DE1293244B - Circuit arrangement for compensating the temperature response of quartz crystals - Google Patents
Circuit arrangement for compensating the temperature response of quartz crystalsInfo
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Description
1 293 £ ;; £ 1,293; ;
1 21 2
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung weggleichrichterschaltung verwendet sind, daß dieThe invention relates to a circuit arrangement that the rectifier circuit is used
zur Kompensation des Temperaturgangs von Quar- Brückenschaltung aus einer mittelangezapften Se-to compensate for the temperature response of the quartz bridge circuit from a center-tapped se-
zen, insbesondere mit Schwingfrequenzen unterhalb kundärwicklung eines Übertragers und zwei parallel 1 MHz5 bei der in Reihe zum Quarz Reaktanzen ge- zu dieser Wicklung liegenden ohmschen Widerstanschaltet sind, deren Temperaturgang so verläuft, daß 5 den besteht, und daß mindestens ein ohmscher er den Temperaturgang des Quarzes kompensiert. Widerstand der Brücke veränderbar ist.zen, in particular with oscillation frequencies below the secondary winding of a transformer and two parallel 1 MHz 5 with the ohmic resistance connected in series with the quartz reactances to this winding, the temperature response of which is such that there is 5, and that at least one ohmic resistance is the temperature response of the quartz compensated. Resistance of the bridge is changeable.
Generatoren, die einen Schwingquarz als frequenz- Durch diese Maßnahmen erreicht man den Vorbestimmendes Element besitzen, erreichen eine teil, daß man den Frequenzgang, der bei Quarzen wesentlich bessere Frequenzkonstanz als z. B. LC- unterhalb 1 MHz parabelförmig verläuft, besonders Oszillatoren. Der Grund liegt in dem geringen Tem- ίο genau und in einfacher Weise nachbilden kann, wobei peraturkoeffizienten des Quarzes, der durch beson- sich starke Exemplarstreuungen, die bei Keramikderen Schnitt auf ein Optimum gebracht wird. Für kondensatoren auftreten können, vermeiden lassen, noch höhere Anforderungen wird der Quarz in einen Dabei lassen sich hohe Frequenzgenauigkeiten in Thermostat gesetzt. einem relativ großen Kompensationsbereich erzielen,Generators that use a quartz oscillator as a frequency- Through these measures one achieves the pre-determinant Element have a part that one can achieve the frequency response of crystals much better frequency constancy than z. B. LC runs parabolic below 1 MHz, especially Oscillators. The reason lies in the low temperature ίο can simulate precisely and in a simple manner, with The temperature coefficient of the quartz, which is due to particularly strong specimen scatter, those of ceramic Cut is brought to an optimum. For capacitors can occur, avoid let The quartz is even more demanding in a. High frequency accuracy can be achieved in Thermostat set. achieve a relatively large compensation range,
Die erreichbare Konstanz ist dann durch die Güte 15 während bei Anordnungen, denen lediglich Kapazides Thermostaten bestimmt. Oder, falls die abzu- täten in Reihe geschaltet sind, nur in Nähe des Nullgebende Frequenz in einem für Quarze ungünstigen punkts der Parabel ausreichende Temperaturkompen-Bereich liegt, kann die Oszillatorfrequenz in ein sation erzielbar ist.The achievable constancy is then due to the quality 15 while in arrangements which are only capacitive Determined by thermostats. Or, if the abortions are connected in series, only in the vicinity of the zero setting Frequency in a point of the parabola that is unfavorable for crystals is, the oscillator frequency can be achieved in a sation.
günstiges Gebiet gelegt und durch Teiler oder Ver- An Hand der Diagramme nach den Fig. 1, 2, 4, 6A favorable area is placed and divided by dividers or elements. The diagrams according to FIGS. 1, 2, 4, 6
vielfacher auf die gewünschte Frequenz gebracht 20 und 7 und der Ausführungsbeispiele nach den F i g. 3 werden. und 5 wird die Erfindung näher erläutert.brought to the desired frequency many times 20 and 7 and the exemplary embodiments according to FIGS. 3 will. and Fig. 5 explains the invention in more detail.
Bei einer Reihe von Anwendungsfällen wird eine F i g. 1 zeigt den Frequenzgang verschiedenerIn a number of use cases, a Fig. 1 shows the frequency response of various
Frequenzkonstanz gefordert, die von einem Schwing- Quarze in Abhängigkeit von der Temperatur; quarz gerade nicht mehr erfüllt werden kann. F i g. 2 zeigt den Verlauf der Kapazität einesFrequency constancy required by a quartz crystal as a function of the temperature; quartz can no longer be fulfilled. F i g. 2 shows the course of the capacitance of a
Andererseits würde der Einsatz eines Thermostaten 35 Keramikkondensators in Abhängigkeit von der Temeine viel zu gute Frequenzkonstanz bringen und wäre peratur; ^ On the other hand, the use of a thermostat 35 ceramic capacitor would, depending on the Temeine, bring far too good frequency constancy and would be temperature; ^
deshalb nicht gerechtfertigt. F i g. 3 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Erzeu-therefore not justified. F i g. 3 shows a circuit arrangement for generating
Es ist bereits eine Anordnung bekannt, bei der gung einer temperaturabhängigen Vorspannung für einem Quarz eine veränderliche Kapazität in Reihe eine Kapazitätsdiode; geschaltet ist, deren Kapazität mit zunehmender Tem- 30 Fig. 4 zeigt ein Diagramm des Spannungsverlaufs peratur abnimmt. am Ausgang der Brückenschaltung nach F i g. 3;There is already an arrangement known in the supply of a temperature-dependent bias for a quartz a variable capacitance in series a capacitance diode; is connected, the capacity of which with increasing temperature. FIG. 4 shows a diagram of the voltage profile temperature decreases. at the output of the bridge circuit according to FIG. 3;
Es ist ferner eine Kompensationsanordnung von F i g. 5 zeigt einen nach dem Prinzip der erfin-It is also a compensation arrangement of FIG. 5 shows an according to the principle of the inven-
piezoelektrischen Meß- und Steuergeräten mit Kri- dungsgemäßen Temperaturkompensation aufgebauten stall bekannt, bei denen eine doppelte Spannungs- Quarzgenerator von 308 kHz; teilerschaltung in Form einer Widerstandsbrücke zum 35 Fi g. 6 zeigt die Frequenz in Abhängigkeit von der Quarz parallel geschaltet ist, wobei der Abgriff der Temperatur des unkompensierten Generators nach Diagonalen zum Meß- bzw. Steuerkreis geführt ist. Fig. 5;piezoelectric measuring and control devices with temperature compensation in accordance with the requirements stall known where a double voltage crystal generator of 308 kHz; divider circuit in the form of a resistor bridge to 35 Fi g. 6 shows the frequency as a function of the Quartz is connected in parallel, with the tap according to the temperature of the uncompensated generator Diagonals is led to the measuring or control circuit. Fig. 5;
Bei dieser Kompensationsanordnung liegt die Brücke F i g. 7 zeigt die Frequenz in Abhängigkeit vonThe bridge F i g lies in this compensation arrangement. 7 shows the frequency as a function of
parallel zum Quarz und bedämpft dadurch den der Temperatur des kompensierten Generators nach Schwingkreis sehr stark. Ein parabelförmiger Ver- 40 Fig. 5.parallel to the quartz and thereby attenuates the temperature of the compensated generator Very strong resonance circuit. A parabolic configuration 40 FIG. 5.
lauf der Temperaturkompensation ist mit einer der- In F i g. 1 a ist ein typischer Frequenzgang einesThe course of the temperature compensation is with one of the In F i g. 1 a is a typical frequency response of a
artigen Schaltung nicht sichergestellt, vielmehr kann Quarzes in Abhängigkeit von der Temperatur gezeigt, hierbei lediglich nur jeweils ein Ast der Parabel in wobei die Schwingfrequenz unter 1 MHz liegt. Die Nullpunktnähe kompensiert werden. Kurve zeigt einen annähernd parabelförmigen Ver-like circuit is not ensured, rather quartz can be shown as a function of the temperature, here only one branch of the parabola in each case, the oscillation frequency being below 1 MHz. the Be compensated for near zero point. Curve shows an approximately parabolic
In weiterhin bekannten Anordnungen erfolgt die 45 lauf. Es handelt sich hierbei um einen Flächen-Temperaturkompensation vermittels parallel oder in scherungsschwinger von 100 kHz im CT-Schnitt. Den Reihe zum Quarz liegender Heißleiter enthaltender Frequenzgang für einen Dickenscherungsschwinger Netzwerke. Eine genaue Temperaturkompensation mit einer Frequenz von 1 MHz und im AT-Schnitt entsprechend der Parabel des Quarzes kann mit die- zeigt die Kurve nach Fi g. Ib.In still known arrangements, the 45 takes place. This is a surface temperature compensation by means of parallel or in shear oscillators of 100 kHz in the CT section. Frequency response for a thickness shear transducer containing the series of thermistors lying to the quartz Networks. An exact temperature compensation with a frequency of 1 MHz and in the AT cut corresponding to the parabola of the quartz, the curve according to FIG. Ib.
