DE2344879A1

DE2344879A1 - Amplitudenstabiler oszillator mit geringer verzerrung

Info

Publication number: DE2344879A1
Application number: DE19732344879
Authority: DE
Inventors: Joseph Lodewijk Mari Reijnders
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1972-09-19
Filing date: 1973-09-06
Publication date: 1974-03-28
Also published as: FR2200676B1; FR2200676A1; US3873943A; IT994263B; NL7212655A; JPS4970559A; SE384113B

Description

PHN.6517. Va/EVH.

Dip!.-Ing. Heinrich Hartmann

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Atres PHU- 6517
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Amplitudenstabiler Oszillator mit geringer Verzerrung

Die Erfindung bezieht sich auf einen Oszillator mit geringer Verzerrung, der mit frequenzselektiven Mitteln, einer mit diesen verbundenen Verstärkerschaltung und einer träge wirkenden Amplitudenregelung versehen ist, wobei durch Entdämpfung des frequenzselektiven Mittel Sinusschwingungen mit einer bestimmten Amplitude auftreten.

Die frequenzselektiven Mittel können Zwei- oder Dreipolnetzwerke sein, die für eine bestimmte Frequenz einen charakteristischen Punkt in ihrem Amplituden- und/oder Phasendiagramm aufweisen. Dadurch, dass dieser Punkt benutzt und ein Verstärker mit einem bestimmten Verstärkungsfaktor an diese frequenzselektiven Mittel angeschlossen wird, können Schwingungen erzeugt und beibehalten werden, deren Frequenz

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der Frequenz entspricht, die zu dem genannten charakteristischen Punkt in dem Amplituden- oder Phasendiagramm gehört.

Auf diese Weise erzeugt ein Parallel-LCR-Kreis mit seiner Resonanzfrequenz nach wie vor eine Schwingung, wenn der Verstärker den Kreis entdämpft, was bedeutet, dass die dämpfende Wirkung des Widerstandes R vom Verstärker beseitigt wird. Auch wird eine Schwingung bei einer RC-Brückenschaltung aufrechterhalten, die unter der Bezeichnung Wien-Brücke bekannt ist, wenn ein Verstärker zwischen dem Brückenmittelpunkt und den Brückenspeisungspunkten angeordnet wird. Bei einer bestimmten Frequenz weist die Spannung, die dem Brückenmittelpunkt entnommen werden kann, die grösste Amplitude und eine Phase Null in bezug auf die Brückenspeisespannung auf. Auch 1st es bekannt, drei RC-Netzwerke hintereinander anzuordnen, so dass eine Phasenverschiebung von 3 χ 60° für eine Frequenz erhalten wird, oder zwei Netzwerke mit je einer Phasenverschiebung von 90° für eine Frequenz zu kombinieren, Verstärkerelemente mit einem Rückkopplungskreis verschieben die Phase nochmals um 180° _t so dass bei genügender Verstärkung eine Schwingung aufrechterhalten wird.

Ein sich bei jedem Oszillator des obenbeschriebenen Typs ergebendes Problem besteht in der Wahl der Stabilität, die auf Kosten einer geringen Verzerrung der erzeugten Sinusschwingung eingestellt werden muss.

Aus der bereits beschriebenen Schwingungsbedingung wird keine Information über die Amplitude der Sinusschwingung erhalten. Durch geringe Aenderungen in den Einzelteilen der

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Schaltung, im wesentlichen im Verstarker, wird die Schwingung abklingen oder stets grosser werden. Um einen festen Wert der Amplitude zu erhalten, soll ein Regelkreis vorhanden sein. Es ist üblich, zu diesem Zweck Amplitudenbegrenzungskreise zu verwenden, die meistens die amplitudenbegrenzenden Eigenschaften des Verstärkers selber benutzen. Auch Regelverstärker finden Anwendung, deren Verstärkung von einem Komparator eingestellt wird, der die gleichgerichtete Ausgangsspannung des Oszillators mit einem Bezugswert vergleicht.

Auch ist es bekannt, die Gegenkopplungskreise im Verstarker mit veränderlichen Widerständen zu versehen, die auf den Spitze-Spitze-Wert einer Sinusschwingung oder auf den Nutzwert durch Wärmeentwicklung ansprechen. Ein Beispiel einer solchen Oszillatorschaltung ist in der deutschen Patentschrift 926.857 von Gerhard Ciamann und Werner Grahnet beschrieben.

In "Hewlett-Packard Journal", Heft 11, Nr. 8 - 10, April - Juni 1960, wird im Artikel "The effect of ,u-circuit non-linearity on the amplitude Stability of RC-oscillators" eine Massnahme angegeben, mit deren Hilfe die Oszillatoramplitude mittels der NichtlinearitMt des Verstärkers im Einstellpunkt stabilisiert wird, welcher Einstellpunkt von einem wärmeempfindlichen Gegenkopplungswiderstand im Verstärker eingestellt wird.

Die beiden Veröffentlichungen zeigen eine Oszillatorschaltung mit einer tragen Regelung des Einstellpunktes und einer schnellen Regelung mittels einer nichtlinearen Verstärkung

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in der Nähe dieses Einstellpunktes.

Die Erfindung basiert auf dem Gedanken, dass dieses Prinzip auch, mit der linearen Verstärkung rund den Einstellpunkt angewandt werden kann, so dass die Vorteile einer guten Amplitudenstabilitat sowohl für langsame als auch für schnelle Aenderungen und einer sehr geringen Verzerrung der erzeugten Sinusschwingung erhalten werden.

Zu diesem Zweck werden eine Anregung mit einer Quelle von Hilfsschwingungen der zu erzeugenden Frequenz und ein linearer Verstarker benutzt.

Ein Oszillator der eingangs genannten Art ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkerschaltung für augenblickliche Aenderungen linear eingestellt ist und einen Verstärkungsfaktor aufweist, der kleiner als der benötigte Verstärkungsfaktor für Entdämpfung ist, und dass der Oszillator eine Quelle von Hilfsschwingungen derselben Frequenz wie die Sinusschwingungen und mit einer konstanten Amplitude enthält, die an die Verstärkerschaltung angeschlossen ist und den Wert und die Stabilität der Amplitude der Sinusschwingungen in Zusammenarbeit mit der träge wirkenden Amplitudenregelung mitbestimmt.

Bei einer Ausführungsform wird die Quelle von Hilfsschwingungen mit Frequenzinformation von dem Ausgang des Oszillators her gespeist und liefert die Quelle ihre Information in Form einer amplitudenbegrenzten positiven Rückkopplung an die Verstärkerschaltung,

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Quelle

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von Hilfsschwingungen ein augenblicklicher Begrenzer, der aus einem mit dem Ausgang des Oszillators verbundenen Vorschaltwiderstand und zwei gegensinnig parallel angeordneten Dioden besteht, über denen eine blockförmige Spannung auftritt, die die Oszillatorfrequenz und eine nahezu konstante Amplitude aufweist. Diese Spannung wird als Anregung in positiv rückkoppelndem Sinne einem Eingang der Verstärkerschaltung zugeführt.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 blockschematisch eine bekannte Oszillatorschaltung,

Fig. 2 die charakteristische Ausgangsspannung-Eingangsspannung der Verstärkerschaltung nach Fig. 1,

Fig. 3 einen bekannten Oszillator mit einer Regelung mit positivem Temperaturkoeffizienten, Fig. h das zu Fig. 3 gehörende Diagramm,

Fig. 5 einen bekannten Oszillator mit Spitzendetektionsregelung,

Fig, 6 das zu Fig. 5 gehörende Diagramm, Fig. 7 eine Oszillatorschaltung nach der Erfindung,

Fig. 8 ein zu einem Oszillator nach der Erfindung gehöriges Diagramm, und

Fig, 9 einen Wien-Brückenoszillator nach der Erfindung,

In Fig. 1 ist mit Blöcken angegeben, wie ein Oszillator vom bekannten Typ aufgebaut ist. Der Block 1 stellt die frequenzselektiven Mittel dar, deren Anschluss 7 mit der Masse des Oszillators verbunden ist. Die Verstärkerschaltung 2, die

