DE2539632C3 - Schwingkristallgesteuerter Oszillator - Google Patents
Schwingkristallgesteuerter OszillatorInfo
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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
60
65 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 sexne Beläge angelegten 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 AfJf 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 Kompcnsationsschaltungen
wegen der für das zu erhaltende Kompensationssignal geforderten hohen Präzision und Stabilität temperaturabhängige
Widerstandselemente bzw. Thermistoren benötigt, die schwierig und nur mit hohem Kostenaufwand
auszuführen sind.
Aus der DE-OS 14 91 970 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 kompensierbaren
Verlauf als bei Verwendung von Schwingkristallen mit AT-Schnitt.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines schwingkristallgesteuerten Oszillators, bei dem an die
temperaturabhängigen Widerstandselemente keine hohen 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,
Fig.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 schwingkristallgesteuerten 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 Cz verbunden, wobei die
Kapazität des Kondensators Q 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
CI 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 Diagr.rmms
die Werte der Kompensationsspannung e als Funktion der Temperatur β des Kristalls. Diese Werte werden
dadurch erhalten, daß punktweise beispielsweise zwischen -15°C und +700C die Werte gemesser, 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 ansteigenden 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 0<
>; er entspricht einem Bereich NO mittlerer Temperaturen und hat eine negative Neigung.
Schließlich folgt ein dritter Abschnitt III 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, II bzw. III der die Spannung
e als Funktion der Temperatur darstellenden Kurve ausgebildet sind.
F i g. 3 zeigt schematisch die Kompensationsschaltung 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 rspielt
Diese Kompensationsspannang wird durch drei spezialisierte Schaltungen I, II und III erzeugt, die
zwischen der Klemme + Vder Stromversorgungsquelle 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 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 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, 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 III 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 I ist zwischen den beiden Klemmen -f V und G der Stromversorgungsquelle angeschlossen
und bildet mit dem Schaltungsblock 10 und einem Widerstand Ri, 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 RTu dessen Einfluß durch geeignete Wahl
der Widerstände R3 und /?4 eingestellt wird.
In dem betrachteten Bereich niedriger Temperaturen ist der Einfluß der Änderungpn 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 A3 und der Spannung Vab; schließlich hängt
die Neigung tx\ der Kurve hauptsächlich von den Werten der Schaltungselemente R3, Ra und RT\ ab.
F i g. 5 zeigt wiederum die Schaltung von F i g. 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
II 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 11 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 Ry 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 RT2 sehr viel größer als
der Wert des Widerstands R5. Die maximale Spannung e hängt hauptsächlich von den Widerständen R$, Ri und
dem Widerstand des Schaltungsblocks 11 ab.
Bei der Temperatur θι des Diagramms von F i g. 1
hängt die kleinste Spannung e hauptsächlich von den Widerständen der Schaltungselemente Ri, 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 Rj
eine Teilkompensationsspannung an, durch welche über den Schaltungsblock 10, der im wesentlichen für die
Schaltungselemente RT2 um' /?s von Fig.5 steht, die
Nachbildung des Kurvenbogens III von Fig.2 bewirkt
wird, der im Diagramm (c) von F i g. 6 dargestellt ist
Zu diesem Zweck enthält die Schaltung III ein Schaltungselement RTi mit temperaturabhängigem
Widerstand, dessen Einfluß durch die Widerstände Rs
und Rg 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.
Bei der Temperatur θι der Kurve von Fig.2 ist der
Widerstand des Thermistors RT3 sehr viel größer als der Wert des Widerstands R9.
Die kleinste Spannung e hängt dann in erster Linie von den Widerständen Ri, Rg und /?g ab. Die größte
Spannung e hängt von den Widerständen der Schaltungselemente RTz, Ri, Rg und von der Spannung
+ V ab, und schließlich hängt die im Diagramm (c) von F i g. 6 dargestellte Neigung «3 in erster Linie von den
Widerständen der Schaltungselemente Rs, Rg und RT3
ab.
Im übrigen wird die genaue Temperaturabstimmung auf den Wert θι zwischen den Kurvenbögen II und Ul
sowie die optimale Krümmung am Punkt θι durch die
Wahl der Widerstände der Schaltungselemente Rb, Ri.
Rs, Rt und RT3 erhalten.
F i g. 7 zeigt die gesamte Kompensationsschaltung.
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 (R\, R2), (Ri, Rs)
einerseits und (R12, Rn) andererseits gebildet sind, die
Einstellung der Sollbetriebsbedingungen des Oszillators ermöglichen.
Die Widerstände /?i und R2 bestimmen somit auf der
Kurve e= /(0) den maximalen Wert der Spannung e für
den Temperaturwert θο; sie können durch Schaltungselemente ersetzt werden, die spannungsregelnde Eigenschaften
haben, beispielsweise durch Zenerdioden.
Die Widerstände Ri und Äs bestimmen zusammen mit
dem Widerstand Rb auf der Kurve e=/(0) den
Kleinstwert der Spannung e für den Temperaturwert θι.
Schließlich bilden die Widerstände Ru und Rn die
Elemente für die Einstellung der Nennfrequenz der Schwingung.
Die Polaritäten an den Klemmen der Str mversorgungsquelle
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 temperaturkompensierter Oszillator hat in einem typischen, als Beispiel angegebenen Fall eine Frequenzstabilität von 1 χ 10~6 in dem ausgedehnten Temperaturbereich von — 4ö" bis +SO-C gezeigt; dieses Ergebnis wurde mit Schaltungselementen erhalten, deren Werte und Kenngroßen nicht kritisch waren.
Ein in der angegebenen Weise ausgeführter temperaturkompensierter Oszillator hat in einem typischen, als Beispiel angegebenen Fall eine Frequenzstabilität von 1 χ 10~6 in dem ausgedehnten Temperaturbereich von — 4ö" bis +SO-C gezeigt; dieses Ergebnis wurde mit Schaltungselementen erhalten, deren Werte und Kenngroßen nicht kritisch waren.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
1. Schwingkristallgesteuerter Oszillator mit Frequenznachregelung in einem weiten Temperaturbereich,
mit einer Rückkopplungs-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 Kompensationssigna! erzeugenden
Kompensationsschaltung, die zwei Klemmen aufweist, von denen die eine auf einem festen
Bezugspotential liegt und die andere ein temperaturabhängiges Potential liefert, wobei die Kompensa- is
tionsschaltung 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 Widerstandselemems (RTU RT2) an den Abgriff eines ersten (Rx, R2)
bzw. eines zweiten (13, Ä7), 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 (RTt,
RT2, RTz) ein Widerstand (Ra, Rs, R9) parallelgeschaltet
ist.
2. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Klemme (7) der Kompensationsschaltung
über einen Widerstand (r) an das feste Potential (+V) und die andere Klemme (8) der
Kompensationsschaltung über einen Widerstand (?)
an die temperaturabhängigen Widerstandselemente (RT\, 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 ^RTa) mit dem
festen, positiven Potential (+ ^verbunden ist.
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