DE2040436A1

DE2040436A1 - Phasenkohaerenter und amplitudenstabiler Frequenzverschiebungsoszillator

Info

Publication number: DE2040436A1
Application number: DE19702040436
Authority: DE
Inventors: Saunders Teddy G
Original assignee: Rucker Co
Current assignee: Rucker Co
Priority date: 1969-09-05
Filing date: 1970-08-14
Publication date: 1971-03-11
Also published as: FR2060417A7; US3571753A

Description

DlPL-ING. FRANZ WERDERMANN

INNOCENTlASTRASSE 30 TELEFON 4521 39

R. 70096 Fl.

The Rucker Company, San Carlos, Kalif. (V.St. A.)

Phasenkohärenter und amplitudenstabiler Frequenzverschiebungsoszillator.

Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der entsprechenden U. S. Anmeldung Serial No. 855 48γ vom 5. September I969 in Anspruch genommen.

Die Erfindung bezieht sich auf elektronische Funktionserzeuger im allgemeinen und insbesondere auf einen neuartigen phasenkohärenten und amplitudenstabilen Frequenzverschiebungs- oder Frequenzumtastoszillator mit einem einfachen Widerstandswandler zur Erzielung negativer Widerstände und einem Filterpaar, das aus ohmschen Widerständen und Reaktanzen besteht.

Bei vielen Anwendungen ist es wünschenswert, eine Signalquelle zur Verfügung zu haben, die sich zwischen zwei oder mehreren Frequenzen umschalten läßt, ohne daß dabei Übergangsverzerrungen auftreten. Bei einer Anwendung, bei der die . Signalquelle in einem Datenübertragungssystem zur Erzeugung von Rechteckwellen in der Form frequenzmodulierter Impulse verwendet wird, ist es besonders wünschenswert, daß bei der Umschaltung von der einen zur anderen Frequenz keine Phasenverschiebung oder Amplitudenänderung in der Wellenform auftritt. Der Grund dafür ist natürlich, daß der an einer

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entfernten Stelle befindliche Empfänger durch während des Übergangs von der einen zur anderen Frequenz bei der Übertragung auftretende Störsignalkomponenten verwirrt werden könnte.

Die seither verwendeten Vorrichtungen zur Erzeugung von Signalen unterschiedlicher Frequenzen sind typischerweise LC-Oszillatoren, deren Frequenz durch Austauschen einer Induktivität oder Kapazität im Oszillatorschwingkreis verändert wird. Da jedoch die Kapazität oder Induktivität ein Energiespeicherelement darstellt, wird durch das Austauschen einer Kapazität oder Induktivität gegen eine andere sowohl eine Änderung der Signalamplitude als auch der Phase des Oszillatorausgangssignals hervorgerufen. Dadurch ergibt sich eine Signalverzerrung, die auf der Empfängerseite des Übertragungsweges zu nachteiligen Folgen führen kann.

Funktionsgeneratoren des hier zur Rede stehenden Typs werden auch für Normalsignalgeneratoren mit Frequenzsynthese und Frequenzmodulationseinrichtungen verwendet, in denen entweder eine Frequenz über einen vorbestimmten Bereich linear verändert oder eine oder mehrere Frequenzen ausgewählt oder zusammengefaßt werden, um ein Ausgangssignal von jeweils bestimmten Eigenschaften zu erhalten. Infolge der bei bekannten Einrichtungen notwendigerweise auftretenden Unstetigkeiten von Amplitude und Phase ist es bis jetzt sehr schwierig, Ausgangssignale von absoluter Phasenkohärenz und Signalamplitudenstabilität zu erhalten.

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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen einfachen Frequenzverschiebungsoszillator zu schaffen, der von einer Frequenz auf eine andere Frequenz umgeschaltet werden kann, ohne daß eine Unstetigkeit in der Phase oder Amplitude des Ausgangssignals auftritt, und der auch bei Umschaltung zwischen zwei oder mehreren Frequenzen eine absolute Phasenkohärenz und Amplitudenstabilität besitzt.