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aus einem Verstarker 3 mit Eingängen 9 und 10 und einem Ausgang 11 besteht, ist mit den frequenzselektiven Mitteln verbunden, zu welchem Zweck ein Speisungspunkt 6 mit dem Ausgang 11 und ein Detektionspunkt 8 mit einem Eingang 9 verbunden ist. Die Verstärkerschaltung 2 weist einen fest eingestellten Verstärkungsfaktor G auf, der im wesentlichen durch die Widerstände k und 5 bestimmt wird, die als Spannungsteiler mit dem Ausgang 11 und mit der Masse verbunden sind, während der Verbindungspunkt mit dem Eingang 10 verbunden ist. Der Oszillator besitzt zwei Ausgangsklemmen 12 und 13» die mit dem Ausgang 11 bzw, mit der Masse verbunden sind. Die zugehörigen Speiseanordnungen des Verstärkers 3 sind nicht näher dargestellt»

In Fig. 2 ist die zu dem Oszillator nach Fig. 1 gehörige Kennlinie dargestellt. Der Effektivwert der Ausgangsspannung V ist als Ordinate aufgetragen, während die Eingangsspannung ^±» ^wi-^e sie am Detekt±onspunkt 8 auftritt und dem Eingang 9 geliefert wird, als Abszisse aufgetragen ist. Eine gerade Linie 14 vom Koordinaten-Nullpunkt aus gibt an, wie das Verhältnis V_u/V_± ist, wie es durch die Mittel 1 bei der Oszillatorfrequenz gegeben wird. Wenn angenommen wird, dass die Phase von V und V. richtig und gleich der der Oszillatorschaltung nach Fig. 1 sein wird, soll diese Phase 18O° oder 360° sein und muss die Verstärkung G der Verstärkerschaltung ebenfalls gleich V /V. sein, wenn im Oszillator eine Schwingung erzeugt werden soll. Theoretisch kann in diesem Falle eine Amplitude der Sinusschwingungen erreicht werden, die z.B.

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durch den Punkt P auf der Linie 14 in Fig, 2 gegeben ist. Praktisch werden jedoch sehr geringe Abweichungen von der Verstärkung G Aenderungen des Wertes V herbeiführen,wie auf der Linie i4 in der Richtung 16 oder in der Richtung 15 angegeben ist.

Für eine Amplitudenstabilisierung ist es erwünscht, den Punkt P auf der Linie Ik festzulegen.

Zu diesem Zweck wird in Fig. 3 von dem Blockschaltbild der Fig. 1 ausgegangen, wobei der Widerstand 5 als ein Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) ausgebildet ist.

Fig. k zeigt das zugehörige Diagramm. Wie in Fig. 2 wird die Schwingungsbedingung durch die Linie \h dargestellt. Der Verstärkungsfaktor G der Verstärkerschaltung 2 wird durch die Kurve 17 gegeben. Bei kleinen Aussteuerungen ist G zu gross, so dass der Oszillator jedenfalls zu oszillieren beginnen wird. Bei zunehmender Spannung V wird der PTC-Widerstand in Fig. wärmer, so dass sein Widerstandswert zunimmt, wodurch die durch die Widerstände h und PTC 5 bestimmte Gegenkopplung grosser wird und die Verstärkung G abnimmt. Wie in Fig. k dargestellt ist, schneidet die Kurve 17 die Linie 14 im Punkt P und stabilisiert sich somit die Amplitude der Spannung V · Zur Illustrierung zeigt Fig. 5 ein anderes Regelsystem, bei dem wieder von dem Blockschaltbild nach Fig. 1 ausgegangen wird. Die Spannung V_u wird z.B. von der Diode 18 gleichgerichtet, die den Kondensator 20 über den Begrenzungswiderstarid bis zu dem Spitzenwert von V auflädt. Die erhaltene Gleich-

