DE2945999A1

DE2945999A1 - Wien-robinson-oszillator hoher frequenzstabilitaet

Info

Publication number: DE2945999A1
Application number: DE19792945999
Authority: DE
Inventors: Istvan Kalman
Original assignee: Siemens Telefongyar Kft
Current assignee: Siemens Telefongyar Kft
Priority date: 1978-12-11
Filing date: 1979-11-14
Publication date: 1980-06-12
Also published as: CS221529B2; DD146728A5; PL220180A1; GB2042840A; GB2042840B; PL123572B1; HU178124B; DE2945999C2

Description

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf einen RC-Oezillator mit Wien-Robinson-Brücke, der einen Operationsverstärker enthält und einen breiten Frequenzbereich, kleine nicht-lineare Verzerrung» gute kurszeitige und dauernde Frequenzstabilität, sowie gute Frequenz/Speisespannung und Frequenz/Temperatur Stabilität gewährleistet.

030 0 2 4/0656

2 9 A ΰ 9 9 9

Auf zahlreichen Anwendungsgebieten sind Tonfrequenzoszillatoren relativ hoher Prequenzetabilität (10 ) nötig. Zu diesem Zweck werden im allgemeinen Quarzoszillatoren hoher Prequenzstabilität verwendet. Die Anwendung von Tonfrequenzquarzoszillatoren Ist mit zahlreichen Nachteilen behaftet. Zum einen kann die mit Hilfe des Oszillators erzeugte Prequenz nicht beliebig sein, weil die Frequenzen der im Handel erhältlichen Quarzkristalle in Betracht genommen werden müssen, und zum anderen 1st die Herstellung und Anwendung von Tonfrequenz-Quarzkristallen wegen ihrer grossen Abmessungen nachteilig. Demzufolge werden die Tonfrequenzquarzoszillatoren dadurch ersetzt, daß die nötige Tonfrequenz aus der Frequenz eines Hochfrequenz-Quarzoszillators duroh Frequenzteilung hergestellt wird. Eine andere Möglichkeit besteht in der Anwendung von RC-Oszillatoren. Die Prequenz- und Amplitudenstabilität der bekannten RC-Oszillatoren let bei Änderung der Temperatur, der Speisespannung und der Belastung um mehrere Grössenordnungen kleiner als bei den Quarzoszillatoren.

Bei einem RC-Oszillator mit Wiensohem-Brükkenzweig wird die Stabilität gemäß der ungarischen Patentschrift Nummer 162 974 öaduroh gesteigert, dafl mehrere Operationsverstärker in den positiven RUckkopplungszweig eingefügt werden. Diese Lösung iet

030 0 24/0656

sehr kompliziert und kostspielig und trotzdem kann nur eine Frequenz Stabilität von ΙΟ*"·³ erreicht werden·

Bei den bekannten Wien-Robinson-Oszillatoren mit Operationaverstärker sind ein positiver und ein negativer Rückkopplungszweig an den Operationsverstärker angeschlossen wobei der positive Rückkopplungszweig eine selektive RC-Schaltung und der negative RUckkopplungszweig eine pegelabhängige Schaltung enthält. Bei den bekannten Lösungen wird die Begrenzung in der pegelabhängigen Schaltung durch Dioden oder durch einen Thermistor vorgenommen· Eine negative HUckkopplungsschaltung mit einem Thermistor ist in der DE-PS Nummer 1 196 722 beschrieben« Durch diese Lösung wird aber nur die Amplitude in einem relativ engen Bereich stabilisiert, aber die Frequenzstabilisierung wird nicht gelöst·

Keine der bekannten Lösungen ist dafür geeignet, sowohl die Frequenz als auch die Amplitude in einem breiten Temperaturbereich zu stabilisieren·

Erfindungsgemäß wird ein billiger RC-Oszillator einfachen Aufbaue realisiert, der in einem breiten Temperaturbereich hohe Freuqenz- und Amplituden-Stabilität aufweist.

