DE3134040C2

DE3134040C2 - Wobbelspannungsaufbereitungsschaltung

Info

Publication number: DE3134040C2
Application number: DE3134040A
Authority: DE
Inventors: Robert Edward Aloha Oreg. Baetke
Original assignee: Tektronix Inc
Current assignee: Tektronix Inc
Priority date: 1980-09-30
Filing date: 1981-08-28
Publication date: 1986-03-20
Also published as: FR2491271B1; GB2085247A; US4346352A; DE3134040A1; GB2085247B; JPS6157732B2; JPS5791006A; CA1174295A; FR2491271A1; NL8104015A

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Schaltung für eine Abtaststeuerung zur Aufrechterhaltung eines konstanten überstrichenen Frequenzbereichs eines spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) beim Umschalten zwischen linearer und nichtlinearer Abtastfunktion bereitgestellt. Die Abtaststeuerschaltung enthält einen linearen und einen exponentiellen Verstärker, deren jeder ein Ausgangsspannungsfenster aufweist, das im linearen Dynamikbereich des VCO angepaßt ist. Unabhängig voneinander ausgewählte Start- und Stopspannungen sind über den gesamten linearen Bereich des VCO zur Festlegung der oberen und unteren Frequenzgrenzen einstellbar, je nach Wunsch für lineare oder logarithmische Abtastung. Logarithmische Konverter werden zur Anpassung der linearen Start- und Stopspannung an ihre logarithmischen Entsprechungen verwendet, so daß die VCO-Frequenz beim Umschalten von einer Funktion auf die andere nicht verschoben wird. Dies erlaubt die Verwendung einer einzigen Startfrequenz und einer einzigen Stopfrequenzsteuerung. Eine Rampenspannung, die entsprechend der linearen und logarithmischen Funktion skaliert ist, wird zur Abtastung des VCO angelegt. Während die Übertragungsfunktionen der logarithmischen Konverter und des exponentiellen Verstärkers stark temperaturabhängig sind, ist die Topologie so ausgelegt, daß bei der Berechnung der Gesamtübertragungsfunktion die Temperaturterme herausfallen.

Description

3 - 4

pfad zusammenfügt und daß nachfolgend im nichtlinea- gern Schaltungsaufwand ermöglicht wird,

ren Schaltungspfad ein weiterer nichtlinearer Verstär- Die Erfindung wird nachstehend anhand eines zeiclr-

ker angeordnet ist, der eine zur Kennlinie der nichtli- nerisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläu-

nearen Verstärker inverse Kennlinie aufweist tert.

Hierdurch wird auf einfache Weise durch geeignete 5 Es zeigt

Skalierung der Steuerspannuiig, mit denen der VCO be- F i g. 1 ein detailliertes Blockschaltbild einer Wobbel-

aufschlagt wird, erreicht, d?ß nach Umschalten von der spannungsaufbereitungsschaltung für einen spannungs-

einen auf die andere Betriebsweise weder eine Kontrol- gesteuerten Oszillator gemäß der vorliegenden Erfin-

Ie noch ein Nadistimmen des Frequenzbereiches erfor- dung;

derlich ist Die Bedienung eines mit der Erfindung verse- 10 F i g. 2 den Graphen der Übertragungsfunktion eines henen Wobbeisenders wird daher wesentlich verein- spannungsgesteuerten Oszillators für linearen und logfacht arithmischen Betrieb.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Er- Fig. 1 ist ein Blockschaltbild einer Wobbelspan-

findung ist vorgesehen, daß die erste Einrichtung zur nungsaufbereitungsschaltung zur Erzeugung einer

Erzeugung der ersten Startspannung und/oder die zwei- 15 Steuerspannung V₁ rfür einen spannungsgesteuerten Os-

te Einrichtung zur Erzeugung der ersten Stopspannung zillator (VCO) 10, der von jedem passenden konventio-

jeweils ein Potentiometer aufweisen, welche über einen nellen Aufbau sein kann. Der VCO 10 erzeugt als Reak-

vorher festlegbaren Spannungsbereich unabhängig tion auf die Steuerspannung; V, Signale in einem ge-

voneinander einstellbar sind. Mit Potentiometern ist ei- wünschten Frequenzspektrum f_ouh die an einem Aus-

ne besonders einfache Einstellung der Eckwerte mög- 20 gangsanschluß 12bereitgestelltwerd-;i.