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spannung am Kondensator 20 wird einem Eingang 21 eines !Comparators 22 zugeführt, der diese Spannung mit einer Bezugsspannung V _ an einem Eingang 26 vergleicht. Je nach dem Unterschied gibt der Komparator 22 ein Signal an den Ausgang ab, mit dem ein Regeleingang 2k des Verstärkers 3 verbunden ist. Der Verstärkungsfaktor G der Verstärkerschaltung 2 wird also derart geregelt, dass eine nahezu konstante Ausgangsspannung V erhalten werden kann. Dies ist in Fig. 6 durch die Kurve 27 dargestellt, die von einer Anfangsverstärkung an in waagerechter Richtung abgebogen wird und, gleich wie in Fig. k, die Linie 14 im Einstellpunkt P schneidet. In Fig. 5 ist mit einer gestrichelten Linie 25 angegeben, dass auch veränderliche Widerstände statt eines festen Widerstandes 5 verwendet werden können. Der Verstärker 3 benötigt in diesem Falle den Regeleingang 2k nicht und kann also einfach aufgebaut und z.B. als Bauelement in Form eines Operationsverstärkers ausgebildet sein. Meistens werden lichtempfindliche Widerstände oder Transistoren, wie Feldeffekttransistoren, als veränderliche Widerstände verwendet.

Ein Nachteil der Oszillatorschaltungen nach den

Fig. 3 und 5 besteht darin, dass die Regelung sehr träge wirkt. Für langsame Aenderungen spricht die Regelung an, aber für schnelle Aenderungen kann sich V auf die in Fig. 2 mit den Linienteilen 15 und 16 angegebene Weise ändern. Lösungen für dieses Problem werden in den bereits erwähnten Veröffentlichungen beschrieben. In den Fig. k und 6 der vorliegenden Anmeldung ist mit einer gestrichelten Linie 28 angegeben, welche

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Ergebnisse mit den bekannten Lösungen erzielt werden. Infolge der eingeführten Nichtlinearitäten in der Verstärkerschaltung verlaufen schnelle Aenderungen nicht gemäss der Linie 14, sondern gemäss der Linie 28» Der Vertärkungsfaktor nimmt bei grösserer Aussteuerung ab. Dies hat zur Folge, dass Verzerrung der erzeugten Sinusschwingungen auftritt.

Wenn in bezug auf eine geringe Verzerrung (in der

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Grössenordnung von 10 bis 10 ; strenge Anforderungen gestellt werden, auch die Spannung V konstant sein soll und beim Umschalten der Frequenzbereiche schnell die richtige eingestellte Frequenz erreicht werden muss, schafft die Erfindung eine Oszillatorschaltung, von der Fig. 7 ein Blockschaltbild und Fig. 9 ein ausgearbeitetes Schaltbild zeigt. Für Fig. 7 wird von dem Blockschaltbild nach den Fig. 3 oder ausgegangen. Die träge Regelung ist symbolisch mit dem Block dargestellt. Zum Ausarbeiten des Erfindungsgedankens ist in Fig. 7 die Quelle von Hilfsschwingungen 29 hinzugefügt, die ein Signal in der richtigen Phase und mit konstanter Amplitude dem Eingang 30 des Verstärkers 3 zuführt. Es ist auch möglich, zu diesem Zweck einen der Eingänge 9 oder 10, abhängig von der Phase, zu verwenden.

Die Quelle von Hilfsschwingungen, deren Frequenz gleich der der zu erzeugenden Schwingungen ist, kann auch passiv sein. Dazu ist die Linie 31 in Fig. 7 dargestellt, die eine Verbindung zwischen dem Ausgang des Verstärkers 3 und der Quelle zum Zuführen von Frequenzinformation zeigt.

Ein einfacher Wien-Brückenoszillator, der die Mittel

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nach der Erfindung enthält, ist in Fig. 9 dargestellt. Der frequenzselektive Teil 1 ist aus einem Kondensator 34 in Reihe mit dem Widerstand 35 aufgebaut, mit welcher Reihenschaltung die Parallelschaltung des Widerstandes 36 und des Kondensators 37 in Reihe geschaltet ist. Die Verstärkerschaltung 2 enthält den Verstärker 3 und Gegenkopplungswiderstände und 5» von denen der Widerstand 4 als ein NTC-Widerstand (Widerstand mit negativem Temperatürkoeffizienten) ausgebildet ist. Die Wirkungsweise ist gleich der der Schaltung nach Fig. 3» Die Quelle von Hilfsschwingungen 29 ist aus einem Vorschaltwiderstand 38 in Reihe mit zwei gegensinnig parallel geschalteten Dioden 39 und 4o aufgebaut. Die Quelle wird mit der Spannung V gespeist. Die begrenzte rechteckförmige Spannung, die über den Dioden erhalten wird, wird über den Widerstand 41 in positiv rückkoppelndem Sinne dem Eingang 9 des Verstärkers zugeführt und bildet somit eine Anregung mit konstanter Amplitude, Beim Einschalten des Oszillators wirkt dieser zunächst auf gleiche Weise wie der Oszillator nach Fig. 3 mit dem zugehörigen Diagramm nach Fig. 4. Sobald jedoch die Begrenzung über die Dioden 39 und 40 in Fig. 9 bei zunehmender Spannung V stattfindet, verschiebt sich die Kurve der Fig. 4.

