DE2103138A1 - Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer harmonischen Schwingung - Google Patents

Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer harmonischen Schwingung

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Dietrich Dipl. Ing. 2000 Hamburg Meyer-Ebrecht
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03LAUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
    • H03L5/00Automatic control of voltage, current, or power

Landscapes

  • Inductance-Capacitance Distribution Constants And Capacitance-Resistance Oscillators (AREA)
  • Oscillators With Electromechanical Resonators (AREA)

Description

  • "Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer harmonischen Schwingung Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung einer harmonischen Schwingung aus einem Oszillatorkreis, aus einem oder mehreren linearen Verstärkern und einem oder mehreren die Schwingfrequenz bestimmenden Netzwerken aus passiven Bauelementen sowie einer Regelschaltung zur Stabilisierung der Schwingungsamplitude bestehend aus einem Meßglied zur Messung der Schwingungsamplitude, einer Sollwert-Istwert-Vergleichsstelle, einem Regler sowie einem Stellglied zur Einstellung der Oszillatorkreisverstärkung.
  • Harmonische Oszillatoren finden Anwendung zur Erzeugung von Wechselspannungen mit sehr stabiler Frequenz und/oder hoher Spektralreinheit. Soll die Harmonizität der Schwingung möglichst wenig gestört sein, dann sind Schaltungen, bei denen die Amplitude der Schwingung durch eine nichtlineare Verstärker-Kennlinie stabilisiert wird, zu vermeiden. In diesem Fall finden Amplitudenregelkreise Anwendung, die aus einem Meßglied zur Messung der Schwingungsamplitude, einer Sollwert-Istwert-Vergleichsstelle, einem Regler und einem Stellglied zur Einstellung der Oszillatorverstärkung bestehen. Der eigentliche Oszillator ist in diesem Falle die Regelstrecke.
  • Nun verhalten sich die Oszillatoren als Regelstrecke nichtlinear in der Weise, daß die Regelkreisverstärkung mit zunehmender Schwingungsamplitude größer wird. Zur Wahrung der Stabilität des Amplitudenregelkreises muß die Kreisverstärkung im eigentlichen Arbeitsbereich soweit reduziert werden, daß selbst bei der größten möglichen Amplitude keine Instabilität auftritt. Diese Maßnahme beeinflußt das Amplitudeneinschwingverhalten ungünstig derart, daß der Einschwingvorgang sehr stark verlängert wird.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, diesen Nachteil zu vermeiden, also einen amplitudengeregelten Oszillator zu schaffen, bei dem das Amplitudeneinschwingverhalten bei stabilen Regeleigenschaften im ganzen Bereich den theoretisch besten Wert erreicht.
  • Diese Aufgabe wird bei bekannten amplitudengeregelten harmonischen Oszillator dadurch gelöst, daß das Meßglied eine logarithmische ubertragungskennlinie besitzt.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert.
  • Darin zeigen: Fig. 1 das Blockschaltbild eines harmonischen Oszillators mit einer Amplitudenregelung, Fig. 2 das Blockschaltbild eines gemäß der Erfindung amplitudengeregelten harmonischen Oszillators, Fig. 3 ein ausführliches Schaltbild des Oszillators nach Fig. 2.
  • Das Blockschaltbild eines harmonischen Oszillators mit einer Amplitudenregelung zeigt Fig. 1. Der eigentliche Oszillator besteht hierin aus einem Oszillatorverstärker V mit über einem Steuereingang St steuerbaren Verstärkungsfaktor v sowie einem Netzwerk N aus passiven Bauelementen.
  • Ein stationäres Schwingen des Oszillators ist nur möglich, wenn die Kreisverstärkung vk des geschlossenen Oszillatorkreises aus Verstärker V und Netzwerk N reell und 1 ist.
  • Die erste Bedingung tritt bei einem geeigneten Oszillatornetzwerk bei einer und nur bei einer Frequenz ein. Dadurch ist also die Frequenz der Oszillatorschwingung festgelegt.
  • Ist vk 21, dann wächst die Amplitude der Schwingung an, ist Vk < 1, strebt sie gegen Null. Damit die Schwingung stationär wird, muß vk = 1 werden. Das kann durch Veränderung des Verstärkungsfaktors v geschehen. Fig. 1 zeigt weiterhin eine Amplitudenregelschaltung, bestehend aus einem Meßglied AM zur Messung der Amplitude, einer Sollwert-Istwert-Vergleichsstelle SIV und einem Regler R. Das Meßglied AM kann ein Gleichrichter mit nachgeschaltetem Tiefpaßfilter, der Regler R ein PI-Regler sein. Aufgabe der Amplitudenregelschaltung ist es, die Amplitude der Oszillatorschwingung zu messen, mit dem Sollwert U5011 zu vergleichen und bei Abweichung vom Sollwert die Kreisverstärkung vk des Oszillatorkreises so zu verändern, daß sich eine stationäre Schwingung mit der Sollamplitude einstellt.
  • Für die Stabilität des Regelkreises ist u.a. das Verhalten der Regelstrecke, hier also des Oszillatorkreises entscheidend. Dessen Verhalten läßt sich in regelungstechnischem Sinne als "integral wirkend" bezeichnen, denn auf einen Sprung in Vk reagiert die Amplitude mit stetigem Anwachsen bzw. Abklingen, wobei diese Amplitudenänderung jedoch nicht linear erfolgt. Infolge dieser Eigenschaft verhält sich die Regelstrecke zwar in erster Näherung wie ein normales Integralglied, jedoch ist die Integrationskonstante vom Arbeitspunkt, also von der Amplitude abhängig. Dieses hat, wie schon erwähnt, zur Konsequenz, daß die Reglereinstellung auf eine große Regelsteilheit bei der größten möglichen Amplitude Rücksicht nehmen muß und bei der Sollamplitude nicht optimal sein kann. Besonders nachteilig ist dieses für das Anschwingen des Oszillators, da für die Amplitude Null auch die Regelsteilheit gegen Null geht.
  • Dieser Nachteil wird dadurch vermieden, daß das Meßglied eine logarithmische Ubertrågungskennlinie besitzt. Ein solches Meßglied ist am einfachsten dadurch zu realisieren, daß einem Amplitudenmeßglied AM mit linearer Ubertragungskennlinie ein Netzwerk (L) mit logarithmischer libertragungskennlinie nachgeschaltet wird, wie in Fig. 2 dargestellt ist.
  • Auch hier enthält der Oszillator einen Verstärker V mit einer über den Eingang ST regelbaren Verstärkung v, dessen Ausgang über das frequenzbestimmende Netzwerk N mit seinem Eingang verbunden ist. Außerdem ist am Ausgang des Verstärkers ein Amplitudenmeßglied AM mit linearer Übertragungskennlinie angeschlossen. Diesem Amplitudenmeßglied ist ein Netzwerk L mit logarithmischer ttbertragungskennlinie nachgeschaltet, d.h.
  • der Wert der Ausgangsspannung des Netzwerkes L entspricht dem Logarithmus des Wertes der Eingangsspannung, gegebenenfalls mit einem konstanten Faktor multipliziert. In der Stufe SIV wird die Ausgangsspannung des Netzwerkes L mit einer Spannung verglichen, deren Wert ebenfalls dem Logarithmus des Wertes der gewünschten Oszillatorspannung entspricht. Die Abweichungen zwischen diesen beiden verglichenen Spannungen wird auf einen Regler R gegeben, z.B. ein PI-Regler, der die Verstärkung v des Verstärkers V beeinflußt. Dadurch, daß der Logarithmus der Spannungswerte verglichen wird, erhöht sich die Regelsteilheit bei kleinen Werten der Verstärkerausgangsspannung, und es wird eine Reglereinstellung möglich, die für alle Amplituden optimal ist und somit praktisch ein ideales Anschwingen des Oszillators erlaubt.
  • Für die Realisierung eines Meßgliedes bzw. eines Netzwerkes mit logarithmischer Ubertragungskennlinie sind verschiedene Möglichkeiten bekannt. Fig. 3 zeigt die Prinzipschaltung eines Ausführungsbeispieles eines gemäß Fig. 2 geregelten Oszillators. Der eigentliche Sinusoszillator - ein RC-Oszillator vom Wien-Typ - besteht aus dem Operationsverstärker VO, den frequenzbestimmenden Widerständen und Kondensatoren R, R und C1, C2 sowie den Gegenkopplungswiderständen R3, R4. Der Widerstand R3 ist elektrisch steuerbar, etwa ein FET in bekannter Beschaltung. Über ihn kann die Verstärkung von VO und somit die Kreisverstärkung eingestellt werden. Eine Gleichrichter-Schaltung aus Diode D und Widerstand Rd mit nachgeschaltetem Tiefpaß aus Widerstand Rt und Kondensator stellt eine der Oszillatoramplitude proportionale Spannung her. Diese wird mittels eines Operationsverstärkers Ve, der mit einem Eingangswiderstand Re und einem Transistor T im Gegenkopplungszweig (sog. Trans-Dioden-Schaltung, aus "Applications Manual for Computing Amplifiers", Philbrick Resarches Jahrgang 1966, S. 50) beschaltet ist, logarithmiert und invertiert. Sollwert-Istwert-Vergleichsstelle und Regler sind mit einem weiteren Operationsverstärker Vr realisiert, der dazu mit Widerstand Rro und Kondensator Cr im Gegenkopplungszweig und mit den Eingangswiederständen Rr1 und Rr2 beschaltet ist. Über Rr1 und Rr2 werden die logarithmierte (und invertierte) amplitudenproportionale Spannung und die Sollwertspannung log (bo11) summiert. Das Ausgangssignal von Vr stellt schließlich den Widerstand R3.
  • Eine andere Realisierungsmöglichkeit besteht darin, daß die logarithmische Übertragungskennlinie durch eine Dioden-Widerstandskombination stückweise angenähert wird.
  • FATENTANSPRÜCHE:

