DE2356726A1 - Frequenzkonstanter sinuswellenoszillator - Google Patents

Description

GTE Laboratories Inc., U.S.A. ^{8> Nqv}" ¹³⁷³

GTE-PA 7

PATENTANMELDUNG

Frequenzkonstanter Sinuswellenaszillator

Die Erfindung betrifft einen frequenzkonstanten Sinuswellenoszillator mit einer Einrichtung zur Steuerung der Reaktanz des abgestimmten Oszillatorkreises.

Das allgemeine Verfahren zum Steuern der Frequenz eines Sinusoszillators beruht in der Steuerung der Reaktanz des abgestimmten Oszillatorkreises. In einer Art eines Oszillators läßt man einen Quadraturstrom durch einen Induktivitäts-Kapazitäts- bzw. LC-Stromkreis unter der Kontrolle eines Verstärkers mit variabler Verstärkung fließen* Indem man die Verstärkung des Verstärkers elektronisch variiert, wird die Menge des Quadraturstromes variiert' und die Schwingungsfrequenz ändert sich dementsprechend. Diese Art von Oszillator ist verstärkungsempfindlich, indem die. Frequenzsteuerung von der Stabilität und Linearität der Verstärkereigenschaften abhängt. Eine zweite Art eines Oszillators mit variabler Frequenz bzw. eines Durchstimmoszillators benutzt eine Vorrichtung mit variabler Reaktanz, z.B. eine Diode mit Sperrvor-

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spannung oder einen regelbaren Induktor, im abgestimmten üszi1latorkreis. Diese Art von Schaltung ist typischerweise ein Schmalbandoszillator, da variable Breitbandreaktanzen im Handel.nicht verfügbar sind. Zusätzlich wird deshalb ein Analogsignal verwendet, um die Reaktanz zu variieren, weshalb der Schaltkreis empfindlich gegenüber Amplitude und Verstärkung ist.

Die Amplituden- und Verstärkungsempfindlichkeit der beiden oben erwähnten Durchstimmoszillatoren führt leicht zu. Frequenzänderungen während des Betriebs.

Es ist eine Aufgabe einen stabilen Sinusoszillator zu schaffen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines stabilen Oszillators, welcher bei verschiedenen diskreten Frequenzen über ein Frequenzband wirksam arbeitet.

Eine weitere Aufgabe liegt in der Schaffung eines Oszillators mit Anpassungsimpedanz zur Erzielung einer maximalen Signalübertragung.

Ferner ist eine weitere Aufgabe die Verwendung einer Amplitudenstabilisierung zur Gewährleistung eines niedrigen Verzerrungspegels.

Der Erfindung lagen diese Aufgaben zugrunde.

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Diese werden für den Gattungsbegriff erfindungsgemäß nach dem Kennzeichen des Hauptanspruchs gelöst.

Weitere.Ausgestaltungen der Erfindung sind den Kennzeichen der Unteransprüche zu entnehmen.

Die sich aus der Erfindung und den Ausgestaltungen gemäß den Ansprüchen ergebenden Vorteile werden erst dann ganz verständlich sein, wenn sie gemeinsam mit den Arbeitsbedingungen eines frequenzstabilexi Sinuswellenoszillators, der in seiner Rückkopplungsschleife eine Verzögerungsleitung für Oberflächenschallwellen als Reaktanz verwendet, erklärt werden. Dies geschieht nachfolgend.

Die spezielle Betriebsfrequenz des erfindungsgemäßen Oszillators hängt ab vom gleichzeitigen Vorhandensein einer Verstärkung von mehr als der Einheit Eins und einer Phasenverschiebung gleich einer ganzen Zahl mal 2ίΓ Radianten ( 2η1Γ, wobei η = 1,2 usw.) über die Rückkopplungsschleife. Diese Bedingungen können auf zwei verschiedene Weisen erfüllt werden. Erstens kann die Verstärkung des Verstärkers zur Überwindung des Verlustes in der Verzögerungsleitung nur bei einer Frequenz eingestellt werden, welche gleich oder nahe der Frequenz der maximalen Übertragung der Verzögerungsleitung ist und für welche eine ganze Zahl von Wellenlängen an der Leitung vorhanden ist. Zweitens können die Resonanzfrequenz

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eines abgestimmten Kreises in der Rückkopplungsschleife und die Verstärkung des Verstärkers so eingestellt sein, daß die Schleifenverstärkung auf die Finheit Eins oder mehr als Eins bei einer anderen Frequenz innerhalb des Durchlaßbandes der Verzögerungsleitung beschränkt wird, für welche eine ganze Zahl von Wellenlängen an der Leitung vorhanden ist.

Die Betriebsfrequenz kann auch verändert werden, indem man die Geschwindigkeit der Oberflächenwellen ändert, zum Beispiel durch Änderung der Umgebungstemperatur.

Die Betriebsfrequenz des Oszillators wird somit hier von der Verzögerungsleitung für Oberflächenschallwellen gesteuert.

