DE2602794A1 - Schwingungserzeuger - Google Patents

Description

• Schwingungserzeuger
• Die Erfindung bezieht sich auf einen Schwingungserzeuger mit einem invertierenden, über einen Serienresonanzkreis rückgekoppelten Verstärker, bei dem sich eine Schwingung selektiv erregt, für die die Phasen- und Amplitudenbedingung im geschlossenen Rückkopplungskreis erfüllt ist.
• Es liegt ihr die Aufgabe zugrunde, einen Schwingungserzeuger dieser Art so auszubilden, daß er in Abhängigkeit von einem Startsignal schnell anschwingt. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Verstärker mit einer eingangsseitigen Vorspannung beschaltet ist, die ihn in einem ersten Aussteuerungszustand hält, der vom Arbeitsbereich nur so weit in Richtung auf den Sättigungsbereich verschoben ist, daß die#Amplitudenbedingung garade nicht mehr erfüllt ist, und daß die Vorspannung in Abhängigkeit von einem Startsignal nach Art einer Sprungfunktion um einen solchen Betrag änderbar ist, daß ein im Arbeitsbereich liegender, zweiter Aussteuerungszustand erreicht wird und zugleich eine ausgangsseitige.
• die Schwingung definiert einleitende Potentialänderung entsteht.
• Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil besteht insbesondere darin, daß das Anschwingen schnell und mit definierter Amplitude erfolgt, wobei die erste, die Schwingung einleitende Flanke des Ausgangssignals nur um wenige Nanosekunden gegenüber der sprunghaften Änderung der Vorspannung verzögert auftritt. Das abgegebene Ausgangssignal ist weiterhin bereits vom Zeitpunkt des Auftretens dieser ersten Flanke mittels herkömmlicher Frequenzzähler auswertbar.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger bevorzugter, in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigt: Fig. 1 die schematische Darstellung eines nach der Erfindung ausgebildeten Schwingungserzeugers, Fig. 2 ein Zeitdiagramm seines Ausgangssignals in Abhängigkeit von einer zugeordneten eingangsseitigen Vorspannung, Fig. 3 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Schaltung nach Fig. 1 und Fig. 4 eine Variante zu dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 in teilweise integrierter Schaltungstechnik.
• Die in Fig. 1 mit einem Dreiecksymbol angedeutete, anhand des Ausführungsbeispiels von Fig. 3 noch näher zu erläuternde Verstärkerschaltung 1 weist zwei gleichwertige Eingänge El und E2 und einen invertierenden Ausgang A' auf, an dem sich Potentialäderungen, die an EI oder E2 vorgenommen werden, in invertierter Form auswirken. A' ist über einen Rückkopplungszweig, der einen aus der Induktivität L1 und der Kapazität cl bestehenden Serienresonanzkreis enthält, mit dem Eingang E2 verbunden, der andererseits über einen Widerstand R1 an Masse geschaltet ist. Der Eingang El des Verstärkers 1 ist an eine Eingangsklemme 2 geführt, der invertierende Ausgang A' an eine Ausgangsklemme 3 sowie über einen ohmschen Widerstand R2 an Masse.
• Im Ruhezustand liegt an der Eingangsklemme 2 eine von einer auf mindestens zwei Amplitudenwerte umschaltbaren Gleishspannungsquelle Gl erzeugte Vorspannung Uv solcher Größe, daß 1 in einem ersten Aussteuerungszustand gehalten wird, der vom Arbeitsbereich nur so weit in Richtung auf den Sättigungsbereich verschoben ist, daß die für eine Selbst erregung notwendige Amplitudenbedingung im Rückkopplungszweig A', C1, L1, Rl, E2 gerade nicht mehr erfüllt ist. Soll nun der Schwingungserzeuger zum Anschwingen gebracht werden, so wird die Vorspannung Uv mittels Umschaltung von Gl nach Art einer Sprun#gfunktion um einen solchen Betrag Uv verändert, daß ein im vorzugsweise linearen Arbeitsbereich des Verstärkers 1 liegender, zweiter Aussteuerungszustand erreicht wird und daß sich am invertierenden Ausgang A' eine ausgangsseitige, die Schwingung Ua definiert einleitende Potentialverschiebung AUa ergibt. Hierdurch erregt sich eine Schwingung mit solcher Frequenz, daß die Bedingung einer 3600-Phasenverschiebung im geschlossenen Rückkopplungskreis erfüllt ist.