sen Anordnungen ebenfalls nur im Bereich des Null- 50 Um den Temperaturgang eines Quarzes mit parapunktes der Parabel erzielt werden. belförmigem Verlauf zu kompensieren, ist ein Kon-sen arrangements also only in the area of the zero 50 um the temperature response of a quartz with parapoint the parabola can be achieved. To compensate for the belly shaped course is a con
Es ist ferner eine Anordnung bekannt, bei der in densator in Reihe zum Quarz erforderlich, der einen Reihe und parallel zu einem Quarz weitere Kapazi- Temperaturgang besitzt, wie in F i g. 2 angegeben, täten geschaltet werden, die einen bestimmten Tem- Ein annähernd parabelförmiger Verlauf derAn arrangement is also known in which the one in the capacitor in series with the quartz is required Row and parallel to a quartz has further capacitance temperature response, as in F i g. 2 specified, activities that have a certain tem- An approximately parabolic course of the
peraturkoeffizienten aufweisen. Auch derartige Schal- 55 Gleichvorspannungen für die Kapazitätsdiode kann tungen erreichen die der Anordnung nach der Er- mit einer Schaltungsanordnung nach Fig. 3 erzeugt findung zugrunde liegenden hohen Genauigkeiten werden. Die Schaltungsanordnung besteht dabei aus nicht. einer Brückenschaltung, bestehend aus dem Symme-have temperature coefficients. Such switching DC bias voltages for the capacitance diode can also be used Lines achieve those generated by the arrangement according to the circuit arrangement according to FIG. 3 the underlying high levels of accuracy. The circuit arrangement consists of not. a bridge circuit, consisting of the symmetry
Gemäß der Erfindung ist die Schaltungsanordnung trieübertrager Ü, dem Heißleiter Al und einem zur Kompensation des Temperaturgangs von Quar- 60 Widerstand R2. Die Ausgangsspannung der Brücke zen derart ausgebildet, daß als Reaktanz eine Kapazi- wird gleichgerichtet und mit C3 gesiebt. Fig. 4 zeigt tätsdiode verwendet ist, deren Gleichvorspannung den Spannungsverlauf in Abhängigkeit von der Temeinen zur Kompensation des Temperaturgangs des peratur. Die Brücke wird mit dem Widerstand R2 Quarzes erforderlichen temperaturabhängigen Span- bei der Temperatur des Umkehrpunktes T0 abgenungsverlauf aufweist, daß zur Erzeugung des er* 65 glichen. Zu beiden Seiten von T0 steigt die Ausforderlichen temperaturabhängigen Spannungsver- gangsspannung an. Die Größe des Spannungslaufs der Diodenvorspannung eine Brückenschaltung anstiege kann durch Variieren der angelegten Wech- und eine in der Ausgangsdiagonalen liegende Ein- selspannung UE eingestellt werden. Durch dieAccording to the invention, the circuit arrangement is transmission transformer U, the thermistor Al and one to compensate for the temperature response of quartz 60 resistor R2. The output voltage of the bridge is designed in such a way that a capacitance is rectified as reactance and filtered with C3. Fig. 4 shows a power diode is used, the DC bias of which the voltage curve as a function of the Temeinen to compensate for the temperature range of the temperature. With the resistor R2 quartz, the bridge will have the temperature-dependent span required at the temperature of the reversal point T 0 that is similar to the generation of the same. The required temperature-dependent voltage transition voltage increases on both sides of T 0. The magnitude of the voltage curve of the diode bias voltage in a bridge circuit can be set by varying the applied alternating voltage and an isolated voltage U E lying in the output diagonal. Through the
Schwellenwirkung der Gleichrichterdiode kann zusammen mit einem geeignet gewählten Widerstand jR3 ein annähernd parabelförmiger Verlauf der Kompensationsspannung UK erreicht werden. Hierbei stellt die Kurve α den Spannungsverlauf am Ausgang S der Brücke ohne Gleichrichtung und Kurve b denjenigen mit Gleichrichtung dar.Threshold effect of the rectifier diode, together with a suitably selected resistor jR3, an approximately parabolic course of the compensation voltage U K can be achieved. Here, curve α represents the voltage curve at output S of the bridge without rectification, and curve b represents that with rectification.
