DD255832A5 - CIRCUIT ARRANGEMENT FOR TEMPERATURE COMPENSATION OF THE FREQUENCY OF ATOMIZED CRYSTALS OF ILLUSTRATED OSCILLATORS AND METHOD FOR ADJUSTING THE COMPENSATION - Google Patents
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Abstract
Die erfindungsgemaesse Schaltungsanordnung weist ein die Frequenz des Kristalls geringmaessig beeinflussendes spannungsgesteuertes Abstimmelement, sowie zwei solche Temperaturkompensationsschaltungen (16, 18) auf, die mit dem Kristall thermisch gekoppelt sind und eine zur Kompensation der Temperaturabhaengigkeit der den beiden Grenzschnittwinkeln des erwaehnten Schnittwinkelbereiches zugeordneten Kristallen geeignete Kompensationsspannung erzeugen. Die Schaltungsanordnung umfasst weiterhin ein lineares Interpolationselement (14) mit stellbarem Proportionalitaetsfaktor, dessen zwei Eingaenge jeweils mit den Ausgaengen der Temperaturkompensationsschaltungen (16, 18) verbunden sind, waehrend der Ausgang des Interpolationselementes (14) an dem die Frequenz des Oszillators beeinflussenden Abstimmelement (12) angeschlossen ist, wobei dieser Ausgang die auf den Schnittwinkel des gegebenen Kristalls abgestimmt gewogene Summe der beiden Kompensationsspannungen liefert. Die Temperaturkompensationsschaltungen sind auch fuer mehrere Oszillatoren verwendbar. Bei dem zur Einstellung der Temperaturkompensation der Schaltungsanordnung dienenden Verfahren wird in einem ersten Schritt die Anordnung auf eine Temperatur von etwa 25C gebracht und die Frequenz des Oszillators bei einer Mittelstellung des Interpolationselementes mit Hilfe eines von dem Interpolationselement separierten Abstimmelementes auf die nominale Frequenz des Kristalles eingestellt, danach wird die Temperatur wesentlich geaendert und die Frequenz mittels des linearen Interpolationselementes auf den gleichen Wert eingestellt. Fig. 2The circuit arrangement according to the invention has a voltage-controlled tuning element which slightly influences the frequency of the crystal, and two temperature compensation circuits (16, 18) which are thermally coupled to the crystal and generate a compensation voltage suitable for compensating the temperature dependence of the crystals associated with the two limit cutting angles of the mentioned cutting angle range , The circuit arrangement further comprises a linear interpolation element (14) with an adjustable proportionality factor whose two inputs are respectively connected to the outputs of the temperature compensation circuits (16, 18), while the output of the interpolation element (14) is connected to the tuning element (12) influencing the frequency of the oscillator. is connected, this output provides the matched to the intersection angle of the given crystal weighed sum of the two compensation voltages. The temperature compensation circuits can also be used for several oscillators. In the method used for adjusting the temperature compensation of the circuit arrangement, the arrangement is brought to a temperature of about 25C in a first step and set the frequency of the oscillator at a center position of the interpolation element with the aid of a separate from the interpolation tuning element to the nominal frequency of the crystal, Thereafter, the temperature is substantially changed and the frequency is set to the same value by means of the linear interpolation element. Fig. 2
Description
Hierzu 3 Seiten ZeichnungenFor this 3 pages drawings
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Temperaturkompensation von in einem gegebenen Schnittwinkelbereich liegenden, in AT-Richtung geschnittene Kristalle aufweisenden Oszillatoren, die ein die Frequenz des Kristalls geringmäßig beeinflussendes, spannungsgesteuertes Abstimmelement, und eine Temperaturkompensationsschaltung aufweist, wobei die . Temperaturkompensationsschaltung mit dem Kristall thermisch gekoppelt ist und an ihrem Ausgang eine von der TemperaturThe invention relates to a circuit arrangement for temperature compensation of lying in a given Schnittwinkelbereich, in the AT direction cut crystals having oscillators having a frequency of the crystal moderately affecting, voltage-controlled tuning element, and a temperature compensation circuit, wherein the. Temperature compensation circuit is thermally coupled to the crystal and at its output one of the temperature
abhängige Kompensationsspannung erzeugt, wobei dieser Ausgang an dem Abstimmelement angeschlossen ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Einstellung der Temperaturkompensation der Schaltungsanordnung, wobei die Frequenz-Temperatur-Charakteristiken der in dem erwähnten Schnittwinkelbereich liegenden Kristalle einander bei einer gegebenen Temperatur schneiden.dependent compensation voltage generated, this output is connected to the tuning element. The invention further relates to a method for adjusting the temperature compensation of the circuit arrangement, wherein the frequency-temperature characteristics of the crystals lying in the mentioned intersection angle range intersect each other at a given temperature.
