DE2342712C3

DE2342712C3 - Method for improving the frequency accuracy of relaxation oscillators

Info

Publication number: DE2342712C3
Application number: DE19732342712
Authority: DE
Inventors: Rudolf; Eisl Engelbert; 8000 München Dietl
Original assignee: H03K 3^5
Filing date: 1973-08-23
Publication date: 1976-09-23

Description

zwischen zwei Kennlinienpunkten einen fallenden Um nun sicherzustellen, daß die Periode der vonbetween two points of the characteristic curve a falling To ensure that the period of

Verlauf aufweist, d. h. bei dem eine negative Wider- den Relaxationsoszillatoren erzeugten SchwingungenHas course, d. H. in which a negative resistance relaxation oscillators generated vibrations

standscharakteristik vorliegt Dies ist beispielsweise der durch die Sollfrequenz vorgegebenen entspricht,level characteristic is present This is, for example, the one given by the setpoint frequency,

bei einem Unijunktionstransistor gegeben. Es kann werden die Relaxationsoszillatoren durch Impulse,given with a unijunction transistor. It can be the relaxation oscillators by pulses,

auch eine 2Lusammenschaltung eines normalen pnp- 5 die von einem Generator mit höherer Frequenzkon-also a 2L interconnection of a normal pnp- 5 from a generator with a higher frequency con-

und eines npn-Transistors verwendet werden, in der stanz als die der Relaxationsoszillatoren stammen,and an npn transistor can be used in the instance as those of the relaxation oscillators,

jeweils der Kollektor des einen mit der Basis des an- synchronisiertthe collector of one of them is synchronized with the base of the

deren Transistors direkt verbunden ist und in der die Derartige Impulse sollen beispielsweise von dem Basis des pnp-Transistors und der Kollektor des npn- Generator G, der z. B. einen stabilisierten Quarz-Transistors mit dem Verbindungspunkt der beiden 10 generator darstellt, geliefert werden. Für den Fall, Widerstände einer Widerstandsreihenschaltung ver- daß die Frequenz des Quarzgenerators nicht mit der bunden sind, deren äußere Klemmen dann den beiden Sollfrequenz der durch ihn zu steuernden Relaxations-Basisklemmen des Unijunktionstransistors entspre- oszillatoren übereinstimmt, wird die Ubereinstimchen. Die durch die Zusammenschaltung der beiden mung mit Hilfe von z. B. digitalen Frequenzteilern T Transistoren sich ergebende Kennlinie weist dann »5 hergestellt. Die so entstehenden Impulse müssen nun, zwischen zwei ausgezeichneten Punkten, nämlich bevor sie den einzelnen Relaxationsoszillatoren RO1 crem Höcker- und einem Talpunki, einen Bereich bis ROn über die jeweiligen VorwiderständeRv 1 negativen Widerstandes auf. Auf Grund dieser bis Rv η zur Überlagerung mit der schaltungsinternen Kennliniencharakteristik ist nun die Arbeitsweise des Schwellspannung zugeführt werden, in eine derartige Relaxationsoszillators folgende: ao Signalform umgewandelt werden, daß sich ein posi-whose transistor is directly connected and in which the such pulses should, for example, from the base of the pnp transistor and the collector of the npn generator G, the z. B. a stabilized quartz transistor with the connection point of the two 10 generator is to be delivered. In the event that the resistors of a resistor series circuit are not linked to the frequency of the quartz generator whose outer terminals then correspond to the two setpoint frequencies of the relaxation base terminals of the unijunction transistor which are controlled by it, the corresponding oscillators. The by the interconnection of the two mung with the help of z. B. digital frequency dividers T transistors resulting characteristic curve then has »5 produced. The impulses thus produced must now, between two marked points, namely before they reach the individual relaxation oscillators RO 1 crem hump and a valley point, a range up to ROn via the respective series resistors Rv 1 of negative resistance. On the basis of this up to Rv η for superimposition with the circuit-internal characteristic curve, the operating mode of the threshold voltage is now fed into such a relaxation oscillator as follows: ao signal form is converted so that a positive

