DE2707201A1

DE2707201A1 - Quarzkristallschwinger

Info

Publication number: DE2707201A1
Application number: DE19772707201
Authority: DE
Inventors: Blackburn Feniscowles; Joseph Anthony Luke Philipsz; Stanislaw Sikora
Original assignee: PHILCOM ELECTRONICS Ltd
Current assignee: PHILCOM ELECTRONICS Ltd
Priority date: 1976-02-17
Filing date: 1977-02-17
Publication date: 1977-08-18
Also published as: JPS52141547A; FR2341980A1

Description

Quarzkristall·chwiager

Sie Erfindung bezieht sich auf Kristallschwinger und insbesondere auf temperaturkompensierte Kristallschwinger.

Quarzkristalle haben Eigenschaften, die temperaturabhängig sind, und dementsprechend haben Quarzkristallschwinger, bei denen die Kristalle nicht temperaturkompensiert sind, temperaturabhängige Eigenschaften. Zur Erzeugung einer genau definierten Betriebsfrequenz über einen weiten Temperaturbereich ist es daher erforderlich, die temperaturabhängigen Eigenschaften der Kristalle zu kompensieren.

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Quarzkristalle können zur Frequenzänderung in einem Schwingkreis durch Veränderung einer Reaktanz in Reihe oder parallel zu dem Kristall hergestellt werden. Es ist bekannt, Temperaturveränderungen in Kristallschwingern durch eine Verwendung einer temperaturempfindlichen Reaktanz zu kompensieren, deren Charakteristiken an die Charakteristiken des Kristalls zur Erzeugung der gewünschten Frequenzstabilität angepaßt sind. In einer bekannten Anordnung ist eine temperaturabhängige Kapazität mit dem Quarzkristall in Reihe geschaltet. In einer anderen bekannten Anordnung ist eine Reaktanzdiode mit dem Kristall in Reihe geschaltet, wobei die Reaktanzdiode parallel zu einem Widerstands-Thermistor-Schaltkreis geschaltet ist. Die Reaktanz der Reaktanzdiode hängt von der durch den Schaltkreis aufgebrachten Spannung ab.

Es wurde festgestellt, daß jede Quarzkristalleinheit eine ungleiche Frequenz-Temperatur-Charakteristik hat, die es erschwert, temperaturkompensierende Schaltkreise aufzustellen, die ausreichend flexibel sind, um für die meisten, wenn nicht für alle Kristalleinheiten anwendbar zu sein.

Es ist daher ein Ziel der Erfindung, die beim Stand der Technik auftretenden Schwierigkeiten zu verhindern oder zu verringern.

Gemäß der Erfindung ist ein Quarzkristallschwinger geschaffen, der einen Schwingkreis, einen Quarzkristall, Mittel zur

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Einstellung der Schwingfrequenz, einen temperaturempfindlichen Schaltkreis zur Erzeugung eines Teaperatursignals und einen Übertragungsfunktionsgenerator hat, der ein Temperaturkompensationssignal erzeugen kann, das für die Frequenzeinstellvorrichtung von den Temperatursignal abhängt, wobei das Ansprechen des Übertragungsfunktionsgenerators für Veränderungen des Temperatursignals an die Temperaturcharakteristik des Quarzkristallschwingers angepaßt ist, so daß eine gewünschte Schwingfrequenz-Temperatur-Charakteristik erzielt wird.

Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zur Temperaturkompensation eines Quarzkristallschwingers geschaffen, der einen Schwingkreis, einen Quarzkristall, Mittel zur Einstellung der Schwingfrequenz und einen temperaturempfindlichen Schaltkreis hat, der zur Erzeugung eines Temperatursignals angeordnet ist, bei dem ein übertragungsfunktionsgenerator das Temperatursignal aufnimmt und ein Temperaturkompensationssignal für die Frequenzeinstellmittel bildet, bei dem der Quarzkristallschwinger innerhalb einer Wärmeschutzumhüllung betrieben wird, wenn die Temperatur in der Umhüllung über einen vorbestimmten Bereich verändert wird und bei dem der Übertragungsfunktionsgenerator programmiert ist, auf das Temperatursignal bei irgendeiner Temperatur innerhalb des Bereiches anzusprechen, um so «im· gewünschte Schwingfrequ&nz-Temperatur-Charakteristik aufrechtzuerhalten.