F i g. 5 zeigt eine komplette Oszillatorschaltung für diese Frequenz. Von der Wicklung 2 des Übertragers Ü wird über den Quarz Q32 auf die Basis eines in gegengekoppelter Emitterschaltung betriebenen Transistors Ts rückgekoppelt.F i g. 5 shows a complete oscillator circuit for this frequency. From the winding 2 of the transformer Ü is fed back via the quartz Q32 to the base of a transistor Ts operated in an emitter circuit with negative feedback.
Die gegen Erde negative Versorgungsspannung 24 V ist über den Widerstand i?3 an den einpolig geerdeten Kondensator C 3 geführt. Parallel zum Kondensator C 3 liegen drei Serienschaltungen, die erste bestehend aus den Zenerdioden DS und D 6, die zweite gebildet aus dem Widerstand R 4 und dem Potentiometer R8 und die dritte zusammengesetzt aus den gleichsinnig gepolten Dioden D1 und D 2. The supply voltage 24 V, which is negative to earth, is fed via the resistor i? 3 to the single-pole earthed capacitor C 3. There are three series circuits parallel to the capacitor C 3, the first consisting of the Zener diodes DS and D 6, the second consisting of the resistor R 4 and the potentiometer R8 and the third consisting of the diodes D 1 and D 2 with the same polarity.
Bei dem Transistor Ts ist der Kollektor über den Widerstand RS mit der Basis verbunden, die unmittelbar an den Quarz Q32 gelegt und über den Widerstand Rl an Erde und über den Widerstand R2 an den Widerstand R3 geführt ist. Der Emitter des Transistors Ts ist über den Kondensator Cl an Erde und über den Widerstand R 6 an den Widerstand R3 gelegt. Zwischen dem Kollektor des Transistors Ts und dem Verbindungspunkt der Dioden Dl und D 2 liegt der Kondensator C 2. Der Kollektor des Transistors Ts ist ferner über die Wicklung 1 des Übertragers Ü, an die der Kondensator C 4 angeschlossen ist, an Erde geführt. Der Ausgang A der Oszillatorschaltung liegt an der einpolig geerdeten Wicklung 4 des Übertragers Ü. In the case of the transistor Ts , the collector is connected to the base via the resistor RS , which is connected directly to the quartz Q32 and via the resistor R1 to earth and via the resistor R2 to the resistor R3 . The emitter of the transistor Ts is connected to ground via the capacitor Cl and to the resistor R3 via the resistor R 6 . The capacitor C 2 is located between the collector of the transistor Ts and the junction of the diodes Dl and D 2. The collector of the transistor Ts is also connected to earth via the winding 1 of the transformer U, to which the capacitor C 4 is connected. The output A of the oscillator circuit is connected to the unipolar grounded winding 4 of the transformer U.
Die Amplitude der Schwingung wird durch die beiden Dioden Dl und D 2 begrenzt. Die Symmetriewicklung 3, die Widerstände R9, RIO, RU, die Diode D 4 und der Kondensator C 5 bilden die bereits beschriebene Kompensationsschaltung. Die Kompensationsspannung gelangt über Wicklung 2 an die Kapazitätsdiode D 3. Über R 7 liegt eine am Potentiometer R 8 erzeugte Vorspannung an D 3. The amplitude of oscillation is limited by the two diodes D and D. 2 The symmetry winding 3, the resistors R9, RIO, RU, the diode D 4 and the capacitor C 5 form the compensation circuit already described. The compensation voltage is applied to the capacitance diode D 3 via winding 2. A bias voltage generated at the potentiometer R 8 is applied to D 3 via R 7.
Fig. 6 zeigt die Frequenzabhängigkeit des Generators ohne Kompensation. F i g. 7 zeigt den Verlauf mit Kompensation. Im Bereich zwischen 10 und 450C liegt die größte Abweichung bei +2,5· M)-6. Eine gesamte geforderte Konstanz von ± 1 · 10~5, wobei die Alterung mit enthalten ist, läßt sich bei diesem Oszillator leicht einhalten.6 shows the frequency dependency of the generator without compensation. F i g. 7 shows the curve with compensation. In the range between 10 and 45 ° C., the greatest deviation is + 2.5 · M) - 6 . A total required constancy of ± 1 x 10 ~ 5, wherein the aging with is contained, can be easily comply with this oscillator.
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Also Published As
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