DE2723571A1 - Signalgenerator mit quarz-resonator - Google Patents

Signalgenerator mit quarz-resonator

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    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03B—GENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B25/00—Simultaneous generation by a free-running oscillator of oscillations having different frequencies

Description

Int. Az.: Case 107 4 13.
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SIGNALGENERATOR MIT QUARZ-RESONATOR
Die Resonanzfrequenz eines Quarzkristalles ist abhängig von den Elastizitätskoeffizienten, der Dichte, der Dicke und den Oberschwingungen des Kristalls. Hinzu kommt, daß alle diese Faktoren mit der Änderung der Umgebungstemperatur des Kristalls variieren und dadurch Abweichungen der Resonanzfrequenz auftreten.
Konventionelle Methoden zur Minimierung der Temperaturabhängigkeit eines Quarzresonators gehen drei verschiedene Wege. Der erste Weg besteht darin, eine beheizte Kammer für den Quarzkristall vorzusehen und so seine Umgebungstemperatur regeln zu können. Um das Frequenz/Temperaturverhalten weiter zu verbessern, wird der Kristall typischerweise in einer der thermisch kompensierten Orientierungen geschnitten, bei denen der Resonator naturgemäß eine gute Frequenzstabilität über einen schmalen Temperaturbereich hat. Zwei weitgehend gebrauchte einfach gedrehte Orientierungen sind AT und BT.
Auf diese Weise werden im allgemeinen kristallresonatorgesteuerte Oszillatoren erreicht, die die höchste derzeit erreichbare FrequenzStabilität aufweisen. Der genannte Weg hat jedoch drei wesentliche Nachteile. Zum ersten ist in modernen kristallresonator-geregelten Anwendungen die Heizung der vorherrschende Energieverbraucher. Zum zweiten wird eine thermische Stabilisierungszeit von vielen Minuten benötigt, wenn die Kristallheizung eingeschaltet wird, auch wenn die verfügbare Leistung nicht begrenzt ist. Ein großer
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Teil dieser Zeit ist nötig, um thermische Gradienten im Resonator ins Gleichgewicht zu bringen. Der Vorteil des sofortigen Aufwärmens von Transistorschaltungen geht damit verloren. Zum dritten ist eine optimale Temperaturregelung des Quarzresonators nicht möglich, solange die tatsächliche Temperatur der Quarzplatte nicht bekannt ist. Da das Temperaturfühlerelement nicht in unmittelbarem Kontakt mit dem Resonator steht, verschlechtern Fehler bei der Umgebungstemperatursteuerung die Frequenzstabilität.
Beim zweiten und beim dritten Weg werden Temperaturkompensationen ohne Heizkammer benutzt. Spannungsgesteuerte Kristalloszillatoren (VCXO) und temperaturgesteuerte Kristalloszillatoren (TCXO) sind für den zweiten Weg repräsentativ. Ein VCXO enthält typischerweise eine Kombination aus einem Kristallresonator, einem Verstärker und einem spannungsvariablen Phasenschieber. Die dem variablen Phasenschieber zugeführte Spannung stellt ein Rückkopplungssignal dar, das von einer Art Temperatursensor abgeleitet wird, welcher üblicherweise ein Thermistor oder eine Thermistorbrücke ist, obwohl auch kompliziertere Methoden möglich sind.
Der TCXO enthält in der Kristallresonator-Rückkopplung sorgfältig ausgesuchte reaktive Komponenten, die nicht spannungsvariabel sind, jedoch eine Temperaturcharakteristik aufweisen, die das Temperaturverhalten des Kristallresonators genau kompensieren, wodurch eine Vorrichtung entsteht, die eine minimale Frequenz-Temperaturabhängigkeit zeigt.