Hch und entsprechende Frequenzskalen können direkt Fig.2 zeigt die Übertragungsfunktion eines VCO

an den Potentiometerdrehknöpfen angebracht-werden. und sollte im Zusammenhang mit F i g. 1 zur Hilfe ge-

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist nommen werden, umd das der Erfindung zugrunde Heder weitere nichtlineare Verstärker ein exponentieller gende Konzept zu verstehen. Die Steuereingangsspan-Verstärker und der erste und zweite nichtlineare Ver- 25 nung V; ist auf der horizontalen Achse dargestellt, die stärker mit gleicher Kennlinie sind logarithmische Ver- erzeugte Signalfrequenz f_ou, auf der vertikalen Achse, stärken Die sich ergebende logarithmische Betriebswei- Im Prinzip hat der VCO einen Dynamikbereich von se ist besonders häufig wegen der Bereichskompression V_imin bis Vi max, innerhalb dessen Ausgangsfrequenzen erwünscht Es ergibt sich als besonderer Vorteil, daß f_mm bis f_mlx erzeugt werden können. Der Ausgangsbetrotz der starken Temperaturabhängigkeit der logarith- 30 reich eines VCO wird normalerweise als das Verhältnis mischen bzw. exponentiellen Verstärker einzeln bei der von i_max zu /_m;„ angegeben, und Verhältnisse von 100 :1 Gesamtübertragungsfunktion die Temperaturterme und 1000 :1 sind üblich für logarithmisch gewobbelte wegfallen und daher eine besonders hohe Stabilität er- VCO's. Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfinreicht wird. dung wurde hergestellt und getestet, in der f_m,„ gleich

Ist gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungs- 35 20 kHz und f_max gleich 2 MHz waren, entsprechend ei-

form der Erfindung vorgesehen, daß die Verknüpfungs- nem Ausgangsbereich von 100 :1.

schaltung jeweils einen, an jeweils einem Eingang von Die Wobbelsteuerschaltung arbeitet in linearer und

der Rampenspannung beaufschlagten, im linearen und logarithmischer Betriebsweise, die über ein Paar giikop-

auch im nichtlinearen Schaltungspfad angeordneten pelter Schalter 14a und 146 ausgewählt werden können,

Summierverstärker aufweist, und daß die erste Start- 40 um den VCO 10 zwischen vorgewählten einstellbaren

spannung an den anderen Eingang des Summierverstär- Frequenzwerten f_sun und f_stop zu betreiben. Eine lineare

kers im linearen Schaltungspfad angelegt ist während Rampenspannung 16 vorher festgelegter Amplitude

die zweite Startspannung an den anderen Eingang des wird über einen Eingangsanschluß 18 an einem konven-

Summierverstärkers im nichtlinearen Schaltungspfad tionellen ΛΎ-Multiplizierer 20 gelegt. Die Spannung 16

angelegt ist, so wird eine Bereitstellung der zum Betrieb 45 kann durch Steuerung über externe Schaltungsteile in

erforderlichen Spannungen auf einfache Weise mit ge- Gang gesetzt werden oder sich wiederholen. Der Ska-

ringem Bauteilaufwand erreicht lierfaktor, mit dem die Rampenspannung multipliziert

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungs- wird, wird nachstehend besprochen. Die multiplizierte

form der Erfindung weist die Verknüpfungsschaltung Rampenspannung vom Multiplizierer 20 wird gleichzei-

einen ersten Verstärker, welcher von der ersten Start- 50 tig an je einen Eingang von Summierverstärkern A 1

und Stopspannung beaufschlagt ist und eine erste Ska- und A 2 angelegt Wie ebenfalls nachstehend erläutert

lierspannung abgibt, einen zweiten Verstärker, welcher wird, werden Startspannungen Vj. und V'l erzeugt und

von der zweiten Start- und Stopspannung beaufschlagt jeweil* an die Summierverstärker A 1 und A 2 angelegt,

ist und zweite Skalkrspannungen abgibt, und eine Vor- Das Ausgangssignal des Summierverstärkers A 1 ist ei-

richtung auf, welche von der Rampenspannung und den 55 ne lineare Rampens^annung 22, die über dec? Schalter

Skalierspannungen beaufschlagt ist. Mit nur wenigen 14a an den VCO 10 als Eingangssteuerspannung Vi ge-

