DE2650777A1 - Breitbandoszillator mit elektrischer frequenzsteuerung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kristalloszillator, dessen Frequenz durch eine elektrische Spannung gesteuert werden kann, welche gestattet, im Innern eines gegebenen Frequenzbandes die Betriebsfrequenz des Oszillators frei zu wählen. Dieser Kristalloszillator besteht vor allem aus einem Verstärker, dessen Ausgang mit dem Eingang über einen Kreis verbunden ist, welcher einen piezoelektrischen Schwingkristall enthält, wobei die Verstärkung des Systems mit der so gebildeten Rückkopplungsschleife größer als Eins ist, um die Selbstschwingungsbedingungen zu erfüllen. Dieser Kreis enthält im allgemeinen in Reihenschaltung mit

0 9 8 13/0799

dem Kristall Blindelemente, wie etwa Selbstinduktivitäten oder Kapazitäten, von denen wenigstens manche einen einstellbaren Wert haben, so daß es möglich ist, die von dem Oszillator gelieferte Frequenz zu verändern. Eine vorteilhafte Ausführungsform einer Steuerkapazität kann aus einer Diode bestehen, die sich, wenn sie durch eine Vorspannung in geeigneter Richtung und mit geeigneter Größe vorgespannt ist, wie ein Kondensator verhält. Die Kapazitätsänderung eines solchen Kondensators wird durch Anlegen einer einstellbaren elektrischen Spannung erreicht, die der Vorspannung überlagert wird. Diese einstellbare Spannung wird als Steuerspannung oder

Steuersignal bezeichnet.

Eine Kenngröße des Betriebes eines Oszillators mit elektrisch gesteuerter Frequenz besteht aus der Kurve, die Änderungen der Frequenz F berücksichtigt, welche in Abhängigkeit von der an die Kapazitätsdiode angelegten Steuerspannung V geliefert wird. Diese Kurve wird im folgenden als"Kennlinie" bezeichnet.

Bei den Anwendungen ist es erwünscht, daß eine solche Kennlinie in dem Bereich der Arbeitsfrequenzen im wesentlichen linear ist, was gewöhnlich erreicht wird, indem mit dem Kristall eine Selbstinduktivität passenden Wertes in Reihe geschaltet wird. Eine solche Art von Oszillator ist aus der FR-PS 1 473 bekannt.

709819/0799

- v-

Der aus dieser Patentschrift bekannte Oszillator liefert zufriedenstellende Ergebnisse, wenn man sich auf kleine Frequenzhübe beschränkt. Als Beispiel sei größenordnungsmäßig angegeben, daß man, wenn man um die Mittenfrequenz F = 12 000 kHz Änderungen von ±1 · 10~ F beo ο

—4
wirkt, eine sehr lineare, auf 10 genaue Änderung mit einer vernachlässigbaren Amplitudenmodulation des Ausgangshochfrequenzsignals und eine gute Stabilität des Oszillators in der Größenordnung von 10 erzielt.

•Wenn man jedoch einen größeren Frequenzhub erzielen möchte, beispielsweise in der Größenordnung von ± 1 · 10 F , gestattet die aus dieser Patentschrift bekannte einfache Schaltung nur noch die Erzielung einer mittelmäßigen Linearität mit einer

—2
Genauigkeit unter 10 . Darüberhinaus beeinflußt die Temperatur dann stark die Frequenz des Oszillators und gestattet somit nicht, eine gute Stabilität zu erzielen.

Die Erfindung weist diese Nachteile nicht auf und bringt eine große Verbesserung der Ergebnisse mit sich, die von dem erfindungsgemäßen Oszillator mit gesteuerter Frequenz geliefert werden, und zwar hinsichtlich der drei Kenngrößen: Frequenzhub, Linearität und Stabilität.

Gemäß der Erfindung werden zwei piezoelektrische Kristalle benutzt, die in dem Rückkopplungskreis parallel geschaltet sind und deren Frequenzen größer bzw. kleiner als die Grenzwerte

709819/0799

des durch die Frequenzsteuerung zu erfassenden Frequenzhubbereiches sind«

Zwei Gruppen von induktiven und kapazitiven Elementen, wobei die Elemente der einen Gruppe mit den Kristallen parallel geschaltet sind, während die Elemente der anderen Gruppe mit dem Rückkopplungskreis in Reihe geschaltet sind, bewirken einerseits die Regulierung der Linearität der Änderung der Frequenz in Abhängigkeit von der Steuerspannung und andererseits die Regulierung des gewünschten Wertes dieser Änderung für eine gegebene Änderung dieser Spannung.

Die Erfindung betrifft, genauer gesagt, einen Breitbandoszillator mit elektrischer Frequenzsteuerung, mit einem Schwingkreis in Form einer Rückköpplungsschleife und insbesondere mit einem Verstärker, mit einem ersten Element, das eine in Abhängigkeit von elektrischen Größen oder Signalen veränderliche Reaktanz hat, und mit einem'zweiten Element mit hoher Güte, welcher dadurch gekennzeichnet ist, daß das zweite Element aus zwei über einen Verbindungskondensator parallel geschalteten piezoelektrischen Kristallen besteht, welche Resonanzfrequenzen haben, die größer bzw. kleiner als die Frequenzen des breiten Bandes sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Ss zeigen:

709813/0739

—· Sf —

Fig. 1 ein Schaltbild eines bekannten Oszilla

tors,

Fig. 2 in rechtwinkeligen Koordinaten die Kenn

linie dieses Oszillators,

Fig. 3 ein Schaltbild eines weiteren bekannten

Oszillators,

Fig. 4 in rechtwinkeligen Koordinaten die Kenn

linie dieses Oszillators,

Fig. 5 ein Schaltbild des Oszillators nach der

Erfindung, und .

Fig. 6 in rechtwinkeligen Koordinaten die Kenn

linie dieses Oszillators.

Fig. 1 zeigt schematisch die Schaltung eines bekannten Kristall-Oszillators, der so ausgelegt ist, daß er einen relativ großen Frequenzhub liefert.

Eine solche Schaltung enthält vor allem einen Verstärker A, der aus Vereinfachungsgründen schematisch ohne seine Versorgungsquellen dargestellt ist und dessen Eingang 1 und dessen Ausgang 2 über einen Kristall 4 mit Elektroden 5 und 6 und über zwei Kondensatoren C und C zusammengeschlossen

709819/0799

«a ^y ■«

sind, wobei die Kapazität des Kondensators C von der elektrischen Spannung abhängig ist, die an seinen beiden Elektroden anliegt. Ein solcher Kondensator besteht üblicherweise aus einer Diode. Er kann aber auch aus irgendeinem elektrischen Bauelement bestehen, welches eine in Abhängigkeit von einer elektrischen Spannung veränderliche Kapazität aufweisen kann, wie beispielsweise ein Transistor.

In dem Fall der Kondensatoren der "Dioden"-Bauart werden die Steuerspannungen V zur Veränderung der Kapazität direkt an die Kondensatorbeläge angelegt. In der Ausführungsform von Fig. 1 liegen sie infolgedessen bei dem Kondensator C an den Punkten 7 und 8 an. Damit in der Praxis die Quellen für die erforderliche Vorspannung, deren Eigenimpedanz gewöhnlich niedrig ist, nicht den Betrieb des Rückkopp Iu ng sschleifenschwingkreises stören, der einen Kreis mit gewöhnlich hoher Impedanz darstellt, werden die Vorspannungen an den Kondensator über Widerstände R und R angelegt, die jeweils einen hohen Widerstandswert haben.

Die Oszillationsnutzspannung wird an den Klemmen T. und T abgenommen.

Die Vergrößerung des Frequenzhubes erfolgt durch die Selbstinduktivität L 10, die parallel an den Klemmen des Kristalls 4 liegt.

709819/0 79 9

Für eine gegebene Steigung der Kennlinie, die durch die Wahl der "Diode" C festgelegt ist, erhält man eine gute Linearität dieser Kennlinie durch Regulierung des Wertes des Elements

Diese Linearität befindet sich jedoch in einem Bereich von Frequenzen, die deutlich größer sind als die Frequenz F. des Kristalls, was zur Folge hat, daß die Frequ enzstab ilität eines solchen Oszillators nicht mehr hauptsächlich von dem Kristall abhängig ist, sondern auch von der Stabilität der Werte der Elemente L , C und C - Je mehr sich die abgegebene Frequenz von der des Kristalls entfernt, um so stärker nimmt der Einfluß dieser Elemente zu, und, da sie Kenngrößen mittelmäßiger Stabilität haben, insbesondere in Abhängigkeit von der Temperatur, und um so schlechter ist die Stabilität des Oszillators.

Fig. 2 zeigt die einer solchen Schaltung entsprechende Kennlinie in rechtwinkeligen Koordinatenachsen, wobei auf der Abszisse die an die "Diode" C angelegte Spannung V und auf der Ordinate die entsprechende Frequenz F aufgetragen ist. Dieses Diagramm veranschaulicht die Tatsache, daß die gesamte Kennlinie P. in einem Bereich von Frequenzen liegt, die größer sind als die Eigenfrequenz F des Kristalls X , mit den oben angegebenen Nachteilen.

Fig. 3 zeigt schematisch einen Kristalloszillator, bei welchem

819/0799

von einer anderen bekannten Maßnahme Gebrauch gemacht wird, um einen großen Frequenzhub zu erzielen. Die dieser Figur und der Fig. 1 gemeinsamen Elemente tragen die gleichen Bezugszeichen. Die Erhöhung des Frequenzhubes wird hier erreicht, indem eine Selbstinduktivität L 12 mit dem Kristall 4 in Reihe geschaltet wird.

Fig. 4 veranschaulicht das Ergebnis einer solchen Anordnung anhand der entsprechenden Kennlinie in den gleichen Koordinatenachsen wie in Fig· 2.

In diesem Fall hat die Kennlinie nach einem ersten Bereich 15 mit beträchtlichem Krümmungsradius eine große Steigung, die an der Stelle 16 im wesentlichen konstant ist. Die Kennlinie liegt sehr deutlich bei Frequenzen unterhalb der Eigenfrequenz F des Kristalls, was hinsichtlich der Stabilität des Oszillators die gleichen Nachteile wie in dem weiter oben beschriebenen ersten Fall mit sich bringt.

Fig. 5 zeigt das Schaltbild des Oszillators nach der Erfindung. In seinem Gesamtaufbau ergibt sich dieser Oszillator aus der Kombination der beiden weiter oben beschriebenen Schaltungen.

Die gleichen Elemente wie in den vorangehenden Figuren tragen die gleichen Bezugszeichen. Diese Oszillatorschaltung enthält einerseits in ihrem Rückkopplungskreis oder ihrer Rückkopplungsschleife zwei Kristalle X und X , die über einen

709819/0799

Kondensator C parallel geschaltet sind, wobei die gesamte Parallelschaltung in Reihe in die Rückkopplungsschleife eingefügt ist.

Andererseits ist eine Selbstinduktivität L an die gemeinsamen Klemmen 20 und 21 der Kristalle angeschlossen und eine Selbstinduk
fügt.

induktivität L ist in Reihe in die Rückkoppflungsschleife einge-

Darüberhinaus sind die Zusatzschaltungen 31 und 32 dargestellt, die einerseits für die Vorspannung der "Diode" C und andererseits für das Anlegen der Frequenzsteuerspannung sorgen. Diese Zusatzschaltungen sind bekannt und werden aus diesem Grund nicht ausführlich beschrieben. Es sei jedoch beachtet, daß temperaturempfindliche Korrekturelemente, nämlich die Heißleiter Th und Th eingefügt worden sind, die die Aufgabe haben, die Betriebsstabilität der Schaltung in Abhängigkeit von Temperaturänderungen zu verbessern.

Fig. 6 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung der Betriebsweise einer solchen Oszillatorschaltung. In rechtwinkeligen Koordinatenachsen und mit denselben Größen, die auf diesen Achsen wie in den Fig. 2 und 4 aufgetragen sind, ist die Kennlinie (V, F) dargestellt, welche der weiter oben beschriebenen Schaltung nach der Erfindung entspricht.

