DE2103138C3

DE2103138C3 - Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer harmonischen Schwingung

Info

Publication number: DE2103138C3
Application number: DE19712103138
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: 1979-10-31
Also published as: DE2103138B2; DE2103138A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung 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 Spektralreinheit. 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 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 aiiiplitudengeregellen Oszillator /Ii schaffen, bei dem das Amplitudeiieinschwingverhalten bei stabilen Regeleigenschaften im ganzen Bereich ilen theoretisch besten Werterreicht.

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.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert Darin zeigt

F i g. 1 das Blockschaltbild eines harmonischen Oszillators mit einer Amplitudenregelung,

F i g. 2 das Blockschaltbild eines gemäß der Erfindung amplitudengeregelten 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 Sf steuerbarem Verstärkungsfaktor ν sowie einem Netzwerk Λ/aus passiven Bauelementen.

Ein stationäres Schwingen des Oszillators ist nur möglich, wenn die Kreisverstärkung v* des geschlossenen Oszillatorkreises aus Verstärker Vund 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.

1st Vk > 1, dann wächst die Amplitude der Schwingung an, ist v* < 1, strebt sie gegen Null. Damit die Schwingung stationär wird, muß ν* = 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 mit nachgeschaltetem Tiefpaßfilier, der Regler R ein PI-Regler sein. Aufgabe der Amplitudenregelschaltung ist es, die Amplitude der Oszillatorschwingung zu messen, mit dem Sollwert LW zu vergleichen und bei Abweichung vom Sollwert die Kreisverstärkung Vt 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 regelungstechnischerr 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 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 Sollamplitudc nicht optimal sein kann. Besonders nachteilig ist dieses für das Anschwingen des Oszillators, da für die Amplitude Null auch die Regelsteilheit gegen Null gehl.

Dieser Nachteil wird dadurch vermieden, daß das Meßglied eine logarithmische Überiragungskennlinie aufweist. Ein solches Meßglied ist am einfachsten dadurch zu realisieren, daß einem Ainplituclenmeßglied

AM mit linearer Übertragungskennlinie ein Netzwerk (L) mit logarithmischer Übertragungskennlinie nachgeschaltet wird, wie in Fig.2 dargestellt ist Auch hier enthält der Oszillator einen Verstärker VmIi 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 Übertragungskennlinie nachgeschaltet, d. h„ der Wert der Ausgangsspannung des Netzwerkes L entspricht dem Logarithmus des Wertes der Eingangsspannung, gegebenenfalls mit einem konstanten Faktor multipiiziert In der Stufe S/V 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 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 Übertragungskennlinie sind verschiedene Möglichkeiten bekannt. F i g. 3 zeigt die Prinzipschaltung eines Ausführungsbeispieles eines gemäß Fig.2 geregelten Oszillators. Der eigentliche Sinusoszillator — ein ÄC-Oszillator vom Wien-Typ besteht aus dem Operationsverstärker V₀, den frequenzbestimmenden Widerständen und Kondensatoren R, R, und Ci, Ci sowie den Gegenkopplungswiderständen Ri, Ra. Der Widerstand R₃ ist elektrisch steuerbar, etwa ein FET in bekannter Beschallung. Über ihn kann die Verstärkung von V₀ und somit die Krefsverstärkung eingestellt werden. Eine Gleichrichter-Schaltung aus

ίο Diode D und Widerstand Rd mit nachgeschaltetem Tiefpaß aus Widerstand R, und Kondensator C, stellt eine der Oszillatoramplitude proportionale Spannung her. Diese wird mittels eines Operationsverstärkers V_n der mit einem Eingangswiderstand R_e und einem Transistor Γ im Gegenkopplungszweig (sog. Trans-Dioden-Schaltung, aus »Applications Manual für Computing Amplifiers«, Philbrick Resarches Jahrgang 1966, S. 50) beschaltet ist logarithmiert und invertiert Sollwert-Istwert-Vergleichsstelle und Regler sind mit einem weiteren Operationsverstärker V, realisiert, der dazu mit Widerstand R_m und Kondensator CV im Gegenkopplungszweig ur.d mit den Eingangswiderständen R_r ι und Rr 2 beschaltet ist Über R_r ι und R_r 2 werden die logarithmierte (und invertierte) amplitudenpropor-

2) tionale Spannung und die Sollwertspannung log (Us₀U) summiert. Das Ausgangssignal von V_r stellt schließlich den Widerstand Λ3.

Eine andere Realisierungsmöglichkeit besteht darin, daß die logarithmische Übertragungskennlinie 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 einem 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 Mtßglied aus einem Amplituden-Meßumformer (AM) mit linearer Übertragungskennlinie und einem nachgeschalteten Netzwerk (L) mit logarithmischer Übertragungskennlinie besteht.

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

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