DE2539632A1

DE2539632A1 - Kristalloszillator

Info

Publication number: DE2539632A1
Application number: DE19752539632
Authority: DE
Inventors: Jacques Helle
Original assignee: CEPE; Compagnie Electronique et de Piezoelectricite CEPE
Current assignee: CEPE; Compagnie Electronique et de Piezoelectricite CEPE
Priority date: 1974-09-06
Filing date: 1975-09-05
Publication date: 1976-03-18
Also published as: SE404857B; FR2284219A1; DE2539632B2; FR2284219B1; DE2539632C3; SE7509860L; IT1042216B; GB1511317A; JPS5152766A; NL7510384A; US4020426A; CH598718A5

Description

Unser Zeichen: C 3061

COMPAGNIE D¹ELECTRONIQuE ET DE PIEZOELECTRICITE C.E.P.E. 101 , rue du President Roosevelt
76 SARTROUVILLE. Frankreich

Kristalloszillator

Die Erfindung bezieht sich auf Kristalloszillatoren mit temperaturabhängiger Frequenzregelung. Oszillatoren dieser Art bestehen im wesentlichen aus einem Verstärker, dessen Ausgang.mit seinem Eingang über einen Kreis verbunden ist, der einen piezoelektrischen Schwingkristall enthält, wobei der Verstärkungsfaktor des Systems mit der so gebildeten Rückkopplungsschleife größer als 1 ist, damit die Bedingungen für die Selbsterregung von Schwingungen erfüllt sind; die Frequenzregelung in Abhängigkeit von der Temperatur erfolgt dadurch, daß in Serie mit dem Kristall ein Kondensator von geeignetem Wert geschaltet wird, dessen Kapazität in Abhängigkeit von einer an seine Beläge angelegten elektrischen Spannung veränderlich ist, und daß diese elektrische Spannung, die gewöhnlich ''Kompensationssignal¹¹ genannt wird, in einer Kompensationsschaltung erzeugt wird, die ein temperaturabhängiges Element enthält.

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Die bekannten Kompensationsschaltungen sind jedoch nicht in der Lage, eine vollständige Frequenzregelung im industriellen Maßstab in dem häufigen Fall zu erhalten, daß der Schwingkristall in einem besonderen Kristallschnitt geschnitten ist, der unter der Bezeichnung AT-Schnitt bekannt ist und in gewisser Hinsicht vorteilhaft ist; bei diesem Kristallschnitt nimmt die thermische Drift Af/f der Frequenz f des Kristalls nämlich die Form einer algebraischen Kurve dritten Grades an.

In diesem Fall ist es somit notwendig, ein Kompensationssignal zu erzeugen, das sich gleichfalls nach einer Funktion dritten Grades ändert; diese Lösung führt zu bereits bekannten Kompensationsschaltungen, die wegen der für das zu erhaltende Kompensationssignal geforderten hohen Präzision und Stabilität und wegen der geforderten besonderen Eigenschaften gewisser Bestandteile, wie der temperaturabhängigen Elemente oder Thermistoren, schwierig und teuer auszuführen sind.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Kristalloszillators, der diese Nachteile nicht aufweist. Die Erfindung beruht auf dem Prinzip, die der Funktion dritten Grades entsprechende Kurve des Kompensationssignals in drei Bögen zu zerlegen rand die Realisierung dieser Kurve durch drei getrennte Schaltungen zu erzielen, von denen jede ein temperaturabhängiges Element enthält.

Zu diesem Zweck ist nach der Erfindung ein Kristalloszillator mit Frequenzregelung in einem großen Temperaturbereich, mit einer Rückkopplungs-Oszillatorschaltung, die einen Verstärker, einen piezoelektrischen Schwingkristall und ein Schaltungselement enthält, dessen Reaktanz in Abhängigkeit

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von elektrischen Größen oder Signalen veränderlich ist, und mit einer !Compensationsschaltung, die temperaturabhängige Schaltungselemente enthält, bei denen eine elektrische Kenngröße von der Temperatur abhängt, und die ein elektrisches Kompensationssignal oder eine elektrische Kompensationsgröße liefert, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsschaltung zwei Klemmen aufweist, von denen die eine im Betrieb durch einen Spannungsteiler auf einem festen Potential gehalten wird und die andere auf ein in Abhängigkeit von der Temperatur veränderliches Potential gebracht wird, daß ein erstes temperaturabhängiges Element und ein zweites temperaturabhängiges Element jeweils mit einem Ende an die zweite Klemme angeschlossen sind, während die anderen Enden der temperaturabhängigen Elemente jeweils mit einem von zwei Spannungsteilern verbunden sind, von denen einer ein drittes temperaturabhängiges Element enthält, und daß die drei Spannungsteiler an die Klemmen der elektrischen Energiequelle angeschlossen sind.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausfiihrungsbei spiels an Hand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:

Fig.1 einen Teil der Kristalloszillatorschaltung, auf die sich die Erfindung bezieht,

Fig.2 ein Diagramm der Änderungen einer Kompensationsspannung, die zum Anlegen an die Schaltung von Fig.1 bestimmt ist,

Fig.3 das Schema einer Schaltung, die eine dem Diagramm von Fig.2 entsprechende Kompensationsspannung erzeugt,

Fig.4, 5 und 6 Bestandteile der Kompensationsschaltung nach der Erfindung und

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Fig.7 die gesamte Kompensationsschaltung nach der Erfindimg.

Fig.1 zeigt eine Ausführungsform eines Teils einer Kristalloszillatorschaltung, nämlich die eigentliche Oszillatorschaltung mit Rückkopplungsschleife.

Sie enthält im wesentlichen einen Verstärker A, der zur Vereinfachung schematisch ohne seine Stromversorgungsquellen dargestellt ist; der Eingang 2 und der Ausgang 1 des Verstärkers sind miteinander über einen Kristall 4 mit Elektroden 5 und 6 und zwei Kondensatoren C^ und Cp verbunden, wobei die Kapazität des Kondensators Co von der an seine beiden Elektroden angelegten elektrischen Spannung abhängt. Ein solcher Kondensator kann durch irgendein elektrisches Schaltungselement gebildet sein, das eine in Abhängigkeit von einer elektrischen Spannung veränderliche Kapazität hat, beispielsweise eine Kapazitätsdiode oder einen Transistor.

Im Fall von Kapazitätsdioden wird die Kapazitätssteuerspannung e als Vorspannung direkt an die beiden Elektroden angelegt, und demzufolge wird bei der Ausführungsform von. Fig.1 diese Steuerspannung e zwischen den Punkten 7 und 8 für den Kondensator C₂ ingelegt. Da der Innenwiderstand der Vorspannungsquellen gewöhnlich sehr klein ist, wird in der Praxis, damit die Vorspannungsquelle den Betrieb der eigentlichen Oszillatorschaltung nicht stört, die gewöhnlich eine Schaltung mit großer Impedanz ist, die Vorspannung an dem Kondensator über Widerstände von großem Wert angelegt.

Fig.2 zeigt in Form eines schematischen Diagramms die Werte der Kompensationsspannung e als Funktion der

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Temperatur θ des Kristalls· Diese Werte werden dadurch erhalten, daß punktweise beispielsweise zwischen -15° und +70° die Werte gemessen werden, die der Kompensationsspannung e erteilt werden müssen, damit der in Fig.1 dargestellte Oszillator eine konstante Frequenz hat. Eine Untersuchung der gesamten erhaltenen Kurve läßt erkennen, daß sie algebraisch vom dritten Grad ist.

Diese Kurve kann in drei Abschnitte zerlegt werden:

Ein erster Abschnitt I entspricht dem Bereich MN niedriger Temperaturen und hat eine positive Neigung. Ein zweiter Abechnitt II folgt auf ein Maximum bei der Temperatur Q_Q; er entspricht einem Bereich NO mittlerer Temperaturen und hat eine negative Neigung. Schließlich folgt ein dritter Abschnitt III auf ein Minimum bei der Temperatur Qj; er entspricht einem Bereich OP hoher Temperaturen und hat eine positive Neigung.

Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, eine diesen Änderungen entsprechende Spannung e in einer Kompensationsschaltung zu erzeugen, die aus drei Gliedern gebildet ist, welche temperaturabhängige Elemente enthalten, wobei diese Glieder jeweils speziell für die Erzeugung eines der drei Abschnitte I, II bzw. III der die Spannung e als Funktion der Temperatur darstellenden Kurve ausgebildet sind.

