DE976447C

DE976447C - RC vibration generator that can be continuously tuned over a wide frequency range

Info

Publication number: DE976447C
Application number: DEJ3353D
Authority: DE
Inventors: William R Hewlett
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1939-07-11
Filing date: 1940-07-12
Publication date: 1963-09-12

Description

J 3353J 3353

Die Erfindung bezieht sich auf einen amplitudenstabilen, klirrarmen, über einen weiten Frequenzbereich kontinuierlich durchstimmbaren TiC-Schwingungserzeuger, der aus einer zweistufigen Verstärkeranordnung, je einem vom Ausgang der zweiten Stufe abgeleiteten und auf die erste Stufe einwirkenden Mit- und Gegenkopplungsweg sowie Elementen zur Stabilisierung der Ausgangsamplitude besteht.The invention relates to an amplitude-stable, low-distortion over a wide area Frequency range continuously tunable TiC vibration generator consisting of a two-stage Amplifier arrangement, one derived from the output of the second stage and one on the first stage acting positive and negative feedback path as well as elements to stabilize the Output amplitude exists.

Aus Proc. IRE 1938, S. 226 ff. ist ein RC-Generator bekannt, der aus einem dreistufigen Verstärker besteht und einen frequenzunabhängigen Mitkopplungsweg und einen frequenzabhängigen Gegenkopplungsweg in Form einer Wienbrücke aufweist. Die Ausgangsspannung ist von der Frequenz und den Versorgungsspannungen weitgehend abhängig. Da zur Erzeugung einer bestimmten Frequenz die Brücke abgeglichen sein muß, können in sie keine amplituden- bzw. stromabhängigen Glieder zum Erzielen einer ausgangsamplitudenabhängigen Gegenkopplung eingefügt werden, ohne daß auch gleichzeitig durch sie eine Frequenzänderung in Abhängigkeit von der Amplitude erfolgen würde. Ebenso ändert sich der Klirrgrad in Abhängigkeit von der Ausgangsamplitude.From Proc. IRE 1938, p. 226 ff. An RC generator is known, which consists of a three-stage amplifier and has a frequency-independent positive feedback path and a frequency-dependent negative feedback path in the form of a Wien bridge. The output voltage is largely dependent on the frequency and the supply voltages. Since the bridge must be balanced to generate a certain frequency, no amplitude- or current-dependent elements can be inserted into it to achieve an output-amplitude-dependent negative feedback without causing a frequency change as a function of the amplitude. The degree of harmonic distortion also changes depending on the output amplitude.

Eine Reihe weiterer ÄC-Generatorschaltungen, die keinen zusätzlichen Gegenkopplungsweg aufweisen, ist in ENT, Bd. 13 (1936), auf den S. 133 bis 142 beschrieben worden.A number of other ÄC generator circuits, which have no additional negative feedback path is in ENT, vol. 13 (1936), on p. 133 to 142 have been described.

Die britische Patentschrift 510379 beschreibt nun einen Festfrequenzgenerator, für den Frequenzkonstanz und gleichbleibende Ausgangsampli-British patent 510379 now describes a fixed frequency generator for frequency constancy and constant output

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tude gefordert ist. Hier wird der Rückkopplungsweg als Wheatstonesche Brücke ausgebildet und enthält sowohl die frequenzbestimmenden Glieder als ein Brückenglied in Form eines einen Schwingquarz enthaltenden Zweipoles als auch einen stromabhängigen Widerstand zur Amplitudenstabilisierung als ein anderes Brückenglied. Diese Stabilisierung ist in bezug auf die sich ergebenden Amplituden abhängig von den Werten des f requenzbestimmenden Brückengliedes, würde also nicht, wenn man dieses veränderbar macht, zu einer konstanten Ausgangsspannung über den Frequenzbereich führen.tude is required. Here the feedback path is designed as a Wheatstone bridge and contains both the frequency-determining elements and a bridge element in the form of an oscillating crystal containing two-pole terminals as well as a current-dependent resistor for amplitude stabilization than another pontic. This stabilization is related to the resulting Amplitudes depending on the values of the frequency-determining bridge element, so would not, if you make this changeable, to a constant output voltage over the frequency range to lead.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen RC-Generator zu schaffen, der sich über einen weiten Frequenzbereich kontinuierlich durchstimmen läßt, dessen Ausgangsamplitude praktisch unabhängig von der eingestellten Frequenz ist und dabei einen geringen Klirrgrad aufweist.The object of the invention is to provide an RC generator that can be continuously tuned over a wide frequency range, the output amplitude of which is practically independent of the set frequency and has a low degree of distortion.

