DD146728A5 - VIENNA ROBINSON OSCILLATOR HIGH FREQUENCY STABILITY - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Wien-Robinson-Oszillator hoher Frequenzstabilitaet, der einen Operationsverstaerker mit einer Phasendrehung von 90 Grad enthaelt, wobei der Operationsverstaerker mit einer frequenzabhaengigen positiven und einer amplitudenabhaengigen negativen Rueckkopplung versehen ist. Der frequenzabhaengige Rueckkopplungszweig enthaelt einen aus einem Reihen-RC-Glied und einem Parallele-RC-Glied bestehenden Spannungsteiler, dessen Teilungspunkt an den nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstaerkers angeschlossen ist. Der amplitudenabhaengige Rueckkopplungszweig enthaelt ebenfalls einen Spannungsteiler, dessen Teilpunkt mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstaerkngeschlossen ist. Der amplitudenabhaengige Rueckkopplungszweig enthaelt ebenfalls einen Spannungsteiler, dessen Teilungspunkt mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstaerkers verbunden ist.Das eine Glied des den amplitudenabhaengigen Rueckkopplungszweig bildenden Spannungsteilers besteht aus zwei mit einem Widerstand in Reihe u.entgegengesetzt gepolten,parallel geschalteten Dioden und einem parallel geschalteten Widerstand. Das andere Glied dieses Spannungsteilers besteht aus einem Widerstand, einem hierzu in ReihThe invention relates to a Wien-Robinson oscillator high Frequenzstabilitaet containing an Operationsverstaerker with a phase rotation of 90 degrees, the Operationsverstaerker is provided with a frequency-dependent positive and an amplitude negative feedback. The frequency-dependent feedback branch includes a voltage divider consisting of a series RC element and a parallel RC element whose division point is connected to the non-inverting input of the operational amplifier. The amplitude-dependent feedback branch also contains a voltage divider whose partial point is connected to the inverting input of the operational amplifier. The amplitude-dependent feedback branch also contains a voltage divider whose division point is connected to the inverting input of the operational amplifier. The one element of the amplitude-dependent feedback branch voltage divider consists of two oppositely polarized parallel-connected diodes with a resistor in series and a resistor connected in parallel. The other element of this voltage divider consists of a resistor, one in series
Description
163*2 -"-163 * 2 - "-
Wien-Robinson-Oszillator hoher PrequenzstabilitätWien-Robinson-Oscillator high frequency stability
Anwendungsgebiet der Erfindung;: Field of application of the invention:
Die Erfindung betrifft einen RC-Oszillator mit YJien-Robinson-Brücke, der einen Operationsverstärker enthält.The invention relates to a RC oscillator with YJien-Robinson bridge, which contains an operational amplifier.
Pur zahlreiche Anwendungsgebiete werden Tonfrequenzoszillatoren relativ hoher Frequenzstabilität (10"*^") benötigt, wechalb hierfür im allgemeinen Quarzoszillatoren verwendet werden. Der Einsatz von Tonfrequenz-Quarzoszillatoren ist jedoch mit zahlreichen Nachteilen behaftet» Zum einen kann mit Hilfe eines bestimmten Oszillators nicht jede beliebige Frequenz erzeugt v/erden, weil die Frequenzen der handelsüblichen Quarzkristalle berücksichtigt werden müssen» zum anderen sind die Herstellung" und die Anwendung von Tonfrequenz-Quarzkristallen wegen ihrer großen AbmessungenPurely numerous fields of application require audio frequency oscillators of relatively high frequency stability (10-.mu.m), which are generally used for this purpose in quartz oscillators. However, the use of audio frequency quartz oscillators has numerous disadvantages. Firstly, it is not possible to generate any frequency with the help of a particular oscillator, because the frequencies of commercially available quartz crystals have to be taken into account Audio frequency quartz crystals because of their large dimensions
mm 2? ·" mm 2? · "
1.63621.6362
nachteilig. Demzufolge werden Tonfrequenz-Quarzoszillatoren ersetzt, indem die benötigte Tonfrequenz aus der Frequenz eines Hochfrequenz-Quarzoszillators durch Frequenzteilung erzeugt wird. Eine andere Möglichkeit besteht im Einsatz von RG-Oszillatoren. Die Frequenz- und Amplitudenstabilität der bekannten RO-Oszillatoren ist jedoch bei Änderungen der Temperatur, der Speisespannung und der Belastung um mehrere Größenordnungen niedriger als die der Quarzoszillatoren.disadvantageous. As a result, tone frequency crystal oscillators are replaced by generating the required tone frequency from the frequency of a high frequency crystal oscillator by frequency division. Another possibility is the use of RG oscillators. However, the frequency and amplitude stability of the known RO oscillators is several orders of magnitude lower than that of the quartz oscillators with changes in temperature, supply voltage and load.
Bei einem RC-Oszillator mit Wienschera-Brückenzweig wird . die Stabilität gemäß HU-PS Hr. 162 974 dadurch gesteigert, daß mehrere Operationsverstärker in den positiven Rückkopplungszweig eingefügt werden. Diese Lösung ist jedoch sehr kompliziert und kostenspielig, wobei trotzdem nur eine Frequenzstabilität von 10"*·* erreicht werden kann.In an RC oscillator with Wienschera bridge branch is. the stability according to HU-PS Hr. 162 974 increased by inserting a plurality of operational amplifiers into the positive feedback branch. However, this solution is very complicated and costly, while still only a frequency stability of 10 "* · * can be achieved.
Bei den bekannten Wien-Robinson-Oszillatoren mit Operationsverstärker sind ein positiver und ein negativer Rückkopplungszweig an den Operationsverstärker angeschlossen, wobei der positive Rückkopplungszweig eine selektive RC-Schaltung und der negative Rückkopplungszweig eine pegelabhängige Schaltung enthält. Bei den bekannten Lösungen erfolgt die Begrenzung in der pegelabhängigen Schaltung durch Dioden oder einen ,Thermistor. Eine negative Rückkopplungsschaltung mit einem Thermistor ist in der DE-PS Ur. 1 196 722 beschrieben. Durch diese Lösung wird aber nur die Amplitude in einem relativ engen Bereich stabilisiert, während das Problem der Frequenzstabilisierung ungelöst bleibt.In the known Wien-Robinson oscillators with operational amplifier, a positive and a negative feedback branch are connected to the operational amplifier, wherein the positive feedback branch includes a selective RC circuit and the negative feedback branch comprises a level-dependent circuit. In the known solutions, the limitation in the level-dependent circuit by diodes or a, thermistor. A negative feedback circuit with a thermistor is described in DE-PS Ur. 1 196 722 described. However, this solution only stabilizes the amplitude in a relatively narrow range, while the problem of frequency stabilization remains unsolved.
Grundsätzlich ist keine der bekannten Lösungen geeignet, sowohl die Frequenz als auch die Amplitude in einem breiten Temperaturbereich zu stabilisieren.In principle, none of the known solutions is suitable for stabilizing both the frequency and the amplitude over a wide temperature range.
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Mit der Erfindung soll eine billige R0-Oszillator-Schaltung mit einfachem Aufbau geschaffen werden, die in einem breiten Temperaturbereich eine hohe Frequenz- und Amplitudenstabilität aufweist,With the invention, a cheap R0 oscillator circuit with a simple structure is to be created, which has a high frequency and amplitude stability in a wide temperature range,
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß eine hohe Frequenz- und Amplitudenstabilität dadurch erreicht v/erden kann, daß ein Operationsverstärker verwendet wird, der bei der Schwingungsfrequenz eine Phasendrehung von 90° aufweist, wobei die frequenzunabhängige Rückkopplung durch einen Spannungsteiler realisiert wird, der Begrenzardioden, einen Thermistor sowie mit ihnen in Reihe bzw· parallel geschaltete Widerstände enthält. Durch den Thermistor wird die Teniperaturabhängigkext der Kennlinie der Begrenzerdioden kompensiert, während diese Temperaturkompensation mit Hilfe der in Reihen- bzw. Parallel-Widerstände derart eingestellt wird, daß bei Temperaturänderungen eine geringe Pegeländerung zur Stabilisierung der Frequenz erfolgt· Der RC-Wert des frequenzabhängigen selektiven positiven Rückkopplungszweiges und das Teilungsverhältnis dee frequenzunabhängigen Zweiges werden hierbei so gewählt, daß von der Grundverstärkung des Operationsverstärkers ausgegangen wird, und die Frequenz des ersten Bruchpunktes und die Temperaturabhängigkeit derart eingestellt werden, daß sich die Oszillationsfrequenz in dem gegebenen Temperaturbereich nicht ändert.The present invention is based on the recognition that a high frequency and amplitude stability can be achieved by using an operational amplifier having a phase rotation of 90 ° at the oscillation frequency, wherein the frequency-independent feedback is realized by a voltage divider which Boundary diodes, a thermistor and with them in series or · parallel-connected resistors. By the thermistor the Teniperaturabhängigkext the characteristic of the Begrenzerdioden is compensated, while this temperature compensation by means of the in series or parallel resistors is set such that when changes in temperature a small level change to stabilize the frequency occurs · The RC value of the frequency-dependent selective positive The feedback branch and the dividing ratio of the frequency-independent branch are chosen to be based on the fundamental gain of the operational amplifier, and the frequency of the first breakpoint and the temperature dependence are set such that the oscillation frequency does not change in the given temperature range.
Die Erfindung betrifft im einzelnen einen Wien-Robinson-Oszillator hoher Frequenzstabilität, der einen Operationsverstärker mit einer Phasendrehung von 90° enthält, wobei der Operationsverstärker mit einer frequenzabhängigen positiven, und einer amplitudenabhängigen negativen Rück-More particularly, the invention relates to a Wien-Robinson oscillator of high frequency stability, which includes an operational amplifier with a phase rotation of 90 °, the operational amplifier having a frequency-dependent positive, and an amplitude-dependent negative feedback.
kopplung versehen ist. Der frequenzabhängige Rückkopplungszweig enthält einen aus einem Reihen-RG-Glied und einem Parallel-RC-Glied bestehenden Spannungsteiler, dessen Teilungspunkt an den nicht-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 aus dem Widerstand und der Kapazität der sich in dem frequenzabhängigen Rückkopplungszweig befindenden RG-Gliederis provided coupling. The frequency-dependent feedback branch comprises a voltage divider consisting of a series RG element and a parallel RC element whose division point is connected to the non-inverting input of the operational amplifier. The amplitude-dependent feedback branch also contains a voltage divider whose division point coincides with the inverting input of the operational amplifier The essence of the invention is that the product of the resistance and the capacitance of the RG-elements located in the frequency-dependent feedback branch
RCRC
u ffr - 3*9'fr Y ι A - f ' u ff r - 3 * 9 ' for Y ι A - f'
Ao- A o-
ist, wobeiis, where
R der Wert des Y/iderStandes, C der Wert des Kondensators, F die herzustellende Frequenz,R is the value of the stator, C is the value of the capacitor, F is the frequency to be produced,
A0 die Grundverstärkung des Operationsverstärkers und f0 der erste Bruchpunkt der Kennlinie (Bode-Diagramm) des Operationsverstärkers .A 0 is the basic gain of the operational amplifier and f 0 is the first breakpoint of the characteristic (Bode diagram) of the operational amplifier.
bezeichnet.designated.
Das eine Glied des den amplitudenabhängigen Rückkopplungszweig bildenden Spannungsteilers besteht aus zwei mit einem Widerstand in Reihe und entgegengesetzt gepolten parallel geschalteten Dioden und einem den Dioden parallel geschalteten Widerstand. Das andere Glied dieses Spannungsteilers besteht aus einem Widerstand, einem mit diesem Wider-The one part of the amplitude-dependent feedback branch forming voltage divider consists of two with a resistor in series and oppositely poled parallel-connected diodes and a diode connected in parallel resistor. The other term of this voltage divider consists of a resistor, one with this resistance.
T3.tand in Reihe geschalteten Thermistor und vorzugsweise einem mit dem Thermistor in Reihe geschalteten Widerstand und einen zu dieser Reihenschaltung parallel geschal teten Widerstand. Das Teilungsverhältnis des den amplidudenabhängigen Rückkopplungszweig bildenden Spannungsteilers ist folgendes:T3.tand thermistor connected in series and preferably a resistor connected in series with the thermistor and a parallel geschal to this series connection ended resistor. The dividing ratio of the voltage divider constituting the amplitude-dependent feedback path is as follows:
VfoV f o
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Oszillators ist der Ausgang des Oszillators über eine Abtrennstufe, die zv?eckmäßigerweise ein Verstärker ist,· mit der Belastung verbunden.In an advantageous embodiment of the oscillator according to the invention, the output of the oscillator is connected to the load via a separating stage, which is zeta-foldwise an amplifier.
Ausführun^abeiapiel·: Execution aapiel ·:
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der da3 Schaltbild einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Oszillators dargestellt ist.To further explain the invention, reference is made to the drawing, in which da3 circuit diagram of an advantageous embodiment of the oscillator according to the invention is shown.
Wie aus der Zeichnung ersichtlich, ist der Ausgang U, . des Operationsverstärkers E auf beide Eingänge zurückgekoppelt, und zwar positiv mit Hilfe einer aus Widerständen R und Kondensatoren C bestehenden frequenzabhängigen selektiven Schaltung, und negativ mit Hilfe einer Dioden D^, D2 Widerstände R1, R2, R*, R^, R1-, Thermistor I enthaltenden Schaltung. Die selektive Rückkopplungsschaltung besteht aus einem Reihen-RO-Glied und einem Parallel-RC-Glied, die zusammen einen Spannungsteiler bilden. Der Teilungspunkt des Spannungsteilers ist mit dem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers E verbunden. Der selektive Rückkopplungszweig des Oszillators kann nach folgender Gleichung bemessen v/erden:As can be seen from the drawing, the output U ,. of the operational amplifier E fed back to both inputs, and positive by means of a consisting of resistors R and capacitors C frequency-selective circuit, and negative by means of a diode D ^, D 2 resistors R 1 , R 2 , R *, R ^, R 1 -, Thermistor I containing circuit. The selective feedback circuit consists of a series RO element and a parallel RC element, which together form a voltage divider. The division point of the voltage divider is connected to the non-inverting input of the operational amplifier E. The selective feedback branch of the oscillator can be rated according to the following equation:
215362215362
RO «RO «
Af AO * 1OAf A O * 1 O
R der Wert des sich in der Rückkopplungsschaltung befindenden Widerstandes,R is the value of the resistance in the feedback circuit,
C der Kapazitätswert des sich in der Rückkopplungsschaltung befindenden Kondensators,C is the capacitance value of the capacitor in the feedback circuit,
JL1 die zu erzeugende Frequenz,JL 1 is the frequency to be generated,
AQ die Grundveratärkung des Operationsverstärkers,A Q is the basic amplification of the operational amplifier,
fQ ' der erste Bruchpunkt der Kennlinie (Bode-Diagramm) des Operationsverstärkers f Q 'is the first breaking point of the characteristic curve (Bode diagram) of the operational amplifier
Beim Operationsverstärker E kann die Grundverstärkung A0 bzw. die Frequenz fo des ersten Bruchpunktes sehr leicht eingestellt werden. Die Art der Einstellung hängt vom Typ der verwendeten Operationsverstärkers ab. Es ist aber zu beachten, daß die Grundverstärkung A0 bei einer Frequenz f eingestellt werden muß, die um Größenordnungen kleiner als die Frequenz fQ des ersten Bruchpunktes ist. Ferner ist es wichtig, die zu erzeugende Frequenz f so zu wählen, daß sie um Größenordnungen höher als die Frequenz fQ des ersten Bruchpunktes ist, und daß die Frequenz eines eventuellen zweiten Bruchpunktes des Verstärkers um Grössenordnungen höher sein muß als die zu erzeugende Frequenz fr· Der Operationsverstärker E ist mit Hilfe eines amplitudenabhängigen Rückkopplungszweiges auch auf den invertierenden Eingang rückgekoppelt. Der Rückkopplungszweig besteht aus den in Reihe liegenden Widerständen R1, R2 und den dem Widerstand R2 parallel liegenden antiparallel geschalteten Dioden D-^, D2, die das eine Glied eines Span-In the case of the operational amplifier E, the basic gain A 0 or the frequency f o of the first breakpoint can be set very easily. The type of adjustment depends on the type of operational amplifier used. However, it is to be noted that the basic gain A 0 must be set at a frequency f, the Q is the first break point is orders of magnitude smaller than the frequency f. Furthermore, it is important to choose the frequency f to be generated so that it is orders of magnitude higher than the frequency f Q of the first break point, and that the frequency of a possible second break point of the amplifier must be orders of magnitude higher than the frequency f to be generated r · the operational amplifier e is fed by means of an amplitude-dependent feedback path also to the inverting input. The feedback branch comprises the series resistors R 1, R 2 and the resistor R 2 in parallel antiparallel connected diodes D ^, D 2, the one limb of a chipboard
nungsteilers bilden. Der Teilungspunkt des Spannungsteilers ist mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers S verbunden. Das andere Glied dieses Spannungsteilers besteht aus den Widerständen R,-, Ra und den zum Widerstand R* parallel liegenden Thermistor T, sowie dem mit dem Thermistor T in Reihe geschalteten Y/iderstand R3. Die Spannungsteiler haben einen gemeinsamen Erdungspunkt. Bei geeigneter Bemessung verhält sich der frequenzabhängige Rückkopplungszweig wie ein temperatur- und amplitude nabhängiger Spannungsteiler, Der frequenzunabhängige Rückkopplungszweig kann aufgrund der folgenden Formel bemessen werden.forming a divider. The division point of the voltage divider is connected to the inverting input of the operational amplifier S. The other member of this voltage divider consists of the resistors R, -, Ra and the resistor R * parallel to the thermistor T, and connected to the thermistor T in series Y / iderstand R 3rd The voltage dividers have a common grounding point. With suitable dimensioning, the frequency-dependent feedback branch behaves like a temperature- and amplitude-independent voltage divider. The frequency-independent feedback branch can be dimensioned on the basis of the following formula.
Ao * f ο A o * f o
der Widerstand des Thermistors bei der Mitteltemperatur des zu kompensierenden Temperaturbereichesithe resistance of the thermistor at the mean temperature of the temperature range i to be compensated
R2, R3, R4, Rc die Werte der sich in dem Rückkopplungszweig befindenden Widerstände undR2, R3, R4, Rc, the values of that are available in the feedback branch resistors and
das Teilungsverhältnis des frequenzunabhängigen Rück kopplungszweigesthe division ratio of the frequency-independent feedback branch
Die Amplitude des Ausgangssignals des Oszillators kann durch Änderung des Verhältnisses R-,, R2 eingestellt werden. Der erfindungsgeiuäße Oszillator ist gegen Schwankungen der Speisespannung nur in geringem Umfang empfindlich, und wenn gewährleistet wird, daß der Speisespannungsbereich währendThe amplitude of the output signal of the oscillator can be adjusted by changing the ratio R- ,, R2. The oscillator according to the invention is only slightly sensitive to variations in the supply voltage, and if it is ensured that the supply voltage range during
des Betriebes des Yerstärkers stets ausreichend groß ist, so daß die Amplitude des oszillierenden Signals durch den Verstärker nicht begrenzt wird, sind die Frequenz und die Amplitude des Oszillators von der Speisespannung praktisch unabhängig.the operation of the Yerstärkers is always sufficiently large, so that the amplitude of the oscillating signal is not limited by the amplifier, the frequency and the amplitude of the oscillator of the supply voltage are practically independent.
Wenn eine größere Frequenzstabilität (10**-*) benötigt wird, muß eine gleiche gemeinsame Temperatur für alle Bauelemente des Oszillators (Widerstände, Kondensatoren, Operationsverstärker) gewährleistet werden. Das kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, daß für die gesamte Schaltung eine wärmeisolierende Umhüllung vorgesehen und der Raum innerhalb der Umhüllung mit einem Material relativ guter Y/ärmeleitfähigkeit ausgegossen wird. Es ist natürlich auc.h zum Beispiel möglich, sämtliche Bauelemente in einen gemeinsamen Aluminiumblock einzubauren und mit einer wärmeisolierenden Umhüllung zu versehen.If a greater frequency stability (10 ** - *) is required, a same common temperature for all components of the oscillator (resistors, capacitors, operational amplifiers) must be ensured. This can be achieved, for example, by providing a heat-insulating enclosure for the entire circuit and pouring out the space within the enclosure with a material of relatively good y / c conductivity. It is of course auc.h possible, for example, to incorporate all components in a common aluminum block and provided with a heat-insulating sheath.
Wie bereits einleitend erwähnt, sind die Oszillatoren auch gegen Änderungen der Belastungsimpedanz empfindlich. Ein Oszillator kann gegen Schwankungen der Belastungsimpedanz in bekannter Weise geschützt werden, indem zwischen die Belastung und den Oszillator eine Abtrennstufe, zum Beispiel ein Folgeverstärker, eingeschaltet wird. Wenn eine Rechteckwelle benötigt wird, läßt sich die Funktion der Abtrennstufe durch einen Komparator erfüllen.As already mentioned in the introduction, the oscillators are also sensitive to changes in the load impedance. An oscillator can be protected against variations in the load impedance in a known manner by switching a disconnect stage, for example a follower amplifier, between the load and the oscillator. If a square wave is required, the function of the separation stage can be fulfilled by a comparator.
Es ist ersichtlich, daß mit Hilfe der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit relativ einfachen Mitteln ein RC-Oszillator aufbauen läßt, der eine Frequenzstabilität von 10"*^, sowie eine hohe Amplitudenstabilität und Genauigkeit innerhalb eines sehr breiten Temperaturbereiches, auch über lange Zeiträume aufweist.It can be seen that with the help of the circuit arrangement according to the invention with relatively simple means can build an RC oscillator, which has a frequency stability of 10 "* ^, as well as a high amplitude stability and accuracy within a very wide temperature range, even over long periods.
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Claims (1)
C der Wert des Kondensators,
fr die zu erzeugende Frequenz,R is the value of the resistance,
C is the value of the capacitor,
f r is the frequency to be generated,
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