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Die Erfindung bezieht sich auf einen Quarzorszillator, der
frequenzgesteuert werden kann, bei dem die Oszillatorfrequenz mittels mindestens einer mit dem
Oszillatorkristall gekoppelten Belastungskapazität gezogen wird, wobei dieser
Quarzoszillator ein mit einer Belastungskapazität verbundenes Halbleiterelement aufweist zur
Kopplung der Belastungskapazität mit dem Kristall in Abhängigkeit eines dem
Halbleiterelement zuzuführenden Steuersignals.
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Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf einen Taktsignalregenerator mit
einem derartigen spannungsgesteuerten Quarzoszillator, und auf ein
Telekommunikationssystem mit einem solchen Taktsignalregenerator.
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Ein frequenzgesteuerter Quarzoszillator der obengenannten Art ist aus US
Patent Nr. 3,603,893 bekannt.
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Es ist vorteilhaft, die Möglichkeit zu haben, die Frequenz des
Quarzoszillators über einen breiten Bereich ziehen zu können. Wenn angewandt in einem
Taktsignalregenerator kann der Ortsoszillator dem zu regenerierenden Taktsignal über einen
breiten Bereich folgen, wodurch die praktische Anwendungsmöglichkeit vergrößert
wird. Es ist auch möglich, in einem bestimmten anderen Bereich des zu regenerierenden
Taktsignals ein Kristall zu benutzen mit einer größeren Frequenzfertigungstoleranz. Die
resultierende, möglicherweise größerer Abweichung zwischen dem eintreffenden
Taktsignal und der Nenn-Oszillatorfrequenz kann dann durch die größere
Frequenzziehung eingestellt werden.
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Der aus dem obengenannten US Patent bekannte Quarzoszillator weist
eine Belastungskapazität auf (US Patent Bezugszeichen 37), die mit dem
Oszillatorkristall verbundne ist, und eine durch einen Feldeffekttransistor gebildete
Schaltanordnung (US Patent Bezugszeichen 36) zum Kurzschließen oder zur effektiven Verbindung
dieser Belastungskapazität mit dem Kristall. Durch eine Wahl eines gewünschten großen
Wertes dieser Kapazität, läßt sich ein gewünschter großer Frequenzziehbereich erzielen.
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Der Vorteil eines großen Frequenzziehbereiches ist beispielsweise
dargestellt durch die Tatsache, daß bei der Fertigung des Quarzoszillators auf die
Abstimmprozedur für die nennfrequenz verzichtet werden kann.
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Die Schaltanordnung des obengenannten US Patentes besteht aus einem
Halbleiterschaltelement. Derartige Schaltelemente können durch schnelle Schaltsignale
gesteuert werden, deren Anstiegszeit derselben größenordnung oder kürzer ist als die
Oszillatorfrequenz; andererseits ist es auch möglich, die Umschaltung durch langsame
Umschaltsignale erfolgen zu lassen, deren Anstiegszeit die Oszillatorfrequenz
(weitgehend) überschreitet.
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Im Falle von schnellen Umschaltsignalen können in dem Oszillatorsignal
Impulse auftreten, die zu der schnellen Umschaltung gehören. Wenn die Polarität dieser
Impulse der augenblicklichen Polarität des Oszillatorsignals entgegengesetzt ist, kann
dies zu einer Verstümmelung der von dem Oszillator hergeleiteten Taktfrequenz führen.
Dies ist ein unerwünschter Effekt. Dieses Problem könnte durch eine
Synchronanordnung gelöst werden, wodurch die Umschaltsignale und das Oszillatorsignal
synchronisiert werden; aber eine derartige Synchronanordnung bildet einen zusätzlichen
Kostenfaktor. Im Falle langsamer Umschaltsignale aber bildet das Schaltelement eine
Widerstandsbelastung für das Oszillatorkristall beim Umschalten, wodurch der Oszillator
zerstört werden kann.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es u.a. einen Quarzoszillator zu schaffen,
bei dem die obengenannten Probleme nicht auftreten können.
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Dazu weist der erfindungsgemäße Quarzoszillator das Kennzeichen auf,
daß die Schaltanordnung eine Bandschaltdiode mit einer gesamten Speicherzeit
entsprechend der Zykluszeit des Quarzoszillators oder länger als diese Zeit.
