DE2627701B2

DE2627701B2 - Quarzoszillator

Info

Publication number: DE2627701B2
Application number: DE19762627701
Authority: DE
Inventors: Hermann Dipl.-Ing. 8120 Weilheim Lang
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-06-21
Filing date: 1976-06-21
Publication date: 1980-05-22
Also published as: DE2627701A1; DE2627701C3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Quarzoszillator mit einer gesteuerten Kapazitätsdiode, mit einer Phasenregelschleife, die einen Phasendiskriminator und einen Tiefpaß enthält, an dessen Ausgang die der Frequenzabweichung zwischen Steuerfrequenz und Oszillatorfrequenz proportionale Kapazitätsdiodenvorspannung ansteht, und mit einem Frequenzwandler vor einem der Eingänge des Pnasendiskriminators.

In modernen Trägerversorgungsanlagen für Breitbandträgerfrequenzsysteme werden in zunehmendem Maße phasengeregelte Frequenzoszillatoren zur ganzzahligen Frequenzvervielfachung verwendet.

Ein phasengeregelter Quarzoszillator der eingangs genannten Art, bei dem der Frequenzwandler nicht in der Phasenregelschleife liegt, ist in der Zeitschrift »Frequenz«, 26 (1972), 1, Seiten 14 bis 18, beschrieben.

Bei diesem Quarzoszillator nimmt bei Ausfall der Steuerspannung die Ausgangsgleichspannung des Phasendiskriminators in der Regelschleife den Minimalwert an.

> Aus der DE-AS 10 01 342 ist eine insbesondere für Fernsehempfänger dienende Synchronisierschaltung bekannt, bei der in einer Phasenvergleichsstufe mit an sich unsymmetrischem Aufbau aus den Synchronisierimpulsen und der Schwingung des zu synchronisierenden

κι Generators eine Regelspannung zur Nachregelung des zu synchronisierenden Generators gewonnen wird. Bei dieser Schaltung wird am oder vor dem Einspeisungspunkt der symmetrischen Schwingung bzw. Impulsfolge eine zusätzliche Schwingung bzw. Impulsfolge einge- > koppelt, die mit der zu synchronisierenden Schwingung bzw. Impulsfolge phasenstarr verbunden ist. Diese zusätzliche Schwingung bzw. Impulsfolge hat eine solche Größe und Form, daß beim Aussetzen der synchronisierenden Schwingung, die in diesem Augen-

>o blick durch den unsymmetrischen Aufbau bedingte zusätzlich auftretende Regelspannung praktisch kompensiert wird und nur eine vom Arbeitszustand unabhängige Vorspannung übrig bleibt.
Aus der DE-OS 22 23 889 ist schließlich noch eine

2"> Phasenvergleichsschaltung zur Erzeugung einer Regelspannung zur Synchronisierung eines Oszillators bekannt. Bei dieser Phasenvergleichsschaltung ist eine die Regelspannung liefernde Ladekapazität über zwei durch die Oszillatorspannung und die Synchronimpuls-

K) folge betätigte Schalter mit zwei verschieden hohen Betriebsspannungen verbunden. Bei Ausfall der Synchronimpulsfolge wird eine die Regelspannung ersetzende Stellgröße wirksam.
Aus Gründen der raschen Einstellung auf die

r> Sollfrequenz bei Wiederauftreten der Steuerspannung ist es bei einem Quarzoszillator der einleitend geschilderten Art häufig erwünscht, daß sich die Oszillatorspannung bei Ausfall der Steuerspannung auf die Mittenfrequenz des Mitziehbereiches einstellt.

w Verschiedene nichtlineare Zusammenhänge, z. B. zwischen der angelegten Spannung und der Kapazität bei einer Varaktordiode können aber dazu führen, daß die freilaufende Frequenz dann mehr oder weniger vom gewünschten Sollwert abweicht.

4Ί Aufgabe der Erfindung ist es, diese Abweichung möglichst weitgehend zu verhindern.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird der Quarzoszillator der eingangs genannten Art erfindurgsgemäß derart ausgebildet, daß der Phasendiskriminator derart ausge-

^r)d bildet ist, daß er bei fehlender Steuerspannung eine konstante Impulsfolge abgibt, und daß die Zeitkonstante für den Lade- und den Entladekreis der Querkapazität des Tiefpasses derart unterschiedlich dimensioniert ist, daß bei Ausfall der Steuerspannung die Oszillatorfre-

r> quenz in der Mitte des Mitziehbereiches des Oszillators liegt.

Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß nach Wiedereinsetzen der Steuerspannung eine rasche Regelung des Oszillators auf die Sollfrequenz erfolgt.

w) Als Phasendiskriminator kann hierbei ein aus vier NAND-Gattern bestehendes Exclusiv-Oder-Gatter verwendet werden, das ausgangsseitig einen mit einer Vorspannung versehenen Schalttransistor ansteuert, der kollektorseitig sowohl mit dem Tiefpaß als auch mit

tv> einem ohmschen Widerstand, über den die Versorgungsspannung zugeführt wird, verbunden ist.

Als Phasendiskriminator kann aber auch eine Flip-Flop-Schaltung verwendet werden, die ausgangs-

seitig einen mit einer Vorspannung versehenen Schalttransistor ansteuert, der koUektorseitig sowohl mit dem Tiefpaß als auch mit einem ohmschen Widerstand, über den die Versorgungsspannung zugeführt wird, verbunden ist.

Durch die Verwendung dieser besonderen Phasendiskriminatoren wird ein einfacher Aufbau der Regelschleife des Oszillators ermöglicht

Vorteilhaft ist es, wenn der ohmsche Widerstand im Kollektorkreis des Schalttransistors derart dimensioniert ist, iaß er gleich ist dem Produkt aus dem Längswiderstand des Tiefpasses und dem um eins verringerten Quotienten aus dem arithmetischen Mittelwert von maximaler und minimaler Kapazitätsdiodenverspannung und der bei Mittenfrequenz des Mitbeziehbereiches erforderlichen Vorspannung der Kapazitätsdiode.

Anhand der bekannten Schaltung nach F i g. 1 sowie des Ausführungsbeispiels nach F i g. 2 und des Diagramms nach F i g. 3 wird die Erfindung näher erläutert.

In Fig. I ist das Blockschaltbild einer Phasenregelschleife zur Frequenzvervielfachung angegeben. Dabei ist dem Hhasendiskriminator ein herkömmlicher Frequenzvervielfacher vorgeschaltet. Die Ausgangsspannung des Phasendiskriminators ist der Phasendifferenz zwischen Oszillatorspannung der vom Vervielfacher abgegebenen Spannung proportional; sie gelangt über einen Tiefpaß an die Kapazitätsdiode K des O /illators und führt diesen jeder Änderung der Steuerfrequenz synchron nach.

Mischprodukte, die im Phasendiskriminator enütehen, und deren Frequenz wesentlich über der Grundfrequenz des Tiefpasses liegt, gelangen nicht an die Kapazitätsdiode.

Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist es, das Verhältnis von Lade- und Entladezeit des Kondensators im Tiefpaß zwischen Phasendiskriminator und frequenzbeeinflussendem Glied so zu bemessen, daß dieses Glied bei fehlender Synchronisierung die Mittenfrequenz erzeugt. Eine Voraussetzung ist ein Phasendiskriminator, der bei fehlender Synchronisierung eine konstante Impulsfolge am Ausgang liefert. Die Synchronisierfrequenz und die rückgeführte Oszillatorfrequenz können in gleicher Frequenzlage sein oder in einem beliebigen ganzzahligen Verhältnis zueinander stehen. Eine weitere Voraussetzung ist eine stabile Impulsspannung am Ausgang des Phasendiskriminators.

Die Wirkungsweise wird an einem synchronisierbaren Quarzoszillator, wobei in Fig. 2 nur die wesentlichen Teile der Schaltung nach Fig. 1 dargestellt sind, gezeigt. Die Mitziehfrequenz und die vom Oszillator rückgeführte geteilte Frequenz sind in gleicher Frequenzlage. Das frequenzbeeinflussende Glied ist eine Kapazitätsdiode 2 als Teil der Lastkapazität C des Quarzes 4. Die stabile Amplitude der Impulsspannung am Ausgang des Phasendiskriminators 1 wird erreicht durch eine stabilisierte Versorgungsspannung und durch die Verwendung eines pnp-Schalttransistors 3 mit kleiner Sättigungsspannung. Die in Durchlaßrichtung geschaltete Diode 6 im Emitter dieses Transistors 3 erzeugt eine Schwellenspannung Ud, unter welche die Vorspannung der Kapazitätsdiode 2 an der unteren Grenze des Ziehbereiches nicht absinken kann, damit diese nicht von der Wechselspannung in den Durchlaßbetrieb gesteuert wird.

Bei fehlender Synchronisierfrequenz gibt der Phasendiskriminator 1, ein aus vier NAND-Gliedern aufgebautes Exclusiv-Oder-Glied, eine symmetrische Impulsfolge ab.