Bauteilen werden auf vorteilhafte Weise die Skalier- legt werden kann. Das Ausgängssignal des Summierver-

spannungen erzeugt und verarbeitet. Der Vorteil ist be- stärkers A 2 wird dem (»antilogarithmischen«, also ma-

sonders augenfällig, wenn gemäß einer weiteren bevor- thematisch inversen) exponentiellen Verstärker 24 zu-

zugten Ausgestaltung der Erfindung der erste und zwei- 60 geführt, der ein exponentielles Ausgangssignal 26 aus

te Verstärker einfache Differenzverstärker sind. dem linearen Eingangssignal auf herkömmliche Weise

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfin- erzeugt. Das exponentielle Ausgangssignai kann über

dung zeichnet sich dadurch aus, daß die Vorrichtung den Schaltaer 14a an VCO 10 als Eingangssteuerspan-

eine Multiplizierschaltung umfaßt, die an ihrem einen nung V)gelegt werden.

Eingang die Rampenspannung und selektiv an einem es Die Eckwerte, also die Start- und Stopgrenzen des

anderen Eingang die erste oder zweite Skalierspannung Frequenzbereichs des VCO-Ausgangssignals, werden

empfängt, wodurch die Verknüpfung der Rampenspan- durch Potentiometer 30 bzw. 32 bestimmt, deren varia-

nung mit den Skalierspannungen mit besonders gerin- ble Anschlüsse mit den Eingängen der Spannungsfol-

ger-Verstärker 34 bzw. 36 zur Erzeugung unabhängiger Spannungen V/. und V« verbunden sind. Sowohl Vl als auch Vh sind stetig über den Bereich von Vt mm bis V/._m„ einstellbar, für lineare Betriebsweise wird die Startspannung V_L an einen Eingang des Verstärkers A 1 gelegt, um den Startpunkt bei Vl auf der V,-Skala der F i g. 2 zu setzen. Beide Spannungen Vl und V_H werden an die Eingänge eines ersten Differenzverstärkers A 3 gelegt, wo eine Differenzspannung V_H~ V_L erzeugt wird, die über den Schalter XAb an den V-Eingang des Multiplizierers 20 als der Skalierfaktor, mit dem die lineare Rampenspannung 16 multipliziert wird, angelegt werden kann. Als Folge des Skalierens mit V_H- V_L wird die lineare Rampenspannung bei V_H auf der V,-Skala der F i g. 2 beendet.

Die erste Start- bzw. Stopspannung Vj. und V_H können in eine zweite Start- bzw. Stopspannung V'_L und V'_H durch logarithmische Verstärker 40 und 42 umgewandelt werden, die passende konventionelle logarithmische Konverter sein können. Die Spannung V'_L ist an einen Eingang des Summierverstärkers A 2 gelegt, um den Startpunkt im logarithmischen Betrieb bei V'_L auf der V,-Skala der Fig.2 zu setzen. Beide Spannungen V'l und V'h werden an die Eingänge eines zweiten Differenzverstärkers A 4 zur Erzeugung einer Skalierspannung V'h- V'l angelegt, die über den Schalter 146 an den y-Eingang des Multiplizierers 20 gelegt wird. Infolge der Skalierung der Rampenspannung 16 durch V'h- V'l endet das exponentiell Ausgangssignal 26 des exponentiellen Verstärkers 24 bei V'_H der Vi-Skala der Fig. 2.

F i g. 2 macht deutlich, daß die Start- und Stopspannungen beim Umschalten zwischen der linearen und der logarithmischen Betriebsweise durch Schalter 14 entlang der V,-Skala verschoben werden, die Start- und Stopfrequenzen jedoch dieselben bleiben. Dies ist das gewünschte Resultat; da die Potentiometer 30 und 32 beim Umnschalten zwischen linearer und logarithmischer Betriebsweise nicht neu justiert werden müssen, können Frequenzmarken direkt auf die Potentiometerknöpfe gedruckt werden, um eine schnelle Einstellung der Start- und Stopfrequenzen für den VCO zu erreichen. Der VCO 10, der exponentiell Verstärker 24 und die logarithmischen Verstärker 40 und 42 stehen zur Erzielung eines präzisen Zusammenwirkens in folgender mathematischer Beziehung:

Die Übertragungsfunktion des VCO ist in F i g. 2 dargestellt und ist

k/V_imx)

V= V_itmx\n(kV/V_im2X)\nk

dargestellt werden, und die Gleichung (3) als
V= Π η (Vlλ)Ιβ

10 wobei α und β in beiden Gleichungen Konstanten sind, die von den Schaltungswerten und physikalischen Konstanten abhängen und T die absolute Temperatur in Kelvin bedeutet In der logarithmischen Betriebsart ist die Gesamtübertragungsfunktion der Wobbelspannungsaufbereitungsschaltung

Vl(VhI VJfr

15 wobei V_r die Spitzenamplitude der linearen Rampenspannung 16 ist. Man sieht, daß der Temperaturterm T entfallen ist.