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Die gewünschte Schwingfrequenz-Temperatur-Charakteristik kann so sein, daß die frequenz des Schwingers im wesentlichen unabhängig von der Temperatur ist. Die Frequenzeinstellmittel haben vorzugsweise eine Reaktanzdiode.

Der Übertragungsfunktionsgenerator hat vorzugsweise einen programmierbaren Speicher, der mit der temperaturempfindlichen Schaltung über einen Analog-Digital-Umwandler und mit der Reaktanzdiode über einen Digital-Analog-Umwandler verbunden ist. Der Analog-Digital-Umwandler erzeugt somit eine getrennte Αιϊτ*»*0 von Temperaturschritten, wobei der Speicher für Jeden dieser Schritte programmiert ist, um ein besonderes Kompensationssignal für die Reaktanzdiode zu erzeugen.

Der Speicher kann durch anfängliches Auswählen der Kompensationssignale programmiert werden, die die gewünscht· Fre quenz-Temperatur-Charakteristik bilden und dann eine Grenz fläche zwischen dem Speicher und dem Eingang für die Frequenzeinstellmittel erzeugen.

Alternativ kann der Digital-Analog-Umwandler durch ein Schaltfeld (switching bank) überwacht werden, bis eine gewünschte Frequenz bei einer bestimmten Temperatur erzielt ist, und dann kann der Ausgang des Schaltfeldes (switching bank) als Eingang für den Speicher benutzt werden.

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Die automatische Programmierung des Speichers kann erreicht werden, wenn der Ausgang des Schwingers mit einer gewünschten Frequenz verglichen wird, und der Speicher wird anschließend programmiert, bis der Ausgang des Vergleichers null ist. Für den Vergleich der Schwingerausgangsfrequenz mit der gewünschten Frequenz kann ein Phasenvergleicher verwendet werden.

Der temperaturempfindliche Schaltkreis kann beispielsweise einen Schaltkreis--«»β Widerständen und Thermistoren haben, oder er kann die temperaturabhängigen Eigenschaften der Einschwingvorgänge, d.h. den Leerlaufstrom oder die Veränderungen in der Basis/Emitter-Sperrschichtspannung eines Transistors verwenden.

Im nachfolgenden sind an Hand der Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. In der Zeichnung sind:

Fig. 1 die Veränderung der Frequenz über der Temperatur bei drei verschiedenen Kristalleinheiten,

Fig. 2 ein schematisches Schaltbild eines Kristallschwinge rs mit einer Reaktanzdiode eines Temperaturkompensationsschaltkreiaes,

Fig. 3 ein Diagramm, das die Spannungs-Temperatur-Charak-

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•3.

teristik zeigt, die für den Schaltkreis der Fig.2 erforderlich ist, um einen temperaturunabhängigen Frequenzausgang zu erzeugen, wenn der Schwingschaltkreis beispielsweise eine mittlere Charakteristik von den drei Charakteristiken der Fig.1 hat,

Fig. 4- ein schematisches Schaltbild eines Ausführungsbeispieles der Erfindung,

Fig. 5 eine Anordnung zum Eichen eines Ausführungsbeispieles der Erfindung,

Fig. 6 ein weiteres Verfahren zum Eichen eines Ausführungebeispieles und

Fig. 7 eine Anordnung zum automatischen Eichen eines Ausführungsbeispieles der Erfindung.

