DE2945999C2

DE2945999C2 - Wien-Robinson-Oszillator

Info

Publication number: DE2945999C2
Application number: DE19792945999
Authority: DE
Inventors: István Budapest Kálmán
Original assignee: Telefongyar Kft
Current assignee: Siemens Telefongyar Kft
Priority date: 1978-12-11
Filing date: 1979-11-14
Publication date: 1983-10-13
Also published as: PL123572B1; DE2945999A1; CS221529B2; GB2042840B; DD146728A5; HU178124B; PL220180A1; GB2042840A

Description

stante und ermöglicht daher nur eine langsame Aussteuerung. Auch ist die Amplitude wegen der Temperaturabhängigkeit des Widerstandes ebenfalls temperaturabhängig.

Bei dem im Oberbegriff des Patentanspruchs beschriebenen Wien-Robinson-Oszillator sind statt des Thermistors antiparallel geschaltete Dioden vorgesehen, wodurch der sich aus der großen Zeitkonstante des Thermistors ergebende Nachteil beseitigt wird. Wegen der Temperaturabhängigkeit der an den Dioden abfallenden Spannung ist jedoch die Amplitude ebenfalls temperaturabhängig. Infolgedessen können die Schwingungen bei einer Temperatur, die um etwa 40° C höher ist als die geforderte Temperatur, zum Stillstand kommen.

Darüber hinaus wird bei den bekannten Oszillatoren ausschließlich die Amplitude stabilisiert, und zwar im allgemeinen in einem verhältnismäßig engen Temperaturbereich. Die bei Temperaturänderungen auftretende Frequtnzänderungen werden nicht vermindert.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Wien-Robinson-Oszillator so weiterzuentwickeln, daß er bei einfachem Aufbau in einem breiten Temperaturbereich eine hohe Frequenz- und Amplitudenstabilität aufweist. Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die im Patentanspruch 2 beschriebene Weiterbildung des erfindungsgemäßen Wien-Robinson-Oszillators läßt sich eine Stabilisierung auch bei Änderungen der Belastungsimpedanz erzielen. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist Gegenstand des Patentanspruchs 3.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß bei dem Oszillator die Temperaturabhängigkeit der Kennlinie der Begrenzerdioden kompensiert wird. Dabei kann diese Temperaturkompensation mit Hilfe der in Reihe bzw. parallelgeschalteten Widerstände derart eingestellt werden, daß bei einer Temperaturänderung nur eine geringe Pegeländerung auftritt. Der RC-Wert des frequenzabhängigen Mitkopplungszweiges und das Teilungsverhdltnis des amplitudenabhängigen Zweiges sind so gewählt, daß die Grundversiärkung des Operationsverstärkers berücksichtigt wird und die Frequenz am Schnittpunkt der Übertragungskennlinie des Operationsverstärkers mit der 3-dB-Linie und die Temperaturabhängigkeit derart eingestellt werden, daß sich die Oszillatorfrequenz in dem gegebenen Temperaturbereich nicht ändert.

Die Erfindung wird im folgenden anhand des in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausrührungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnung zeigt das Schaltbild eines bevorzugten Wien-Robinson-Oszillators.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich, ist der Ausgang i/_k, des Operationsverstärkers fan beide Eingänge zurückgekoppelt, und zwar über einen aus Widerständen R und Kondensatoren C bestehenden frequenzabhängigen selektiven Rückkopplungszweig, und über einen Dioden. Widerstände und einen Thermistor enthaltenden Rückkopplungszweig. Der selektive Rückkopplungszweig besteht aus einem Reihen-/?C-Glied und einem Parallel-/?C-Glied, die einen Spannungsteiler bilden. Der Teilerpunkt des Spannungsteilers ist mit dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers £ verbunden. Der selektive Rückkopplungszweig des Oszillators kann aufgrund der folgenden Gleichung bemessen werden:

RC =

wobei

R der Wert des sich in der Rückkopplungsschaltung

befindenden Widerstandes,
C der Kapazitätswert des sich in der Rückkopplungs-

schaltung befindenden Kondensators,
f_r die zu erzeugende Frequenz,
Ao die Grundverstärkung des Operationsverstärkers und

fo Frequenz des Schnittpunktes der Kennlinie (Bode-Diagramm) des Operationsverstärkers mit der 3-dB-Linie ist.

Bei dem Operationsverstärker E kann die Grundverstärkung A₀ bzw. die Frequenz f₀ an dem genannten Schnittpunkt einfach eingestellt werden. Die Art der Einstellung hängt vom Typ des verwendeten Operationsverstärkers ab. Es ist aber wesentlich, daß die Grundverstärkung A₀ bei einer Frequenz/ die um Größenordnungen kleiner ist, als die Frequenz f_u beträgt. Es ist also wesentlich, daß bei der zu erzeugenden Frequenz/, die Phasenverschiebung des Operationsverstärkers £90° C beträgt. Der Ausgang des Operationsverstärkers £;si über einen amplitudenabhängigen Rückkopplungszweig ferner auf den invertierenden Eingcng rückgekoppelt. Der Rückkopplungszweig besteht aus miteinander in Reihe geschalteten Widerständen R] und R₂, und zum Widerstand R₁ parallel und zueinander antiparallel geschalteten Dioden £>i und D₂, die ein Glied eines Spannungsteilers bilden. Der Teilerpunkt des Spannungsteilers ist mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers £ verbunden. Das andere Glied dieses Spannungsteilers ist aus den Widerständen Λ₅ und Rj sowie aus dem zum Widerstand R₄ parallel geschalteten Thermistor T und dem mit dem Thermistor 7"in Reihe geschalteten Widerstand R₃ aufgebaut. Die Spannungsteiler haben einen gemeinsamen Massepunkt. Bei geeigneter Bemessung verhält sich der amplitudenabhängige Rückkopplungszweig als temperaturunabhängiger Spannungsteiler. Der amplitudenabhängige Rückkopplungszweig kann aufgrund der folgenden Beziehung bemessen werden. Das Teilungsverhältnis ist:

(R; +R₁) R_:,+Rr

+ R,

+R₇) R₄

+ R, +R₁ +R₂

— b — -

3 - , 64/ /, \ 9\AoJal

wobei
Ar

2Mf-

3.9/;

der Widerstand des Thermistors bei einer beliebigen Temperatur des zu kompensierenden Temperaturbereiches,

R]. R₂. Rh Ra. Rf, die Werte der im Rückkopplungszweig befindlichen Widerstände und b das Teilungsverhältnis des amplitudenabhängigen Rückkopplungszweiges ist. Die Widerstände R; und R₄ linearisieren die Temperalurabhängigkeit des Thermistors T. Der Widerstand R₄ vermindert den resultierenden Widerstand des unteren Teilergliedes, und seine Wirkung ist in erster Linie bei niedrigen Betriebstemperaturen bemerkbar. Der Widerstand R_:, steigert den resultierenden Widerstand des unteren Teilungsgliedes·, seine Wirkung zeigt sich besonders bei höheren Betriebstemperaturen. Mit Hilfe des Widerstai/Jes Rf läßt sich die Steilheit der Temperaturabhängigkeit einstellen. Wenn eine große Amplitudenstabilität gewährleistet werden soll, werden die Werte der Widerstände derart eingestellt, daß die Spannungsteilung des

amplitudenabhängigen Rückkopplungszweiges bei Temperaturänderungen nicht geändert wird, obwohl sich die Spannung an den Dioden D₁, D₂ ändert. Wenn eine hohe Frequenzstabilität gewährleistet werden soll, wird die Einstellung derart vorgenommen, daß sich die Amplitude bei einer Temperaturänderung in einer Richtung und in einem Maße ändert, bei denen die Frequenz des Oszillators unverändert bleibt, obwohl der Temperaturkoeffizient der die Frequenz bestimmenden Elemente nicht gleich Null ist.

