DE2058874C3 - Oszillator mit Frequenzregelung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen mittels einer Regelschleife auf eine Festfrequenz stabilisierbaren Oszillator, dessen Frequenzeinstellglied eine nichtlineare Frequenzabhängigkeit von der angelegten Stellgröße bewirkt, die durch Änderung der Verstärkung in der Regelschleife kompensiert ist.

Der Zusammenhang zwischen der Schwingfrequenz eines z. B. mit einem Varaktor nachstimmbaren Oszillator und der am Varaktor liegenden Stellspannung oder Regelspannung ist im allgemeinen nichtlinear. Diese Nichtlinearität hat zur Folge, daß die Verstärkung im Regelkreis bei verschiedenen Regelspannungen unterschiedlich ist, da die Steilheit der Varaktorkennlinie die Verstärkung im Regelkreis mitbestimmt. Dies ist besonders dann unerwünscht, wenn der Oszillator über einen größeren Frequenzbereich durchstimmbar ist und dabei ein großer Teil der Varaktorkennlinie ausgenutzt wird, wie es z. B. bei schrittweise gerasteten Oszillatoren von Synthesizern gefordert wird.

Eine Lösung für die Kompensation dieser Nichtlinearität ist gemäß der DT-OS 19 08 267 dadurch vorgenommen, daß die Verstärkung in der Regelschleife durch entsprechende Steuerung des in dieser Schleife enthaltenen Gleichspannungsverstärkers in Abhängigkeit von der Steuerspannung für die Kapazitätsdiode vorgenommen wird. Durch die DT-OS 15 91 021 ist es andererseits bekannt geworden, bei einem Quarzoszillator, dessen Frequenz in den für Quarzoszillatoren erreichbaren Grenzen durch eine zusätzliche Kapazitätsdiode geändert werden soll, die niciuiineare Abhängigkeit der Frequenz von der angelegten Steuerspannung durch zusätzliche Schaltungselemente, in diesem Falle durch einen zusätzlichen Zweipol, zu komDensieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter diesen Voraussetzungen eine möglichst einfache und wirksame Schaltung zur Kompensation dieser nichtlinearen Abhängigkeit anzugeben.

Diese Aufgabe wird bei einem mittels einer Regelschleife auf eine Festfrequenz stabilisierbaren Oszillator, dessen Frequenzeinstellglied eine nichtlineare Frequenzabhängigkeit von der angelegten Stellgröße bewirkt, die durch Änderung der Verstärkung in der Regelschleife kompensiert ist, dadurch gelöst, daß die Änderung der Verstärkung durch entsprechende Krümmung der Diskriminatorlinie bewirkt wird.

In Weiterbildung der Erfindung ist der Diskriminator ein Phasendiskriminator, der nach dem Prinzip des getasteten Sägezahn? arbeitet und bei dem die getastete Flanke des Sägezahns zur Kompensation der Nichtlinearität entsprechend gekrümmt ist.

Die Methode ist besonders vorteilhaft, wenn als nichtlineares Frequenzeinstellglied eine Kapazitätsdiode für Abstimmzwecke verwendet wird.

Die Krümmung wird zweckmäßigerweise durch entsprechende Bemessung des den Sägezahn bestimmenden flC-Gliedes hervorgerufen.

In Weiterbildung der Erfindung wird die Sägezahnspannung von der Ausgangsspannung des zu synchronisierenden Oszillators abgeleitet.

Nachstehend wird die Erfindung mit ihren Vorteilen anhand F i g. 1 bis 4 näher erläutert.

Die F i g. 1 zeigt das Prinzip eines Phasenregelkreises, bei dem die Erfindung mit Vorteil anwendbar ist. Ein freischwingender Oszillator O mit einer Frequenznachstelleinrichtung, z. B. in Form einer Varaktor- oder Kapazitätsdiode VD gibt ein Signal mit der Frequenz fo an den Ausgang A ab. Ein Teil dieser Ausgangsspannung wird abgezweigt und auf einen Phasendiskriminator FD geführt, dem gleichzeitig von einem sehr stabilen Oszillator VO ein Signal mit der Frequenz /V zugeführt wird. Durch Vergleich der beiden Signale entsteht am Ausgang des Phasendiskriminators ein Signal Ust, das über einen Tiefpaß TP dem Nachstellorgan VD des Oszillators zugeführt wird. Dadurch wird der Oszillator O frequenzstarr auf den Festoszillator VO synchronisiert. Der Zusammenhang zwischen der Steuerspannung Ust und der Frequenz des Oszillators O ist im allgemeinen nicht linear. Dies ist besonders dann der Fall, wenn das Nachstimmorgan VD aus einer Varaktordiode besteht. Als Beispiel ist in F i g. 2 eine derartige Abhängigkeit dargestellt.