Über den Widerstand R wird der Kondensator C tiver und daran anschließend ein negativer Anteil eraufgeladen, wobei die beiden Transistoren T10 und gibt. Derartige Impulse können beispielsweise jeweils T 20 zunächst gesperrt sind, da das Potential am Ver- eine Rechteckform aufweisende C?opelimpulse sein, bindungspunkt des Widerstandes R und des Konden- bei denen sich an die Abfallflanke des positiven Teils sators C wesentlich niedriger ist als das Potential am 35 unmittelbar der negative Teilimpuls anschließt.
Verbindungspunkt der beiden Widerstände R1 und Da die Breite des negativen Anteils des Synchroni- R 2. Da der Aufladungsvorgang des Kondensators C sierimpulses unkritisch ist lassen sich aus den von durch einen bei gesperrten Transistoren T10 und dem Generator G bzw. dem Teiler T abgegebenen Γ 20 noch fließenden Transistorreststrom zusätzlich Impulsen unmittelbar Impulse ableiten, die durch beeinflußt wird, ist es zweckmäßig, den Emitter des 30 ihre Form für die Synchronisation innerhalb eines Transistors T10 über die Diode D mit dem Verbin- vorzugebenden Bereichs geeignet sind, da bei ihnen dungspunkt von Widerstand R und Kondensator C der erforderliche Polaritätswechsel gegeben ist.
zu verbinden, da dadurch der Sperrstrom begrenzt Führt man nämlich z. B. die vom Generator G und somit dessen Einfluß auf die Oszillatorfrequenz bzw. Teiler T abgegebenen Rechteckimpulse einem herabgesetzt wird. Überschreitet die Spannung am 35 Synchronisierverstärker SV zu, der bei einer Vielzahl Kondensator C die dem Höckerpunkt entsprechende von Oszillatoren ohnehin benötigt wird, um die entschal tungs interne Schwellspannung Us der Transistor- sprechende Leistung zur Verfugung zu stellen, so schaltung, so wird der pnp-Transistor Γ10 leitend kann man bei einer geeigneten Bemessung am Aus- \ind liefert seinerseits einen Basisstrom für den npn- gang eine Impulsfolge abnehmen, bei der die einzel-Transistor Γ 20, so dieser ebenfalls leitend wird und 40 nen Impulse die in der F i g. 1 gezeigte Form aufdas Potential am Verbindungspunkt der beiden Wi- weisen. Durch die im Block SV dargestellte Grundderstände R1 und R 2 absenkt. In einem sprunghaft schaltung für einen derartigen Verstärker entsteht vor sich gehenden Mitkopplungsvorgang gelangen nämlich über die Kopplung mit dem Kondensator C beide Triinsistoren in den Sättigungszustand. Der ein negativer Anteil, da der Transistor T 2 der VerKondensator C entlädt sich nun über die beiden 45 Stärkerschaltung bei der Rückflanke des Rechteck-Transistoien, wodurch nach Unterschreiten der den impulses kurz ausgesteuert wird, so daß sich an den Talpunkt entsprechenden Spannung der Transistor- Rechteckimpuls unmittelbar ein negativer Impulsschaltung die Transistoren wieder in den Sperrzu- anteil mit einer Nadelimpulsform anschließt. An stand gelangen. Mit jedem Sperren de: Transistoren Stelle der Rechteckimpulse würden sich auch Impulse beginnt der Vorgang von neuem, so daß eine Schwin- 50 anderer Signalform, z. B. Sägezahnimpulse eignen,
gung erzeugt wird. Die Ausgangsimpulse des Verstärkers werden nunThe capacitor C is charged via the resistor R , followed by a negative component, with the two transistors T 10 and T being charged. Such pulses can, for example, initially be blocked at T 20, since the potential at the connection is a square-shaped cylinder, the connection point of the resistor R and the capacitor, where the falling edge of the positive component C is significantly lower than the potential the negative partial pulse immediately follows at 35.
The connection point of the two resistors R 1 and Da is the width of the negative portion of the synchronizing R 2. Since the charging process of the capacitor C sierimpulses is uncritical, the output from the transistors T 10 and the generator G or the divider T output by a blocked transistor T 10 Γ 20 still flowing transistor residual current in addition to impulses directly derive impulses, which is influenced by, it is appropriate to give the emitter of the 30 their shape for the synchronization within a transistor T 10 via the diode D with the connec- tion area to be given, as with them At the connection point of resistor R and capacitor C, the required polarity change is given.
to connect, since this limits the reverse current. B. the square-wave pulses emitted by the generator G and thus its influence on the oscillator frequency or divider T is reduced. If the voltage to the 35 synchronizing rectifier SV, the circuit corresponding to the cusp point corresponding required by the oscillators in any case at a plurality of capacitor C to the entschal tung internal threshold voltage Us to provide the transistor speaking performance for disposal, so, so is the pnp Transistor Γ10 conductive, with a suitable dimensioning at the output, in turn, a base current for the npn output can be taken from a pulse sequence in which the single transistor Γ 20, so this is also conductive, and 40 ne pulses that are in the F i G. 1 on the potential at the connection point of the two Wi- ways. Lowered by the basic resistances R 1 and R 2 shown in block SV. In an abrupt circuit for such an amplifier, a positive feedback process arises namely, via the coupling with the capacitor C, both triinsistors reach the saturation state. The one negative part, since the transistor T 2, the capacitor C is now discharged via the two 45 stronger circuits at the trailing edge of the square-wave transistor, which means that the pulse is briefly controlled after the voltage drops below the level, so that the voltage of the transistor- Square pulse, a negative pulse circuit connects the transistors back into the blocking component with a needle pulse shape. Get to stand. With each locking de: transistors place the square-wave pulses, pulses would start again, so that a Schwin- 50 other waveform, z. B. sawtooth pulses are suitable,
generation is generated. The output pulses from the amplifier are now