Die Amplitude des Ausgangssignals des Oszillators kann unter Berücksichtigung der an den Dioden abfallenden Spannung durch entsprechende Wahl des Verhältnisses /?|//?2 eingestellt werden.

Der Oszillator ist gegen Schwankungen der Speisespannung nur in geringem Maße empfindlich, und wenn es gewährleistet wird, daß der Speisespannungsbereich während des Betriebes des Verstärkers immer genügend groß ist, so daß die Amplitude des Schwingungssignals durch den Verstärker nicht begrenzt wird, sind die Frequenz und die Amplitude des Oszillators von der Speisespannung praktisch unabhängig.

Wenn eine größere relative Frequenzstabilität (10~⁵) benötigt wird, muß eine gleiche gemeinsame Temperatur für alle Bauelemente des Oszillators (Widerstände, Kondensatoren, Operationsverstärker) gewährleistet werden. Das ist zum Beispiel dadurch zu verwirklichen, daß für die ganze Schaltung eine wärmeisolierende Umhüllung vorgesehen und der Raum innerhalb der Umhüllung mit einem Material relativ guter Wärmelcitungsfähigkeit ausgegossen ist, oder daß zum Beispiel alle Bauelemente in einen gemeinsamen Aluminiumblock eingebaut und mit einer wärmeisolierenden Umhüllung versehen sind.
Wie eingangs schon erwähnt wurde, sind die Oszillatoren auch gegen die Änderung der Belastungsimpedanz empfindlich. Ein Oszillator kann vor Schwankungen der Belastungsimpedanz bekannterweise derart geschützt werden, daß zwischen die Belastung und den Oszillator eine Trennstufe, zum Beispiel ein Verstärker, eingeschaltet wird. Wenn eine Rechteckwelle benötigt ist, wird die Funktion der Trennstufe durch einen Komparator erfüllt, dessen Eingängen das Ausgangssignal des Oszillators bzw. eine Gleichspannung (z. B. Pegel Null) zugeführt wird.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann unter Verwendung von relativ einfachen Mitteln ein ÄC-Oszillator verwirklicht werden, der eine Frequenzstabilität von 10~⁴ sowie eine hohe Amplitudenstabilität und Genauigkeit innerhalb eines sehr breiten Temperaturbereiches bzw. während langer Zeit aufweist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:
1. Wien-Robinson-Oszillator

— mit einem Operationsverstärker (E),

— mit einem frequenzabhängigen und mit einem amplitudenabhängigen, jeweils einen auf Masse geschalteten Teiler darstellenden Rückkopplungszweig, dessen einer Teilerpunkt mit dem nichtinvertierenden und dessen anderer mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden ist,

— wobei der frequenzabhängige Rückkopplungszweig eine zwischen den Ausgang und den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers geschaltete Reihenschaltung und eine zwischen den nichtinvertierenden Eingang und Masse geschaltete Parallelschaltung aus jeweils einem Widerstand (R) und einem Kondensator (C) enthält, deren Widerstands- und Kapazitälswerte jeweils gleich sind,

— wobei der amplitudenabhängige Rückkopplungszweig eine zwischen den Ausgang und den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers geschaltete Reihenschaltung aus zwei Widerständen (R\, R₂) enthält, deren einem zwei antiparallel geschaltete Dioden (D₁, D₂) parallel geschaltet sind, und

— wobei das Teilungsverhältnis b des frequenzabhängigen Rückkopplungszweiges b =
trägt,

Vο be— worin

Vk₁ die Amplitude der Spannung am invertierenden Eingang und U₀ die Amplitude der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers E ist,

dadurch gekennzeichnet,

— daß das Produkt des Widerstandswertes der Widerstände (R) und der Kapazitäten der Kondensatoren (C) des frequenzabhängigen Rückkopplungszweiges

RC =

' AnfJ

A οίο

beträgt,

— wobei

fr die Schwingungsfrequenz des Oszillators, bei der die Phasenverschiebung des Operationsverstärkers 90° C beträgt,

