DE2539632B2 - Schwingkristallgesteuerter Oszillator - Google Patents

Schwingkristallgesteuerter Oszillator

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Description

Die Erfindung betrifft einen schwingkristallgesteuerten Oszillator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Oszillatoren dieser bekannten Art (US-PS 30 54 966) 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 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 s elektrischen Spannung veränderbar ist, und daß diese elektrische Spannung, die gewöhnlich »Kompensationssignal« genannt wird, in einer Kompensationsschaltung erzeugt wird, die ein temperaturabhängiges Element enthält
Die bekannten Kompensationsschaltungen sollen eine vollständige Frequenznachregelung für den häufigen Fall gewährleisten, 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 AfIi der Frequenz / des Kristalls nämlich an den beiden Enden des Temperaturbereiches zu und in dem dazwischenliegenden Temperaturbereich ab.
In diesem Fall ist es somit notwendig, ein Kompensationssignal zu erzeugen, das sich entsprechend ändert Bei den bekannten Oszillatorschaltungen (US-PS 30 54 966) werden für die Kompensationsschaltungen wegen der für das zu erhaltende Kompensationssignal geforderten hohen Präzision und Stabilität temperaturabhängige Widerstandselemente bzw. Thermistoren benötigt, die schwierig und nur mit hohen· Kostenaufwand auszuführen sind. Aus der DE-OS 14 91970 ist auch bereits eine Kompensationsschaltung für kristallgesteuerte Oszillatoren bekannt, bei der die einen Enden eines der Kompensationsglieder zusammengefaßt an der einen Klemme der Kompensationsschaltung liegen und die anderen Enden der Kompensationsglieder jeweils mit einem von zwei Spannungsteilern verbunden sind, die zwischen die beiden Pole einer Versorgungsquelle geschaltet sind. Um den temperaturabhängigen Verlauf der Kompensationsspannungskurve zu verbessern, ist jedem der Kompensationsglieder ein Widerstand parallel geschaltet. Bei dieder bekannten Kompensationsschaltung durchläuft jedoch die unkompensierte Frequenzdriftkurve ein Maximum, ohne danach einen Wendepunkt und ein Minimum aufzuweisen; sie hat somit einen weniger komplizierten, leichter kompen sierbaren Verlauf als bei Verwendung von Schwingkri stallen mit AT-Schnitt.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines schwingkristallgesteuerten Oszillators, bei dem an die temperaturabhängigen Widerstandselemente keine ho hen Präzisionsansprüche gestellt werden.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nun anhand der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung weiter erläutert. In der Zeichnung zeigt F i g. 1 einen Teil einer schwingkristallgesteuerten
Oszillatorschaltung,
F i g. 2 ein Diagramm der Änderungen einer Kompensationsspannung, die zum Anlegen an die Schaltung von F i g. 1 bestimmt ist, Fig.3 das Schema einer Schaltung, die eine dem Diagramm von F i g. 2 entsprechende Kompensationsspannung erzeugt,
F i g. 4,5 und 6 Bestandteile der Kompensationsschaltung nach der Erfindung und
F i g. 7 die gesamte Kompensationsschaltung.
F i g. 1 zeigt eine Ausführungsform eines Teils einer schwingkristallgestsuerten Oszillatorschaltung, nämlich die eigentliche Oszillatorschaltung mit Rückkopplungsschleife.
Sie enthält im wesentlichen einen Verstärker A, der zur Vereinfachung schematisch ohne seine Stromversorgungsquelle 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 Ci verbunden, wobei die Kapazität des Kondensators C2 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 veränderbare Kapazität hat, beispielsweise durch eine Kapazitätsdiode oder durch 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 F i g. 1 diese Steuerspannung e zwischen den Klemmen 7 und 8 für den Kondensator C 2 angelegt 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 den Kondensator über Widerstände von großem Wert angelegt.
