DE2103138B2

DE2103138B2 - Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer harmonischen Schwingung

Info

Publication number: DE2103138B2
Application number: DE2103138A
Authority: DE
Inventors: Dietrich Dipl.-Ing. 2000 Hamburg Meyer-Ebrecht
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1971-01-23
Filing date: 1971-01-23
Publication date: 1979-03-22
Also published as: DE2103138C3; DE2103138A1

Description

Die Erfindung betrifft eine S haltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Schaltungsanordnungen, die als harmonische Oszillatoren bezeichnet werden, sind bekannt, beispielsweise aus »Elektronik«, 1970, Heft 2, Seiten 67 und 68, und finden Anwendung zur Erzeugung von Wechselspannungen mit sehr stabiler Frequenz und/ oder hoher Spektraleinheit. Sollen die Oberwellen der Schwingung möglichst gering 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-Vergleichsanordnung, 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 nicht linear 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 einer Anordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Meßglied eine logarithmische Übertragungskennlinie aufweist.

Die Verwendung von Meßgliedern mit logarithmischer Übertragungskennlinie ist in der Meßtechnik bekannt Derartige Meßglieder dienen jedoch lediglich dazu, Meßwerte für die Darstellung in einen logarithmischen Maßstab zu übertragen, um kleine Meßwerte besser darstellen zu können.

in Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert Darin zeigt

Fig. 1 das Blockschaltbild eines harmonischen Oszillators mit einer Amplitudenregelung,

F i g. 2 das Blockschaltbild eines gemäß der Erfindung

■ 5 -implitudengeregelten harmonischen Oszillators,

Fig.3 ein ausführliches Schaltbild des Oszillators nach F i g. 2.

Das Blockschaltbild eines harmonischen Oszillators mit einer Amplitudenregelung zeigt Fig. 1. Der eigentliche Oszillator besteht hierin aus einem Oszillatorverstärker V mit über einen Steuereingang St steuerbarem Verstärkungsfaktor ν sowie einem Netzwerk Λ/aus passiven Bauelementen.

Ein stationäres Schwingen des Oszillators ist nur

-'5 möglich, wenn die Kreisverstärkung v* des geschlossenen Osziliatorkreises aus Verstärker Kund Netzwerk N reell und I ist. Dk^ 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 > 1, dann wächst die Amplitude der Schwingung an, ist Vu < 1, strebt sie gegen Null. Damit die Schwingung stationär wird, muß Vk = 1 werden. Das kann durch Veränderung des Verstärkungsfaktors ν 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 mir nachgeschaltetem

⁴⁽¹ Tiefpaßfilter, der Regler R ein PI-Regler sein. Aufgabe der Amplitudenregelschaltung ist es, die Amplitude der Oszillatorschwingung zu messen, mit dem Sollwert £/«,« zu vergleichen und bei Abweichung vom Sollwert die Kreisverstärkung v» des Oszillatorkreises so zu verändem, 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 v* reagiert die Amplitude mit stetigem Anwachsen bzw. Abklingen, wobei diese Amplitudenänderung jedoch nicht linear erfolgt. Infolge dieser Eigenschaft verhält sich die

^Γ)5 Regeistrecke 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

^h0 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 Übertragungskennlinie aufweist. Ein solches Meßglied ist anv einfachsten dadurch zu realisieren, daß einem Amplitudenmeßglied

AM mit linearer Übertragungskennlinie ein Netzwerk (L) mit logarithmischer Übertragungskenniinie nachgeschaltet wird, wie in Fig.2 dargestellt ist. Auch hier enthält der Oszillator einen Verstärker Vmit einer über den Eingang 57" regelbaren Verstärkung v, dessen Ausgang über das frequenzbestimimende Netzwerk Λ/ 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 Übertragungskennlinie nachgeschaltet, d. h. der Wert der Ausgangsspannung des Netzwerkes L entspricht dem Logarithmus des Wertes der Eingangsspannung, gegebenenfalb mit einem konstanten Faktor multipliziert In der Stufe SlV wird die Ausgangsspannung des Netzwerkes L mit einer Spannung verglichen, deren Wert ebenfalls dem Logarithmus des Wertes der gewünschten Oszillatorspannung entspricht. Die Abweichung zwischen diesen beiden verglichenen Spannungen wird auf einen Regler R gegeben, z. B. einen PI-Regler, der die Verstärkung ν des Verstärkers V beeinflußt. Dadurch, daß der Logarithmus !er 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 Übertragungskennlinie sind verschiedene Möglichkeiten bekannt. F i g. 3 zeigt die Prinzipschaltung eines Ausführungsbeispieles eines gemäß Fig. 2 geregelten Oszillators. Der eigentliche Sinusoszillator — ein WC-Oszillator vom Wien-Typ besteht aus dem Operationsverstärker V_a den frequenzbestimmenden Widerständen und Kondensatoren R, R\ und Ct, Ci sowie den Gegenkopplungswiderständen Ri, Rt. Der Widerstand Ri ist elektrisch steuerbar, etwa ein FET in bekannter Beschallung. Über ihn kann die Verstärkung von V₀ und somit die Kreisverstärkung eingestellt werden. Eine Gleichrichter-Schaltung aus Diode D und Widerstand Rj mit nachgeschaltetem Tiefpaß aus Widerstand R, und Kondensator C, stellt eine der Oszillatoramplitude proportionale Spannung her. Diese wird mittels eines Operationsverstärkers V^ der mit einem Eingangswiderstand R_c und einem Transistor 7"im Gegenkopplungszweig (sog. Trans-Dioden-Schaltung, aus »Applications Manual für Computing Amplifiers«, Philbrick Resarchps Jahrgang 1966, S. 50) beschaltet ist, logarithmiert und invertiert. Sollwert-Istwert-Vergleichsstelle und Regler sind mit einem weiteren Operationsverstärker V_r realisiert, der dazu mit Widerstand Rr₀ und Kondensator C, im Gegenkopplungszweig und mit den Eingangswiderständen R_r ι und Rr 2 beschaltet ist. Über R_r ι und R_r 2 werden die logarithmierte (und invertierte) amplitudenpr?portionale Spannung und die Sollwertspannung log (ί)*,;/) summiert. Das Ausgangssignal von V_r stellt schließlich den Widerstand /?>

Eine andere Realisierungsmöglichkeit besteht darin, daß die logarithmische Übertragurcgskennlinie durch eine Dioden-Widerstandskombination stückweise angenähert wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer harmonischen Schwingung mit einem oder mehreren linearen Verstärkern und eine™ oder mehreren die Schwingfrequenz bestimmenden Netzwerken aus passiven Bauelementen, die zu einem geschlossenen Kreis zusammengeschaltet sind, sowie mit einer Regelschaltung zur Stabilisierung der Amplitude der erzeugten Schwingung, bestehend aus einem Meßglied zur Messung der Amplitude, einer Sollwert-Istwert-Vergleichsanordnung, einem Regler sowie einem Stellglied zur Einstellung der Kreisverstärkung, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßglied eine logarithmische Übertragungskennlinie aufweist

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßglied aus einem Amplituden-Meßumformer (AM) mit linearer Übertragungskeinlinie und einem nachgeschalteten Netzwerk (L) mit logarithmischer Übertragungskennlinie besteht

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Netzwerk (L) aus einem Verstärker (Vi) mit einem Transistor (T) in Basisschaltung im Gegenkopplungszweig besteht.

4. Schaltungsanordnung nacn Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Netzwerk (L) aus einer Dioden-Widerstands-Kombination mit stückweise angenäherter logarithmischer Kennlinie besteht.