DE2610407B2 - Schwingschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schwingschaltung mit einer piezoelektrischen Stimmgabel sowie mit einem Verstärker und einer Phasenkorrekturschaltung aus mindestens einem Widerstand und einem Kondesator, die in einer Rückkopplungsschaltung an die Stimmgabel angeschlossen sind.

Derartige Stimmgabel-Schwingschaltungen (JP-OS 46-34 642, US-PS 37 13 045) werden in zunehmendem Maße in elektrischen und elektronischen Geräten als

Oszillatorelement eingesetzt Die Phasendifferenz zwischen Eingangssignal und Ausgangssignal einer solchen Stimmgabel bereitet keinerlei Schwierigkeiten, solange die piezoelektrische Stimmhabel als Filterelement benutzt wird. Wenn die Stimmgabel jedoch als Oszillatorelement in einer Schwingsdialtung benutzt wird, verursacht diese Phasendifferenz eine Reihe von Problemea In einer derartigen Schwingschaltung muß, damit die Schwingung erfolgen kann, eine positive Rückkopplung erfolgen. Generell besteht bei der piezoelektrischen Stimmgabel, die bei Resonanz eine Eigen-Phasenverschiebung von +90° hat, ein Phasenunterschied zwischen Eingangs- und Ausgangssignal, und das Maß dieses Phasenunterschieds ändert sich in Abhängigkeit von der jeweiligen Frequenz und den angelegten äußeren Impedanzen. Wenn die piezoelektrische Stimmgabel beispielsweise über einen Verstärker nickgekoppelt wird, so addieren sich die von der Stimmgabel und vom Verstärker herrührenden Phasenverschiebungen.

Diese Tatsache erfordert den Einbau einer Phasenkorrekturschaltung, damit die piezoelektrische Stimmgabel-Schwingschaltung zufriedenstellend arbeitet

F i g. 1 zeigt die Beziehung zwischen der Frequenz, der Phasendifferenz und der Ausgangsspannung bei einer konventionellen piezoelektrischen Sihnmgabei-Schwingschaltung mö einstufiger Verstärkung. Die Kurve Pf kennzeichnet die Beziehung zwischen der Phasendifferenz und der Frequenz. Man erkennt, daß wegen der Phasenverschiebung von 180° am Verstärker die Schwingfrequenz von der Resonanzfrequenz der Stimmgabel abweicht, was zu einer instabilen Schwingung führt und einen Abfall der Ausgangsspannung um Δ V bewirkt Dies bedeutet, daß die Ausgangsspannung verglichen mit der Schwingspannung bei Resonanzfrequenz klein ist Wenn also im Rückkopplungszweig eine Phasendifferenz von 180° erzeugt wird, fällt die Ausgangsspannung um Δ V gegenüber der Ausgangsspannung bei der Resonanzfrequenz ab, was zu einer Frequenzabweichung um UF\on der Resonanzfrequenz führt, wie an der Stelle A Die Forderung nach optimaler Schwingung bei der Resonanzfrequenz der Stimmgabel zur Erzeugung einer maximalen Ausgangsspannung kann daher mit den bekannten Schaltungen nicht erfüllt werden.

Zur Erzielung einer optimalen Funktion der Stimmgabel-Schwingschaltung muß unbedingt durch entsprechende Rückkopplung dafür gesorgt werden, daß die Schwingung mit der Resonanzfrequenz der piezoelektrischen Stimmgabel erfolgen kann, ohne daß Frequenzabweichungen veranlaßt werden. Zu diesem Zweck ist es bekannt, eine Phasenkorrekturschaltung, d.h. eine Schaltung zur Erzeugung unterschiedlicher Phasenwinkel zwischen Eingang und Ausgang, vorzusehen, also eine Schaltung, die eine Phasendifferenz zwischen Eingang und Ausgang erzeugt Mit anderen Worten, in einer Stimmgabel-Schwingschaltung muß die Phasendifferenz von 0° oder 180° in der Verstärkerstufe am Ausgang der Stimmgabel, die eine Phasendifferenz von + 90° verursacht, auch am Eingang der Stimmgabel zu 0" oder 180^s gemacht werden, indem zwischen den Eingang der Stimmgabel und den Ausgang des Verstärkers eine Phasenkorrekturschaltung geschaltet wird. Bei Verwendung einer piezoelektrischen Stimmgabel für eine spezielle Frequenz muß der Phasenverschiebungswinkel an der Phasenkorrekturschaltung und der Phasendifferenzwinkel an der Stimmgabel lediglich 0° oder 180° bei Resonanzfrequenz der Stimmgabel

betragen, unabhängig von der Art der Phasenkorrekturschaltung, die bewirken soll, daß die Schwingung bei der Resonanzfrequenz der Stimmgabel stattfindet.

Wenn jedoch piezoelektrische Stimmgabeln mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen gegeneinander ■> ausgetauscht werden sollen, oder wenn eine Umschaltung zwischen solchen Stimmgabeln stattfinden soll, unterscheiden sich die Phastndrehungen der Stimmgabeln entsprechend den jeweiligen Frequenzen. Allgemein kann man sagen, daß die Phasendrehung durch den ι ο Einfluß der elektrostatischen Kapazität der Stimmgabel mit größer werdender Frequenz kleiner wird, wie es beispielsweise in Fig.3 für eine zweistufige Verstärkung dargestellt ist

Ein Beispiel einer herkömmlichen piezoelektrischen r> Stimmgabel-Schwingschaltung mit zweistufiger Verstärkung enthält, wie Fig.2 zeigt, eine Stimmgabel f, deren Ausgangsanschluß mit einem Verstärker la 1 verbunden ist, dessen Ausgangssignal herausgeführt ist und der ferner über einen Widerstand ra mit dem Eingang eines zweiten Verstärkers Ia 2 verbunden ist Der Verbindungspunkt zwischen dem Widenrtend rs und dem Verstärker Ia 2 ist aber einen Kondensator ca mit Erde verbunden. Der Eingangsanschluö der Stimmgabel fist mit dem Ausgang des Verstärkers la 2 über einen Widerstand rb verbunden, wobei der Verbindungspunkt von Stimmgabel /und Widerstand rb über einen Kondensator cb mit Erde verbunden ist Der Widerstand rb und der Kondensator cb bilden jeweils zweistufige Phasenkorrekturschaltungen pa und pb. jo

Bei der bekannten zweistufigen Stimmgabel-Schwingschaltung nach Fig.2 sollte die Phasenverschiebung der Phasenkorrekturschaltung zur Erzielung einer ausreichenden Korrektur mit steigender Frequenz ansteigen, da die Phasenverschiebung der Stimmgabel sich mit steigender Frequenz verkleinert Da die herkömmlichen Stimmgabelschaltungen mit zweistufiger Verstärkung jedoch so ausgebildet sind, daß die Phasenverschiebung an der Stimmgabel mit zunehmender Frequenz abnimmt, wie Fig.3 zeigt müssen -to mehrere Phasenkorrekturschaltungen vorgesehen sein, um von einem Bereich zum anderen umzuschalten, wie F i g. 4 zeigt In F i g. 4 beträgt die Phasenverschiebung, die das Korrekturnetzwerk durchführen soll, —90°.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine piezoelektrische Stimmgabel-Schwingschaltung für Stimmgabeln mit in gewissen Grenzen voneinander abweichenden Resonanzfrequenzen zu schaffen, bei der nur eine einzige Phasenkorrekturschaltung bewirkt daß die Schwingfrequenz der Schwingschaltu?g mit der Resonanzfrequenz der jeweiligen Stimmgabel Obereinstimmt

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Schwingschaltung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Phasenkorrekturschaltung in einem weiten Bereich von Stimmgabel-Resonanzfrequenz mit höher werdender Resonanzfrequenz die Phasendifferenz zwischen ihrem Eingangssignal und ihrem Ausgangssignal vergrößert