030024/0656

2945939

Die vorliegende Erfindung geht von der Krkcnntnie aus, daß eine hohe Freuqenz- und Azaplitudenstabilität dadurch erreicht werden kann, daß ο in Operationsverstärker verwendet wird, der bei rler Schwingungsfrequenz eine Phasendrehung von 90 aufweist, und die frequenzunabhängige Rückkopplung durch einen Spannungsteiler realisiert wird, der Begrenzerdioden, einen Thermistor, sowie zu ihnen in Reihe bzw. parallel geschaltete Y/iderstände enthält. Durch den Thermistor wird die T empei-a tür abhängigkeit der Kennlinie der Begrenzercioden kompensiert, während diese Temperaturkompensation mit Hilfe der in Reihe geschalteten bzw. parallelen Widerstände derart eingestellt wird, daß bei einer Teiaperaturänderung nur eine geringe Pegeländerung zur Stabilisierung der Frequenz auftritt. Weiterhin werden der RC-Wert dee frequenzabhängigen selektiven positiven Rückkopplungszweiges und das Teilungsverhaltnis des frequenzunabhängigen Zweiges so gewählt, daß die Grundverstärkung des Operationsverstärkers in Betracht genommen wird, und die Frequenz des ersten Bruchpunktee und die Temperaturabhängigkeit derart eingestellt werden, daß sich die Oszillationsfrequenz in dem gegebenen Temperaturbereich nicht ändert.

Die Erfindung betrifft einen W:ien-^r:obinson- -Oszillator hoher Frequenzstabilität, der eitea öpe-

030024/0656

rationsverstärker mit einer Phasendrehung von 90° enthält, wobei der Operationsverstärker mit einer frequenzabhängigen positiven und einer amplitudenabhängigen negativen Rückkopplung versehen ist. Der frequenzabhängige Rückkopplungszweig enthält einen aus einem in Reihe geschalteten RC-Glied und einem parallelen RC-Glied bestehenden Spannungsteiler, dessen Teilungspunkt an den nieht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers angeschlossen ist. Der amplitudenabhängige Rückkopplungszweig enthält ebenfalls einen Spannungsteiler, dessen Teilungspunkt mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden ist. Das Wesen der Erfindung besteht, darin, daß das Produkt des Widerstandes und der Kapazität der sich in den frequenzabhängigen Rückkopplungszweig befindenden RC-Glieder die folgende ist:

RC

R der Wert dea Widerstandes C der Wert des Kondensators

f die herzustellende Frequenz r

A die Grundverstärkun«: des Operationsverstärkers

r erster Bruchpunkt der Kennlinie (Bode-Diagraams)

Operationsverstärkers sind. 030024/0656

Das eine Glied des den amplitudenabhängigen RUckkopplungszweig bildenden Spannungsteilers besteht aus zwei mit einem Widerstand (R₁) in Reihe, und zueinander mit entgegengesetzter Polarität parallel geschalteten Dioden (D,, Dp), und einem su den Dioden parallel geschalteten Widerstand (R₀). Das andere Glied dieses Spannungsteilers besteht aus einem Widerstand (R₅) , einem mit diesem Widerstand in Reihe geschalteten Thermistor (T) und vorzugsweise einem mit dem Thermistor (T) in Reihe geschalteten Widerstand (R-,) und einem zu dieser Reihenschaltung (Ro und T) parallel geschalteten Widerstand (Ri). Das Teilungsverhältnis des den amplitudenabhängigen Rückkopplungszweig bildenden Spannung«tellers ist die folgende:

V^fo

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform dee erfindungsgemäßen Oszillators ist der Ausgang dee Oszillators über eine Abtrennstufe, die zweckmäßigerweise ein Verstärker ist, mit der Belastung verbunden.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in welcher das

030024/0656 ORKä.NAL

Schaltbild einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Oszillators dargestellt ist.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich, ist der Ausgang U_ki des Operationsverstärkers B an beide Eingänge zurückgekoppelt,und zwar positiv mit Hilfe einer aue Widerständen R und Kondensatoren C bestehenden frequenzabhängigen selektiven Schaltung, und negativ mit Hilfe einer Dioden, Widerstände und einen Thermistor enthaltenden Schaltung. Die selektive Rückkopplunge schaltung besteht aus einem in Reihe geschalteten RC-Glied und einem parallelen RC-Glied, die einen Spannungsteiler bilden. Der Teilungspunkt dee Spannungsteilers ist mit dem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers E verbunden. Dor selektive Rückkopplungszweig des Oszillators kann aufgrund der folgenden Gleichung bemessen werden:

RC

3.9 . f_r ²

R der Wert des sich in der Rückkopplungsschal

tung befindenden Widerstandes, C der Kapazitätswert des sich in der Rlickkopp lungs schaltung befindenden K?näene-"-tcr3,

0 30024/0656

ORIGINAL INSPECTED

f_r die herzustellende Frequenz

A₀ die Grundverstärkung des Operationsverstärkers f_o der erste Bruchpunkt der Kennlinie (Bode- -Diagramms) des Operationsverstärkers ist.

Bei dem Operationsverstärker E kann die Grundverstärkung A_Q bzw. die Frequenz t des ersten Bruchpunktes einfach eingestellt werden. Die Art der Einstellung hängt vom Typ des verwendeten Operationsverstärkers ab (Katalogangabe). Es ist aber wesentlich, daß die Grund verstärkung k_Q bei einer Frequenz f eingestellt werden muss, die um Grössenordnungen kleiner iet, als die Frequenz f des ersten Bruchpunktes. Es ist also wesentlich, daß die zu erzeugende Froauenz f um Grössenordnungen höher sein muss als die Frequenz f des ersten Bruchpunktes, und daß die Frequenz eines eventuellen zweiten Bruchpunktee dee Verstärkere mn Grössenordnungen höher sein muss ale die zu erzeugende Frequenz f_r· Der Operationsverstärker E ist mit Hilfe eines amplitudenabhängigen RUckkopplungszweiges auch an den invertierenden Eingang rückgekoppelt. Der Rückkopplungezweig besteht aus den miteinander in Reihe geschalteten Widerständen R^ und R₂, und den zum Wideretand R₂ parallel und zueinander antiparallel geschalteten Dioden D₁ und D₂, die ein Glied eineo Spannungsteilers bilden. Der Teilungspiuxkt dee Spannungoteilers ist mit dem invertierenden Eini^n-j,

30024/0656 OBMHW-WB«1B>

des Operationsverstärker E verbunden. Das andere Glied dieses Spannungeteilers ist aus den Widerstanden R^ und R₄, sowie aus dem zum Widerstand R-parallel geschalteten Thermistor T, und dem mit dem Theimlstor T in Reihe geschalteten Widerstand R, aufgebaut« Die Spa&nungsteiler 3 haben einen gemeineamen Erdungspunkt. Bei einer geeigneten Bemessung verhält flieh der frequenzanabhängige Rückkopplungezweig als temperatur- und amplitudenabhängige Spannungsteiler· Der frequonzunabhängige Rückkopplungezweig kann aufgrund der folgenden Beziehung bemessen werden. Das Teilungsverhältnis ist:

/(R₃+R_T)XR₄/+R₅+R₁+R₂

· x

wobei

R-, der Wideretand des Thermistors an der Mitteltemperatur des zu kompensierenden Temperaturbereiches»

b das Teilungßverhältnie des frequenzunnbhängigen Rückkopplungozweiges ist·

0 30024/0656

Die Amplitude des Ausgangaeignals dos /in

Il

tors kann durch Änderung doa Verhültninaeß R-,/R_? eingestellt werden. Der erfindungngemüße Oszillator ist gpgen die Schwankungen der Speisespannung nur in gerin gem Maße empfindlich,' und wenn es gewährleiotet wird, daß der Speisespannungsbereich während des Betriebes des Verstärkers immer genügend groß ist, so daß dir Amplitude des oszillierenden Signals durch den Verstärker nicht begrenzt wird, sind die Frequenz und die Amplitude des Oszillators von d^r Speisespannung praktisch unabhängig.