Zur Begrenzung des Entladestroms auf einen zu- über den Koppelwiderstand Rk und dem der gleichlässigen Wert kann in Reihe zu deai Kondensator C strommäßigen Trennung dienenden Kondensator Ck im Entladekreis ein Widerstand vorgesehen werden, den einzelnen Relaxationsoszillatoren zur Uberlageder dann zusammen mit dem Kondensator C die- 55 rung mit der schaltungsinternen Schwellspannung Us jenige Zeit bestimmt, während der die Transistoren zugeführt. Dies erfolgt jeweils über einen Vorwiderleitend sind. stand jRv, über die der Synchronisierbereich für jedenTo limit the discharge current to a supply via the coupling resistor Rk and the same translucent value current segregation serving capacitor Ck, a resistor may be provided in the discharge circuit in series with deai capacitor C, the individual Relaxationsoszillatoren to Uberlageder then DIE together with the capacitor C 55 tion with the circuit-internal threshold voltage Us that determines the time during which the transistors are supplied. This is done in each case via a pre-emptive. stood jRv, over which the sync range for each

Die Periode der erzeugten Schwingung ist nun ab- Generator einzeln eingestellt werden kann,The period of the generated oscillation is now from - the generator can be set individually,

hängig von verschiedenen Einflüssen. Einige Einflüsse Die Wirkungsweise dieser Überlagerung für diedependent on various influences. Some influences the effect of this superposition for the

auf die Genauigkeit des Relaxationsoszillators, wie 60 Synchronisierung der Oszillatoren wird durch dieon the accuracy of the relaxation oscillator, how synchronization of the oscillators is done by the 60

sie z.B. durch die Temperaturgänge der einzelnen Fig.2veranschaulicht.it is illustrated e.g. by the temperature curves of the individual Fig. 2.

Bauelemente gegeben sind, können weitgehend korn- Der Schaltpunkt eines Relaxationsoszillators wirdComponents are given, can largely grain The switching point of a relaxation oscillator is

pensiert werden. Darüber hinaus haben auch nicht erreicht, wenn die Spannung am frequenzbestimmen-be retired. In addition, have also not achieved when the voltage on the frequency-determining

ausregelbare und nicht kompensierbare Fehler, die den Kondensator die interne Schaltschwelle Us über-controllable and non-compensable errors that cause the capacitor to exceed the internal switching threshold Us

z. B. infolge der Toleranzen der Temperaturkoeffi- 65 schreitet. Für den Fall, daß die Eigenfrequenz derz. B. due to the tolerances of the temperature coefficient 65 increases. In the event that the natural frequency of the

zienten bzw. infolge zeitlicher Inkonstanz von Bau- Sollfrequenz entspricht, würde dies zum Zeitpunkt f₀ cient or as a result of the temporal inconsistency of the target building frequency, this would occur at time f ₀

elementen auftreten, Einfluß auf die Frequenzgenauig- erfolgen. Durch die bereits geschilderten Einflüsse aufelements occur, influence on the frequency accuracy. Due to the influences already described

des Relaxationsoszillators. die Frequenzgenauigkeit eines Relaxationsoszillatorsof the relaxation oscillator. the frequency accuracy of a relaxation oscillator

kann nun der tatsächliche Schaltzeitpunkt gegenüber chronisiert. Der vorzugebende Synchronisierbereichthe actual switching time can now be chronologically compared. The synchronization range to be specified

dem Sollschaltzeitpunkt verschoben sein. Ohne be- kann durch die Amplitude c der jeweiligen Absenkungbe shifted to the target switching time. Without loading, the amplitude c of the respective lowering can be used

sondere Maßnahmen würde dann beispielsweise die der Schwellspannung, durch die Amplitude α der An-Special measures would then, for example, be those of the threshold voltage, through the amplitude α of the