ao Beim Erfindungsgegenstand wird ausgegangen von einem über einen weiten Frequenzbereich kontinuierlich durchstimmbaren i?C-Schwingungserzeuger, bestehend aus einer zweistufigen Verstärkeranordnung, von der die erste Stufe zur Schwingungserzeugung und eine weitere zur Verstärkung und zur Speisung des Mit- und Gegenkopplungsweges dient und bei der zur Bildung dieser Wege ohmsche Widerstände und Kondensatoren verwendet sind.ao The subject matter of the invention is based on a wide frequency range continuously tunable i? C vibration generator, consisting of a two-stage amplifier arrangement, from which the first stage to Vibration generation and another for amplifying and feeding the positive and negative feedback path serves and in which ohmic resistors and capacitors are used to form these paths.

Erfindungsgemäß werden folgende Maßnahmen getroffen.According to the invention, the following measures are taken.

Es werden Verstärkerstufen verwendet, die im linearen Bereich der Kennlinie ihrer verstärkenden Elemente arbeiten. Der Mit- und Gegenkopplungsweg ist als Brückenschaltung aufgebaut, derart, daß die als Mitkopplungsweg dienende Brückenhälfte von einer Reihenschaltung eines Widerstandes mit einer Kapazität und einer Parallelschaltung eines Widerstandes mit einer Kapazität gebildet ist, während die Glieder der als Gegenkopplungsweg dienenden Brückenhälfte aus einem festen ohmschen Widerstand und einem in seinem Widerstandswert gleichsinnig mit dem Effektivwert des durchfließenden Stromes sich ändernden Widerstand bestehen.Amplifier stages are used which are amplifying in the linear range of the characteristic curve Elements work. The positive and negative feedback path is set up as a bridge circuit in such a way that that serving as a feedforward bridge half of a series circuit of a resistor with a capacitance and a parallel connection of a resistor with a capacitance is formed, while the members of the bridge half serving as a negative feedback path from one fixed ohmic resistance and one that changes in its resistance value in the same direction as the effective value of the current flowing through it Resistance.

Der Verbindungspunkt der beiden Brückenglieder des Mitkopplungsweges ist mit der Steuerelektrode des verstärkenden Elements der ersten Stufe und der Verbindungspunkt der Brückenglieder des Gegenkopplungsweges ist mit der Bezugselektrode des gleichen verstärkenden Elements verbunden.The connection point of the two bridge members of the positive feedback path is with the control electrode of the reinforcing element of the first stage and the connection point of the bridge members the negative feedback path is with the reference electrode of the same reinforcing element tied together.

Ferner ist der stromabhängige Widerstand vom Elektrodenstrom der Bezugselektrode mit durchflössen und so bemessen, daß praktisch über den ganzen Frequenzbereich eine konstante Ausgangsspannung erzielt wird.Furthermore, the current-dependent resistance is also flowed through by the electrode current of the reference electrode and dimensioned so that a constant output voltage practically over the entire frequency range is achieved.

Als eine mögliche Ausführungsform eines solchen in seinem Widerstandswert vom Effektivwert des durchfließenden Stromes gleichsinnig abhängigen Widerstandes wird eine Glühlampe angegeben. As a possible embodiment of such in its resistance value from the effective value an incandescent lamp is specified for the resistance that is dependent on the resistance in the same direction.

Die Erfindung soll nun an Hand der Zeichnung, die ein Prinzipschaltbild des erfindungsgemäßen i?C-Schwingungserzeugers darstellt, näher erläutert werden.The invention will now be based on the drawing, which is a basic circuit diagram of the invention i? C vibration generator is explained in more detail.