Wenn eine grössere Frequenznta-

bilität (10 ) benötigt wird, muß eine gleiche gemeinsame Temperatur für alle Bauelemente des Oszillators (Widerstände, Kondensatoren, Operationsverstärker) gewährleistet werden· Das ist zum Beispiel dadurch zu verwirklichen, daß für die ganze Schaltung eine wärmeisolierende Umhüllung vorgesehen und der Raum innerhalb der Umhüllung mit einem Material relativ guter Wärmeleitungsfähigkeit ausgegossen ist, oder zum Beispiel alle Bauelemente in einen gemeinsam η Aluminiumblock eingebaut und mit einer wärme! ·■·.>« i.-.jo versehen sind.

V/ie eingangs schon erwähnt wurde, sind die Oszillatoren auch gegen die Änderung der Bo

030024/0656

ORIGINAL INSPECTED

löötimgoimpedanz empfindlich. Ein Oszillator kann vor Schwankungen der Belastungsimpedanz bekannterweise derart geschützt werden, daß zwischen die.Belastung und den Oszillator eine Abtrennstufe, sam Beispiel ein Folgeverstärker, eingeschaltet wird. V/onn pine Rechteckwelle benötigt ist, wird die Punktion der Abtrennstufe durch den Komparator erfüllt.

Es ist ersichtlich, daß mit Hilfe der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, unter Verwendung von relativ einfachen Mitteln, ein RC-Oszilietor verwirklicht werden kann, der eine Pretjuenzatabilität von 10 , sowie eine hohe Amplitudenstabilität imd Gonauigkeit innerhalb eines sehr breiten Temperaturbereiches bzw. während langer Zeit aufweist.

Claims

Patentansprüche

-Robinson-Oszillator hoher Frequenzstabilität, der

einen Operationsverstärker enthält, der mit einer frequenzabhängigen positiven und einer amplitudenabhängigen negativen Rückkopplung versehen ist, wobei der frequenzabhängige Rückkopplungszweig einen aus einem in Reihe geschalteten RC-Glied und einem parallelen RC-Glied bestehenden Spannungsteiler darstellt, dessen Teilungspunkt mit dem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden ist und der amplitudenabhängige Rückkopplungszeig ebenfalls einen Spannungsteiler darstellt, dessen Teilungspunkt mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Operationsverstärker bei der Schwingungsfrequenz und in der Umgebung der Schwingungsfrequenz eine Phasendrehung von 90° aufweist,

30024/0656

ORWiNAL INSPECTlD

2945939

sowie das Produkt des Widerstandes und der Kapazität der sich im frequpnzabhangenden Rückkopplungszweig befindenden RC-Glioder

RC =

2_T(f -

^Ao^#1o

beträgt, wobei

R der Wert des Widerstandes
C der Wert des Kondensators
f die herzustellende Frequenz

A die Grundverstärkung des Operationsverstärkers f erster Bruchpunkt der Kennlinie des Operationsverstärkers ist,

daß das eine Glied des den amplitudenabhängenden Rückkopplungszweig bildenden Spannungsteilers aus zwei miteinander in Reihe geschalteten Widerständen (R₁ und Rp), sowie zwei zum einen Widerstand (R2) parallel und zueinander mit entgegengesetzter Polarität geschalteten Dioden (D,. und Dp) besteht, und das andere Glied des Spannungsteilers aus einem mit einem Widerstand (Rc) in Reihe geschalteten Thermistor (T) und vorzugsweise aus einem mit dem Thermistor (T) in Reihe geschalteten Widerstand (R^) und einem zu dieser Reihenschaltung (R, und T) parallel geschalteten Widerstand (R^) besteht, wobei das Teilungsverhältnis des den amplitudenabhnngenden Rückkopplungszweig bildenden Spannungsteilers

030024/0656
2. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Ausgang des Oszillators über eine Abtrennstufe, vorzugsweise über einen Folgeverstärker, mit der Belastung verbunden ist.