JP6092540B2 - Crystal oscillator - Google Patents
Crystal oscillator Download PDFInfo
- Publication number
- JP6092540B2 JP6092540B2 JP2012166032A JP2012166032A JP6092540B2 JP 6092540 B2 JP6092540 B2 JP 6092540B2 JP 2012166032 A JP2012166032 A JP 2012166032A JP 2012166032 A JP2012166032 A JP 2012166032A JP 6092540 B2 JP6092540 B2 JP 6092540B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- unit
- temperature
- circuit
- frequency
- crystal
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000013078 crystal Substances 0.000 title claims description 141
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 claims description 124
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 54
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 16
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims description 6
- 230000010354 integration Effects 0.000 claims description 4
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 claims description 4
- 239000000284 extract Substances 0.000 claims description 2
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 29
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 17
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 16
- 230000008859 change Effects 0.000 description 15
- 230000006870 function Effects 0.000 description 10
- 101100339482 Colletotrichum orbiculare (strain 104-T / ATCC 96160 / CBS 514.97 / LARS 414 / MAFF 240422) HOG1 gene Proteins 0.000 description 9
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 description 6
- 230000004044 response Effects 0.000 description 5
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000012888 cubic function Methods 0.000 description 2
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 1
- 230000007257 malfunction Effects 0.000 description 1
- 238000010606 normalization Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Oscillators With Electromechanical Resonators (AREA)
- Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)
Description
本発明は、水晶振動子が置かれる雰囲気の温度を検出し、温度の検出結果に基づいて加熱部を制御して前記雰囲気の温度を一定にする水晶発振器に関する。 The present invention relates to a crystal oscillator that detects the temperature of an atmosphere in which a crystal resonator is placed and controls a heating unit based on the temperature detection result to make the temperature of the atmosphere constant.
水晶発振器は、極めて高い周波数安定度が要求されるアプリケーションに組み込まれる場合には、通常OCXO(oven controlled crystal oscillator)が一般的に用いられている。OCXOにおける温度制御は、サーミスタを温度検出器として用い、オペアンプ、抵抗、コンデンサなどのディスクリート部品を用いて構成されていたが、アナログ部品の個々のばらつきや経年変化により、例えば±20m℃もの温度制御を行うことはできなかった。 When the crystal oscillator is incorporated in an application that requires extremely high frequency stability, an OCXO (Oven Control Crystal Oscillator) is generally used. The temperature control in OCXO is made up of discrete components such as operational amplifiers, resistors, and capacitors using a thermistor as a temperature detector. However, temperature control of ± 20m ° C, for example, due to individual variations and aging of analog components Could not do.
しかしながら基地局や中継局などにおいて、極めて高い安定度のクロック信号を安価に用いることが要求されており、このため従来のOCXOでは対応が困難な状況が予想される。 However, base stations, relay stations, and the like are required to use clock signals with extremely high stability at low cost, and therefore, it is expected that conventional OCXO cannot cope with them.
特許文献1の図2及び図3には、共通の水晶片に2対の電極を設けて2つの水晶振動子(水晶共振子)を構成することが記載されている。また段落0018には、温度変化に応じて2つの水晶振動子の間で周波数差が現れるので、この周波数差を計測することにより温度を計測することと同じになると記載されている。そしてこの周波数差Δfと補正すべき周波数の量との関係をROMに記憶させ、Δfに基づいて周波数補正量を読み出している。
しかしながらこの手法は、温度検出に基づいて発振周波数を補正するTCXO(temperature compensated crystal oscillator)に関するものであり、OCXOに関するものではない。
そして段落0019に記載されているように、所望の出力周波数f0と、2つの水晶振動子の夫々の周波数f1、f2と、について、f0≒f1≒f2の関係となるように水晶振動子の調整を行う必要があるため、水晶振動子の製造工程が複雑になる上、高い歩留まりが得られないという課題がある。更にまた各水晶振動子からの周波数信号であるクロックを一定時間カウントしてその差分(f1−f2)を求めているため、検出時間に検出精度が直接影響し、高精度な温度補償が困難である。
2 and 3 of
However, this technique relates to a TCXO (temperature compensated crystal oscillator) that corrects the oscillation frequency based on temperature detection, and is not related to OCXO.
Then, as described in paragraph 0019, the crystal resonator is adjusted so that the desired output frequency f0 and the respective frequencies f1 and f2 of the two crystal resonators are in the relationship of f0≈f1≈f2. Therefore, there is a problem that the manufacturing process of the crystal resonator is complicated and a high yield cannot be obtained. In addition, since the frequency signal from each crystal resonator is counted for a certain time and the difference (f1-f2) is obtained, the detection accuracy directly affects the detection time, and high-precision temperature compensation is difficult. is there.
本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的は、水晶振動子が置かれる雰囲気の温度を検出し、温度の検出結果に基づいて加熱部を制御して前記雰囲気の温度を一定にする水晶発振器(OCXO)において、周波数の安定度の高い発振出力を得ることができる水晶発振器を提供することにある。 The present invention has been made under such circumstances, and an object of the present invention is to detect the temperature of the atmosphere in which the crystal unit is placed and control the heating unit based on the temperature detection result to control the temperature of the atmosphere. It is an object of the present invention to provide a crystal oscillator that can obtain an oscillation output with high frequency stability in a crystal oscillator (OCXO) that keeps constant.
本発明は、
水晶振動子に接続された発振器出力用の発振回路と、
前記水晶振動子が置かれる雰囲気の温度の一定化を図るための加熱部と、
水晶片に第1の電極を設けて構成した第1の水晶振動子と、
水晶片に第2の電極を設けて構成した第2の水晶振動子と、
これら第1の水晶振動子及び第2の水晶振動子に夫々接続された第1の発振回路及び第2の発振回路と、
第1の発振回路の発振周波数をf1、基準温度における第1の発振回路の発振周波数をf1r、第2の発振回路の発振周波数をf2、基準温度における第2の発振回路の発振周波数をf2rとすると、{(f2−f2r)/f2r}−{(f1−f1r)/f1r}に対応する値を温度検出値として求める周波数差検出部と、
水晶振動子が置かれる雰囲気の温度の温度設定値と前記温度検出値との偏差分を取り出す加算部と、
この加算部にて取り出された偏差分に基づいて前記加熱部に供給される電力を制御する回路部と、を備えたことを特徴とする。
他の発明は、
(1)水晶振動子に接続された発振器出力用の発振回路と、
(2)前記水晶振動子が置かれる雰囲気の温度の一定化を図るための加熱部と、
(3)水晶片に第1の電極を設けて構成した第1の水晶振動子と、
(4)水晶片に第2の電極を設けて構成した第2の水晶振動子と、
(5)これら第1の水晶振動子及び第2の水晶振動子に夫々接続された第1の発振回路及び第2の発振回路と、
(6)第1の発振回路の発振周波数をf1、基準温度における第1の発振回路の発振周波数をf1r、第2の発振回路の発振周波数をf2、基準温度における第2の発振回路の発振周波数をf2rとすると、
前記f1とf2との差分の周波数のパルスを作成するパルス作成部と、入力された直流電圧の大きさに応じた周波数で時間と共に信号値が増加、減少を繰り返す周波数信号を出力するDDS回路部と、このDDS回路部から出力された周波数信号を前記パルス作成部にて作成されたパルスによりラッチするラッチ回路と、このラッチ回路にてラッチされた信号値を積分してその積分値を温度検出値として出力するループフィルタと、このループフィルタの出力とf1rとf2rとの差分に対応する値との差分を取り出して、前記DDS回路部の入力値とする加算部と、を備えた周波数差検出部と、
(7)水晶振動子が置かれる雰囲気の温度の温度設定値と前記温度検出値との偏差分を取り出す加算部と、
(8)前記温度設定値と前記温度検出値との偏差分を取り出す加算部にて取り出された前記偏差分に基づいて前記加熱部に供給される電力を制御する回路部と、を備えたことを特徴とする。
The present invention
An oscillator circuit for oscillator output connected to a crystal unit;
A heating unit for stabilizing the temperature of the atmosphere in which the crystal unit is placed;
A first crystal unit configured by providing a first electrode on a crystal piece;
A second crystal unit configured by providing a second electrode on a crystal piece;
A first oscillation circuit and a second oscillation circuit connected to the first crystal unit and the second crystal unit, respectively;
The oscillation frequency of the first oscillation circuit is f1, the oscillation frequency of the first oscillation circuit at the reference temperature is f1r, the oscillation frequency of the second oscillation circuit is f2, and the oscillation frequency of the second oscillation circuit at the reference temperature is f2r. Then, a frequency difference detection unit that obtains a value corresponding to {(f2-f2r) / f2r}-{(f1-f1r) / f1r} as a temperature detection value;
An adder for extracting a deviation between the temperature setting value of the temperature of the atmosphere in which the crystal unit is placed and the temperature detection value;
And a circuit unit that controls electric power supplied to the heating unit based on the deviation taken out by the adding unit.