Die Verschiebung erfolgt in einer Richtung nach links. In Fig. 8 ist dies mit der Kurve 42 mit dem gestrichelten Teil 43 dargestellt. Ebenso lässt sich sagen, dass eine bei der Schaltung nach Fig. 5 angewandte Anregung die Kurve 27 in Fig. 6 ebenfalls nach links verschieben wird. Während ursprünglich

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der Oszillator nach Fig, 3 im Punkt P nach Fig. 4 eingestellt war, stellt sich der Oszillator nach Fig. 9 infolge der Anregung auf einen anderen Punkt P auf der Kurve 42 der Fig, 8 ein. Der Punkt P der Fig. 4 ist auf der Kurve 42 mit P¹ bezeichnet.

Die träge Regelung des Oszillators wird also wieder durch die Kurve 42 dargestellt, während man für die schnellen Aenderungen der geraden Linie 44 folgt, die die Linie 14 für die Schwingungsbedingung im Punkt P schneidet. Die Linie 44 stellt also die Verstärkung G des Verstärkers 3 für schnelle AmplitudenMnderungen dar, G ist jedoch kleiner als der Wert, der aus der Schwingungsbedingung folgen würde, die durch die Linie 14 dargestellt ist.

Wie in der bekannten Literatur bereits bemerkt wurde, hat eine kleine Nichtlinearität eine erhebliche Verbesserung der Amplitudenstabilität zur Folge, Es ist also nicht notwendig, eine so stark herabgesetzte Neigung zu wählen, wie sie die Kurven 28 und 44 in den Fig. 4 und 6 und 8 aufweisen. Für den Oszillator nach der Erfindung ist es also nicht erforderlich, eine grosse Anregung zu wählen. Für die Schaltung nach Fig. 9 genügt eine Anregungsspannung von 1 bis y% der Eingangsspannung durchaus, um in Verbindung mit dem linear eingestellten Verstärker 3 und trotz der Blockform der Anregungsspannung eine Verzerrung in der Grossenordnung

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von 10 bis 10 zu ergeben»

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE t

1 ./ Oszillator mit geringer Verzerrung, der mit frequenzselektiven Mitteln, einer mit diesen verbundenen Verstärkerschaltung und einer träge wirkenden Amplitudenregelung versehen ist, wobei durch Entdämpfungder frequenzselektiven
Mittel Sinusschwingungen mit einer bestimmten Amplitude erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkerschaltung (3) für augenblickliche Aenderungen linear eingestellt ist und einen Verstärkungsfaktor aufweist, der kleiner als der für Entdämpfung benötigte Verstärkungsfaktor ist, und dass der Oszillator eine Quelle (2°) von Hilfsschwingungen
derselben Frequenz wie die Sinusschwingungen und mit konstanter Amplitude enthält, die an die Verstärkerschaltung angeschlossen ist und den Wert und die Stabilität der Amplitude der Sinusschwingungen in Zusammenarbeit mit der träge wirkenden Amplitudenregelung mitbestimmt,
2. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle von Hilfsschwingungen mit einem Eingang an
einen Ausgang der Verstärkerschaltung und mit einem Auegang an einen Eingang der Verstärkerschaltung angeschlossen ist. 3· Oszillator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle von Hilfsschwingungen einen Widerstand enthält, der einerseits an den Eingang der Quelle und andererseits an zwei gegensinnig parallel geschaltete Dioden angeschlossen ist, die mit der Masse des Oszillators verbunden
sind, symmetrisch wirken und augenblicklich begrenzen, während der Verbindungspunkt des Widerstandes und der Dioden mit dem Ausgang der Quelle von Hilfsschwingungen verbunden ist.

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