DE19723307A1

DE19723307A1 - Verfahren zur Erzeugung eines Oszillatorsignals

Info

Publication number: DE19723307A1
Application number: DE1997123307
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Rauter
Original assignee: Temic Telefunken Microelectronic GmbH
Current assignee: Microchip Technology Munich GmbH
Priority date: 1997-06-04
Filing date: 1997-06-04
Publication date: 1998-12-10
Anticipated expiration: 2017-06-05
Also published as: DE19723307B4

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Oszillatorsignals.

Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der Literaturstelle Tietze/ Schenk: "Halbleiter-Schaltungstechnik", Springer-Verlag, 1987, S. 419-420 be kannt. Bei dem dort beschriebenen Verfahren wird ein Ausgangssignal eines Verstärkers über ein Rückkopplungsnetzwerk zum Eingang des Verstärkers rückgekoppelt. Der Verstärker hebt dabei die durch das Rückkopplungsnetz werk bewirkte Signaldämpfung auf, so daß das Ausgangssignal, d. h. das Os zillatorsignal, ungedämpft schwingt.

Der wesentliche Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß dem Oszilla torsignal aufgrund des Halbleiterrauschens des Verstärkers Rauschsignalan teile überlagert werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erzeu gung eines Oszillatorsignals mit geringen Rauschsignalanteilen anzugeben.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentan spruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen erge ben sich aus den Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß werden mindestens zwei Kondensatoren - diese können aus jeweils einem oder mehreren Teilkondensatoren bestehen -, in unter schiedlichen Zeitintervallen aufgeladen und nach dem Aufladen für jeweils eine bestimmte Zeit, einem Lastelement zugeschaltet, d. h. mit diesem elek trisch verbunden. Das Lastelement bildet dabei zusammen mit dem jeweils zugeschalteten Kondensator einen zum Schwingen angeregten Schwing kreis, der das Oszillatorsignal erzeugt. Letzteres wird durch die Wahl von Schaltzeitpunkten, zu denen die Kondensatoren jeweils dem Lastelement zugeschaltet und von diesem getrennt werden, vorgegeben. Die Schaltzeit punkte werden dabei vorzugsweise derart gewählt, daß jederzeit minde stens einer der Kondensatoren dem Lastelement zugeschaltet ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren vereinigt folgende Vorteile in sich:

- Es läßt sich mit geringem Schaltungs- und Kostenaufwand durchfüh ren.
- Die Kondensatoren lassen sich dem Lastelement über Schaltelemente zuschalten, die in den Zeitintervallen, in den die Kondensatoren dem Lastelement zugeschaltet sind, niederohmig sind und daher lediglich vernachlässigbare Rauschsignalanteile liefern.
- Die Schaltzeitpunkte lassen sich regeln, indem sie nach Maßgabe des Oszillatorsignals, beispielsweise in Abhängigkeit des Signalpegels oder der zeitlichen Änderung des Oszillatorsignals, gewählt werden.
- Das Oszillatorsignal läßt sich durch Variation der Spannungswerte, auf die die Kondensatoren aufgeladen werden, auf einfache Weise und mit geringer Modulationsenergie in seiner Amplitude modulieren und weist selbst bei sprunghafter Amplitudenänderung geringes Überschwingen auf.
- Die Frequenz des Oszillatorsignals läßt sich auf einfache Weise durch Wahl der Schaltzeitpunkte und/oder, falls mehr als zwei Kondensato ren vorgesehen sind, durch Auswahl der aufzuladenden und dem Lastelement zuzuschaltenden Kondensatoren steuern. Das Verfahren kann somit zur Erzeugung von FSK-Signalen (phase shift keying) ein gesetzt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 das Prinzipschaltbild einer Oszillatoranordnung zur Durchfüh rung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 Zeitdiagramme für verschiedene Signale der Oszillatoranord nung aus Fig. 1,

Fig. 3 verschiedene Zeitdiagramme für das Oszillatorsignal der Oszil latoranordnung aus Fig. 1,

Fig. 4 eine erste erweiterte Schaltungsvariante der Oszillatoranord nung aus Fig. 1,

Fig. 5 eine zweite erweiterte Schaltungsvariante der Oszillatoranord nung aus Fig. 1,

Fig. 6 ein Zeitdiagramm des mit der Oszillatoranordnung aus Fig. 5 erzeugten Oszillatorsignals.

Gemäß Fig. 1 weist die Oszillatoranordnung ein als Spule L₁ ausgebildetes Lastelement, zwei Kondensatoren C₁, C₂, zwei Schaltelemente SW₁, SW₂ mit jeweils zwei Schalterstellungen L, O sowie eine Steuereinheit SE zur Steue rung der Schaltelemente SW₁, SW₂ auf. Die Kondensatoren C₁, C₂ sind über je eines der Schaltelemente SW₁, SW₂ mit der Spule L₁, an der das Oszillatorsi gnal U_OSC als Ausgangsspannung ansteht, verbunden. Die Spule L₁ und die Kondensatoren C₁, C₂ sind dabei mit jeweils einem Anschluß an einen Be zugspotentialanschluß M, beispielsweise an einen Masseanschluß, ange schlossen. Über die Schaltelemente SW₁, SW₂ sind die Kondensatoren C₁ bzw. C₂ des weiteren mit je einem Ladeeingang E₁ bzw. E₂ verbunden, denen die Ladespannungen U₁ bzw. U₂ zugeführt werden.

Die Oszillatoranordnung arbeitet nach einem zweistufigen Verfahren. Dabei werden die Schaltelemente SW₁, SW₂ in einem Verfahrensschritt in die in Fig. 1 gezeigten Schalterstellungen gebracht und in einem darauffolgenden Verfahrensschritt umgeschaltet. Das heißt, der Kondensator C₁ ist in dem ei nen Verfahrensschritt in Ladestellung L mit dem Ladeeingang E₁ und im dar auffolgenden Verfahrensschritt in Oszillatorstellung O mit der Spule L₁ elek trisch verbunden. Entsprechen ist der Kondensator C₂ in dem einen Verfah rensschritt in Oszillatorstellung O mit der Spule L₁ und im darauffolgenden Verfahrensschritt in Ladestellung L mit dem Ladeeingang E₂ elektrisch ver bunden. Diese Verfahrensschritte werden abwechselnd wiederholt, so daß jeweils einer der Kondensatoren C₂, C₁ mit der Spule L₁ und der andere Kon densator mit dem entsprechenden Ladeeingang E₁ bzw. E₂ elektrisch ver bunden ist, d. h. die Schaltelemente SW₁, SW₂ werden im Gegentakt ange steuert.

Fig. 2 verdeutlicht diese Verfahrensschritte anhand der Zeitdiagramme für die Schalterstellungen der Schaltelemente SW₁, SW₂, der Zeitdiagramme für die an den Kondensatoren C₁, C₂ anstehenden Spannungen U_C1 bzw. U_C2 und des Zeitdiagrammes für das Oszillatorsignal U_OSC.

In dem zum Schaltzeitpunkt t₀ beginnenden einen Verfahrensschritt wird der erste Kondensator C₁ auf die ersten Ladespannung U₁ aufgeladen. Der zweite Kondensator C₂, der bereits im vorangehenden Verfahrensschritt auf die zweite Ladespannung U₂ aufgeladen wurde, bildet zusammen mit der Spule L₁ einen Parallel-Schwingkreis, der durch die im zweiten Kondensator C₂ gespeicherten Ladungen zum Schwingen mit seiner durch die Spule L₁ und den zweiten Kondensator C₂ vorgegebenen Resonanzfrequenz ange regt wird.

Der darauffolgende Verfahrensschritt beginnt zum Schaltzeitpunkt t₁. Zu diesem Zeitpunkt werden die Schaltelemente SW₁, SW₂ umgeschaltet, so daß nun der aus dem ersten Kondensator C₁ und der Spule L₁ gebildete Parallel- Schwingkreis zum Schwingen mit seiner nunmehr von der Spule L₁ und dem ersten Kondensator C₁ vorgegebenen Resonanzfrequenz angeregt wird und der zweite Kondensator C₂ auf die Ladespannung U₂ aufgeladen wird.

Ab dem Schaltzeitpunkt t₂, zu dem die Schaltelemente SW₁, SW₂ wiederum umgeschaltet werden, werden die beiden Verfahrensschritte abwechselnd wiederholt. Das Oszillatorsignal U_OSC setzt sich daher aus sinusförmigen Teilsi gnalen zusammen, die aufgrund von parasitären Widerständen - beispiels weise aufgrund der Widerstände der Schaltelemente SW₁, SW₂ und des Lei tungswiderstandes der Spule L₁ - gedämpft sind. Als Folge dieser Dämpfung weist das Oszillatorsignal U_OSC zu den Schaltzeitpunkten t₀ . . . t₃ Signalsprünge auf, die in Fig. 2 zur besseren Darstellung übertreiben eingezeichnet sind.

Diese Signalsprünge lassen sich, da sie sehr steil sind und somit lediglich bei hohen Frequenzen Oberwellenanteile liefern, im Bedarfsfall mit einfachen Schaltungsmitteln ausfiltern.

Die Ladespannungen U₁, U₂ müssen lediglich in jeweils einem der Verfahrens schritte, d. h. abwechselnd, bereitgestellt werden. Sie lassen sich daher mit einer gemeinsamen Spannungsquelle erzeugen, deren Spannung im Falle ungleicher Ladespannungen U₁, U₂ abwechselnd zwischen den Werten der jeweils benötigten Ladespannung U₁ bzw. U₂ umgeschaltet wird.

Die Amplitude des Oszillatorsignals U_OSC wird durch die Ladespannungen U₁, U₂ festgelegt. Sie ist bei konstanten Ladespannungen U₁, U₂ ebenfalls kon stant und wird mit zeitlich veränderlichen Ladespannungen U₁, U₂ nach Maß gabe der Ladespannungen U₁, U₂ moduliert.

Die Schaltzeitpunkte t₀ . . . t₃, zu denen die Schaltelemente SW₁, SW₂ umge schaltet werden, werden durch die Steuereinheit SE vorgegeben. Diese kann bei Bedarf, wie in Fig. 1 durch die Steuerleitung SL angedeutet, das Oszilla torsignal U_OSC auswerten und die Schaltzeitpunkte t₀ . . . t₃ nach Maßgabe des Oszillatorsignals U_OSC regeln. Insbesondere bei einer Gradientenauswertung des Oszillatorsignals U_OSC besteht dann die Möglichkeit, die Schaltelemente SW₁, SW₂ jeweils im Stromnulldurchgang des durch die Spule L₁ fließenden Oszillatorstromes I_OSC umzuschalten.

Im vorliegenden Beispiel sind die Kondensatoren C₁, C₂ gleich groß und die Schaltelemente SW₁, SW₂ werden nach jeweils einer vollen Schwingung des Oszillatorsignals U_OSC, d. h. nach einer ganzen Resonanzperiode T, umgeschal tet.

In bestimmten Anwendungsfällen kann es jedoch sinnvoll sein, Kondensato ren C₁, C₂ mit unterschiedlicher Kapazität zu verwenden. Die Resonanzfre quenz des Schwingkreises variiert dann von Verfahrensschritt zu Verfahrens schritt. Des weiteren kann es sinnvoll sein, die Schaltelemente SW₁, SW₂ nach weniger als einer Schwingung oder nach mehren Schwingungen des Oszilla torsignals U_OSC umzuschalten.

Mit betragsmäßig gleichen, jedoch zueinander entgegengesetzt gepolten Ladespannungen U₁, U₂ erhält man, falls die Schaltelemente SW₁, SW₂ nach jeweils einer halben Resonanzperiode T/2 umgeschaltet werden, für das Os zillatorsignal U_OSC den in Fig. 3a gezeigten Signalverlauf, d. h. fallende und steigende gedämpfte sinusförmige Teilsignale, die abwechselnd aneinan dergereiht sind. Gemäß Fig. 3b erhält man hingegen mit gleichen Lade spannungen U₁, U₂ zu den Schaltzeitpunkten t₀. . . t₆ jeweils einen 180°-Pha sensprung, d. h. ein PSK-Signal (phase shift keying), dessen Frequenz doppelt so hoch ist wie jene des Oszillatorsignals U_OSC aus Fig. 2. Die Frequenz des Oszillatorsignals U_OSC kann folglich mit der Steuereinheit SE durch Variation der Schaltzeitpunkte t₀ . . . t₆ gesteuert werden.

