DE1766435A1

DE1766435A1 - Temperaturkompensierter Quarzoszillator

Info

Publication number: DE1766435A1
Application number: DE19681766435
Authority: DE
Inventors: Franz Dipl-Ing Hornung
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1968-05-22
Filing date: 1968-05-22
Publication date: 1971-07-22
Also published as: DE1766435B2

Description

Temperaturkompensierter Quarzoszillator

-1@1#@i11i# @#@1i@/@#11@ 11t 1 Die Erfindung betrifft einen temperaturkompensierten Oszilla-

tor mit einem im Rückkopplungsweg liegenden Quarz als fre-

quenzbestimmendes Element.

Schwingquarze mit Ausnahme der Dickenecherungsschwinger

zeigen einen parabelförmigen Verlauf der Resonanzfrequenz

über die Temperatur. Ihr Anwendungsgebiet liegt im Be-

reich bis etwa 500 kHz. legt man ihren Umkehrpunkt auf

35o C, so muß je nach Quarzschnitt mit einer Frequenzabweichung von 10 bis 20 -10-6 im Temperaturbereich von 10 bis 60o C gerechnet werden. Häufig wird eine bessere Frequcnzkonstanz benötigt. Dazu ist der Quarz in einem Thermostat unterzubringen, der insbesondere bei tiefen Frequenzen groß wird, wegen der Regelschaltung aufwendig ist und einen nicht zu unterschätzenden Heizleistungsbedarf hat. In vielen Fällen genügt eine Frequenzkonstanz von 1 bis 10 -10-6. Dafür bietet sich eine Kompensation des Temperaturgangs der Quarzresonanzfrequenz an.

Zur Temperaturkompensation ist es aus dem Artikel "Temperature Compen:atcd Crystal-Oseillators for Produetion" von R.C. Rennick, er--chienen in "Bell laboratories ReCOrd", October 1964, bekannt, eine Kapazitätsdiode in Reihe zum Quarz vorzuwchen. Vorteilhaft ist die leichte Steuerbarkcit einer solchen Diode. Da sie einen sehr geringen Sperrstrom besitzt, kann sie über einen sehr hohen Vorwiderstand gesteuert werden. Schwierig ist es jedoch, eine geeignete temperaturabhängige Schaltung zu finden, die zusammen mit der Charakteristik der Diode den gewünschten Kapazitätsverlauf ergibt. Durch Kombination verschiedener temperaturabhängiger Widerstände kann ein parabelförmiger Verlauf der Kompensationsspannung in Abhängigkeit von der Temperatur erreicht werden. Da jedoch der Umkehrpunkt und die Steilheit nicht getrennt voneinander eingestellt werden können, sind umfangreiche Messungen zur Einstellung erforderlich. Da durch eine Frequenznachstellung die Wirkung der Kompensation verändert wird, ist diese Kompensation nur für Quarze mit kleiner Alterung oder mit vorgealterten Quarzen möglich.

Die Kapazitätsdiode muß eine Vorspannung erhalten, die

größer als die Spitzenspannung der an ihr stehenden

Wechselspannung sein muß. Bei Generatoren mit tiefen

Frequenzen (etwa bis 100 kHz) ist der Scheinwiderstand

# zwangsläufig groß.

Die Kapazitätsdiode miß so starkvorgespannt werden, daß

sie in den «Bereich geringer Steilheit kommt. Eine Kompen-

sation ist dann nicht mehr möglich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine temperatur-

kor:pcnsierte Oszillatorschaltung zu schaffen, bei der eine

Kompen--ation der durch Temperaturschwankungen verursachten

Frcquenzänderungen mit für den jeweiligen Einsatzfall hin-

reichender Genauigkeit unter Verwendung einfacher Schalt-

mittel möglich ist.

Die temperaturkompensierte Oszillatorschaltung wird zur

Iösung dieser Aufgabe derart ausgebildet, daß in Reihe

zum Quarz eine Induktivität angeordnet ist, die von einem

sich mit der Umgebungstcnperatur von einem Anfangswert an

linear ändernden Gleichstrom durchflossen ist und daß der

Anfangswert des Stroges abhängig von den verwendeten Schal-

tungselementen einstellbar ist.