• Fig. 2 zeigt ein Zeitdiagramm der einander zugeordneten Spannungen Uv und Ua, die an den Schaltungspunkten 2 und 3 auftreten. Man erkennt daraus unmittelbar, daß das Ausgangssignal Ua nur um eine sehr kleine Zeitspanne tl, die einem Bruchteil seiner Periode entspricht, gegenüber der 4nderung -Uv verzögert ist und im übrigen sofort mit voller Amplitude einsetzt. Die Kürze der Zeitspanne t7 erklärt sich daraus, daß es mit Hilfe einer hinreichend steilen Flanke AUv sehr schnell gelingt, aus dem in der genannten Weise gewählten ersten Aussteuertingszustand in den zweiten Aussteuerungszustand zu gelangen, wobei der letztere wieder so ausgewählt ist, daß bereits die einleitende Potentialänderung dUa am Schaltungsausgang 3 etwa der vollen Signalamplitude entspricht.
• Der in der beschriebenen Weise zu einem schnellen und definierten Anschwingen veranlaßte, rückgekoppelte Verstärker 1 wird beispielsweise durch eine positive Flanke AUv' wieder gesperrt, wodurch das Ausgangssignal Ua beendet wird.
• In Fig. 3 ist ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel des Verstärkers 1 dargestellt. Hierbei sind zwei Transistoren Ts1, Ts2 vorgesehen, die über einen gemeinsamen Emitterwiderstand R3 an den negativen Pol einer Betriebsspannung U3 geführt sind. Der Kollektor von Us1 ist über einen Kilektorwiderstand R4 mit Masse verbunden, während der Kollektor von Ts2 direkt an das Massepotential geführt ist. Das Basispotential von Ts2 ist über einen Spannungsteiler R5, R6 aus -UB abgeleitet, während das Basispotential von Tsl über ein Potentiometer 4 und die ohmschen Widerstände Rl und R7 von - % abgeleitet wird. Ein weiterer Transistor Ts3 ist mit seiner Emitter-Kollektorstrecke derjenigen des Transistors Tsl parallelgeschaltet und über einen Basiswiderstand R8 an die Betriebsspannung gelegt. Die Basiselektrode von Ts3 ist mit dem Eingang El verbunden, die Basiselektrode von Tsl mit dem Eingang E2. Der kollektorseitige Anschluß von R4 ist an die Basis eines Transistors Ts4 gelegt, dessen Emitterelektrode mit dem invertierenden Ausgang A' beschaltet ist.
• Im Ruhezustand, d.h. bei eingangsseitig anliegender Spannung Uv ist 83 stromführend, während Isl und U82 gesperrt sind. Dabei befindet sich Ts3 in dem obengenannten, ersten Austeuerungszustand.
• Tritt nun die Flanke ßUv auf, so wird Ts3 gesperrt und die positivgehende Potentialverschiebung am Kollektor von Ts1 1 über Ts4 auf eine positivgehende Potentialverschiebung AUa am Ausgang A' übertragen. Andererseits wird über das Potentiometer 4 eine solche Spannung abgegriffen, daß æ1 nach dem Sperren von Ts3 zunächst in den obengenannten zweiten Aussteuerungszustand gelangt. Die Potentialverschiebung AUa wird über LI, C1 und R1 rückgekoppelt und bewirkt eine solche Potentialverschiebung an der Basis des Transistors Tsl, daß dieser nach einer gewissen Zeit stärker ausgesteuert wird, während sich die Aussteuerung von Ts2 gleichzeitig verringert. Damit tritt jedoch eine negativgehende Potentialverschiebung -#Ua auf, die den ersten Wellenberg der Schwingung Ua abschließt. Die Aussteuerung von Tsl und Ts2 ändert sich auch in der Folge im Rhythmus der sich erregenden Frequenz jeweils gegenläufig.