Erfindungsgemäß werden für den neuartigen Funktionsgenerator zur Festlegung der Frequenz ohmsche Bauelemente in einer solchen Weise verwendet, daß der Generator ohne Übergangsverzerrungen zwischen zwei oder mehreren Frequenzen umgeschaltet werden kann. Der Funktionsgenerator in der Form eines Frequenzversehiebungsoszillators weist zur Frequenzerzeugung ein aktives RC-Filter als Widerstandswandler auf, dessen Ausgangsfrequenz durch Zu- oder Abschalten von ohmschen Widerständen in der zur Festlegung der Frequenz dienenden Schaltung wahlweise verändert werden kann.

Der vorgeschlagene Frequenzverschiebungsoszillator weist daher entsprechend der Erfindung einen aktiven Filterkreis auf, der aus einer Impedanz aus ohmschem Widerstand und Reaktanz in Reihenschaltung, einer Impedanz aus ohmschem Widerstand und Reaktanz in Parallelschaltung, sowie einem in einen instabilen Schwingzustand vorgespannten Widerstandswandler zur Erzielung negativer Widerstände besteht, und eine durch die beiden Impedanzen festgelegte Ausgangsfrequenz hat. Zur Schwingungsstabilisierung und Erzeugung

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eines Ausgangssignals konstanter Amplitude wird ein Signalpegelbegrenzer verwendet. Da die Schwingfrequenz durch die Impedanzelemente aus ohmschen und reaktiven Komponenten und nicht durch lediglich reaktive Bauelemente festgelegt wird, läßt sich die Schwingfrequenz der Vorrichtung auf einfache Weise durch Veränderung der ohmschen Widerstände der entsprechenden Widerstandskomponenten verändern. Da diese Elemente von Natur aus passiv sind, wird durch sie keine Phasenverschiebung oder andere unerwünschte Verzerrung in das Ausgangssignal eingeführt.

Ein Hauptvorteil der Erfindung besteht darin, daß die zur PrequenzbeStimmung dienenden ohmschen Widerstände durch eine einfache Umschaltung verändert werden können, um die Schwingfrequenz der Einrichtung von der einen zur anderen Frequenz zu verändern, ohne dabei irgendwelche unerwünschten Veränderungen in der Signalamplitude oder Phase herbeizuführen.

Anhand der Zeichnung werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Fig. 1 ist ein Frequenzverschiebungsoszillator nach der Erfindung im Blockschaltbild.

Fig. 2 ist eine Wellenform, durch die eine Frequenzverschiebung nach der Erfindung graphisch dargestellt ist.
Fig. 3 ist ein vereinfachtes Schaltbild eines linear veränderlichen Frequenzverschiebungsoszillators

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nach der Erfindung.

Pig. k ist ein vereinfachtes Schaltbild eines Frequenzverschiebungsoszillators nach der Erfindung.

Die in Fig. 1 im Blockschaltbild dargestellte lusführungsform der Erfindung besteht aus einem Bandpaßfilter in der Form eines Widerstandswandlers _s der aus swei Impedanz- oder Widerstandselementen 10 und 12 aus ohmschen und reaktiven Elementen und einem Widerstandswandler Ik besteht«. Die Impedancelemente 10 und 12 bestehen vorzugsweise aus gleich großen Widerständen und Kapazitäten;» die in dem einen Fall in Reihe und in dem anderen Fall parallel geschaltet sind. Als Widerstandselemente könnten jedoch auch genau so gut ohmsehe Widerstände und Induktivitäten verwendet werden-, die in entsprechender Weise in Reihe bzw. parallel geschaltet sind.

Die Laplacesche übertragungsfunktion dieser Schaltung läßt sich ausdrücken durch

■ - ■ . '. !laus „"_____ KST. . · ■.■..."■ . ^₁)' \ X ^ein (ST)² + (2-K)ST + 1

in welcher T = RX . und ST = jwRX₅ wobei R die ohmsehe Wideratandskomponente der Impedanzelemente 10 und 12, X das reaktive oder Blindwiderstands.element und K der Faktor des Wandlers Ik ist. Wenn K größer gemacht wird .als 2, wird die Schaltung als instabil bezeichnet und schwingt mit der Frequenz *

2ir RX

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Unter diesen Bedingungen kann eine stabile Oszillatorschaltung ausgebildet werden, indem die Eingangsklemme 20 mit Masse verbunden und an der Ausgangsklemme 18 ein Signalpegelbegrenzer 16 zur Stabilisierung der Schwingungen ver wendet wird.