Beim dritten Weg werden neue Charakteristiken von Kristallresonatoren benutzt, um eine Temperaturkompensation ohne Benutzung einer Heizung zu erreichen. In
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der US-PS 3 826 931 ist ein Resonator beschrieben, der entweder einen Einzelquarz benutzt, welcher in zwei ausgewählten Schwingungsarten schwingt, oder zwei Quarzkristalle, die jeder in einer einzelnen ausgewählten Schwingungsart schwingen, wobei eine Resonator-Ausgangs frequenz entsteht, die die Summe oder Differenz der bei den Kristallfrequenzen darstellt und nur minimal temperaturabhängig ist.
Alle drei Wege haben einen wesentlichen Nachteil. Die beschriebene Temperaturkompensation ist nämlich eine statische Kompensation, d.h. die Temperaturkompensation wird nur unter Bedingungen erreicht, bei denen sich die Umgebungstemperatur langsam ändert. Sich schnell ändernde Temperaturen, die ausreichen, um im Kristallresonator einen Temperaturgradienten zu erzeugen, erzeugen kurzzeitige Frequenzverschiebungen, die um Größenordnungen größer als die statische Stabilität der Vorrichtung sind. Zum Beispiel kann ein AT-geschnittener Resonator in einer beheizten Kammer Kurz-Zeitstabilitäten haben, die mehrere Teile in 10 sind. Ein Temperaturgradient von 1 C über den Kristallresonator kann aber eine plötzliche Frequenzverschiebung von 36 Teilen in 10 verursachen.
Die dynamische Kompensation von Temperatur-Ubergangszuständen wurde von Richard Holland entdeckt. Er sagte einen doppeltgedrehten Kristallresonator-Schnitt (TS) voraus, der eine Orientierung von (yxwl) 22,8°/34,3° (ANSI C83,3 - 1951 R 1972)) hat, was von Natur aus eine gute Frequenzstabilität über einen schmalen Temperaturbereich ergibt, so daß eine gute statische Kompensation bei Benutzung einer der beiden erstgenannten Wege erhalten wird. Gleichzeitig ist eine dynamische Kompensa-
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tion für Temperatur-Ubergangszustände vorhanden. Die TS-Orientierung wurde von Richard Holland in den folgenden Veröffentlichungen beschrieben:
"Nonuniformly Heated Anisotropie Plates: I. Mechanical Distortion and Relaxation", IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics, Band SU-21, Juli 1974, Seiten 171-178, und
"Nonuniformly Heated Anisotropie Plates: II. Frequency Transients in AT and BT Quartz Plates", 1974 Ultrasonics Symposium Proceedings, IEEE Cat. If- 74CHO 896.15U, Seiten 593-598.
Gleichzeitig wurde ein anderer doppeltgedrehter Kristallschnitt (SC) von Earl E. Nisse vorausgesagt mit (yxwl) 22,5 /34,3 , was im wesentlichen mit dem von Richard Holland vorausgesagten übereinstimmt. Die SC-Orientierung wurde von Earl E. Nisse in der folgenden Veröffentlichung vorgestellt:
"Quartz Resonator Frequency Shifts Arising from Electrode Stress", Proceedings of the 29th Annual Symposium on Frequency Control 1975, U.S. Army Electronics Command, Fort Monmouth, N.J., 28-30 Mai 1975.
Dieser Schnitt zeigt die notwendige Frequenz/Temperatur-Stabilität über schmale Temperaturbereiche, so daß sowohl mit dem ersten als auch mit dem zweiten Weg eine gute statische Kompensation erreicht wird. Zusätzlich wird für SC in Anspruch genommen, daß eine Frequenzunabhängigkeit von internen mechanischen Spannungen im Kristallresonator besteht, welche entstehen können durch aufgebrachte Elektrodenmuster, Kristallresonator-Befestigungen und extern aufgebrachte Spannungen in der Ebene der Kristallresonator-Oberfläche. Jede dieser beiden Orientierungen bietet Verbesserungen bezüglich der Empfind-
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lichkeit gegen thermische und mechanische Belastungen gegenüber den AT- und BT-Orientierungen. Trotzdem ist der Betrieb in einer temperaturgeregelten Umgebung erforderlich, wenn man eine gute Frequenzstabilität erhalten will.
Der im Anspruch 1 gekennzeichneten Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden.
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung enthält einen Quarz-Kristall-Resonator mit einer Orientierung von im
wesentlichen (yxwl) 21,93°/33,93°, der in zwei Dicken-Schwingungsarten gleichzeitig schwingt. Des weiteren
ist ein analoges oder digitales Kompensations-Netzwerk vorhanden, um genaue Temperatur- oder Frequenzmessungen zu ermöglichen oder um eine stabilere Referenzfrequenz zur Verfügung zu stellen, ohne daß eine beheizte Kammer oder Hilfs-Temperaturüberwachungsvorrichtungen notwendig sind.
Um dies zu ermöglichen, wird die Frequenz/Temperatur-Charakteristik einer der Dicken-Schwingungsarten als
Thermometer benutzt, während das Frequenzsignal der
anderen Schwingungsart als Referenzfrequenzsignal oder als frequenzstabilisiertes Ausgangssignal benutzt wird. In allen dargestellten Ausführungsformen der Erfindung werden beide Signale dem speziellen Kompensationsnetzwerk zugeführt.
In der ersten Aüsführungsform der Erfindung wird die
Frequenz des Thermometersignals oder eine lineare
Kombination dieses Signals mit dem Referenzfrequenzsignal , d.h. das Verhältnis oder die Differenz dieser
Signale, in Bezug auf das Referenzfrequenzsignal gemessen. Das diesem gemessene Wert entsprechende Signal
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wird dann einem Prozessor zugeführt, der die Temperatur des Quarzkristall-Resonators mittels einer Kurvenanpassungs- oder Tabellensuch-Interpolationsroutine feststellt. Diese Ausführungsform kann leicht derart erweitert werden,daß die unbekannte Frequenz eines externen Signals in Bezug auf die Referenzfrequenz gemessen wird. Ein diesem Meßwert entsprechendes Signal wird dann zusammen mit dem Temperatursignal an den Prozessor gegeben. Der Prozessor benutzt das Temperatursignal um den Korrekturfaktor zu ermitteln, der dem gemessenen Wert der unbekannten Frequenz hinzugefügt wird, was bei jeder temperatur_^bedingten Verschiebung der Referenzfrequenz nötig ist. Der Korrekturfaktor wird dann dem Signal hinzugefügt, das dem gemessenen Wert der unbekannten Frequenz entspricht. Entweder die Kurvenanpassungs- oder die Tabellensuch-Interpolationsroutine (siehe oben) wird in dieser Anwendung zur Erzeugung des Korrekturfaktors benutzt.
Bei der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine ähnliche Methode zum Stabilisieren einer der beiden Schwingungsarten gegen temperaturbedingte Frequenzänderungen benutzt. Wie in der ersten Ausführungsform wird die Frequenz des Thermometersignals gemessen, welches das Signal der entsprechenden Schwingungsart oder eine Kombination beider Signale ist. Sollte das Frequenzmessungs-Subsystem eine Referenzfrequenz benötigen, kann diese Referenzfrequenz das Signal der zweiten Schwingungsart sein, dessen Frequenz stabilisiert werden soll. Der gemessene Wert des Thermometersignals wird dann einem Prozessor zugeführt, welcher, wie oben beschrieben, einen Korrekturfaktor für die zu stabilisierende Schwingungsart erzeugt. Dieser Korrekturfaktor und das zu stabilisierende Schwingungsarten-Signal werden dann beide
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einem Frequenzmultiplizierer zugeführt, wodurch ein resultierendes Ausgangssignal erzeugt wird, welches das stabilisierte Frequenzsignal ist.