Die Eigenschaften der Kristalloszillatoren und verschiedene Möglichkeiten der Temperaturkompensation der Schwingfrequenz sind in dem Fachbuch „Crystal Design and Temperatur Compensation", M. E. Frerking (Van NostradReiholdCo. New York, 1978) ausführlich und umfassend beschrieben.The characteristics of the crystal oscillators and various possibilities of temperature compensation of the oscillation frequency are described extensively and comprehensively in the textbook "Crystal Design and Temperature Compensation", M.E. Frerking (Van NostradReiholdCo., New York, 1978).
Unter den verschiedenen Schnittmöglichkeiten der Kristalle wird der AT-Schnitt am meisten verbreitet verwendet. Die Frequenz derart geschnittener Kristalle, die für die gleiche Frequenz gefertigt sind, ändert sich mit der Temperatur des Kristalles, wobei diese Änderung mit einer kubischen Funktion angenähert werden kann. Die Form der Funktion hängt in bedeutendem Maße von dem tatsächlichen Wert des Schnittwinkels ab. Die Figuren 5 und 6 indem genannten Buch veranschaulichen die relative Frequenzänderung.Among the various cutting possibilities of the crystals, the AT cut is most widely used. The frequency of such cut crystals made for the same frequency varies with the temperature of the crystal, and this change can be approximated with a cubic function. The shape of the function depends to a large extent on the actual value of the cutting angle. Figures 5 and 6 in the cited book illustrate the relative frequency change.
Die waagerechte Tangente bedeutet gleichzeitig, daß die Frequenz der auf diese Weise geschnittenen Kristalle in einem relativ weiten Temperaturbereich konstant ist oder sich nur geringmäßig ändert. Die die Kristalle herstellenden Firmen sind bestrebten erster Linie die Kristalle mit einem derartigen Schnittwinkel herauszuschneiden, bei der derzeitigen Fertigungstechnologie kann jedoch der Schnittwinkel der Kristalle unter Beachtung der Gesichtspunkte der Wirtschaftlichkeit nur mit einem Toleranzbereich von ca. 5'garantiert werden.The horizontal tangent means at the same time that the frequency of the crystals cut in this way is constant in a relatively wide temperature range or changes only slightly. The companies producing the crystals strive first of all to cut out the crystals with such an angle of intersection, but in the current production technology the angle of intersection of the crystals can only be guaranteed within a tolerance range of approximately 5 ', taking into account the economic aspects.
Bei mit einer derartigen Toleranz geschnittenen Kristallen liegt die Frequenzgenauigkeit innerhalb des Temperaturbereiches von -200C bis +7O0C bei ±10 ppm. Eine höhere Genauigkeit kann durch Sortieren der gefertigten Kristalle erreicht werden, was nicht nur zeitaufwendig, sondern auch unwirtschaftlich ist. Das ist der Grund dafür, daß der Preis der Kristalle mit Verringerung der Temperaturabhängigkeit steil ansteigt.For crystals cut with such a tolerance, the frequency accuracy within the temperature range of -20 0 C to + 7O 0 C is ± 10 ppm. Higher accuracy can be achieved by sorting the manufactured crystals, which is not only time consuming, but also uneconomical. This is the reason why the price of crystals increases sharply as the temperature dependence decreases.
Kristalloszillatoren werden im allgemeinen dort verwendet, wo eine große Frequenzgenauigkeit erforderlich ist. In den verschiedenen Nachrichtenübertragungssystemen besteht die Anforderung, die Frequenzgenauigkeit möglichst in den Grenzen von 1-1,5 ppm zu halten, währen sich die Außentemperatur in den Grenzen von -25°Cbis +800C ändern kann. Derartige Anforderungen hinsichtlich der Frequenzgenauigkeit sind auch bei einer R.eihe anderer Anwendungsgebiete aufzufinden.Crystal oscillators are generally used where high frequency accuracy is required. In the various communication systems there is a requirement to keep the frequency accuracy within the limits of 1-1.5 ppm, while the outside temperature can change within the limits of -25 ° C to +80 0 C. Such frequency accuracy requirements can also be found in a variety of other applications.
Zur Reduzierung der Temperaturabhängigkeit der Frequenz von Kristalloszillatoren hat sich eine Reihe verschiedener Kompensationslösungen verbreitet. Die herkömmliche Lösung, bei welcher der Kristall in einem Thermostat angeordnet wurde, geriet infolge des relativ großen Platzbedarfes des Thermostats, sowie des bedeutenden Energieverbrauches immer mehr in den Hintergrund. Aus dem erwähnten Fachbuch ist eine Reihe von Kompensationsmethoden und Schaltungen bekannt geworden.To reduce the temperature dependence of the frequency of crystal oscillators, a number of different compensation solutions has become common. The conventional solution, in which the crystal was placed in a thermostat, became more and more in the background due to the relatively large space requirement of the thermostat, as well as the significant energy consumption. From the mentioned textbook a number of compensation methods and circuits has become known.