Fig.3 zeigt schematisch die Regelschaltung für den Kristalloszillator nach der Erfindung. Diese Schaltung erzeugt mit Hilf einer nicht dargestellten, zwischen den Klemmen V und G angeschlossenen elektrischen Energiequelle einerseits an der Klemme 7 eine im Betrieb feste Bezugsspannung, die einer

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Klemme der Kapazitätsdiode über einen Widerstand r zugeführt wird, der die zuvor erläuterte Rolle spielt, und andrerseits an der Klemme 8 die veränderliche Kompensationsspannung e, die der anderen Klemme der Kapazitätsdiode über einen Widerstand r¹zugeführt wird., der die gleiche Rolle wie der Widerstand r spielt.

Diese Kompensationsspannung wird durch drei spezialisierte Schaltungen I, II und III erzeugt, die zwischen der Klemme V der Energiequelle und der Klemme G angeschlossen sind und deren Innenwiderstand von der Temperatur abhängt. Die Schaltung I liefert eine als Funktion der Temperatur ansteigende Spannung, aber nur bei den niedrigen Temperaturen; ihre Wirkung entspricht dem Kurvenbogen I der Kurve von Fig.2, und die von ihr verursachte Zunahme der Kompensationsspannung e wird bei höheren Temperaturen vernachlässigbar.

Die Schaltung II, deren Ausgang an den gleichen Schaltungspunkt 34 wie der Ausgang der Schaltung I angeschlossen ist, liefert eine als Funktion der Temperatur abnehmende Spannung, jedoch im Bereich mittlerer Temperaturen; unterhalb und oberhalb dieses Bereichs wird die von ihr verursachte Änderung der Kompensationsspannung e vernachlässigbar; sie erzeugt den Kurvenbogen II der Kurve von Fig.2. Schließlich legt die Schaltung III an eine Klemme 35 der Schaltung II eine Spannung an, die über diese Schaltung zu dem gemeinsamen Punkt 34 der Schaltungen I und II übertragen wird, und die wiederum einen als Funktion der Temperatur ansteigenden Verlauf zeigt, diesesmal jedoch nur im Bereich der hohen Temperaturen; dadurch wird der Kurvenbogen III der Kurve von Fig.2 erzeugt.

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Die Parameter, welche die optimale Erzielung der Temperaturbereiche und der änderungen der Kompensationsspannung e beherrschen, hängen von der Ausbildung der Schaltungen I, II und III ab, die nachstehend beschrieben werden sollen.

Fig.4 zeigt in näheren Einzelheiten die Schaltung von Fig.3, wobei das Glied I mit seinen Bestandteilen dargestellt ist, während die anderen Glieder II und HI zur Vereinfachung symbolisch durch die Schaltungsblöcke 10 bzw. 13 dargestellt sind, da sie bei dem betrachteten ersten Temperaturbereich unwirksam sind.

Das Schaltungsglied I ist zwischen den beiden Klemmen +V und G der Stromversorgungsquelle angeschlossen und bildet mit dem Schaltungsblock 10 und einem Widerstand R~, desean Rolle später erläutert wird, einen Spannungsteiler, dessen Punkt 34 mit der Klemme 8 verbunden ist.

Das Spannungßteilerverhältnis dieses Spannungsteilers ist in Abhängigkeit von der Temperatur veränderlich, damit der Spannung am Punkt 34 ein Änderungsgesetz erteilt wird, das dem im Diagramm (a) von Fig.4 dargestellten Kurvenbögen I entspricht.

Zu diesem Zweck ist ein Element vorgesehen, dessen Widerstand sich in Abhängigkeit von der Temperatur ändert; dieses Element ist ein Thermistor RT^, dessen Einfluß durch geeignete Wahl der Widerstände R^ und R^ eingestellt wird.

In dem betrachteten Bereich niedriger Temperaturen ist der Einfluß der Änderungen des Widerstands der durch die Schaltungsblöcke 10 und 13 dargestellten Schaltungsteile vernachlässigbar, da sie, wie zuvor erläutert worden ist, so ausgelegt sind, daß sie in den anderen Temperaturbereichen zur Wirkung kommen.

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Die Bestandteile der Schaltung I haben den folgenden Einfluß:

Bei der niedrigsten Temperatur ist der Widerstand des Thermistors RT^ sehr viel größer als der Wert des Widerstands FU; die kleinste Spannung e hängt in erster Linie von den Widerständen der Schaltungsbestandteile RT^, RT^ und 10 ab j die größte Spannung, e hängt vom Widerstand R-* und der Spannung V ab; schließlich hängt die Neigung α^ der Kurve hauptsächlich von den Werten der Schaltungselemente R^ und RT₁ ab.

