DE818376C - Kristallgesteuerter Oszillator - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf quarzgesteuerte elektrische Oszillatoren zur Erzeugung elektrischer Schwingungen mit einer zur Grundfrequenz eines piezoelektrischen Steuerkristalls harmonischen Schwingungszahl.

Eine bekannte Ausführungsart eines solchen Schwingungsgenerators wird nunmehr beispielsweise unter Bezug auf Fig. ι der Zeichnung beschrieben.

ίο Der in Fig. I gezeigte Oszillator besteht aus zwei Triodenröhren io und ii, deren Anoden mit den beiden Klemmen eines abgestimmten Schwingungskreises 12 verbunden sind, der seinerseits aus einer veränderlichen Kapazität 13 und einer Induktivität mit Mittelanzapfung 14 besteht. Die Mittelanzapfung der Induktivität 14 ist mit der positiven Klemme H.T.

-f- einer (nicht gezeigten) Potentialquelle hoher Spannung verbunden, deren negative Klemme geerdet ist. Die Kathoden der beiden Trioden sind geerdet. Ein weiterer abgestimmter Schwingungskreis 15, der aus einer veränderlichen Kapazität 16 und einer Induktivität 17 mit Mittelanzapfung besteht, ist zwischen die Steuergitter der beiden Trioden geschaltet. Die Mittelanzapfung der Induktivität 17 ist über einen Widerstand 18 mit Erde verbunden. Ein Kristall 19 ist zwischen die Anode der Röhre 10 und das Steuergitter der Röhre 11 geschaltet; ferner ist ein Neutralisationskondensator 20 zwischen die Anode der Röhre 11 und das Steuergitter der Röhre 10 gelegt. Kondensatoren 21 und 22 sind jeweils zwischen die Anoden und Steuergitter der beiden Röhren geschaltet und stellen die Anoden-Steuergitter-Kapa-

zitäten der beiden Röhren dar. Die Nebenschlußkapazität des Kristalls 19 und seines Halters ist in gestrichelten Linien in Form einer Kapazität 23 dargestellt.

Es ist zu sehen, daß die Kapazitäten 20, 21, 22 und' 23 eine Kondensatorbrücke bilden; im Betrieb wird der Kondensator 20 so eingestellt, daß sich die Brückenschaltung im Gleichgewicht befindet. Beim Einstellen des Generators zur Erzeugung einer elekirischen Schwingung einer Harmonischen der Grundschwingung des Kristalls von der Frequenz f_n wird der Kondensator 20 so eingestellt, daß die Brücken-. schaltung aus dem Gleichgewicht kommt, indem die beiden Schwingungskreise 12 und 15 auf eine Frequenz knapp unterhalb f_n abgestimmt werden; es werden infolgedessen ungesteuerte (wilde) Schwingungen erzeugt. Der Neutralisationskondensator 20 wird daraufhin so eingestellt, daß die Brücke ins Gleichgwicht kommt, wobei das Gleichgewicht durch das Aufhören der Schwingungen angezeigt wird. Die Schwingungskreise 12 und 15 sind dann auf die Frequenz f_n abgestimmt, und der Oszillator kommt unter der Steuerung des Kristalls bei dieser Frequenz ins Schwingen.
Weitere Generatoren dieser Ausführungsart sind auf den S. 464 bis 472 in den /»Proceedings of the Institute of Radio Engineers« Bd. 30, 1942, beschrieben.

Generatoren der beschriebenen Art werden normalerweise zur Erzeugung von Schwingungen von sehr hoher Frequenz verwendet und haben den Vorteil, daß sie die Anzahl der erforderlichen Frequenzvervielfacherstufen zur Erzeugung einer gegebenen Ausgangsfrequenz vermindern bzw. solche Stufen überhaupt überflüssig sind und daß sie die Resonanzschwingungen an ungewünschten Vielfachen der Grundschwingungsfrequenz des Kristalls verringern. Andererseits haben die bisher bekannten Oszillatoren dieser Art den 'Nachteil, daß sie schwer abzustimmen sind (insbesondere der Neutralisationskondensator muß sehr genau eingestellt werden) und daß sie dazu neigen, bei einer ungewollten Frequenz zu schwingen, wenn einzelne Größen des Schwingungskreises sich nur um kleine Beträge ändern.

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit der Schaffung eines verbesserten Schwingungsgenerators der vorbeschriebenen Bauart, bei welchem die genannten Nachteile nicht mehr in Erscheinung treten. Erfindungsgemäß enthält ein Schwingungsgenerator der beschriebenen Art einen mit einem Schwingungskreis versehenen Verstärker, der, wenn der Gesamtverstärkungsgrad des Verstärkers einen bestimmten Wert überschreitet, im Schwingungszustand gehalten wird, ferner Schaltungen, mit deren Hilfe sowohl phasengetreue (positive) als auch phasendrehende (negative) Rückkoppelungen in Verbindung mit dem Verstärker angewandt werden, um dessen Gesamtverstärkungsgrad festzulegen, und einen piezoelektrischen Kristall, der so geschaltet ist, daß die Beziehung zwischen den Größen der dem Verstärker mitgeteilten phasengetreuen und phasendrehenden Rückkoppelung und infolgedessen auch der Gesamtverstärkungsgrad des Verstärkers in Abhängigkeit von Abstimmungsänderungen des Schwingungskreises gesteuert wird, wobei diese Generatorschaltung so wirkt, daß, wenn der Schwingungskreis auf die Frequenz der genannten Harmonischen abgestimmt ist, die Relativbeträge der phasengetreuen und phasendrehenden Rückkoppelung ein solches Verhältnis zueinander haben, daß der Gesamtverstärkungsgrad des Verstärkers den genannten Festwert übersteigt und daß, wenn der Schwingungskreis innerhalb eines breiten Frequenzbandes beiderseits der Harmonischen der Grundfrequenz auf andere Frequenzen abgestimmt wird, die Relativbeträge der phasengetreuen und phasendrehenden Rückkoppelung in solchem Verhältnis zueinander stehen, daß der Gesamtverstärkungsgrad des Verstärkers kleiner als der genannte Festwert wird. Das Frequenzband beiderseits der harmonischen Frequenz muß eine Breite haben, die zumindest ausreicht, in der Abstimmung des Schwingungskreises den normalen Durchlaß unterzubringen, um sicherzustellen, daß der Schwingungskreis nicht in wilde Schwingungen abgleitet.

Der Verstärker kann einer Bauart mit stabilen Betriebsbedingungen, d. h. der Gegentaktbauart, oder auch einer Bauart mit instabilen Betriebsbedingungen angehören. Wenn der Generator für die Erzeugung sehr hoher Frequenzen, beispielsweise 30 kHz oder mehr, verwendet wird, wird vorzugsweise ein Gegentaktverstärker angewandt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsart der Erfindung enthält der Verstärker zwei Elektronenröhren, deren jede zumindest eine Steuerelektrode enthält. Der Schwingungskreis ist im Gegentaktprinzip zwischen die Anoden der Röhren geschaltet; dabei sind die Steuerelektrodenkreise im wesentlichen bzw. vollständig aperiodisch, und der Blindwiderstand bei und in der Nähe der Frequenz der genannten Harmonischen ist kapazitiv, so daß jeweils die Rückkoppelung über die Kapazität zwischen den Anoden und Steuerelektroden der entsprechenden Röhren phasendrehend ist; der piezoelektrische Kristall ist zwischen die Anode einer der Röhren und die Steuerelektrode der anderen Röhre geschaltet, so daß er den Grad der phasengetreuen Rückkoppelung steuert.

Bei einigen Anwendungen dieser bevorzugten Ausführungsart der Erfindung wird die Gitter-Anoden-Kapazität der Röhren genügend groß sein, um das gewünschte Maß phasendrehender Rückkoppelung zu erzielen. Bei anderen Anwendungen kann es notwendig werden, daß diese Kapazität durch Parallelschaltung einer Kapazität zwischen die Anode und die Steuerelektrode einer oder beider Röhren ergänzt wird. Weiterhin kann es sich manchmal als wertvoll erweisen, eine weitere Kapazität zwischen die Anode der zweitgenannten der beiden Röhren und das Steuergitter der erstgenannten Röhre zu schalten, um sicherzustellen, daß der Gesamtverstärkungsgrad des Verstärkers den genannten Festwert übersteigt und derselbe infolgedessen genügend groß ist, um den Schwingungskreis, wenn er einmal auf die genannte Harmonische der Kristallharmonischen abgestimmt ist, in Schwingung zu halten. Der weitere Schwingungskreis muß dementsprechend eine Größe haben, die ausreicht, den Gesamtverstärkungsgrad des Verstärkers kleiner als den genannten Festwert werden zu

lassen, wenn der Schwingungskreis auf Frequenzen innerhalb des genannten Bandes beiderseits der Harmonischen abgestimmt wird. Das Maß der weiteren Kapazität kann jedoch im allgemeinen wesentlich kleiner als der zugeordnete kritische Wert sein, bei welchem der Generator in ungesteuerte Schwingungen abgleitet, so daß dieser stabil bleibt.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Grad der phasendrehenden Rückkoppeiung