20

25

30

35

45

(1)

Die Übertragungsfunktion für den exponentiellen Verstärker ist

(2)

wobei k gleich OU und V₂ das Ausgangssignal des Summierverstärkers A 2 ist.

Die Übertragungsfunktion für die logarithmischen Verstärker ist

(3)

wobei V gleich V/. oder V'_H, Vgleich V_toder V_HundAr gleich fnvx/fmin ist

Die voranstehenden Gleichungen (2) und (3) sind als Spannungsausdrücke dargestellt und daher etwas vereinfacht Die Gleichung (2) kann ebenfalls als

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 (V'h- Vl) abgibt, und eine Vorrichtung (20) auf- Patentansprüche: weist, welche von der Rampenspannung (16) und den Skalierspannungen (Vh- Vu V'h— V'l) beauf-

1. Wobbelspannungsaufbereitungsschaltung für schlagt ist

einen spannungsgesteuerten Oszillator mit wahlwei- s 6. Wobbelspannungsaufbereitungsschaltung nach se linearem oder nichtlinearem Frequenzverlauf, Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste dadurch gekennzeichnet, daß ein linearer und zweite Verstärker (A3, A4) zur Erzeugung der und ein hierzu parallelgeschalter nichtlinearer Schal- Skalierspannungen Differenzverstärker sind
tungspfad beide von einer gemeinsamen Rampen- 7. Wobbelspannungsaufbereitungsschaltung nach spannung (16) für den spannungsgesteuerten Oszil- io Anpruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die lator (10) beaufschlagt sind, daß eine erste Einrich- Vorrichtung eine Multiplizierschaltung (20) umfaßt, tung (30,34) eine erste Startspannung (V) und unab- die an ihrem einen Eingang (X) die Rampenspanhängig hiervon eine zweite Einrichtung (32,36) eine nung (16) empfängt und selektiv an einem anderen erste Stopspannung (V_H) erzeugt, daß zwei nichtli- Eingang (Y) die ersten (Vh- V_l) oder die zweite neare Verstärker mit gleicher Kennlinie (40, 42) je- 15 (V'h— V'l) Skalierspannung empfängt
weils die erste Startspannung (Vi) bzw. die erste

Stopspainnung in eine zweite Startspannung (V'l)

und in eine zweite Stopspannung (V'h) umsetzen,
welche zinten ersten Spannungen (Vu Vh) in einer

durch den nfchtünearen Schaltungspfad festgelegten 20 Die vorliegende Erfindung geht aus von einer Wob-

Beziehung stehen, und daß eine Verknüpfungsschal- belspannungsaufbereitungsschaltung für einen span-

tung (A 1, A 2, A 3, A 4,14a, 146, 20) die erste Start- nugnsgesteuerten Oszillator mit wahlweise linearem

spannung (Vl) und die erste Stopspannung (V_H) mit oder nichtlinearem Frequenzverlauf. Spannungsgesteu-

der Rampenspannung (16) im linearen Schaltungs- erte WobbelosziUatoren erzeugen ein wiederholtes

pfad und die zweite Startspannung (V'l) und die 25 Ausgangssignal einer zu einer Eingangsspannung pro-

zweite Stopspannung (V'h) mit der Rampenspan- portionalen Frequeaz. Es ist beispielsweise aus der

nung (16) im nichtlinearen Schaltungspfad zusam- DE-AS 12 76 134 bekannt, einen spannungsgesteuerten

mengefügt und daß nachfolgend im nichtlinearen Oszillator (VCO: voltage-controlled oscillator) über ei-

Schaltungspfad ein weiterer nichtlinearer Verstär- nen zwischen einstellbaren Eckwerten liegenden Fre-

ker (24) angeordnet ist, der eine zur Kennlinie der 30 quenzbereich mit finearer und nichtlinearer, nämlich lo-

nichtlineareh Verstärker inverse Kennlinie aufweist garithmischer Frequenzabhängigkeit zu wobbeln.

2. Wobbdspannungsaufbeieitungsschaltung nach Wobbelsender mit linearem und logarithmischem Anspruch 1, dadurch gtkennzeichnet, daß die erste Wobbelspannungsverlauf sind auch in der »Siemens-Einrichtung (30,34) zur Erzeufe-ing der ersten Start- Zeitschrift«, Heft 9, Seiten 1127 bis 1132 (1965) gezeigt
spannung (Vi) und/oder die zweite Einrichtung (32, 35 In der DE-OS 20 13 474 ist eine Schaltung beschrie-34) zur Erzeugung der ersten Stopspannung (Vh) ben, bei welcher mittels zweier Potentiometer die Eckjeweils ein Potentiometer (30,32) aufweisen, welche werte der Wobbeispannung unabhängig voneinander Potentiometer über einen vorher festlegbaren Span- einstellbar sind.

nungsbereich unabhängig voneinander einstellbar Wird bei den bekannten Wobbeioszillatoren von der

sind. 40 linearen auf die nichtlineare Betriebsweise umgeschal-

3. Wobbelspannungsaufbereitungsschaltung nach tet, so verschieben sich wegen der unterschiedlichen Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsspannungen der entsprechenden Verstärker weitere nichtlineare Verstärker (24) ein exponentiel- bei gleichbleibenden eingestellten Spannungseckwerten ler Verstärker ist und daß die zwei nichtlinearen die zugehörigen Frequenzeckwerte und es ist daher ei-Verstärker (40, 42) mit gleicher Kennlinie logarith- 45 ne Nachstimmung erforderlich.

mischer Verstärker sind. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine

4. Wobbelspannungsaufbereitungsschaltung nach gattungsgemäße Wobbelspannungsaufbereitungsschal-Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß tung derart weiterzubilden, daß beim Umschalten zwidie Verknüpfungsschaltung (A i, A2, A3, A4, 14a, sehen dem linaren und dem nichtlinearen Frequenzver- i4b, 20) jeweils einen, an jeweils einem Eingang von so lauf die eingestellten Eckwerte für die Start- und Stopder Rampenspannung (16) beaufschlagten, im linea- frequenz unverändert bleiben.

ren und auch im nichtlinearen Schaltungspfad ange- Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein linearer ordneten Summierverstärker (A 1, A 2) aufweist, und ein hierzu parallelgeschalteter nichtlinearer Schal- und daß die erste Startspannung (Vl) an den anderen tungspfad beide von einer gemeinsamen Rampenspan-Eingang des Summierverstärkers (A 1) im linearen 55 nung für den spannungsgesteuerten Oszillator beauf-Schaltungspfad angelegt ist, während die zweite schlagt sind, daß eine erste Einrichtung eine erste Start-Startspannung (V'i) an den anderen Eingang des spannung und unabhängig hiervon eine zweite Einrich-Summierverstärkers (A 2) im nichtlinearen Schal- tung eine erste Stopstannung erzeugt, daß zwei nichtlitungspfad angelegt ist. neare Verstärker mit gleicher Kennlinie jeweils die er-

5. Wobbelspannungsaufbereitungsschaltung nach 60 ste Stärtspannung bzw. die erste Stopspannung in eine Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ver- zweite Startspannung und in eine zweite Stopspannung knüpfungsschaltung (A 1, A 2, A 3, A 4,14a, 146, 20) umsetzen, welche zu den ersten Spannungen in einer einen ersten Verstärker (A 3), welcher von der er- durch den nichtlinearen Schahungspfad festgelegten sten Start- und Sitopspannung (Vu Vh) beaufschlagt Beziehung stehen, und daß eine Verknüpfungsschaltung ist und eine erste Skalierspannung (V_H- VQ abgibt, 65 die erste Startspannung und die erste Stopspannung mit einen zweiten Verstärker (A 4), welcher von der der Rampenspannung im linearen Schaltungspfad und zweiten Start- und Stopspannung (V'u V'h) be- die zweite Startspannung und die zweite Stopspannung aufschlagt ist und eine zweite Skalierspannung mit der Rampenspannung im nichtlinearen Schaltungs-