Derartige Lösungen können in Abhängigkeit von ihrem Aufbau analoge oder digitale Systeme bilden, deren Funktionsprinzip darauf beruht, daß die Frequenz des den Kristall beinhaltenden Oszillators mittels eines reaktiven Elementes in Abhängigkeit von der Temperatur in einer zur natürlichen Frequenzänderung entgegengesetzten Richtung und einem dieser entsprechenden Maß gezogen wird, wodurch eine geringere Abhängigkeit der wirklichen Schwingfrequenz von der Temperatur erzielt wird.Such solutions may, depending on their construction, form analog or digital systems whose operating principle is based on drawing the frequency of the oscillator including the crystal by means of a reactive element as a function of temperature in a direction opposite to the natural frequency change and of a measure corresponding thereto , whereby a lower dependence of the actual oscillation frequency on the temperature is achieved.
Für eine analoge Temperaturkompensation ist ein Lösungsbeispiel aus der US-PS 4.051.446 bekannt geworden, bei welchem die kubische Kompensationskurve durch Addition mehrerer eine unterschiedliche Steilheit aufweisenden temperaturabhängigen Schaltungen ausgebildet wird. Ein anderes Lösungsbeispiel ist aus der US-PS 4.072.912 bekannt, bei welchem die Annäherungscharakteristik auch in mathematischer Form ausgedrückt wird und die Koeffizienten mit den Elementen der gegebenen Schaltung eingestellt werden. Die Einstellung ist dabei sehr zeitaufwendig, da jeder Kristall in dem gesamten Temperaturbereich durchgemessen wird und die Parameter der Kompensationsschaltung in Abhängigkeit von dem tatsächlichen Verhalten des Kristalls eingestellt werden.For an analog temperature compensation, a solution example from US Pat. No. 4,051,446 has become known in which the cubic compensation curve is formed by adding a plurality of temperature-dependent circuits having a different slope. Another solution example is known from US Pat. No. 4,072,912, in which the approximation characteristic is also expressed in mathematical form and the coefficients are set with the elements of the given circuit. The adjustment is very time-consuming, since each crystal is measured in the entire temperature range and the parameters of the compensation circuit are adjusted depending on the actual behavior of the crystal.
In einem mehrkanäligen UKW-Radiogerät werden zum Beispiel 10-12 Kristalloszillatoren verwendet und eine entsprechende stabile Frequenz kann nur in dem Falle gewährleistet werden, wenn für jeden einzelnen Oszillator (Kristall) jeweils eine dazu angepaßte Kompensationsschaltung verwendet wird.In a multi-channel VHF radio, for example, 10-12 crystal oscillators are used, and a corresponding stable frequency can be ensured only in the case where each compensating circuit is used for each individual oscillator (crystal).
Aus Obigem folgt, daß die Kosten der Oszillatoren, die eine hohe Frequenzgenauigkeit sichern und in einem weiten Betriebstemperaturbereich funktionieren, infolge des mit der Temperaturkompensation verbundenen Material- und Arbeitsaufwandes äußerst hoch sind.From the above it follows that the cost of the oscillators, which ensure high frequency accuracy and operate in a wide operating temperature range, are extremely high due to the material and labor associated with temperature compensation.
Die mit der Erfindung zu lösende Aufgabe besteht in der Schaffung einer Schaltungsanordnung und eines Kompensationsverfahrens, welche das Erreichen der Temperaturunabhängigkeit der Frequenz von in ÄT-Richtung geschnittenen Kristallen vereinfachen.The object to be achieved by the invention is to provide a circuit arrangement and a compensation method which facilitate the achievement of the temperature independence of the frequency of cut in the λ-direction crystals.
Durch die Erfindung wurde eine Schaltungsanordnung zur Temperaturkompensation der Frequenz von in einem vorgegebenen Schnittwinkelbereich in AT-Richtung geschnittene Kristalle aufweisenden Oszillatoren geschaffen, welche ein die Frequenz des Kristalls geringmäßig beeinflussende, spannungsgesteuertes Abstimmelement, und eineTemperaturkompensationsschaltung aufweist, die mit dem Kristall thermisch gekoppelt ist und an ihrem Ausgang eine temperaturabhängige Kompensationsspannung erzeugt, wobei dieser Ausgang mit dem Abstimmelement verbunden ist, und gemäß der Erfindung zwei Temperaturkompensationsschaltungen aufweist, die eine zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit der in dem erwähnten Schnittwinkelbereich zu den beiden Grenzschnittwinkeln gehörenden Kristalle geeignete Kompensationsspannung erzeugen, daß die Schaltungsanordnung weiterhin ein lineares Interpolationselement mit einstellbarem Proportionalitätsfaktor aufweist, dessen zwei Eingänge mit den Ausgängen der beiden Temperaturkompensationsschaltungen verbunden sind und dessen Ausgang, der eine mit dem Schnittwinkel des gegebenen Kristalls in Übereinstimmung gewogene Summe der beiden Kompensationsspannungen liefert, an dem Abstimmelement angeschlossen ist.The invention has provided a circuit arrangement for temperature compensation of the frequency of oscillators having cut-off crystals in a predetermined cutting angle range in the AT direction, which has a voltage controlled tuning element which has a low frequency of the crystal and a temperature compensation circuit which is thermally coupled to the crystal and on its output generates a temperature-dependent compensation voltage, this output being connected to the tuning element, and according to the invention comprising two temperature compensation circuits which generate a compensation voltage suitable for compensating the temperature dependence of the crystals belonging to said intersection angle range to the two limit cutting angles, the circuit arrangement continuing to operate linear interpolation element with adjustable proportionality factor, whose two inputs to the outputs of both n Temperaturkompensationsschaltungen are connected and whose output, which provides a coincidence with the intersection angle of the given crystal in accordance sum of the two compensation voltages, is connected to the tuning element.