Other inventions are:
(1) an oscillator circuit for outputting an oscillator connected to a crystal unit;
(2) a heating unit for stabilizing the temperature of the atmosphere in which the crystal unit is placed;
(3) a first crystal unit configured by providing a first electrode on a crystal piece;
(4) a second crystal unit configured by providing a second electrode on a crystal piece;
(5) a first oscillation circuit and a second oscillation circuit connected to the first crystal unit and the second crystal unit, respectively;
(6) The oscillation frequency of the first oscillation circuit is f1, the oscillation frequency of the first oscillation circuit at the reference temperature is f1r, the oscillation frequency of the second oscillation circuit is f2, and the oscillation frequency of the second oscillation circuit at the reference temperature Let f2r be
A pulse generating unit that generates a pulse having a frequency difference between f1 and f2, and a DDS circuit unit that outputs a frequency signal that repeatedly increases and decreases with time at a frequency according to the magnitude of the input DC voltage A latch circuit that latches the frequency signal output from the DDS circuit unit with the pulse generated by the pulse generation unit, and integrates the signal value latched by the latch circuit to detect the integrated value of the temperature A frequency difference detection comprising: a loop filter that outputs as a value; and an adder that extracts a difference between the output of the loop filter and a value corresponding to a difference between f1r and f2r and uses the difference as an input value of the DDS circuit unit And
(7) an adding unit for extracting a deviation between the temperature setting value of the atmosphere in which the crystal unit is placed and the temperature detection value;
(8), further comprising a circuit section for controlling the power supplied to the heating unit based on said deviations taken by the adding unit to take out the deviations of the temperature setting value and the detected temperature value It is characterized by.
前記加算部にて取り出された偏差分は、例えば積分回路部にて積分して温度制御部に出力される。
第1の発振回路及び第2の発振回路は例えば各々オーバートーンを発振出力とする。
The deviation taken out by the adding unit is integrated by, for example, an integrating circuit unit and output to the temperature control unit.
First oscillation circuit and the second oscillation circuit shall be the oscillation output of each overtone example.
水晶発振器の発振出力は、例えば第1の発振回路及び第2の発振回路の一方の発振出力とすることができるが、第1の水晶振動子及び第2の水晶振動子とは異なる、前記雰囲気に置かれる第3の水晶振動子を設け、この第3の水晶振動子に接続される第3の発振回路からの発振出力を水晶発振器の発振出力としてもよい。
他の発明は、本発明の水晶発振器と、この水晶発振器の発振出力をクロック信号とし、PLLを含む発振装置の本体回路部と、を備えたことを特徴とする発振装置である。
The oscillation output of the crystal oscillator can be, for example, one of the first oscillation circuit and the second oscillation circuit, but the atmosphere is different from the first crystal oscillator and the second crystal oscillator. A third crystal oscillator placed on the third crystal oscillator may be provided, and the oscillation output from the third oscillation circuit connected to the third crystal oscillator may be used as the oscillation output of the crystal oscillator.
Another invention is an oscillating device comprising the crystal oscillator of the present invention and a main body circuit portion of an oscillating device including a PLL using the oscillation output of the crystal oscillator as a clock signal.
本発明は、第1及び第2の発振回路の発振出力をf1、f2とし、基準温度における第1及び第2の発振回路の発振周波数を夫々f1r、f2rとすると、{(f2−f2r)/f2r}−{(f1−f1r)/f1r}に対応する値をそのときの温度として取り扱うようにしている。この値と温度との相関度は、極めて高いため、当該値を温度検出値として加熱部の供給電力を制御することにより、水晶振動子が置かれる雰囲気の温度が極めて安定する。この結果安定度が高い発振出力が得られる。
In the present invention, when the oscillation outputs of the first and second oscillation circuits are f1 and f2, and the oscillation frequencies of the first and second oscillation circuits at the reference temperature are f1r and f2r, respectively, {(f2-f2r) / A value corresponding to f2r}-{(f1-f1r) / f1r} is handled as the temperature at that time. Since the degree of correlation between this value and temperature is extremely high, the temperature of the atmosphere in which the crystal unit is placed is extremely stabilized by controlling the power supplied to the heating unit using the value as a temperature detection value. As a result, an oscillation output with high stability can be obtained.
図1は本発明の実施形態にかかる水晶発振器を適用して構成した発振装置の全体を示すブロック図である。この発振装置は、設定された周波数の周波数信号を出力する周波数シンセサイザとして構成され、水晶振動子を用いた電圧制御発振器100と、この電圧制御発振器100におけるPLLを構成する制御回路部200と、前記PLLの参照信号を生成するためのDDS201を動作させるためのクロック信号を生成する水晶発振器(符号は付していない)と、この水晶発振器における水晶振動子10、20の置かれる雰囲気の温度を調整するための加熱部であるヒータ5と、を備えている。従って水晶発振器はOCXOである。
FIG. 1 is a block diagram showing the entirety of an oscillation device configured by applying a crystal oscillator according to an embodiment of the present invention. The oscillation device is configured as a frequency synthesizer that outputs a frequency signal of a set frequency, and includes a voltage controlled
またこの発振装置は、制御回路部200に入力される基準クロックの温度補償を行う温度補償部も備えている。温度補償部については符号を付していないが、図1における制御回路部200よりも左側部分に相当し、前記ヒータ5を制御するための回路部分と共用化している。
制御回路部200は、DDS(Direct Digital Synthesizer)回路部201から出力するリファレンス(参照用)クロックと、電圧制御発振器100の出力を分周器204で分周したクロックの位相とを位相周波数比較部205にて比較し、その比較結果である位相差がチャージポンプ204によりアナログ化される。アナログ化された信号はループフィルタ206に入力され、PLL(Phase locked loop)が安定するように制御される。従って制御回路部200は、PLL部であると言うこともできる。ここでDDS回路部201は、後述の第1の発振回路1から出力される周波数信号を基準クロックとして用い、目的とする周波数の信号を出力するための周波数データ(ディジタル値)が入力されている。
The oscillation device also includes a temperature compensation unit that performs temperature compensation of a reference clock input to the
The
しかし前記基準クロックの周波数が温度特性をもっているため、この温度特性をキャンセルするためにDDS回路部201に入力される前記周波数データに後述の周波数補正値に対応する信号を加算部60にて加算している。DDS回路部201に入力される周波数データを補正することで、基準クロックの温度特性変動分に基づくDDS回路部201の出力周波数の温度変動分がキャンセルされ、結果として温度変動に対して参照用クロックの周波数が安定し、以って電圧制御発振器100からの出力周波数が安定することになる。
However, since the frequency of the reference clock has a temperature characteristic, an
この実施の形態は、以下に述べるように基準クロックを作成する水晶発振器がOCXOとして構成されており、このため基準クロックの周波数は安定しているので、当該基準クロックの温度特性は見えてこないといえる。しかしヒータの不具合などが起こったときには、基準クロックの温度特性変動分に基づくDDS回路部201の出力周波数の温度変動分を補償するように構成しておくことにより、極めて信頼性の高い周波数シンセサイザを構成することができる利点がある。
In this embodiment, as described below, the crystal oscillator that creates the reference clock is configured as an OCXO. Therefore, since the frequency of the reference clock is stable, the temperature characteristics of the reference clock cannot be seen. I can say that. However, when a malfunction of the heater or the like occurs, a highly reliable frequency synthesizer can be configured by compensating for the temperature variation of the output frequency of the
次に本発明の水晶発振器に相当するOCXOの部分について説明する。この水晶発振器は、第1の水晶振動子10及び第2の水晶振動子20を備えており、これら第1の水晶振動子10及び第2の水晶振動子20は、共通の水晶片Xbを用いて構成されている。即ち例えば短冊状の水晶片Xbの領域を長さ方向に2分割し、各分割領域(振動領域)の表裏両面に励振用の電極を設ける。従って一方の分割領域と一対の電極11、12とにより第1の水晶振動子10が構成され、他方の分割領域と一対の電極21、22とにより第2の水晶振動子20が構成される。このため第1の水晶振動子10及び第2の水晶振動子20は熱的に結合されたものということができる。
Next, the OCXO portion corresponding to the crystal oscillator of the present invention will be described. The crystal oscillator includes a
第1の水晶振動子10及び第2の水晶振動子20には夫々第1の発振回路1及び第2の発振回路2が接続されている。これら発振回路1、2の出力は、いずれについても例えば水晶振動子10、20のオーバートーン(高調波)であってもよいし、基本波であってもよい。オーバートーンの出力を得る場合には、例えば水晶振動子と増幅器とからなる発振ループ内にオーバートーンの同調回路を設けて、発振ループをオーバートーンで発振させてもよい。あるいは発振ループについては基本波で発振させ、発振段の後段、例えばコルピッツ回路の一部である増幅器の後段にC級増幅器を設けてこのC級増幅器により基本波を歪ませると共にC級増幅器の後段にオーバートーンに同調する同調回路を設けて、結果として発振回路1、2からいずれも例えば3次オーバートーンの発振周波数を出力するようにしてもよい。
A
ここで便宜上、第1の発振回路1から周波数f1の周波数信号が出力され、第2の発振回路2から周波数f2の周波数信号が出力されるものとすると、周波数f1の周波数信号は、前記制御回路部200に基準クロックとして供給される。3は周波数差検出部であり、この周波数差検出部3は概略的な言い方をすれば、f1とf2との差分と、Δfrとの差分である、f2−f1−Δfrを取り出すための回路部である。Δfrは、基準温度例えば25℃におけるf1(f1r)とf2(f2r)との差分である。f1とf2との差分の一例を挙げれば、例えば数MHzである。本発明は、周波数差検出部3によりf1とf2との差分に対応する値と、基準温度例えば25℃におけるf1とf2との差分に対応する値との差分であるΔFを計算することにより成り立つ。この実施形態の場合、より詳しく言えば、周波数差検出部3で得られる値は、{(f2−f1)/f1}−{(f2r−f1r)/f1r}である。ただし、図面では周波数差検出部3の出力の表示は略記している。
Here, for convenience, it is assumed that a frequency signal having the frequency f1 is output from the
図2は、周波数差検出部3の具体例を示している。31はフリップフロップ回路(F/F回路)であり、このフリップフロップ回路31の一方の入力端に第1の発振回路1からの周波数f1の周波数信号が入力され、他方の入力端に第2の発振回路2から周波数f2の周波数信号が入力され、第1の発振回路1からの周波数f1の周波数信号により第2の発振回路2からの周波数f2の周波数信号をラッチする。以下において記載の冗長を避けるために、f1、f2は、周波数あるいは周波数信号そのものを表しているとして取り扱う。フリップフロップ回路31は、f1とf2との周波数差に対応する値である(f2−f1)/f1の周波数をもつ信号が出力される。
FIG. 2 shows a specific example of the frequency difference detection unit 3.
フリップフロップ回路31の後段には、ワンショット回路32が設けられ、ワンショット回路32では、フリップフロップ回路31から得られたパルス信号における立ち上がりにてワンショットのパルスを出力する。図3(a)〜(d)はここまでの一連の信号を示したタイムチャートである。
ワンショット回路32の後段にはPLL(Phase Locked Loop)が設けられ、このPLLは、ラッチ回路33、積分機能を有するループフィルタ34、加算部35及びDDS回路部36により構成されている。ラッチ回路33はDDS回路部36から出力された鋸波をワンショット回路32から出力されるパルスによりラッチするためのものであり、ラッチ回路33の出力は、前記パルスが出力されるタイミングにおける前記鋸波の信号レベルである。ループフィルタ34は、この信号レベルである直流電圧を積分し、加算部35はこの直流電圧とΔfr(基準温度例えば25℃におけるf1とf2との差分)に対応する直流電圧と加算する。Δfrに対応する直流電圧のデータは図2に示すメモリ30に格納されている。
A one-
A PLL (Phase Locked Loop) is provided at the subsequent stage of the one-
この例では加算部35における符号は、Δfrに対応する直流電圧の入力側が「+」であり、ループフィルタ34の出力電圧の入力側が「−」となっている。DDS回路部36には、加算部35にて演算された直流電圧、即ちΔfrに対応する直流電圧からループフィルタ34の出力電圧を差し引いた電圧が入力され、この電圧値に応じた周波数の鋸波が出力される。PLLの動作の理解を容易にするために図4に極めて模式的に各部の出力の様子を示し、かつ直感的に把握できるようにするために極めて模式的な説明をしておく。装置の立ち上げ時には、Δfrに対応する直流電圧が加算部35を通じてDDS回路部36に入力され、例えばΔfrが5MHzであるとすると、この周波数に応じた周波数の鋸波がDDL36から出力される。
In this example, the sign of the
前記鋸波がラッチ回路33により(f2−f1)に対応する周波数のパルスでラッチされるが、(f2−f1)が例えば6MHzであるとすると、鋸波よりもラッチ用のパルスの周期が短いことから、鋸波のラッチポイントは図4(a)に示すように徐々に下がっていき、ラッチ回路33の出力及びループフィルタ34の出力は図4(b)、(c)に示すように−側に徐々に下がっていく。加算部35におけるループフィルタ34の出力側の符号が「−」であることから、加算部35からDDS回路部36に入力される直流電圧が上昇する。このためDDS回路部36から出力される鋸波の周波数が高くなり、DDS回路部36に6MHzに対応する直流電圧が入力されたときに、鋸波の周波数が6MHzとなって図5(a)〜(c)に示すようにPLLがロックされる。このときにループフィルタ34から出力される直流電圧は、Δfr−(f2−f1)=−1MHzに対応した値となる。つまりループフィルタ34の積分値は、5MHzから6MHzへ鋸波が変化するときの1MHzの変化分の積分値に相当するということができる。
The sawtooth wave is latched with a pulse having a frequency corresponding to (f2-f1) by the
この例とは逆に、Δfrが6MHz、(f2−f1)が5MHzの場合には、鋸波よりもラッチ用のパルスの周期が長いためにことから、図4(a)に示すラッチポイントは徐々に高くなり、これに伴い、ラッチ回路33の出力及びループフィルタ34の出力も上昇する。このため加算部35において差し引かれる値が大きくなるので、鋸波の周波数が徐々に下がり、やがて(f2−f1)と同じ5MHzとなったときにPLLがロックされる。このときにループフィルタ34から出力される直流電圧は、Δfr−(f2−f1)=1MHzに対応した値となる。なお、図6は実測データであり、この例では時刻t0にてPLLがロックしている。
Contrary to this example, when Δfr is 6 MHz and (f2-f1) is 5 MHz, the latch pulse period is longer than that of the sawtooth, so the latch point shown in FIG. The output gradually increases, and accordingly, the output of the
ところで既述のように実際には周波数差検出部3の出力、即ち図2に示す平均化回路37の出力は、{(f2−f1)/f1}−{(f2r−f1r)/f1r}の値を34ビットのディジタル値で表した値である。−50℃付近から100℃付近までのこの値の集合は、(f1−f1r)/f1=OSC1(単位はppmあるいはppb)、(f2−f2r)/f2r=OSC2(単位はppmあるいはppb)とすると、温度に対する変化はOSC2−OSC1と実質同じカーブとなる。従って周波数差検出部3の出力は、OSC2−OSC1=温度データとして取り扱うことができる。
As described above, the output of the frequency difference detection unit 3, that is, the output of the averaging
またフリップフロップ31においてf2をf1によりラッチする動作は非同期であることから、メタステーブル(入力データをクロックのエッジでラッチする際、ラッチするエッジの前後一定時間は入力データを保持する必要があるが、クロックと入力データとがほぼ同時に変化することで出力が不安定になる状態)など不定区間が生じる可能性もあり、ループフィルタ34の出力には瞬間誤差が含まれる可能性がある。このためループフィルタ34の出力側に、予め設定した時間における入力値の移動平均を求める平均化回路37を設け、前記瞬間誤差が生じても取り除くようにしている。平均化回路37を設けることにより、最終的に変動温度分の周波数ずれ情報を高精度に取得することができるが、平均化回路37を設けない構成としてもよい。
In addition, since the operation of latching f2 by f1 in the flip-
ここでPLLのループフィルタ34にて得られた変動温度分の周波数ずれ情報であるOSC2−OSC1に関して図7から図10を参照して説明する。図7は、f1及びf2を基準温度で正規化し、温度と周波数との関係を示す特性図である。ここでいう正規化とは、例えば25℃を基準温度とし、温度と周波数との関係について基準温度における周波数をゼロとし、基準温度における周波数からの周波数のずれ分と温度との関係を求めることを意味している。第1の発振回路1における25℃のときの周波数をf1r、第2の発振回路2における25℃のときの周波数をf2rとすると、つまり25℃におけるf1、f2の値を夫々f1r、f2rとすると、図7の縦軸の値は(f1−f1r)及び(f2−f2r)ということになる。
Here, OSC2-OSC1 which is frequency shift information corresponding to the fluctuating temperature obtained by the
また図8は、図7に示した各温度の周波数について、基準温度(25℃)における周波数に対する変化率を表わしている。従って図8の縦軸の値は、(f1−f1r)/f1r及び(f2−f2r)/f2rであり、即ち既述のようにOSC1及びOSC2である。なお図8の縦軸の値の単位はppmである。 FIG. 8 shows the rate of change with respect to the frequency at the reference temperature (25 ° C.) with respect to the frequency of each temperature shown in FIG. Therefore, the values on the vertical axis in FIG. 8 are (f1-f1r) / f1r and (f2-f2r) / f2r, that is, OSC1 and OSC2 as described above. The unit of the value on the vertical axis in FIG. 8 is ppm.
