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Amplitudengeregelte Oszillatorschaltung Die Erfindung betrifft eine
amplitudengeregelte Oszillatorschaltung, bestehend aus einem Verstärker mit einem
Eingangs- und einem Ausgangsklemmenpaar, einem Rückkopplungsvierpol von den Ausgangs-
zu den Eingangsklemmen, einem im Längszweig des Rückkopplungsvierpols befindlichen
frequenzbestimmenden Element und einer variablen Dämpfungsschaltung im Querzweig
des Rückkopplungsvierpols.
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Bekannte Oszillatorschaltungen bestehen im allgemeinen aus einem Verstärker,
in dem ungedämpfte Schwingungen dadurch erzeugt werden, daß ein Teil seines Ausgangssignals
über einen Rückkopplungskreis an seinen Eingang zurückgeführt wird, wobei die Phase
des rückgekoppelten Signals so beschaffen sein muß, daß es eine Erhöhung der Amplitude
des Ausgangssignals des Verstärkers bewirkt. Zur Festlegung der Frequenz, mit der
ein solcher Oszillator schwingen soll, muß innerhalb des Rückkopplungskreises ein
frequenzbestimmendes Element eingeschaltet werden, das beispielsweise aus einem
Filter, einem Schwingkreis oder einem Quarzkristall bestehen kann. Um eine solche
Schaltung zum Schwingen anzuregen, ist es erforderlich, daß der Rückkopplungsfaktor
größer als Eins ist, und um den Schwingungsvorgang aufrechtzuerhalten ist ferner
ein nichtlineares Arbeiten der Schaltung erforderlich.
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Im allgemeinen dient der Verstärkerteil dieser Schaltung als nichtlineares
Element. Gelangt jedoch der Verstärker in seinen Sättigungsbereich, dann wird sein
Ausgangssignal stark beschnitten. In diesem Fall muß die Grundwelle mittels eines
zusätzlichen Schwingkreises oder mittels eines Filters abgetrennt werden.
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Die Verwendung von Induktivitäten zur Wiedergewinnung der Grundwelle
ist jedoch infolge ihres hohen Raumbedarfes, des relativ niedrigen Gütefaktors und
aus Preisgründen unbefriedigend. Außerdem schwankt der Beschneidungspegel eines
im Sättigungsbereich arbeitenden Verstärkers in Abhängigkeit von der Temperatur
und dem Speisespannungspegel, wodurch die Betriebssicherheit der Schaltung wesentlich
vermindert wird.
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Falls es erforderlich ist, daß die Amplitude der Ausgangsspannung
einen vorbestimmten Wert aufweisen bzw. auf einen bestimmten Wert einstellbar sein
soll, dann muß das Ausgangssignal von der Impedanz des Rückkopplungskreises und
von Schwankungen der Speisespannung annähernd unabhängig sein.
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Um in Oszillatorschaltungen die Amplitude zu stabilisieren, wird in
der deutschen Patentschrift 1103 993 vorgeschlagen, in den Rückkopplungspfad
eine variable Impedanz zu schalten, die das Rückkopplungssignal in Abhängigkeit
von der Oszillatorausgangsamplitude beeinflußt. Nachteilig ist in dieser Oszillatorschaltung,
daß durch die variable Impedanz das Rückkopplungssignal erst hinter dem frequenzbestimmenden
Kristall beeinflußt wird, so daß dieses von dem ungedämpften Rückkopplungssignal
durchflossen wird. Dadurch kann beispielsweise durch große Störsignale der Kristall
beschädigt oder zerstört werden.
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Die Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Schaltung, in der
eine Kristallbeschädigung durch überhöhte Rückkopplungs- oder Störsignale verhindert
wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Anschlußpunkt
für die variable Dämpfungsschaltung im Rückkopplungskreis zwischen dem frequenzbestimmenden
Element und der Ausgangsklemme liegt, daß die variable Dämpfungsschaltung aus mindestens
einem festen Widerstand im Querzweig des Rückkopplungsvierpols besteht und parallel
zu mindestens einem Teil dieses Widerstandes die Kollektor-Emitter-Strecke eines
Transistors liegt, daß die Basis-Emitter-Strecke dieses Transistors über eine Gleichrichterschaltung
mit den Ausgangsklemmen des Oszillators so verbunden ist, daß eine Erhöhung des
Ausgangssignals die Leitfähigkeit der Kollektor-Emitter-Strecke erhöht und die Impedanz
der Dämpfungsschaltung und die Amplitude des über das frequenzbestimmende Glied
zur Eingangsklemme zurückgekoppelten Signals kleiner werden.
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In dem gestrichelten Rechteck 5 der Zeichnung ist ein bekannter zweistufiger
linearer Verstärker gezeigt,
der die beiden Transistoren 6 und 7
sowie eine Eingangsklemme 8 und eine Ausgangsklemme 9 besitzt.
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Ein solcher Verstärker kann in bekannter Weise dadurch in einen Oszillator
abgewandelt werden, daß ein Teil des an der Ausgangsklemme 9 auftretenden Ausgangssignals
über ein frequenzbestimmendes Element der Eingangsklemme 8 mit einer solchen Phase
zugeführt wird, daß das zurückgeführte Signal bestrebt ist, die Amplitude des Verstärkerausgangssignals
zu erhöhen. Obwohl die Amplitude des Rückkopplungssignals der Amplitude des Ausgangssignals
folgt und dieser proportional ist, hängt der Wert der positiven Rückkopplung von
der Serienimpedanz des Rückkopplungskreises und des frequenzbestimmenden Elementes
ab. Ist diese Impedanz zu hoch, dann ist der Rückkopplungsfaktor zu gering, um einen
Schwingvorgang einzuleiten, ist dagegen die Impedanz zu niedrig, dann arbeitet der
Verstärker im Sättigungsbereich.
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Um sicherzustellen, daß der Schwingvorgang eingeleitet wird, der Verstärker
jedoch nicht in den Sättigungsbereich gelangt, ist es erforderlich, daß der Verstärker
im A-Betrieb arbeitet und daß die Impedanz des positiven Rückkopplungskreises in
Abhängigkeit von dem Wert des Ausgangssignalpegels geändert werden kann. Da die
Amplitude des Ausgangssignals durch die Amplitude des Rückkopplungssignals gesteuert
werden kann, kann das Rückkopplungssignal dazu verwendet werden, die Amplitude des
Ausgangssignals zu bestimmen.
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In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist ein in der Zeichnung innerhalb
des gestrichelten Rechteckes 10 dargestellter Emitterfolger über einen Koppelkondensator
mit der Ausgangsklemme 9 des Verstärkers 5 zwecks Verminderung der Ausgangsimpedanz
verbunden, so daß der Oszillator auf eine größere Belastung arbeitet. Der Emitterfolger
enthält einen Transistor 11. Selbstverständlich ist die Verwendung dieses Emitterfolgers
keine notwendige Voraussetzung zur Erzielung der erfindungsgemäßen Arbeitsweise
der Schaltung, sondern dient lediglich zur Veranschaulichung der vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten
des erfindungsgemäßen Prinzips.
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Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird das positive Rückkopplungssignal
vom Emitter 12 des Transistors 11 am Punkt 52 abgegriffen und über den einen Widerstand
20, Kondensatoren 15 und 16 und ein frequenzbestimmendes Element 17 enthaltenden
Rückkopplungskreis an die Eingangsklemme 8 des Verstärkers 5 zurückgeführt. Das
frequenzbestimmende Element 17 ist in der Zeichnung als Quarzkristall dargestellt.
Selbstverständlichkönnen in dieser Schaltung auch andere frequenzbestimmende Elemente
verwendet werden. Ein Teil des an der Ausgangsklemme 9 des Verstärkers 5 auftretenden
Ausgangssignals wird deshalb über den Emitterfolger 10
und den oben beschriebenen
Rückkopplungskreis an die Eingangsklemme 8 des Verstärkers zurückgeführt. Bei diesem
Ausführungsbeispiel wird die Am- i plitude des an die Eingangsklemme 8 zurückgeführten
Rückkopplungssignals geändert, um die Amplitude des von dem Verstärker 5 erzeugten
Ausgangssignals zu steuern.
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Um zur Stabilisierung des Schwingvorganges eine i nichtlineare Charakteristik
in der Rückkopplungsschaltung zu erhalten, ist eine variable Dämpfungsschaltung
vorgesehen, die die beiden Reihenwiderstände 21 und 22 enthält, die zwischen dem
Punkt 46 und dem Bezugsspannungspunkt 23 parallel zu dem oben beschriebenen Rückkopplungskreis
liegen. Über die Widerstände 21 und 22 wird also ein Teil des Rückkopplungsstromes
abgezweigt, der zu dem Bezugsspannungspunkt 23 fließt. Wird die Impedanz der Widerstände
21 und 22 vermindert, dann wird ein größerer Teil des Rückkopplungsstromes durch
diese Widerstände hindurch zu dem Bezugsspannungspunkt 23 abgeleitet, wodurch die
Amplitude des Rückkopplungssignals vermindert wird. Wird dagegen die Impedanz der
Widerstände vergrößert, dann wird ein geringerer Teil des Rückkopplungsstromes durch
diese Widerstände hindurch zu dem Bezugsspannungspunkt 23 abgeleitet, wodurch die
Amplitude des Rückkopplungssignals vergrößert wird. Die Amplitude des Rückkopplungssignals
kann also durch Variieren der Impedanz der Widerstände 21 und 22 geändert werden.
Demzufolge kann auch die Amplitude des Ausgangssignals durch Variieren der Impedanz
der Widerstände 21 und 22 im ungekehrten Verhältnis geändert werden.
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Die Impedanz der Parallelwiderstände 21 und 22 kann in Abhängigkeit
von Änderungen der Rückkopplungssignalamplitude auf elektronischem Wege durch Variieren
der Vorspannungswerte an der Basis 31 des Regeltransistors 30 sowie an dessen Kollektor
32 und an dessen Emitter 33 verändert werden. Die Kollektor-Emitter-Strecke dieses
Transistors 30 liegt parallel zum Widerstand 22, und die Änderung der genannten
Vorspannungswerte erfolgt in Abhängigkeit von der Amplitude des Rückkopplungssignals.
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Der Kollektor 32 des Transistors 30 ist über Widerstände 36, 37 und
21 mit der negativen Klemme 35 einer Spannungsquelle und die Basis 31 mit dem Punkt
29 eines Spannungsteilers verbunden, der aus der Kombination der Widerstände 41
und 42, einer Diode 45 und dem Widerstand 28 besteht, die zwischen der positiven
Klemme 40 einer Spannungsquelle und dem Bezugsspannungspunkt 27 liegen. Infolge
dieser Anordnung besitzt die Basis 31 des Transistors 30 zu dem Zeitpunkt, in dem
die Schaltung zu arbeiten beginnt, ein höheres positives Potential als der Emitter
33, der mit dem Bezugsspannungspunkt 23 verbunden ist. Die Bedingungen zum Leitendtasten
eines pnp-Transistors sind also nicht gegeben, so daß sich der Transistor 30 normalerweise
in seinem nichtleitenden Zustand befindet. Im gesperrten Zustand des Transistors
30 besitzen deshalb die Parallelwiderstände der Dämpfungsschaltung ihren maximalen
Wert. Dies ist erforderlich, damit die Amplitude des an der Ausgangsklemme 9 des
Verstärkers 5 auftretenden Signals, von dem ein Teil zu der Eingangsklemme 8 zurückgeführt
wird, zur Einleitung des Schwingvorganges ihren maximalen Wert aufweist. Wenn die