In der Fig. 1 ist ein Schwingungserzeuger dargestellt, welcher zwei Verstärkerröhren 10 und 11 umfaßt, die in bekannter Weise durch Widerstands-Kapazitäts-Kopplung miteinander gekoppelt sind. Die Spannungsquellen sind der Einfachheit halber fortgelassen worden. Die Anode der Röhre 10 ist mit dem Eingangsgitter der Röhre 11 über den Kondensator 13 verbunden. Die Anode der Röhre 11 ist mit dem Eingang der Röhre 10 über den Kopplungskondensator 12 und einen Mitkopplungsweg verbunden, der eine Reihenschaltung aus dem Widerstand R₁ und der Kapazität C₁ und eine Parallelschaltung aus dem Widerstand R₂ und der Kapazität C₂ umfaßt. Der Mitkopplungsweg, weleher R₁, C₁, R₂ und C₂ umfaßt, ruft eine positive Rückkopplung von dem Ausgang der Röhre 11 auf den Eingang der Röhre 10 hervor, so daß Schwingungen erzeugt werden. Die Frequenz wird durch die Wahl der Elemente R₁, C₁, R₂ und C₂ bestimmt. Wenn R₁ = R₂ und C₁ = C₂ ist, ändert sich das Verhältnis der Spannung Eb im Punkt b zu der Spannung Ea im Punkt α mit der Frequenz, und zwar ähnlich wie bei einer Resonanzkurve. In Fig. 2 ist diese Kurve durch die ausgezogene Linie1 shows a vibration generator which comprises two amplifier tubes 10 and 11 which are coupled to one another in a known manner by resistance-capacitance coupling. The voltage sources have been omitted for the sake of simplicity. The anode of the tube 10 is connected to the input grid of the tube 11 via the capacitor 13. The anode of the tube 11 is connected to the input of the tube 10 via the coupling capacitor 12 and a positive feedback path which comprises a series connection of the resistor R ₁ and the capacitance C ₁ and a parallel connection of the resistance R ₂ and the capacitance C _2. The feedforward path, which comprises R ₁ , C ₁ , R ₂ and C ₂ , creates positive feedback from the output of tube 11 to the input of tube 10, so that vibrations are generated. The frequency is determined by the choice of the elements R ₁ , C ₁ , R ₂ and C ₂ . If R ₁ = R ₂ and C ₁ = C ₂ , the ratio of the voltage Eb at point b to the voltage Ea at point α changes with frequency, similar to a resonance curve. In Fig. 2 this curve is indicated by the solid line

dargestellt, wobei als Ordinate das Verhältnis -=r shown, the ordinate being the ratio - = r

und als Abszisse die relative Frequenz aufgetragen ist. Im Maximum dieser Kurve ist die Frequenzand the relative frequency is plotted as the abscissa. The frequency is at the maximum of this curve

f = ^{l 9S} f = ^{l 9S}

InIfR₁R₂C₁C₂'InIfR ₁ R ₂ C ₁ C ₂ '

Die Spannungen an den Punkten α und b haben die gleiche Phase. Es treten also bei dieser Schaltung Schwingungen mit der Frequenz /₀ auf.The voltages at points α and b have the same phase. In this circuit, oscillations with the frequency / ₀ occur.

In der Fig. 2 zeigt die gestrichelte Kurve die Phasenverschiebung an. Als Ordinate ist auf der rechten Seite die Phasenverschiebung aufgetragen. Man sieht, daß bei der Phasenverschiebung Null das Maximum des Verhältnisses -=£· liegt. Wenn die Kondensatoren und Widerstände nicht untereinander gleichgemacht sind, dann würde das Maximum an irgendeinem anderen Punkt auftreten, so daß man keine symmetrische Kurve mehr erhält, wie es für die ausgezogene Kurve der Fig. 2 zutrifft. Die Erfindung ist aber unabhängig davon, ob die Widerstände bzw. Kapazitäten untereinander gleichgemacht sind. In der Praxis wird man es im allgemeinen vorziehen, R₁ = R₂ und C₁ = C₂ zu machen.In FIG. 2, the dashed curve indicates the phase shift. The phase shift is plotted as the ordinate on the right-hand side. It can be seen that the maximum of the ratio - = £ · is at zero phase shift. If the capacitors and resistors are not made equal to one another, then the maximum would occur at some other point, so that one no longer obtains a symmetrical curve, as is the case for the solid curve in FIG. However, the invention is independent of whether the resistances or capacitances are equal to one another. In practice it will generally be preferred to make R ₁ = R ₂ and C ₁ = C ₂ .

Wie man aus der Fig. 1 erkennt, wird eine Änderung der von dem Oszillator erzeugten Frequenz durch Einstellung der veränderlichen Kapazitäten C₁ und C₂ bewirkt. Es können aber auch die Widerstände zur Einstellung der Frequenz veränderlich sein.As can be seen from FIG. 1, the frequency generated by the oscillator is changed by adjusting the variable capacitances C ₁ and C ₂ . However, the resistances for setting the frequency can also be variable.