Bei der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Quarzresonator in einer beheizten Kammer untergebracht, um die Frequenz des Referenzfrequenzsignals zu stabilisieren. Dies wird erreicht, indem das Thermometersignal des Kristalls in der gleichen Weise wie in der zweiten Ausführungsform zur Bestimmung eines Korrekturfaktors benutzt wird, der die Abweichung der Heizkammertemperatur von einer vorgegebenen Temperatur oberhalb der Raumtemperatur darstellt. Dieses Korrektursignal wird zusammen mit einem festen Signal, welches die vorgegebene Heizkammertemperatur darstellt, einem Differenzverstärker zugeführt, dessen Ausgangssignal das Leistungs-Eingangssignal für die Heizkammer zur Aufrechterhaltung von deren vorgegebenen Innentemperatur ist.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Figur 1 eine grafische Darstellung der Frequenzabweichung in Abhängigkeit von der Temperatur für die Frequenzen der B- und C-Schwingungsart eines Quarzkristall-Resonators der Orientierung (yxwl) 21,9°/ 33,93°;
Figuren 2a-d Blockschaltbilder verschiedener Oszillator-Aufbauten, bei denen der darin enthaltene Quarzresonator so erregt wird, daß er in zwei Dicken-Schwingungsarten gleichzeitig schwingt; Figur 3 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der der Quarz-
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resonator mit einem Kompensationsnetzwerk mit offener Schleife als Thermometer oder zur genauen Messung der Frequenz eines unbekannten Signals benutzt wird; Figur 4 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der der Quarzresonator mit einem Kompensationsnetzwerk mit offener Schleife als stabile Frequenzquelle benutzt wird; und
Figur 5 ein Blockschaltbild einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der ein Quarzresonator mit einem Rückkopplungsnetzwerk mit geschlossener Schleife als stabile Frequenzquelle benutzt wird.
Untersuchungen haben gezeigt, daß bei Benutzung eines Kristalls, welcher innerhalb von zwei Grad von (yxwl) 21,93°/33,93° orientiert ist und in der langsamen Scher- oder C-Betriebsart der Dicken-Schwingung arbeitet, der Kristallresonator sowohl statisch als auch dynamisch thermisch im Bereich der Kristall-Ubergangstemperatur kompensiert ist. Dieser Kristall kann als thermisch übergangs-kompensierter Typ (TTC) bezeichnet werden. Es ist allgemein bekannt, daß das Frequenz/Temperatur-Verhalten jedes Präzisions—geschnittenen Quarzresonators gut durch eine Potenzreihenentwicklung dargestellt werden kann. Ein Kristall der oben genannten Orientierung hat eine Frequenz/Temperatur-Kurve, bei der der Beitrag der Glieder vierter und höherer
Ordnung typischerweise kleiner als ein Teil in 10 über einen Temperaturbereich von 200 Grad ist. Die Form dieser Kurve kann algebraisch folgendermaßen ausgedrückt werden:
f = f (1 + aT + bT2 + cT3) (1)
Dabei ist f die Resonanzfrequenz bei einer ausgewählten Referenztemperatur, a , b und c sind die Temperaturkoeffizienten erster, zweiter und dritter Ordnung der Frequenz, und T ist der Wert der tatsächlichen Kristalltemperatur abzüglich des Werts der ausgewählten Referenztemperatur.
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Es ist bekannt, daß Kristallorientierungen existieren, für die ein einzelner Kristall so angesteuert werden kann, daß er gleichzeitig in einer Vielzahl von Dicken-Schwingungsarten schwingt. Dies ist möglich, daß die Drei-Dicken-Schwingungsarten zueinander senkrechte Bewegungsrichtungen haben und gleichzeitig existieren können, ohne daß es zu gegenseitigen Interferenzen kommt.
Figur 1 zeigt die Frequenzabhängigkeit von der Temperatur der B-(schnelle Scherung) und C-(langsame Scherung) Schwingungsarten eines Quarzresonators der Orientierung (yxwl) 21,93°/33,93°. Diese Temperatur/Frequenz-Kurven zeigen, daß die Frequenzänderung in der B-Schwingungsart überwiegend linear ist, während die Frequenzänderung der C-Schwingungsart überwiegend dritter Ordnung über den 70-Grad-Bereich der Figur 1 ist. Diese Frequenzänderungen betragen ungefähr 1 900 ppm (Teile pro million) für die Frequenz der B-Schwingung und 25 ppm für die Frequenz der C-Schwingung.