Die Anwendung des linearen lnterpoiationseiementes wurde durch die Tatsache ermöglicht, daß in der die Temperaturabhängigkeit der Kristalle ausdrückenden kubischen Funktion die Koeffizienten linear von dem Schnittwinkel abhängen, demzufolge kann aus der gewogenen Summe der den beiden Grenzschnittwinkeln zugehörigen Kompensationsspannungen die Temperaturabhängigkeit der Kristalle mit beliebigem dazwischenliegenden Schnittwinkeln kompensiert werden.The application of the linear interposing element was made possible by the fact that in the cubic function expressing the temperature dependence of the crystals, the coefficients depend linearly on the angle of intersection, hence the weighted sum of the compensation stresses associated with the two limit intersecting angles can compensate for the temperature dependence of the crystals with any intersecting intersection angle become.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das lineare Interpolationselement durch ein Potentiometer gebildet, während das Abstimmelement eine Kapazitätsdiode bildet.In a preferred embodiment of the invention, the linear interpolation element is formed by a potentiometer, while the tuning element forms a capacitance diode.
Hinsichtlich der entsprechenden Einstellbarkeit ist es von Vorteil, wenn in dem Oszillator der Kristall mit einer steilbaren Induktivität in Reihe geschaltet ist und der Oszillator auf der Frequenz der dritten Harmonischen des Kristalls schwingt. Diese zuletzt genannte Bedingung erfordert den Einbau solcher Schaltungselemente in die Schaltung des Oszillators, die die Schwingungen der ersten Harmonischen verhindern.With regard to the corresponding adjustability, it is advantageous if, in the oscillator, the crystal is connected in series with a steep inductance and the oscillator oscillates at the frequency of the third harmonic of the crystal. This latter condition requires the incorporation of such circuit elements in the circuit of the oscillator, which prevent the oscillations of the first harmonic.
Durch die erfindungsgemäße Lösung kann nicht nur die Frequenz eines Oszillators, sondern auch die mehrerer Oszillatoren kompensiert werden, wenn diese thermisch unter gleichen Bedingungen angeordnet sind und jeder der Oszillatoren einendem erwähnten Winkelbereich entsprechend herausgeschnittenen Kristall enthält und mit einem Abstimmelement versehen ist und gemäß der Erfindung den einzelnen Oszillatoren jeweils ein Interpolationselement zugeordnet ist, welche gemeinsam an den beiden erwähnten Temperaturkompensationsschaltungen angeschlossen sind. Die gemeinsame Kompensation mehrerer Oszillatoren ergibt eine bedeutende schaltungstechnische Einsparung im Vergleich mit den früher je Oszillator gesondert verwendeten Kompensationslösungen.By the solution according to the invention not only the frequency of an oscillator, but also the several oscillators can be compensated if they are thermally arranged under the same conditions and each of the oscillators corresponding to the mentioned angle range corresponding cut out crystal and provided with a tuning element and according to the invention individual oscillators each having an interpolation element is associated, which are connected in common to the two mentioned temperature compensation circuits. The common compensation of several oscillators results in a significant circuit-saving compared to the former per oscillator separately used compensation solutions.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Einstellung der Temperaturkompensation der beschriebenen Schaltungsanordnung, bei welchem sich die Frequenz-Temperatur-Charakteristiken der in dem erwähnten Schnittwinkelbereich liegenden Kristalle schneiden und gemäß der Erfindung im ersten Verfahrensschritt die Anordnung auf eine dem Schnittpunkt der Charakteristiken zugehörige Temperatur geführt wird und nach dem Erreichen des thermischen Gleichgewichtes die Frequenz des Oszillators (vorzugsweise bei einer Mittelstellung des Interpolationselementes) mittels eines von dem Interpolationselement separierten Abstimmelementes auf die nominale Frequenz des Kristalles eingestellt wird, danach die Temperatur um einen Wert verändert wird, der mindestens dem Drittel der auf den augenblicklichen Wert bezogenen größten Betriebstemperaturdifferenz entspricht, und nach dem Erreichen des thermischen Gleichgewichtes mittels des linearen Interpolationselementes die Frequenz auf den gleichen Wert eingestellt wird. Infolge der linearen Funktionsverbindung ist es ausreichend auf der Kompensationskurve des jeweiligen Kristalls einen einzigen Punkt einzustellen, zur Verringerung des Fehlers ist es jedoch von Vorteil, wenn dieser Punkt unabhängig von dem Schnittwinkel von der ersten Einstellungstemperatur weitmöglichst entfernt ist.The invention further relates to a method for adjusting the temperature compensation of the described circuit arrangement in which intersect the frequency-temperature characteristics of lying in the mentioned cutting angle range crystals and according to the invention in the first method step, the arrangement is guided to a temperature corresponding to the intersection of the characteristics and after the thermal equilibrium has been reached, the frequency of the oscillator (preferably at an intermediate position of the interpolation element) is adjusted to the nominal frequency of the crystal by means of a tuning element separated by the interpolation element, then the temperature is changed by at least one third of the value corresponds to the instantaneous value related maximum operating temperature difference, and after reaching the thermal equilibrium by means of the linear interpolation element, the frequency to the same Value is set. Due to the linear functional connection, it is sufficient to set a single point on the compensation curve of the respective crystal, but to reduce the error it is advantageous if this point is as far away as possible from the first setting temperature, regardless of the angle of intersection.