Um einen guten Wirkungsgrad zu erzielen, ist es bei der in der Fig. 1 dargestellten Schwingungserzeugeranordnung notwendig, daß der Verstärker, welcher die Röhren 10 und 11 umfaßt, eine Phasen-In order to achieve a good degree of efficiency, this is the case with the vibration generator arrangement shown in FIG. 1 necessary that the amplifier, which comprises the tubes 10 and 11, has a phase

verschiebung bewirkt, die unabhängig von Änderungen der Speisespannungen usw. ist, und ferner, daß ein Amplitudenregler vorhanden ist, der verhindert, daß die Schwingungsamplituden den Bereich überschreiten, in welchem die Röhren io und 11 als ^4-Verstärker arbeiten. Eine konstante Verstärker-Phasenverschiebung ist notwendig, um eine konstante Frequenz zu erhalten, weil der Phasenwinkel der Impedanz des Widerstands-Kapazitäts-Netzwerkes sich von dem Punkt α zu dem Punkt b nur langsam mit der Frequenz ändert. Daher macht eine kleine Änderung in der Verstärker-Phasenverschiebung, wie sie z. B. durch eine Änderung der Speisespannung hervorgerufen werden kann, eine verhältnismäßig große Änderung in der Betriebsfrequenz nötig, um eine kompensierende Phasenverschiebung in dem Widerstands-Kapazitäts-Kopplungssystem hervorzurufen.causes displacement, which is independent of changes in the supply voltages, etc., and also that an amplitude controller is present, which prevents the oscillation amplitudes exceed the range in which the tubes io and 11 work as a ^ 4 amplifier. A constant amplifier phase shift is necessary in order to obtain a constant frequency because the phase angle of the impedance of the resistance-capacitance network changes only slowly with frequency from point α to point b. Therefore, a small change in the amplifier phase shift, as e.g. B. can be caused by a change in the supply voltage, a relatively large change in the operating frequency is necessary to cause a compensating phase shift in the resistance-capacitance coupling system.

Bei der Anordnung nach Fig. ι ist eine Gegenkopplung zur Stabilisierung des Verstärkers vorgesehen. Dieser Gegenkopplungsweg verläuft von dem Ausgang der Röhre ii über den Kopplungskondensator 12 und den Widerstand R_i zu der Kathode der Röhre io. Der Spannungsabfall über dem Widerstand R₃ erzeugt eine Gegenkopplung im Eingangskreis der Verstärkerröhre io. Die Gegenkopplung vermindert in bekannter Weise die Verstärkung und erhöht die Stabilität.In the arrangement according to FIG. 1, a negative feedback is provided to stabilize the amplifier. This negative feedback path runs from the output of the tube ii via the coupling capacitor 12 and the resistor R _i to the cathode of the tube io. The voltage drop across resistor R ₃ creates negative feedback in the input circuit of the amplifier tube. The negative feedback reduces the gain in a known manner and increases the stability.

Die Amplitudenregelung wird in an sich ebenfalls bekannter Weise durch ein nichtlineares Element in der Schaltung bewirkt. In der Fig. 1 ist das nichtlineare Element der Widerstand R₃, welcher aus einer kleinen Glühlampe oder einer ähnlichen Vorrichtung bestehen kann, bei welcher der Widerstand rasch bei zunehmendem Strom zunimmt. Die Lampe wird durch den Anodenstrom der Röhren 10 oder 11 oder durch einen Hilfskreis auf eine solche Temperatur vorerhitzt, so daß ihr Widerstand sich dann schon bei einer kleinen Änderung des Stromes stark ändert. Wenn also die Schwingungsamplituden zunehmen wollen, nimmt die Temperatur der Lampe und damit der Widerstand R₃ zu, so daß eine große Gegenkopplung auftritt und die Verstärkung herabgesetzt wird. Wenn die Amplitude der Schwingungen abnehmen will, wird der Strom durch die Lampe geringer und damit auch die Gegenkopplung. Die Anordnung arbeitet also im wesentlichen mit einer konstanten Amplitude, die so gewählt ist, daß kein Gitterstrom fließt und daher auch keine Verzerrung der erzeugten Schwingungen hervorgerufen wird.The amplitude control is effected in a manner which is also known per se by a non-linear element in the circuit. In Fig. 1, the non-linear element is the resistor R ₃ , which can consist of a small incandescent lamp or similar device in which the resistance increases rapidly with increasing current. The lamp is preheated to such a temperature by the anode current of the tubes 10 or 11 or by an auxiliary circuit, so that its resistance then changes sharply even with a small change in the current. So if the oscillation amplitudes want to increase, the temperature of the lamp and thus the resistance R ₃ increases, so that a large negative feedback occurs and the gain is reduced. If the amplitude of the oscillations wants to decrease, the current through the lamp is lower and so is the negative feedback. The arrangement thus works essentially with a constant amplitude which is selected so that no grid current flows and therefore no distortion of the vibrations generated is caused either.

Da die Lampe relativ langsam den Stromänderungen folgt, wird die Amplitude konstant gehalten, ohne daß dadurch ein Abschneiden der Spannungsspitzen und damit eine Verzerrung erfolgt. Since the lamp follows the current changes relatively slowly, the amplitude is kept constant, without cutting off the voltage peaks and thus causing a distortion.