Durch diese Maßnahmen erhält man eine Kompensationsschal-

tung, die es gestattet, die durch die Temperaturschwan-

kungen bedingten Frequenzänderungen bis zu einer Fre-

qucnzgenauigkeit von 10-7 auszugleichen. Dabei kann die

Kompensation durch Einstellung des Anfangsstromes der

Induktivität den durch die verwendeten Bauteile jeweils

unterschiedlichen Betriebsbedingungen der Oszillator-

schaltung angepaßt werden. Die Temperaturkompensation

ist außerdem weitgehend unabhängig von Verstimmungen der

Resonanzfrequenz, die durch Alterung des Quarzes oder ähn-

liche Vorgänge hervorgerufen werden.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann

dem Eingangskreis eines Transistors eine Steuerspannung

zugeführt werden, die von einem an der Versorgungsspannung

licgendcn Spannungsteiler mit mindestens einem temperatur-

abhängigen Widerstand abgreifbar ist, wobei der Ausgangs-

strom des Transistors der Induktivität zugeführt wird. Die-

se Weiterbildung hat den Vorteil, daß bei nicht allzu

großen Arbeitstcmperaturbereichen die Kompensation nur

auf einen Ast der Temperaturfrequenzparabel beschränkt

werden kann, so daß man eine sehr einfache Schaltung er-

hält, bei der außerdem die Temperatureinflüssoder Bau-

teile auf die Kompensation sehr leicht zu beherrschen sind.

Sind jedoch die Arbeitrtemperaturbereiche größer, so ist

es erforderlich, eine Kompensation auf beiden Parabel-

ästen durchzuführen. Zu diesem Zwecke kann vorteilhaft

eine Schaltungsanordnung verwendet werden, die derart aus-

gebildet ist, daß der Ausgangsübertrager mit einer zusätz-

lichen mittelangezapften Wicklung versehen ist, die mit

einem tcmpcraturabhängigen Widerstand und einem weiteren

ohmschen Widerstand zu einer Brücke ergänzt ist und daß

der Brückcrausgang über eine Gleichrichterdiode mit der

Steuerelektrode de; Transistors verbunden ist, dessen

Ausgangsstrom der Induktivität zugeführt ist und daß die

Mittelanzapfung der zusätzlichen llicklung mit einem

zwischen der Versorgungsspannung liegenden Spannunge-

teiler verbunden ist.

Anstelle eines Transistors läßt sich auch, wenn man ein

aktives Bauteil vermeiden will, ein auf Resonanzfrequenz

abgestimmter Parallelschwingkreis verwenden.

Eine in ihrem Aufbau besonders einfache Schaltung erhält

man, wenn man anstelle der zur Temperaturkompensation vor-

geschenen Induktivität und des den Gleichstrom liefernden

Transistors ein mit einer eigenen Steuerwicklung versehe-

nes Variometer setzt, wobei die Steuerwicklung zur völli-

gen Entkopplung gegenüber der Variometerinduktivität um

90o verdreht ist.

Bei Verwendung eines Transistors für die Erzeugung des

Steuerstromes der Induktivität kann zum zwecke einer hoch-'

ohmigen Ankopplung eine für die Verstärkung der Steuer-

spannung in Emitter,chaltung arbeitenden Transistorschal-

tung verwendet werden, bei der Emitter und Basis wechsel-

strommäßig über eine Kapazität verbunden sind. Dadurch

wirkt der Transistor, von der Kollektorelektrode her ge-

sehen, als ein in Basisschaltung arbeitendes Verstärker-

element mit sehr hochohmigem Eingangswiderstand.

Zur Abstinmung des durch Alterungserscheinungen sich in

seiner Resonanzfrequenz ändernden Quarzes läßt sich auch

zwischen Quarz und Kompensationsinduktivität eine weitere

einstellbare Induktivität einschalten.

Anhand des Quarzersatzschaltbildes nach Figur 1 sowie der

Diagramme nach den Figuren 2, 3, 7 und 8 sowie der Aus-

führungsbeispiele nach den Figuren 4,5 und 6 wird die

Erfindung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt das Ersatzschaltbild des Schi-iingquarzes ohne

Verluste.

Berechnet man den leitwert dieser Schaltung, so ergibt sich nach einigem Umformen und beschränkt auf kleine Verstimmung wobei fs = Serienresonanzfrequenz = Af = Frequenzabweichung von f s. Benutzt man nun eine Induktivität 12 in Reihe zum Quarz zur Verschiebung seiner Serienresonanzfrequenz, so ergibt sich folgender Zusammenhang zwischen der Induktivität I2 und der Verstimmung Af: Da nur eine kleine Verstimmung betrachtet werden soll, kann w als konstant angenommen werden.

Diese Funktion ist in Fig. 2 für ein CO/, -Verhältnis von 100 und 200 dargestellt. i Man erkennt, daß bis zu einer Verstimmung des Quarzes um ca. 1 -10-42 der Zusammenhang zwischen der Induktivität 12 und der Verstimmung ef linear ist.
Eine Änderung der Induktivität 12, z.B. zur Temperaturkompensation, ergibt, unabhängig von einer in Serie lie- ;enden Induktivität I2', das zum Ausgleich der Anlieferungstoleranz und der Alterung des Quarzes dienen kann, in.mer rahezu die gleiche Frequenzänderung.
Das Diagramme nach Fig. 3 zeigt den Zusammenhang zwischen Induktivität und Gleichstrom einer Spule mit Einenkern. Wird bei einer gegebenen Spule ein Vorstrom von 5 mA angenorren, so folgt die Induktivitätsa.bnahme ziemlich gut einer quadratischen Funktion, die durch Punkte (x) angedeutet ist. Es ist nun nur noch erforderlich, eine Schaltung zu finden, die von einer bestimmten Temperatur (Umkehrpunkt) ausgehend bei Temperaturänderung einen linear ansteigenden Strom zur Steuerung der Induktivität erzeugt. Dazu wird zweckmäßig die in Fig. 4 gezeigte Wechselstrombrückenschaltung mit der Wicklung 4 und den Widerständen R6 und R7 verwendet.
Fig. 4 zeigt die Schaltung eines nach der Erfindung aufgebauten Oszillators für 100 kHz. Der Oszillator enthält einen gegengekoppelten Transistor Ts1 in Emitterschaltung. Die Rückkopplung erfolgt über Wicklung 2 des Übertragers U, über die zur Kompensation vorgesehene Induktivität 12, die zur Frcquenzeinstellung vorhandene Induktivität 121 und den Quarz auf die Basis von Transistor Ts1. Die Amplitude der Schwingung wird durch die Verdopplerschaltung des Kondensators C2 und der Halbleitcrdiodcn Gr1, Gr2 und die Zenerdiode SZ begrenzt. Gleichzeitig erhält der Generator über die Zenerdiode SZ eine konstante Betriebsspannung. Die Brückenschaltung besteht aus der Syrmetriewicklung 4 des Übertragers Ü, dem Thernewid des Widerstands R6 und einem Widerstand R7. Der Widerstand R7 wird bei der Tcriperatur des Umkehrpunktes so eingestellt, daB die mit der Halbleiterdiode Gr3 gleichgerichtete Ausgangsspannung der Brücke zu null wird. Die Brückenspannung gelangt auf die Basis des Transistors Ts2 und wird in einem eingeprägten Strom, der über die Induktivität 12 nach +B fließt, umgewandelt. Der Widerstand R5 dient zur Gegenkopplung und damit Stabilisierung der Verstärkung. Da die Basis über den Kondensator C5 abgeblockt ist, wirkt der Transistor Ts2, vom Kollektor gesehen, als Basisschaltung, ist also äußerst hochohmig, so daß der Quarzkreis fast nicht belastet wird. Die Widerstände R8, R5 dienen zur Einstellung des bereits erwähnten Vorstroms durch die Induktivität I:2.
In Fig. 5 ist eine Schaltungsanordnung gezeigt, bei der anstelle des Transistors Ts2 die Parallelschwingkreise E32 C6 verwendet werden. Der Einfachheit halber sind nur die wesentlichen Teile der Schaltung dargestellt.
Fig. 6 zeigt eine vereinfachte Schaltungsanordnung, bei der nur ein Ast der Parabel ausgenützt wird, wobei der Umkehrpunkt des Quarzes am oberen Ende des Arbeitstemperaturberciche, also z.B. bei etwa 55o C liegt. Die Steuerspannung für den Transistor Ts2 wird hierbei über den Spannungsteiler R11, R12 erhalten, wobei R19 ein temperaturabhängiger Widerstand ist. Vertauscht man beide Widerstände untereinander, so erhält man eine Schaltung, bei der die Kompensation dann eintritt, wenn der Umkehrpunkt des Quarzes an unteren Ende des Arbeitstemperaturbereiches, also bei etwa 10o C liegt. Eine Brückenschaltung wie bei der Schaltungsanordnung nach Figur 5 ist für diesen Fall nicht erforderlich.
Das Diagramm in Figur 7 zeigt die Abhängigkeit der Frequenz von dem in der Induktivität 12 fließenden Strom I. Bei konstanter Ur Uebungsterperatur, etwa bei einem Strom von 2,5 mA steigt die Frequenz wie gewünscht quadratisch mit dem Strom an. Bezogen auf einen Anfangsstrom von 5 mA sind die jeweils errechneten Funkte für eine quadratische Kennlinie eingezeichnet. Man sieht, daß sich die errechnete Kennlinie mit der gemessenen fast vollständig deckt. Das Diagrarra nach Figur 8 zeigt die Abhängigkeit der Frequenz von der Temperatur, wobei die Kurve c die Abhängigkeit ohne Kompensation, die Kurve b die Abhängigkeit bei einem Vorstrom von 3,5 mA bei einer gegebenen Spule und die Kurve a die Abhängigkeit bei der gleichen Spule bei einem Vorstrom von 5 mA zeigt. Der richtige Vorstrom für die Induktivität 12 ist daher für den praktisch zugrunde liegenden Fall 3,5 mA. Bei 5 mA wäre bereits eine Uberkompen--ation vorhanden. Diese Überkompensation bei 5 mA kommt deshalb zustande, weil nicht nur der Quarz sondern auch die Induktivität 12, die Diode D3 und der Transistor Ts2 temperaturabhängige Einflüsse aufweist.
8 Figuren 8 Patentansprüche

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Tgzperaturkompensierter Oszillator mit einem im Rückkopplungsweg liegenden Quarz als frequenzbestimmendes Element, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zum Quarz eine Induktivität angeordnet ist, die von einem sich mit der Ungebungstcmperatur von eineu Anfangswert an. linear ändernden Gleichstrom durchflossen ist und daß der Anfangswert des Stromes abhängig von den verwendeten Schaltungselementen einstellbar ist.
2. Temperaturkompensierter Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Eingangskreis eines Transistors eine Steuerspannung zugeführt ist, die von einen an der Versorgungsspannung liegenden Spannungateiler mit mindestens einem temperaturabhängigen Widerstand abgreifbar ist und däß der Ausgangsstrom des Transistors der Induktivität zugeführt ist.
3. Temperaturkompensierter Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsübertrager mit einer zusätzlichen mittelangezapften Wicklung versehen ist, die mit einem temperaturabhängigen Widerstand und einen weiteren ohmschen Widerstand zu einer Brücke ergänzt ist und daß der Brückenausgang über eine Gleichrichterdiode mit der Steuerelektrode des Transistors verbunden ist, dessen Ausgangsstrom der Induktivität zugeführt ist und daß die Mittelanzapfung der zusätzlichen Wicklung mit einem zwischen der Versorgungsspannung liegenden Spannungsteiler verbunden ist.
Temperaturkoripensierter Oszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle eines Transistors ein auf Resonanzfrequenz abgestir..nter Parallelschwingkreis verwendet ist.
5. Temperaturkompensierter Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bi: 3, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Induktivität und des Transistors ein mit einer eigenen Steuerwicklung versehenes Variometer verwendet ist.
6. Tcnperaturkompensierter Oszillator nach einem der Anspräche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor für die Verstärkung der Steuerspannung in Emitterschaltung arbeitet und daß Basis und Emitter über eine Kapazität wechselstrommäßig verbunden sind. Tcmperaturkoripensierter Oszillator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Enitterkreis des Transistor: ein Gegenkopplungswiderstand liegt. £3. Tcr:peraturkoripensierter Oszillator nach einem der vor- . hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Quarz und der der Kompensation dienenden Induktivität eine weitere veränderbare Induktivität eingeschaltet ist.