Die Genauigkeit kann dadurch erhöht werden, wenn die zweite Temperatur auf einen der Grenzwerte der Betriebstemperatur eingestellt wird. .The accuracy can be increased when the second temperature is set to one of the operating temperature limits. ,
Hinsichtlich der Einsteilung ist die Ausführung von Vorteil, bei der mit dem Kristall eine stellbare Induktivität in Reihe geschaltet ist und in dem ersten Schritt die Frequenz durch Änderung der Induktivität eingeschaltet wird.With regard to the division, the embodiment is advantageous in which an adjustable inductance is connected in series with the crystal and in the first step the frequency is switched on by changing the inductance.
Der Zeitbedarf des vorgeschlagenen Kompensationsverfahrens ist weitaus geringer als der der bekannten, bei mehreren Temperaturen individuelle Einstellungen beanspruchenden Lösungen, wodurch die Fertigung vereinfacht wird, die Kosten reduziert werden und die die Möglichkeit des Auftretens von subjektiven Einstellungsfehlern ausgeschlossen wird.The time required for the proposed compensation method is much lower than that of the known solutions requiring individual adjustments at several temperatures, which simplifies manufacturing, reduces costs and eliminates the possibility of subjective adjustment errors.
Nachstehend wird die Lösung gemäß der Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:Hereinafter, the solution according to the invention will be described in more detail by means of embodiments with reference to the accompanying drawings. In the drawing show:
Fig. 1: die Änderung der Kompensationsspannung in Abhängigkeit von der Temperatur für Kristalle mit drei verschiedenen Schnittwinkeln,1: the change of the compensation voltage as a function of the temperature for crystals with three different cutting angles,
Fig. 2: ein Funktionsblockschema der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, Fig. 3: ein Änderungsschema der gemeinsamen Temperaturkompensation mehrerer Oszillatoren, Fig.4: ein ausführliches Schaltungsbild eines in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung vorzugsweise verwendbaren2 shows a functional block diagram of the circuit arrangement according to the invention, FIG. 3 shows a modification scheme of the common temperature compensation of several oscillators, FIG. 4 shows a detailed circuit diagram of a circuit preferably usable in the circuit arrangement according to the invention
Oszillators, und .Oscillator, and.
Fig. 5: Frequenz-Temperatur-Charakteristiken kompensierter und nicht kompensierter Oszillatoren.Fig. 5: Frequency-temperature characteristics of compensated and uncompensated oscillators.
Aus der Fachliteratur ist bekannt, daß die Temperaturabhängigkeit der Frequenz der in AT-Richtung geschnittenen Kristalle durch eine kubische Funktion ausgedrückt werden kann:It is known from the literature that the temperature dependence of the frequency of the crystals cut in the AT direction can be expressed by a cubic function:
Af/f = A,(t - to) + A2(t - to)2 + A3(t-to)3 , (DAf / f = A, (t - to) + A 2 (t - to) 2 + A 3 (t - to) 3 , (D
In dieser Gleichung beinhalten die Koeffizienten Ai, A2, A3 den Schnittwinkel. Es soll nun angenommen werden, daß der Kristall in einer solchen Oszillatorschaltung als frequenzbestimmendes Element verwendet werden soll, deren augenblickliche Frequenz mittels einer Kapazitätsdiode beeinflußt werden kann. Bei Kenntnis der temperaturabhängigen Frequenzänderung des Kristalls, des weiteren anhand der auf die Frequenz ausgeübten Wirkung der Spannung der Kapazitätsdiode kann für jede Temperatur eine solche Spannung U ermittelt werden, welche die Wirkung der Temperaturänderung zu kompensieren in der Lage ist, d.h. bei welcher der Oszillator gerade auf der nominalen Frequenz schwingt. Diese Spannung-Temperatur-Abhängigkeit ist bei jedem Schnittwin.kel eine andere.In this equation, the coefficients Ai, A 2 , A 3 include the intersection angle. It will now be assumed that the crystal is to be used in such an oscillator circuit as a frequency-determining element whose instantaneous frequency can be influenced by means of a capacitance diode. With knowledge of the temperature-dependent frequency change of the crystal, further based on the frequency applied to the effect of the voltage of the capacitance diode can be determined for each temperature such a voltage U, which is able to compensate for the effect of the temperature change, that is, at which the oscillator just vibrates at the nominal frequency. This voltage-temperature dependence is different at each cutting angle.