In einem Kristallresonator dieses Typs können die Frequenzänderungen der B-Schwingung benutzt werden, um die Plattentemperatur des Kristalls zu messen und dadurch ein Mittel bereitzustellen, mit dem von der Temperaturempfindlichkeit der C-Schwingung verursachte Fehler korrigiert werden können, wenn die Frequenz der C-Schwingung als eine Frequenz- oder Zeitbasisreferenz oder als Frequenzquelle benutzt wird.
Jede dieser Anwendungen kann erreicht werden durch Benutzung einer Kurvenanpassungsroutine oder Tabellensuch-Routine und Interpolation. In beiden Routinen besteht der Anfangsschritt darin, die Frequenzen der B- und C-Schwingungsarten bei ausgewählten Temperaturen über dem gewünschten
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Betriebsbereich zu messen. Diese Werte können dann
benutzt werden, um entweder die Koeffizienten des ausgewählten Kurvenanpassungsausdrucks abzuleiten oder
individuelle Eingangswerte für eine Tabelle bei jeder der ausgewählten Temperaturen festzulegen.
Bei einer Kurvenanpassung kann das Frequenzsignal der C-Schwingungsart des Resonators als Zeitbasissignal
für die Messung des Frequenzwertes eines zweiten ausgewählten Frequenzsignals benutzt werden.
Da die Frequenz der C-Schwingungsart mit Temperaturschwankungen sich ändert, ist die gemessene Frequenz fehlerhaft. Der relative Fehler des gemessenen Signals kann folgendermaßen defiliert werden:
Sf =
st
Dabei sind f der gemessene Wert des ausgewählten Fre quenzsignals und f der wahre Wert desselben Signals Der wahre Wert dieses Signals kann folgendermaßen aus gedrückt werden:
fst
Mittels bekannter Frequenzζählmethoden (Hewlett-Packard Application Note 172) ergibt sich daß der relative Fehler des Frequenzsignals der C-Schwingungsart äquivalent Sf ist und folgendermaßen ausgedrückt werden kann:
if = (4)
fC0
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Dabei sind f_. die Frequenz der C-Schwingungsart bei der Betriebstemperatur des TTC-Krist^ Πs und f., die ausgewählte Referenzfrequenz der C-Schwingungsart.
Die tatsächliche Frequenz der C-Schwingungsart-Zeitbasis kann als Temperaturpolynom folgendermaßen dargestellt werden:
fc = fCo (1+ACT + BCT2 + CCT3 + ...) (5)
Dabei sind A , B , Cc, .. die Temperaturkoeffizienten erster, zweiter, dritter,..., Ordnung der Frequenz, und τ ist die normalisierte Temperatur. Substituiert man in Gleichung (4) f durch Gleichung (5) wird der Fehlerausdruck
Jf » ACT + BCT2 + CCT3 + ... (6)
Der sich ergebende Wert aus Gleichung (6) kann in Gleichung (3) eingesetzt werden, um die wahre Frequenz des ausgewählten Frequenzsignals festzustellen oder die Frequenz der C-Schwingungsart unter Benutzung folgender Gleichung zu stabilisieren:
Wenn man die passenden Koeffizienten und die normalisierte Temperatur T kennt, kann also der Korrekturfaktor berechnet werden, und es wird entweder Gleichung (3) benutzt, um die richtige gemessene Frequenz abzuleiten, oder es wird Gleichung (4) benutzt, um die Ausgangsfrequenz des Systems zu korrigieren.
Der TTC-Kristall hat im wesentlichen ein eingebautes Thermometer in seiner Antwortfunktion für die B-Schwingungs art. Dies ist überwiegend eine Schwingungsart mit linearem
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Ah
Temperaturkoeffizienten, wobei die Steigung groß genug ist, daß f - fr (die Differenz der Frequenzen der beiden Schwingungsarten) immer positiv ist und einen eindeutigen Wert hat.
In der vorgeschlagenen Verwendung kann die wahre Frequenz der B-Schwingung (fß ) unter Benutzung der tatsächlichen Frequenz der C-Schwingung (F_) als Zeitbasis gemessen werden. Dies führt selbstverständlich zu einem Fehler in der gemessenen Frequenz f _.. Der relative Fehler ist wiederum identisch und gegeben durch
if = —ρ (8)
Βτ
Nach Auswahl einer Referenzfrequenz f kann mann fo und
C D
fp als Funktion der Temperatur unter Benutzung einer Präzisions-Zeitbasis messen und dann eine Tabelle der anscheinenden fß gemessen mit £„ als Zeitbasis unter Benutzung der Gleichungen (4) und (8)/ Es ergibt sich:
fB (T) = fB (T) i 1 +
(9)
Man hat nun eine Tabelle der anscheinenden f„-Frequenzen in Abhängigkeit von einer normalisierten Temperatur T erhalten. Es läßt sich daher ein Polynom aufstellen, welches die folgende Form hat:
T = A'+ B'fn + Cfn 2 + D'f_3 + ... (10)
£5 B r>
Dabei sind A', B1, C, D1 .. die Temperaturkoeffizienten nullter, erster, zweiter, dritter, ..., Ordnung der Temperatur. Dieser Ausdruck kann in Gleichung (6) substituiert werden, was zu folgendem Ausdruck führt:
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£f = A + Bfn + Cfn 2 + Df_3 + ... (11)
DB D
Durch Messung des Frequenzsignals der B-Schwingungsart unter Benutzung der C-Schwingung als Frequenzbasis läßt sich demnach ein Korrekturfaktor-Polynom erzeugen, das über den gesamten Kalibrierungsbereich gültig ist. Dieser Korrekturfaktor kann dann in Verbindung mit einer der Gleichungen (3) und (4) benutzt werden, um den gemessenen Wert des ausgewählten Frequenzsignals zu korrigieren oder das Frequenzsignal der C-Schwingungsart zu stabilisieren, indem dessen Frequenz soweit nötig verschoben wird.
Um die Kurvenanpassungsmethode anzuwenden, werden die Koeffizienten der Gleichung (10) oder (11) anfänglich für den individuellen Kristall oder für eine Produktionsklasse von Kristallen festgelegt und im Gerät als Konstanten für den gesamten Betriebstemperaturbereich gespeichert. Beim Betrieb wird f_ gebildet, was die Frequenz der B-Schwingungsart oder eine ausgewählte Funktion erster Ordnung sowohl der B- als auch der C-Schwingungsart, z.B. Verhältnis oder Differenz sein kann. fo wird gemessen und einem Prozessor zugeführt, wobei Signale, die den Ausdrücken der Gleichung (10) bzw. (11) entsprechen;gebildet werden und addiert werden, so daß noch ein anderes Signal gebildet wird, das der Kristalltemperatur oder dem gewünschten Korrekturfaktor entspricht.
Bei der Tabellensuch-Technik wird der Wert des gewünschten Korrekturfaktors oder der Temperatur anfänglich in der Suchtabelle gespeichert, wobei f_. als Hinweismarke (Pointer) bei jeder ausgewählten Temperatur dient. Im Betrieb wird f„ gebildet und gemessen um eine Hinweismarke zu der gewünschten Information in der Suchtabelle zu schaffen. Wenn der Wert von f„ der gleiche wie eine der Hinweis-
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marken in der Suchtabelle ist, wird die an diesem Platz gespeicherte Information zum Prozessor übertragen. Der Wert von fn kann zwischen zwei Hinweismarkenwerten in der Suchtabelle liegen. Wenn dies der Fall ist, werden die diesen benachbarten Hinweismarken zugeordneten Werte der Suchtabelle zum Prozessor übertragen, wo eine passende Interpolation durchgeführt wird, um den Wert des Temperatur- oder Korrekturfaktors zu ermitteln, der dieser Zwischen-Hinweismarke zugeordnet ist.