Fig.5 zeigt wiederum die Schaltung von Fig.3 in näheren Einzelheiten, wobei das speziell für die mittleren Temperaturen ausgelegte Glied II mit seinen Bestandteilen dargestellt ist, während die Glieder I und III symbolisch durch die Schaltungsblöcke 11 bzw. 13 dargestellt sind. Diese Vereinfachungen sind aus den bereits zuvor erläuterten Gründen zulässig, da die beiden Glieder I und III bei dem betrachteten mittleren Temperaturbereich unwirksam sind.

Das zwischen den beiden Klemmen +V und G der Stromversorgungsquelle angeschlossene Glied II bildet zusammen mit dem Schaltungsblock 11 einen Spannungsteüla', dessen Abgriff 34- mit der Klemme 8 verbunden ist.

Das Spannungsteilerverhältnis dieses Spannungsteilers ist in gleicher Weise wie im Fall des Glieds I dadurch temperaturabhängig gemacht, daß es einen Thermistor RT₂ enthält, dessen Einfluß durch die Wahl der Widerstände Rc, Rg und R« eingestellt werden kann.

Dadurch wird die Nachbildung des Kurvenbogens II von Fig.2 erhalten, der im Diagramm (b) von Fig.5 dargestellt ist.

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Bei der Temperatur Qq des Diagramms von Fig.2 ist der Widerstand des Thermistors RT₂ sehr viel größer als der Wert des Widerstands R₅. Die maximale Spannung e hängt hauptsächlich von den Widerständen Rc, Ry und dem Widerstand des Schaltungsblocks 1 1 ab.

Bei der Temperatur Θ.. des Diagramms von Fig.1 hängt die kleinste Spannung e hauptsächlich von den Widerständen der Schaltungselemente Rc, Ry, RT₂ und vom Widerstand des Schaltungsblock 11 ab.

Schließlich ist in Fig.6 die Schaltung von Fig.3 so dargestellt, daß nunmehr die Bestandteile des Gliede III im einzelnen gezeigt sind.

Das Schaltungsgli.ed III ist zwischen den Klemmen +V und G der Stromversorgungsquelle angeschlossen und legt an die Klemme 35 des gemeinsamen Widerstands Ry, dessen Rolle somit gerechtfertigt ist, eine Teilkompensationsspannung an, durch welche über den Schaltungsblock 10, der im wesentlichen für die Schaltungselemente RT₂ und Rc von Fig.5 steht, die Nachbildung des Kurvenbogens III von Fig.2 bewirkt, der im Diagramm (c) von Fig.6 dargestellt ist.

Zu diesem Zweck enthält das Schaltungsglied IH ein Schaltungselement RT3 mit temperaturabhängigem Widerstand, dessen Einfluß durch die Widerstände R_Q und Rq eingestellt wird.

Da die übrigen Bestandteile der Schaltung bei dem betreffenden hohen Temperaturbereich unwirksam sind, sind sie symbolisch durch die Schaltungsblöcke 10 und 11 dargestellt.

des Thermistors RT, sehr viel größer als der Wert des

Bei der Temperatur Q₁ der Kurve von Fig.2 ist der Widerstand des Thermisi
Widerstands Rq.

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Die kleinste Spannung e hängt dann in erster Linie von den Widerständen Ry, Rg und Rq ab. Die größte Spannung e hängt von den Widerständen der Schaltungselemente RT,, Ry, Rg und von der Spannung +V ab, und schließlich hängt die im Diagramm (c) von Fig.6 dargestellte Neigung α , in erster Linie von den Widerständen der Schaltungselemente R_Q, Rq und RT, ab.

Im übrigen wird die genaue Temperaturabstimmung auf den Wert Q^ zwischen den Kurvenbögen II und III sowie die optimale Krümmung am Punkt Q^ durch die Wahl der Widerstände der Schaltungselemente Rg, Ry, Rg, Rq und RT, erhalten.

Fig.7 zeigt die gesamte Kompensationsschaltung nach der Erfindung.

Die zuvor für jedes der drei Schaltungsglieder I, II und III angegebene detaillierte Analyse wird nicht wiederholt. Es ist jedoch zu bemerken, daß die drei Spannungsteiler, welche durch die Widerstandsgruppen (R^, Rg) , (R^, Rg) einerseits und (R^2> ^5) andrerseits gebildet sind, die Einstellung der Sollbetriebsbedingungen des Oszillators ermöglichen.

Die Widerstände R^ und Rp bestimmen somit auf der Kurve e=f (θ) den maximalen Wert der Spannung e für den Temperaturwert 9q; sie können durch Widerstände ersetzt werden, die spannungsregelnde Eigenschaften haben, beispielsweise durch Zenerdioden.

Die Widerstände R₇ und R_Q bestimmen zusammen mit dem Widerstand R, auf der Kurve e = f(6) den Kleinstwert der Spannung e

für den Temperaturwert θ^ . Schließlich bilden die Widerstände R₁ und R^, die Elemente für die Einstellung der Nennfrequenz der Schwingung.

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Die Polaritäten an den .Klemmen der Stromversorgungsquelle sind in den Figuren nur als Beispiel angegeben worden; sie entsprechen bekannten Thermistoren, deren Widerstand mit wachsender Temperatur abnimmt, und einer veränderlichen Kapazität, deren Kapazität vermindert wird, wenn die daran angelegte Vorspannung zunimmt. Natürlich können ebensogut auch Schaltungselemente mit umgekehrten Eigenschaften verwendet werden, wobei die Vorzeichen der Polarität an den Klemmen der Stromversorgungsquelle entsprechend anzupassen sind.

Ein in der angegebenen V/eise ausgeführter temperaturkompensierter Oszillator hat in einem typischen, als Beispiel angegebenen Fall eine Frequenzstabilität von 1·1Ο in dem ausgedehnten Temperaturbereich von -40° bis +8O⁰C gezeigt; dieses Ergebnis wurde mit Schaltungselementen erhalten, deren Werte und Kenngrößen nicht kritisch waren.

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Claims

Patentansprüche

Λ J Kristalloszillator mit Frequenzregelung in einem großen Temperaturbereich, mit einer Rückkopplungs-Oszillatorschaltung, die einen Verstärker, einen piezoelektrischen Schwingkristall und ein Schaltungselement enthält,dessen Reaktanz in Abhängigkeit von elektrischen Größen oder Signalen veränderlich ist, und mit einer Kompensationsschaltung, die temperaturabhängige Schaltungselemente enthält, bei denen eine elektrische Kenngröße von der Temperatur abhängt, und die ein elektrisches Kompensationssignal oder eine elektrische Kompensationsgröße liefert, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsschaltung zwei Klemmen aufweist, von denen die eine im Betrieb durch einen Spannungsteiler auf einem festen Potential gehalten wird und die andere auf ein in Abhängigkeit von der Temperatur veränderliches Potential gebracht wird, daß ein erstes temperaturabhängiges Element und ein zweites temperaturabhängiges Element Jeweils mit einem Ende an die zweite Klemme angeschlossen sind, während die anderen Enden der temperaturabhängigen Elemente jeweils mit einem von zwei Spannungsteilern verbunden sind, von denen einer ein drittes temperaturabhängiges Element enthält, und daß die drei Spannungsteiler an die Klemmen der elektrischen Energiequelle angeschlossen sind.
2. Kristalloszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die temperaturabhängigen Elemente so ausgebildet sind, daß dem elektrischen Kompensationssignal in seinem Änderungsbereich als Funktion ansteigender Temperaturen durch das erste und das dritte temperaturabhängige Element wachsende Werte in den Endabschnitten des Bereichs und durch das zweite temperaturabhängige Element abnehmende Werte im dazwischenliegenden Abschnitt des Bereichs erteilt werden.

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3. Kristalloszillator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedem der drei temperaturabhängigen Elemente ein Widerstand par.allelgeschaltet ist.
4. Kristalloszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Klemmen mit der Kompensationsschaltung über einen Widerstand verbunden ist, dessen Wert groß gegen denjenigen der Spannungsteiler ist.

5· Kristalloszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die temperaturabhängigen Elemente einen als Funktion der Temperatur abnehmenden Widerstand haben, und daß das dritte temperaturabhängige Element mit der positiven Klemme der elektrischen Energiequelle verbunden ist.

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