図9は、OSC1と温度との関係(図8と同じである)、及び(OSC2−OSC1)と温度との関係を示しており、(OSC2−OSC1)が温度に対して直線関係にあることが分かる。従って(OSC2−OSC1)は基準温度からの温度変動ずれ分に対応していることが分かる。 FIG. 9 shows the relationship between OSC1 and temperature (the same as FIG. 8), and the relationship between (OSC2-OSC1) and temperature, and (OSC2-OSC1) has a linear relationship with temperature. I understand. Therefore, it can be seen that (OSC2-OSC1) corresponds to the temperature fluctuation deviation from the reference temperature.
図1に説明を戻すと、周波数差検出部3の出力値は、実質(OSC2−OSC1)であり、この値は図9に示したように水晶振動子10、20が置かれている温度検出値ということができる。そこで周波数差検出部3の後段に加算器(偏差分取り出し回路)6を設け、ディジタル信号である温度設定値(設定温度におけるOSC2−OSC1の34ビットのディジタル値)と周波数差検出部3の出力であるOSC2−OSC1との差分を取り出すようにしている。温度設定値は、水晶発振器の出力を得るための第1の水晶振動子10に対応するOSC1の値が温度変化により変動しにくい温度を選択することが好ましい。この温度は図8に示すOSC1と温度との関係カーブにおいて例えばボトム部分に対応する50℃が選択される。なお、OSC1の値が温度変化により変動しにくい温度という観点では10度を設定温度としてもよく、この場合には室温よりも低い場合もあるので、加熱部及びペルチェ素子などの冷却部と組み合わせた温調部を設けることになる。
そして加算器6の後段には積分回路部に相当するループフィルタ61が設けられている。
Returning to FIG. 1, the output value of the frequency difference detection unit 3 is substantially (OSC2-OSC1), and this value is the temperature detection at which the
A
更にループフィルタ61の後段には、PWM内挿部62が設けられている。PWM内挿部62は、14ビットのディジタル信号(−213から+213 までの2の補数)を一定時間のパルス信号で表現する変換を行う。例えば最小Hパルス幅が10nsecの場合には、214 *10−9 =16.384msecを一定時間とし、その間のパルス数ディジタル信号を表現する。具体的には次のように表される。14ビットのディジタル値がゼロのときには、16.384msec間のHパルス数は213 個である。14ビットのディジタル値が−213のときには、16.384msec間のHパルス数はゼロ個である。14ビットのディジタル値が213 −1のときには、16.384msec間のHパルス数は214 −1個である。
Further, a
PWM内挿部62の後段には、ローパスフィルタ(LPF)63が設けられ、PWM内挿部62からの出力を平均化して当該出力であるパルス数に応じた直流電圧を出力する。即ち、この例ではPWM内挿部62及びローパスフィルタ63は、ディジタル値をアナログ値に変換するためのものであり、これらを用いることに代えてディジタル/アナログ変換器を用いてもよい。
A low-pass filter (LPF) 63 is provided at the subsequent stage of the
ローパスフィルタ(LPF)63の後段には、加熱部に相当するヒータ回路5が設けられている。このヒータ回路5は、図10に示すようにローパスフィルタ63の出力端がベースに接続されると共に電源部Vcからコレクタに電圧が供給されるトランジスタ64とこのトランジスタ64のエミッタとアースとの間に接続された抵抗65とからなる。トランジスタ64のベースに供給される電圧と、トランジスタ64の消費電力及び抵抗65の消費電力との合計電力と、の関係は直線関係になっており、このため既述の温度データと温度設定値との差分に応じて発熱温度が直線的に制御される。この例では、トランジスタ64も発熱部の一部であることから、ヒータとヒータ制御回路とが兼用されたヒータ回路5という表現を用いている。
A
図11は、図1に示す発振装置の概略構造を示す図である。51は容器、52は容器51内に設けられたプリント基板である。プリント基板52の上面側には、水晶振動子10、20と、発振回路1、2及び周波数差検出部3などを含むディジタル処理を行う回路をワンチップ化した集積回路部300及び制御回路部200などが設けられている。またプリント基板52の下面側には、例えば水晶振動子10、20と対向する位置にヒータ5が設けられ、このヒータ5の発熱により、水晶振動子10、20が設定温度に維持されている。
FIG. 11 is a diagram showing a schematic structure of the oscillation device shown in FIG. Reference numeral 51 denotes a container, and 52 denotes a printed circuit board provided in the container 51. On the upper surface side of the printed
またこの実施の形態に係る発振装置は、既述のように制御回路部200に入力される基準クロックの温度補償を行う温度補償部も備えている。即ちこの例の発振装置は、OCXOとTCXOとを組み合わせたものである。しかし、本発明はTCXOを組み合わせなくてもよい。この温度補償部は、水晶振動子10、20、発振回路1、2、周波数差検出部3及び補正値演算部4からなる。即ち、周波数差検出部3は、ヒータ5の温度制御を行う部分の一部であるが、前記温度補償部の一部でもある。
PLLのループフィルタ34にて得られた変動温度分の周波数ずれ情報は、図1に示す補正値取得部である補正値演算部4に入力され、ここで周波数の補正値が演算される。周波数ずれ情報については既に述べたとおりである。
The oscillation device according to this embodiment also includes a temperature compensation unit that performs temperature compensation of the reference clock input to the
The frequency deviation information corresponding to the fluctuating temperature obtained by the
図12は、OSC1と温度との関係(図8と同じである)、及び(OSC2−OSC1)と温度との関係を示しており、(OSC2−OSC1)が温度に対して直線関係にあることが分かる。従って(OSC2−OSC1)は基準温度からの温度変動ずれ分に対応していることが分かる。そして一般的には水晶振動子の周波数温度特性は3次関数で表わされると言われていることから、この3次関数による周波数変動分を相殺する周波数補正値と(OSC2−OSC1)との関係を求めておけば、(OSC2−OSC1)の検出値に基づいて周波数補正値が求まることになる。 FIG. 12 shows the relationship between OSC1 and temperature (the same as FIG. 8), and the relationship between (OSC2-OSC1) and temperature, and (OSC2-OSC1) has a linear relationship with temperature. I understand. Therefore, it can be seen that (OSC2-OSC1) corresponds to the temperature fluctuation deviation from the reference temperature. In general, it is said that the frequency temperature characteristic of the crystal resonator is expressed by a cubic function. Therefore, the relationship between the frequency correction value that cancels the frequency fluctuation due to this cubic function and (OSC2-OSC1). Is obtained, the frequency correction value is obtained based on the detected value of (OSC2-OSC1).