Auf der Abszisse der F i g. 2 ist die Steuerspannung Ust aufgetragen, die bekanntlich solche Dioden im Sperrgebiet vorspannt. Auf der Ordinate ist die Frequenz des Oszillators aufgetragen, und da beide Maßstäbe linear gewählt sind, läßt sich ersehen, daß der Zusammenhang zwischen beiden Größen nicht linear ist.

Die Verstärkung des Regelkreises wird jedoch u. a. durch das Produkt aus der Steilheit der Varaktorkennli-

nief -^-^und der Steilheit der Diskriminatorkennlinie

bestimmt. Diese Diskriminatorkennlinie ist im allgemeinen linear, d. h. die Abhängigkeit der Ausgangsspannung Ust von der Phasenabweichung φ beider Oszillatoren ist, zumindest im Arbeitsgebiet des Diskriminators wenigstens annähernd linear. In der F i g. 3 ist diese Kennlinie mit φ bezeichnet, wobei die Maßstäbe auf beiden Achsen wiederum linear sind. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß es möglich ist, durch entsprechende Ausbildung der Diskriminator-

kennlinie das Produkt aus den beiden obenerwähnten Steilheiten zumindest für den in Frage kommenden Arbeitspunktbereich wenigstens annähernd konstant zu halten. Dies ist deshalb möglich, da die Arbeitspunkte auf beiden Kennlinien durch die zwischen Diskriminator und Varaktor vorliegende Gleichstromkupplung fest einander zugeordnet sind. Eine für eine solche Kompensation in Frage kommende Krümmung der Steilheitskennlinie des Phasendiskriminators ist in der F i g. 3 mit qo'bezeichnet. Es läßt sich im Zusammenhang mit Fig.2 erkennen, daß es bei geeigneter Krümmung durchaus möglich ist, eine lineare Abhängigkeit der Oszillatorfrequenzänderung von der Phasenabweichung zwischen fo und fv im obigen Regelkreis nach F i g. 1 zu erzielen.

Besonders vorteilhaft ist die Anwendung dieser Methode für einen Phasendiskriminator, der nach dem Prinzip des getasteten Sägezahns arbeitet. Solche Einrichtungen sind allgemein bekannt und arbeiten nach folgendem Prinzip. Von der Ausgangsspannung einer der beiden Oszillatoren O oder VO wird eine Sägezahnspannung abgeleitet, deren Wiederholungsfrequenz der Frequenz des Oszillators gleich ist. Von der Ausgangsspannung des anderen Oszillators werden Tastimpulse abgeleitet, deren Wiederholungsfrequenz der Frequenz dieses Oszillators entspricht. Die Phasendifferenz beider Ausgangsspannungen wird im Phasendiskriminator PD, in die Steuerspannung Ust umgesetzt. Ein Ausführungsbeispiel ist in der F i g. 4 dargestellt, die den Phasendiskriminator mit dazugehörigen Elementen des Regelkreises, wie Verstärker, zeigt.

Die F i g. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Vergleichsfrequenz fv vom Oszillator VO erzeugt wird. Das zunächst sinusförmige Signal des Oszillators VO wird in einem Begrenzer Um 1 in ein Rechtecksignal umgeformt. Das Ausgangssignal von Um 1 wird dann über das Differenzierglied DG 1, bestehend aus der Kapazität C16, dem Widerstand R 35 und den Innenwiderständen der vor- und nachgeschalteten Stufe, einer Transistorverstärkerstufe Ts 1 zugeführt. Am Kollektor dieses Transistors erscheinen die dort eingezeichneten kurzen Impulse, deren Wiederholungsfrequenz der Frequenz fv entspricht. Dieses Signal wird im Transistor 7s 3 in der Phase gedreht, so daß es an der Koppelkapazität C12 mit umgekehrter Phasenlage, jedoch gleicher Amplitude wie am Kollektor von Ts 1 erscheint. Die beiden Signale (siehe Zeichnung) werden dann über die zugehörigen Koppelkondensatoren CIl, C12 auf den eigentlichen Phasenvergleicher PD geführt, der hier aus einer Brückenschaltung mit den Dioden Gr 2 bis Gr 5 besteht.

Die Ausgangsspannung des Oszillators O mit der Frequenz fo wird in der Einrichtung Um 2, beispielsweise durch Begrenzung oder in einer digitalen Frequenzteilerschaltung, in eine Rechteckform gebracht. Im Differenzierglied DG 2, bestehend im wesentlichen aus der Kapazität C2 im Zusammenhang mit dem Widerstand R 7 samt den Innen widerständen von UM 2 und Ts 2, werden aus der Rechteckspannung kurze

Impulse gewonnen. Diese Impulse öffnen den Transistor Ts 2, daß er während der Impulsdauer den Kondensator C6, der vorher über den Widerstand R 10 aufgeladen wurde, entladen kann. Hierdurch wird aus der Ausgangsspannung des Oszillators O letztlich eine dazu gleichfrequente Sägezahnspannung gewonnen, die über die Kapazität Cl der Gleichrichterbrücke PDzugeführt wird. Die vorerwähnte Krümmung der Diskriminatorkennlinie zur Kompensation wird durch entsprechende Krümmung der Sägezahnspannung hervorgerufen. Dies wird hier durch geeignete Wahl der Aufladezeitkonstanten im Verhältnis zur Periodendauer der Sägezahnspannung erreicht. Diese Zeitkonstante wird durch den Kondensator C6, den Widerstand R 10 und auch noch durch die über den Kondensator Cl wirksam werdenden Bauteile der Schaltung (Einspeiseglieder für die Spannung t/vjbestimmt. Gemäß dieser Zeitkonstanten hat die Spannung der wirksamen Flanke des Sägezahns als Funktion der Zeit exponentiellen Verlauf, was im Ausführungsbeispiel als Näherung der Sollkurve für die Krümmungskompensation genügte.

Es ist aber auch möglich, eine zunächst zeitlinear erzeugte Sägezahnspannung in einem nachgeschalteten nichtlinearen Netzwerk, das verschieden vorgespannte Dioden enthält, wie erforderlich, zu verzerren. Während der Dauer der über C11, C12 zugeführten Rechteckimpulse wird somit die Spannung vom Schaltungspunkt C auf den Schaltungspunkt D der Gleichrichterbrücke übertragen. Es wird also nur der im Augenblick der Tastimpulse an Cliegende Wert der Sägezahnspannung auf die Ausgangsleitung E gebracht. Dadurch wird die Kapazität C9 aufgeladen, die als Speicher für die Regelspannung wirkt. Die feste Vorspannung für den Varaktor im Oszillator O wird am Schaltungspunkt Uv über Siebglieder zugeführt. Dadurch wird der Varaktor wie üblich in den passenden Arbeitsbereich gebracht. Die Transistoren Ts 4 und Ts 5 bilden für die Regelspannung einen Gleichstromverstärker mit niederohmigem Ausgang. Die Steuerspannung Ust wird dann vom Kollektor des Transistors Ts 5 über ein Tiefpaßglied TP dem Frequenznachsteuerorgan VD im Oszillator O zugeführt.

Für einen frequenzmodulierten Oszillator O, ist zweckmäßig, zwischen O und Um 2 noch einen Frequenzteiler einzuschalten, mit einem solchen Teilungsverhältnis, daß der maximale heruntergeteilte Frequenzhub einem Phasenhub entspricht, der den maximal vom Phasendiskriminator verarbeitbaren eindeutigen Phasenbereich von z. B. 270° nicht überschreitet. Auf diese Weise läßt sich auch bei einem frequenzmodulierten Oszillator eine frequenzstarre Nachführung auf eine entsprechend niedrige, stabile Vergleichsfrequenz fv erreichen. Besonders für diese Einrichtung ist die Anwendung der Erfindung vorteilhaft.

Die Krümmung der Sägezahnspannung am Punkt C ist in der F i g. 5 angedeutet. Der Arbeitsbereich für die Tastimpulse liegt zwischen den gestrichelten Linien.

Hierzu 2 Blatt Zciclinunucn

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Mittels einer Regelschleife auf eine Festfrequenz stabilisierbarer Oszillator, dessen FrequenzeinStellglied eine nichtlineare Frequenzabhängigkeit von der angelegten Stellgröße bewirkt, die durch Änderung der Verstärkung in der Regelschleife kompensiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Verstärkung durch entspre- ι ο chende Krümmung der Diskriminatorkennlinie bewirkt wird.

2. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Diskriminator ein Phasendiskriminator ist, der nach dem Prinzip des getasteten Sägezahns arbeitet und bei dem die getastete Flanke des Sägezahns zur Kompensation der Nichtlinearität entsprechendgekrümmt ist.

3. OszillatoPitäch Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtlineare Frequenzeinstellglied eine Kapazitätsdiode für Abstimmzwecke ist.

4. Oszillator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmung durch entsprechende Bemessung des den Sägezahn bestimmenden RC-Gliedes hervorgerufen wird.

5. Oszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sägezahnspannung von der Ausgangsspannung des zu synchronisierenden Oszillators abgeleitet ist.

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