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Piezoelektrische Schwingkristallanordnung Piezoelektrische Schwingkristalle
werden wegen ihrer scharf ausgeprägten Resonanzen bekanntlich als Frequenznormalien
in Wellenmessern und in Oszillatorschaltungen benutzt. Es ist dabei möglich, den
Kristall in der Grundschwingung oder in einer Oberschwingung anzuregen, so daß er
als Frequenznormal für eine ganze Reihe von Schwingungen dienen kann, die zueinander
in harmonischem Verhältnis stehen. Es ist ferner auch bekannt, daß die Resonanzen
des Schwingkristalls durch parallel zu den Elektroden liegende Blindwiderstände
beeinflußt werden. Diese Beeinflussung ist jedoch außerordentlich gering und daher
schaltungstechnisch nicht zu verwerten. Die Erfindung betrifft eine piezoelektrische
Schwingkristallanordnung, die zur Anregung in verschiedenen, nahe benachbarten Resonanzfrequenzen
geeignet ist, welche zueinander nicht in harmonischem Verhältnis stehen müssen,
aber voneinander gleiche Frequenzabstände aufweisen. Eine solche Anordnung gestattet
es, Wellenmesser zu bauen, die an Stelle der verhältnismäßig "weit auseinander liegenden
eingeprägten Resonanzen des Schwingkristalls eine Vielzahl von nahe benachbarten
erzwungenen Resonanzen festzustellen gestatten, die genau definiert sind. Ebenso
ist es möglich, Oszillatoren für Sender und Überlagerungsempfänger zu bauen, die
wahlweise auf einer von mehreren nahe benachbarten Frequenzen
mit
großer Frequenzstäbilität arbeiten, ohne daß die selektive Umschaltung der Frequenzen
Schwierigkeiten bereitet.
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Die Schwingkristallanordnung nach der Erfindung ist gekennzeichnet
durch einen piezoelektrischen Schwingkristall und einen unmittelbar oder mittelbar
an den. Kristall anliegenden, mechanisch mitschwingenden und wenig bedampften Körper,
dessen Material und Abmessung derart gewählt sind, daß innerhalb des gesamten erfaßten
Frequenzbereiches in äquidistanten Frequenzabständen durch die mechanischen Resonanzen
des mitschwingenden Körpers erzwungene elektrische Resonanzen auftreten, insbesondere
zur Auswahl einer dieser Resonanzfrequenzen.
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Zur Erläuterung der Erfindung sei von dem in Abb. i dargestellten,
zwischen Elektroden aiigeordneten Schwingkristall K, beispielsweise einem Quarz,
ausgegangen. Abb: 1b zeigt- das bekannte elektrische Ersatzschaltbild eines solchen
Schwingkristalls. Es besteht aus einem durch den Widerstand R schwach bedampften
Serienresonanzkreis L, C und einer Parallelkapazität Co. In Abb. i c ist der Verlauf
der Impedanz dieser Ersatzschaltung in Abhängigkeit von der Frequenz dargestellt.
Man erkennt, daß auf die scharf ausgeprägte Kurzschlußresonanz a eine etwa ebenso
scharfe Sperresonanz b folgt. Diese scharf ausgeprägten Resonanzen machen den Schwingkristall
als Frequenznormäl brauchbar.