F i g. 2 zeigt in Form eines schematischen Diagramms die Werte der Kompensationsspannung e als Funktion der Temperatur θ des Kristalls. Diese Werte werden dadurch erhalten, daß punktweise beispielsweise zwischen -15° C und +700C die Werte gemessen werden, die der Kompensationsspannung e erteilt werden müssen, damit der in F i g. 1 dargestellte Oszillator eine konstante Frequenz hat Eine Untersuchung der gesamten erhaltenen Kurve läßt erkennen, daß sie einen ansteigenden, danach abfallenden und wieder ansteigen- -to den Teil aufweist Sie kann demnach in drei Abschnitte zerlegt werden:
Ein erster Abschnitt I entspricht dem Bereich MN niedriger Temperaturen und hat eine positive Neigung. Ein zweiter Abschnitt II folgt auf ein Maximum bei der « Temperatur θο; er entspricht einem Bereich NO mittlerer Temperaturen und hat eine negative Neigung. Schließlich folgt ein dritter Abschnitt IH auf ein Minimum bei der Temperatur θι; er entspricht einem Bereich OP hoher Temperaturen und hat eine positive Neigung.
Es ist vorgesehen, eine diesen Änderungen entsprechende Spannung ein einer Kompensationsschaltung zu erzeugen, die aus drei Gliedern gebildet ist, welche temperaturabhängige Widerstandselemente enthalten, wobei diese Glieder jeweils speziell für die Erzeugung eines der drei Abschnitte I, Π bzw. III der die Spannung e als Funktion der Temperatur darstellenden Kurve ausgebildet sind.
Fig.3 zeigt schematisch die Kompensationsschal- &o tung für den kristallgesteuerten Oszillator. Diese Schaltung erzeugt mit Hilfe einer nicht dargestellten, zwischen den Klemmen + V (positives Speisepotential) und G (Masse) angeschlossenen elektrischen Stromversorgungsquelle einerseits an der Klemme 7 eine im Betrieb feste Bezugsspannung, die einer Klemme der Kapazitätsdiode über einen Widerstand r zugeführt wird, der die zuvor erläuterte Rolle spielt, und andererseits an der Klemme 8 die veränderliche Kompensationsspannung e, die der anderen Klemme der Kapazitätsdiode über einen Widerstand / zugeführt 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 + Vder Stromversorgungsquelle und der Klemme C 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 entpricht dem Kurvenbogen I der Kurve von F i g. 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 Ober 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 diesmal jedoch nur im Bereich der hohen Temperaturen; dadurch wird der Kurvenbogen III der Kurve von F i g. 2 erzeugt
Die Parameter, welche die optimale Erzielung der Temperaturbereiche und der Änderungen der Kompensationsspannung e beherrschen, hängen von der Ausbildung der Schaltungen I, II und IU ab, die nachstehend beschrieben werden sollen.
Fig.4 zeigt in näheren Einzelheiten die Schaltung von F i g. 3, wobei die Schaltung I mit ihren Bestandteilen dargestellt ist, während die anderen Schaltungen II und III zur Vereinfachung symbolisch durch die Schaltungsblöcke 10 bzw. 13 dargestellt sind, da sie bei dem betrachteten ersten Temperaturbereich unwirksam sind.
Die Schaltung F ist zwischen den beiden Klemmen + V und G der Stromversorgungsquelle angeschlossen und bildet mit dem Schaltungsblock 10 und einem Widerstand Λ7, dessen Rolle später erläutert wird, einen Spannungsteiler, dessen Punkt 34 mit der Klemme 8 verbunden ist
Das Spannungsteilerverhältnis dieses Spannungsteilers ist in Abhängigkeit von der Temperatur veränderlich, damit der Spannung am Punkt 34 ein Verlauf erteilt wird, der dem im Diagramm (a)von F i g. 4 dargestellten Kurvenbogen I entspricht
Zu diesem Zweck ist ein Widerstandselement vorgesehen, dessen Widerstandswert sich in Abhängigkeit von der Temperatur ändert; dieses Element ist ein Thermistor Λ7Ί, dessen Einfluß durch geeignete Wahl der Widerstände R3 und A4 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.
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 R3; die kleinste Spannung e hängt in erster Linie von den Widerständen der Schaltungsbestandteile RT], Ra und 10 ab; die größte Spannung e hängt vom Widerstand R3 und der Spannung Vab; schließlich hängt die Neigung au der Kurve hauptsächlich von den Werten der Schaltungselemente Rs, Ra und RT\ ab.