Die spezielle Betriebsfrequenz kann entweder bei der oder nahe der Frequenz der maximalen Übertragung der Oberflächenschallwellenvorrichtung liegen oder innerhalb des Bandpasses der Oberflächenschallwellenvorrichtung durch einen äußeren Schwingkreis hoher Güte eingestellt sein.

In jedem Fall muß eine ganze Zahl von Oberflächenschal.lwel lenlängen an der Leitung bei der Betriebsfrequenz vorhanden sein.

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Ist die Kreisresonanz mit der Frequenz in Übereinstimmung, welche zur Bildung einer ganzen Zahl von Schallwellenlängen an der Leitung erforderlich ist, so wird eine stabile Schwingung erzeugt. Die Trennung bzw. der Abstand zwischen benachbarten Schwingungsfrequenzen wird bestimmt durch die Leitungslänge (Anzahl an Wellenlängen auf der Leitung) und tritt ein, wenn der Wellflenlängenuntersc>hied mal der Anzahl von Wellenlängen einer vollen Periode entspricht. Da die Phasenverschiebung von Oberflächenschallwellenvorrichtungen unabhängig von der Verstärkung der aktiven, darin verwendeten Vorrichtungen ist, besitzen die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Oszillatoren eine gute Frequenzstabilität.

Der vorliegende Oszillator umfaßt'eine Reihenresonanzschaltung. Im Oszillator ist die Oberflächenwellenverzögerungsleitung zwischen den Ausgang eines Verstärkers geschaltet, der zwei Stufen umfaßt. Der Verstärker und die Verzögerungsleitung sind so miteinander verbunden, d,.iß ein Betrieb mit geschlossener Schleife ermöglicht wird. Damit eine Schwingung stattfinden kann, müssen die Erfordernisse erfüllt sein, daß die Phasenverschiebung gleich einer ganzen Zahl von 2 ίΓ Radianten und daß die Gesamtschleifenverstärkung höher als Eins ist. Dementsprechend kann zum Beispiel eine Stufe des Verstärkers in Kollektorschaltung sein, während die zweite Stufe des Verstärkers in Basisschaltung ist. Eine Gesamtphasenverschiebung von Null ergibt sich aus der nicht invertierenden.

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eine breite Verstärkung aufweisenden Eigenschaft dieser S'tufen. Die Spannungsverstärkung wird vom Verstärker van der Stufe in Basisschaltung geliefert, um die Signalabschwächung der Gberflächenschallwellenvorrichtung zu überwinden. Bei dieser Arbeitsweise wird die Schwingungsfrequenz annähernd von der Resonanzfrequenz (der Frequenz des akustischen Gleichlaufs bzw. der maximalen Energieübertragung) bestimmt. Eine stabile sinusförmige Schwingung kann deshalb nahe einer Synchronirequenz der Oberflächenschallwellenvorrichtung erreicht werden.

Eine weitere Ausführungsform, nämlich ein Mehrstufenfrequenzoszillator, kann erhalten werden, wenn der KollektorabschluBwiderstand (collector load) der Verstärkerstufe in Basisschaltung durch einen abgestimmten Kreis- hoher Güte bzw= LC-abgestimmten Kreis ersetzt wird, der bei einer Freouenz innerhalb des breiteren Durchlaßbandes der Verzögerungsleitung schwingt. Die Abstimmung des LC Schwingkreises führt zu einer stabilen Schwingung, wenn die Kreisresonanz mit der Frequenz übereinstimmt, welche zur Bildung einer ganzen Zahl von Qberflächenschallwellenlängen an der Leitung erforderlich ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Auf Grund eines Studiums der nachfolgenden Beschreibung in Zusammenhang mit den Zeichnungen werden die oben

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erwähnten Aufgaben der Erfindung besser verstanden und weitere Ziele und Vorteile sichtbar werden.

In den verschiedenen Figuren der Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen die gleichen Teile.

Figur 1 ist ein Blockdiagram.a ?ür einen Oszillator gemäß der vorliegenden Erfindung.

Figur 2 ist ein Blockdiagramm einer Abwandlung des Oszillators von Fig. 1

Figur 3 ist ein Blockdiagramm einer weiteren Abwandlung des Oszillators von Fig. 1

Figur 4 ist ein Blockdiagramm einer weiteren Abwandlung des Oszillators von Fig. 1

Figur 5 zeigt in einem Grundriß eine in der Vorrichtung von Figoi verwendete Verzögerungsleitung für Oberflächenschallwellen.

Figur B zeigt in einem graphischen Diagramm die Übertragungsfunktion einer Verzögerungsleitung für Oberflächenschallwellen sowie des Verstärkers,

Figur 7 zeigt ein Schaltbildschema eines Oszillatorkreises.

Figur ß zeigt ein Schaltbildschema· einer Abwandlung des Oszillatorkreises von Fig. 7.

-B-

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Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Im folgenden wird eine bevorzugte Form des Apparates zur Erzeugung stabiler sinusförmiger elektrischer Gignale durch Verwendung einer Verzögerungsleitung für Dberflächenschallwellen gemäß der Erfindung
beschrieben.