Da die Schwingfrequenz f in der in Gleichung (2) angegebene Weise eine Punktion der ohmscnen Widerstandskomponenten R der Impdanzen Z₁ und Z,~ ist, läßt sich ersehen, daß die Schwingfrequenz der Vorrichtung durch Veränderung der Werte dieser Grätschen Widerstandskomponenten zu beispielsweise R¹ plötzlich verändert werden kann zu einer zweiten Frequenz

2» R R'

In der in Fig. 1 dargestellten Schaltung kann die Frequenzänderung durch gleichzeitiges Schließen der Schalter 26 und 28 erfolgen, wodurch die ohmschen Widerstände 22 bzw. 2k zu den ohmschen Widerstandskomponenten der Impedanzen Z^ und Zp addiert werden. Obwohl sich die Frequenz des an der Ausgangsklemme 18 erscheinenden Signals plötzlich ändert, findet keine Änderung der in den reaktiven Komponenten der die Frequenz bestimmenden Impedanzen gespeicherten Energie statt, da lediglich die augenblickliche Entladegeschwindig keit der reaktiven Komponenten und nicht der augenblickliche Wert der an diese angelegten Spannungen geändert wird. Daher haben die Ausgangssignale eine konstante Amplitude, und bei der Verschiebung des Ausgangssignals von f zu f tritt

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keine Phasenunstetigkeit auf.

Die kohärente Frequenzverschiebung ("Shift") ist in Fig.2 dargestellt,. aus welcher sich ersehen läßt., daß dann;, wenn im Zeitpunkt t^ die Schalter 26 und 28 geschlossen werden,- die Ausgangsfrequenz f des Oszillators sich unverzüglich zur zweiten Frequenz f verschiebt, ohne daß eine merkliche Signalunstetigkeit, eine Phasenverschiebung oder eine Veränderung der Signalamplitude auftritt» In dieser graphischen Darstellung ist mit der Spannung -Ε die Vorspannung des Signalbegrenzers 16 bezeichnet« Durch Anordnung des frequenzunabhängigen Signalbegrenzers 16 am Ausgang des Oszillators wird die Amplitude des Ausgangssignals unabhängig von der Frequenz konstant gehalten»

In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, vermittels welcher ein lineares Wobbein von Frequenzen innerhalb eines vorbestimmten Bereiches möglich ist. Bei dieser Ausführungsform werden nicht die ohmsch-en Widerstandskomponenten der Impdanzen Z₁ und Z„ stufenweise von einem zu einem anderen Wert geändert, sondern es werden zwei regelbare ohmsche Widerstände 30 verwendet, vermittels deren die Resonanzfrequenzen der Impedanzen über einen Frequenzbereich gewobbelt werden können. In dieser Ausführungsform sind Induktivitäten 31 als reaktive Elemente der Impedanzen dargestellt, um zu zeigen, daß entweder RL- oder RC-Schaltungen entsprechend der nachstehend beschriebenen Figur 4 verwendet werden können, ohne von der Erfindung

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abzuweichen. Die Arbeitsweise des in Fig. 3 dargestellten Widerstandswandlers 32 zur Erzielung negativer Widerstände wird anhand der Beschreibung der Fig. 4 näher erläutert.

In Fig. 4 der Zeichnung ist eine praktische Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Bei dieser Ausführung besteht die Impedanz Z. aus einer Reihenschaltung von ohmschem Widerstand 34 und Kapazität 35> und die Impedanz Zp besteht aus einer Parallelschaltung aus einem ohmschen Widerstand 34 und einer Kapazität 35 von gleichen Werten. Der Widerstandswandler 36 zur Erzielung negativer Widerstände besteht aus einem Differnetialfunktionsverstärker 37, in dessen einem Rückkopplungsweg der ohmsehe Widerstand und in dessen anderem Rückkopplungsweg der ohmsche Widerstand 40 liegt. Da die Widerstandswerte dieser ohmschen Widerstandselemente denjenigen Betrag des verstärkten Signals festlegen, der zu den entsprechenden Eingängen des Funktionsverstärkers 37 rückgekoppelt wird, bestimmen die Relativwerte dieser Widerstände den Betrag K in der vorstehenden Gleichung (1), d.h.

^R40

Da der Ausgang der Schaltung an dem Punkt 42 abgegriffen wird, welcher der negativen Eingangsklemme des Funktionsverstärkers 37 entspricht, und durch das Abgreifen des Ausgangs an diesem Punkt der Verstärkereingang belastet werden kann, muß eine Puffervorrichtung für das erzeugte

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Ausgangssignal vorgesehen sein, um eine derartige nachteilige Belastung eines Teils der die Frequenz bestimmenden Schaltung zu verhindern. Zu diesem Zweck ist ein Pegelbegrenzungs- und Pufferkreis 44 vorgesehen., der aus einem Pegelbegrenzungsverstärker 46 in der Form eines Transistors und einem Puffer-Funktionsverstärker 48 hoher Impedanz besteht. Der Transistor 46 und der Funktionsverstärker 48 bilden gemeinsam den Pegelbegrenzungs- und Pufferkreis 44, da das an der Ausgangsklemme .60 des Funktionsverstärkers 48 erscheinende Ausgangssignal zum Anschalten des Transistors 46 verwendet wird, um die Schwingungsamplitude zu begrenzen und damit den Schwingkreis zu stabilisieren. *

Zur wahlweisen Änderung der Schwingfrequenss der Vorrichtung .sind mehrere Schaltkreise S₁, Sp «... S vorgesehen^ die jeweils einen Triggertransistor 54 und zwei Feldeffekttransistorenschalter 56 zum wahlweisen Einsetzen ihrer entsprechenden Widerstände R parallel zu den ohmschen Widerstandskomponenten der die Oszillatorfrequens bestimmenden Impedanzen Z, und Zp aufweisen. Zur Veränderung der Schwingfrequenz des an der Ausgangsklemme 60 der Schaltung erscheinenden Ausgangssignals ist es lediglich erforderlich, an eine oder mehrere der Klemmen 50, 52 ... der Schaltkreise 3 ein geeignetes Potential anzulegen, durch das die ausgewählten Triggertransistoren 54 eingeschaltet werden und ihrerseits die Feldeffekttransistoren 56 ansehalten, durch

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welche die ausgewählten Widerstände R parallel zu den ohmschen Widerstandskomponenten 3^ der Impedanzen Z₁ und Z₂ zugeschaltet werden.

Wenn beispielsweise sämtliche Schalter "S₁, Sp, ....S ausgeschaltet sind, wird die an der Klemme 60 erscheinende Ausgangsfrequenz lediglich durch den Wert der ohmschen Widerstände 3¹* und der Kondensatoren 35 bestimmt und läßt sich ausdrücken durch

2it R^ C₃₅

(5)

Wenn jedoch der Schalter S. durch Anlegen eines geeigneten Eingangssignals an die Klemme 50 angeschaltet wird, wird die Frequenz des an der Ausgangsklemme 60 erscheinenden Ausgangssignals durch die zusätzlichen Widerstände R₁ beeinflußt , so daß die neue Frequenz fρ den Wert hat

2ir

(6)

In entsprechender Weise kann der Oszillator auf eine weitere Frequenz f, gebracht werden, indem der Schalter S₁ abgeschaltet und der Schalter S₂ angeschaltet wird, wodurch die Widerstände R₁ in der Gleichung (6) durch die Widerstände Rp ersetzt werden. Außerdem läßt sich eine vierte Frequenz fjj durch gleichzeitiges Anschalten beider Schalter S₁ und S₂ erhalten, wobei sich f^ ausdrücken läßt durch die nachstehende Formel

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f R₁R₂ + R₃₄R₂ * R₃₄R₁ ₍₇₎ 2tt R₃₄ R₁ R₂ C₃₅

Die Vorrichtung kann mit einer beliebigen Anzahl weiterer Frequenzen arbeiten, wenn entsprechend der in der Zeichnung angedeuteten Weise zusätzliche Schalter S und ohmsche Widerstände R vorgesehen werden.