Fig.5 zeigt wiederum die Schaltung von Fig.3 in näheren Einzelheiten, wobei die speziell für die mittleren Temperaturen ausgelegte Schaltung II mit ihren Bestandteilen dargestellt ist, während die Schaltungen I und III symbolisch durch die Schaltungsblöcke
I1 bzw. 13 dargestellt sind. Diese Vereinfachungen sind aus den bereits zuvor erläuterten Gründen zulässig, da die beiden Schaltungen I und III bei dem betrachteten mittleren Temperaturbereich unwirksam sind.
Die zwischen den beiden Klemmen + V und G der Stromversorgungsquelle angeschlossene Schaltung II bildet zusammen mit dem Schaltungsblock U einen Spannungsteiler, dessen Abgriff 34 mit der Klemme 8 verbunden ist
Das Spannungsteilerverhältnis dieses Spannungsteilers ist in gleicher Weise wie im Fall der Schaltung I dadurch temperaturabhängig gemacht, daß es einen Thermistor RT2 enthält, dessen Einfluß durch die Wahl der Widerstände Rs, Rt und Rj eingestellt werden kann.
Dadurch wird die Nachbildung des Kurvenbogens II von F i g. 2 erhalten, der im Diagramm (b) von F i g. 5 dargestellt ist.
Bei der Temperatur θο des Diagramms von F i g. 2 ist der Widerstand des Thermistors RTi sehr viel größer als der Wert des Widerstands Rs. Die maximale Spannung e hängt hauptsächlich von den Widerständen Rs, Ri und dem Widerstand des Schaltungsblocks U ab.
Bei der Temperatur θι des Diagramms von F i g. 1 hängt die kleinste Spannung e hauptsächlich von den Widerständen der Schaltungselemente Äs, Ri, RT2 und vom Widerstand des Schaltungsblocks 11 ab.
Schließlich ist in F i g. 6 die Schaltung von F i g. 3 so dargestellt, daß nunmehr die Bestandteile der Schaltung
III im einzelnen gezeigt sind.
Die Schaltung III ist zwischen den Klemmen + Vund G der Stromversorgungsquelle angeschlossen und legt an die Klemme 35 des gemeinsamen Widerstands Ri eine Teilkompensationsspannung an, durch welche über den Schaltungsblock 10, der im wesentlichen für die Schaltungselemente RT2 und Äs von Fig.5 steht, die Nachbildung des Kurvenbogens III von Fi g. 2 bewirkt wird, der im Diagramm (c) von F i g. 6 dargestellt ist
Zu diesem Zweck enthält die Schaltung III ein Schaltungselement RTs mit temperaturabhängigem Widerstand, dessen Einfluß durch die Widerstände R9 und Rs eingestellt wird.
Da die übrigen Bestandteile der Schaltung bei dem betreffenden hohen Temperaturbereich unwirksam sind, sind sie symbolisch durch die Schaltungsblöckc 10 und 11 dargestellt.
Bei der Temperatur θι der Kurve von F i g. 2 ist der Widerstand des Thermistors RT1 sehr viel größer als der
■> Wert des Widerstands A9.
Die kleinste Spannung e hängt dann in erster Linie von den Widerständen R7, Rg und R9 ab. Die größte Spannung e hängt von den Widerständen der Schaltungselemente RT3, Ri, A8 und von der Spannung
ίο +Vab, und schließlich hängt die im Diagramm (c) von
F i g. 6 dargestellte Neigung &3 in erster Linie von den Widerständen der Schaltungselemente Rg, R9 und RT3 Im übrigen wird die genaue Temperaturabstimmung
π auf den Wert θι zwischen den Kurvenbögen II und III sowie die optimale Krümmung am Punkt θι durch die Wahl der Widerstände der Schaltungselemente Rb, Ri, Rb, R9 und RT3 erhalten. F i g. 7 zeigt die gesamte Kompensationsschaltung.