Die Aufmerksamkeit wird auf Fig. 1 gelenkt, in
welcher der grundlegende Oszillator gemäß der Erfindung schematisch veranschaulicht ist. Der Verstärker 10 erzeugt ein Ausgangssignal, das an den Eingang der Verzögerungsleitung 11 für die Oberflächenschallwellen gelegt ist. Anfänglich umfaßt das Ausgangssignal an den Anschlußstellen 6 ein
breites Frequenzspektrum, das heißt Geräusch. Die Arbeitsweise der Verzögerungleitung wird weiter
unten ausführlicher beschrieben. Das Ausgangssignal am Ausgang 8 der Schallwellenverzögerungsleitung 11 wird dann an den Eingang 9 des Verstärkers 1D gelegt, in dem das Signal verstärkt
und dann wieder an den Eingang 7 der Verzögerungsleitung 11 gelegt wird. Signale mit Frequenzen, für welche sowohl die Schleifenverstärkung größer als Eins und die Phasenverschiebung der Verzögerungsleitung 11 eine ganze Zahl von· 2 Radianten ist, nehmen mit jedem Durchlaufen der Schleife zu. Nur bei diesen Frequenzen kann die Schleife stabile
Schwingungen aufrechterhalten und am Ausgang 12 der

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Schleife die geforderte sinusförmige Schwingung abgeben·

Die oben beschriebene Arbeitsweise ist typisch für ein Rückkopplun^ssy stern mit geschlossener Schleife. Lter in einem solchen System verwendete Verstärker 1Π sollte in der Lage sein, eine Gesamtschleifenverstärkung von mehr als Eins im Betriebsbereich zu liefern, um die Signalabschwächung in der Schleife zu überwinden, die hauptsächlich auf Grund der Verluste der Verzögerungsleitung für die Qberflächenschallwellen verursacht wird. Ferner sollte der Verstärker 10 ein linearer, nicht invertierender Typ sein, um eine Phasenverschiebung vom Eingang 9 des Verstärkers zum Eingang 7 der Verzögerungsleitung zu vermeiden. Der im werklichen Betrieb verwendete Verstärker kann deshalb eine ein- oder mehrstufige Vorrichtung sein, welche zur Lieferung einer Schleifenverstärkung von mehr als Eins bei einer Phasenverschiebung von Null imstande ist. Ein solcher '" .· !.."irker kann aus einer Vielfalt von Kombinationen .!in entweder Festkörper- oder Vakuumröhren-Bauelementen hergestellt sein,und ein Beispiel eines typischen Verstärkers ist im folgenden beschrieben.

Eine Abwandlung des oben erwähnten grundlegenden Oszillators ist in Fig. 2 gezeigt, in der zwischen den Eingang 9 des Verstärkers 1Π und den Ausgang 8 der Verzögerungsleitung 11 ein abstimmbarer Schwingkreis 15 geschaltet ist. Der Schwingkreis 15 kann von herkömmlicher Konstruktion sein, wie z.B. ein LC-Typ. Die Einbeziehung des Schwingkreises erlaubt

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eine größere Flexibilität und Kontrolle über die Frequenzabgabe des Oszillators. Der Schwingkreis besitzt vorzugsweise ein hohes Q, das innerhalb des Breitbandpasses der Verzögerungsleitung abgestimmt sein kann. Auf Grund der Eigenschaften der (weiter unten besprochenen) Verzögerungsleitung kann der Oszillator mit einer Anzahl von diskreten Frequenzen arbeiten.

Eine weitere Abwandlung des grundlegenden Oszillators ist in Fig. 3 gezeigt, in der zwischen den Schwingkreis 15 und die Verzögerungsleitung 11 ein Impedanzanpassungskreis 17 geschaltet ist. Der Impedanzanpassungskreis 17 umfaßt im wesentlichen induktive Elemente, um zu kompensieren und mit der kapazitiven· Beschaffenheit der Verzögerungsleitung in Resonanz zu sein. Ein darartiger Anpassungskreis liefert die maximale Signalübertragung von der und durch die Verzögerungleitung.

Eine weitere Abwandlung des grundlegenden Oszillators wird ferner in Fig. 4 gezeigt, in der zwischen den Ausgang R des Verstärkers 1Π und dem Ausgang 8 der Verzögerungsleitung 11 eine Begrenzerschaltung 20 geschaltet ist. Die Begrenzerschaltung 20 umfaßt einen Gleichstromvorspannungssteuerkreis und eine Diode. Eine derartige Begrenzerschaltung liefert eine Amplitudenstabilisierung, um einen niedrigen Verzerrungspegel am Ausgang des Oszillators zu gewährleisten.