Kondensatorspannung bereits vorzeitig entsprechend hebung sowie durch die Variation der Impulsbreite b Capacitor voltage already raised prematurely as well as by varying the pulse width b

der Ladungskurve /1 zum Zeitpunkt t_t oder bei einem 5 beeinflußt werden.the charge curve / 1 at time t _t or at a 5 can be influenced.

Ladespannungsverlauf entsprechend der Kurve /2 zu Die Breite der Absenkung der Schwellspannung ist einem späteren Zeitpunkt t₂ die interne Schwellspan- unkritisch und muß nur ein sicheres Schalten aller zu nung überschreiten. Um nun die Frequenzgenauigkeit synchronisierenden Generatoren gewährleisten. Die von Relaxationsoszillatoren zu erhöhen, wird der in- Amplitude der Absenkung bestimmt den Synchroniternen Schwellspannung jeweils ein mit der Sollfre- io sierbereich für Relaxationsoszillatoren mit gegenüber quenz des Relaxationsoszillators auftretender Syn- der Sollfrequenz zu niedriger Frequenz. Der Synchronisierimpuls überlagert. Dieser Impuls kann ein chronisierbereich für Oszillatoren mit gegenüber der Doppelimpuls oder wie in der Fig. 2 gezeigt, jeweils Sollfrequenz zu hoher Eigenfrequenz wird durch die ein aus der Verstärkung des Rechteckimpulses ge- Amplitude α und die Breite b der Anhebung der wonnener und neben dem positiven Teilimpuls einen 15 Schwellspannung bestimmt. Innerhalb des Synchronegativen Teilimpuls aufweisender Synchronisierim- nisierbereichs stimmt also der Schaltzeitpunkt mit puls sein. dem Sollschaltzeitpunkt f₀ überein. Wird der Syn-Durch die Anhebung der Schwellspannung wird chronisierbereich durch eine Abweichung über- oder das vorzeitige Erreichen des Schaltpunktes verhin- unterschritten, d. h. in einem solchen Fall würde die dert. Durch die Absenkung der Schwellspannung wer- 20 Kurve der Ladespannung des Kondensators oberden die Relaxationsoszillatoren zum Schalten ge- oder unterhalb der den Bereich festlegenden Kurven zwungen. Es werden also sowohl Relaxationsoszilla- /1 oder /2 liegen, so reißt die Synchronisierung ab, toren mit gegenüber der Sollfrequenz zu hoher als und der gestörte Generator schwingt mit seiner Eigenauch zu niedriger Eigenfrequenz phasengleich syn- frequenz weiter.Charging voltage curve according to curve / 2 to The width of the lowering of the threshold voltage is not critical to the internal threshold voltage at a later point in time t ₂ and all that needs to be exceeded is safe switching of all voltages. In order to now ensure the frequency accuracy synchronizing generators. To increase that of relaxation oscillators, the amplitude of the decrease is determined. The synchronization pulse is superimposed. This pulse can be a chronisierbereich for oscillators with opposite the double pulse or as shown in Fig. 2, each set frequency to high natural frequency is determined by the amplitude α from the amplification of the square pulse and the width b of the increase in and next to the positive Partial pulse determined a 15 threshold voltage. Thus, within the synchronizing range having the synchronous negative partial pulse, the switching time corresponds to the pulse. corresponds to the target switching time f ₀ . If the syn- By increasing the threshold voltage, the chronising range is exceeded by a deviation or the switching point is not reached prematurely, ie in such a case the change would be made. By lowering the threshold voltage, the curve of the charging voltage of the capacitor above the relaxation oscillators is forced to switch above or below the curves defining the range. So there will be relaxation oscillations - / 1 or / 2, so the synchronization breaks off, gates with too high as compared to the setpoint frequency and the disturbed generator continues to oscillate with its own frequency, which is also too low, in phase synfrequency.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