In Fig.1 sind die Frequenz-Temperatur-Charakteristiken von drei AT-geschnittenen Quarzkristalleinheiten gezeigt. Die dargestellten Charakteristiken sind typisch für viele, die bei nach den gleichen Verfahren hergestellten Kristallen festgestellt werden können. Obgleich Jede der drei dargestellten Kurven bei einigen Kristallen kontinuierlich sind wurde festgestellt, daß die Charakteristik diskontinuierlich ist.

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Die in fig.2 dargestellte Anordnung ist für eine Temperaturkompensation eines eine Quarzkristalleinheit enthaltenden Schwingers mit einer Charakteristik bestimmt, wie sie in Fig.1 gezeigt ist. Eine Widerstands/Thermistor-Schaltung 1 erzeugt eine Kompensationsspannung für eine Reaktanzdiode 2, die mit einer Quarzkristalleinheit 3 für einen Schwingkreis 4-in Reihe geschaltet ist. Sie durch die Schaltung 1 erzeugte Spannung ist gemäß Fig.3 temperaturabhängig, um so die Frequenz des Schwingkreises im wesentlichen konstant zu halten. Die Anordnung der Fig.2 ist bekannt und gibt annehmbare Ergebnisse, vorausgesetzt die Spannung-Temperatur-Charakteristiken der Schaltung 1 sind an die Frequenz-Temperatur-Charakteristik der Kristalleinheit 3 angepaßt. Dies ist in der Praxis nur sehr schwer zu erreichen, da keine zwei Kristalleinheiten die gleiche Charakteristik haben, und daher war es in der Vergangenheit nötig, eine abweichende Schaltung für Jede Kristalleinheit herzustellen oder wenigstens viele Kristalleinheiten auszusondern, deren Frequenz-Temperatur-Charakteristiken nicht dicht genug an der Hauptcharakteristik lagen, für die die Schaltung angepaßt worden ist.

In Fig.4 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt, das es ermöglicht, eine Widerstands-Ther-r mistor-Schaltung 1 an die Charakteristik einer Kristalleinheit 3 anzupassen. Die Schaltung 1 und die Reaktanzdiode 2 sind durch einen Ubertragungsfunktionsgenerator 5 miteinander verbunden. Die Schaltung 1 hat Thermistoren 6 und 7 und Vider-

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stände 8 und 9» die in bekannter Weise miteinander verbunden sind und sie erzeugt ein Ausgangssignal V , das eine Punktion einer Temperatur ist. Der Ubertragungsfunktionsgenerator 5 erzeugt ein Ausgangssignal CS, das eine Funktion des temperaturabhängigen Signals V ist. Die Schaltung 1 und der Kristall 3 sind durch die Anordnung für den Ubertragungsfunktionsgenerator 5 angepaßt, um die Frequenz des Schwingkreises4 für eine gewünschte Frequenz bei einer bestimmten Temperatur, wie sie durch das Signal V gezeigt ist, abzuziehen. Der Ubertragungsfunktionsgenerator 5 ist im einzelnen in Fig.5 gezeigt.

In Fig.5 sind Komponenten, die denen der Fig.2 und 4 entsprechen, mit gleichen Bezugszahlen versehen. Der Ubertragungsfunktionsgenerator hat einen Analog-Digital-Umwandler 10, einen Speicher 11 und einen Digital-Analog-Umwandler 12. Der Analog-Digital-Umwandler 10 wandelt die Analogspannung V in ein binärkodiertes Digitalsignal um, das an den Speicher 11 angelegt wird. Der Speicher erzeugt ein Digitalsignal in binärer Form für den Digital-Analog-Umwandler 12, wobei das an den Umwandler 12 angelegte Signal von den Inhalten des Speichers 11 abhängt.