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nie Beschreibung der Erfindung befaßt sich nun rn.it einer Besprechung der oben erwähnten und in Fig. 5 dargestellten Verzögerungsleitung 11 für Qberflächenscha!!wellen. Das Eingangssignal ist am Eingang 7 an ei-n Eingangswandlersystem 3D angeschlossen, welches mit einer größeren Fläche eines Körpers aus piezoelektrischem Material, der die Form eines Trägers 31 basitzt und akustische Oberflächenwellen Porpflanzen kann, mechanisch verbunden ist. Ein Ausgangsabschnitt bzw. ein zweiter Abschnitt der gleichen Fläche des Trägers 31 ist wiederum mit einem Ausgangswandlersystem 32 mechanisch verbunden. Das Ausgangssdgnal wi.rd über das Ausgangswandlersystem 32 gebildet.Die Wandler 3D und 32 sind in ihrer einfachsten Anordnung je aus einem. Paar von kammartigen Elektrodenreihen hergestellt. Die Streifen der leitenden Elemente des einen Kammes greifen zwischen die Streifen des anderen Kammes in jedem Paar. Die Elektroden bestehen aus einem Material wie Gold oder Aluminium, das auf eine glatt geläppte und polierte Fläche des piezoelektrischen Körpers im Vakuum aufgedampft worden sein kann. Das piezoelektrische Material, wie z.B. PZT C= Blei-Zirkonat-Titanat), Quarz, Lithiumniobat, Lithiumtantalat, ZnO, ZnS oder CdS, kann akustische bzw. Schallwellen fortpflanzen. Die Entfernung zwischen den Achsen der zwei aufeinanderfolgenden Streifen in jeder Reihe beträgt die Hälfte der Schallwellenlänge eines Signals, für welches man eine maximale Ansprechempfindlichkeit in jeder Reihe erzielen will.

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Eine direkte piezoelektrische Oberflächenwellen-Umsetzung wird durch die räumlich periodischen
Doppelkamm-Elektroden des Wandlers 3D erreicht.
Ein periodisches elektrisches Feld wird erzeugt,
wenn ein Signal am Eingang 7 den Elektroden zugeführt und durch piezoelektrische Kopplung das
elektrische Signal im Träger 31 in eine wandernde
Oberflächenschallwelle umgewandelt wird.. Das tritt
ein, wenn die Dehnungskomponenten, welche vom ■
elektrischen Feld im piezoelektrischen Träger erzeugt werden, im wesentlichen den Dehnungskomponenten angepaßt sind, welche dem Dberflächenwellentyp zugeordnet sind. Die im Träger 31 als Reaktion auf die Erregung
des Wandlers 30 durch das Eingangssignal entstehenden Oberflächenwellen werden am Träger entlang an den
Ausgangswandler 32 übertragen, wo sie in die jeweiligen elektrischen Ausgangssignale umgeformt werden, die am Ausgang B überlagert sind. In einer typischen Ausführungsform einer Verzögerungsleitung unter Verwendung von PZT-6A als piezoelektrischen Träger sind die
Γ,+:reifen des Eingangswandlers 3G ca. 2/1000 Zoll (entspr. 0,051 mm] breit und um ca. 2/1000 Zoll voneinander getrennt. Der Abstand zwischen dem Eingangswandler 30
und dem Ausgangswandler 32 liegt in der Größenordnung von 0,55 Zoll (entspr. 13,8 mm) und die Breite der
vom Eingangswandler angeregten Wellenfront beträgt
ca. 150/1000 Zoll (entspr. 3,8 mm). Die Konstruktion
des Eingangswandlers 30 und des Ausgangswandlers 32
zusammen mit der Wirkung des Trägers 31 kann grob mit einer Kaskadenschaltung aus zwei abgestimmten Kreisen verglichen werden. Die Resonanzfrequenz (f ) wird zu-

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mindest bis zur ersten Größenordnung durch den Abstand der Streifen und die Geschwindigkeit der Wellenfortpflanzung bestimmt. Die Resonanzfrequenz eines solchen Resonators wird analytisch bestimmt

als: f =t~, wobei ν die Oberflächenschallwelleno Ao

geschwindigkeit des piezoelektrischen Materials ist, die im Falle von PZT-6A mit ungefähr 0,20x10 cm/ see. festgestellt wurde, und wobei die Wellenlänge λ der Periodendauer der Doppelkammelemente entspricht. Für die verwendete besondere Verzögerungsleitung wurde der akustische Gleichlauf bzw. die maximale Energieübertragungsfrequenz mit ca. 10,0 MHZ bestimmt.

Die von der Verzögerungsleitung gelieferte Frequenzkurve bzw. Übertragungsfunktion ist in Fig. B gezeigt. Diese Frequenzkurve weist einen Hauptlappen 40 auf, der um eine Frequenz f zentriert ist und sich in einem symmetrischen Abstand von viel kleineren Lappen mit abwechselnder Folge von Nullpunkten bzw. Minima befindet. Um es mit der Frequenz auszudrücken, die kleineren Lappen sind vom Hauptlappen mit der Mittelfrequenz f in beiden Richtungen nach außen hin im Abstand angeordnet. Um diesen Frequenzgang bzw. diese Frequenzkurve zu erzielen, sind die Abstände zwischen den Mittelpunkten von aufeinanderfolgenden Streifen der Elektrodenreihe des Wandlers 30 gleich einer halben akustischen Oberflächenwellenlänge bei jener Mittelfrequenz f , und die Streifen sind von gleicher Länge. Die Frequenz-

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Selektivität kann verschärft werden, d.h. die Nullpunkte können dichter an f gerückt werden, indem man die Anzahl der einzelnen Elektroden im Wandler 3Π erhöht.' Umgekehrt führt eine Verringerung der Gesamtanzahl an einzelnen Wandlerelektroden zu einer Verbreiterung der, großen Frcquenzkurvonlapp^ns 4 D und zu einer entsprechenden Verschiebung der Nullpunkte weiter weg von der Mittelfrequenz f .

Ein weiteres Merkmal der Verzögerungsleitung bezieht sich auf deren Fähigkeit, mit verschiedenen diskreten Frequenzen innerhalb des Randpasses der Verzögerungsleitung zu arbeiten. Diese diskreten ßetriebsfrenuenzen sind jene, für die eine" ganze Zahl an Wellenlängen vorhanden ist und folglich eine Phasendifferenz von einer ganzen Zahl von 2i7Radianten über die Verzögerungsbahn zwischen Eingangs- und Ausgangswandler. Die Schwingungsfrequenz verändert sich mit Änderungen in der Schallgeschwindigkeit einer Verzögerungsleitung von fester Länge, so daß irgendeine ganzzahlige Anzahl bzw. ganze Zahl von Wellenlängen an der Verzögerungsleitung vorhanden ist. Zum Beispiel könnte ein Oszillator, wie er in Fig. 1 gezeigt ist, mit einem Verstärker hergestellt sein, der eine etwas über der Einheit Eins liegende Schleifenverstärkung aufweist und durch eine Übertragungsfunktion mit der Kurve 42 gekennzeichnet ist, sowie mit einer Verzögerungsleitung für Ober flächenschallwellen, die durch eine Übertragungsfunktion mit der Kurve 4Π gekennzeichnet ist, wie in

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Fig. 6 dargestellt. Der Ausgang eines solchen Oszillators würde bei einer Frenuenz f arbeiten,, die durch eine ganze Zahl von Wellenlängen bestimmt wird, welche auf der Leitung in der Nähe der maximalen Übertragung der Verzögerungsleitung, erscheinen.

Auf eine ähnliche Weise ergibt sich eine Änderung in der Schwingungsfrequenz, wenn äußere Mittel die Schleifenverstarkung auf eine Frequenz beschränken, für welche irgendeine andere ganze Zahl von Wellenlängen vorkommt. Zum Reispiel könnte ein Oszillator, wie. er in Fig. 2 gezeigt ist, mit einem Verstärker und einem Schwingkreis hergestellt sein, die eine Schleifenverstärkung von mehr als Eins aufweisen und- durch eine Übertragungsfunktion 41 gekennzeichnet sind, sowie mit einer Verzögerungsleitung, die durch eine Übertragungsfunktion 4Π gekennzeichnet ist, wie in Fig. R dargestellt. Der Schwingkreis, der über den ganzen Bandpaß des Resonators abstimmbar ist, führt zu stabilen Schwingungen, wenn die.Kreisresonanz mit irgendeiner diskreten Frequenz (f ) übereinstimmt, die erforderlich ist, um eine ganze Zahl an überflächenschallwellenlängen an der Leitung zu begründen. Der Frequenzabstand dieser Stufen wird bestimmt durch die Leitungslänge C Z. ) , welche die Anzahl von Wellenlängen an der Leitung steuert, durch (n) und die Geschwindigkeit (v) der Oberflöchenschallwellen. Diese Stufen treten ein, wenn der Unterschied in der Zahl von Wellenlängen an der Leitung eine ganze Zahl ist. Benach-

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barte Betriobsfrequenzen differieren um eins in der Anzahl von Wellenlängen in der Verzögerungsbahn. Wenn "L die Länge der Verzögerungsbahn ist, dann ist die Anzahl an Wellenlängen in der Bahn bei einer Frequenz f η = Ί./\ .

SS / -¹Vj '

wobei die Wellenlänge ^ zur Frequenz f gegeben ist durch die Bezeichnung η - ^/Z_s -, wobei die Wellen

länge X zur Frequenz£gegeben ist durch die Bezeichnung Λ = ν, wobei ν die Geschwindigkeit der Oberflächenschallwelle ist. Für benachbarte Frequenzen f und f, , „ ·> , η - n_f +„-,I

S L St" IJ J S I S" I J I

= 1 , so daß I i/l_s - //} (s * 1 ) ^{= 1}

oder

f_s A/ - f_[s t _1} //v J =1

s ο d a B

Die Menge v/£ ist dann der Abstand zwischen benachbarten Betriebsfrequenzen.