In der Fig. 1 zeigen die Kurven a und b zwei derartige Spannung-Temperatur-Kompensationsdiagramme. Die Diagramme, die den Verlauf der Spannungen Ui bzw. U2 veranschaulichen, gehören zu zwei solchen Kristallen, deren Schnittwinkel einenIn Fig. 1, curves a and b show two such voltage-temperature compensation diagrams. The diagrams illustrating the course of the voltages Ui and U 2 , respectively, belong to two such crystals, whose intersection angle a
Unterschied von 5' aufweisen. Diese Differenz bedeutet gleichzeitig die einer vorgegebenen Genauigkeit (10ppm) zugehörige größte Winkeldifferenz. Wird einer gegebenen Frequenz z.B. ein Kristall mit einer Genauigkeit von 10 ppm zugeordnet, liegt der Schnittwinkel von jedem der gelieferten Kristalle innerhalb der gewählten zwei Grenzschnittwinkel. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist an einem kristallgesteuerten Oszillator 10 eine Kapazitätsdiode 12 angeschlossen. Die Kapazitätsdiode 12 erhält von dem Abgriff eines Potentiometers 14 eine Gleichspannung, wobei die beiden Enden des Potentiometers 14 an dem Ausgang jeweils einer Temperaturkompensationsschaltung 16 bzw. 18 angeschlossen sind. Die Temperaturkompensationsschaltungen 16 bzw. 18 sind auf die Weise ausgebildet und eingestellt, daß sie an ihren Ausgängen die Spannungen U1 und U2 gemäß dem Diagramm in Fig. 1 liefern. Die Temperaturkompensationsschaltungen 16 und 18 können durch beliebige bekannte Kompensationsschaltungen gebildet werden. Liegt der Schnittwinkel des in dem Oszillator 10 verwendeten Kristalls zwischen den beiden, den Temperaturkompensationsschaltungen 16 und 18 zugeordneten Grenzschnittwinkeln, verfügt das Potentiometer 14 mit Sicherheit über eine solche Stellung, bei welcher die an die Kapazitätsdiode 12 geschaltete Spannung U3 zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit dieses Kristalles geeignet ist, da die Koeffizienten der Gleichung (1) von dem Schnittwinkel linear abhängen.Difference of 5 'have. This difference also means the largest angular difference associated with a given accuracy (10ppm). For example, if a given frequency is assigned a crystal with an accuracy of 10 ppm, the intersection angle of each of the delivered crystals will be within the selected two limit intersection angles. As can be seen from FIG. 2, a capacitance diode 12 is connected to a crystal-controlled oscillator 10. The capacitance diode 12 receives from the tap of a potentiometer 14, a DC voltage, wherein the two ends of the potentiometer 14 at the output of a temperature compensation circuit 16 and 18 are connected. The temperature compensation circuits 16 and 18 are designed and adjusted in such a way that they deliver the voltages U 1 and U 2 according to the diagram in FIG. 1 at their outputs. The temperature compensation circuits 16 and 18 may be formed by any known compensation circuits. If the angle of intersection of the crystal used in the oscillator 10 between the two associated with the temperature compensation circuits 16 and 18 Grenzschnittwinkeln, the potentiometer 14 has certainly such a position in which the switched to the varactor diode 12 voltage U 3 to compensate for the temperature dependence of this crystal is suitable, since the coefficients of equation (1) depend linearly on the angle of intersection.
