DE2623398A1 - Erzeuger von sinusfoermigen schwingungen mit einer elektronisch abaenderbaren frequenz - Google Patents

Erzeuger von sinusfoermigen schwingungen mit einer elektronisch abaenderbaren frequenz

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Description

GH-
SPEHRY RAND CORPORATION, New York, N. Y./U. S. A.
Erzeuger von siims.förinigen Schwingungsn mit einer elektronisch abäaderbareri Frequenz
Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Erzeugen von sinusförmigen Schwingungen, daren Frequenz dachten veränderliar ist, daß der Phasenwinkel mix, der Phasenverschiebung der Verstärkerschaltung eingestellt
Zur Abänderung der Schwingimgsfreqijenz innerhalb vorgegebener Grenzen werden häufig Rechteck- oder SägeZahn-Oszillatoren angewendet» deren Schwingungen nicht sinusförmig sind. Hierau werden die gleichförmig zunehmenden oder abfallenden Flanken des Signalverlaufes in einer Schaltung abgeändert, die ihrerseits die Bauer der einzelnen Signale und damit die Frequenz des Oszillators verändert« Xn den Oszillatoren dieser Art treten jedoch wegen der Erzeugung harmonischer Frequenzen und wegen der Störsignale ständig irgendwelche Probleme auf. Da der Anstieg oder der Abfall dar stufenartigen Signale häufig unstetig geändert werden muß, besteht» nicht nur die Neigung zur Entstehung von Störsignalen, sondern es werden auch zahlreiche Harmonische d&r gewünschten Grundfrequenz hervorgerufen. Somit ist die Anwendung der Erzeuger von nicht sinusförmigen Schwingungen auf Bereiche beschränkt, in denen die haraoninischen Frequenzen und das Rauschen geduldet werden können; ansonsten müssen aufwendige Maßnahmen getroffen werden, damit die unerwünschten Signale unterdrückt und ausgefiltert werden. Außerdem wird der Erzeuger nicht sinusförmiger Schwingungen benutzt, wenn die·· 3cbwinguiigof.requenz verändert werden muß·
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Demgegenüber weisen die Erzeuger von sinusförmigen Schwingungen nicht diesen Nachteil der Entstehung von Störsignalen und harmonischen Frequenzen auf, da sie im (»runde eine innere S5.gnalf orm benutzen, die sich der Sinusform annähert. Aus diesem Gesichtspunkt heraus werden die Erzeuger der sinusförmigen Schwingungen stets dann angewendet, wenn ruhige und saubere Signalformen benötigt werden. Die Schwingungsfrequens eines solchen Erzeugers kann sich jedoch mit den Kenngrößen der Schaltungselemente und -bestandteile findernc Mit anderen Vierten gesagt, ist die Schwingungsfrequenz direkt von diesen Kenngrößen abhängig; die Genauigkeit, mit der ein Erzeuger von sinusförmigen Schwingungen bei einer vorgegebenen Frequenz schwingt, hängt daher von der Genauigkeit ab, mit der die in die Schaltung eingehenden Komponenten hergestellt werden können.
