DE3711671A1 - Durchstimmbarer allpassoszillator mit amplitudenstabilisierung zur erzeugung hochreiner sinusschwingungen fuer die elektronische messtechnik - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen durchstimmbaren Sinusoszillator nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Klirrarme Sinussignale veränderlicher Frequenz werden im Prin­ zip mit Wien-Oszillatoren bei geringem Aufwand erzeugt. Beim Durchstimmen müssen dabei jedoch zwei Zeitkonstanten möglichst gleichläufig verändert werden, was entweder Qualitätseinbußen wie Amplitudentoleranzen oder Verzerrungen des erzeugten Sig­ nals nach sich zieht oder aber erhöhte Zusatzaufwendungen wie eine im gesamten Frequenzbereich wirksame Amplitudenregelung erfordert.

Allpaßoszillatoren dagegen verändern ihre Amplitude nicht, wenn beim Durchstimmen Gleichlaufschwankungen bei den Zeit­ konstantengliedern auftreten. Eine geringe Amplitudenstabilisierung mit nichtlinearen Elementen ist aber wie bei jedem Oszillator nötig.

Dazu enthält der Oszillator ein Referenzelement, welches über eine Diodenbrücke, die gleichzeitig auch eine etwa vorhandene Vorspannung von der übrigen Schaltung fernzuhalten vermag, eine symmetrische und driftarme Amplitudenstabilisierung im gesamten Frequenzbereich gewährleistet.

Die Verstärkung für den offenen Oszillatorkreis wird dann um einen winzigen Betrag ε über 1 erhöht, so daß sich eine gleich­ mäßige Amplitude im gesamten Durchstimmbereich ergibt. Siehe dazu auch die Veröffentlichung des Anmelders auf S. 21 des Son­ derheftes "Schaltungspraxis" Nr. 51 beim Franzis-Verlag München. Beim damaligen Stand wurde aber nicht an die geeignete Verwendung eines Referenzelementes in der Diodenbrücke zur Er­ zielung einer hochkonstanten Amplitude gedacht, und es waren auch noch keine geeigneten Lösungswege gemäß der hier aufge­ führten Unteransprüche bekannt, die eine problemlose Reduzierung der damit verstärkt auftretenden Oberwellen und damit erst einen sinnvollen Einsatz eines Spannungsreferenzelementes er­ möglicht hätten.

Durch die winzige Verstärkungsüberhöhung verursachte Restver­ zerrungen lassen sich noch weiter reduzieren. Bei Anspruch 2 sind dazu die Allpässe des Oszillators mit nach Masse geschalteten Zeitkonstantengliedern aufgebaut. Erfindungsgemäße Erkenntnis nach Anspruch 2 ist, daß unabhängig davon, ob die Zeitkonstantenglieder der Allpässe als Hoch- oder Tiefpässe ge­ schaltet sind und ob die Teilspannungen addiert oder subtrahiert werden, es bei symmetrischer und belastungsfreier Zusammenführung immer jeweils zwei Möglichkeiten gibt, bei denen die Amplitude der Schwingfrequenz nicht mehr von der jeweiligen Größe der einzelnen Zeitkonstanten abhängt, wobei diejenige Zu­ sammenführung mit Tiefpaßcharakter auch die gewünschte Oberwellen­ unterdrückung aufweist. Durch das Abstimmen verursachte Schwankungen im Verhältnis beider Zeitkonstanten R=t 2/t 1 machen sich am Additionspunkt nur als verminderte Oberwellen­ dämpfung F (R, N) für das n-fache der Schwingfrequenz

bemerkbar. Mit N=n² gilt:

Wegen der notwendigerweise geforderten Symmetrie zwischen den Abgriffen beider Allpässe gilt: F (R, N)=F (R ^-1, N). Für N=1 er­ gibt sich die gewünschte Amplitudenvarianz gegen Gleichlauf­ schwankungen R bei der Schwingfrequenz : F (R, 1)=1/2. Sie kann hier entsprechend dem Noether'schen Theorem der theoretischen Physik als Folge einer Symmetrieoperation aufgefaßt werden. Aufgrund der - bis auf Offsetspannungen - symmetrischen Amplituden­ stabilisierung durch die Diodenbrücke sind nur ungerade n möglich.

Abb. 1 zeigt das Ausführungsbeispiel eines Oszillators ge­ mäß der Ansprüche 1 und 2 mit als Tiefpaß geschalteten Zeitkon­ stantengliedern. Die ε-Dekrement-Einstellung wird über den Wi­ derstand R 13 mit dem Einstellter P 2 ermöglicht. Den Inverter mit angeschlossenem Begrenzernetzwerk bildet OP 3, zusammen mit den Widerständen R 12/R 14. Als Referenzelement dient hier die Z-Diode ZD, der über die Widerstände R 9/R 10 ein geeigneter Ruhestrom zugeführt wird. Die aus den Dioden D 1-D 4 aufgebaute Brücke bildet mit dem Lastwiderstand R 11 den übrigen Teil der Begren­ zerschaltung. Bei kleinem R 11 können R 9/R 10 auch weggelassen werden, oder der Begrenzer kann mit R 11=0 parallel zu R 14 an­ geschlossen werden. Wegen der Vorspannung durch R 9/R 10 können auch andere Bauelemente oder Schaltungen anstatt ZD verwendet werden, so daß auch eine Kompensation des restlichen, durch die Diodenbrücke verursachten Temperaturgangs möglich ist. Die paarweise gleichen Widerstände R 1/R 2 und R 4/R 5 bilden zusammen mit den Operationsverstärkern OP 1 und OP 2 und den aus den Dop­ pelpotentiometern P 1 und P 1′, den Kondensatoren C 1 und C 2 sowie den Widerständen R 3 und R 6 bestehenden Zeitkonstantengliedern die beiden Allpässe. Die Operationsverstärker OP 4 und OP 5 entlasten die Teilabgriffe, deren additive Zusammenführung mit den gleichwertigen Widerständen R 7 und R 8 erfolgt, so daß das am Spannungsfolger OP 6 liegende Ausgangssignal die erwünschte Dämpfung für die Harmonischen erfährt.

Bei Anspruch 3 ist eines der beiden Zeitkonstantengliedern derart als Brücke ausgebildet, daß der zugehörige Kondensator nun ungeerdet ist. Die Begrenzung erfolgt am Inverter, der diese Brücke speist, so daß eine Oberwellendämpfung auftritt, wenn der Inverterausgang mit der Widerstandsseite der Brücke ver­ bunden ist.

Ein Schaltbeispiel zu Anspruch 3 zeigt Abb. 2. Das aus den Dioden D 1 . . . D 4, den Widerständen R 8 und R 9 und des Referenzelements ZD bestehende Begrenzernetzwerk ist hier parallel zu R 5 an den durch OP 2 gebildeten Inverter angeschlossen. Die Dioden D 5/D 6 stellen bereits die Ergänzung nach Anspruch 4 dar. Den für den Brückenabgriff benötigten Spannungsfolger bildet OP 3. Den anderen Allpaß aktiviert OP 1.

Die Zusatzventile D 5 und D 6 verbinden Impedanzwandler und Be­ grenzernetzwerk, so daß nun mit doppelter Häufigkeit begrenzt wird. Bei geeignetem Zeitkonstantenverhältnis R vermindern sich nun einzelne Spektralkomponenten durch destruktive Interferenz, so daß sich der Klirrgrad weiter vermindert. Minimum liegt bei R=0,32, aber es sind große Toleranzen ohne nennenswerte Klirr­ graderhöhung möglich. Da jetzt erst die Oberwelle n=5 einen we­ sentlichen Beitrag zu den Verzerrungen leistet, lassen sich durch belastungsfreien Abgriff parallel zu C 1 noch wesentlich reinere Signale als am eigentlichen Ausgang abnehmen, die aber wieder gleichlaufbedingten Amplitudenschwankungen unterliegen.

Claims (4)

1. Durchstimmbarer Allpaßoszillator, gekennzeichnet durch eine Referenzspannungsquelle, die zu­ sammen mit einer Diodenschaltung der Amplitudenstabilisierung dient und mit derart hohem Strom betrieben wird, daß sie sich bei der Amplitudenbegrenzung in einem günstigen Arbeitspunkt befindet, was durch Betrieb des Referenzele­ mentes an einer entsprechend niederohmigen Last oder durch einen gesonderten Ruhestrom erzielt wird.

2. Oszillator gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine symmetrische und belastungsfreie Zusammenführung der von den geerdeten Zeitkonstantenglie­ dern des aus zwei gleichartigen Allpässen aufgebauten Os­ zillators herrührenden Teilspannungen, so daß ein Abgriff mit dämpfender Wirkung für die durch die Amplitudenbegrenzung hervorgerufenen Oberwellen entsteht, ohne dabei in irgendeiner Weise die zur Schwingfrequenz gehörende Amplitude zu beeinträchtigen.

3. Oszillator gemäß Anspruch 1, bei dem eines der beiden Zeitkonstantenglieder als eine durch einen Inverter gespeiste Brücke geschaltet ist, gekennzeichnet durch eine Verbindung zwischen Inverter einschließlich dem daran angeschlossenem Begrenzernetzwerk einerseits und andererseits der Widerstandsseite des die Brücke bildenden, ungeerdeten Allpaßnetzwerkes.

4. Oszillator gemäß Anspruch 3, gekennzeichnet durch zwei weitere Dioden in der Begrenzer­ schaltung, die gleichsinnig zu den anderen Ventilen mit jeweils einer Seite des Referenzelementes verbunden sind und mit der anderen Seite am dem Brückenausgang folgenden Impedanzwandler angeschlossen sind.