• Zur Vergro.#ßerung der rückgekoppelten Amplitude kann es zweckmäßig sein, den Widerstand R1 durch einen Parallelschwingungskreis L2, C2 zu ersetzen, der auf eine Resonanzfrequenz abgestimmt ist, die zur Erfüllung der Phasenbedingung geringfügig von der Resonanzfrequenz des Serienschwingkreises LI, C1 abweichen kann. Der gemeinsame Emitterwiderstand R3 wird so bemessen, daß bei angelegter Vorspannung Uv der erste Aussteuerungszustand besteht, bei dem die zur Selbst erregung erforderliche Größe der rückgekoppelten Amplitude des Ausgangssignals gerade nicht mehr erreicht wird.
• Bei einer Schaltung nach Fig. 3 beträgt die Zeitspanne tl (Fig.2) lediglich etwa 1 nsec.
• Die Vorspannung Uv kann zweckmäßigerweise vom Ausgang Q eines JK-Flipflops FF abgenommen werden, das mittels eines hohen Logikpegels H gesetzt ist. Tritt dann ein impulsförmiges Startsignal S1 am Zähleingang Z von FF auf, so wird der Uv entsprechende hohe Ausgangspegel "H" an Q um auv auf den niedrigen Logikpegel "B" verringert. Ein späteres impulsförmiges Stopsignal S2 an Z bewirkt dann die Rückschaltung von FF in den ursprünglichen Zustand und damit die Flanke dUv'.
• Das in Fig. 3 im einzelnen dargestellte Ausführungsbeispiel, das im Bereich des gestrichelt eingerahmten Verstärkers 1 dem Aufbau eines logischen NOR-Gatters entspricht, kann auch unter Verwendung eines integrierten logischen Bausteins dieser Art realisiert werden, wie die Schaltungsvariante nach Fig. 4 zeigt. Das NOR-Gatter ist dabei mit 5 bezeichnet. Mit Hilfe einer oder mehrerer Gleichrichterdioden D1 bis D4 wird zweckmäßigerweise ein Temperaturgang der Laufzeiteigenschaften des NOR-Gatters 5, der sich in einer Temperaturabhängigkeit der Frequenz des abgegebenen Signals Ua ausdrückt, kompensiert. Eine gemäß Fig. 4 ausgeführte Schaltung ergab bei einer Schwingfrequenz von 100 MHz eine Frequenzdrift von kleiner als 10 3 in einem Temperaturbereich von + 200C bis + 70°C.
• Das schnelle und definierte Anschwingen des Schwingungserzeugers nach der Erfindung ermöglicht einen sehr vorteilhaften Einsatz in Schaltungen, die zur digitalen Auswertung von vorgegebenen Zeitintervallen oder zur digitalen Einstellung der Länge solcher Zeitintervalle dienen. Im ersteren Ball wird das auszuwertende Zeitintervall durch den Abstand der Flanken AUv und dUv' definiert und ein Frequenzzähler verwendet, der die Anzahl der zwischen diesen Flanken liegenden Schwingungen in herkömmlicher Weise zählt, während im zweiten -Fall ein voreinstellbarer Zähler Verwendung findet, in den die nach dem Auftreten der Flanke AUv erzeugten Schwingungen eingezählt werden und der nach dem Erreichen einer vorgegebenen Schwingungszahl einen Stopimpuls abgibt, aus dem gegebenenfalls die Flanke tUv' abgeleitet wird. Der Stopimpuls oder die Flanke AUv1 dienen dann beispielsweise zur Triggerung irgendwelcher Vorgänge, die mit einer einstellbaren zeitlichen Verzögerung nach der Flanke Uv beginnen sollen. Hierzu gehören Zeitablenkvorgänge von Kathodenstrahloszillografen, inbesondere Samplingoszillografen zur Darstellung von schnellen Impulssignalen großer Periodendauer. Von einem dieser Impulse wird dabei eine Flanke ÇUY abgeleitet, die nach dem Ablauf einer Verzögerungszeit, die mit Hilfe des erwähnten voreinstellbaren Zählers definiert wird, eine Blanke AUv' veranlaßt. Die letztere triggert dann die Zeitablenkung gerade rechtzeitig, um den nächstfolgenden oder einen der nächstfolgenden Impulse auf dem Bildschirm darzustellen.
• 10 Patentansprüche 4 Figuren

Claims (10)

1. Patentansprilche Schwingungserzeuger mit einem invertierenden, über einen Serienresonanzkreis rückgekoppelten Verstärker, bei dem sich eine Schwingung selektiv erregt, für die die Phasen- und Amplitudenbedingung im geschlossenen Rückkopplungskreis erfüllt ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Verstärker (1) mit einer eingangsseitigen Vorspannung (Uv) beschaltet ist, die ihn in einem ersten Aussteuerungszuiand hält, der vom Arbeitsbereich nur so weit in Richtung auf den Sättigungsbereich verschoben ist, daß die Amplitudenbedingung gerade nicht mehr erfüllt ist, und daß die Vorspannung (Uv) in Abhängigkeit von einem Startsignal (S1) nach Art einer Sprungfunktion um einen solchen Betrag (dUv) änderbar ist, daß ein im Arbeitsbereich liegender, zweiter Aussteuerungszustand erreicht wird und zugleich eine ausgangsseitige, die Schwingung (Ua) definiert einleitende Potentialverschiebung (aus) entsteht.
2. 2. Schwingungserzeuger nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Vorspannungsanderung (# Uv) in Abhängigkeit von einem Stopsignal (S2) wieder rückgängig gemacht wird (dUv').
3. 3. Schwingungserzeuger nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Verstärker (1) als Differenzverstärker mit zwei über einen gemeinsamen Emitterwiderstand gekoppelten Transistoren ausgebildet ist und daß die Vorspannung (Uv) der Basis eines dieser Transistoren zuführbar ist.
4. 4. Schwingungserzeuger nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t . daß der Verstärker (1) als Differenzverstärker mit zwei über einen gemeinsamen Emitterwiderstand (R3) gekoppelten Transistoren (TsI, Ts2) ausgebildet ist, daß ein weiterer Transistor (Ts3) vorgesehen ist, der mit seiner Emitter-Kollektorstrecke derjenigen eines der ransistoren (Tsl) des Differenzverstärkers (i) parallelgeschaltet ist unC. daß die Vorspannung (Uv) der Basis des weiteren Transistors (Ts3) zuführbar ist.
5. 5. Schwingungserzeuger nach Anspruch 4, d a a u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Basis des durch die Parallelschaltung ergänzten Transistors (281 ) des Differenzverstärkers (1) mit einer Vorspannung beaufschlagt ist, die den zweiten Aussteuerungszustand definiert.
6. 6. Schwingungserzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Verstärker (1) als integriertes digitales Verknüpfungsglied, vorzugsweise als NOR-Gatter (5), ausgebildet ist.
7. 7. Schwingungserzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Verstärker (1) einen einen Serienresonanz#reis (LI, 1) enthaltenden Ruckkopplungszweig aufweist, der den invertierenden Verstärkerausgang (A') mit einem über einen ohmschen Widerstand (R1) auf Masse geschalteten Eingang (E2) verbindet.
8. 8. Schwingungserzeuger nach Anspruch 7, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der ohmsche Widerstand (R1j durch einen Parallelresonanzkreis (B2, C2) ersetzt ist.
9. 9. Schwingungserzeuger nach einem der vorhergehenden Anspräche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine logische Schaltung (22) vorgesehen ist, die wechselweise einen von zwei Schaltzuständen einnimmt und in einem dieser Schaltzustände ein Potential abgibt, welches der Vorspannung (Uv) entspricht und den ersten Aussteuerungszustand definiert, während sie im anderen Schaltzustand ein Potential abgibt, welches der geänderten, den zweiten Aussteuerungszustand definierenden Vorspannung (Uv) entspricht.
10. 10. Schwingungserzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h die Verwendung mit einem Zähler zur digitalen Einstellung oder Auswertung von Zeitintervallen, die durch das Start- und/oder Stopsignal (S1 bzw. S2) bestimmt oder mitbestimmt sind.