Um die Frequenz eines Erzeugers von sinusförmigen Schwingungen abändern zu können2 wird in den Rückkopplungskreis ein Kondensator hineingelegt, damit der Phasenwinkel und somit die Resonanzfrequenz des Oszillators verschoben werden. Schwierigkeiten entstehen hierbei dadurch, daß ein solcher Kondensator mit einer veränderbaren Kapazität eine hohe Gleichspannung benötigt und wit kleinen oszillierenden Spannungen betrieben werden muß; da fernerhin· die Gesamtfrequenz der Schwingungen von der Reaktanz aller Komponenten abhangig ist, wird die Schwingungefrequenz ferner von der Genauigkeit und den Toleranzen bestimmt, die von diesen Komponenten eingehalten werden*
Gemäß der Erfindung enthält der Erzeuger von sinusförmiger Schwingungen, deren Frequenz effektiv veränderbar ist eine Verstärkerschaltung mit einem Riickkopplungskreis und einer Vorrichtung, von der die Schwingungsfrequenz des Oszillators wahrgenommen wird* Die Verstärkerschaltung und der Riickkopplungskreis weisen eine Vorrichtung auf, die eine gesamte Phasenverschiebung von Null oder eines ganzaahligen Vielfaches von 36Ο0 hervorruft, damit die Phase der durch sie hindurchlaufenden Signale derart abgeändert wird, daß der Oszillator mit einer gegebenen Frequenz schwingt, wobei die
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Phasenverschiebung in der Verstärkerschaltung und damit die Frequenz verändert werden, bei der der Oszillator schwingt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden ausführlich erläutert. Es stellen dar:
Figur 1 einen bekannten Erzeuger von sinusförmigen Schwingungen mit veränderbarer Frequenz ohne die Gleichstromverbindungen,
Figur 2 ein typischer Kurvenverlauf der Frequenz für das Rückkopplungsnetzwerk in der Schaltung der Figur 1,
Figur 3 eine Schaltung als Ausführungsform der Erfindung ohne die verschiedenen Komponenten für die Gleichstromzufuhr,
Figur 4a eine typische Kurve für den Phasenwinkel dee Rückkopplungssignals Über der Frequenz,
Figur 4b eine typische Kurvenschar, die den Phasenwinkel der Verstärkerschaltung über der Frequenz wiedergibt.
Figur 4c ein typischer Kurvenverlauf der Frequenz für die Schaltung der Figur 3 und
Figur 5 das Schaltbild einer weiteren Ausfilhrungsform der Erfindung;
Der bisherige Erzeuger von sinusförmigen Schwingungen in der Figur 1 weist eine Verstärkerschaltung mit einem Transistor 10 auf und gibt seine Signale an einer Klemme 11 ab« Bei diesem Oszillator nach der Art des Klapp9sehen Schwingers ist ein Rückkopplungskreis zwischen dem Kollektor und der Bais des Transistors mit einer Drossel 12 und einem Kondensator 14 angeschlossen, dessen Kapazität veränderbar ist. Der Emitter liegt an Erde. Im Emitter-Basiskreis befindet sich ein weiterer Kondensator 15, und ein dritter Kondensator 16 liegt quer zum Kollektor und Emitter·
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Die Frequenz der Schwinungen, die eine solche Schaltung hervorruft, hängt von der Aufsummierung der Phasenverschiebungen im Rückkopplungskreis mit der Drossel 12, dem Kondensator 14 mit veränderbarer Kapazität und den Kondensatoren 15 und 16, sowie von der Phasenverschiebung des Transistors 10 selbst ab. natürlich ist diese Frequenz auch von den Kenngrößen der Komponenten in diesen Schaltungen abhängig, so daß die Vorhersagbarkeit der Schwingungsfrequenz durch die Toleranzen bestimmt ist, mit denen die Kenngrößen dieser Komponenten eingehalten werden« Um die Einwirkungsmöglichkeit von Änderungen des Phasenwinkels im Transistor auf die Schwingungsfrequenz zu vermindern,, sucht man die Größe der Phasenänderung bezüglich der Frequenzänderungs also die Ableitung von djÖ/df groß zu machen, damit Änderungen des Phasenwinkels im Transistor, der als Verstärker wirksam ist, und seiner KolLektorlast, nämlich des Kondensators 16 eine geringere Wirkung auf die Resonanzfrequenz der Schaltung hat» Deshalb ergibt eine relativ große Änderung des Phasenwinkels, wie die Figur Z zeigt, z, B. von JD1 auf
nur eine geringe Frequenzänderung von f^ auf fge Ia der Wirklichkeit kann ein derartiger Kurvenverlauf der Frequen« nur dann beibehalten werden, wenn der der Schaltung eigene Wert des Oxfmschen Widerstandes klein gehalten wird, die Schaltung also einen hohen Gütefaktor Q aufweist. Bei einem größeren Widerstand im Rückkopplungskreis sucht sich die Kurve stärker einzuebnen, wodurch die
Frequenzänderung mit der Phasenänderung größer wird. Mit anderen Worten ausgedrückt, nimmt der Anstieg der Kurve zwischen den Phasenwinkel ^1 unci $2 ab.
Den Gegenstand der Erfindung bildet ein Erzeuger von sinusförmigen Schwingungen mit einer Verstärkerschaltung, in der die Phasenverschiebung abgeändert werden kann, während die Komponenten des Rückkopplungskreises und der Auegabeschaltung konstant gehalten werden. Mit Hilfe einer derartigen Phasenänderung in der Verstärkerschaltung kann die Schwingungsfrequenz des Oszillators elektronisch geändert werden, damit ein Erzeuger von sinusförmigen Schwingungen vorliegt, deren Frequenz elektronisch verändert werden kann.
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Bie Ausführungsform der Erfindung weist gemäß der Figur 3 eine Verstärkerschaltung 19 mit einem Transistor 20 auf, dessen Kollektor mit einer Ausgangsklemme 21 und außerdem über einen Rückkopplungskreis, der eine Induktivität 22 von fester Größe, einen 0hmschen Widerstand 24 von fester Größe und einen Kondensator mit einer festen Kapazität enthält, mit der Basis verbunden ist. Zwischen dieser Basis des Transistors 20 und der Erde, sowie zwischen dessen Kollektor und der Erde liegt je ein Kondensator 26 bzw, 27 mit einer festen Kapazität.
In der Verstärkerschaltung 19 ist die Vorrichtung.zur Abänderung des Phasenwinkels des abgegebenen Stromes vorgesehen, mit deren Hilfe die Schwingungsfrequenz innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereiches verändert werden kann. Hierfür ist dem Emitter 28 des Transistors 20 eine parallele Verbindung zur Erde zugeordnet, in der eine Induktivität 29 von fester Größe parallel zu einem Kondensator 30 von fester Kapazität und zu einem veränderbaren Ohmschen Widerstand 31 geerdet ist.
Wie bereits erwähnt, enthält der Rückkopplungskreis die Induktivität 22, den Ohmschen Widerstand 24 und den Kondensator 25 und verläuft zwischen dem Kollektor und der Basis des Transistors 20, während der Kondensator 26 bzw. 27 von der Baals bzw. vom Kollektor an Erde angelegt ist. Zusätzlich weist die Verstärkerschaltung 19 parallele Verbindungen zwischen dem Emitter und der Erde auf, in denen die Induktivität 29 parallel zum Kondensator 30 und dem veränderbaren Widerstand 31 liegt und folglich der Kondensator 30 und der Ohmsche Widerstand 31 in Reihe geschaltet sind.
In der Figur 4a ist der Kurvenverlauf der Frequenz in Abhängigkeit von den Phasenwinkeln wiedergegeben; im einzelnen ist sie eine Funktion des Phasenwinkels jÖf des Rückkopplungskreises mit der Induktivität 22, dem Widerstand 24 und der Kapazität der Kondensatoren 25, 26 und 27. Mit den Werten des Ohmschen Widerstandes 24 ändert sich die Einstellung dieses Phasenwinkels; mit anderen v/orten aus-
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gedrückt, fällt mit zunehmender Größe des Widerstandes die Neigung des Kurvenabschnittes ab, der sich zwischen den Frequenzen f- und f. erstreckt, womit auch die Ableitung djÖ/df kleiner wird.
Wie bereits erklärt, wird die Schwingungsfrequenz dieser Schaltung dadurch geändert, daß der Phasenwinkel 0j. der Verstärkerschaltung infolge einer Größenänderung des ühmschen Widerstandes 31 verändert wird. Hierzu sei auf die Kurvenschar für den Phasenwinkel gemäß der Figur 4b verwiesen, der bei einer Änderung der Größe des ühmschen 'Widerstandes 31 erhalten wird.
In der Figur 4c ist die Kurvenschar des Phasenwinkels der Verstärkerschaltung mit der invertierten Wiedergabe des Phasenwinkels des Rückkopplungskreises (Figur 4a) kombiniert wiedergegeben, so daß an allen Schnittpunkten der invertierten Kurve des Phasenwinkels mit der Kurvenschar (Figur 4b) die Summe der Phasenwinkel -360° beträgt, die eine Bedingung für die Schwingungen darstellt. Natürlich kann die Größe des Ohmschen Widers&andes 24 im Rückkopplungskreis auch abgeändert werden, damit der Bereich der Frequenzabänderung auf diese Weise verändert werden kann. Mit höheren Werten dieses Widerstandes im Rückkopplungskreis nimmt die Ableitung djÖ^/df ab, während bei geringeren Vierten des Widerstandes 24 die Neigung zunimmt ο Wie man also sieht, kann durch eine Abänderung des Phasenwinkels der Verstärkerschaltung die Schwingungsfrequenz der gesamten Schaltung abgeändert werden. Wie bereits dargelegt, ist dies etwas leichter und gebräuchlicher, sowie praktischer, wenn dieser Phasenwinkel elektronisch verändert werden soll.
In der Figur 5 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die zur richtigen Funktion der Schaltung sowohl den Wechselstromkreis als auch die Schaltung zur Versorgung mit dem Gleichstrom zeigt. Eine Verstärkerschaltung 34 mit einem Transistor 35 wird von einer Spannungsquelle (nicht geseigt) erregt, die über eine Klemme 36 den Kollektorstrora durch einen Ohmschen Widerstand 37 und ein Hochfrequenz-cn 38 heranführt* Außerdem wird der
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strom von der Klemme 36 über Hehrere Dioden 39 und einen Ohnscheii Widerstand 40 geleitet. Zu dieser Schaltung gehört ferner der Rückkopplungskreis mit einer Induktivität 41 von fester Größe, einem Ohmschen Widerstand 42 und einem Kondensator 44 "von fester Kapazität und ist zwischen dem Kollektor und der Basis des Transistors 35 angeschlossen. ZxdLschen der Basis und der Erde bzw. zwischen dem Kollektor und der Erde liegt je ein Kondensator 48 bzw· 49 mit einer festen Kapazität. Im Emitterkreis der Verstärkerschaltung 34 ist eine Induktivität 45 von fester Größe in Parallelschaltung zu einem Kondensator 46 mit einer festen Kapazität und zu mehreren in Reihe liegenden Dioden 47 vorgesehen.
Die vom gesamten Oszillator abgegebene Frequenz fQS die an einer Ausgangsklemme 51 als Hilfsmittel zu ihrer Wahrnehmung auftritt, ist, wie bereits erläutert, von der Beziehung der Phasenwinkel zwischen dem Rückkopplungskreis mit der Induktivität 41» dem Ohmschen Widerstand 42, dem Kondensator 44» sowie den Kondensatoren 48 und 49 einerseits und der Verstärkerschaltung 34 andererseits abhängig, die den Kondensator 46 und die Reihe der Dioden 47 in Parallelschaltung zur Induktivität 45 aufweist, die geerdet sind. In diesem Oszillator wird die Widerstandsänderung in der Verstärkerschaltung durch eine Steuerung des an einer Klemme 52 eingeführten Stromsignals bewirkt, das zur Trennung der Wechsel- und Gleichströme über eine Induktivität 54 geleitet wird und die Größe des Widerstandes der Reihe Dioden 47 abändert. Wie an eich geläufig ist, ist der Widerstandszuwuchs einer Silicium-Diode gegen den Strom angenähert 26 Ohm, geteilt durch den hindurchgehenden Strom in Milliampere· Dadurch daß die Stromzufuhr an der Klemme 52 gesteuert wird, wird in vorhersehbarer Weise die Größe des Ohmschen Widerstandes der Dioden 47 eingestellt, wodurch der Widerstand in der Verstärkerschaltung 34 reguliert wird. Hiermit wird auch ihr Phasenwinkel abgeändert, der seinerseits die Schwingungsfrequenz f des gesamten Oszillators beeinflußt, die an der AusgangsklenmB 51 austritt.