この実施形態の発振装置は、既述のように第1の発振回路1から得られる周波数信号(f1)を図1に示す制御回路部200の基準クロックとして用いており、この基準クロックに周波数温度特性が存在することから、基準クロックの周波数に対して温度補正を行おうとしている。このため先ず基準温度で正規化した、温度とf1との関係を示す関数を予め求めておき、この関数によるf1の周波数変動分を相殺するための関数を図13のように求めておく。なお詳しくは、前記関数のf1は、基準温度における周波数の変動率である(f1−f1r)/f1r=OSC1である。従って図13の縦軸は−OSC1である。この例では温度補正を高精度に行うために前記関数を例えば9次関数として定めている。
As described above, the oscillation device of this embodiment uses the frequency signal (f1) obtained from the
既述のように温度と(OSC2−OSC1)とが直線関係にあることから、図13の横軸は、(OSC2−OSC1)の値としているが、(OSC2−OSC1)の値をそのまま用いると、この値を特定するためのデータ量が多くなることから、次のようにして(OSC2−OSC1)の値を正規化している。即ち、発振装置が実際に使用されるであろう上限温度及び下限温度を定めておき、上限温度のときの(OSC2−OSC1)の値を+1、下限温度のときの(OSC2−OSC1)の値を−1として取り扱っている。この例では図13に示すように−30ppmを+1とし、+30ppmを−1としている。 Since the temperature and (OSC2-OSC1) are in a linear relationship as described above, the horizontal axis in FIG. 13 is the value of (OSC2-OSC1), but if the value of (OSC2-OSC1) is used as it is, Since the amount of data for specifying this value increases, the value of (OSC2-OSC1) is normalized as follows. That is, an upper limit temperature and a lower limit temperature at which the oscillation device will actually be used are determined, the value of (OSC2-OSC1) at the upper limit temperature is +1, and the value of (OSC2-OSC1) at the lower limit temperature Is treated as -1. In this example, as shown in FIG. 13, -30 ppm is set to +1, and +30 ppm is set to -1.
水晶振動子における温度に対する周波数特性は、この例では9次の多項近似式として取り扱っている。具体的には、水晶振動子の生産時に(OSC2−OSC1)と温度との関係を実測により取得し、この実測データから、温度に対する周波数変動分を相殺する、温度と−OSC1との関係を示す補正周波数曲線を導き出し、最小二乗法により9次の多項近似式係数を導き出している。そして多項近似式係数を予めメモリ30(図1参照)に記憶しておき、補正値演算部4は、これら多項近似式係数を用いて(1)式の演算処理を行う。 In this example, the frequency characteristic with respect to the temperature in the quartz resonator is handled as a ninth-order polynomial approximation. Specifically, the relationship between (OSC2-OSC1) and temperature is obtained by actual measurement at the time of crystal unit production, and the relationship between temperature and -OSC1 that cancels the frequency variation with respect to temperature is shown from the actual measurement data. A correction frequency curve is derived, and a ninth-order polynomial approximate expression coefficient is derived by the method of least squares. The polynomial approximate expression coefficients are stored in advance in the memory 30 (see FIG. 1), and the correction value calculation unit 4 performs calculation processing of the expression (1) using these polynomial approximate expression coefficients.
Y=P1・X9 +P2・X8 +P3・X7 +P4・X6 +P5・X5 +P6・X4 +P7・X3 +P8・X2 +P9・X ………(1)
(1)式においてXは周波数差検出情報、Yは補正データ、P1〜P9は多項近似式係数である。
Y = P1 · X 9 + P2 · X 8 + P3 · X 7 + P4 · X 6 + P5 · X 5 + P6 · X 4 + P7 · X 3 + P8 · X 2 + P9 · X (1)
In Equation (1), X is frequency difference detection information, Y is correction data, and P1 to P9 are polynomial approximate expression coefficients.
ここで、Xは図1に示す周波数差検出部3により得られた値、即ち図2に示す平均化回路37により得られた値(OSC2−OSC1)である。
補正値演算部4にて演算を実行するためのブロック図の一例を図11に示す。図14中、401〜409は(1)式の各項の演算を行う演算部、400は加算部、410は丸め処理を行う回路である。なお、補正値演算部4は、例えば1個の掛け算部を用い、この掛け算部にて9乗項の値を求め、次に当該掛け算部にて8乗項の値を求めるといった具合に、当該掛け算部をいわば使いまわして最終的に各乗項の値を加算するようにしてもよい。また補正値の演算式は9次の多項近似式を用いることに限定されるものではなく、要求される精度に応じた次数の近似式を用いてもよい。
Here, X is a value obtained by the frequency difference detector 3 shown in FIG. 1, that is, a value (OSC2-OSC1) obtained by the averaging
An example of a block diagram for executing the calculation in the correction value calculation unit 4 is shown in FIG. In FIG. 14,
次に上述の実施の形態の全体の動作についてまとめる。この発振装置の水晶発振器に着目すると、水晶発振器の出力は第1の発振回路1から出力される周波数信号に相当する。そしてヒータ5により水晶振動子10、20の置かれる雰囲気が設定温度になるように加熱されている。第1の水晶振動子10及び第1の発振回路1は、水晶発振器の出力である周波数信号を生成するものであるが、第2の水晶振動子20及び第2の発振回路2と共に温度検出部としての役割を持っている。これら発振回路1、2から各々得られる周波数信号の周波数差に対応する値OSC2−OSC1は、既述のように温度に対応し、加算部にて温度設定値(例えば50℃におけるOSC2−OSC1の値)との差分が取り出される。
Next, the overall operation of the above-described embodiment will be summarized. When attention is paid to the crystal oscillator of this oscillation device, the output of the crystal oscillator corresponds to the frequency signal output from the
この差分はループフィルタ61で積分され、その後直流電圧に変換されてヒータ5の制御電力が調整される。図9に示す特性図からわかるように、50℃のときのOSC1の値を−1.5×105とすると、加算器6の出力は、温度が50℃よりも低いときには正の値であって、温度が下がるに従って大きくなる。従って水晶振動子10、20が置かれている雰囲気温度が50℃よりも低くなるほど、ヒータ5の制御電力が大きくなるように作用する。また雰囲気温度が50℃よりも高いときには負の値になり、温度が上がるにつれてその絶対値が大きくなる。従って温度が50℃よりも高くなるほど、ヒータの供給電力が小さくなるように作用する。このため水晶振動子10、20が置かれる雰囲気の温度は設定温度である50℃に維持されようとするので、発振出力である第1の発振器1からの出力周波数が安定する。この結果、第1の発振器1からの出力をクロック信号として用いている制御回路部200において、位相比較部205に供給される参照信号の周波数が安定するので、発振装置(周波数シンセサイザ)の出力である電圧制御発振器100からの出力周波数も安定する。
This difference is integrated by the
一方、周波数差検出部3からの出力(OSC2−OSC1)は補正値演算部4に入力され、既述の(1)式の演算が実行されて温度補正データである周波数補正分が得られる。(1)式の演算は、例えば図13に示す特性図において、周波数差検出部3の出力値に基づいて得られた値に対応する補正周波数曲線の縦軸の値を求める処理である。 On the other hand, the output (OSC2-OSC1) from the frequency difference detection unit 3 is input to the correction value calculation unit 4, and the calculation of the above-described equation (1) is executed to obtain the frequency correction data as temperature correction data. The calculation of equation (1) is a process for obtaining the value of the vertical axis of the correction frequency curve corresponding to the value obtained based on the output value of the frequency difference detection unit 3 in the characteristic diagram shown in FIG.
図1に示すように第1の水晶振動子11及び第2の水晶振動子12は共通の水晶片Xbを用いて構成され、互いに熱的に結合されていることから、発振回路11、12の周波数差は、環境温度に極めて正確に対応した値であり、従って周波数差検出部3の出力は、環境温度と基準温度(この例では25℃)との温度差情報である。第1の発振回路11の出力される周波数信号f1は制御部200のメインクロックとして使用されるものであることから、補正値演算部4にて得られた補正値は、温度が25℃からずれたことによるf1の周波数ずれ分に基づく制御部200の動作への影響を相殺するために制御部200の動作を補償するための信号として用いられる。この結果、本実施形態の発振装置1の出力である電圧制御発振器100の出力周波数が温度変動にかかわらず安定したものとなる。
As shown in FIG. 1, the
以上のように上述実施の形態によれば、水晶振動子10、20の各々から得られる周波数信号の周波数差に相当する値の両者の差分を温度検出値として用い、水晶振動子10、20の雰囲気温度を管理しているヒータ5を前記温度検出値に基づいて制御している。このため雰囲気温度を設定温度に高精度に維持することができ、水晶発振器の出力(第1の発振器1の出力)が安定する。
As described above, according to the above-described embodiment, the difference between the values corresponding to the frequency difference between the frequency signals obtained from each of the
更にこの実施の形態では水晶発振器の出力を発振装置である周波数シンセサイザの発振出力を作成する制御回路部200にクロック信号として供給し、そして周波数差に相当する値を用いて前記クロック信号を補正している。即ち、周波数シンセサイザは、補正値演算部4にて得られた補正値を、DDS201の周波数設定値に加算して、DDS201に入力されるメインクロック(f1)の温度補償を行っている。このように周波数シンセサイザがOCXOとTCXOとの両方の機能を備えることにより次の利点がある。メーカは周波数シンセサイザの使用温度範囲を定めているが、ユーザが使用温度範囲から外れた環境で周波数シンセサイザを使用した場合でも、出力周波数が安定している。またヒータによる温度設定値を高くして、使用温度範囲の上限値を高くしようとする場合には、ヒータの消費電力が大きくなりヒータ回路の規模も大きくなるが、TCXOの機能を用いることにより、ヒータの消費電力を抑えることができる利点がある。
しかし、周波数シンセサイザは、図15に示すように補正値演算部4を備えない(TCXOの機能を持たない)構成であってもよい。この場合においてもf1とf1rとの差分に対応する値と、f2とf2rとの差分に対応する値と、の差分値に対応する値をそのときの温度として取り扱うようにしている。この値と温度との相関度は、極めて高いため、当該値を温度検出値として加熱部の供給電力を制御することにより、水晶振動子が置かれる雰囲気の温度が極めて安定する。この結果安定度が高い発振出力が得られる。
ここでループフィルタ61はループゲイン及びダンピングを決定するための回路であり、ループゲイン及びダンピングは夫々ディジタル値によって係数を調整できる。ループ係数をディジタル化することで構造変更による熱伝達係数が変わっても、構造ごとに係数を容易に調整することが可能である。
Furthermore, in this embodiment, the output of the crystal oscillator is supplied as a clock signal to the
However, the frequency synthesizer may be configured not to include the correction value calculation unit 4 (not to have a TCXO function) as shown in FIG. Even in this case, the value corresponding to the difference between the value corresponding to the difference between f1 and f1r and the value corresponding to the difference between f2 and f2r is handled as the temperature at that time. Since the degree of correlation between this value and temperature is extremely high, the temperature of the atmosphere in which the crystal unit is placed is extremely stabilized by controlling the power supplied to the heating unit using the value as a temperature detection value. As a result, an oscillation output with high stability can be obtained.
Here, the
上述の例では、水晶振動子10、20の各々の3次オーバートンを出力周波数として取り出しており、オーバートーンの周波数温度特性は温度変化が大きいことから、これらの差分に対応する値は、温度に対して感度がよいということができ、好ましい態様である。しかし水晶振動子10、20の各基本波を出力周波数として取り出してこれらの差分に対応する値を温度値として用いてもよい。あるいは水晶振動子10、20の一方及び他方から夫々基本波、オーバートーンを取り出し、これらの差分に対応する値を温度値として取り扱ってもよい。
In the above example, the third overton of each of the
また周波数差検出情報を求めるために、f1とf2との差分周波数に対応するパルスを作成し、DDS回路部から出力された鋸波信号を前記パルスによりラッチ回路でラッチし、ラッチされた信号値を積分してその積分値を前記周波数差として出力すると共に、この出力とf1rとf2rとの差分に対応する値との差分を取り出して、前記DDS回路部に入力してPLLを構成している。特許文献1のようにf1、f2をカウントしてその差分を取得する場合には、カウント時間が検出精度に直接影響するが、このような構成では、このような問題がないため検出精度が高い。実際に両者の方式をシミュレーションにより比較し、周波数をカウントする方式においては200msのカウント時間を設定したところ、検出精度について本実施形態の方式の方が約50倍高いという結果を得た。
Further, in order to obtain the frequency difference detection information, a pulse corresponding to the difference frequency between f1 and f2 is created, and the sawtooth signal output from the DDS circuit unit is latched by the latch circuit by the pulse, and the latched signal value And the integrated value is output as the frequency difference, and the difference between this output and the value corresponding to the difference between f1r and f2r is extracted and input to the DDS circuit unit to constitute the PLL. . When f1 and f2 are counted and the difference is acquired as in
周波数差検出部3は、f1とf1rとの差分に対応する値と、f2とf2rとの差分に対応する値と、の差分値に対応する値として、(f1−f1r)と(f2−f2r)との差分値そのものを用いてもよく、この場合には、図7のグラフが活用されて温度が求められることになる。 The frequency difference detection unit 3 uses (f1−f1r) and (f2−f2r) as values corresponding to the difference value between the value corresponding to the difference between f1 and f1r and the value corresponding to the difference between f2 and f2r. ) May be used, and in this case, the temperature is obtained using the graph of FIG.
上述の実施形態において、図8から図10の説明では、周波数の変化分を「ppm」単位で表示しているが、実際のデジタル回路では全て2進数での扱いとなるため、DDS回路36の周波数設定精度は構成ビット数で計算され、例えば34ビットである。一例を挙げると、図1に示す制御回路部200に含まれるDDS回路部201に10MHzのクロックを供給する場合においてこのクロックの変動周波数が100Hzの場合
〔変動比率計算〕
100Hz/10MHz=0.00001
〔ppm換算〕
0.00001*1e6=10〔ppm〕
〔DDS設定精度換算〕
0.00001*2^34≒171,799〔ratio−34bit(仮称)〕となる。
In the above embodiment, in the description of FIG. 8 to FIG. 10, the change in frequency is displayed in “ppm” units. However, in an actual digital circuit, all are handled in binary numbers. The frequency setting accuracy is calculated by the number of constituent bits, and is 34 bits, for example. As an example, when a clock frequency of 10 MHz is supplied to the
100Hz / 10MHz = 0.00001
[Ppm conversion]
0.00001 * 1e6 = 10 [ppm]
[DDS setting accuracy conversion]
0.00001 * 2 ^ 34≈171,799 [ratio-34 bit (provisional name)].
上記の構成の場合、前記周波数設定精度は次の(2)式で表わされる。
1×〔ratio−34bit〕=10M〔Hz〕/2^34≒0.58m〔Hz/bit〕 ……(2)
従って100〔Hz〕/0.58m〔Hz/bit〕≒171,799〔bit(ratio−34bit)〕となる。
また、0.58mHzは10MHzに対して、次の(3)式のように計算できる。
0.58m〔Hz〕/10M〔Hz〕*1e9≒0.058〔ppb〕…(3)
従って(2)、(3)式から、(4)式の関係が成り立つ。
In the case of the above configuration, the frequency setting accuracy is expressed by the following equation (2).
1 × [ratio−34 bits] = 10 M [Hz] /2^34≈0.58 m [Hz / bit] (2)
Therefore, 100 [Hz] /0.58 m [Hz / bit] ≈171,799 [bit (ratio−34 bits)].
Moreover, 0.58 mHz can be calculated as in the following equation (3) with respect to 10 MHz.
0.58 m [Hz] / 10 M [Hz] * 1e9≈0.058 [ppb] (3)
Therefore, the relationship of the formula (4) is established from the formulas (2) and (3).