Der folgende RC-Tieipaü 5 würde jetzt üblicherweise am Kondensator C'den arithmetischen Mittelwert Um' zwischen der kleinsten UD und der größten möglichen Spannung UB annehmen, mit der die Kapazitätsdiode im Mitziehbetrieb vorgespannt werden kann.

Damit ergibt sich aber ein stark unsymmetrischer Mitziehbereich um diese Eigenfrequenz, wie in Fig. 3 gezeigt, da die Oszillatorfrequenz nicht linear zur angelegten Vorspannung verläuft. Es ergäbe sich eine Unsymmetrie 1,8:1. Um einen dazu symmetrischen Mitziehbereich 1 : 1 zu erzielen, muß bei der symmetrischen Impulsfolge eine kleinere K.ondensatorspannung Um entstehen. Dazu wird der Kondensator C während der Impulsdauer über den Widerstand R 1 + R 2 negativ geladen, während der Impulspause aber über den kleineren Widerstandswert R 2 und den durchgeschalteten Transistor 3 schneller wieder entladen.

Als Gleichspannungsmittelwert ergibt sich

V₁, - U₁,

R2

Kl +■ R2

Die Werte für C und R 2 ergeben sich aus den Anforderungen an die Synchronisierung (z. B. Nebenfrequenzdämpfung, Einschwingverhalten). Der Wert für R 1 läßt sich dann aus der Kennlinie des Diagramms nach F i g. 3 errechnen oder mittels eines veränderbaren Widerstandes über direkte Frequenzmessung bestimmen.

Wäre die Kennlinie f=f(U) des Diagramms nach Fig. 3 wegen der Nichtlinearitäten nach der anderen Seite gewölbt, müßte ein npn-Transistor eingesetzt und mil R 1 vertauscht werden. Damit würde die Ladezeit des Kondensators Ckürzer als die Entladezeit werden.

Durch einen Einzelabgleich — ein solcher ist im beschriebenen Beispiel nicht vorgesehen — könnten auch Exemplarstreuungen der Kennliniensteilheit der Kapazitätsdioden ausgeglichen werden.

lliei/u 2 Bliitt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Quarzoszillator mit einer gesteuerten Kapazitätsdiode, mit einer Phasenregelschleife, die einen Phasendiskriminator und einen Tiefpaß enthält, an dessen Ausgang die der Frequenzabweichung zwischen Steuerfrequenz und Oszillatorfrequenz proportionale Kapazitätsdiodenvorspannung ansteht, und mit einem Frequenzwandler vor einem der Eingänge des Phasendiskriminators, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasendiskriminator (1) derart ausgebildet ist, daß er bei fehlender Steuerspannung eine konstante Impulsfolge abgibt, und daß die Zeitkonstante für den Lade- und den Entladungskreis der Querkapazität (C) des Tiefpasses (5) derart unterschiedlich dimensicniert ist, daß bei Ausfall der Steuerspannung die Oszillatorfrequenz in der Mitte des Mitziehbereiches des Oszillators liegt

2. Quarzoszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Phasendiskriminator (1) ein aus vier NAN D-Gattern bestehendes Exklusiv-Oder-Gatter verwendet wird, das ausgangsseitig einen mit einer Vorspannung versehenen Schalttransistor (3) ansteuert, der kollektorseitig sowohl mit dem Tiefpaß (5) als auch mit einem ohmschen Widerstand (R 1), über den die Versorgungsspannung zugeführt wird, verbunden ist.

3. Quarzoszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Phasendiskriminator eine Flip-Flop-Schaltung verwendet ist, die ausgangsseitig einen mit einer Vorspannung versehenen Schalttransistor (3) ansteuert, der kollektorseitig sowohl mit dem Tiefpaß (5) als auch mit einem ohmschen Widerstand (R 1), über den die Versorgungsspannung zugeführt wird, verbunden ist.

4. Quarzoszillator nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der ohmsche Widerstand (R 1) im Kollektorkreis des Schalttransistors (3) derart dimensioniert ist, daß er gleich ist dem Produkt aus dem Längswiderstand (R 2) des Tiefpasses (5) und dem um eins verringerten Quotienten aus dem arithmetischen Mittelwert (Um') von maximaler (Ub) und minimaler (Uo) Kapazitätsdiodenverspannung und der bei Mittenfrequenz des Mitziehbereiches erforderlichen Vorspannung (Um)der Kapazitätsdiode (2).