DE2025093C3 - Frequenzumschaltbarer Oszillator - Google Patents

Description

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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 r> können digitale Daten oder digitalcodierte analoge Informationen übertragen werden. Bei vielen Oszillatoren, insbesondere wenn sie als frequenzbestimmende Elemente ÄC-Glieder verwenden, wird die Schwingfrequenz dadurch verändert, daß die Impedanz der ad frequenzbestimmenden Glieder schnell umgeschaltet wird.

Ein derartiger Oszillator ist beispielsweise aus der DE-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 DE-AS 11 51 011 bekannt, der als KC-Oszillator ausgebildet ist, wobei eines der drei ÄC-Glieder durch Parallelschalten eines Zusatzwiderstandes zu dem Ä-Anteil, ebenfalls mit Hilfe eines Schalttransistors, verändert werden kann und sich demzufolge die Schwingfrequenz des ÄC-Oszillators ändert.

Bei derartigen Impedanzveränderungen zur Fre- η quenzschaltung 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 e>o 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 Beeinflus- b-j sungen mit Signalen bei anderen Frequenzen führen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines freauenzumschaltbaren 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 356 und eine Spannungsrückkopplung über die frequenzbestimmende ÄC-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 Retrieb wird die Versorgungsspannung dem Verstärker von der Spannungsquelle + Vi 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 356 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 frequenzbestimmenden 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 Koiektor 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 35Zj treten keine Schaltübergangserscheinungen auf, da wegen des Vorhandenseins der Reihenkapazität 95 kein Gleichstrom durch die Widerstände 86 und % fließt, so daß der Punkt q der frequenzbestimmenden Schaltung 356 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 35i> 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 ί 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 Oszillatorausgangsanschluß 68 und an der Schaltung 35b. Der Widerstand 96 der Schaltung 35i> 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 Vi (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 ί und q ein Wechselspannungspotential, das praktisch gleich ist, nämlich dem virtuellen Gleichspannungsmassepotential

Die Schaltungsanordnung 45 stellt praktisch einen Spannungsteiler dar, der aus der Gleichspannungsquelle -I- 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 ι ο 99 fließende Strom. Irgendwelche Stromänderungen in der gesamten Schaltung führen somit nicht zu äquivalenten Gleichpotentialschwankungen, welche hier unerwünschte Schaltübergangserscheinungen in der Ausgangsschwingungsforrn zur Folge haben würden. Der Spannungsabfall zwischen den Punkten s und q wird gleich dem Spannungsabfall zwischen den Punkten 5 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 Schalttransistoren 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 f 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 V₂ (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 150kOhm), 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. so 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 0hm haben, und der Kapazitäten 94 und 95, welche etwa je 0,05 μΡ haben, bestimmt. Die Schaltungen 35a und 35fc 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 fo'gende Beziehung

ι ι 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 ι υ 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 Ausführungsforrn sind die i > 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 Entkoppelkon- ju densator 70 parallel zum Widerstand 98. Zur Vermeidung des Entstehens unerwünschter Schaltübergangserscheinungen müssen die Gleichspannungspotentiale an den Anschlußpunkten der Schaltungen 35a und 35£> praktisch fest bleiben. 2 >

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, υ und q in den jo 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 J5 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 indem man die Werte der Widerstände 46, 47 und 48 im Zusammenhang mit den Werten der Widerstände 97,9i 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 f. und schließlich ist er der Lastwiderstand des Spannungsteilers 45 für die Aufrechterhaltung einet konstanten Spannung der Schaltung. Der Widerstand 9i erfüllt diese Funktionen, ohne die Erzeugung der gewünschten Frequenzen zu beeinträchtigen.

Die Widerstände 47 und 48 haben Werte von 1620 0hm bzw. 39 0hm, während die Widerstände 97 und 99 die Werte 340 0hm bzw. 680 0hm haben. Der Lastwiderstand 49 kann 6200 Ohm 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 Wechselspannungsüberbrückung für am Punkt s auftretende 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 zugeführte Spannung die Transistoren 20 und 30 leitend. Wird der Basis 11 des Transistors 10 ein binäres Eingangssignal zugeführt, dann schaltet der höhere der beider Binärpege! den Transistor 10 ein. Das Potential arr 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 zwischer zwei Frequenzen ändert, ohne daß unerwünschte Schaltübergangserscheinungen auftreten wurden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Frequenzumschaltbarer Oszillator mit einer galvanisch zwischen den Ausgang eines Verstärkers und eine Betriebsspannungsquelle geschalteten, frequenzbestimmenden ÄC-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 (+ Vi, — 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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