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Zusammenfassend gesehen, ist auvor ein elektronisch einstellbarer Erzeuger von sinusförmigen Schwingungen erläutert, dessen Frequenz von der Größe des ihm über die Klemme 52 zugeführten Stromes abhängt. Wenn also dieser zugeführte Strom richtig eingestellt wird, wird dementsprechend die Frequenz des Oszillators reguliert. Dadurch daß die Größe des veränderbaren Widerstandes 42 passend beeinflußt wird, wird die Ableitung des Phasenwinkels nach der Frequenz d0/df verändert und der Bereich festgesetztj in dem die vom Oszillator abgegebene Frenquena durch die Regulierung des Phaasmri.nkels der Verstärkerschaltung abgeändert werden kann.
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Claims (8)

PATENTANSPRÜCHE '
1.' Erzeuger von sinusförmigen Schwingungen mit veränderbarer Frequenz, der eine Verstärkerschaltung und einen Rückkopplungskreis aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerschaltung (19; 34) derart mit dem Rückkopplungskreis (22, 2.+ - 27; 41, 42, 44, 48, 49) verbunden ist, daß sich die Phasenverschiebungen der beiden jeweils durch sie hindurchgehenden Signale au rir.m Wert von 36O° auf summieren und dadurch die Frequenz der ab-"■•.rebenen Schwingungen festlegen, und daß diese Schwingungsfruquenz dadurch innerhalb eines vorgegebenen Gesamtbereiches abänderbar ist, daß die Phasenverschiebung der Verstärkerschaltung (19; 34) durch eine Regulierung der Stromzufuhr von außen eingestellt wird.
2. Erzeuger nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene Gesamtbereich, innerhalb dessen die Frequenz der abgegebenen Schwingungen veränderbar ist, mit Hilfe eines veränderbaren Widerstandes (24; 42) im Rückkopplungskreis (22, 24 - 27; 41, 42, 44, 48, 49) einstellbar ist.
3. Erzeuger nach dem Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerschaltung (19; 34) einen Transistor (20; 35) enthält, von dem das durch sie hindurchlaufende Signal verstärkt wird.
A-. Erzeuger nach dem Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Emitterkreis des Transistors (20; 35) ein veränderbarer Viiderstand (31; 47) enthalten ist, an dem die Phasenverschiebung der Verstärkerschaltung (19; 34) einstellbar ist.
5. Erzeuger nach dem Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum veränderbaren Widerstand (31; 47) des Emitterkreises eine Induktivität (29; 45) parallel geschaltet ist.
6. Erzeuger nach dem Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem veränderbaren Widerstand (31; 47) des Emitterkreises ein Kondensator (30; 46) in Reihe geschaltet
7. Erzeuger nach dem Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß der veränderbare Widerstand (31; 47) zumindest eine Diode aufweist, an der eine elektrische Stromquelle derart angeschlossen ist, daß die Stärke des durch sie hindurchgehenden Stromes die Größe ihres Widerstandes bestimmt.
8. Erzeuger nach dem Anspruch 3, d a d u r c h gekenn zeichnet, daß der Rückkopplungskreis (22, 24 - 27; 41, 42. 44, 48, 49) mit einer Induktivität (22; 41), einem Kondensator (25; 44) und einem Ohmschen Widerstand (24; 42) zwischen dem Kollektor und der Basis des Transistors (20; 35) angeschlossen ist.
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