In Fig. 1 zeigt das Diagramm c die Spannung U3, die sich auf ein Kristall mit einem zwischenliegenden Schnittwinkel bezieht. Die Einstellung des Potentiometers 14 kann bei einer einzigen Temperatur erfolgen. Der Einstellungsfehler ist dann am kleinsten, wenn die Einstellung bei einer Temperatur erfolgt, bei welcher die Differenz zwischen den Spannungen U1 und U2 am größten ist. Das betrifft gemäß Fig. 1 eine Grenztemperatur. Bei der Einstellung wird der in dem Oszillator 10 befindliche Kristall mit den Temperaturkompensationsschaltungen 16 und 18 gemeinsam zum Beispiel auf eine Temperatur von 800C erwärmt und nach Erreichen des thermischen Gleichgewichtes wird mit dem Potentiometer 14 die nominale Frequenz eingestellt. Danach gelangt an die Kapazitätsdiode 12 bei jeder Temperatur eine solche Kompensationsspannung, die die Temperaturabhängigkeit der Schwingfrequenz kompensiert.In Fig. 1, the diagram c shows the voltage U 3 , which refers to a crystal with an intermediate cutting angle. The adjustment of the potentiometer 14 may be at a single temperature. The adjustment error is smallest when the adjustment is made at a temperature at which the difference between the voltages U 1 and U 2 is greatest. This concerns according to FIG. 1 a limit temperature. In the adjustment, the crystal in the oscillator 10 is heated together with the temperature compensating circuits 16 and 18, for example, to a temperature of 80 ° C., and after reaching the thermal equilibrium, the nominal frequency is adjusted by the potentiometer 14. Thereafter, at the temperature reaches such a compensation voltage to the capacitance diode 12, which compensates for the temperature dependence of the oscillation frequency.
Bei den bisher verwendeten Wärmekompensationslösungen war es ausreichend, eine einzige Kompensationsschaltung zu verwenden, so erscheint die Anwendung der vorgeschlagenen zwei Kompensationsschaltungen auf den ersten Blick als ' überflüssiger Mehraufwand. Bei den bekannten Lösungen mußte jedoch die einzige Temperaturkompensationsschaltung entsprechend der Charakteristik des dazugeordneten Kristalls jeweils individuell eingestellt werden, dagegen beanspruchen die in Fig. 2 veranschaulichten Temperaturkompensationsschaltungen 16 und 18 keine individuelle Einstellung, da es ausreichend ist, bei den den Toleranzgrenzen eines Kristalltypes zugehörigen Kristallen ihre Elemente (oder bei digitaler Kompensation ihre Parameter) einmal einzustellen. Danach können die Temperaturkompensationsschaltungen 16,18 in Serien hergestellt werden. Die einzige Einstellung, die bei jedem Kristall durchzuführen ist, ist die Bestimmung des Wertes des Potentiometers 14, was durch eine einzige Messung bei einer einzig en Temperatur leicht erfolgen kann. Durch die Vereinfachung der Einstellung kann im Vergleich mit dem sich aus der Verdoppelung der Kompensationsschaltungen ergebenden Aufwand eine weitaus höhere Einsparung erzielt werden.In the heat compensation solutions used hitherto, it has been sufficient to use a single compensation circuit, so the application of the proposed two compensation circuits appears at first glance to be an unnecessary overhead. In the known solutions, however, the only temperature compensation circuit according to the characteristic of the crystal added thereto each had to be set individually, whereas the temperature compensation circuits 16 and 18 illustrated in FIG. 2 do not require individual adjustment, since it is sufficient for the crystals belonging to the tolerance limits of a crystal type Set elements (or their digital compensation parameters) once. Thereafter, the temperature compensation circuits 16, 18 can be manufactured in series. The only adjustment to be made in each crystal is to determine the value of the potentiometer 14, which can easily be done by a single measurement at a single temperature. By simplifying the setting, a much higher saving can be achieved in comparison with the effort resulting from the doubling of the compensation circuits.
In Fig. 3 ist die gemeinsame Temperaturkompensation der in Sendern-Empfängem eines Funktelephones verwendeten η Oszillatoreinheiten veranschaulicht. In dem Gerät weisen die Einheiten 1,2... η einen gleichen Aufbau auf, und sind in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet; sie unterscheiden sich nur in der nominalen Frequenz des verwendeten Kristalls voneinander. Die Enden der in den Einheiten befindlichen Potentiometer 14i, 142,.... 14n sind parallel zwischen den Ausgängen der Temperaturkompensationsschaltungen 16,18 geschaltet, d.h. an den Linien der Spannung U1 und U2 angeschlossen. Die Einheiten weisen jeweils einen Freigabeeingang 221( 222,....22η auf, die Steuerung des Gerätes sorgt für die Auswahl und Zulassung des jeweils erforderlichen Oszillators. Die Hochfrequenzausgänge der Oszillatoren sind an einer, die Ausgangssignale vereinigenden Einheit 20 angeschlossen.FIG. 3 illustrates the common temperature compensation of the η oscillator units used in transmitter-receivers of a radio telephone. In the device, the units 1,2 ... η have a same structure, and are arranged in a common housing; they differ from each other only in the nominal frequency of the crystal used. The ends of the potentiometers 14i, 14 2 , .... 14 n in the units are connected in parallel between the outputs of the temperature compensation circuits 16, 18, ie connected to the lines of the voltage U 1 and U 2 . The units each have an enable input 22 1 ( 22 2 , .... 22 η , the control of the device provides for the selection and approval of the respectively required oscillator The high-frequency outputs of the oscillators are connected to a, the output signals unit unit 20 is connected.