Amplitude des Ausgangssignals des Verstärkers ansteigt, dann steigt auch die Amplitude
des zu der Eingangsklemme 8 zurückgeführten Teiles dieses Ausgangssignals an. Ein
Teil des am Punkt 47 auftretenden Rückkopplungssignals gelangt über die Diode 45
zur Basis 31 des Regeltransistors 30. Die negativen Halbwellen dieses Signals werden
durch die Diode 45 gleichgerichtet und als negative Vorspannung der Basis 31 des
Transistors 30 zugeführt, wodurch nunmehr die zum Leitendtasten dieses Transistors
erforderlichen Bedingungen vorhanden sind, d. h., der Transistor 30 beginnt nunmehr
zu leiten. Dadurch wird die wirksame Impedanz parallel
zum Widerstand
22 der Dämpfungsschaltung vermindert, da der zum Bezugsspannungspunkt 23 fließende
Rückkopplungsstrom zum Teil durch den Transistor 30 fließt. Dadurch wird also die
Verminderung der effektiven Impedanz der variablen Dämpfungsschaltung bewirkt, so
daß die Amplitude des an dem Punkt 46 auftretenden Rückkopplungssignals vermindert
wird. Wenn die Amplitude des an derAusgangsklemme9 desVerstärkers5 auftretenden
Ausgangssignals ansteigt, werden die dadurch verursachten größeren negativen Halbwellen
des, Rückkopplungssignals durch die Diode 45 gleichgerichtet und dieses gleichgerichtete
negative Signal der Basis 31
des Regeltransistors 30 zugeführt, wodurch dieser
Transistor noch stärker leitend wird. Der dadurch hervorgerufene erhöhte Stromfluß
durch diesen Transistor fließt parallel zu dem Widerstand 22, wodurch die effektive
Impedanz der variablen Dämpfungsschaltung weiter vermindert und dadurch eine weitere
Verminderung der Amplitude des an dem Punkt 46 auftretenden Rückkopplungssignals
verursacht wird. Dieses verminderte Rückkopplungssignal ist bestrebt, die Amplitude
des an der Ausgangsklemme 9 des Verstärkers 5 auftretenden Ausgangssignals ebenfalls
zu vermindern. In dieser Weise wird also die Impedanz der variablen Dämpfungsschaltung
in Abhängigkeit von Änderungen der Amplitude des Rückkopplungssignals beeinflußt.
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Da der Wert der Amplitude des Ausgangssignals der Amplitude des Rückkopplungssignals
proportional ist, wird das im Verstärker 5 erzeugte Ausgangssignal in Abhängigkeit
von Schwankungen der Amplitude des Rückkopplungssignals geregelt und stabilisiert.
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Das von der erfindungsgemäßen Oszillatorschaltung erzeugte Signal
kann an den Ausgangsklemmen 50 und 51 abgegriffen und nicht gezeigten externen Verbraucherschaltungen
zugeführt werden.
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In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wurde der Emitter 10, wie bereits
erwähnt, zur Verminderung der Ausgangsimpedanz der Oszillatorschaltung eingefügt.
Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß dieser Emitterfolger, ohne vom Erfindungsgedanken
abzuweichen oder die Arbeitsweise der Regelschaltung zu beeinträchtigen, auch weggelassen
werden kann, wenn der Punkt 52 über einen Kondensator mit der Ausgangsklemme 9 des
Verstärkers 5 verbunden wird. In gleicher Weise können, ohne von Erfindungsgedanken
abzuweichen, Änderungen der Verstärkerschaltung und der Dämpfungsschaltung sowie
der Steuerung vorgenommen werden.
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Obwohl nur ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben
wurde, liegen jedoch für einen Fachmann eine Vielzahl von Abwandlungen nahe, die,
ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen, durchgeführt werden können.