Die Periodendauer des Wandlers beträgt X , so daß die Synchronirequenz f = y/\ ist, und die Anzahl von Wellenlängen an der Verzögerungsbahn bei f ist ■t/i , was nicht notwendigerweise eine ganze Zahl ist. Nehmen wir an, η ist die nächste ganze Zahl von "^-/X₀ ' ^so ist X ~ < /n die Wellenlänge der Betriebsfrequenz f = ν/A_n > die der Synchronfrequenz am nächsten ist. Die möglichen Betriebs-

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frequenzen sind dann f ' = f + ttiv// , wobei m eine ganze Zahl'ist*
Das kann so geschrieben werden

wobei.zu vermerken ist, daß F - ν/J^ = vn />

so daß mv//. .= mf /n . Diese Frequenzbeziehungen sind in Fig. 6 dargestellt. _ ■. . , .

Der Schwingkreis kann in der Mitt.e zwischen zwei benachbarten Frequenzstufen abgestimmt" sein, so daß die gesamte Phasenverzügerung 180 beträgt. Die Schwingung kann gleichzeitig bei der oberen und unteren Frequenz aufhören oder stattfinden, je nach der Kreis-Selektivität und der verfügbaren Verstärkung. . ■ ·

Für die spezielle gebaute und getestete Verzögerungsleitung für Oberflächenschallwellen betrug die Lei tungslänge {v ) 0,55 Zoll, ,die Wandlerperiode ( Λ J 0,008 Zoll, und die beobachteten Schwingungsfrequenzen betrugen f = 9,746, 9,079, 10;028,

sm

10,177, 10,320, 10,470, 10,615 und 10,762 MHz. Die Unterschiede ^f zwischen benachbarten Frequenzen betragen dann 133, 149^ 149, 143, ISO, 145 und 147 KHz. Das Mittel von ^f ist dann 145,1 KHz. Setzt man das ■ Mittel Von ^If mit v/^> gleich, so bekommt man ν = 2,03'x 10 em/sec Die nächste ganze Zahl von

ist rr = 69, so daß M = €/n ·= 0,55/_cft '=■ c η e ba

0,00797 Zoll ist, und die der Synchronfrequenz nächst-

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liegende Betriebsfrequenz sollte dann f = \i/χ = 1D,Q27 MHz sein, was in guter Übereinstimmung mit der beobachteten Frequenz von 1-Π,Γ)2Π MMz ist. -

Tatsächlich gebaute und getestete Schaltungen sind in Fig. 7 und. θ schematiseh dargestellt. Die AuF-merksamkeit wird jetzt auf Fig. 7 gelenkt, in der eine Schaltung veraηschaulicht, ist, welche derjenigen ähnlich ist, die oben beschrieben und in einem Blockdiagramm in Fig. 1 erläutert ist. In Fig. 7 ist eine mit dem oben besprochenen Typ identische Verzögerungsleitung 11 für Oberflächenschallwellen über die Anschlußklemmen am Ausgangswandler 32 der Verzögerungsleitung 11 mit einem Impedanzanpassungsinduktor 46 elektrisch verbunden, der wi^ierum mit dem Eingang eines Verstärkers verbunden ist, welcher allgemein mit der Bezugszahl 4.4 versehen innerhalb der gestrichelten Linie angeordnet ist. Der Verstärker umfaßt zwei herkömmliche Stufen:- eine Stufe in Basisschaltung mit dem Translator U-, und eine Emitterverstärker- bzw.. Emitterfolgerstufe mit Transistor Q„. Der Schwingungsausgang, des Induktors 4Π ist- mit dem Emitter 47 des Transistors Q über den Widerstand 48 verbunden. Das Signal wird vom Transistor Q.,

^f- 1 verstärkt, und das Gchwingungssignal wird an den Basisanschluß 49 des Transistors Q~ gegeben. Das Ausgangssignal des Transistors Q„ wird an der Emitterstrecke 50 und über den Widerstand 51 gebildet. Das Signal wird über einen Impedanzanpassungsinduktor 55 an den Eingangswandler 3Π der Verzögerungsleitung 11 übertragen.

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Das Signal pflanzt sich über die Verzögerungsleitung wie oben beschrieben fort und erscheint am Ausgnngswandler 32. Der Oszillator wird von einer in der Technik bekannten Reihenschaltung mit geschlossener Schleife und Rückkopplungssystem gebildet. Bei Betrieb in stationärem Zustand kann eine konstante sinusförmige elektrische Ausgabe am Widerstand 48 an den Ausgangsklemmen ΠΠ entnommen werden.