Bei der erfindungsgemäßen Schwingschaltung paßt sich die Schwingfrequenz der Resonanzfrequenz der Stimmgabel Ober einen weiten Frequenzbereich an, wobei die Phasenverschiebung der Phasenkorrekturschaltung sich mit zunehmender Frequenz vergrößert Im einzelnen ist in der Stimmgabel-Schwingschaltung eine Kompensationsschaltung vorgesehen, in der die Phasendifferenz der Stimmgabel in Abhängigkeit von Frequenzänderungen kompensiert wird, d.h. eine Phasenkorrekturschaltung, die sich Veränderungen der Phasendifferenz der Stimmgabel anpaßt Ferner sollten in der Stimmgabel-Schwingschaltung zur Ennöglichung einer vollständigen Kompensation durch die Phasenkorrekturschaltung die Flächen und Stärken der piezoelektrischen Elemente, die an die Eingangs- und Ausgangsseiten der Stimmgabel angelegt werden und einen Kondensator bilden, vorzugsweise so bemessen und angeordnet werden, daß die äquivalente elektrostatische Kapatität der Stimmgabel verringert wird, und/oder daß eine vollständige Anpassung der Impedanzen der externen Schaltungen, die mit den Eingangsbzw, den Ausgangsseite der Stimmgabel verbunden sind, an die Impedanz der Stimmgabel erfolgt Dadurch können die auf Frequenzänderungen zurückgehenden Änderungen der Phasendifferenz der Stimmgabel auf einen Optimalwert reduziert werden.

Die piezoelektrische Stimmgabel-Schwingschaltung enthält eine piezoelektrische Stimmgabel und Verstärker, bei denen es sich um normale Tonfrequenzverstärker mit Transistoren handeln kann. Zwischen den Verstärkern befindet sich eine einstufte Phasenkorrekturschaltung aus Widerständen und Kondensatoren. In der Phasenkorrekturschaltung stimmt die Schwingfrequenz mit der Resonanzfrequenz der verwendeten Stimmgabel über einen weiten Frequenzbereich überein, wobei der Phasenverschiebungswinkel der Korrekturschaltung mit zunehmender Frequenz vergrößert wird, so daß eine stabile Schwingfrequenz mit größtmöglichem Ausgangs- Schwingsignal entsteht

Die Schwingfrequenz der Schwingschaltung ist stabil, wobei die Ausgangsamplitude der Schwingschaltung unabhängig von der Resonanzfrequenz der verwendeten Schwinggabel auf dem Maximalwert gehalten wird. Die Schwingschaltung ist in ihrer Funktion stabil und in der Konstruktion einfach und mit geringen Kosten herstellbar.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 5 angegeben.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die F i g. 5 bis 7 näher erläutert

F i g. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer piezoelektrischen Stimmgabel-Schwingschaltung.

Fig.6 zeigt die Phasenkorrekturcharakteristiken einer Phasenkorrekturschaltung, die in der Stimmgabel-Schwingschaltung nach F i g. 5 enthalten ist und

Fig.7 zeigt ein Schaltbild ähnlich demjenigen der F i g. 5, jedoch mit einigen Modifizierungen.

Vor der Erläuterung des Ausführungsbeispiels sei darauf hingewiesen, daß in den einzelnen Figuren der Zeichnung für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen verwendet sind.

In Fig.5 ist eine piezoelektrische Stimmgabel-Schwingschaltung dargestellt die eine piezoelektrische Stimmgabel 3 enthält Der Ausgangsanschluß Her piezoelektrischen Stimmgabel 3 ist mit einein widerstandsangepaßten Verstärker 4 verbunden, bei dem es sich beispielsweise um einen normalen, mit Transistoren aufgebauten Tonfrequenzverstärker handelt, dessen Ausgangssignal herausgeführt wird und dessen AusgangsanschluU ferner über einen Widerstand R1 (oder die Ausgamgsirnpedanz des Verstärkers 4} mit einem weiteren Verstärker 5 gleichen Typs gekoppelt ist. Der Verbindungspunkt des Widerstandes R 1 mit dem Verstärker 5 ist über eine Reihenschaltung aus einem Kondensator Cund einem Widerstand R 2 geerdet Der Widerstand R 1, der Kondensator Cund der Widerstand R 2 bilden eine Phasenkorrekturschaltung 6, die in

F i g. 5 mit gestrichelten Linien umrahmt ist, während der Eingangsanschluß der Stimmgabel 3 über einen Anpassuiigswiderstand 7 (oder über die Ausgangsimpedanz des Verstärkers 5) mit dem Ausgang des Verstärkers 5 verbunden ist. Bei der dargestellten Alisführungsform ist die Phasenkorrekturschaltung 6 aus dem Widerstand R1, dem Kondensator C und dem Widerstand R 2 einstufig und weist eine Phasencharakteristik auf, bei der die Schwingfrequenz über einen weiten Breich mit der Resonanzfrequenz der Stimmgabel übereinstimmt, wie Fig. 6 zeigt. Die Phasenverschiebung der Phasenkorrekturschaltung vergrößert sich zur Erzeugung einer stabilen Schwingfrequenz bei maximaler Ausgangsamplitude mit zunehmender Frequenz. Auf diese Weise erübrigen sich Umschaltungen und Einstellungen zum Zwecke der Phasenkorrektur über einen weiten Frequenzbereich, und man erhält stets eine vollständige Phasenkorrektur. Bei uci üben beschriebenen piezoelektrischen Stimmgabel-Schwingschaltung nach Fig. 5 ist die Ausgangsspannung der Schwingschaltung stabil, da die Abweichung von der Resonanzfrequenz stets vernachlässigbar ist. Über einen weiten Frequenzbereich ergeben sich nur außerordentlich geringe Veränderungen, wodurch ein Nachstellen der Ausgangsspannung nicht erforderlich ist.

Da die beschriebene piezoelektrische Stimmgabel-Schwingschaltung eine einstufige Phasenkorrekturschaltung enthält, sollten Größe und Gestalt, d. h. die Flächen und die Stärken der an die Eingangs- und Ausgangsseiten der Stimmgabel angelegten piezoelektrischen Elemente, die einen Kondensator bilden, so gewählt sein, daß die äquivalente elektrostatische Kapazität der Stimmgabel verringert wird und/oder die Impedanzen der an die Eingangs- und Ausgangsseite der Stimmgabel angeschlossenen externen Schaltungen vollständig an die Impedanz der Stimmgabel angepaßt sind. Dadurch können Abweichungen in den Steigungswinkeln der Kurven, die die Phasenverdrehung der Korrekturschaltung in Abhängigkeit von der Frequenz und die Phasenverschiebung der Stimmgabel in Abhängigkeit von der Resonanzfrequenz angeben, über einen weiten Frequenzbereich von z. B. 300 bis 3000 Hz selbst in einstufigen Phasenverschiebungsschaltungen eliminiert werden.

In diesem Zusammenhang sei angemerkt, daß der Ausdruck Phasendifferenz oder Phasenverschiebung nicht nur die absolute Differenz der Phasenlage zwischen Eingangs- und Ausgangssignalen bezeichnet, sondern mit dem Zeichen (—) das Nacheilen der Phase und ohne das Zeichen (—) das Voreilen der Phase kennzeichnet Ferner ist mit »Vergrößerung der Phasendifferenz« oder »Verringerung der Phasendifferenz« ein Anstieg oder eine Verringerung des Absolutwertes der Phasendifferenz gemeint Bei der Schaltung nach F i g. 5 liefert die Phasenkorrekturschaltung eine Phasendifferenz zwischen ihrem Eingangsund ihrem Ausgangssignal, die der von der piezoelektrischen Stimmgabel erzeugten Phasendifferenz entspricht, jedoch das umgekehrte Vorzeichen hat. Anders ausgedrückt: damit die Schaltung bei verschiedenen Stimmgabeln mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen jeweils im Resonanzpunkt schwingt, muß die Phasenverschiebung α an der Phasenkorrekturschaltung gleich dem negativen Wert der Phasenverschiebung 8 der Stimmgabel sein.

Dies ist bei einer Schwingschaltung nach Fig.5 erfüllt, bei der der Neigungswinkel der in Fig.6 dargestellten Kennlinie, die die Beziehung zwischen Frequenz und Phasenverschiebung der Phasenkorrekturschaltung wiedergibt, etwa gleich dem negativen Neigungswinkel, der in Fig.3 dargestellten Kurve ist, die die Beziehung zwischen der Resonanzfrequenz und der Phasenverschiebung der piezoelektrischen Stimmgabel wiedergibt.

In F i g. 7 ist eine Modifizierung der piezoelektrischen Stimmgabei-Sehwingscnaiiung der Fig. 5 dargesieiii. Bei dieser Modifizierung ist die Phasenkorrekturschaltung 6, die bei der Schaltung nach Fig.5 zwischen die Verstärker 4 und 5 geschaltet ist, durch die Reihenschaltung aus einem Widerstand RV und einem Kondensator C ersetzt. Diese beiden Bauelemente sind zwischen Verstärker 4 und den Ausgang des Verstärkers 5 geschaltet, wobei parallel zu dem Kondensator C" ein Widerstand R T geschaltet ist. Die Verstärker 4 und 5 sind dirc.it miteinander verbunden, wobei der Verstärker 4 über einen Widerstand R 3 geerdet ist. Da die Funktionsweise und Wirkung der Schaltung nach F i g. 7 gleich derjenigen von Fig.5 sind, ist die detaillierte Beschreibung der Schaltung abgekürzt

Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung ergibt, sind Umschaltungen oder Einstellungen der piezoelektrischen Stimmgabel-Schwingschaltung zum Zwecke der Phasenkorrektur über einen weiten Frequenzbereich nicht erforderlich. Dies wird durch Einschaltung des einstufigen Phasenkorrekturnetzwerkes erreicht, das eine solche Charakteristik aufweist, daß die Schwingfrequenz mit der Resonanzfrequenz der Stimmgabel über einen weiten Frequenzbereich übereinstimmt, wobei die Phasenverschiebung der Phasenkorrekturschaltung mit zunehmender Frequenz größer wird, so daß eine stabile Schwingfrequenz bei maximaler Ausgangsamplitude erzeugt wird. Feineinstellungen des Phasenwinkels sind möglich, indem die Widerstandswerte der Phasenkorrekturschaltung und/ oder die Kapazitätswerte der piezoelektrischen Stimmgabel verändert werden. Schließlich können Änderungen der Schwingfrequenz leicht durchgeführt werden, indem lediglich die piezoelektrische Stimmgabel ausgetauscht wird. Sowohl für Signalaussendung als auch für Signalempfang kann dieselbe piezoelektrische Stimmgabel verwendet werden. Da die Phasenkorrekturschaltung ferner zusätzlich als Hochpaßfilter wirkt, werden Spannungsüberhöhungen der Schwingschaltung, die auf auftreffende Streustrahlungen zurückzuführen sind, eliminiert Auf diese Weise werden die Auswirkungen unerwünschter Streustrahlungen unterdrückt

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Schwingschaltung mit einer piezoelektrischen Stimmgabel sowie mit einem Verstärker und einer Phasenkorrekturschaltung aus mindestens einem Widerstand und einem Kondensator, die in einer Rückkopplungsschaltung an die Stimmgabel angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenkorrekturschaltung in einem weiten Bereich von Stimmgabel-Resonanzfrequenzen mit höher werdender Resonanzfrequenz die Phasendifferenz zwischen ihrem Eingangssignal und ihrem Ausgangssignal vergrößert

2. Schwingschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsirnpedanz und die Ausgangsimpedanz der piezoelektrischen Stimmgabel (3) exakt an die Eingangs bzw. Ausgangsimpedanz der an die Stimmgabel angeschlossenen Schaltungen angepaßt ist

3. Schwing^ehaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die äquivalente elektrostatische Kapatität der in der Stimmgabel (3) enthaltenen piezoelektrischen Elemente insgesamt minimiert ist

4. Schwingschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der piezoelektrischen Stimmgabel (3) mit dem Eingang eines ersten Verstärkers (4) verbunden ist, daß der Ausgang des ersten Verstärkers (4) über einen ersten Widerstand (R 1) mit dem Eingang eines zweiten Verstärkers (5) verbunden ist, daß der Verbindungspunkt des ersten Widerstandes (RX) mit dem zweiten Verstarker (S/ über die Reihenschaltung aus einem Kondensator (C) und einem Widerstand (R 2) mit Erde verbund .η ist und daß der Ausgang des zweiten Verstärkers (5) über einen dritten Widerstand (7) mit dem Eingangsanschluß der Stimmgabel (3) verbunden ist

5. Schwingschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Stimmgabel (3) mit dem Eingang eines ersten Verstärkers (4) verbunden ist, dessen eine Ausgangsleitung herausgeführt und dessen andere Ausgangsleitung mit dem Eingang eines zweiten Verstärkers (5) verbunden ist, daß die eine Ausgangsleitung des ersten Verstärkers (4) zusätzlich über eine Reihenschaltung aus einem Kondensator (C), dem ein zweiter Widerstand (R 2') parallelgeschaltet ist und einem ersten Widerstand (R X') mit dem Ausgangs des zweiten Verstärkers (5) verbunden ist, daß der erste Verstärker (4) über einen dritten Widerstand (R 3) mit Erde verbunden ist und daß der Eingangsanschluß der Stimmgabel (3) über einen vierten Widerstand (7) mit dem Ausgang des zweiten Verstärkers (5) verbunden ist