DE19723307A1 - Verfahren zur Erzeugung eines Oszillatorsignals - Google Patents
Verfahren zur Erzeugung eines OszillatorsignalsInfo
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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 UOSC 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 UC1 bzw. UC2 und
des Zeitdiagrammes für das Oszillatorsignal UOSC.
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 UOSC 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 UOSC 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 UOSC 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 UOSC auswerten und die Schaltzeitpunkte t0 . . . t3 nach Maßgabe des
Oszillatorsignals UOSC regeln. Insbesondere bei einer Gradientenauswertung
des Oszillatorsignals UOSC besteht dann die Möglichkeit, die Schaltelemente
SW1, SW2 jeweils im Stromnulldurchgang des durch die Spule L1 fließenden
Oszillatorstromes IOSC umzuschalten.
Im vorliegenden Beispiel sind die Kondensatoren C1, C2 gleich groß und die
Schaltelemente SW1, SW2 werden nach jeweils einer vollen Schwingung des
Oszillatorsignals UOSC, 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 UOSC 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 UOSC 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 UOSC aus Fig. 2. Die Frequenz des
Oszillatorsignals UOSC 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, C10' bzw. C20, C20' 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, SW1', SW2, SW2' an
geschlossen sind. Die Teilkondensatoren C10 und C10' 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 C20' sind hin
gegen über die entsprechenden Schaltelemente SW2 bzw. SW2' mit dem an
deren Anschluß des Lastelementes L1 und mit den miteinander verbunde
nen Ladeeingänge E1', E2' 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, SW1', SW2, SW2' erfolgt mittels einer
in der Figur nicht gezeigten Steuereinheit. Die Schaltelemente SW1 und SW1'
werden dabei zueinander im Gleichtakt und zu den Schaltelementen SW2
und SW2', im Gegentakt gesteuert; d. h. in dem einen Verfahrensschritt be
finden sich die Schaltelemente SW1 und SW1' in Ladestellung L und die
Schaltelemente SW2 und SW2' in Oszillatorstellung O, so daß die Teilkondensa
toren C10 und C10' über die Ladeeingänge E1 bzw. E1' aufgeladen werden und
die Teilkondensatoren C20 und C20' zusammen mit der Spule L1 den zur Erzeu
gung des Oszillatorsignals UOSC erforderlichen Schwingkreis bilden. Zu Beginn
des darauffolgenden Verfahrensschrittes werden die Schaltelemente SW1,
SW2, SW1', SW2' umgeschaltet, so daß der Schwingkreis nunmehr durch die
Teilkondensatoren C10 und C10' und die Spule L1 gebildet wird und die Teil
kondensatoren C20 und C20' über die Ladeeingänge E2 bzw. E2' aufgeladen
werden. Dabei werden die Teilkondensatoren C10 und C20 in den jeweiligen
Verfahrensschritten auf die Ladespannung U1 und die Teilkondensatoren C10'
und C20' auf die Ladespannung U1' aufgeladen, wobei für die Ladespannung
U1' beispielsweise U1' = - U1 gilt.
Gemäß Fig. 5 lassen sich beliebig viele Kondensatoren C1 . . . Cn über jeweils
ein Schaltelement SW1 . . . SWn mit der Spule L1 zu einem Schwingkreis verbin
den. Die Schaltelemente SW1 . . . SWn weisen jeweils zwei durch die Steuerein
heit SE steuerbare Schalter SW1L, SW10 bzw. .. . SWnL, SWnO auf, wobei die Kon
densatoren C1 bzw. .. . Cn jeweils über einen der Schalter SW1L bzw. .. . SWnL
mit dem entsprechenden Ladeeingang E1 bzw. .. . En und über einen der
Schalter SW10 bzw. .. . SWnO mit der Spule L1 verbunden sind. Die Schaltele
mente SW1 . . . SWn befinden sich dabei jeweils in Ladestellung L, wenn ihre
Schalter SW1L bzw. . . . SWnL geschlossen und ihre Schalter SW10 bzw. . . . SWnO
offen sind, und sie befinden sich jeweils in Oszillatorstellung O, wenn ihre
Schalter SW1L bzw. . . . SWnL offen und ihre Schalter SW10 bzw. . . . SWnO ge
schlossen sind. Durch öffnen beider Schalter SW1L, SW10 bzw. . . . SWnL, SWnO ei
nes Schaltelementes SW1 bzw. . . . SWn wird dieses Schaltelement in eine Zwi
schenstellung geschaltet und der daran angeschlossene Kondensator C1
bzw. . . . Cn deaktiviert.
Zur Einstellung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises und der Frequenz
des Oszillatorsignals UOSC werden zwei oder mehrere der Kondensatoren C1
. . . Cn 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 UOSC 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 UOSC 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 (7)
1. Verfahren zur Erzeugung eines Oszillatorsignals (UOSC), dadurch gekenn
zeichnet, daß mindestens zwei Kondensatoren (C1 . . . Cn) 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
(UOSC) durch die Wahl von Schaltzeitpunkten (t0 . . . t6), zu denen die Kondensa
toren (C1 . . . Cn) 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 . . . Cn) dem Lastelement (L1) zugeschaltet ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Schaltzeitpunkte (t0 . . . t6) nach Maßgabe des Oszillatorsignals
(UOSC) gewählt
werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kondensatoren (C1 . . . Cn) auf konstante Spannungswerte (U1
. . . Un)
aufgeladen werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kondensatoren (C1 . . . Cn) auf Spannungswerte (U1 . . . Un) aufgeladen
werden, die zur Amplitudenmodulation des Oszillatorsignals (UOSC) zeitlich
variiert werden.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß die Frequenz des Oszillatorsignals (UOSC) durch Wahl der dem Lastele
ment (L1) jeweils zuzuschaltenden Kondensatoren (C1 . . . Cn) gesteuert wird.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß die Frequenz des Oszillatorsignals (UOSC) durch Variation der Schalt
zeitpunkte (t0 . . . t6) gesteuert wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1997123307 DE19723307B4 (de) | 1997-06-04 | 1997-06-04 | Verfahren zur Erzeugung eines Oszillatorsignals |
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Publications (2)
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DE19723307A1 true DE19723307A1 (de) | 1998-12-10 |
DE19723307B4 DE19723307B4 (de) | 2005-03-10 |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: TEMIC SEMICONDUCTOR GMBH, 74072 HEILBRONN, DE |
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8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: ATMEL GERMANY GMBH, 74072 HEILBRONN, DE |
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8120 | Willingness to grant licenses paragraph 23 | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: ATMEL AUTOMOTIVE GMBH, 74072 HEILBRONN, DE |
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R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20120103 |