transistoren 20 und 30 sind entsprechend mit den Widerständen 82 und 84
verbunden, die wiederum am Widerstand 80 liegen. Das andere Ende des Widerstandes 80 ist mit dem Anschluß
67 verbunden, welchem eine positive Gleichspannung V) (beispielsweise +7,5 V) zugeführt wird. Die Widerstände
86 und 88 sind vorzugsweise gleich groß. Der 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 84 haben hohe Werte (beispielsweise 150 kOhm), damit der
Kollektor-Emitter-Strom durch die Schalttransistoren 20 bzw. 30 möglichst klein gehalten wird. Der
Umschalttransistor 10, welcher vom Typ 2N3704 sein kann, ist mit seinem Kollektor 12 an den Verbindungspunkt der Widerstände 80,82 und 84 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 96 und 98 sowie
die Reaktanzen 94 und 95 bilden einen Wienbrücken-Oszillator mit einer positiven Rückkopplung vom
Ausgangsanschluß 64 auf den Eingangsanschluß 54. Die eine Schwingfrequenz wird durch die Werte der
Widerstände 98 und 96, welche etwa je 2970 Ohm haben, und der Kapazitäten 94 und 95, welche etwa je
0,05 jiF haben, bestimmt. Die Schaltungen 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 = '
2.7 RC
2.7 RC
wobei Fdie Frequenz der Brücke, R der Widerstand in
einem Brückenzweig und C der Kapazitätswert im selben Brückenzweig ist, wobei ferner die Widerstandsund
Kapazitätswerte für beide Brückenzweige praktisch gleich sind.
Die Frequenz ist damit umgekehrte Funktion der Widerstands- und Kapazitätswerte jeder der frequenzbestimmenden
Schaltungen. Zur Veränderung der Oszillatorfrequenz müssen die Werte der Widerstände
und/oder Reaktanzen der Schaltungen 35a und 356 verändert werden. Vorzugsweise verändert man die
Widerstandswerte. Damit der Brückenabgleich erhalten bleibt, müssen die Widerstandswerte in den Schaltungen
35a und 356 unabhängig von der jeweiligen Schwingfrequenz 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, dann liegt der Widerstand
86 parallel zum Widerstand 96, 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 356
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 356
praktisch konstante Potentiale aufrechterhalten werden, werden diese Schaltübergänge vermieden.
Zu diesem Zwecke erzeugen der Spannungsteiler 45, der nur beispielshalber dargestellt ist, und der
Verstärker 25 am Übergang r ein virtuelles Masse-Gleichpotential. Dies wird mit Hilfe einer negativen
Gleichspannung - V (beispielsweise -7,5 V) erreicht, welche dem Anschluß 69 zugeführt wird, und indem man
die Werte der Widerstände 46, 47 und 48 im Zusammenhang mit den Werten der Widerstände 97,9?
und 98 wählt. Der Widerstand 98 ist nicht nur kritisch hinsichtlich der Schwingfrequenz, sondern er spielt aucr
eine wichtige Rolle für die Bestimmung des Potential; am Punkt f, und schließlich ist er der Lastwiderstand de;
Spannungsteilers 45 für die Aufrechterhaltung einei konstanten Spannung der Schaltung. Der Widerstand 9f
erfüllt diese Funktionen, ohne die Erzeugung dci gewünschten Frequenzen zu beeinträchtigen.
Die Widerstände 47 und 48 haben Werte vor 1620 0hm bzw. 39 0hm, während die Widerstände 9Ϊ
und 99 die Werte 340 0hm bzw. 680 0hm haben. Dei Lastwiderstand 49 kann 6200 Ohm haben. Der Wert de:
Widerstandes 46 kann vorzugsweise durch Versucr festgestellt werden.
Da die Punkte q und I das gleiche Potentia (Gleichspannungsmasse) haben, befinden sich alle
hintereinandergeschaltetcn Punkte auf dem gleicher Potential. Der Kondensator 95 sperrt die Gleichspan
nung am Punkt u, und der Kondensator 70 wirkt al· Wechselspannungsüberbrückung für am Punkt sauftrc
tende Signale.
Der Widerstand 80, der Kollektorwiderstand für der Transistor 10. kann 3900 Ohm haben. Macht man die
Basiswiderstände 82 und 84 relativ groß (ζ. Β 150kOhm), dann fließt durch den Kollektor-Emitter
Kreis ein sehr niedriger Strom (z. B. 50 uA), so daß die Signalverzerrungen unter 1 % bleiben.
Normalerweise macht die am Anschluß 67 zugeführtc Spannung die Transistoren 20 und 30 leitend. Wird dei
Basis 11 des Transistors 10 ein binäres Eingangssigna
zugeführt, dann schaltet der höhere der beider Binärpegel den Transistor 10 ein. Das Potential an
Kollektor 12 verschiebt sich nach Masse, und di( Transistoren 20 und 30 werden gesperrt. Das Ausgangs
signal des Oszillators wird am Anschluß 68 abgenom men, es hat eine Wellenform, die sich schnell zwischer
zwei Frequenzen ändert, ohne daß unerwünscht« Schaltübergangserscheinungen auftreten würden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
- Patentanspruch:Frequenzumschaltbarer Oszillator mit einer galvanisch zwischen den Ausgang eines Verstärkers und eine Betriebsspannungsquelle geschalteten, frequenzbestimmenden /?C-Schaltung und einer unter Steuerung durch ein Frequenzumschaltsignal zwischen vorbestimmte Schaltungspunkte der RC-Schaltung anschließbaren Frequenzänderungsschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster (q) der vorbestimmten Punkte (q, t, u) ein Festpotentialpunkt (Masse) und ein zweiter (t) der Ausgang (64) des Verstärkers (65) ist und daß ein dritter (u) der Punkte über eine Gleichstromverbindung (96) mit dem zweiten (t) und über eine einen Gleichstrom in der frequenzbestimmenden Schaltung (35a, 3Sb) verhindernden Wechselstromverbindung (95) zu dem ersten Punkt (^geführt ist und daß an die Betriebsspannungsquelle (+ V2, — V) eine im Hinblick auf eine Vorspannungsschaltung (46,47,48) des Verstärkers (25) derart bemessene Spannungsteilerschaltung (97,98,99) angeschlossen ist, daß am zweiten Punkt (t) praktisch dasselbe Gleichspannungspotential (Masse) wie am ersten Punkt (q) herrscht.
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