Obwohl die Erfindung nur anhand von zwei stark vereinfachten Ausführungsbeispielen dargestellt worden ist, dürfte es für den Fachmann ohne weiteres ersichtlich sein₉ daß sich die ohmschen Widerstandswerte in den zur Bestimmung der Frequenz dienenden Schaltkreisen auch auf andere Weise verändern lassen.

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Claims

- 12 Patentansprüche :

.) Phasenkohärenter und amplitudenstabiler Frequenzverschiebungsoszillator, gekennzeichnet durch einen in einen instabilen Schwingzustand vorgespannten Widerstandswandler (I¹I, 32, 36) zur Erzielung negativer Widerstände, mit zwei Eingangsklemmen, eine mit der einen Eingangsklemme des Widerstandswandlers verbundene Impedanz-Reihenschaltung (10, Z.) aus ohmschen und reaktiven Elementen, eine mit der anderen Eingangsklemme des Widerstandswandlers verbundene Impedanz-Parallelschaltung (12, Zp) aus ohmschen und reaktiven Elementen und durch einen mit der einen Eingangsklemme gekoppelten und zur Stabilisierung der Oszillatorschwingungen und zur Erzeugung eines stabilen Oszillatorausgangssignals an derselben Klemme dienenden Signalpegelbegrenzer (16, *J6).

2. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung (26, 28) zur gleichzeitigen Ändrung der ohmschen Widerstandskomponenten in den Impedanzschaltungen vorgesehen ist, vermittels welcher die Schwingfrequenz des Oszillators veränderlich ist.

3. Oszillator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Änderung der ohmschen Widerstandskomponenten dienende Vorrichtung diskrete ohmsche Widerstände (22, 2*4) aufweist, die wahlweise mit den ohmschen Widerstands-

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komponenten der Impedanzschaltuhgen verbindbar sind.

4. Oszillator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ohmschen Widerstandskomponenten der Impedanzschaltungen aus regelbaren ohmschen Widerständen (30) bestehen.

5. Oszillator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalpegelbegrenzer einen Pufferverstärker (48) mit einer Signalausgangsklemme (60) aufweist, der so geschaltet ist, daß er die Belastung des Widerstandswandlers durch den Ausgangskreis verhindert.

6. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Impedanzschaltung aus einer Reihenschaltung von ohmschen und reaktiven Widerstandskomponenten (34 bzw-35), und die zweite Impedanzsehaltung aus einer Parallelschaltung von ohmschen und reaktiven Widerstandskomponenten (34 bzw. 35) besteht.

7. Oszillator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung zur gleichzeitigen Änderung der ohmschen Widerstandskomponenten vorgesehen ist, vermittels welcher die Ausgangsfrequenz des Oszillators veränderlieh ist.

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8. Oszillator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalpegelbegrenzer (44) einen Pufferverstärker (48) aufweist, der so geschaltet ist, daß er die Abgabe eines Schwingungs-Ausgangssignals durch den Oszillator
ohne Belastung des Oszillatoreingangs ermöglicht.

9. Oszillator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Änderung der ohmschen Widerstandskomponenten dienende Vorrichtung mehrere diskrete ohmsehe Widerstände (R) aufweist, die wahlweise mit den ohmschen Widerstandskomponenten koppelbar sind und dazu dienen, diese in einer vorbestimmten Weise zu verändern.

10. Oszillator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die reaktiven Komponenten aus Kondensatoren bestehen.

11. Oszillator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die reaktiven Komponenten aus Induktivitäten (31)
bestehen.

12. Oszillator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die ohmschen Widerstandskomponenten aus miteinander mechanisch gekoppelten veränderlichen ohmschen Widerständen (30) bestehen, vermittels welcher die ohmschen Widerstandskomponenten der Impedanzschaltungen gleichzeitig über einen vorbestimmten Bereich von Werten veränderlich sind.

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