Die zuvor für jede der drei Schaltungen I, II und III angegebene detaillierte Analyse wird nicht wiederholt Es ist jedoch zu bemerken, daß die drei Spannungsteiler, welche durch die Widerstandsgruppen (Ri, R2), (R7, R9) einerseits und (Rn, Ä)3) andererseits gebildet sind, die Einstellung der Sollbetriebsbedingungen des Oszillators ermöglichen.
Die Widerstände R] und R2 bestimmen somit auf der Kurve e= /(Θ) den maximalen Wert der Spannung e für den Temperaturwert θο; sie können durch Schaltungs elemente ersetzt werden, die spannungsregelnde Eigen schaften haben, beispielsweise durch Zenerdioden.
Die Widerstände Ry und Rt bestimmen zusammen mit dem Widerstand R6 auf der Kurve ε=Ι(θ) den Kleinstwert der Spannung e für den Temperaturwert θι.
Schließlich bilden die Widerstände Rn und Äu die Elemente für die Einstellung der Nennfrequenz der Schwingung.
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 ebenso gut auch Schaltungselemente mit umgekehrten Eigenschaften verwendet werden, wobei die Vorzeichen der Polarität an den Klemmen der Stromversorgungsquelle entsprechend anzupassen sind. Ein in der angegebenen Weise ausgeführter tempera turkompensierter Oszillator hat in einem typischen, als Beispiel angegebenen Fall eine Frequenzstabiiität von 1 χ 10-' in dem ausgedehnten Temperaturbereich von -40° bis +800C gezeigt; dieses Ergebnis wurde mit Schaltungselementen erhalten, deren Werte und Kenn größen nicht kritisch waren.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Schwingkristallgesteuerter Oszillator mit Frequenznachregelung in einem weiten Temperaturbereich, mit einer RUckkopplungs-Oszillatorschaltung, die einen Verstärker, einen piezoelektrischen Schwingkristall und ein Schaltungselement enthält, dessen Reaktanz in Abhängigkeit von einem elektrischen Kompensationssignal veränderbar ist, und mit einer das Kompensationssignal erzeugenden Kompensationsschaltung, die zwei Klemmen aufweist, von denen die eine auf einem festen Bezugspotential liegt und die andere ein temperaturabhängiges Potential liefert, wobei die Kompensationsschaltung drei temperaturabhängige Widerstandselemente aufweist, von denen das erste und das zweite mit einem Anschluß an die Klemme mit temperaturabhängigem Potential angelegt sind, und wobei das erste temperaturabhängige Widerstandselement im unteren Temperaturbereich und das dritte temperaturabhängige Widerstandselement im oberen Temperaturbereich ein Ansteigen der das Kompensationssignal als Funktion der Temperatur darstellenden Kennlinie und das zweite temperaturabhängige Widerstandselement in einem mittleren Temperaturbereich ein Abfallen dieser Kennlinie bewirken, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweils andere Anschluß des ersten und des zweiten temperaturabhängigen Widerstandselements (RTu RT2) an den Abgriff eines ersten (R1, R2) bzw. eines zweiten (13, R7), zwischen ein festes Potential (+ V) und Masse (G) geschalteten Spannungsteilers angelegt ist, daß der zweite Spannungsteiler (13, Ri) das dritte temperaturabhängige Widerstandselement (RTj) enthält und daß zu jedem temperaturabhängigen Widerstandselement (RTu RT2, RT3) ein Widerstand (Ra, Äs, A9) parallelgeschaltet ist
2. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Klemme (7) der Kompensationsschaltung über einen Widerstand (r)m das feste Potential (+ V) und die andere Klemme (8) der Kompensationsschaltung über einen Widerstand (r1) an die temperaturabhängigen Widerstandselemente (RT1, RT2) angeschlossen ist, deren Wert groß gegenüber dem Wert der Widerstände der Spannungsteiler (R\, R2 bzw. 13, Rj) ist.
3. Oszillator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die temperaturabhängigen Widerstandselemente einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweisen und daß das dritte temperaturabhängige Widerstandselement (RT3) mit dem festen, positiven Potential (+ V) verbunden ist.
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