Wie schon erwähnt wurde, ist es in der Praxis am zweckmäßigsten, den Widerstand R₁ gleich dem Widerstand R₂ und C₁ = C₂ zu machen. Unter diesen Umständen ist die erzeugte FrequenzAs already mentioned, in practice it is most expedient to make the resistance R ₁ equal to the resistance R ₂ and C ₁ = C ₂ . In these circumstances the generated frequency is

/1 =/ 1 =

InR₁- C₁ 'InR ₁ - C ₁ '

Die Frequenz ist umgekehrt proportional der Kapazität anstatt umgekehrt proportional der Quadratwurzel aus der Kapazität, wie es bei einem aus Selbstinduktion und Kapazität bestehenden Schwingungskreis der Fall ist. Die Frequenz kann daher über einen viel größeren Bereich geändert werden, wobei man die gleiche Kondensatorentype verwenden kann, die bei den üblichen Schwingungskreisen benutzt wird. Ein Frequenzbereich von : ι kann leicht mit einer einzigen Skala überdeckt werden.The frequency is inversely proportional to the capacitance rather than inversely proportional to the Square root of the capacitance, as in a self-induction and capacitance Oscillation circuit is the case. The frequency can therefore be changed over a much wider range using the same type of capacitor that is used in conventional oscillating circuits. A frequency range of : ι can easily be covered with a single scale.

Durch Versuche wurde festgestellt, daß man bei Verwendung eines Drehkondensators mit vier Plattensätzen, welche paarweise so parallel geschaltet waren, daß das eine Paar C₁ und das andere Paar C₂ entspricht, den Frequenzbereich von 20 bis 20000 Hz in drei Unterabteilungen überbrücken kann, nämlich 20 bis 200, 200 bis und 2000 bis 20 000 Hz. Es wurden dabei drei Sätze von Widerständen benutzt. Die Ausgangsspannung des Generators war dabei bis auf ungefähr 10% über den ganzen Frequenzbereich konstant, während die Verzerrung nur ungefähr 0,25% betrug. Die Frequenzstabilität war so groß, daß nur eine vernachlässigbare Frequenzänderung in der Größenordnung von weniger als 0,1 %> auftrat, wenn eine sehr starke Änderung der Speisespannungen vorgenommen wurde.Experiments have shown that when using a variable capacitor with four sets of plates, which are connected in parallel in pairs so that one pair corresponds to C ₁ and the other pair to C ₂ , the frequency range from 20 to 20,000 Hz can be bridged in three subdivisions, namely 20 to 200, 200 to and 2000 to 20,000 Hz. Three sets of resistors were used. The output voltage of the generator was constant up to about 10% over the entire frequency range, while the distortion was only about 0.25%. The frequency stability was so great that only a negligible frequency change on the order of less than 0.1%> occurred when a very large change in the supply voltages was made.

Claims

PATENT CLAIMS:

i. 7? C vibration generator, continuously tunable over a wide frequency range, consisting of a two-stage amplifier arrangement, of which the first stage is used to generate vibrations and a further stage is used to amplify and feed the positive and negative feedback path and in which ohmic resistors and capacitors are used to form these paths are used, characterized in that working amplifier stages are provided in the linear region of the characteristic curve of their amplifying elements, that the positive and negative feedback path is constructed as a bridge circuit, such that the bridge half serving as positive feedback path from a series circuit of a resistor (R ₁ ) with a capacitance (C ₁₎ and a parallel circuit of a resistor (R ₂₎ is formed with a capacitance (C _2), while the links serving as the negative feedback path bridge half and a same direction of a fixed ohmic resistance (7? ₄₎ in its resistance value with the rms value of the flowing current changing resistance (R ₃ ) exist that the connection point of the two bridge members of the positive feedback path is connected to the control electrode of the reinforcing element (10) of the first stage, the connection point of the bridge members of the negative feedback path is connected to the reference electrode of the same reinforcing element (10) is, and 1 * 5 that furthermore the current-dependent resistance (R ₃ )

the electrode current of the reference electrode also flows through it and is dimensioned in such a way that it is practical A constant output voltage is achieved over the entire frequency range.

2. Vibration generator according to claim i, characterized in that the resistance (R ₃ ) which is dependent on the effective value of the current flowing in the same direction in its resistance value is an incandescent lamp.

Publications considered: Swiss Patent No. 198848; "Proceedings of the IRE," February 1938, p. 229; October 1938, p. 1280.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings