DE2257783B2

DE2257783B2 - Spannungsgesteuerter Oszillator sowie Verfahren zur elektrischen Änderung der Frequenz eines elektronischen Oszillators

Info

Publication number: DE2257783B2
Application number: DE2257783A
Authority: DE
Inventors: William F. Pinellas Acker; Gordon F. St. Petersburg Bremer
Original assignee: Honeywell Information Systems Inc
Current assignee: Bull HN Information Systems Inc
Priority date: 1971-11-24
Filing date: 1972-11-24
Publication date: 1975-06-12
Also published as: US3736528A; AU446057B2; GB1391538A; FR2161028B1; CA979502A; NL7215687A; DE2257783A1; JPS4860864A; AU4666372A; FR2161028A1

Description

35

»5

Die Erfindung bezieht sich generell auf spannungsgesteuerte Oszillatoren und insbesondere auf spannungsgesteuerte Oszillatoren mit einem großen Abstimmbereich und guter Frequenz- und Phasen-Stabilität.

Es sind bereits viele Oszillatorschaltungen bekannt, wobei eine große Anzahl dieser Oszillatorschaltungen spannungsgesteuerte Oszillatorschaltungen sind. Spannungsgesteuerte Oszillatoren können derzeit in Fernmeßsystemen sowie in anderen Systemen angewandt werden, in denen eine Frequenzoder Phasensteuerung benutzt wird.

In Abhängigkeit von dem jeweiligen Anwendungsfall existieren zahlreiche Forderungen hinsichtlich spannungsgesteuerter Oszillatoren (VCO). Zu diesen Forderungen gehören hauptsächlich:

a) ein großer elektrischer Abstimmbereich,

b) Frequenzstabilität,

c) Phasenstabilität,

d) die Fähigkeit, eine Breitbandfrequenz- und Phasenmodulation zu ermöglichen, und

e) eine Linearität der Frequenz in Abhängigkeit

von der Steuerspannung.

40

Einige dieser Forderungen stehen dabei jedoch in direktem Gegensatz zueinander. So sieht z. B. die Frequenz- und Phasenstabilität in direktem Gegensatz zu einem großen Abstimmkreich, zur Linearität der Frequenz in Abhängigkeil von der Steuerspannung und zu der Fähigkeit, eine Breitbandmodulation zu ermöglichen. Zur Erzielung eines größeren Abstimmbereichs wurde daher hinsichtlich der Frequenzstabilität üblicherweise ein gewisser Verlust in Kauf genommen. Dennoch ist es in einigen Anwen- 5" dungsfällen, wie z. B. in vielen phasenstarren Regelschleifen, wünschenswert, über einen spannungsgesteuerten bzw. spannungsgeregelten Oszillator zu verfügen, der sowohl eine gute Frequenzstabilität als auch einen großen Abstimmbereich besitzt.

In phasenstarren Regelschleifen besteht eine ideale Forderung darin, daß die Schleife der Frequenz und Phase eines Eingangssignals ohne einen Fehler nachläuft. Wenn in dem Eingangssignal jedoch ein Zittern bzw. Jittern auftritt, erfordert dieser Zustand, daß die Schleifenbandbreitc unendlich ist. Aus praktischen Forderungen heraus besitzt die Schleifenbandbreitc jedoch endliche Grenzen. Wird die Schleifcnbandbreite im übrigen schmaler gewählt, so nimmt das Schlcifen-Phasenzittern im Hinblick auf das Eingangssignal zu; ist die Bandbreite zu schmal gewählt, so wird das Phascnzittern so groß, daß die Schleife nicht einrastet bzw. mitgezogen wird. Deshalb ist eine große Bandbreite erforderlich, um ein Mitziehen aufrechtzuerhalten, wenn das Eingangssignal . im Bereich einer großen Bandbreite zittert.

Die bisher bekannten, üblicherweise benutzten spannungsgesteuerten Oszillatoren umfassen

a) Quarzoszillatoren,

b) LC-Oszillatoren und

c) /iC-Multivibratoren.

Quarzoszillatoren sind die stabilsten Oszillatoren; sie besitzen jedoch einen sehr schmalen Abstimmbereich, der im allgemeinen nicht größer ist als ±0,1¹Yo der Nennoszillatorfrequenz. LC-Oszillatoren, wie sie als Hartley- und Colpitts-Oszillatoren bekannt sind, weisen einen größeren Bereich bis zu ±30 ⁰Zo auf, jedoch zeigen sie einen gewissen Mangel hinsichtlich der Frequenzstabilität. Schließlich besitzen Relaxationsoizillatoren, wie Multivibratoren und Sperrschwinger, einen sogar größeren Abstimmbereich, jedoch itt die Frequenzstabilität dabei von geringer Bedeutung.

Im Hinblick auf gewisse spannungsgesteuerte bzw. spannungsgeregelte Oszillatoren, und zwar insbesondere im Hinblick auf solche, die in phasenstarren Regelschleifen zu verwenden sind, besteht somit die Forderung nach einem hohen Grad an Frequenzstabilität in Abhängigkeit von der Temperatur und außerdem ein großer Abstimmbereich. Eine weitere Forderung besteht darin, daß diese vorteilhaften Eigenschaften zu erzielen sind, ohne daß komplizierte Schaltungen und/oder teure Präzisions-Bauelemente verwendet werden müssen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Weg zu zeigen, wie die vorstehend aufgeführten Forderungen erfüllt werden können.

Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe erfindungsgemäß durch einen spannungsgesteuerten Oszillator, der dadurch gekennzeichnet ist,

a) daß Vergleichereinrichtungen vorgesehen sind, die einen intern erzeugten Spannungspegel mit einem Eingangs-Schwellwertspannungspegel vergleichen,

b) daß mit den Vergleichereinrichtungen Spannungspegel-Änderungseinrichtungen verbunden sind, die den Schwellwertspannungspegel nahezu augenblicklich von einem bestimmten Pegel aul einen anderen bestimmten Pegel periodisch zu ändern gestatten, und

c) daß mit den Spannungspegel-Änderungseinrichtungen Steuereinrichtungen verbunden sind, die die Periode der Schwellwertspannungspegel· änderung zu ändern gestatten.

Durch die Erfindung ist ferner ein spannungs gesteuerter Oszillator geschaffen, der dadurch ge kennzeichnet ist,

u) daß Vergleichereinrichtungen vorgesehen sind die ihren Integrator-Ausgangsspannungspcge mit einem Eingangs-Schwcliwertspannungspegc vergleichen,

b) daß mit den Vergleicheicinrichlungcn eim Rcchtcekspannungs-Erzeugereinrichtung vcrbun den ist. die eine Rechteckspannung erzeugt,

c) uiii.i mil lien Vergieicheremrichtungcn und de Rechtcckspannungs-IZrzeugcieinrichtung eine In

tegratoieinrichtung verbunden ist, die durch die gleicherausgangsspannung. Wenn die Sägczahnspan-

Rechteckspannungs-Erzeugercinrichtung gestcu- nung die Schwellwertspannung in einer Richtung

ert die Rechteckspannung integriert und cine überschreitet (in Plus- oder Minus-Richtung, und

Dreieck-Sägezahnspannung mit einer bestimm- /.war in Abhängigkeit vom vorhergehenden Zustand

ten Steigung abgibt, 5 des Vergleichers, der indirekt seine eigene Schwcll-

i) daß Steigungs-Ändcrungseinrichtungcn vorge- wertspannung steuert und die Richtung der Steigung

sehen sind, die die Steigung der Sägezahnspan- der Sägezahnspannung), ändert der Vergleichcr der.

nung von einem positiven Wert zu einem nega- Zustand, und die Schwcllwertspannung springt

tiven Wert und umgekehrt zu ändern gestatten augenblicklich in ihren anderen Zustand um. Die

und die mit den Vergleichereinrichtungen, der io Richtung der Sägezahnspannung kehrt damit um.

Integratoreinrichtung und der Rechteckspan- Die Schaltungselemente sind dabei so angeordnet

nungs-Erzeugereinrichtung verbunden sind, bzw. geschaltet, daß die Sägezahnspannung sich stets

e) daß eine Spannungsänderungseinrichlung vor- zu der Schwellwcrtspannung hin bewegt und daß gesehen ist, die durch die Dreieck-Spannung jeweils dann, wenn die Sägezahnspannung die und den Schwellwertspannungspegel gesteuert 15 Schwcllwertspannung des Vergleichcrs erreicht, eine nahezu augenblicklich den Schwellwertspan- Umschaltung der Schwellwertspannung in ihren annungspegel von einem bestimmten Spannungs- deren Zustand erfolgt. Auf diese Weise schaltet die pegelwert auf einen anderen bestimmten Span- Vergleicherausgangsspannung in einer ununternungspegelwert zu ändern gestatten und die mit brachen aufrechterhaltenen Schwingung hinsichtlich den Vergleichereinrichtungen, der Integrator- 20 ihres Wertes zwischen ansteigenden und abfallenden ciinicliiung, der Rechteckspannungs-Erzeuger- Werten um.

einrichtung und der Steigungs-Änderungsein- Zur Steuerung der Frequenz des spannungs-

richtung verbunden sind, gesteuerten Oszillators wird eine Steuerspannung zu-

f) daß Generatoreinrichtungen vorgesehen sind, geführt, die die einstellbare Schwellwertspannung V₁₁ die ein scheinbares Erdpotential an die Ver- 25 derust ändert, daß ein längeres oder kürzeres Zeitgleichereinrichtungen und die Integratoreinrich- intervall für die Sägezahnspannung erforderlich ist, tung abgeben, und um zwischen dem festliegenden oberen Schwell-

g) daß eine Spannungseinstclleinrichtung vorge- wert V₁. und dem einstellbaren unteren Schwellsehen ist, die in Abhängigkeit von einer Ein- wert V₁, hin- und herzulaufen.

gangssteuerspannung den bestimmten Schwell- _3o Die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators

wertspar.nungspeg¹?' einzustellen gestattet und wird somit durch die Steuerung der Periode T ge-

die mit den Vergleichereinrichtungen verbuiv Mtucri. die die Sägezahnspannung des Imegrator-

den ist. ausgangssignals benötigt, um von der Spannung V₁.

einen Durchlauf auszuführen und wieder zurück-

Die Erfindung umfaßt ferner ein Verfahren zur ₃₅ zukehren.

elektrischen Änderung der Frequenz eines elektro- An Hand einer Zeichnung wird die Erfindung nischen Oszillators. Dieses Verfahren ist dadurch nachstehend unter Bezugnahme auf eine ein Ausgekennzeichnet, daß elektrische Schwingungen einer führungsbeispiel darstellende Schaltungsanordnung bestimmten Frequenz dadurch erzeugt werden, näher erläutert.

40 Bezugnehmend auf die Zeichnung sei bemerkt.

a) daß ein Schwellwertspannungspegel geschaffen daß eine konstante, relativ störungsfreie Spannung, wird und die üblicherweise 6 Volt betragen kann, durch eine

b) daß der betreffende Schwellwertspannungspegel Schaltung 30, die durch eine Strichpunktlinie einvon einem bestimmten Pegelwert zu einem an- gerahmt ist, an Schaltungspunkten 2 und 3 erzeugt deren bestimmten Pegelwert nahezu augenblick- 45 wird. Eine genauere Betrachtung der Schaltung 30 lieh umgeschaltet wird. zeigt, daß einer Eingangsklemme 1 eine positive

Spannung von -\ V zugeführt wird. Die Eingangs-

Durch die Erfindung ist somit ein spannungs- klemme 1 ist dabei über einen Widerstand R 9 mil

gesteuerter bzw. spannungsgeregelter Oszillator ge- einem Verbindungspunkt 2 verbunden. Der Verbin-

schaffen bzw. ermöglicht, der einen Abstimmbereich 50 dungspunkt 2 ist seinerseits über zwei parallele Wege

besitzt, welcher größer ist als 100ⁿ/o der Nenn- geerdet. Der eine Weg umfaßt einen Kondensatoi

Oszillatorfrequenz und der dabei nur einen geringen C 7, und der andere Weg umfaßt eine ZENER

Verlust an Frequenzstabilität in Abhängigkeit von Diode D1. Die am Verbindungspunkt 2 herrschend«

der Temperatur und Zeit aufweist. Darüber hinaus Spannung wird einem Verbindungspunkt 3 zugeführt

ist der betreffende spannungsgestcuerte Oszillator 55 an welchem sie von dem übrigen Teil der Schaltun!

hinsichtlich der TTL-Technik (Transistor-Transistor- für verschiedene Zwecke benutzt werden kann. In

Logik) kompatibel. ersten Fall wird die am Schaltungspunkt 3 vornan

fm wesentlichen wird dabei eine Rechteckwelle dene Spannung dazu herangezogen, ein scheinbare

erzeugt und dazu herangezogen, einen Integrator an- Erdpotential (4 3 V—) an einem Schaltungspunk

zusteuern, um an dessen Ausgang eine Sägezahn- 60 12 zu erzeugen, und zwar dadurch, daß die ar

spannung zu erzeugen. Die betreffende Sägezahn Schaltungspunkt 3 vorhandene Spannung unter Vei

spannung wird dann dem negativen Eingang eines wendung eines Spannungsteilers 32 auf die Hälft

Vergleichcrs zugeführt, und eine entsprechende. geteilt wird. Ein Spannungsteiler 31 hält einen Scha

jedoch invertierte Rcchtcckspannung wird dem posi- tungspunkt 11 in entsprechender Weise auf schcir

tiven Eingang des Vergleichen zugeführt, um dessen 65 barem Erdpotcntial. Eine Ausnahme zu dem ziivc

Schwcllwertspannung auf irgendeinen einstellbaren betrachteten Fall besteht jedoch darin, daß der Scha

PcccH',, c(Jrr -'"if cmc Snanniinc W einzustellen. tiincspunkt 11 normalerweise über einen Schalter

und /war in Abhängigkeit vom Zustand der Vcr- mil einer Spannung V₁₁ oder V₁ angcs'ciicn wir!

Betrachtet man die Spannungsteiler 31 und 32 näher, so zeigt sich, daß der Spannungsteiler 31 aus Widerständen R 3 und R 5 besteht, die an dem Schaltungspunkt 11 miteinander verbunden sind und von denen der Widerstand R 3 außerdem mit dem Schaltungspunkt 3 und dem Schaltungspunkt 23 verbunden ist. Der Widerstand R 5 ist darüber hinaus geerdet. Der Spannungsteiler 32 enthält einen Widerstand RA, der an einem Verbindungspunkt 12 mit einem Widerstand Λ 6 verbunden ist. Der Widerstandes ist darüber hinaus an dem Schaltungspunkt 23 angeschlossen, der seinerseits mit dem Schaltungspunkt 3 verbunden ist. Der Widerstand R6 ist im übrigen geerdet. Der Verbindungspunkt 12 der Widerstände RA und R 6 ist mit dem" positiven, nicht invertierenden Eingangsanschluß eines Operationsverstärkers 7 verbunden, der als Teil einer Integratorschaltung ausgenutzt wird.

Die am Schaltungspunkt 3 liegende Spannung wird ferner einer Schalteinheit zugeführt, die generell mit 4 bezeichnet ist und die von einer Strichpunktlinie eingerahmt ist. Diese Schalteinheit 4 umfaßt ferner zumindest zwei Schalter 5 und 6. (Obwohl in der Zeichnung zwei Schalter als mechanische Schalter dargestellt sind, die durch die Ausgangsspannung 10 des Vergleichers 9 gesteuert werden, dürfte einzusehen sein, daß es sich hierbei um typische elektronische Schalter handelt, wie z.B. um die NH0014-MOSFET-Schalter, wie sie von der Firma National Semiconductor Corporation hergestellt werden.) Der Anschluß 16 des Schalters 5 ist mit dem Verbindungspuiiki 3 verbünden, der Anschluß 17.,des SchaL-ters5 ist über einen Widerstand R1 geerdet, una der Anschluß 24 des betreffenden Schalters 5 ist mit dem negativen invertierenden Eingang des Integrator-Operationsverstärkers 7 über einen Widerstand Rl verbunden. Der Anschluß 13 des Schalters 6 ist mit dem Verbindungspunkt 3 verbunden, der damit auf der Spannung V_c gehalten wird. Der Anschluß 14 des Schalters 6 ist mit dem Verbindungspunkt 20 verbunden, der seinerseits über den Widerstand Rl geerdet ist und dem ferner von einer Eingangsklemme 27 her über einen Widerstand RS eine Steuerspannung V₀ zugeführt wird. Der Anschluß 25 des Schalters 6 ist über den Verbindungspunkt 11 mit dem invertierenden Eingangsanschluß (durch ein Minuszeichen markiert) des Vergleichers 9 verbunden. Mit dem Eingane und Ausgang des Integrator-Operationsverstärkers 7 ist ein Kondensator CS verbunden. Der Ausgang des integrierenden Operationsverstärkers 7 ist mit dem nicht invertierenden Eingangsanschluß (durch ein Pluszeichen markiert) des Vergleichers 9 verbunden. Der Ausgangsanschluß 10 des Vergleichers 9 ist im übrigen mit einer Stcucrleitung 15 der Schalteinheit 14 verbunden, wodurch die Umschaltung der Schalter 5 und 6 gesteuert wird.

An Hand nachstehender Tabellen I und II sind typische Bauelementwerle sowie Bauelemente und Hersteller angegeben. Dabei sind in der Tabelle I die Werte typischer Bauelemente angegeben, die in der in der Zeichnung dargestellter. Schaltung verwendet werden können. Es sei jedoch bemerkt, daß aucn andere Bauclemcnlwcrtc benutzt werden können, die in geeigneter Beziehung zueinander stehen. In der Tabelle II sind einige typische Bauelemente und Bauelemenlhcrstcller \nn Bauelementen aufgeführt, die in der in der Zeichnung dargestellten Schaltung

Tabelle I

Bauelement-Bezeichnung	= R 5 = R 6	Größe	Einheit
S Rl = RZ		50	Ohm
R3 = R4 =		40 000	Ohm
Rl		20 000	Ohm
RS		5 000	Ohm
ίο R9		1000	Ohm
Cl		1,	0 μΡ
CS	Typ	0,	0001 nF
¹⁵ Tabellen
Bauelement-		Hersteller
Bezeichnung

5, 6

Dl

NH0014-MOSFET-Schalter

LM307

LM311

IN753A

National

Semiconductor

Corporation

National

Semiconductor

Corporation

National

Semiconductor

Corporation

Motorola

vcrwcnoct werden Können.

Im Betrieb wird dip konstante, rplativ stnriinoc-

freie Spannung V_c von dem Spannungskonstanthalter 30 erzeugt und an den Schaltungspunkt 3 abgegeben.

Die am Schaltungspunkt 3 auftretende Spannung wird auf die Hälfte durch den Spannungsteiler 32 und den Spannungsteiler 31 geteilt, wenn der Schalter 6 geöffnet ist; sie wird zu den Schaltungspunkien 12 bzw. 11 hingeleitet. Darüber hinaus wird die am

4ΰ Schaltungspunkt 3 liegende konstante Spannung V_c an die Anschlüsse 16 und 13 der Schalter 5, 6 abgegeben. Wird der Schalter 5 zwischen Erde und V_c umgeschaltet und wird der Schalter 6 zwischen V_c und V₁, umgeschaltet (die Spannung am Verbindungs-

punkt 20), so sind die Ausgangsspannungen an den Klemmen 24 und 25 der Schalter 5. 6 Rechteckwellen mit einer Gleichspannungskomponente. Die betreffenden Rechteckwellen treten dabei mit einei 180°-Phasenverschiebung zueinander auf. Die an dem Schalteranschluß 24 auftretende bzw. erzeugte Rechteckwelle wird dem negativen (invertierenden) Eingangsanschluß des Integrator-Operationsverstärkers 7 über den Widerstand R 7 zugeführt. Die betreffende Rechteckspannung bzw. Rechteckwelh führt zur Abgabe einer Dreieckwelle am Ausganj des integrierenden Verstärkers 7. Die Steigung dei Sägezahnspannung der Dreieckwelle ist dabei posith oder negativ, und zwar in Abhängigkeit von dei Polarität des dem negativen Eingangsanschluß de;

So integrierenden Verstärkers 7 zugeführten Rechteck weilen-Eingangssignals im Vergleich zu der Polaritä der dem positiven Eingangsanschluß 12 zugeführter Spannung, wie dies oben erläutert worden ist. (Eim positive Steigung bzw. Neigung wird hier definier

als Verlauf eines Signals mit in bezug auf die Zei crößer werdendem Wert, und eine negative Steigunj bzw. Neigung wird hier definiert als der Verlauf eine: Signals mit in bezug auf die Zeit abnehmenden

«mnnunüswcrt) 1st daher das dem negativen Ein- Erdpotcntial zu dem positiven Potential I⁷,. Dieser SnSSuR des In egrators 7 zugeführtc Span- Vorgang bewirkt, daß der Schwcllwer.spannungs-Essana bezug uf die dem positiven Eingangs- pegel des Vergleichers 9 auf einen neuen Pegelwert ? d hl el imegrators 7 zugeführte Spannung posi- eingestellt wird Da der am negativen Eingang des Sv so besitzt die Steigung der Ausgangs-Sägezahn- s integrierenden Verstärkers 7 hegende Wide, sand R 7 pannung ei en negativen Verlauf und umgekehrt. augenblicklich geerdet worden war .st ehe dem am In fötßenden sei ein erster Zeitpunkt betrachtet, negativen E.ngang des mtegr.crenden Verstärken 7 d h der Zeitpunkt zu dem der Vcrbindungs- bzw. liegenden Widerstand zugcführte Spannung nunrnch, Schaltungspunkt Π auf Erdpotcntial liegt (bezüglich negativ im Vergleich zu der Spannung am Verbinder Kennung ist angenommen, daß sie Null xo dungspunkt 12, also in bezug auf d.c Spannung, die ?st) Ferne e" angenommen, daß die Druckwelle dem positiven Eingangsanschluß des Verstärkers 7 am,Ausgang des Verstärkers 7 zu diesem Zeitpunkt zugeführt wird. Deshalb erhält die Ausgangs-Dreinositiv ist Da das Ausgangssignal des Verstärkers 7 eckspannung des Integrators 7, die zuvor einen negaim Vergleich zum Eingangssignal am nicht inver- tiven Verlauf hatte, nunmehr einen positiven Verlaut, tierenden Eineangsanschluß des Vergleichen positiv 15 und die Ausgangsspannung beginnt wieder zunickist ist auch das Ausgangssignal des Vergleiche« 9 zugehen. Wenn diese zu positiven Werten ninno'sitiv da nämlich das Ausgangssignal des Verstär- laufende Sägezahnspannung den Spannungspcgel der kers 7 dem positiven nicht invertierenden Eingangs- am Schaltungspunkt 11 vorhandenen neuen Schwellanschluß des Vergleichers 9 zugeführt wird. Darüber wcrtspannung durchläuft, schallet das Vergleicncrhinaus hält zu diesem Zeitpunkt das positive Aus- 20 ausgangssignal am Ausgang 10 von seinem niedrigen gangssignal des Vergleichers 9 die Schalter 5 und 6 Zustand in seinen hohen Zustand um, und die I ein einer solchen Stellung, daß der Ausgang h7w. An- riodc ist beendet. Das umschalten des vergieiu,,-,-schluß25 des Schalters 6 über den Widerstand R 2 ausgangssignals von einem Pegel zu einem anderen geerdet ist und daß der Ausgang bzw. Anschluß 24 Pegel und zurück stellt eine Periode des gewünschten des Schalters 5 mit der die stabilisierte Plus-Gleich- 25 Rcchteckwellcn-Oszillatorausgangssignals dar. spannung V führenden Anschlußklemme verbunden Unter Außerachtlassung von Hardware-Unvoll-

ist Die Widerstände R3, RS und R8 sind im Ver- kommenheiten und der Frcqucnzsleuerspannung I „ gleich zum Widerstand R 2 sehr groß, und die Wir- ist zu bemerken, daß die Nennfrequenz des spankung der Steuereingangsspannung V₀ an dem An- nungsgesteiierten Oszillators lediglich durch die schluß 27 ist als vernachlässigbar angenommen. Des- 30 Werte der Bauelemente Λ 7 und C8 oder durch die halb führt in diesem Zustand der Schaltungspunkl KC-Konstante des Integrators 7 bestimmt ist_; Diese ί ί im wesentlichen trdpoiemiai. Der Schalter 5 gibt ZfMiVnnstr.r.t;. bestimmt die GcM.liwinuiyk.eii des /-»". die positive Spannung V₁. an den Widerstand «7. stiegs des Abfalls der Sägezahnspannung. Für die dem Eingangswiderstand an dem negativen Eingangs- Stabilität eines spannungsgesteuerten KC-Oszillators anschluß des integrierenden Verstärkers 7 ab. Der 35 ist es gewöhnlich erforderlich, daß die Anstiegs- oder positive Eingangsanschluß 12 dieses Verstärkers liegt Abfallgeschwindigkeit der Sägezahnspannung s>ch auf dem niedrigeren »scheinbaren Erd«-Poleniial nicht mit der Temperatur oder Zeit ändert. Die An-V P Damit besitzt die Vcrslärkerausgangsspannung stiegs- oder Abfallgeschwindigkeit der Dreieckspaneinen negativen Verlauf. Demgemäß verläuft die nung könnte jedoch durch Veränderungen in der Ausgangsspannung des Integrators 7 zu Erdpotential 40 Bezugsspannung V₁. oder der Impedanzen der Schalthin bei dem es rieh um den Schwellwertpegel am kreise 4 beeinflußt werden. Diese Spannung oder Verbindungspunkt 11 handelt. Wenn diese Sägezahn- Impedanzen könnten sich ihrerseits mit der Tcmpcspannung durch den Schwellwcrtspannungspegel am ratur und Zeit ändern, und zwar auf Grund der in Schallungspunkt bzw. Verbindungspunkt 11 läuft Halbleiterelementen, wie den MOSFET-Schaltern 5 (der betreffende Schwellwertpegel ist zu diesem Zeit- 45 und 6 und der ZENER-Diode Dl. auftretenden Vernunkt nominell Null), erfährt der Vergleichet eine änderungen. Im Hinblick auf F i g. 1 sei jedoch be-Zustandsänderung, da nämlich die seinem positiven merkt, daß jegliche Aufwärts- oder Abwärts-Ändc-Fingangsanschluß zugeführte Spannung in bezug auf rung der durch die ZENER-Diodc gesteuerten Bcdie Spannung, die an seinem negativen Eingangs- Zugsspannung V₁. die Schwclhvcrtspannung des Vcranschluß liegt, negativ wird. Wenn der Vergleicher 9 50 gleichers 9 um denselben Betrag ändert, um den die seinen Zustand ändert, ändert sich seine Ausgangs- Steigung bzw. Neigung der Ausgangs-Drcicckspanspannung am Ausgang 10 von dem vorhergehenden nung des Integrators 7 geändert wird. Damit bcwirliohen Wert (45 V) auf seinen niedrigen Wert (OV), ken Änderungen in der ZENER-Spannung keine wobei die betreffende Spannung der Steuerleitung Änderung der Schwingungsperiode. Sind die Wider-15 des Schaltelements 4 zugeführt wird und dabei, 55 stände der MOSFET-Schalter 5 und 6 gleich, so änauch'eine gleichzeitige Zustandsänderung der Schal- dcrn sich die Schwellwerlspannungen und die Steiter 5 und oliewirkt. gungen bzw. Verläufe der Dreieckspannungen glcich-

Nunmehr sei ein zweiter Zeitpunkt betrachtet, der artig.

unmittelbar nach dem Zustandswcchscl des Schalt- Damit haben Tcmpcraturändcrungcn. die Ver-

elements 4 liegt, wie er oben erläutert worden ist. 60 änderungen der Bauclementkennlinien hervorrufen In diesem Zusammenhang sei bemerkt, daß der eine sehr geringe Auswirkung auf die Frequenz dci Schalteranschluß 24 des Schalters 5 nunmehr über spannungsgesteuerten Oszillators, den Widerstand R 1 geerdet ist und daß der Schalter- Um einen relativ einfachen und relativ billiger

anschluß 25 des Schalters 6 nunmehr mit dem Schal- spnnnungsgcsteuertcn Oszillator aufzubauen, ist ei tungspunkt 2 verbunden ist und damit die Plus- 6₅ wünschenswert. Bauteile zu verwenden, die kommer Gleichspannung F₁. führt. Damit erfährt der Schal- zicll erhältlich sind. So kann z.B. ein LM311-Vcr tungspunkt llTdcr zuvor Erdpotenlial geführt hat, gleicher als Verglcichcr 9 verwendet werden, und cir nahezu aucenblicklich eine Zustandsänderung von LM3O7-Vcrstärkcr kam als integrierender Verstär

ker 7 verwendet werden. Bei beiden Bauelementen handelt es sich um solche, die von der Firma National Semiconductor Corporation kommerziell erhältlich sind.

Diese Bauelemente bzw. Einrichtungen weisen jedoch einen gewissen Vorslrom, Versetzungsstrom und eine Versetzungsspannung auf. (Im Hinblick auf Operationsverstärker mit einer Versetzung bzw. Abweichung bzw. Verschiebung sei auf die Druckschrift »Fairchild Semiconductor Linear Integrated Circuit Application Handbook« von James M. Giles, 1967, hingewiesen.) Jegliche Versetzung bzw. Verschiebung des Operationsverstärkers würde zu einer gewissen Änderung der Sägezahnspannung führen, da nämlich eine Gleichspannungskomponente am Ausgang geliefert würde. Deshalb müssen die Auswirkungen einer derartigen Verschiebung bzw. Versetzung kompensiert werden. In diesem Zusammenhang sei z. B. der Fall betrachtet, daß irgendein Vorstrom, der am Verbindungspunkt Ί1 erforderlich ist, eine Belastung hervorruft, derzufolge ein Strom durch die Widerstände R4 und R6 fließt. Dadurch würde sich im allgemeinen die Spannung an dem Schaltungspunkt 12 ändern. Darüber hinaus würde jeder Strom, der von dem negativen Eingang des Operationsverstärkers 7 benötigt wird, dieselbe Wirkung zur Folge haben, d. h., er würde zum Fließen eines Gleichstroms durch den Widerstand R 7 führen, wodurch sich die Sägezahnspannung etwas ändern würde. Um diese Wirkung zu kompensieren, ist eine .τικ don Widerständen R 4 und R 6 bestehende Parallelschaltung gebildet, die gleich dem Wert des Widerstands Rl ist. Auf diese Weise würden somit die Wirkungen jeglicher fließender Vorströme ausgeglichen werden. Da diese Ströme am Eingang in derselben Richtung auftreten würden, wären die dem invertierenden Eingangsanschluß und dem nicht invertierenden Eingangsanschluß des Verstärkers zugeführten resultierenden Spannungen gleich. Die betreffenden Spannungen würden sich daher hinsichtlich ihrer Wirkungen auf das Ausgangssignal aufheben. Neben der Eliminicrung der Auswirkungen von Verschiebe- bzw. Versetzungsströmen wirken die Widerstände /?4 und R 6 ferner als Spannungsteiler, die die K_f/2-Spannung liefern, die, wie oben beschrieben, an den Verbindungspunkt 12 abgegeben wird.

Die Wirkungen von Verschiebe- bzw. Versetzungs-Spannungen und Verschiebe- bzw. Versetzungs-Strömen in dem Verstärker 7 und dem Vergleicher 9 tind zum größten Teil odrr gänzlich aufgehoben, lind zwar auf Grund der Tatsache, daß die betreffenden Wirkungen während der Anstiegs- und Abfaüflanken der Rechteckwelle entgegengesetzt zueinander arbeiten.

Nachdem die Stabilitätsforderungen des spannungsgesteuerten Oszillators nahezu bzw. weitgehend erfüllt sind, sei betrachtet, wie die Frequenz durch Anwendung einer Steuerspannung V₁₁ gesteuert oder geändert wird.

Mit Rücksicht auf die obigen Ausführungen ist zu fcemcrkcn, daß zuvor gezeigt worden ist, daß die Ausgangsspannung des Integrators 7 eine Rechteck-Sägezahnspannung ist, deren Frequenz durch geeignete Wahl der KC-Konstante vorgewählt werden kann. Diese Signalform wird dadurch erzeugt, daß s eine Rechteckwelle oder rechteckige Spannung an einen mit dem negativen Eingangsaiisdiluß des integrierenden Verstärkers 7 verbundenen Widerstand abgegeben wird. Es ist ferner gezeigt worden, daß die Sehwellwertspannung des Vergleichers 9 an dem

ίο Verbindungspunkt 11 eingestellt werden kann, indem der Schallungspunkt 11 entweder geerdet wird oder indem der betreffende Schaltungspunkt mit einer positive Spannung abgebenden Spannungsklemmc verbunden wird, die die Gleichspannung V₁, liefert.

Zur Frequenzsteuerung des spannungsgesteuerten Oszillators ist es lediglich erforderlich, die Zeitspanne der Periode T zu ändern, d. h. der Periode zwischen Zustandsänderungen des Vergleichers 9. Um die Zeitspanne zwischen Zustandsänderungen des Vergleichers 9 zu ändern, kann die Größe der Vergleichcr-Schwellwertspannung geändert werden, und zwar entweder zu höheren oder niedrigeren Werten hin. Diese Schwellwertspannungsänderung würde dazu führen, daß die Ausgangssägezahnspannung des integrierenden Verstärkers 7 den Schwellwert entweder zu einem früheren oder späteren Zeitpunkt durchlaufen würde, da nämlich der wertmäßige Abstand zwischen den beiden Spannungen in Abhängigkeit von der Steuerspannung V₁₁ größer oder geringer ist. Zurückkommend auf die in der Zeichnung dargestellte Schaltung sei bemerkt, daß die Steuerspannung V₁₁ der Steuereingangsklemme 27 zugeführt wird und daß diese Spannung durch den Spannungsteiler 33 geteilt wird. Der Spannungsteiler 33 besteht, wie zuvor beschrieben, aus einem Widerstand RS und dem Widerstand R 2. Diese beiden Widerstände sind an dem Schaltungspunkt 20 miteinander verbunden, wobei der Widerstand RS außerdem mit der Steuereingangsklemme 27 verbunden ist und wobei der Widerstand R 2 außerdem geerdet ist. Demgemäß ruft der Schaltungspunkt 20 eine geringe Spannungsänderang hervor, die eine lineare Funktion der Steuerspannung ist. Es sei deshalb zum Zwecke der Veranschaulichung angenommen, daß der Schalter 6 geschlossen ist, so daß der Verbindungspunkt 11 mit dtm Verbindungspunkt 20 verbunden ist. Durch Andern der Steuerspannung an der Stcuereingangsklcmme 27 kann der Spannungsschwellwertpegel am Schaltungspunkt 11 in positiver oder negativei Richtung geändert werden. Wird, ebenfalls zum Zwecke der Veranschaulichung angenommen, der Verbindungspunkt 11 ein wenig negativer gemacht, so benötigt eine zu negativen Werten hinlaufende Sägezahnspannung des Integrators 7 eine längere Zeitspanne, um diese Sehwellwertspannung zu erreichen und zu durchlaufen. Damit wird die Periode oder das Zustandsändeningsintervall des Vergleichers 9 ein wenig länger, weshalb die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators kleiner wird. Eine Umkehr der Polarität der Steuerspannung V_a würde zu einer Erhöhung der Frequenz des spannungscesteuerten Oszillators führen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Spannungsgesteuerter Oszillator, dadurch gekennzeichnet,

a) daß eine Vergleichereinrichtung (9) vorgesehen ist, die einen intern erzeugten Spannungspegel mit einem Schwellwertspannungspegel vergleicht,

b) daß mit der Vergleichereinrichtung (9) eine Spannungspegel - Änderungseinrichtung (7, CS) verbunden ist, die den Schwellwertpegel periodisch von einem bestimmten Pegel auf einen anderen bestimmten Pegel augenblicklich zu ändern gestattet, und

c) daß mit der Spannungspegel-Änderungseinrichtung (7, C 8) und der Vergleichereinrichtung (9) eine Steuereinrichtung (33) verbunden ist, die die Periode der Schweliwertspannungsänderung zu ändern gestattet.

2. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Spannungspegel-Änderungseinrichtung (7, C 8) und der Vergleichereinrichtung (9) eine Rechteckwellen-Generatoreinrichtung (30, 4) verbunden ist, die eine Rechteckwellenspannung erzeugt.

3. Oszillator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungspegel-Änderungseinrichtung (7, C 8) ein Integrator ist, der die Rechteckwellenspannung integriert und an seinem Ausgang eine D-"^;eckwellen-Spannung abgibt.

4. Oszillator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleicher (9) ein Operationsverstärker mit einem invertierenden und einem nicht invertierenden Eingangsanschluß und einem Ausgangsanschluß ist und daß die Rechteckwellen-Spannung dem nicht invertierenden Eingangsanschluß des Vergleichers (9) zugeführt ist.

5. Oszillator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungspegel-Änderungseinrichtung durch elektronische Schalter gebildet ist, die auf die Dreieckwellen-Spannung und die Schwelhverlspannung hin den Schwellwertspannungspegel von einem bestimmten Pegelwert auf einen anderen bestimmten Pegelwert umzuschalten gestatten.

6. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (33) eine Spannungseinstelleinrichtung (RS, Rl) enthält, tfie in Abhängigkeit von einer Eingangssteueripannung den bestimmten Schwellwertspanliungspegel einzustellen gestattet.

7. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Vergleichereinrichtung (9) und der Spannungspegel-Änderungseinrichtung (7, C 8) Einrichtungen (31, 32) verbunden sind, die an die Vcrgleichereinrichtung (9) und an die Spannungspegel-Änderungseinrichtung (7, C8) ein scheinbares Erdpotential anzulegen gestatten.

8. Oszillator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Vergleichereinrichtung (9) und der Spannungspegel-Änderungseinrichtung (7, C8) eine Speisespannungseinrichtung (30) verbunden ist, die eine im wesentlichen konstante Gleichspannung erzeugt, und daß di< scheinbar Erdpotential liefernden Einrichtunger (31, 32) Spannungsteiler umfassen, welche dii genannte Gleichspannung auf die Hälfte ihre: Wertes teilen.

9. Spannungsgesteuerter Oszillator, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurcl gekennzeichnet,

a) daß eine Vergleichereinrichtung (9) vorge sehen ist, die einen Integrator-Ausgangsspannungspegel mit einem Eingangsschwell, wertspannungspegel zu vergleichen gestattet

b) daß eine Rechteckwellen-Spannungsgeneratoreinrichtung (30, 4) mit der Vergleichereinrichtung (9) verbunden ist und eine Rechteckwellen-Spannung erzeugt,

c) daß mit der Vergleichereinrichtung (9) und der Rechteckwellen - Generatoreinrichtung (30, 4) eine Integratoreinrichtung (7, C8) verbunden ist, die durch die Rechteckwellen-Generatoreinnchtung (30, 4) gesteuert die Rechteckwellen-Spannung integriert und eine Dreieck-Sägezahnspannung mit einer bestimmten Steigung abgibt,

d) daß Steigungs-Änderungssinrichtungen (33) vorgesehen sind, die die Steigung der Sägezahnspannung von positiven zu negativen Werten und umgekehrt zu ändern gestatten und die mit der Vergleichereinrichtung (9), der Integratoreinrichtung (7, C8) und der Rechteckwellen-Generatoreinrichlung (30, 4) verbunden sind,

e) daß Spannungsänderungseinrichtungen (9, 15) vorgesehen sind, die in Abhängigkeit von der Rechteckspannung und dem Sch wellwertspannungspegel im wesentlichen gleichzeitig den Schwellwertspannungspegel von einem bestimmten Pegelwert auf einen anderen bestimmten Pegelwert zu ändern gestatten und die mit der Vergleichereinrichtung (9), der Integratoreinrichtung (7, C8), der Rechteckwellen -Generatoreinrichtung (30, 4) und der Steigungs-Änderungseinrichtung (33) verbunden sind,

f) daß Einrichtungen vorgesehen sind, die der Vergleichereinrichtung (9) und der Inlegratoreinrichtung (7, C8) ein scheinbares Erdpotential liefern, und

g) daß Spannungseinstelleinrichtungen (33) vorgesehen sind, die auf eine Eingangssteuerspannung hin den bestimmten Schwellwertspannungspegel einzustellen gestatten und die mit der Vergleichereinrichtung (9) verbunden sind.

10. Verfahren zur elektrischen Änderung der Frequenz eines elektronischen Oszillators, insbesondere gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß elektrische Schwingungen einer bestimmten Frequenz dadurch erzeugt werden,

a) daß ein SchwciiwcrlspannungspeL'.cl geschaffen wird und

b) daß der Schwellwertspannungspegel von einem bestimmten Spannungspegel auf einen anderen bestimmten Spannungspegel im wesentlichen auccnblicklich umgeschaltet wird

und daß die Periode des Umschaltern des Schwellwertspannungspegels beim Übergang von einem bestimmten Pegel auf einen anderen bestimmten Pegel dadurch elektronisch geändert wird, d;iß die Größe der bestimmten Schwel'ivertpegel elektronisch verändert wird.