A₀ die Grundverstärkung des Operationsverstärkers, und

fo die Frequenz am Schnittpunkt der Übertragungskennlinie des Operationsverstärkers mit der 3-dB-Linie ist, und

— daß der amplitudenabhängige Rückkopplungszweig eine zwischen den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (E) und Masse geschaltete Reihenschaltung aus einem Widerstand (R₅) und einem Thermistor (T) enthält, dem ein Widerstand (A₃) in Reihe geschaltet ist, wobei der Reihenschaltung aus Widerstand (Rj) und Thermistor (7") ein Widerstand (Λ₄) parallelgeschaltet ist, und wobei das Teilungsverhältnis des amplitudenabhängigen Rückkopplungszweiges beträgt:

64/ /,
2. Wien-Robinson-Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Oszillators über eine Trennstufe mit der Belastung verbunden ist.
3. Wien-Robinson-Oszillator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennstufe aus einem Verstärker besteht.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wien-Robinson-Oszillator der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen, auf »Elektor«, Juli/August 1976-7-33 bekannten Art.

Auf zahlreichen Anwendungsgebieten sind Tonfrequenz-Oszillatoren hoher relativer Frequenzstabilität (Verhältnis der Frequenzabweichung zur Nennfrequenz) nötig. Zu diesem Zweck werden im allgemeinen Quarzoszillatoren hoher Frequenzstabilität (10~⁴) verwendet. Die Anwendung von Tonfrequenz-Quarzoszillatoren ist jedoch mit zahlreichen Nachteilen behaftet. Zum einen kann die mit Hilfe des Oszillators erzeugte Frequenz nicht beliebig gewählt werden, weil im Handel nur Quarzkristalle mit bestimmten Frequenzen erhältlich sind. Zum anderen ist die Herstellung und Anwendung von Tonfrequenz-Quarzkristallen wegen ihrer großen Abmessungen nachteilig. Demzufolge werden die Tonfrequenz-Quarzoszillatoren dadurch ersetzt, daß die nötige Tonfrequenz aus der Frequenz eines Hochfrequenz-Quarzoszillators durch Frequenzteilung erzeugt wird. Eine andere Möglichkeit besteht in der Anwendung von ÄC-Oszillatoren. Die Frequenz- und Amplitudenstabilität der bekannten /?C-Oszillatoren ist bei Änderung der Temperatur, der Speisespannung und der Belastung jedoch um mehrere Größenordnungen kleiner als bei Quarzoszillatoren.

Bei dem aus der HU-PS 162974 bekannten Wien-Robinson Oszillator ist die Stabilität dadurch gesteigert, daß eine Mitkopplung über mehrere Operationsverstärker besteht. Diese Lösung ist sehr kompliziert und kostspielig; trotzdem läßt sich eine relative Frequenzstabilität von nur ICH erreichen.

Bei den bekannten Wien-Robinson-Oszillatoren mit Operationsverstärker sind ein Mit- und ein Gegenkopplungszweig an den Operationsverstärker angeschlossen. Dabei enthält der Mitkopplungszweig eine selektive RC-Schaltung und der Gegenkcpplungszweig eine pegelabhängige Schaltung. Bei den bekannten Lösungen wird die Amplitudenbegrenzung im amplitudenabhängigen Rückkopplungszweig durch einen Thermistor oder durch Dioden vorgenommen.

Bei einer Thermistor-Amplitudenbegrenzung ist der Thermistor (mit negativem Temperaturkoeffizienten) im Teilerglied des amplitudenabhängigen Rückkopplungszweiges zwischen den Ausgang und den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers geschaltet (Zeitschrift »Electronics Australia« 1974, Band 36, Nr. 8, Seiten 34, 35, 37, 39). Bei diesem Oszillator wird die Amplitude dadurch stabilisiert, daß bei Vergrößerung der Amplitude auch die Leistung am Thermistor vergrößert wird, so daß sich der Widerstand des Thermistors vermindert und die Amplitude auf ihrem eingestellten Wert gehalten wird. Der Thermistor hat jedoch eine relativ große Zeitkon-