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"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.
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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.
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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.
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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.
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Diese Aufgabe wird bei bekannten amplitudengeregelten harmonischen
Oszillator dadurch gelöst, daß das Meßglied eine logarithmische ubertragungskennlinie
besitzt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher
erläutert.
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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.
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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.
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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.
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Die erste Bedingung tritt bei einem geeigneten Oszillatornetzwerk
bei einer und nur bei einer Frequenz ein. Dadurch ist also die Frequenz der Oszillatorschwingung
festgelegt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Eine andere Realisierungsmöglichkeit besteht darin, daß die logarithmische
Übertragungskennlinie durch eine Dioden-Widerstandskombination stückweise angenähert
wird.
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FATENTANSPRÜCHE: