DE2257783A1 - Spannungsgesteuerter oszillator sowie verfahren zur elektrischen aenderung der frequenz eines elektronischen oszillators - Google Patents

Description

DipWng. H^ini Berdehle

"'■"■""· .'.';.■::·53 München, den 24. November 1972

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Mein Zeichen: P 1512

Anmelder: Honeywell Information Systems Inc. 200 Smith Street
Waltham, Mass., V. St. A.

Spannungsgesteuerter Oszillator sowie Verfahren zur elektrischen Änderung der Frequenz eines elektronischen

Oszillators

Die Erfindung bezieht sich generell auf spannungsgesteuerte Oszillatoren und insbesondere auf spannungsgesteuerte Oszillatoren mit einem großen Abstimmbereich und guter Frequenz- und Phasenstabilität.

Es sind bereits viele Oszillatorschaltungen bekannt, wobei eine große Anzahl dieser Oszillatorschaltungen spannungsgesteuerte Oszillatorschaltungen sind. Spannungsgesteuerte Oszillatoren können derzeit in Fernmeßsystemen sowie in anderen Systemen angewandt werden, in denen eine Frequenzoder Phasensteuerung benutzt wird.

In Abhängigkeit von dem jeweiligen Anwendungsfall existieren zahlreiche Forderungen hinsichtlich spannungsgesteuerter Oszillatoren (VCO). Zu diesen Forderungen gehören hauptsächlich:

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a) ein großer elektrischer Abstimmbereich,

b) Frequenzstabilität,

c) Phasenstabilität,

d) die Fähigkeit, eine Breitbandfrequenz- und Phasenmodulation zu ermöglichen, und

e) eine Linearität der Frequenz in Abhängigkeit von der Steuerspannung.

Einige dieser Forderungen stehen dabei jedoch in direktem Gegensatz zueinander. So steht z.B. die Frequenz- und Phasenstabilität in direktem Gegensatz zu einem großen Abstimmbereich, zur Linearität der Frequenz in Abhängigkeit von der Steuerspannung und zu der Fähigkeit, eine Breitbandmodulation zu ermöglichen. Zur Erzielung eines größeren Abstimmbereichs wurde daher hinsichtlich der FrequenzStabilität üblicherweise ein gewisser Verlust in Kauf genommen. Dennoch ist es in einigen Anwendungsfällen, wie z.B. in vielen phasenstarren Regelschleifen, wünschenswert, über einen spannungsgesteuerten bzw. spannungsgeregelten Oszillator zu verfügen, der sowohl eine gute Frequenzstabilität als auch einen großen Abstimmbereich besitzt.

In phasenstarren Regelschleifen besteht eine ideale Forderung darin, daß die Schleife der Frequenz und Phase eines Eingangssignals ohne einen Fehler nachläuft. Wenn in dem Eingangssignal jedoch ein Zittern bzw. Jittern auftritt, erfordert dieser Zustand, daß die Schleifenbandbreite unendlich ist. Aus praktischen Forderungen heraus besitzt die Schleifenbandbreite jedoch endliche Grenzen. Wird die Schleifenbandbreite im übrigen schmaler gewählt, so nimmt das Schleifen-Phasenzittern im Hinblick auf das Eingangssignal zu; ist die Bandbreite zu schmal gewählt,

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so wird das Phasenzittern so groß, daß die Schleife nicht einrastet bzw. mitgezogen wird. Deshalb ist eine große Bandbreite erforderlich, um ein Mitziehen aufrechtzuhalten, wenn das Eingangssignal im Bereich einer großen Bandbreite zittert.

Die bisher bekannten, üblicherweise benutzten spannungsgesteuerten Oszillatoren umfassen

a) Quarzoszillatoren,

b) LC-Oszillatoren und

c) RC-MuItivibratoren.

Quarzoszllatoren sind die stabilsten Oszillatoren; sie besitzen jedoch einen sehr schmalen Abstimmbereich, der im allgemeinen nicht größer ist als - 0,1% der Nennoszillatorfrequenz. LC-Oszillatoren, wie sie als Hartley- und Colpitts-Oszillatoren bekannt sind, weisen einen größeren Bereich bis zu i 30% auf, jedoch zeigen sie einen gewissen Mangel hinsichtlich der Frequenzstabilität. Schließlich besitzen Relaxationsoszillatoren, wie Multivibratoren und Sperrschwinger, einen sogar größeren Abstimmbereich, jedoch ist die Frequenzstabilität dabei von geringer Bedeutung.

Im Hinblick auf gewisse spannungsgesteuerte bzw. spannungsgeregelte Oszillatoren, und zwar insbesondere im Hinblick auf solche, die in phasenstarren Regelschleifen zu verwenden sind, besteht somit die Forderung nach einem hohen Grad an Frequenzstabilität in Abhängigkeit von der Temperatur und außerdem ein großer Abstimmbereich. Eine weitere Forderung besteht darin, daß diese vorteilhaften Eigenschaften zu erzielen sind, ohne daß komplizierte Schaltungen und/oder teure Präzisions-Bauelemente verwendet wurden müssen.

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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Weg zu zeigen, wie die vorstehend aufgeführten Forderungen erfüllt werden können.

Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe erfindungsgemäß durch einen spannungsgesteuerten Oszillator, der dadurch gekennzeichnet ist,

a) daß Vergleicheleinrichtungen vorgesehen sind, die einen intern erzeugten Spannungspegel mit einem Eingangs-Schwe11-wertspannungspegel vergleichen,

b) daß mit den Vergleichereinrichtungen Spannungspegel-Änderungseinrichtungen verbunden sind, die den Schwellwert spannung spe gel nahezu augenblicklich von einem bestimmten Pegel auf einen anderen bestimmten Pegel periodisch zu ändern gestatten, und

c) daß mit den Spannungspegel-Änderungseinrichtungen Steuereinrichtungen verbunden sind, die die Periode der Schwellwertspannungspegeländerung zu ändern gestatten.

Durch die Erfindung ist ferner ein spannungsgesteuerter Oszillator geschaffen, der dadurch gekennzeichnet ist,

a) daß Vergleichereinrichtungen vorgesehen sind, die ihren Integrator-Ausgangsspannungspegel mit einem Eingangsschwellwert spannung spe gel vergleichen,

b) daß mit den Vergleichereinrichtungen eine Rechteckspannungs-Erzeugereinrichtung verbunden ist, die eine Rechteckspannung erzeugt,

c) daß mit den Vergleichereinrichtungen und der Rechteckspannungs-Erzeugereinrichtung eine Integratoreinrichtung verbunden ist, die durch die Rechteckspannungs-Erzeugereinrichtung gesteuert die Rechteckspannung integriert und eine Dreieck-Sägezahnspannung mit einer bestimmten Steigung abgibt,

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d) daß Steigungs-Änderungseinrichtungen vorgesehen sind, die die Steigung der Sägezahnspannung von einem positiven Wert zu einem negativen Wert und umgekehrt zu ändern ge- ■ statten und die mit den Vergleichereinrichtungen, der Integratoreinrichtung und der Rechteckspannungs-lrzeugereinrichtung verbunden sind,

e) daß eine Spannungsänderungseinrichtung vorgesehen ist, die durch die Dreieck-Spannung und den Schwellwertspannungspegel gesteuert nahezu augenblicklich den Schwellwertspannungspegel von einem bestimmten Spannungspegelwert auf einen anderen bestimmten Spannungspegelwert zu ändern gestatten und die mit den Vergleichereinrichtungen, der Integratoreinrichtung, der Rechteckspannungs-Erzeugereinrichtung und der Steigungs-Änderungseinrichtung verbunden sind,

f) daß Generatoreinrichtungen vorgesehen sind, die ein scheinbares Erdpotential an die Vergleichereinrichtungen und die Integratoreinrichtung abgeben, und

g) daß eine Spannungseinstelleinrichtung vorgesehen ist, die in Abhängigkeit von einer Eingangssteuerspannung den ■ bestimmten Schwellwertspannungspegel einzustellen gestattet und die mit den Vergleichereinrichtungen verbunden ist.

Die Erfindung umfaßt ferner ein Verfahren zur elektrischen Änderung der Frequenz eines elektronischen Oszillators. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß elektrische Schwingungen einer bestimmten Frequenz dadurch erzeugt werden,

a) daß ein Schwellwertspannungspegel geschaffen wird und

b) daß der betreffende Schwellwertspannungspegel von einem bestimmten Pegelwert zu einem anderen bestimmten Pegelwert nahezu augenblicklich umgeschaltet wird.

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Durch die Erfindung ist somit ein spannungsgesteuerter bzw. spannungsgeregelter Oszillator geschaffen bzw. ermöglicht, der einen Abstimmbereich besitzt, welcher größer ist als 100% der Nennoszillatorfrequenz und der dabei nur einen geringen Verlust an Frequenzstabilität in Abhängigkeit von der Temperatur unä Zeit aufweist. Darüber hinaus ist der betreffende spannungsgesteuerte Oszillator hinsichtlich der TTL-Technik (Transistor-Transistor-Logik) kompatibel.

Im wesentlichen wird dabei eine Rechteckwelle erzeugt und dazu herangezogen, einen Integrator anzusteuern, um an dessen Ausgang eine Sägezahnspannung zu erzeugen. Die betreffende Sägezahnspannung wird dann dem negativen Eingang eines Vergleichers zugeführt, und eine entsprechende, jedoch invertierte Rechteckspannung wird dem positiven Eingang des Vergleichers zugeführt, um dessen Schwellwertspannung auf irgendeinen einstellbaren Pegel V_ oder auf eine Spannung

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V einzustellen, und zwar in Abhängigkeit vom Zustand der Vergleicherausgangsspannung. Wenn die Sägezahnspannung die Schwellwertspannung in einer Richtung überschreitet (in Plus- oder Minus-Richtung, und zwar in Abhängigkeit vom vorhergehenden Zustand des Vergleichers, der indirekt seine eigene Schwellwertspannung steuert und die Richtung der Steigung der Sägezahnspannung), ändert der Vergleicher den Zustand, und die Schwellwertspannung springt augenblicklich in ihren anderen Zustand um. Die Richtung der Sägezahnspannung kehrt damit um. Die Schaltungselemente sind dabei so angeordnet bzw. geschaltet, daß die Sägezahnspannung sich stets zu der Schwellwertspannung hin bewegt und dass jeweils dann, wenn die Sägezahnspannung die Schwellwertspannung des Vergleichers erreicht, eine Umschaltung der Schwellwertspannung in ihren anderen Zustand erfolgt. Auf diese Weise schaltet

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die Vergleicherausgangsspannung in einer ununterbrochen aufrechterhaltenen Schwingung hinsichtlich ihres Wertes zwischen ansteigenden und abfallenden Werten um.

Zur Steuerung der Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators wird eine Steuerspannung zugeführt, die die einstellbare Schwellwertspannung V_& derart ändert, daß ein längeres oder kürzeres Zeitintervall für die Sägezahnspannung erforderlich ist, um zwischen dem festliegenden oberen Schwellwert V und dem einstellbaren unteren Schwellwert V_ hin- und herzulaufen.

Die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators wird somit durch die Steuerung der Periode T gesteuert, die die Sägezahnspannung des Integratorausgangssignals benötigt, um von der Spannung V„ einen Durchlauf auszuführen und wieder zurückzukehren. °

An Hand einer Zeichnung wird die Erfindung nachstehend unter Bezugnahme auf eine ein'Ausführungsbeispiel darstellende Schaltungsanordnung näher erläutert.

Bezugnehmend auf die Zeichnung sei bemerkt, daß eine konstante, relativ störungsfreie Spannung, die üblicherweise 6 Volt betragen,kann, durch eine Schaltung 30, die durch eine Strichpunktlinie eingerahmt ist, an Schaltungspunkten 2 und 3 erzeugt wird. Eine genauere Betrachtung der. Schaltung -30 zeigt, daß einer Eingangsklemme 1 eine positive Spannung von +V zugeführt wird. Die Eingangsklemme ist dabei über einen Widerstand R9 mit einem Verbindungspunkt 2 verbunden. Der Verbindungspunkt 2 ist seinerseits über zwei parallele Wege geerdet. Der eine Weg umfaßt einen

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Kondensator C7, und der andere Weg umfaßt eine ZENER-Diode D1. Die am Verbindungspunkt 2 herrschende Spannung wird einem Verbindungspunkt 3 zugeführt, an welchem sie
von dem übrigen Teil der Schaltung für verschiedene Zwecke benutzt werden kann. Im ersten Fall wird die am Schaltungspunkt 3 vorhandene Spannung dazu herangezogen, ein schein-^ bares Erdpotential (+3 V =) an einem Schaltungspunkt 12 zu erzeugen, und zwar dadurch, daß die am Schaltungspunkt 3 vorhandene Spannung unter Verwendung eines Spannungsteilers auf die Hälfte geteilt wird. Ein Spannungsteiler 31 hält einen Schaltungspunkt 11 in entsprechender Weise auf scheinbarem Erdpotential. Eine Ausnahme zu dem zuvor betrachteten Fall besteht jedoch darin, daß der Schaltungspunkt 11
normalerweise über einen Schalter 6 mit einer Spannung V oder V_ angesteuert wird. Betrachtet man die Spannungsteiler 31 und 32 näher, so zeigt sich, daß der Spannungsteiler 31 aus Widerständen R3 und R5 besteht, die an dem Schaltungspunkt 11 miteinander verbunden sind und von denen der Widerstand R3 außerdem mit dem Schaltungspunkt 3 und dem Schaltungspunkt 23 verbunden ist. Der Widerstand R5 ist
darüber hinaus geerdet. Der Spannungsteiler 32 enthält
einen Widerstand R4, der an einem Verbindungspunkt 12 mit einem Widerstand R6 verbunden ist. Der Widerstand R4 ist darüber hinaus an dem Schaltungspunkt 23 angeschlossen, der seinerseits mit dem Schaltungspunkt 3 verbunden ist. Der Widerstand R6 ist im übrigen geerdet. Der Verbindungspunkt der Widerstände R4 und R6 ist mit dem positiven, nicht invertierenden Eingangsanschluß eines Operationsverstärkers 7 verbunden, der als Teil einer Integratorschaltung ausgenutzt wird.

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Die am Schaltungspunkt 3 liegende Spannung wird ferner einer Schalteinheit zugeführt, die generell mit 4 bezeichnet ist und die von einer Strichpunktlinie eingerahmt ist. Diese Schalteinheit 4 umfaßt ferner zumindest zwei Schalter 5 und (Obwohl in der Zeichnung zwei Schalter als mechanische Schalter dargestellt sind, die durch die Ausgangsspannung 10 des Vergleichers 9 gesteuert werden, dürfte einzusehen sein, daß es sich hierbei um typische elektronische Schalter handelt, wie z.B. um die NHOO14-MOSFET-Schalter, wie sie von der Firma National Semiconductor Corporation hergestellt werden.) Der Anschluß 16 des Schalters 5 ist mit dem Verbindungspunkt verbunden, der Anschluß 17 des Schalters 5 ist über einen Widerstand R1 geerdet, und der Anschluß 24 des betreffenden Schalters 5 ist mit dem negativen invertierenden Eingang des Integrator-Operationsverstärkers 7 über einen Widerstand R7 verbunden. Der Anschluß 13 des Schalters 6 ist mit dem Verbindungspunkt 3 verbunden, der damit auf der Spannung V_ gehalten wird. Der Anschluß 14 des Schalters 6 ist mit dem Verbindungspunkt 20 verbunden, der seinerseits über den Widerstand R2 geerdet ist und dem ferner von einer Eingangsklemme 27 her über einen Widerstand R8 eine Steuerspannung V_ zugeführt wird. Der Anschluß 25 des Schalters 6

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ist über den Verbindungspunkt 11 mit dem invertierenden Eingangsanschluß (durch ein Minuszeichen markiertJ des Vergleichers 9 verbunden. Mit dem Eingang und Ausgang des Integrator-Operationsverstärkers 7 ist ein Kondensator C8 verbunden. Der Ausgang des integrierenden Operationsverstärkers 7 ist mit dem nichtinvertierenden Eingangsanschluß (durch ein Pluszeichen markiert) des Vergleichers 9 verbunden. Der Ausgangsanschluß 10 des Vergleichers 9 ist im übrigen mit einer Steuerleitung 15 der Schalteinheit 14 verbunden, wodurch die Umschaltung der Schalter 5 und 6 gesteuert wird.

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An Hand nachstehender Tabellen I und II sind typische Bauelementwerte sowie Bauelemente und Hersteller angegeben. Dabei sind in der Tabelle I die Werte typischer Bauelemente angegeben, die in der in der Zeichnung dargestellten Schaltung verwendet werden können. Es sei jedoch bemerkt, daß auch andere Bauelementwerte benutzt werden können, die in geeigneter Beziehung zueinander stehen. In der Tabelle II sind einige typische Bauelemente und Bauelementhersteller von Bauelementen aufgeführt, die in der in der Zeichnung dargestellten Schaltung verwendet werden können.

Tabelle I

Bauelement-Bezeichnung Größe Einheit

Ohm

Ohm Ohm Ohm Ohm

R1 = R2	= R6	Typ	50
R3 = R4 = R5		40.000
R7		20.000
R8		5.000
R9		1. 000
C7		1,0
C8		0,001
		Tabelle II
Bauelement-
Bezeichnung

Hersteller

5, 6 NHOO^-MOSFET-Sehalter National Semiconductor

Corporation

7 LM307 National Semiconductor

Corporation

.·: f) 9 B Ί 2 I 1 1 0

Bauelement Bezeichnung	Typ	Hersteller
9	LM311	National Semiconductor Corporation
D1	IN753A	Motorola

Im Betrieb wird die konstante, relativ störungsfreie Spannung V von dem Spannungskonstanthalter 30 erzeugt und an den Schaltungspunkt 3 abgegeben. Die am Schaltungspunkt 3 auftretende Spannung wird auf die Hälfte durch den Spannungsteiler 32 und den Spannungsteiler 31 geteilt, wenn der Schalter 6 geöffnet ist; sie wird zu den Schaltungspunkten 12 bzw. 11 hingeleitet. Darüber hinaus wird die am Schaltungspunkt 3 liegende konstante Spannung V an die Anschlüsse und 13 der Schalter 5, 6 abgegeben. Wird der Schalter 5 zwischen Erde und V" umgeschaltet und wird der Schalter 6 zwischen V_ und V₁. umgeschaltet (die Spannung am Verbindungspunkt 20), so sind die Ausgangsspannungen an den Klemmen 24 und 25 der Schalter 5, 6 Rechteckwellen mit einer Gleichspannungskomponente. Die betreffenden Rechteckwellen treten dabei mit einer 180°-PhasenverSchiebung zueinander auf. Die an dem Schalteranschluß.24 auftretende bzw. erzeugte Rechteckwelle wird dem negativen (invertierenden) Eingangsanschluß des Integrator-Operationsverstärkers 7 über den Widerstand R7 zugeführt. Die betreffende Rechteckspannung bzw. Rechteckwelle führt zur Abgabe einer Dreieckwelle am Ausgang des integrierenden Verstärkers 7. Die Steigung der Sägezahnspannung der Dreieckwelle ist dabei positiv oder negativ, und zwar in Abhängigkeit von der Polarität des dem negativen Eingangsanschluß des integrierenden Verstärkers 7 zugeführten Rechteckwellen-Eingangssignals im Vergleich zu der Polarität der dem positiven Eingangsanschluß 12 zugeführten

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Spannung, wie dies oben erläutert worden ist. (Eine positive Steigung bzw. Neigung wird hier definiert als Verlauf eines Signals mit in bezug auf die Zeit größer werdendem Wert, und eine negative Steigung bzw. Neigung wird hier definiert als der Verlauf eines Signals mit in bezug auf die Zeit abnehmendem Spannungswert. ) Ist daher das dem negativen Eingangsanschluß des Integrators 7 zugeführte Spannungssignal in bezug auf die dem positiven Eingangsanschluß des Integrators 7 zugeführte Spannung positiv, so besitzt die Steigung der Ausgangs-Sägezahnspannung einen negativen Verlauf und umgekehrt,

Im folgenden sei ein erster Zeitpunkt betrachtet, d.h. der Zeitpunkt, zu dem der Verbindungs- bzw. Schaltungspunkt 11 auf Erdpotential liegt (bezüglich der Steuerspannung ist angenommen, daß sie Null ist). Ferner sei angenommen, daß die Dreieckwelle am Ausgang des Verstärkers 7 zu diesem Zeitpunkt positiv ist. Da das Ausgangssignal des Verstärkers im Vergleich zum Eingangssignal am nichtinvertierenden Eingangsanschluß des Vergleichers positiv ist, ist auch das Ausgangssignal des Vergleichers 9 positiv, da nämlich das Ausgangssignal des Verstärkers 7 dem positiven nichtinvertierenden Eingangsanschluß des Vergleichers 9 zugeführt wird. Darüber hinaus hält zu diesem Zeitpunkt das positve Ausgangssignal des Vergleichers 9 die Schalter 5 und 6 in einer solchen Stellung, daß der Ausgang bzw. Anschluß 25 des Schalters 6 über den Widerstand R2 geerdet ist und daß der Ausgang bzw. Anschluß 24 des Schalters 5 mit der die stabilisierte Plus-Gleichspannung V_ führenden Anschlußklemme verbunden ist. Die Widerstände R3, R5 und R8 sind im Vergleich zum Widerstand R2 sehr groß, und die Wirkung der Steuereingangsspannung V₀ an dem Anschluß 27 ist als vernachlässigbar angenommen. Deshalb führt in diesem Zustand der Schaltungspunkt 11 im wesentlichen Erdpotential. Der

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Schalter 5 gibt die positive Spannung V₀ an den Widerstand R7, dem Eingangswiderstand andern negativen Eingangsanschluß des integrierenden Verstärkers 7 ab. Der positive Eingangsanschluß 12 dieses Verstärkers liegt auf dem niedrigeren "scheinbaren Erd"-Potential V_a/2. Damit besitzt die Verstärkerausgangsspannung einen negativen Verlauf. Demgemäß verläuft die Ausgangsspannung des Integrators 7 zu Erdpotential hin, bei dem es sich um den Schwellwertpegel am Verbindungspunkt 11 handelt. Wenn diese Sägezahnspannung durch den Schwellwertspannungspegel am Schaltungspunkt bzw. Verbindungspunkt 11 läuft (der betreffende Schwellwertpegel ist zu diesem Zeitpunkt nominell Null), erfährt der Vergleicher 9 eine Zustandsänderung, da nämlich die seinem positiven Eingangsanschluß zugeführte Spannung in bezug auf die Spannung, die an seinem negativen Eingangsanschluß liegt, negativ wird. Wenn der Vergleicher seinen Zustand ändert, ändert sich seine Ausgangsspannung am Ausgang 10 von dem vorhergehenden hohen Wert (+5 V) auf seinen niedrigen Wert (Null Volt), wobei die betreffende Spannung der Steuerleitung 15 des Schaltelements 4 zugeführt wird und dabei auch eine gleichzeitige Zustandsänderung der Schalter 5 und 6 bewirkt.

Nunmehr sei ein zweiter Zeitpunkt betrachtet, der unmittelbar nach dem Zustandswechsel des Schaltelements 4 liegt, wie er oben erläutert ,worden ist. In diesem Zusammenhang sei bemerkt, daß der Schalteranschluß 24 des Schalters 5 nunmehr über den Widerstand R1 geerdet ist und daß der Schalteranschluß 25 des Schalters 6 nunmehr mit dem Schaltungspunkt 2 verbunden ist und damit die Plus-Gleichspannung V₀ führt. Damit erfährt der Schaltungspunkt 11, der zuvor Erdpotential geführt hat, nahezu augenblicklich

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eine Zustandsänderung von Erdpotential zu dem positiven Potential V^. Dieser Vorgang bewirkt, daß der Schwellwertspannungspegel des Vergleichers 9 auf einen neuen Pegelwert eingestellt wird. Da der am negativen Eingang des integrierenden Verstärkers 7 liegende Widerstand R7 augenblicklich geerdet worden war, ist die dem am negativen Eingang des integrierenden Verstärkers 7 liegenden Widerstand zugeführte Spannung nunmehr negativ im Vergleich zu der Spannung am Verbindungspunkt 12, also in bezug auf die Spannung, die dem positiven Eingangsanschluß des Verstärkers 7 zugeführt wird. Deshalb erhält die Ausgangs-Dreieckspannung des Integrators 7, die zuvor einen negativen Verlauf hatte, nunmehr einen positiven Verlauf, und die Ausgangsspannung beginnt wieder zurückzugehen. Wenn diese zu positiven Werten hin laufende Sägezahnspannung den Spannungspegel der am Schaltungspunkt 11 vorhandenen neuen Schwellwertspannung durchläuft, schaltet das Vergleicherausgangssignal am Ausgang 10 von seinem niedrigen Zustand in seinen hohen Zustand um, und die Periode ist beendet. Das Umschalten des Vergleicherausgangssignals von einem Pegel zu einem anderen Pegel und zurück stellt eine Periode des gewünschten Rechteckwellen-Oszillatorausgangssignals dar.

Unter Außerachtlassung von Hardware-Unvollkommenheiten und der Frequenzsteuerspannung V ist zu bemerken, daß die Nennfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators lediglich durch die Werte der Bauelemente R7 und C8 oder durch die RC-Konstante des Integrators 7 bestimmt ist. Diese Zeitkonstante bestimmt die Geschwindigkeit des Anstiegs oder Abfalls der Sägezahnspannung. Für die Stabilität eines spannungsgesteuerten RC-Oszillators ist es gewöhnlich erforderlich, daß die Anstiegs- oder Abfallgeschwindigkeit der Sägezahnspannung sich

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nicht mit der Temperatur oder Zeit ändert. Die Anstiegsoder Abfallgeschwindigkeit der Dreieckspannung könnte jedoch durch Veränderungen in der Bezugsspannung V oder der Impedanzen der Schaltkreise 4 beeinflußt werden. Diese Spannung oder Impedanzen könnten sich ihrerseits mit der Temperatur und Zeit ändern, und zwar auf Grund der in Halbleiterelementen, wie den MOSFET-Schaltern 5 und 6 und der ZENER-Diode D1 , auftretenden Veränderungen. Im Hinblick auf Fig. 1 sei jedoch bemerkt, daß jegliche Aufwärts- oder Abwärts-Änderung der durch die ZENER-Diode gesteuerten Bezugsspannung V_ die Schwellwertspannung des Vergleichers 9 um denselben Betrag ändert, um den die Steigung bzw. Neigung der Ausgangs-Dreieckspannung des Integrators 7 geändert wird. Damit bewirken Änderungen in der ZENER-Spannung keine Änderung der Schwingungsperiode* Sind die Widerstände der MOSFET-Schalter 5 und 6 gleich, so ändern sich die Schwellwertspannungen und die Steigungen bzw. Verläufe der Dreieckspannungen gleichartig.

Damit haben Temperaturänderungen, die Veränderungen der Bauelementkennlinien hervorrufen, eine sehr geringe Auswirkung auf die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators.

Um einen relativ einfachen und relativ billigen spannungsgesteuerten Oszillator aufzubauen, ist es wünschenswert, Bauteile zu verwenden, die kommerziell erhältlich sind. So kann z.B. ein LM311-Vergleicher als Vergleicher 9 verwendet werden, und ein LM307-Verstärker kann als intergrierender Verstärker 7 verwendet werden. Bei beiden Bauelementen handelt es sich um solche, die von der Firma National Semiconductor Corporation kommerziell erhältlich sind.

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Diese Bauelemente bzw. Einrichtungen weisen jedoch einen gewissen Vorstrom, Versetzungsstrom und eine Versetzungsspannung auf.(Im Hinblick auf Operationsverstärker mit einer Versetzung bzw. Abweichung bzw. Verschiebung sei auf die Druckschrift "FairchildSemiconductor Linear Integrated Circuit Application Handbook" von James M. Giles, 1967» hingewiesen.) Jegliche Versetzung bzw. Verschiebung des Operationsverstärkers würde zu einer gewissen Änderung der Sägezahnspannung führen, da nämlich eine Gleichspannungskomponente am Ausgang geliefert würde. Deshalb müssen die Auswirkungen einer derartigen Verschiebung bzw. Versetzung kompensiert werden. In diesem Zusammenhang sei z.B. der Fall betrachtet, daß irgendein Vorstrom , der am Verbindungspunkt 12 erforderlich ist, eine Belastung hervorruft, derzufolge ein Strom durch die Widerstände R4 und R.6 fließt. Dadurch würde sich im allgemeinen die Spannung an dem Schaltungspunkt 12 ändern. Darüber hinaus würde jeder Strom, der von dem negativen Eingang des Operationsverstärkers 7 benötigt wird, dieselbe Wirkung zur Folge haben, d.h. er würde zum Fließen eines Gleichstroms durch den Widerstand R7 führen, wodurch sich die Sägezahnspannung etwas ändern würde. Um diese Wirkung zu kompensieren, ist eine aus den Widerständen R4 und R6 bestehende Parallelschaltung gebildet, die gleich dem Wert des Widerstands R7 ist. Auf diese Weise würden somit die Wirkungen jeglicher fließender Vorströme ausgeglichen werden. Da diese Ströme am Eingang in derselben Richtung auftreten würden, wären die dem invertierenden Eingangsanschluß und dem nicht invertierenden Eingangsanschluß des Verstärkers zugeführten resultierenden Spannungen gleich. Die betreffenden Spannungen würden sich daher hinsichtlich ihrer Wirkungen auf das Ausgangssignal aufheben. Neben der Eliminierung der Auswirkungen

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von Verschiebe- bzw. Versetzungsströmen wirken die Widerstände R4 und R6 ferner als Spannungsteiler, die die V /2-Spannung liefern, die, wie oben beschrieben, an den Verbindungspunkt 12 abgegeben wird.

Die Wirkungen von Verschiebe- bzw. Versetzungsspannungen und Verschiebe- bzw. Versetzungsströmen in dem Verstärker 7 und dem Vergleicher 9 sind zum größten Teil oder gänzlich aufgehoben, und zwar auf Grund der Tatsache, daß die betreffenden Wirkungen während der Anstiegs- und Abfällflanken der Rechteckwelle entgegengesetzt zueinander arbeiten.

Nachdem die Stabilitätsforderungen des spannungsgesteuerten Oszillators nahezu bzw. weitgehend erfüllt sind, sei betrachtet, wie die Frequenz durch Anwendung einer Steuerspannung V_a gesteuert oder geändert wird.

Mit Rücksicht'auf die obigen Ausführungen ist zu bemerken, daß zuvor gezeigt worden ist, daß die Ausgangsspannung des Integrators 7 eine Rechteck-Sägezahnspannung ist, deren Frequenz durch geeignete Wahl der RC-Konstante vorgewählt werden kann. Diese Signalform wird dadurch erzeugt^ daß eine Rechteckwelle oder rechteckige Spannung an einen mit dem negativen Eingangsanschluß des integrierenden Verstärkers verbundenen Widerstand abgegeben wird. Es ist ferner gezeigt worden, daß die Schwellwertspannung des Vergleichers 9 an dem Verbindungspunkt 11 eingestellt werden kann, indem der Schaltungspunkt 11 entweder geerdet wird oder indem der betreffende Schaltungspunkt mit einex· positive Spannung abgebenden Spannungsklemme verbunden wird, die die Gleichspannung V liefert. Zur Frequenzsteuerung des spannungsgesteuerten

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Oszillators ist es lediglich erforderlich, die Zeitspanne der Periode T zu ändern, d.h. der Periode zwischen Zustandsänderungen des Vergleichers 9· Um die Zeitspanne zwischen Zustandsänderungen des Vergleichers 9 zu ändern, kann die Größe der Vergleicher-Schwellwertspannung geändert werden, und zwar entweder zu höheren oder niedrigeren Werten hin. Diese Schwellwertspannungsänderung würde dazu führen, daß die Ausgangssägezahnspannung des integrierenden Verstärkers 7 den Schwellwert entweder zu einem früheren oder späteren Zeitpunkt durchlaufen würde, da nämlich der wertmäßige Abstand zwischen den beiden Spannungen in Abhängigkeit von der Steuerspannung V größer oder geringer ist. Zurückkommend auf die in der Zeichnung dargestellte Schaltung sei bemerkt, daß die Steuerspannung V_ der Steuereingangsklemme 27 zugeführt wird und daß diese Spannung durch den Spannungsteiler 33 geteilt wird. Der Spannungsteiler 33 besteht, wie zuvor beschrieben, aus einem Widerstand R8 und dem Widerstand R2 . Diese beiden Widerstände sind an dem Schaltungspunkt 20 miteinander verbunden, wobei der Widerstand R8 außerdem mit der Steuereingangsklemme 27 verbunden ist und wobei der Widerstand R2 außerdem geerdet ist. Demgemäß ruft der Schaltungspunkt 20 eine geringe Spannungsänderung hervor, die eine lineare Funktion der Steuereparmung ist. Es sei deshalb zum Zwecke der Veranschaulichung angenommen, daß der Schalter 6 geschlossen ist, so daß der Verbindungspunkt 11 mit dem Verbindungspunkt 20 verbunden ist. Durch Ändern der Steuerspannung an der Steuereingangsklemme 27 kann der Spannungsschwellwertpegel am Schaltungspunkt 11 in positiver oder negativer Richtung geändert werden. Wird, ebenfalls zum Zwecke der Veranschaulichung angenommen, der Verbindungspunkt 11 ein wenig negativer gemacht, so benötigt eine zu

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negativen Werten hin laufende Sägezahnspannung des Integrators 7 eine längere Zeitspanne, um diese Schwellwert- ' spannung zu erreichen und zu durchlaufen. Damit wird die Periode oder das Zustandsänderungsintervall des Vergleichers ein wenig länger, weshalb die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators kleiner wird. Eine Umkehr der Polarität der Steuerspannung V würde zu einer Erhöhung der Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators führen.

Claims (1)

1. Patentansprüche

   1. Spannungsgesteuerter Oszillator, dadurch gekennzeichnet,

   a) daß eine Vergleichereinrichtung (9) vorgesehen ist, die einen intern erzeugten Spannungspegel mit einem Schwellwertspannungspegel vergleicht,

   b) daß mit der Vergleichereinrichtung (9) eine Spannungspegel-Änderungseinrichtung (7, CB) verbunden ist, die den Schwellwertpegel periodisch von einem bestimmten Pegel auf einen anderen bestimmten Pegel augenblicklich zu ändern gestattet, und

   c) daß mit der Spannungspegel-Änderungseinrichtung (?, C8) und der Vergleichereinrichtung (9) eine Steuereinrichtung (33) verbunden ist, die die Periode der Schwellwert Spannungsänderung zu ändern gestattet.

   2. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Spannungspegel-Änderungseinrichtung (7, C8) und der Vergleichereinrichtung (9) eine Rechteckwellen-Generatoreinrichtung (30, 4) verbunden ist, die eine Rechteckwellenspannung erzeugt.

   3. Oszillator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungspegel-Änderungseinrichtung (7, C8) ein Integrator ist, der die Rechteckwellenspannung integriert und an seinem Ausgang eine Dreieckwellen-Spannung abgibt.

   4. Oszillator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleicher (9) ein Operationsverstärker mit einem invertierenden und einem nichtinvertierenden Eingangsanschluß und einem Ausgangsanschluß ist und

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   daß die Rechteckwellen-Spannung dem nichtinvertierenden Eingangsanschluß des Vergleichers (9) zugeführt ist.

   5. Oszillator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungspegel-Änderungseinrichtung durch elektronische Schalter gebildet ist, die ,auf die Dreieckwellen-Spannung und die Schwellwertspannung hin den Schwellwertspannungspegel von einem bestimmten Pegelwert auf einen anderen bestimmten Pegelwert umzuschalten gestatten.

   6. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (3 3) eine Spannungseinstelleinrichtung (R8, R2) enthält, die in Abhängigkeit von einer Eingangssteuerspannung den bestimmten Schwellwertspannungspegel einzustellen gestattet.

   7. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Vergleichereinrichtung (9) und der Spannungspegel-Änderungseinrichtung (7, C8) Einrichtungen (31,32) verbunden sind, die an die Vergleichereinrichtung (9) und an die Spannungspegel-Änderungseinrichtung (7> C8) ein scheinbares Erdpotential anzulegen gestatten.

   8. Oszillator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Vergleichereinrichtung (9) und der Spannungspegel-Änderungseinrichtung (7, C8) eine Speisespannungseinrichtung (30) verbunden ist, die eine im wesentliche konstante Gleichspannung erzeugt, und daß die scheinbar Erdpotential liefernden Einrichtungen (31, 32) Spannungsteiler umfassen, welche die genannte Gleichspannung auf die Hälfte ihres Wertes teilen.

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   Spannungsgesteuerter Oszillator, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,

   a) daß eine Vergleichereinrichtung (9) vorgesehen ist, die einen Integrator-Ausgangsspannungspegel mit einem Eingangsschwellwertspannungspegel zu vergleichen gestattet,

   b) daß eine Rechteckwellen-Spannungsgeneratoreinrichtung (30, 4) mit der Vergleichereinrichtung (9) verbunden ist und eine Rechteckwellen-Spannung erzeugt,

   c) daö mit der Vergleichereinrichtung (9) und der Rechteckwellen-Generatoreinrichtung (30, 4) eine Integratoreinrichtung (7, CB) verbunden ist, die durch die Rechteckwellen-Generatoreinrichtung (30, 4) gesteuert die Rechteckwellen-Spannung integriert und eine Dreieck-Säge zahnspannung mit einer bestimmten Steigung abgibt,

   d) daß Steigungs-Änderungseinrichtungen (33) vorgesehen sind, die die Steigung der Sägezahnspannung von positiven zu negativen Werten und umgekehrt zu ändern gestatten und die mit der Vergleichereinrichtung (9),der Integratoreinrichtung (7, C8) und der Rechteckwellen-Generatoreinrichtung (30, 4) verbunden sind,

   e) daß Spannungsänderungseinrichtungen (9, 15) vorgesehen sind, die in Abhängigkeit von der Rechteckspannung und dem Schwellwertspannungspegel im wesentlichen gleichzeitig den Schwellwertspannungspegel von einem bestimmten Pegelwert auf einen anderen bestimmten Pegelwert zu ändern gestatten und die mit der Vergleichereinrichtung (9)ι der Integratoreinrichtung (7, C8), der Rechteckwellen-Generatoreinrichtung (30, 4) und der Steigungs-Änderungseinrichtung (33) verbunden sind,

   f) daß Einrichtungen vorgesehen sind, die der Vergleichereinrichtung (9) und der Integratoreinrichtung (7i C8) ein scheinbares Erdpotential liefern, und

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   g) daß Spannungseinstelleinrichtungen (33) vorgesehen sind, die auf eine EingangsSteuerspannung hin den bestimmten Schwellwertspannungspegel einzustellen gestatten und die mit der Vergleichereinrichtung (9) verbunden sind.

   10. Verfahren zur elektrischen Änderung der Frequenz eines elektronischen Oszillators, insbesondere gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß elektrische Schwingungen einer bestimmten Frequenz dadurch erzeugt werden,

   a) daß ein Schwellwertspannungspegel geschaffen wird und

   b) daß der Schwellwertspannungspegel von einem bestimmten Spannungspegel auf einen anderen bestimmten Spannungspegel im wesentlichen augenblicklich umgeschaltet wird, und daß die Periode des Umschaltens des Schwellwertspannungspegels beim Übergang von einem bestimmten Pegel auf einen anderen bestimmten Pegel dadurch elektronisch geändert wird, daß

   • die Größe der bestimmten Schwellwertpegel elektronisch verändert wird.

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