70 9 819/0799

-Vb-

Die Kennlinie stellt eine Kombination der beiden Kurven von Fig. 2 und 4 ohne Diskontinuität dar.

Die Mittenfrequenz F liegt zwischen den beiden Eigenfrequenzen F und F der Kristalle. Daraus folgt, daß, wenn sich im Betrieb der Frequenzhub einem dieser oberen oder unteren Grenzwerte nähert, der entsprechende Kristall durch seine Stabilität den nachteiligen Einfluß der Elemente L und L , C und C in demselben Gebiet der Kurve begrenzt.

Andererseits kann eine ausgezeichnete Kontinuität der Steigung in der Nähe der Frequenz F leicht durch eine genaue Wahl des Wertes der Kopplungskapazität C zwischen den beiden Kristallen erreicht werden.

Schließlich können die anderen Betriebsparameter durch eine passende Wahl der elektrischen Kenndaten von L , L festgelegt werden, deren jeweilige Aufgaben anhand der bekannten Schaltungen untersucht werden können, die in den Fig. 1 und 3 dargestellt sind.

Der Oszillator nach der Erfindung liefert so mit ausgezeichneter Stabilität und mit ausgezeichneter Linearität ein Wechselstrom— signal, dessen Frequenz zwischen extremen Frequenzgrenzen, welche zehnmal weiter voneinander entfernt sein können als die Frequenzgrenzen eines "Dioden"-Oszillators herkömmlicher Art, gesteuert werden kann.

7 0 9819/0 799

-νί-

In einer praktischen Ausführungsfornn und mit typischen Wei— ten, die als Beispiel angegeben werden, hat bei einer Mittenfrequenz F von 12 500 kHz die Oszillatorschaltung nach der ο

Erfindung, welche mit zwei Kristallen ausgerüstet ist, die bei 12 485 kHz bzw. 12 523 kHz in Resonanz sind, einen Frequenzhub von ±10 kHz gestattet, mit einer Linearität ± 2 % und in einem Temperaturbereich von - 55 C bis 90 C.

Gemäß der Erfindung werden also, kurz zusammengefaßt, in die Rückkopplungsschleife des Oszillators zwei Kristalle X und X eingefügt, deren Eigenfrequenzen außerhalb des Betriebsfrequenzbandes gewählt sind, d.h. des Bandes, in welchem die Steuerung der Frequenz durch die elektrisch veränderliche Kapazität C erfolgt. Ein großes Frequenzband kann auf diese Weise in Abhängigkeit von der an die Kapazität C angelegten Steuerspannung entsprechend einer Kennlinie überdeckt werden, deren Linearität durch den Kondensator C und deren Steigung durch die Selbstinduktivitäten L und L reguliert werden kann.

Die Oszillatoren nach der Erfindung finden insbesondere im Bereich der elektronischen Ausrüstungen an Bord von Satelliten Verwendung.

709819/0799

Leerseite

Claims (1)

1. Patentansprüche :

   1j Breitbandoszillator mit elektrischer Frequenzsteuerung, mit einem Schwingkreis in Form einer Rückkopplungsschleife und insbesondere mit einem Verstärker, mit einem ersten Element, das eine in Abhängigkeit von elektrischen Größen oder Signalen veränderliche Reaktanz hat, und mit einem zweiten Schwingelement mit hoher Güte, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Element aus zwei piezoelektrischen Kristallen (X₁, X) besteht, die über einen Verbindungskondensator (C ) parallel geschaltet sind und Resonanzfrequenzen haben, welche größer bzw. kleiner als die Frequenzen des breiten Bandes sind.

   2_# Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Element eine Diode mit elektrisch veränderlicher Kapazität ist.

   3. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Element ein Transistor ist.

   4. Oszillator nach einem der 'Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem piezoelektrischen Kristall mit der kleineren Resonanzfrequenz eine Selbstinduktivitat parallel geschaltet ist.

   5. Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Kristall mit der größeren Resonanzfrequenz mit einer weiteren Selbstinduktivität in Reihe geschaltet ist und daß ihr gemeinsamer Verbindungspunkt mit dem Verbin— dungskondensator verbunden ist.

   ORIGINAL INSPECTED

   709819/0799