1e9/2^34=0.058〔ppb/ratio−34bit〕…(4)
即ちDDS回路36で処理した周波数は消え、ビット数のみの関係となる。
1e9 / 2 ^ 34 = 0.058 [ppb / ratio−34 bits] (4)
That is, the frequency processed by the
更にまた上述の例では第1の水晶振動子10及び第2の水晶振動子20とは共通の水晶片Xbを用いているが、水晶片Xbが共通化されていなくてもよい。この場合、例えば共通の筐体の中に第1の水晶振動子10及び第2の水晶振動子20を配置する例を挙げることができる。このような構成によれば、実質同一の温度環境下に置かれるため、同様の効果が得られる。
Furthermore, in the above-described example, the
周波数差検出部3のDDS回路部36の出力信号は、鋸波に限ることなく、時間と共に信号値が増加、減少を繰り返す周波数信号であればよく、例えば正弦波であってもよい。 また周波数差検出部3としては、f1とf2とをカウンタによりカウントし、そのカウント値の差分値からΔfrに相当する値を差し引いて、得られたカウント値に対応する値を出力するようにしてもよい。
以上の実施の形態では、第1の水晶振動子10及び第1の発振回路1は温度検出値を取り出す役割と水晶発振器の出力を作成する役割とを持っている。即ち発振回路1は温度検出のための発振回路と、水晶発振器の出力用の発振回路とを共用している。しかし本発明は、例えば水晶振動子を3個用意すると共に発振回路を3個用意し、例えば図1の構成において、第3の水晶振動子と当該水晶振動子に接続された第3の発振回路とを用意し、第3の発振回路の出力を水晶発振器の出力とし、残りの第1の発振回路及び第2の発振回路の発振出力を周波数差検出部に入力し温度検出値を得るようにしてもよい。この場合、OCXOとTCXOとを組み合わせたものとするならば、第3の水晶発振回路の出力がDDS201のクロックとして使用されることになる。
図1及び図15に示す発振装置である周波数シンセサイザは、水晶振動子10、20、発振回路1、2、周波数差検出部3、加算部6〜ヒータ回路5に至る部分からなる、本発明の実施形態である水晶発振器を利用して構成されている。しかし、本発明は、周波数シンセサイザとして構成することに限られず、第1の発振回路1の発振出力を、本発明の水晶発振器の出力とする構成、つまり制御回路部200を用いない構成としてもよい。
The output signal of the
In the above embodiment, the
The frequency synthesizer which is the oscillation device shown in FIG. 1 and FIG. 15 includes
既述の実施の形態に示した回路を用い、水晶振動子10、20が置かれている雰囲気の温度を1℃/1分の傾きで連続的に変化させたときの2つの水晶振動子10、20の周波数差の推移を示すランプ応答波形を調べたところ、図16に示す結果が得られた。f1、f2はいずれも3次オーバートーンを用いている。図16の1目盛りは20m℃(20℃/1000)に相当し、温度傾斜が1℃/1分のときに20m℃相当のオフセットが確認でき、ループフィルタ61の係数の適正化によりオフセット量を減らすことができる。
Two
また前記雰囲気温度を1℃変化させたときの周波数差検出部3の出力の推移を示すステップ応答波形を調べたところ、図17に示す結果が得られた。この結果から周波数差検出部3の出力(OSC2−OSC1)が温度変化に追従することが分かる。なお応答波形のオーバーシュート部分はループフィルタ61の係数を調整することにより改善できる。
Further, when the step response waveform showing the transition of the output of the frequency difference detection unit 3 when the ambient temperature was changed by 1 ° C. was examined, the result shown in FIG. 17 was obtained. From this result, it can be seen that the output (OSC2-OSC1) of the frequency difference detector 3 follows the temperature change. The overshoot portion of the response waveform can be improved by adjusting the coefficient of the
1 第1の発振回路
2 第2の発振回路
10 第1の水晶振動子
20 第2の水晶振動子
3 周波数差検出部
31 フリップフロップ回路
32 ワンショット回路
33 ラッチ回路
34 ループフィルタ
35 加算部
36 DDS回路部
4 補正値演算部(補正値取得部)
5 ヒータ回路
6 加算部
100 電圧制御発振器
200 制御回路部
DESCRIPTION OF
5
Claims (6)
前記水晶振動子が置かれる雰囲気の温度の一定化を図るための加熱部と、
水晶片に第1の電極を設けて構成した第1の水晶振動子と、
水晶片に第2の電極を設けて構成した第2の水晶振動子と、
これら第1の水晶振動子及び第2の水晶振動子に夫々接続された第1の発振回路及び第2の発振回路と、
第1の発振回路の発振周波数をf1、基準温度における第1の発振回路の発振周波数をf1r、第2の発振回路の発振周波数をf2、基準温度における第2の発振回路の発振周波数をf2rとすると、{(f2−f2r)/f2r}−{(f1−f1r)/f1r}に対応する値を温度検出値として求める周波数差検出部と、
水晶振動子が置かれる雰囲気の温度の温度設定値と前記温度検出値との偏差分を取り出す加算部と、
この加算部にて取り出された偏差分に基づいて前記加熱部に供給される電力を制御する回路部と、を備えたことを特徴とする水晶発振器。 An oscillator circuit for oscillator output connected to a crystal unit;
A heating unit for stabilizing the temperature of the atmosphere in which the crystal unit is placed;
A first crystal unit configured by providing a first electrode on a crystal piece;
A second crystal unit configured by providing a second electrode on a crystal piece;
A first oscillation circuit and a second oscillation circuit connected to the first crystal unit and the second crystal unit, respectively;
The oscillation frequency of the first oscillation circuit is f1, the oscillation frequency of the first oscillation circuit at the reference temperature is f1r, the oscillation frequency of the second oscillation circuit is f2, and the oscillation frequency of the second oscillation circuit at the reference temperature is f2r. Then, a frequency difference detection unit that obtains a value corresponding to {(f2-f2r) / f2r}-{(f1-f1r) / f1r} as a temperature detection value;
An adder for extracting a deviation between the temperature setting value of the temperature of the atmosphere in which the crystal unit is placed and the temperature detection value;
A crystal oscillator comprising: a circuit unit that controls electric power supplied to the heating unit based on a deviation taken out by the adding unit.