Gemäß Fig. 4 lassen sich die Kondensatoren C₁, C₂ aus jeweils zwei Teilkon densatoren C₁₀, C_10' bzw. C₂₀, C_20' zusammensetzen, die jeweils mit einem ih rer Anschlüsse an den Bezugspotentialanschluß M und jeweils mit dem ande ren ihrer Anschlüsse an je eines der Schaltelemente SW₁, SW_1', SW₂, SW_2' an geschlossen sind. Die Teilkondensatoren C₁₀ und C_10' sind dabei über die ent sprechenden Schaltelemente SW₁ bzw. SW₂ mit dem einen Anschluß des Lastelementes L₁ und mit den miteinander verbundenen Ladeeingängen E₁, E₂ verbunden. Die beiden anderen Teilkondensatoren C₂₀ und C_20' sind hin gegen über die entsprechenden Schaltelemente SW₂ bzw. SW_2' mit dem an deren Anschluß des Lastelementes L₁ und mit den miteinander verbunde nen Ladeeingänge E_1', E_2' verbunden. Die Spule L₁ kann dabei - wie durch die gestrichelte Leitung angedeutet - eine mit dem Bezugspotentialan schluß M verbundene Mittenanzapfung aufweisen, d. h. aus zwei in Reihe ge schalteten Teilspulen bestehen.

Die Steuerung der Schaltelemente SW₁, SW_1', SW₂, SW_2' erfolgt mittels einer in der Figur nicht gezeigten Steuereinheit. Die Schaltelemente SW₁ und SW_1' werden dabei zueinander im Gleichtakt und zu den Schaltelementen SW₂ und SW_2', im Gegentakt gesteuert; d. h. in dem einen Verfahrensschritt be finden sich die Schaltelemente SW₁ und SW_1' in Ladestellung L und die Schaltelemente SW₂ und SW_2' in Oszillatorstellung O, so daß die Teilkondensa toren C₁₀ und C_10' über die Ladeeingänge E₁ bzw. E_1' aufgeladen werden und die Teilkondensatoren C₂₀ und C_20' zusammen mit der Spule L₁ den zur Erzeu gung des Oszillatorsignals U_OSC erforderlichen Schwingkreis bilden. Zu Beginn des darauffolgenden Verfahrensschrittes werden die Schaltelemente SW₁, SW₂, SW_1', SW_2' umgeschaltet, so daß der Schwingkreis nunmehr durch die Teilkondensatoren C₁₀ und C_10' und die Spule L₁ gebildet wird und die Teil kondensatoren C₂₀ und C_20' über die Ladeeingänge E₂ bzw. E_2' aufgeladen werden. Dabei werden die Teilkondensatoren C₁₀ und C₂₀ in den jeweiligen Verfahrensschritten auf die Ladespannung U₁ und die Teilkondensatoren C_10' und C_20' auf die Ladespannung U_1' aufgeladen, wobei für die Ladespannung U_1' beispielsweise U_1' = - U₁ gilt.

Gemäß Fig. 5 lassen sich beliebig viele Kondensatoren C₁ . . . C_n über jeweils ein Schaltelement SW₁ . . . SW_n mit der Spule L₁ zu einem Schwingkreis verbin den. Die Schaltelemente SW₁ . . . SW_n weisen jeweils zwei durch die Steuerein heit SE steuerbare Schalter SW_1L, SW₁₀ bzw. .. . SW_nL, SW_nO auf, wobei die Kon densatoren C₁ bzw. .. . C_n jeweils über einen der Schalter SW_1L bzw. .. . SW_nL mit dem entsprechenden Ladeeingang E₁ bzw. .. . E_n und über einen der Schalter SW₁₀ bzw. .. . SW_nO mit der Spule L₁ verbunden sind. Die Schaltele mente SW₁ . . . SW_n befinden sich dabei jeweils in Ladestellung L, wenn ihre Schalter SW_1L bzw. . . . SW_nL geschlossen und ihre Schalter SW₁₀ bzw. . . . SW_nO offen sind, und sie befinden sich jeweils in Oszillatorstellung O, wenn ihre Schalter SW_1L bzw. . . . SW_nL offen und ihre Schalter SW₁₀ bzw. . . . SW_nO ge schlossen sind. Durch öffnen beider Schalter SW_1L, SW₁₀ bzw. . . . SW_nL, SW_nO ei nes Schaltelementes SW₁ bzw. . . . SW_n wird dieses Schaltelement in eine Zwi schenstellung geschaltet und der daran angeschlossene Kondensator C₁ bzw. . . . C_n deaktiviert.

Zur Einstellung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises und der Frequenz des Oszillatorsignals U_OSC werden zwei oder mehrere der Kondensatoren C₁ . . . C_n ausgewählt und die ausgewählten Kondensatoren zu zwei Gruppen zu sammengefaßt und gruppenweise abwechselnd aufgeladen sowie gruppen weise abwechselnd der Spule L₁ zugeschaltet. Die Resonanzfrequenz des Schwingkreises und die Frequenz des Oszillatorsignals U_OSC lassen sich dann durch Auswahl anderer Kondensatoren und Bildung neuer Gruppen in dis kreten Stufen verändern. Auf diese Weise wird das in Fig. 6 gezeigte Oszil latorsignal U_OSC erzeugt. Es handelt sich hierbei um ein FSK-Signal, dessen Frequenz im Zeitintervall t₁-t₄ höher ist als in den Zeitintervallen t₀-t₁ und t₄-t₅.

In den vorliegenden Ausführungsbeispielen ist das Lastelement L₁ als Spule und der Schwingkreis als LC-Schwingkreis ausgebildet. Wesentlich ist dabei, daß das verwendete Lastelement induktives Verhalten aufweist. Daher las sen sich beispielsweise auch Schwingquarze, Schwingkeramiken oder Gyra toranordnungen als Lastelemente einsetzen. Denkbar sind weiterhin Schwingkreise, deren induktives Verhalten durch Zuschaltung weiterer Spu len varierbar sind. Die Schalter der Schaltelemente können als Bipolartransi storen, als Feldeffekttransistoren oder als optisch gesteuerte Schalter aus gebildet sein. Des weiteren können die Kondensatoren als steuerbare Kapa zitäten, beispielsweise als Kapazitätsdioden, ausgebildet sein. Ferner sind Anordnungen denkbar, bei denen die Spule und die dieser zugeschalteten Kondensatoren abweichend von den vorliegenden Ausführungsbeispielen Reihen-Schwingkreise bilden.

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung eines Oszillatorsignals (U_OSC), dadurch gekenn zeichnet, daß mindestens zwei Kondensatoren (C₁ . . . C_n) in unterschiedlichen Zeitintervallen aufgeladen und nach dem Aufladen für jeweils eine be stimmte Zeit einem Lastelement (L₁) zur Bildung eines Schwingkreises zuge schaltet werden und daß das vom Schwingkreis erzeugte Oszillatorsignal (U_OSC) durch die Wahl von Schaltzeitpunkten (t₀ . . . t₆), zu denen die Kondensa toren (C₁ . . . C_n) jeweils dem Lastelement (L₁) zugeschaltet und vom diesem getrennt werden, vorgegeben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltzeit punkte (t₀ . . . t₆), derart gewählt werden, daß jederzeit mindestens einer der Kondensatoren (C₁ . . . C_n) dem Lastelement (L₁) zugeschaltet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltzeitpunkte (t₀ . . . t₆) nach Maßgabe des Oszillatorsignals (U_OSC) gewählt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoren (C₁ . . . C_n) auf konstante Spannungswerte (U₁ . . . U_n) aufgeladen werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoren (C₁ . . . C_n) auf Spannungswerte (U₁ . . . U_n) aufgeladen werden, die zur Amplitudenmodulation des Oszillatorsignals (U_OSC) zeitlich variiert werden.

6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß die Frequenz des Oszillatorsignals (U_OSC) durch Wahl der dem Lastele ment (L₁) jeweils zuzuschaltenden Kondensatoren (C₁ . . . C_n) gesteuert wird.

7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß die Frequenz des Oszillatorsignals (U_OSC) durch Variation der Schalt zeitpunkte (t₀ . . . t₆) gesteuert wird.