ίο fest; der Grad der phasengetreuen Rückkoppelung hängt hingegen von der effektiven Kapazität des Kristalls ab. Wenn der Schwingungskreis 12 auf eine andere als die Grundfrequenz bzw. die Harmonische der Kristallfrequenz abgestimmt wird, hat die effektive Kapazität des Kristalls einen relativ kleinen Wert, jedoch wächst bei Resonanzfrequenz des Kristalls und bei den Harmonischen dieser Frequenz die effektive Kapazität des Kristalls auf einen Wert an, der zweimal so groß als der genannte relativ kleine Wert sein kann, und bewirkt somit eine Erhöhung des Grades der phasengetreuen Rückkoppelung.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird nunmehr beispielsweise unter Bezug auf Fig. 2 der Zeichnung beschrieben. In Fig. ι und 2 sind gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Aus Fig. 2 ist zu ersehen, daß der Schwingungskreis 15 und der Widerstand 18 der Fig. 1 jeweils durch zwei Widerstände 24 und 25 ersetzt sind, die zwischen die Steuergitter der Röhren 10 und 11 und Erde geschaltet sind. Die Realanteile (d. h. die 0hmschen Anteile) der Widerstände 24 und 25 sind im Vergleich zu den Steuergitter-Kathoden-Kapazitäten

. der Röhren bei der Arbeitsfrequenz des Generators relativ groß gewählt; sie werden im allgemeinen von der Größenordnung 100 Kiloohm bis 1 Megohm sein. Der Scheinwiderstand zwischen jedem der Steuergitter und Erde wird infolgedessen fast vollständig kapazitiv sein; infolgedessen wird die Rückkoppelung über die Kondensatoren 21 und 22 phasendrehend sein.

Andererseits wird die Rückkoppelung über die Kondensatoren 20 und 23 phasengetreu sein.

Wenn die phasengetreue Rückkoppelung die phasendrehende Rückkoppelung übersteigt und der Verstärkungsgrad groß genug ist, um die Verluste auszugleichen, beginnt der abgestimmte Schwingungskreis offenbar frei zu schwingen. Die Anordnung kann jedoch, indem den Kondensatoren 21 und 22 entsprechende Größe gegeben wird, so getroffen werden, daß die phasendrehende Rückkoppelung die phasengetreue Rückkoppelung um einen Betrag übersteigt, der groß genug ist, um das freie (wilde) Schwingen zu verhindern, der jedoch nicht genügt, um die gesteuerte Schwingung auf Grund der phasengetreuen Rückkoppelung durch den Kristall 19 zu unterbinden, wenn der Schwingungskreis 12 auf die Grundfrequenz bzw. harmonische Frequenz der Kristallfrequenz abgestimmt ist.

Der Einfachheit halber wird die Größe der Kapazitäten 20 mit 22 im nachstehenden mit dem Buchstäben C bezeichnet und jeweils mit den Bezugsziffern der einzelnen Kapazitäten als Index versehen, während die Vergleichskapazität für den Kristall und seine Halterung mit C_x bezeichnet wird. Bei Frequenzen, die um mehr als einen kleinen Prozentsatz von der Grundfrequenz bzw. den harmonischen Frequenzen des Kristalls abweichen, ist der Wert C_x annähernd konstant. Die Größe der Kapazität 20 wird so groß gewählt, daß (C₂₀ -f- C_x) kleiner als (C₂₁ + C₂₂) wird und die Gesamtrückkoppelung zwischen den Anoden der Röhren 10 und 11 und ihren Steuergittern infolgedessen phasendrehend wird. Es ist infolgedessen nicht möglich, daß der Schwingungskreis mit Frequenzen schwingt, die von der Kristallresonanzfrequenz abweichen.

Bei der Grundfrequenz und den harmonischen Frequenzen des Kristalls wächst die effektive Kapazität des Kristalls auf einen Höchstwert C_y an. Wenn die Größe von C₁₁ so gewählt wird, daß (C₂₀ -f- C„) größer wird als (C₂₁ + C₂₂) und der Schwingungskreis 12 auf diese Frequenz abgestimmt wird, dann wird die Gesamtrückkoppelung zwischen den Anoden der Röhren 10 und 11 und ihren jeweiligen Gittern phasengetreu. Die Schaltung wird also schwingen, vorausgesetzt, daß die Rückkoppelungsschleife einen Verstärkungsgrad größer als 1 annimmt.

Es ergibt sich, daß für die Kapazität 20 ein kritischer Wert existiert, unterhalb welchem der Schwingungskreis nicht schwingen kann, es sei denn, er würde von dem Kristall gesteuert. Bei vielen Anwendungen kann die Größe des Kondensators 20 um so viel kleiner als dieser kritische Wert gewählt werden, daß die genaue Bemessung der vier Rückkoppelungskapazitäten 20, 21, 22 und 23 überflüssig wird. In diesem Falle können die Kapazitäten 21 und 22 so gewählt werden, daß der für die Kapazität 20 sich ergebende Wert ο wird. Ein solcher Schwingungskreis arbeitet beispielsweise bei der dritten Harmonischen eines Kristalls von 10 kHz Grundfrequenz in zufriedenstellendem Maß. Die Größe der Kapazitäten 21, 22 und 23 betrug in diesem Fall jeweils 5 Picofarad, ioo was eine erhebliche Sicherheit gegen freie (wilde) Schwingungen gewährleistet.

Zu derselben Schaltung wurde eine Kapazität 20 von der Größe 2 Picofarad hinzugefügt. Der Schwingungskreis geriet dann bei der siebenten Harmonisehen eines Kristalls von 5,5 kHz Grundfrequenz in Schwingung.

Bei fortgesetzter Steigerung der Größe der Kapazität 13 zeigte sich, daß die Frequenz von der siebenten auf die fünfte Harmonische heruntersprang, ohne daß die Schaltung jemals in eine ungesteuerte (wilde) Schwingung abglitt.

Claims (6)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Schwingungen von der Frequenz einer Harmonischen der Grundfrequenz eines piezoelektrischen Steuerkristalls, bestehend aus einem mit einem Schwingungskreis verbundenen Verstärker, der, wenn er einmal auf eine Harmonische der Grund- iao resonanzfrequenz eines Steuerkristalls abgestimmt ist und wenn der Verstärkungsgrad des Verstärkers einen bestimmten Betrag übersteigt, im Schwingungszustand gehalten werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (10, 11) sowohl eine phasendrehende (über 21, 22 und die kapazitiv

   gekoppelten Gitterkreise von io und ii) als auch eine phasengetreue (über 20 und 23) Rückkoppelung besitzt und daß der piezoelektrische Kristall (19) so geschaltet ist, daß mit ihm die Beziehung zwischen der phasengetreuen und der phasendrehenden Rückkoppelungsschleife und infolgedessen auch der Verstärkungsgrad des Verstärkers in Abhängigkeit von Änderungen in der Abstimmung des Schwingungskreises geändert werden kann, wobei der Generatorschwingungskreis so wirkt, daß, wenn der Schwingungskreis auf die Frequenz der Harmonischen abgestimmt ist, die relativen Grade der phasengetreuen und der phasendrehenden Rückkoppelung in einem solchen Verhältnis zueinander stehen, daß der Gesamtverstärkungsgrad des Verstärkers den genannten bestimmten Betrag übersteigt, und daß, wenn der Schwingungskreis auf andere Frequenzen innerhalb eines relativ breiten Bandes beiderseits der Frequenz der Harmonischen abgestimmt wird, die relativen Werte der phasengetreuen und der phasendrehenden Rückkoppelung in einem Verhältnis zueinander stehen, daß der Gesamtverstärkungsgrad des Verstärkers kleiner als der genannte bestimmte Wert wird (Fig. 2).
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die phasendrehende Rückkoppelung fest ist und der Kristall so geschaltet ist, daß er bei der Frequenz der genannten Harmonisehen ein Ansteigen der phasengetreuen Rückkoppelung auf einen Höchstwert bewirkt.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker zwei Elektronenröhren (10 und 11) enthält, deren jede zumindest eine Steuerelektrode aufweist, daß der Schwingungskreis (12) im Gegentaktprinzip zwischen die Anoden der Röhren geschaltet ist, daß die Steuerelektrodenschwingungskreise aperiodisch oder im wesentlichen aperiodisch sind (d. h. daß 24 und 25 zwischen die Steuerelektroden und die Kathoden geschaltet sind), daß bei und in der Nähe der Frequenz der genannten Harmonischen kapazitiver Blindwiderstand besteht, wodurch die Rückkoppelungsschleife über die Kapazität (21 und 22) zwischen den Anoden und den Steuergittern der Röhren jeweils phasendrehend wird, und daß der piezoelektrische Kristall zwischen die Anode einer der Röhren (10) und das Steuergitter der anderen Röhre (11) geschaltet ist (Fig. 2).
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kapazitäten (21 und 22) jeweils zwischen die Anoden und die Steuerelektroden der beiden Röhren geschaltet sind (Fig. 2).
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kapazität (20) zwischen die Anode der genannten anderen Röhre (11) und die Steuerelektrode der genannten einen Röhre (10) geschaltet ist (Fig. 2).
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrodenschwingungskreise aperiodisch oder im wesentlichen aperiodisch gemacht werden, indem jeweils zwischen die Steuerelektrode und die Kathode jeder der Röhren eine im wesentlichen reinen Ohmschen Widerstand enthaltende Verbindung (24 bzw. 25) geschaltet wird, wobei der Widerstand dieser Verbindung bedeutend größer als der Blindwiderstand der Gitter-Kathoden-Kapazität der Röhre bei Betriebsfrequenz ist (Fig. 2).

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   1975 10.51