Claims (4)

  1. PATENTANSPRfCHE: Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer harmonischen Schwingung aus einem Oszillatorkreis bestehend aus einem oder mehreren linearen Verstärkern und einem oder mehreren die Schwingfrequenz bestimmenden Netzwerken aus passiven Bauelementen sowie einer Regelschaltung zur Stabilisierung der Schwingungsamplitude bestehend aus einem Meßglied zur Messung der Schwingungsamplitude, einer Sollwert-Istwert-Vergleichsstelle, einem Regler sowie einem Stellglied zur Einstellung der Oszillatorkreisverstärkung, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßglied eine logarithmische Übertragungskennlinie besitzt.
  2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßglied aus einem Amplituden-Meßumformer (AM) mit linearer Ubertragungskennlinie und einem nachgeschalteten Netzwerk (L) mit logarithmischer Ubertragungskennlinie besteht.
  3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Netzwerk (L) aus einem Verstärker (val) mit einem Transistor (i) in Basisschaltung im Gegenkopplungszweig besteht.
  4. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Netzwerk (L> aus einer Dioden-Widerstanda-Kombination mit stückweise angenäherter logarithmischer Kennlinie besteht.
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DE2103138B2 DE2103138B2 (de) 1979-03-22
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DE2103138C3 (de) 1979-10-31
DE2103138B2 (de) 1979-03-22

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