1 2 laxation oscillator compared to the free-swinging patent claims: changes the state in such a way that, for example, it is slightly below the minimum frequency of this span-

1. Procedure for improving the frequency source is located.

Accuracy of relaxation oscillators, where 5 It is the object of the invention to improve the switching of the frequency accuracy of a relaxation oscillation internal threshold voltage, which determines the switching time, by means of an oscillator, preferably a group of relaxation oscillators, compared to the relaxation oscillator with an oscillators of the same target frequency,
This is achieved in that the threshold voltage source is supplied and synchronized with the desired frequency of the ion voltage of each relaxation oscillator due to the oscillator it is characterized by the fact that the threshold voltage (Us) of a subsequent lowering of the threshold voltage of each relaxation oscillator is made due to the.

15 The relaxation oscillators thus reach the Gedert is that first an increase and then accuracy of the controlling generator higher Frean a lowering of the Schwellspan- quenz Konstanz, as z. B. a stabilized quartz coating is made. generator if the natural frequency of the re-

2. The method according to claim 1, characterized in that relaxation oscillators by the change indicates that the synchronization influencing the synchronization range ao of the switching threshold predetermined Amplitude of the increase or range. This means an increase or decrease Lowering through the choice of the superimposition of the threshold voltage by the controlling synchronous ends Resistance is changeable. nisierimpulse occurs, these must be immediate

have successive polarity changes. 35 Since the width of the lowering is not critical,

such a double impulse to one, immediately

by amplifying a controlling square-wave pulse in an appropriately designed synchronizing amplifier momentum to be gained at which

In telephone systems for billing 30 the negative portion takes the form of a needle pulse for a long-distance connection the principle of the time pulse has, simplify.

counting applied. During the process, the superimposition of the

talk as a function of the distance between the circuit-internal threshold voltage with the syndes Participants are counting pulses with a chronisierimpulsen suitable pulse shape thus determined time cycle on the fee 35 so simultaneously oscillators with opposite the target registration device of the calling subscriber to high frequency as well as oscillators. Particularly with regard to the expansion compared to the setpoint frequency to a low frequency phader required counting cycles and synchronized for taking into account the same. By raising the possible fee changes are univer- Threshold voltage is e. premature reaching of the Rope clock generators are desirable in which such a switching point prevents the oscillators. Through the term adjustment can easily be made. Lowering the threshold voltage is the switching Im In contrast to the mechanical cam timing point of the relaxation oscillators, compulsorily pre-machines is given when using electronic. The amplitude of the increase or the down-counting clocks such a customization lowering the threshold voltage, of which the former given to a far greater extent. 45 the synchronization range for the oscillators with

If relaxation is to be used in electronic clock generators and the latter the synchronization range for the onsoscillators, it can be necessary to use oscillators with a natural frequency that is too low the long-term constancy of the resistance can be specified,
to improve. Due to non-adjustable and non-compensable errors, for example in the positive component of the synchronizing pulse due to the tolerances of the temperature coefficients, there is also a change in the synchronizing range for or as a result of a strong scatter of certain parameters of the oscillators compared to the Natural frequency to components occur and the accuracy of the high frequency is possible.

The natural frequency of the oscillator can be influenced by the natural frequency of the oscillator. With reference to the drawing, the invention is described in more detail below in the oscillator from the desired setpoint frequency. It shows
give way. The switching point in time of a relaxation oscilloscope Fig. 1 determines the mode of operation of the invention.

lator, which is always achieved when the span- descriptive circuit diagram of an exemplary embodiment, tion of the frequency-determining F i g contained in it. 2 is a timing diagram of the capacitor's switching point the in-circuit threshold voltage 60 influencing voltages.

exceeds, is therefore contrary in such a case. 1 are a group with RO 1 to RO η

shifted above the target switching time. called relaxation oscillators whose fre-

It is well known that a relaxation sequence accuracy is to be improved. A relaxation oscillator, whose basic circuit is shown as a 65 for the oscillator RO 1 compared to the relaxation oscillator, contains a voltage source with high frequency constancy between the poles of a supply voltage source Hezu to synchronize. In a known arrangement, the resistor-capacitor series circuit is low, and for this purpose the oscillation frequency of the Re- is linked to a switching element whose characteristic curve