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Abb. 2 zeigt nun die Anordnung nach der Erfindung. Anschließend an
den Schwingkristall K ist ein passiv mitschwingender Körper K1 angebracht, auf den
die mechanischen Schwingungen des Kristalls über-` tragen werden. Diese mechanischen,
ultraakustischen Schwingungen werden an der Endfläche des Körpers K, reflektiert,
und zwar je nachdem, ob diese Endfläche frei oder festgehalten ist, ohne ,bzw. mit
Phasenumkehr. Wenn der Körper Al für die mechanischen Schwingungen wenig bedampft
ist; dann entstehen fast reine stehende Wellenzüge, deren Form vom Verhältnis der
Länge l dieses Körpers zur Wellenlänge der mechanischen Schwingungen im Körper abhängt:
In Abb. 2 b ist der Körper K, vergrößert dargestellt, und es sind verschiedene Erregungszustände
der mechanischen Schwingungen eingetragen, wobei angenommen ist, daß die Reflexion
an einer freien Endfläche erfolgt. Die Kurve i zeigt die Schwingungsamplitude der
stehenden Welle für den Fall, daß die erregende Wellenlänge Al der mechanischen
Schwingung gleich der doppelten Länge l des Körpers K, ist. Man erkennt, daß die
ohne Phasenumkehr reflektierte Schwingung sich gleichphasig mit der hinlaufenden
Schwingung zusammensetzt. In diesem Fall entspricht der Körper Ml einer gleichmäßigen
verlustfreien elektrischen Leitung mit der Länge 412, die am Ende offen ist. Der
Eingangswiderstand des Körpers K, für die mechanischen Schwingungen ist daher sehr
groß. Für die Kurve 2 ist l = 3/4 -% 2 angenommen. In diesem Fall kompensiert die
reflektierte Schwingung 2' gerade die hinlaufende. Dieses Verhalten entspricht einer
3/4 A; 2 langen leer laufenden elektrischen Leitung, d. h. der Eingangswiderstand
des Körpers K1 wird sehr klein. Für die der Kurve 3 entsprechende Wellenlänge 2,3
= 41,1 ergibt sich wieder ein sehr hoher Eingangswiderstand.
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Es ist ersichtlich, daß der Eingangswiderstand des Körpers Ml bei
kontinuierlicher Frequenzänderung.wie der Eingangswiderstand einer verlustfreien
leer laufenden elektrischen Leitung zwischen sehr kleinen und sehr großen Werten
(Kurzschluß- bzw. Sperresonanzen) schwankt. Man kann sich nun vorstellen, daß sich
diese periodischen Schwankungen des Eingangswiderstandes des mitschwingenden Körpers
K1 auf die elektrische Ersatzschaltung des Schwingkristalls nach Alb. i b wie eine
stufenweise ,Änderung der die Resonanzen des Kristalls bestimmenden Blindwiderstände
auswirkt. Als Folge davon treten erzwungene elektrische Resonanzen auf, die im Impedanzverlauf
nach Abb. 2c mit ei, e2 bezeichnet sind. Die Frequenzabstände der einzelnen erzwungenen
Resonanzen untereinander sind gleich groß und hängen vom Material und von der Länge
l des mitschwingenden Körpers Ml ab. Man hat es also in der Hand, durch Wahl des
Materials und der Länge dieses Körpers ein bestimmtes Frequenzintervall derart zu
unterteilen, daß von diesem Intervall äquidistante Einzelfrequenzen selektiv herausgegriffen
werden.
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Die Abb. 2b soll nur das Verhalten des mitschwingenden Körpers erläutern.
Bei der praktischen Anwendung der Erfindung wird man die Länge des mitschwingenden
Körpers so wählen, daß stets eine große Anzahl von stehenden Wellen, beispielsweise
um 5o; auftritt, damit die Frequenzabstände der erzwungenen Resonanzen gering sind.
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Die Abb. 3 zeigt ein wichtiges Anwendungsbeispiel der Erfindung. Es
handelt sich hierbei um die Aufgabe, einen Oszillator auf eine von mehreren genau
definierten Frequenzen abzustimmen, die nahe nebeneinander liegen. Hierzu werden
bei der bekannten i Anwendung einer Quarzsteuerung sehr viele Steuerquarze erforderlich.
Wenn man dagegen die Frequenzänderung in einem gewöhnlichen Oszillator durch einfache
Abstimmungsänderung vornimmt, dann müssen an die Genauigkeit dieser Abstimmvorgänge
i und der hierfür benutzten Schaltelemente sehr hohe Anforderungen gestellt werden.
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Bei der Anordnung nach Abb. 3 wird zum gleichen Zweck nur ein einziger
Steuerquarz benutzt; und die für die Abstimmung des Oszillators erforderliche Genauigkeit
ist verhältnismäßig gering.
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Hierbei ist die Schwingkristallanordnung nach der Erfindung in der
bekannten Heegner-Schaltung benutzt, die aus einem rückgekoppelten zweistufigen
Röhrenöszillator besteht. Die Frequenz dieses Oszillators ist durch die Kurzschlußresonanzen
des Steuerkristalls festgelegt, weil bei Durchdrehen des Abstimmkondensators C nur
für diese Frequenz die zum Schwingungseinsatz erforderliche enge Kopplung zwischen
den beiden Röhrenstufen auftritt. Wie aus Abb. 2 c ersichtlich ist, unterschreitet
nun die Impedanz der Schwingkristallanordnung nach der Erfindung für die Frequenzen
e1, e2 üsw. den für den Schwingungseinsatz maßgeblichen Wert Zo. Wenn man daher
den Kondensator C durchdreht, werden nacheinander schwingungsfähige Zustände durchlaufen,
in
denen die genau definierten Frequenzen e1, e2 usw. auftreten. An die Genauigkeit
der Abstimmung durch den Kondensator C sind keine besonders hohen Anforderungen
mehr zu stellen, weil geringe Fehlabstimmungen nur eine Mitnahme der Frequenz innerhalb
vernachlässigbarer Grenzen bewirken.
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Der mitschwingende Körper K, soll, wie bereits erwähnt, akustisch
wenig bedämpft sein. Es ist ferner zweckmäßig, bei der Wahl des Materials für diesen
Körper darauf zu achten, daß er möglichst gleiche Schallhärte aufweist wie der Schwingkristall,
d. h. daß mechanische Anpassung vorliegt. Bestimmte Metalle und Glassorten, z. B.
Kronglas, sind hierfür besonders geeignet. Wenn die Bedämpfung des Schwingkristalls
durch den mitschwingenden Körper KI im Anpassungsfall zu groß ist, kann man auch
eine Fehlanpassung anwenden.
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Um störende Reflexionen an den Seitenflächen des Körpers K1 auszuschalten,
ist es zweckmäßig, diesem Körper eine langgestreckte Form zu geben oder die Seitenflächen
desselben mit einem mechanische Schwingungen absorbierenden Material zu umgeben.
Dem gleichen Zweck dient auch eine Aufrauhung der Seitenflächen. Die Befestigung
des mitschwingenden Körpers K1 am Schwingkristall K kann durch Verlötung erfolgen,
indem man diese beiden Körper oder bei Verwendung von Metall für den Körper K1 nur
den Schwingkristall zuerst an den Paßflächen mit einem Metallüberzug versieht. Es
ist auch möglich, die beiden Körper zuerst auf Hochglanz zu polieren und sodann
aufeinander aufzusprengen, so daß sie ohne Anwendung besonderer Bindemittel lediglich
durch Adhäsion aneinander festhaften.
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Die Erfindung kann natürlich auch in anderen Oszillatorschaltungen
sowie auch in Schaltungen für Wellenmesser Anwendung finden. Die Endfläche des mitschwingenden
Körpers kann frei oder festgehalten sein. Für den letzteren Fall ergeben sich ähnliche
Überlegungen, wie sie für die frei schwingende Endfläche angestellt wurden, nur
ist das elektrische Analogen eine gleichmäßige verlustfreie Leitung mit kurzgeschlossenem
Ende. Soll ein größerer Frequenzbereich bestrichen werden, dann kann man mehrere
Schwingkristalle umschaltbar anordnen und jedem derselben einen Teilbereich zuordnen,
innerhalb dessen er eine selektive Auswahl einer Frequenz aus einer Vielzahl von
genau definierten Einzelfrequenzen gestattet.