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Das auf diese Weise gekennzeichnete Halbleiterelement kann nun durch
ein langsames Umschaltsignal gesteuert werden, wie dies erperimentell dargelegt wurde.
Wenn die Bandschaltdiode während der Umschaltung in den leitenden Zustand gelangt,
dann wird dieser leitende Zustand auch wieder innerhalb der Periode der
Oszillatorfrequenz dadurch aufhören, daß an der Diode die algebraische Summe des Steuersignals
und des Oszillatorsignals anliegt. Während dieser kurzen Leitungszeit wird keine
Dissipation von Oszillatorenergie stattfinden, weil eine Diode während der ganzen
Speicherzeit keine Energie dissipiert.
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Durch Verbindung einer ersten Kapazität während eine Anzahl Zyklen
und einer zweiten Kapazität während einer nachfolgenden Anzahl Zyklen wird eine
diskrete Oszillatorfrequenzregelung erhalten. Die effektive Oszillatorfrequenz wird dann
der gewichtete Mittelwert über zwei Anzahlen von Perioden sein. Es ist nicht notwendig
zu erwähnen, daß der größte Frequenzziehbereich erhalten wird, wenn es nur eine
Belastungskapazität gibt, die völlig ein- oder abgeschaltet wird.
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Wie untenstehend noch näher erläutert wird, bietet der Febrauch einer
derartigen Bandschaltdiode den zusätzlichen Vorteil, daß ebenfalls eine proprtionale
Frequenzregelung erzielt werden kann indem immer mit einer einzigen Oszillatorperiode
ein- und abgeschaltet wird.
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Ein weiterer Vorteil des Gebrauchs einer Bandschaltdiode ist, daß
derartige Dioden eine sehr niedrige Streukapazität aufweisen. Wenn die Schaltdiode
parallel zu der Belastungskapazität des Oszillatorkristalls geschaltet wird, wird die
Gesamtbelastungskapazität durch die Summe der wirklich vorgesehene Kapazität und
der Streukapazität gebildet. Sind diese beiden nun von derselben Größenordnung, so
wird das Oszillatorkristall mit einer schlecht definierten Belastungskapazität belastet
sein, weil eine Streukapazität schjlecht definiert ist und für viele Störeinflüße
empfindlich ist
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und
werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
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Fig. 1 eine an sich bekannte Schaltungsanordnung für eine
phasenverriegelte Schleife mit einem spannungsgesteuerten Oszillator,
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Fig. 2 einen Graphen, der den Zusammenhang zwischen der
Frequenzziehung eines Oszillatorkristalls und der Reihenbelastungskapazität angibt,
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Fig. 3 eine erste Schaltungsanordnung eines erfindungsgemäßen
Quarzoszillators,
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Fig. 4 einen Graphen, der den verlauf des Oszillatorsignals angibt,
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Fig. 5 eine zweite Schaltungsanordnung eines erfindungsgemäßen
Quarzoszillators.
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Die an sich bekannte phasenverriegelte Schleife nach Fig. 1 besteht aus
einer Kaskadenschaltung eines Phasenvergleichers 4, eines Tiefpaßfilters 6, eines
spannungsgesteuerten Oszillators 8 und einer Teilerschaltung 10. Ein externes
Taktsignal kann einem Eingang 2 des Phasenvergleichers 4 zugeführt werden. Zwischen dem
Ausgang 12 und dem anderen Eingang des Phasenvergleichers 4 liegt eine Verbindung
14. Das Tiefpaßfflter 6 ist insbesondere erforderlich, wenn der Oszillator 8 mit einem
niederfrequenten Steuersignal angesteuert werden muß. Die Teilerschaltung 10 ist nur
dann erforderlich, wenn die Oszillatorfrequenz von dem externen Taktsignal abweicht
(beispielsweise ein Vielfaches davon ist).
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Der Oszillator 8 kann als Kristalloszillator ausgebildet sein. Falls der
Kristall dieses Oszillators mit einer Reihenkapazität belastet wird, wird der
Frequenzverlauf der Kristallfrequenz von der Belastungskapazität nach dem Graphen nach Fig. 2
abhängen. Aus diesem Graphen geht hervor, daß ein vergrößertes Ziehgebiet der
Frequenz ein stark vergrößertes Kapazitätsgebiet erfordert.
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Die Oszillatorfrequenz kann diskret gezogen werden, indem parallel zu
der Reihenkapazität ein Schalter vorgesehen wird. Ist der Schalter leitend, so entspricht
diese Situation mit einer Belastungskapazität unendlich einer zugeordneten niedrigen
Kristallfrequenz; ist jedoch der Schalter nicht leitend, so ist die Belastungskapazität
wirksam geschaltet, mit einer zugeordneten höheren Kristallfrequenz. Es ist nun
möglich, mit Hilfe dieser beiden Frequenzen eine zwischenliegende Kristallfrequenz zu
erzeugen. Dies wird dadurch erreicht, daß während einer ersten Anzahl
Oszillatorperioden die Belastungskapazität eingeschaltet und während einer folgenden, zweiten Anzahl
Perioden abgeschaltet wird. Die effektive Kristallfrequenz ist dann der gewichtete
Mittelwert über die Anzahlen von perioden.
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Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Quarzoszillators. Der Quarzoszillator 8 besteht aus einer Oszillatorschaltung 18, an die eine
frequenzbestimmende Schaltungsanordnung 20 und ein Ausgangsverstärker 22
angeschlossen ist.
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Die Oszillatorschaltung 18 besteht aus zwei kaskadengeschalteten
Verstärkerstufen. Die erste Stufe besteht aus einem Transistor 24 mit einem
Emitterwiderstand 26 von besipielsweise 40 kOhm und einem Kollektorwiderstand von
beispielsweise 2 kOhm. Die frequenzbestimmende Schaltungsanordnung 20 ist an den
Emitter des Transistors 24 angeschlossen. Die zweite Stufe besteht aus einem Transistor
30 mit einem Emitterwiderstand 32 (beispielsweise 40 kOhm) und einem
Kollektorwiderstand 34 (beispielsweise 2 kOhm). Der Kollektor des Transistors 24 ist mit der Basis
des Transistors 30 verbunden, der Kollektor des Transistors 30 ist mit der Basis des
Transistors 24 verbunden. An den Emitter ses Transistors 30 ist ein
Kompensationsnetzwerk 36 angeschlossen um die umlaufende Verstärkung zu kompensieren für Abfall
infolge der Streukapazitäten in der Schaltungsanordnung.
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Das Kompensationsnetzwerk 36 besteht aus einer Reihenschaltung aus
einem Widerstand 38 (400 Ohm) und einer kapazität 40 (80 pF). Die Impedanz dieses
Netzwerkes beträgt also bei der Oszillatorfrequenz von 1,824 MHz etwa 1400 Ohm.
Diese Impedanz bildet zusammen mit dem Widerstand 32 die gesamte Emitterimpedanz
des Transistors 30. Die Verstärkung der beiden verstärkerstufen wird durch das
Verhältnis des Kollektorwiderstandes zu dem Emitterwiderstand bestimmt. Weil die
Bedingung zum Oszillieren ist, daß die umlaufende Verstärkung 1 ist, folgt daraus ein
Maximalwert für die Impedanz der frequenzbestimmenden Schaltungsanordnung 20.
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Die frequenzbestimmende Schaltungsanordnung 20 besteht aus einem
Kristall 42 (1,824 MHz) in Reihe mit einer Belastungskapazität 44 (5 pF). Parallel zu
der kapazität 44 ist eine Schaltdiode 46 vorgesehen, die an der Anode über den
Widerstand 48 (200 kOhm) und den Steuereingang 50 angesteuert wird. Die Diode 46
ist eine Bandschaltdiode mit einer Gesamtspeicherzeit über 0,5 us und einer
Streukapazität, die gegenüber dem wert des Kondensators 44 klein ist, beispielsweise weniger als
2 pF. Bekanntlich weist eine Diode innerhalb der Gesamtspeicherzeit keinen resistiven
Charakter auf, so daß in der Zeit keine Energiedissipation stattfindet. Dies ermöglicht,
daß die Frequenzverstärkung des Oszillators mit einem Signal mit einer Anstiegszeit
erfolgt, die viel gröber ist als die Oszillatorperiode; so ist beispielsweise die
Anstiegszeit 30 us.