Der oben erwähnte Oszillator wurde mit N-P-N Transistoren 2N221.B hergestellt. Die nicht-invertierenden Breitbandeigenschaften des verwendeten Verstärkers hatten eine Gesamtphasenverschiebung von Null. Ferner ist die von der Stufe in Basisschaltung gelieferte Spannungsverstärkung ausreichend, um die Abschwächung der Verzögerungsleitung zu überwinden, so daß eine Gesamtschleifenverstärkung von mehr als Eins geliefert wurde. Der Oszillator arbeitet nahe der Resonanzmittelfrequenz der Verzögerungsleitung von ca. 1Π, MHz, gemessen an den Ausgangsklemmen.

nie Aufmerksamkeit wird nun auf Fig. ß gele.nkt, in der eine Schaltung veranschaulicht ist, welche derjenigen ähnelt, die oben beschrieben und in einem Blockdiagramm in Fig. 4 erläutert ist. In Fig. 8 ist eine Verzögerungsleitung 11 für Oberflächenschallwellen über den Ausgangswandler 32 der Verzögerungsleitung mit dem Emitter 47 des Transistors Q- und dem Widerstand 48 elektrisch verbunden.

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Der Transistor Q₁ befindet sich in einer Verstärkeranordnung nach Art einer Basisschaltung. Das sinusförmige schwingende Ausgangsspannungssignal wird am Kollektor 45 von Q₁ gebildet und an einen LC Schwingkreis gekoppelt, der allgemein innerhalb der gestrichelten Linien 61 gekennzeichnet ist. Der Schwingkreis umfaßt einen veränderlichen Induktor 62 und einen Kondensator 63. Der LC Schwingkreis hat eine hohe Güte (Q) und kann innerhalb des breiteren Durchlaßbandes der Verzögerungsleitung abgestimmt sein. Das Ausgangssignal des Schwingungskreises wird an der Basis 49 des Transistors Q₂ gebildet. Der Transistor Q~ befindet sich in einer Emitterverstärkeranordnung und bildet ein Ausgangssignal über den Widerstand 7Π und den Eingangswandler 30 an der Emitterstrecke 71. Das Signal wird wie oben beschrieben über die Verzögerungsleitung 11 geführt und an den Ausgangswandler 32 gegeben. Wie jetzt ersichtlich, ist der Oszillator in einer Reihenschaltung mit geschlossener Schleife und Rückkopplungssystem angeordnet.

Eine allgemein innerhalb der gestrichelten Linien 80 in Fig. 8 gekennzeichnete Begrenzerschaltung umfaßt einen Transistor Q„ und eine Diode 81. Die Begrenzerschaltung ist zwischen die Basis 56 von Q. und den Eingangswandler 30 der Verzögerungsleitung 11 geschaltet. Die Begrenzerschaltung mit der Diode 81 und dem Gleichstromvorspannungssteuertransistor Q_ leitet,

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wenn das negative Schwingungsmaximum am Eingangswandler 30 einen spezifizierten Gleichstrompegel überschreitet. Eine negative Gleichstromsteuerspannung wird unter "diesen Urnständen erzeugt/ um die Verstärkung des Verstärkers GL in Basisschaltung zu vermindern und einen konstanten Signalpegel aufrechtzuerhalten. Für eine an die Anschlußklemme 72 gelegte Gleichspannungszuführung von 6 Volt (nicht gezeigt) wird ein Schwingungspegel von annähernd 0,5 Volt rms (Effektivspannung) am Eingangswandler 30 bei jeder Frequenzstufe innerhalb des Durchlaßbandes der Verzögerungsleitung aufrechterhalten.

Durch Abstimmen des Schwingkreises 61 innerhalb des Bandpaßes der Verzögerungsleitung 11 sind verschiedene sinusförmige Schwingungsfrequenzen über die Ausgangsklemmen 60 gebildet worden. Wie schon vorher angegeben worden ist, wurden stabile Frequenzstufen bei 9,746, 9,879, 10,028, 10,177," 10,320, 10,470, 10,615 und 10,762 MHz beobachtet. Das Abstimmen des LC Schwingkreises führt deshalb zu einer stabilen Schwingung, wenn die Schwingkreisresonanz mit der Frequenz übereinstimmt, die erforderlich ist, um eine ganze Zahl von Schallwellenlängen an der Leitung zu bilden.

Es wird angenommen, daß die verschiedenen Merkmale

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und Vorteile der Erfindung aus obiger Beschreibung klar sind. Verschiedene andere Merkmale und Vorteile, die nicht speziell aufgeführt wurden, werden ohne Zweifel dem Fachmann einfallen, desgleichen viele Änderungen und Abwandlungen zur veranschaulichten bevorzugten Aue f ü hrungsf orrn; diese alle können erzielt werden, ohne daß man vom Geist und Rahmen der Erfindung abgeht, wie sie in den folgenden Ansprüchen definiert ist.

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Claims (11)

1. Patentansprüche:

   Frequenzkonstanter Sinuswellenoszillator mit einer Einrichtung zur Steuerung der Reaktanz des abgestimmten Oszillatorkreises, dadurch gekennzeichnet/ daß eine Verzögerungsleitung für Oberflächenschallwellen als Reaktanz im Rückkopplungskreis des Oszillators verwendet wird, der durch „die Reihenanordnung eines Verstärkers und der Verzögerungsleitung gebildet wird.
2. 2. Frequenzkonstanter Sinuswellenoszillator gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß folgende Kombination vorgesehen ist:

   a] eine Verzögerungsleitung für Oberflächenschallwellen mit einer Vielzahl von -diskreten Betriebsfrequenzen mit

   b] einem Medium zum Fortpflanzen akustischer Oberflächenwellen bzw. Oberflächenschallwellen,

   c] einem Eingangswandler, der mit einem ersten Abschnitt des Mediums verbunden ist und auf ein angelegtes Signal anspricht, um in diesem Medium eine Oberflächenschallwelle anzuregen,

   d] einem Ausgangswandler, der mit einem zweiten Abschnitt des Mediums verbunden ist und auf darin erregte Oberflächenschallwellen anspricht, um ein Ausgangssignal abzuleiten, wobei sowohl Eingangs- wie Ausgangswandler je ein Paar von ineinandergreifenden Elektrodenkämmen besitzenj

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   ■e) und Verstärkermittel, die mit dem Eingangsund Ausgangswandler elektrisch verbunden sind, um an den Eingangswandler ein verstärktes signal in Phase mit dem Ausgangssignal anzulegen, wobei der Verstärker eine Gesamtschleif enverst.ärkung von mehr als die Einheit Eins liefert.
3. 3. Oszillator nach Anspruch 2, der zusätzlich einen abgestimmten Kreis aufweist, welcher mit dem Verstärker elektrisch gekoppelt ist, um eine der diskreten Frequenzen der Verzögerungsleitung auszuwählen und dadurch die Ausgangssignalfrequenz zu bestimmen.
4. 4. Frequenzkonstanter Sinuswellenoszillator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der abgestimmte Kreis parallele Kapazitäts- und Induktivitätselemente umfaßt.
5. 5. Frequenzkonstanter Sinuswellenoszillator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker eine Zweistufenvorrichtung umfaßt, wobei die erste Stufe ein Transistorverstärker in Basisschaltung mit hoher Verstärkung und die zweite Stufe ein Transistorverstärker mit Emitterverstärker- bzw. Emitterfolgerstufe ist.
6. 6. Frequenzkonstanter Sinuswellenoszillator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß er zusätzlich einen Impedanzanpassungskreis aufweist,

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   welcher, zwecks maximaler Energieübertragung mit der Verzögerungsleitung elektrisch verbunden ist.
7. 7. Frequenzkons'tanter Sinuswellenoszillator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Anpassungskreis Induktivitätselemente zum Anpassen der Kapazitiitselemente der Verzögerungsleitung umfaßt.
8. 8. Frequenzkonstanter Sinuswellenoszillator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß er zusätzlich eine- Begrenzerschaltung aufweist, die zwischen dem Ausgangswandler und dem Eingangswandler eingeschaltet ist, um eine Amplitudenstabilisierung zu liefern.
9. 9. Frequenzkonstanter Sinuswellenoszillator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzerschaltung ein Vorspannungssteuerelement und eine Diode umfaßt, welche wirksam die Verstärkung des Verstärkers vermindert.
10. 10. Frequenzkonstanter Sinuswellenoszillator nach

    en einem oder mehreren der vorhergeh/den Ansprüche,

    dadurch gekennzeichnet, daß er die folgenden Merkmale in Kombination aufweist: a) eine Verzögerungsleitung für Oberflächenschallwellen mit Eingangs-(7) und Ausgangsklemmen (8), welche eine nahe'der Ausgangsfrequenz des Oszillators liegende Resonanzmittenbetriebsfrequenz aufweist,· und

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    b) einen nicht invertierenden Zweistufenvers'tärker, der zwischen den Eingangs- und Ausgangsklemmen der Verzögerungsleitung eingeschaltet ist und eine Reihenschaltung mit Rückkoppelung liefert, wobei die erste Stufe des Verstärkers einen Kreis in Basisschaltung und die zweite Stufe des Verstärkers einen Kreis in Emitterverstärkerschaltung um Faßt.
11. 11. Frequenzkonstanter Sinuswellenoszillator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er die folgenden Merkmale in Kombination aufweist:

    a) eine Verzögerungsleitung für Oberflächenschall-, wellen mit Eingangs- und Ausgangsklemmen, welche' eine Vielzahl von diskreten Betriebsfrequenzen aufweist;

    b) einen nicht invert-ierenden Verstärker, der zwischen die Eingangs- und Ausgangsklemmen der Verzögerungsleitung eingeschaltet ist und eine Reihenrückkopplungsschleife bildet, wobei der Verstärker eine Schleifenverstärkung von mehr als Einheit Eins aufweist;

    c) einen abstimmbaren Resonanzkreis, der mit dem Verstärker elektrisch verbunden ist, um die Ausgangsschwingungsfrequenz aus den Betriebsfrequenzen der Verzögerungsleitung auszuwählen; und

    d·) eine ⁿeprenzerschal tune, die mit dem Verstärker elektrisch verbunden ist, um eine Amplitudenstabilisierung zu liefern.

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