Die Temperaturkompensation der η Oszillatoren kann durch eine Einpunkteinstellung der η Potentiometer realisiert werden, dazu ist es ausreichend, für alls Oszillatoren gemeinsam nur zwei Temperaturkompensationsschaltungen 16,18 zu verwenden. Im Verhältnis zu der individuellen Kompensation ist hiermit nicht nur eine Verringerung der Einstellzeit sondern auch eine wesentliche schaltungstechnische Einsparung zu verzeichnen. Die Anzahl η der Oszillatoren ist dabei praktisch nicht begrenzt. In Fig. 4 ist das Schaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispieles des Oszillators 10 dargestellt. Diese Schaltung ist ein mit einem Transistor T1 modifizierter Clapp-Oszillator, wobei als gesondert anschließbares Element der Kristall 24 vorgesehen ist, welcher mit einer stimmbaren Induktivität 26 in Reihe geschaltet ist. Ein in dem Emitterkreis des Transistors befindliches paralleles LC-Glied sorgt für das Ausschließen der ersten Harmonischen, somit schwingt der Oszillator auf der Frequenz der dritten Harmonischen des Kristalls. Ein Transistor T2 sorgt für die Trennung des Ausganges, während ein Transistor T3 für das Ein- und Ausschalten sorgt. Die an den Freigabeeingang 22 geschaltete Spannung öffnet, bzw. sperrt den Transistor T3. Die in Fig.4 veranschaulichte Schaltung kann auch in integrierter Ausführung realisiert werden. Die Abstimmung erfolgt auf die Weise, daß bei Mittelstellung des Potentiometers auf der dem Inflexionspunkt entsprechenden Temperatur von 25°C mittels der Induktivität 26 die gewünschte nominale Frequenz eingestellt wird, danach bei einer den Grenztemperaturen, (vorzugsweise der oberen Grenztemperatur) die gleiche nominale Frequenz mit Hilfe des Potentiometers erneut eingestellt wird. Es ist dabei zu bemerken, daß die Kompensation nur dann wirkungsvoll ist, wenn die Temperaturkompensationsschaltungen 16, 18 einer gleichen Temperatur ausgesetzt sind, z. B. zwischen ihnen eine thermische Kopplung besteht. In Fig. 5 sind die Temperatur-Frequenz-Diagramme von zwei unter verschiedenem Schnittwinkel geschnittene Kristalle aufweisende Oszillatoren dargestellt, wobei die Kurven Q1, Q2 mit Oszillatoren ohne Kompensation und die Kurven S1 und ~2 Oszillatoren, die mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anordnung kompensiert wurden, aufgenommen worden sind.' Als Resultat der Kompensation konnte die Frequenzänderung um mehr als auf ein Fünftel reduziert werden, einer Frequenzänderung von 1 ppm ist dagegen ein weiterer Temperaturbereich (-250C—h80oC) zugeordnet.The temperature compensation of the η oscillators can be realized by a one-point adjustment of the η potentiometers, for this it is sufficient to use only two temperature compensation circuits 16, 18 together for all oscillators. In relation to the individual compensation not only a reduction of the set-up time but also a significant circuit saving is recorded. The number η of the oscillators is virtually unlimited. 4, the circuit diagram of a preferred embodiment of the oscillator 10 is shown. This circuit is a Clapp oscillator modified with a transistor T1, whereby the crystal 24, which is connected in series with a tunable inductance 26, is provided as a separately connectable element. A parallel LC element located in the emitter circuit of the transistor provides for the elimination of the first harmonic, thus the oscillator oscillates at the third harmonic frequency of the crystal. A transistor T2 provides for the separation of the output, while a transistor T3 provides for switching on and off. The voltage connected to the enable input 22 opens or blocks the transistor T3. The circuit illustrated in Figure 4 can also be implemented in an integrated design. The vote is made in such a way that at the middle position of the potentiometer at the inflection point corresponding temperature of 25 ° C by means of the inductance 26, the desired nominal frequency is set, then at a the boundary temperatures, (preferably the upper limit temperature) the same nominal frequency Help the potentiometer is set again. It is to be noted that the compensation is only effective when the temperature compensation circuits 16, 18 are exposed to a same temperature, for. B. there is a thermal coupling between them. FIG. 5 shows the temperature-frequency diagrams of two crystals cut at different angles of intersection, the curves Q 1 , Q 2 with no-compensation oscillators and the curves S 1 and ~ 2 oscillators, which are produced by means of the arrangement according to the invention been compensated. ' As a result of the compensation, the frequency change could be reduced by more than one-fifth, while a frequency change of 1 ppm is assigned to a further temperature range (-25 0 C-h80 o C).
Claims (9)
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| DD30132487A DD255832A5 (en) | 1987-03-31 | 1987-03-31 | CIRCUIT ARRANGEMENT FOR TEMPERATURE COMPENSATION OF THE FREQUENCY OF ATOMIZED CRYSTALS OF ILLUSTRATED OSCILLATORS AND METHOD FOR ADJUSTING THE COMPENSATION |
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1987
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