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Das Ausgangssignal der Oszillatorschaltung 18 wird durch das
Differenzsignal zwischen den Kollektorelektroden des Transistors 24 bzw. 30 gebildet. Der
Ausgangsverstärker 22 ist als Differenzverstärker ausgebildet, der das verstärkte Signal
zu dem Oszillatorausgang 52 führt. Die Frequenzziehung des öszillators 8
nach Fig. 3 wird anhand der Fig. 4 erläutert. Der obere Teil der Fig. 4 zeigt den
Spannungsverlauf über die Diode 46 als Funktion der Zeit. Solange die Spannung an der
Diode niedriger ist als die Durchlaßspannung, liegt an der Diode die Summe der beiden
Spannungen an, und zwar die NF-Spannung (Gleichspannung), die der Klemme 50
zugeführt wird und die HF-Oszillatorspannung (Wechselspannung), die über den Kristall
42 zugeführt wird. Wenn die Summe diesen beiden Spannungen größer wird als die
Diodendurchlaßspannung, wird die Diode 46 leitend und die Spannung an dieser
Diodewird nicht mehr hoher als die Durchlaßspannung.
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Beim Sperren der Diode 46 ist der Kristall 42 in Reihe belastet mit der
kapazität 44; der Oszillator wird nun die zugeordnete höhere Frequenz aufweisen
(beispielsweise zwischen den Zeitpunkten t&sub2; und t&sub3;). Im leitenden Zustand der Diode 46
scheint die Belastungskapazität sehr groß (unendlich) zu sein; der Oszillator wird nun
die zugeordnete niedrigere Frequenz aufweisen (beispielsweise zwischen den
Zeitpunkten t&sub1; und t&sub2;).
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Wenn nun die Gleichspannung an der Klemme 50 geändert wird, bewegt
die Sinuskurve in dem oberen Graphen auf und ab. Dadurch verlagern sich die
Schnittpunkte mit dr Schwellenspannung nach links und rechts, wodurch der Anteil der
niedrigen Frequenz in dem unteren teil des Graphen größer oder kleiner wird. Auf diese
Weise wird auch die resultierende Oszillatorperiode größer oder kleiner.
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Fig. 5 zeigt einen anderen erfindungsgemäßen Quarzoszillator. Dieser
Quarzoszillator 8 besteht aus einem Verstärker 54 und einer frequenzbestimmenden
Schaltungsanordnung 56.
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Der Verstärker 54 wird durch einen Transistor 58 mit einem
Kollektorwiderstand 60 (460 Ohm) gebildet. Die Gleichstromeinstellung des Transistors 58 wird mit
Widerstanden 62 und 64 in Reihe zwischen dem Kollektor und der Basis des Transistors
58 verwirklicht (je 6,2 kOhm). Zwischen dem Verbindungspunkt dieser Widerstände
und der System-Erde ist eine Kapazität 66 von 1 nF vorgesehen. Mit dieser Kapazität
wird das HF-Signal nahezu völlig entkoppelt, damit die Verstärkung des Verstärkers 54
für hohe Frequenzen nicht zu weit verringert wird.
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Die frequenzbestimmende Schaltungsanordnung 56 wird durch eine
Reihenschaltung aus nacheinander einem Kondensator 68 (220 pF), einem Kondensator
74 (6,8 pF), einem Kristall 72 (1,824 MHz) und einem Kondensator 70 (220 pF)
gebildet. Der Kollektor des Transistors 58 ist an den Verbindungspunkt des Kristalls 72
und des Kondensators 70 angeschlossen, die Basis ist an den Verbindungspunkt des
Kondensators 74 und des Kondensators 68 ngeschlossen. Parallel zu dem Kondensator
74 ist eine Schaltdiode 76 vorgesehen, die über den Steuerwiderstand 78 (200 kOhm)
und den Steuereingang 50 gesteuert wird.
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Die Belastungskapazität des Kristalls 72 wird durch die Reihenscahltung
aus den Kapazitäten 68, 70 und 74 gebildet, wobei die Reihenschaltung sich parallel zu
dem Kristall 72 erstreckt. Sperrt die Diode 76, so wird die Belastungskapazität
hauptsächlich durch den Kondensator mit dem niedrigsten Wert bestimmt, d.h. den
Kondensator 74. Ist die Diode 76 leitend, so wird die durch die Reihenschaltung aus
dem Kondensatoren 68 und 70 gebildete Belastungskapazität, die wesentlich höher ist
als die des Kondensators 74. Auf diese Weise kann die Belastungskapazität ziwschen
6,8 pF und etwa 110 pF geändert werden, mit der zugeordneten Frequenzziehung.