Die Inhalte des Speichers 11 sind vorbestimmt und somit wird der Temperaturfunktionsgenerator temperaturgeeicht durch das Anordnen des gesamten Schwingers innerhalb einer Wärme-

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schutzumhüllung 13 und durch ein Betreiben des Schwingers, wenn die Temperatur in der Värmeumhiillung über einen vorbestimmten Bereich verändert wird. Ein Kompensationssignal S, das für eine bestimmte Temperatur eine gewünschte Schwingfrequenz erzeugt, wird über eine Zwischenfläche 14- dem Speicher 11 zugeführt. Dadurch, daß der gesamte Schwingkreis innerhalb der Wärmeschutzumhüllung angeordnet ist, können die temperaturabhangigen Eigenschaften des gesamten Schwingers zusätzlich zu den temperaturabhangigen Eigenschaften des Kristalls 3 kompensiert werden. Obwohl das Kompensationssignal S stufenweise anstatt kontinuierlich ist, kann für die zu erzielende gewünschte Kompensation eine ausreichende Genauigkeit durch Verringerung der Größe der Temperaturschritte erzielt werden, für die der Analog-Digital-Umwandler 10 empfindlich ist.

Fig.6 zeigt eine ähnliche Anordnung wie die der Fig.5· Die Zwischenfläche 14 ist durch ein Schaltfeld (switching bank)

15 ersetzt, das angepaßt ist, um ein simuliertes Kompensationssignal für den Digital-Analog-Umwandler 12 zu erzeugen. Durch entsprechende Einstellung des Schaltfeldes kann die gewünschte Schwingfrequenz für eine bestimmte Temperatur innerhalb der Wärmeschutzumhüllung 13 erzielt werden. Wenn einmal die gewünschte Frequenz erzielt ist, kann der Ausgang des Schaltfeldes (switching bank) auf einen Schalter

16 für den Speicher 11 geleitet werden.

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Der Vorteil der Anordnung der Fig.6 liegt darin, daß ein einzelnes Schaltfeld (switching bank) durch einen Schwingerhersteller für die Eichung einer großen Anzahl von Schwingkreisen in einfacher und relativ billiger Weise verwendet werden kann. Wenn einmal die Inhalte des Speichers aufgestellt worden sind, kann der Schwingkreis natürlich vollständig unabhängig von dem Schaltfeld 15 (switching bank) betrieben werden.

In Fig.7 ist eine Anordnung für eine automatische Eichung gezeigt, die ähnlich der der Fig.5 mit Ausnahme der Tatsache ist, daß die Zwischenfläche 14- (interface) ein Eingangssignal aus dem Ausgang des Schwingkreises 4 über einen Phasenvergleicher 17 anstatt von dem Ausgang des Digital-Analog-Umwandlers 12 erhält. Der Phasenvergleicher 17 nimmt ein Frequenzsignal am Eingang 18 aus einem Frequenzsynthesizer auf und steuert den Inhalt des Speichers 11, so daß seine beiden Eingänge gleich sind. Wenn somit die Temperatur innerhalb der Wärmeschutzumhüllung 13 über den Temperaturbereich sich verändert, über den dies erwünscht ist, um die Schwingfrequenz konstant zu halten, wird der Speicher automatisch programmiert, um die Schwingfrequenz konstant zu halten.

Obwohl in den beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung auf die im wesentlichen konstante Aufrechterhaltung

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der Ausgangsfrequenz des Quarzkristallschwingers Bezug genommen ist, liegt es nahe, daß auf Wunsch die Ausgangsfrequenz des Schwingers überwacht werden könnte, um so in vorbestimmter Weise temperaturabhängig zu sein, falls eine derartige vorbestimmte temperaturabhängige Charakteristik erforderlich ist.

Die vorliegende Erfindung kann beispielsweise an die Herstellung von SpannungsÜberwachungsschwinger, Abgleichschwinger und frequenzmodulierte Schwinger angepaßt werden.

Die in der der Beschreibung zugehörigen Zeichnung schematisch dargestellten Komponenten sind bekannt und können nach Wunsch in einem einzelnen Chip integriert werden.