(2)前記水晶振動子が置かれる雰囲気の温度の一定化を図るための加熱部と、
(3)水晶片に第1の電極を設けて構成した第1の水晶振動子と、
(4)水晶片に第2の電極を設けて構成した第2の水晶振動子と、
(5)これら第1の水晶振動子及び第2の水晶振動子に夫々接続された第1の発振回路及び第2の発振回路と、
(6)第1の発振回路の発振周波数をf1、基準温度における第1の発振回路の発振周波数をf1r、第2の発振回路の発振周波数をf2、基準温度における第2の発振回路の発振周波数をf2rとすると、
前記f1とf2との差分の周波数のパルスを作成するパルス作成部と、入力された直流電圧の大きさに応じた周波数で時間と共に信号値が増加、減少を繰り返す周波数信号を出力するDDS回路部と、このDDS回路部から出力された周波数信号を前記パルス作成部にて作成されたパルスによりラッチするラッチ回路と、このラッチ回路にてラッチされた信号値を積分してその積分値を温度検出値として出力するループフィルタと、このループフィルタの出力とf1rとf2rとの差分に対応する値との差分を取り出して、前記DDS回路部の入力値とする加算部と、を備えた周波数差検出部と、
(7)水晶振動子が置かれる雰囲気の温度の温度設定値と前記温度検出値との偏差分を取り出す加算部と、
(8)前記温度設定値と前記温度検出値との偏差分を取り出す加算部にて取り出された前記偏差分に基づいて前記加熱部に供給される電力を制御する回路部と、を備えたことを特徴とする水晶発振器。 (1) an oscillator circuit for outputting an oscillator connected to a crystal unit;
(2) a heating unit for stabilizing the temperature of the atmosphere in which the crystal unit is placed;
(3) a first crystal unit configured by providing a first electrode on a crystal piece;
(4) a second crystal unit configured by providing a second electrode on a crystal piece;
(5) a first oscillation circuit and a second oscillation circuit connected to the first crystal unit and the second crystal unit, respectively;
(6) The oscillation frequency of the first oscillation circuit is f1, the oscillation frequency of the first oscillation circuit at the reference temperature is f1r, the oscillation frequency of the second oscillation circuit is f2, and the oscillation frequency of the second oscillation circuit at the reference temperature Let f2r be
A pulse generating unit that generates a pulse having a frequency difference between f1 and f2, and a DDS circuit unit that outputs a frequency signal that repeatedly increases and decreases with time at a frequency according to the magnitude of the input DC voltage A latch circuit that latches the frequency signal output from the DDS circuit unit with the pulse generated by the pulse generation unit, and integrates the signal value latched by the latch circuit to detect the integrated value of the temperature A frequency difference detection comprising: a loop filter that outputs as a value; and an adder that extracts a difference between the output of the loop filter and a value corresponding to a difference between f1r and f2r and uses the difference as an input value of the DDS circuit unit And
(7) an adding unit for extracting a deviation between the temperature setting value of the atmosphere in which the crystal unit is placed and the temperature detection value;
(8), further comprising a circuit section for controlling the power supplied to the heating unit based on said deviations taken by the adding unit to take out the deviations of the temperature setting value and the detected temperature value Crystal oscillator characterized by
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012166032A JP6092540B2 (en) | 2011-08-01 | 2012-07-26 | Crystal oscillator |
US13/562,270 US8729978B2 (en) | 2011-08-01 | 2012-07-30 | Quartz-crystal controlled oscillator |
TW101127626A TWI509978B (en) | 2011-08-01 | 2012-07-31 | Crystal controlled oscillator and oscillator apparatus |
CN201210272235.7A CN102916652B (en) | 2011-08-01 | 2012-08-01 | Crystal oscillator |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011168764 | 2011-08-01 | ||
JP2011168764 | 2011-08-01 | ||
JP2012166032A JP6092540B2 (en) | 2011-08-01 | 2012-07-26 | Crystal oscillator |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2013051677A JP2013051677A (en) | 2013-03-14 |
JP6092540B2 true JP6092540B2 (en) | 2017-03-08 |
Family
ID=48013358
Family Applications (2)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2012166021A Active JP5931628B2 (en) | 2011-08-01 | 2012-07-26 | Crystal oscillator |
JP2012166032A Active JP6092540B2 (en) | 2011-08-01 | 2012-07-26 | Crystal oscillator |
Family Applications Before (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2012166021A Active JP5931628B2 (en) | 2011-08-01 | 2012-07-26 | Crystal oscillator |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
JP (2) | JP5931628B2 (en) |
TW (1) | TWI509978B (en) |
Families Citing this family (16)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5872493B2 (en) * | 2012-06-13 | 2016-03-01 | 株式会社東芝 | Oscillation frequency adjustment circuit |
JP5946737B2 (en) | 2012-09-27 | 2016-07-06 | 日本電波工業株式会社 | Oscillator |
JP5995673B2 (en) | 2012-11-15 | 2016-09-21 | 日本電波工業株式会社 | Oscillator |
JP6118091B2 (en) | 2012-12-10 | 2017-04-19 | 日本電波工業株式会社 | Oscillator |
JP6045961B2 (en) | 2013-01-31 | 2016-12-14 | 日本電波工業株式会社 | Crystal oscillator and oscillation device |
JP6033156B2 (en) * | 2013-03-29 | 2016-11-30 | 日本電波工業株式会社 | Oscillator |
JP6055708B2 (en) * | 2013-03-29 | 2016-12-27 | 日本電波工業株式会社 | Crystal oscillator and oscillation device |
JP6177614B2 (en) * | 2013-07-29 | 2017-08-09 | 日本電波工業株式会社 | Oscillator |
JP2015061171A (en) | 2013-09-18 | 2015-03-30 | 日本電波工業株式会社 | Oscillation device |
JP2015119378A (en) * | 2013-12-19 | 2015-06-25 | 日本電波工業株式会社 | High-stable oscillator |
JP6548411B2 (en) | 2014-03-31 | 2019-07-24 | 日本電波工業株式会社 | Oscillator |
JP6288777B2 (en) * | 2014-06-25 | 2018-03-07 | 日本電波工業株式会社 | Oscillator |
JP6089011B2 (en) * | 2014-08-20 | 2017-03-01 | 日本電波工業株式会社 | OSCILLATOR AND METHOD FOR MANUFACTURING OSCILLATOR |
JP6564244B2 (en) | 2015-05-28 | 2019-08-21 | 日本電波工業株式会社 | OSCILLATOR AND METHOD FOR MANUFACTURING OSCILLATOR |
JP6567403B2 (en) | 2015-12-09 | 2019-08-28 | 株式会社メガチップス | Frequency calibration circuit and frequency calibration method |
JP2020145528A (en) * | 2019-03-05 | 2020-09-10 | セイコーエプソン株式会社 | Oscillator, electronic apparatus, and movable body |
Family Cites Families (15)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5643806A (en) * | 1979-09-17 | 1981-04-22 | Seikosha Co Ltd | Thermoregulator |
JPS63312704A (en) * | 1987-06-15 | 1988-12-21 | Kinseki Kk | Digitally temperature compensated crystal oscillator |
JPH02170607A (en) * | 1988-12-22 | 1990-07-02 | Nippon Dempa Kogyo Co Ltd | Frequency temperature compensating crystal oscillator |
JPH0468903A (en) * | 1990-07-07 | 1992-03-04 | Asahi Denpa Kk | Oscillator having temperature sensing function and crystal oscillator element and temperature detection method |
JP2748740B2 (en) * | 1990-09-28 | 1998-05-13 | 日本電気株式会社 | Temperature compensated oscillator and temperature detector |
JPH098551A (en) * | 1995-06-20 | 1997-01-10 | Fujitsu Ltd | Highly stabilized oscillation circuit |
JP3096636B2 (en) * | 1996-04-03 | 2000-10-10 | 八重洲無線株式会社 | PLL circuit |
US5604468A (en) * | 1996-04-22 | 1997-02-18 | Motorola, Inc. | Frequency synthesizer with temperature compensation and frequency multiplication and method of providing the same |
JP2002261604A (en) * | 2000-12-22 | 2002-09-13 | Ando Electric Co Ltd | Pll circuit and control method of pll circuit |
JP4796414B2 (en) * | 2006-03-14 | 2011-10-19 | 日本電波工業株式会社 | Crystal oscillator |
WO2008048563A2 (en) * | 2006-10-17 | 2008-04-24 | Marvell World Trade Ltd. | Crystal oscillator emulator |
CN201113979Y (en) * | 2007-09-26 | 2008-09-10 | 东莞市金振电子有限公司 | High-frequency high precision locking phase constant temperature crystal oscillator |
ATE531124T1 (en) * | 2009-04-07 | 2011-11-15 | Swatch Group Res & Dev Ltd | AMPLIFIER CIRCUIT WITH LOW PHASE NOISE |
CN101610081B (en) * | 2009-07-16 | 2012-05-09 | 广东大普通信技术有限公司 | Temperature compensating crystal oscillator |
CN101777870B (en) * | 2009-12-24 | 2012-06-27 | 广东大普通信技术有限公司 | Constant-temperature temperature-control crystal oscillator |
-
2012
- 2012-07-26 JP JP2012166021A patent/JP5931628B2/en active Active
- 2012-07-26 JP JP2012166032A patent/JP6092540B2/en active Active
- 2012-07-31 TW TW101127626A patent/TWI509978B/en active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP5931628B2 (en) | 2016-06-08 |
TWI509978B (en) | 2015-11-21 |
JP2013051677A (en) | 2013-03-14 |
TW201308877A (en) | 2013-02-16 |
JP2013051676A (en) | 2013-03-14 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6092540B2 (en) | Crystal oscillator | |
JP5893924B2 (en) | Oscillator | |
JP5782724B2 (en) | Oscillator | |
JP5946737B2 (en) | Oscillator | |
US8729978B2 (en) | Quartz-crystal controlled oscillator | |
JP5863394B2 (en) | Oscillator | |
JP6045961B2 (en) | Crystal oscillator and oscillation device | |
TWI533594B (en) | Oscillating device | |
JP2012195932A (en) | Oscillation device | |
JP2013232836A (en) | Oscillation device | |
TWI583127B (en) | Crystal oscillator and oscillation device | |
JP2013143601A (en) | Oscillation device | |
TWI600270B (en) | Oscillation device |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20150427 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20160316 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20160419 |
|
A601 | Written request for extension of time |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601 Effective date: 20160620 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20160810 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20170110 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20170209 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6092540 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |