DE2455236C3

DE2455236C3 - Niederfrequente Oszillatoranordnung mit zwei Hochfrequenzoszillatoren

Info

Publication number: DE2455236C3
Application number: DE19742455236
Authority: DE
Inventors: Douglas Frank George Stortford Hertfordshire Dwyer; Allan Thomas London Ridley; Alan Frank Bernard Harlow Essex Wood
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1973-12-03
Filing date: 1974-11-21
Publication date: 1978-12-21
Also published as: DE2455236A1; DE2455236B2; GB1482086A

Description

41)

Die Erfindung bezieht sich auf eine niederfrequente Oszillatoranordnung mit zwei Hochfrequenzoszillatoren, bei der die Niederfrequenz die Differenzfrequenz der beiden von den Oszillatoren gelieferten hohen Frequenzen ist und bei der die Differenzfrequenz mit w der Ausgangsfrequenz des einen Oszillators verriegelt ist.

Es ist bereits eine niederfrequente Oszillatoranordnung bekannt, die zwei hochfrequente kristallgesteuerte Oszillatoren enthält, bei der die niederfrequente r, Ausgangsfrequenz durch Differenzbildung aus den beiden hohen Frequenzen der Oszillatoren gewonnen ist (Funkschau, 1959, Heft 17, S. 418).

Weiter ist es bekannt, bei einem Meßsender, an dessen Ausgang die Summe oder Differenz der m) Ausgangsfrequenzen eines Oszillators mit fester Frequenz und eines Oszillators mit veränderbarer Frequenz liegt, die Differenzfrequenz gegenüber der Frequenz des festen Oszillators zu verriegeln (DE-AS 12 58 510).

Aus der DE-OS 20 58 874 ist ein Phasenregelkreis für (,-, Frequenznachstimmung eines Oszillators bekannt, bei der die Ausgangsfrequenz des Oszillators und die Festfrequenz, auf die der Oszillator geregelt werden soll, an je einen Eingang eines Phasendetektors gelegt sind, dessen Ausgangssignal eine Varaktordiode des nachzustellenden Oszillators steuert.

Aus der DE-OS 15 16 768 ist es bekannt, Dickenschwerschwinger in Hochfrequenzoszillatoren einzusetzen.

Oszillatoren in zeithaltenden Geräten und für andere ähnliche Anwendungen mit geringem Leistungsverbrauch werden bevorzugt für eine möglichst niedrige Frequenz bemessen, da der Leistungsverbrauch von der Anzahl der nachgeschalteten Teilerstufen abhängt Die Benutzung von niederfrequenten kristallgesteuerten Oszillatoren mit piezoelektrischen Biegeschwingern, typischerweise aus Quarz, bringt dadurch Probleme mit sich, daß Biegeschwinger beim Einsatz in kleinen Gehäusen eine geringe Stabilität und eine starke Langzeitalterung und einen geringeren Temperaturkoeffizienten als hochfrequente Dickenscherschwinger aufweisen.

Aufgabe der Erfindung ist es, die genannten Nachteile bei einer Anordnung der eingangs genannten Art zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Differenzfrequenz und die Ausgangsfrequenz des einen Oszillators an je einen Eingang eines Phasendetektors gelegt sind, dessen Ausgangssignal eine Varaktordiode steuert, die in Reihe mit dem Schwinger des anderen Oszillators liegt, und daß die Schwinger (3,4) der beiden Oszillatoren (1, 2) Dickenscherschwinger sind, die auf dem gleichen piezoelektrischen Element gebildet sind.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 4 angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher beschrieben. Die Zeichnung zeigt ein Blockschaltbild einer niederfrequenten kristallgesteuerten Oszillatoranordnung.

Die Oszillatoranordnung enthält hochfrequente Oszillatoren 1 und 2 mit piezoelektrischen Dickenscherschwingern 3 und 4, beispielsweise aus Quarz, als Steuerelemente. Einer der Oszillatoren, in diesem Fall der Oszillator 2, der auf einer tieferen Frequenz schwingt als der Oszillator I, enthält außerdem eine Varaktordiode 5 in Serie mit dem Dickenscherschwinger 4.

Die Frequenzen /Ί und h der zwei hochfrequenten Oszillatoren 1 und 2, die Dickenscherschwinger von ungefähr 10 MHz benutzen, können gemischt werden, um eine niedrige Frequenz von einigen zehn kHz zu erhalten. Grundsätzlich können zwei hochfrequente Schwinger mit identischen Temperaturkoeffizienten benutzt werden; die relative Änderung der Ausgangsfrequenz ist dann gleich der relativen Frequenzänderung der hochfrequenten Schwinger. In der Praxis jedoch nimmt die relative Frequenzänderung der niederfrequenten Ausgangsfrequenz mit dem Verhältnis der hochfrequenten zur niederfrequenten Schwingung mal dem Unterschied zwischen den relativen Änderungen zwischen den einzelnen Oszillatoren zu. Diese Zunahme ist wegen der großen Frequenzuntersetzung beträchtlich.

Nachdem die Frequenzen U und h an einen Mischer 6 geführt wurden, dessen niederfrequentes Ausgangssignal die Differenzfrequenz (f\-fi) ist, wird die Differenzfrequenz mit der Frequenz eines Oszillators, in diesem Falle des Oszillators 1. in einem phasenempfindlichen Detektor 7 verglichen. Hierbei entsteht immer dann ein Gleichspannungssignal, wenn die Differenzfrequenz (f\ - /i) eine Subharmonische der Frequenz f\ ist.

Benutzt man das Gleichspannungssignal zum Steuern der Varaktordiode 5, dann ist die Frequenz k des Oszillators 2 in der Phase verriegelt, so da8 die Differenzfrequenz (f, - φ immer genau eine Subharmonische der Frequenz /j ist Somit hat die Differenzfre- ■> quenz die gleiche Temperaturabhängigkeit wie der den Oszillator 1 steuernde Dickenscherschwinger 3.

Im allgemeinen sind die zwei Oszillatoren in der Phase verriegelt, wenn eine ganzzahlige Beziehung zwischen der Frequenz /i und der Differenzfrequenz (f\ -h) besteht, das ist:

Dann folgt:

Hieraus folgt:

Wenn die Frequenz h sich genügend ändert, kann es möglich sein, eine Phasenverriegelung bei verschiedenen Werten von η zu erhalten, woraufhin die Anordnung auf einer falschen Frequenz arbeitet

Es sei angenommen, daß die Frequenzen f\ und /j sich in /i+Äi bzw. Γ2+&2 ändern und es der Anordnung möglich ist mit n'=—n+1 zu verriegeln. Dann ist:

daraus folgt:

Wird angenommen (62—<*■) = 0, erhält man eine vollkommene Verriegelung der zwei Frequenzen.
Dann ist

Hieraus ergibt sich für η = 1000, daß die Oszillatoren sich um 1000 ppm verändern können, ehe eine Phasenverriegelung auf einer falschen Harmonischen erfolgt In der Praxis darf der Fehler nur halb so groß sein, zum Beispiel 500 ppm, um ein automatisches Ziehen auf die korrekte Harmonische zu erreichen.

Nun wird angenommen b\ = 0, oder ein Wert geringfügig im Vergleich zu UIn.

	-I
/ι	N
ι	+ 1
L ⁼	η

zum Beispiel I ppm für η = 1000.

Hieraus ergibt sich für ein automatisches Ziehen auf die korrekte Harmonische, ohne jede spezielle Einstellung, daß die zwei Oszillatoren um weniger als 0,5 ppm in der Frequenz differieren dürfen.

Dies ist für Dickenscherschwinger eine zu scharfe Forderung, und in der Praxis ist es notwendig, einen kleineren Wert für n, beispielsweise π = 300, zu verwenden. Das Ziehen muß dann besser als 54 ppm sein, wobei ohne Phasenverriegelung die Differenzfreis quenz sich um

300 · 53 ppm = 1650 ppm

ändert Für die Differenzfrequenz (A-h)=32,768 kHz, die meist benutzte Frequenz in zeithaltenden niederfrequenten Oszillatoren, ist dann der Wert der Frequenzen U = 9,8304 MHz und I₂ = 9,797632 ' iHz.

Dieses enge Ziehen ist in den Anwend'-ngsfallen nicht notwendig, in denen es möglich ist die Oszillatoren auf die korrekte Harmonische einzustellen, und in denen die

2·> Phasenverriegelung wahrscheinlich nicht während einer Arbeits₅periode gestört ist

Das System, die Frequenz /j auf die geforderte Harmonische der Differenzfrequenz (f\ — /j) zu verriegeln, läßt einige Änderungen zu. Während oben die

jo Phasenverriegelung beschrieben wurden, besteht eine alternative Annäherung darin. Teile der Differenzfrequenz (f\-f2) in den Oszillator 2 (Frequenz /2) einzuführen. Mit einem passend gestalteten Oszillator und entsprechenden treibenden Wellenformen kann die

i"> Frequenz (2 auf die geforderte Harmonische verriegelt werden.

Die Dickenscherschwinger sollen auf dem piezoelektrischen Element genügend weit voneinander entfernt sein, um sich nicht wesentlich gegenseitig zu bejinflus-

■n>_sen. Die geforderte Differenzfrequenz wird dann, wie

"oben beschrieben, von ihren elektrischen Ausgängen abgeleitet Alternativ können sie als eine monolithische

Struktur ausgebildet sein, wobei eine Kopplung

zwischen ihnen im Element vorhanden ist und die zwei

4-, hochfrequenten Schwingungen durch die zwei möglichen Schwingungsmoden der kompletten Struktur bestimmt wird. In diesem Falle sind die Elektroden in geeigneter Weise an die zwei Oszillatoren anzuschließen, um die korrekte Phasenbeziehung zwischen den

Vi zwei Schwingern und den zwei Frequenzen zu sichern. Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

U Niederfrequente Oszillatoranordnung mit zwei Hochfrequenzoszillatoren, bei der die Niederfre- ι quenz die Differenzfrequenz der beiden von den Oszillatoren gelieferten hohen Frequenzen ist und bei der die Differenzfrequenz mit der Ausgangsfrequenz des einen Oszillators verriegelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzfrequenz (f\-ßt und die Ausgangsfrequenz (f\) des einen Oszillators (1) an je einen Eingang eines Phasendetektors (7) gelegt sind, dessen Ausgangssignal eine Varaktordiode (5) steuert, die in Reihe mit dem Schwinger (4) des anderen Oszillators (2) liegt, und π daß die Schwinger (3,4) der beiden Oszillatoren (t, 2) Dickenscherschwinger sind, die auf dem gleichen piezoelektrischen Element gebildet sind
2. Oszillatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsfrequenz (f₂) des m Oszillators^?), dessen Schwinger (4) in Reihe mit der Varaktordiode (5) liegt, niedriger ist ais die Ausgangsfrequenz (f\) des anderen Oszillators (1).
3. Oszillatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schwinger (3,4) auf r> dem Element so weit voneinander entfernt angeordnet sind, daß sie sich gegenseitig nicht wesentlich beeinflussen.
4. Oszillatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schwinger (3,4) auf w dem Element so angeordnet sind, daß zwischen ihnen eine Kopplung besteht, und daß die Schwingungen der beiden Schwinger (T, 4) durch die beiden möglichen Schwingungsnoden der monolithischen Struktur des Elementes definiert "ind. r>