Die Art des Speichers 11 wird durch den Schaltkreis vorbestimmt, in den der Speicher eingepaßt werden muß und der Speicher kann beispielsweise ein MOS-Speicher mit wahlweisem Zugriff sein. Bei bestimmten Speichern dieser Art braucht der Digital-Analag-Umwandler 12 von dem Speicher nicht isoliert zu sein.

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Claims

Patentansprüche

1.^Quarzkristallschwinger, gekennzeichnet durch einen Schwingkreis, einen Quarzkristall, Mittel zur Einstellung der Schwingfrequenz, einen temperaturempfindlichen Schaltkreis zur Erzeugung eines Temperatursignals und durch einen Übertragungsfunktionsgenerator zur Erzeugung eines Temperaturkompensationssignals, das für die Frequenzeinstellvorrichtung von dem Temperatursignal abhängt, wobei das Ansprechen des Ubertragungsfunktionsgenerators für Veränderungen des Temperatursignals an die Temperaturcharakteristik des Quarz-, kristallschwingers angepaßt ist, so daß eine gewünschte Schwingfrequenz-Temperatur-Charakteristik erzielt wird.

2. Quarzkristallschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzeinstellvorrichtung eine Reaktanzdiode hat.

3· Quarzkristallschwinger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertragungsfunktionsgenerator einen programmierbaren Speicher hat, der mit der temperaturempfindlichen Schaltung und mit der Frequenzeinstellvorrichtung verbunden ist.

4. Quarzkristallschwinger nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher mit dem temperaturempfind-

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lichen Schaltkreis über einen Analog-Digital-Umwandler und mit der Frequenzeinstellvorrichtung über einen Digital-Analog-Umwandler verbunden ist.

5. Verfahren zur Temperaturkompensation eines Quarzkristallschwingers mit einem Schwingkreis, einem Quarzkristall, Mitteln zur Einstellung der Schwingfrequenz und mit einem temperaturempfindlichen Schaltkreis, der zur Erzeugung eines Temperatursignals angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Übertragungsfunktionsgenerator das Temperatursignal aufnimmt und ein Temperaturkompensationssignal für die Frequenzeinstellvorrichtung bildet, daß der Quarzkristallschwinger innerhalb einer Wärmeschutzumhüllung betrieben wird, wenn die Temperatur in der Umhüllung über einen vorbestimmten Bereich verändert wird und daß der Übertragungsfunktionsgenerator programmiert ist, auf das Temperatursignal bei irgendeiner Temperatur innerhalb des Bereiches anzusprechen, um so eine gewünschte Schwingfrequenz-Temperatur-Charakteristik aufrechtzuerhalten.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertragungsfunktionsgenerator einen Speicher hat, daß der Speicher durch Auswahl der Kompensationssignale programmiert wird, die die gewünschte Frequenz-Temperatur-Charakteristiken bilden und daß dann eine Zwischenfläche

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zwischen dem Speicher und dem Eingang für die Frequenzeins teil vorrichtung geschaffen wird.

7· Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Übertragungsfunktionsgenerator einen Speicher hat, der mit der Frequenzeinstellvorrichtung über einen Digital-Analog-Umwandler verbunden ist, wobei der Speicher durch Steuerung des Digital-Analog-Umwandlers mit einem Schaltfeld (switching bank) programmiert wird, bis eine gewünschte Frequenz bei einer bestimmten Temperatur erzielt ist, und daß dann der Ausgang des Schaltfeldes (switching bank) als Eingang für den Speicher verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ubertragungsfunktionsgenerator einen Speicher hat, wobei der Speicher durch einen Vergleich des Ausganges des Schwingers mit einer gewünschten Frequenz automatisch programmiert wird und daß ein aufeinanderfolgendes Programmieren des Speichers erfolgt, bis der Ausgang des Vergleichers null ist.

9· Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingerausgangsfrequenz mit der gewünschten Frequenz durch einen Phasenvergleicher verglichen wird.

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