In vielen Anwendungsfällen wird linear interpoliert. Das erfordert, daß die Anfangsmessungen der Kristallfrequenzen bei ausgewählten Temperaturen erfolgen müssen, die nahe genug zusammenliegen, so daß die Korrekturfaktor- bzw. Temperaturkurven als Funktion von fo zwischen diesen Temperaturwerten im wesentlichen linear sind. Wenn diese Kurven zwischen den gewählten Temperaturen nicht linear sind, ist es notwendig in der Suchtabelle für jede Hinweismarke Polynomkoeffizienten einzufügen. Diese Koeffizienten können dann in einem üblichen Interpolationspolynom benutzt werden, um den Korrekturfaktor für eine Zwischen-Hinweismarke zu ermitteln.
In Figuren 2 bis 6 zeigen die Pfeile in Richtung des Leistungs- oder Informationsflusses in den jeweiligen Anwendungen.
In Figuren 2a bis d ist eine Vielfalt von Ausführungsformen eines Oszillators 11 dargestellt, in welchem ein doppelt gedrehter TTC-Quarzkristallresonator 10 gleichzeitig in Zwei-aicken-Schwingungsarten schwingt. In Figur 2a ist ein einzelner Quarzresonator 10 des oben beschriebenen TTC-Typs dargestellt, welcher zwischen zwei Elektroden angeordnet ist und durch ein an diese Elektroden angelegtes Wechselspannungssiqnal von einem Verstärker 13 zur gleichzeitigen Sch wi'n towq ir» dir 8* "*d C-Schwingungsart
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angeregt wird. Der Verstärker 13 empfängt zwei Eingangssignale, die er intern kombiniert, so daß beide Schwingungsarten im Resonator 10 bei verschiedenen Frequenzen angeregt werden können. Die Frequenzen des Verstärkers 13 entsprechen den Frequenzen der B- und C-Schwingungsart des Kristalls. Filter 18 und 20, die jeweils passende Pol stellen und/oder Nullstellen bezüglich der genannten Frequenzen haben, trennen die Energie der beiden Kristallschwingungen über ein einziges Elektrodenpaar 12. In dieser Konfiguration werden die Frequenzsignale der C- und der B-Schwingungsart für weitere Schaltkreise an den Ausgängen der Filter 18 und 20 bereitgestellt.
In Figur 2B ist der Oszillator 11 in der gleichen Konfiguration wie in Figur 2a dargestellt, wobei jedoch der Verstärker 13 durch eine Schaltung 15 mit negativen Widerstand ersetzt ist. Die Schaltung 15 regt wie der Verstärker 13 die beiden verschiedenen Schwingungsarten des Resonators 10 an.
Figur 2c zeigt einen zweiten Aufbau eines Oszillators 11 mit einer Schaltung 15 mit negativem Widerstand. Die Schaltung 15 ist von der unteren Elektrode 12 abgetrennt und stattdessen mit dem Verbindungspunkt zwischen den Filtern 18 und 20 und der oberen Elektrode 12 verbunden. Zusätzlich sind die untere Elektrode 12, die Schaltung 15 mit negati- vem Widerstand und die Filter 18 und 20 alle auf eine gemeinsame Rückleitung bezogen.
Der Oszillator 11 in Figur 2d zeigt eine Schaltungskonfiguration mit Verstärkern 14 und 16, die jeweils so aufgebaut sind, daß sie eine getrennte Schwingungsart innerhalb des Resonators 10 (C- und B-Schwingungsart) anregen. In Figur 2d sind weiterhin Elektroden 12 und Filter 18 und 20 dar gestellt, die die gleiche Aufgabe wie die entsprechenden
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Bauelemente in Figur 2a haben. In dieser Konfiguration werden die Frequenzen der C- und der B-Schwingungsart für nachfolgende Schaltungen von den Verstärkern 14 bzw. 16 bereitgestellt.
In Figur 3 ist eine erste Ausführungsform der Erfindung mit Temperaturkompensation mit offener Schleife dargestellt. Diese Ausführungsform kann als Thermometer oder als Mittel zum Zuführen eines Korrekturfaktors zu einem Meßergebnis einer unbekannten Frequenz eines externen Signals benutzt werden, wobei die Frequenz der C-Schwingung die Zeitbasis-Referenz ist. Die Frequenzen der B- und der C-Schwingung werden vom Oszillator 11 einem Mischer zugeführt. Aus diesen Signalen erzeugt der Mischer 22 ein Differenzfrequenzsignal f , welches dann einem Frequenzmeß-Untersystem 24 zugeführt werden kann. Das Frequenzsignal der C-Schwingung wird auch dem Untersystem 24 als Zeitbasis-Referenz zugeführt.Wenn dieser Aufbau zum Messen der Frequenz eines dritten Signals benutzt werden soll, wird dieses Signal ebenfalls dem Untersystem 24 von einer externen Quelle 26 zugeführt, wie durch den gestrichelten Pfeil 25 dargestellt ist. Wenn das Frequenzsignal der C-Schwingung als Referenzsignal benutzt wird, werden die anscheinenden Frequenzen des Signals f_. und des dritten Signals vom Untersystem 24 gemessen.
Das Untersystem 24 wandelt dann beide Frequenzmessungen in elektrische Signale mit einem Format um, welches kompatibel mit nachfolgenden Schaltelementen ist. Diese Meßsignale werden dann zu einem Prozessor 28 entweder seriell oder parallel übertragen. Diese übertragung der Meßsignale kann unter Steuerung durch den Prozessor 28 erfolgen, wie durch den unterbrochenen Pfeil 29 angedeutet ist.
Der Prozessor 28 kann so aufgebaut sein, daß er entweder
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die Kurvenanpassungstechnik oder die Suchtabellentechnik (wie oben beschrieben) im Zusammenhang mit digitalen oder analogen Schaltungen ausführt. Beispiele für diese verschiedenen Ausführungsformen sind:
Frequenzmessungs-Untersysteme 24 und 38 Hewlett-Packard Modelle 53OOB, 5312A und 53O8A
Digitaler Kurvenanpassungsprozessor 28 Hewlett-Packard Modell 9825A
Analoger Kurvenanpassungsprozessor 28 Operationsverstärker mit nichtlinearen Funktionsgeneratoren, zusammengesetzt aus Widerständen, Dioden und Transistoren
Digitaler Suchtabellen-Prozessor 28 Hewlett-Packard Modell 9825A
Analoger Suchtabellenprozessor 28 Operationsverstärker und mehrfache Schwellwertschaltungen mit Widerstandsleitern
Frequenzmultiplizierer 42 Texas Instruments SN5497
!n jeder dieser Ausführungsformen benutzt der Prozessor die Meßsignale um eine Signal zu erzeugen, das genau der Temperatur des Resonators 10 entspricht, oder um ein korrigiertes Meßsignal zu erzeugen, das genau der tatsächlichen Frequenz des dritten Signals entspricht. Dieses wird dann einem Anzeige-Untersystem 30 zugeführt, welches dem Benutzer und/oder zusätzlichen Systemkomponenten die gewünschte Temperatur- oder Frequenzinformation mitteilt.
Figur 4 zeigt eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei welcher ebenfalls eine Temperaturkompen
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sation mit offener Schleife verwendet wird. Diese Ausführungsform erzeugt ein stabilisiertes Frequenz-Ausgangssignal/ das aus dem Frequenzsignal der C-Schwingung vom Oszillator 11 abgeleitet wird. Zusätzlich zum Oszillator 11 und zum Mischer 12 enthält diese Ausführungsform ein Frequenzmessungs-Untersystem 38, einen Subtrahierer 40 und einen Frequenzmultiplizierer 42.
Der Mischer 22 empfängt die Frequenzsignale der B- und C-Schwingung vom Oszillator 11 und erzeugt daraus ein Differenzfrequenzsignal f_. Das Differenzfrequenzsignal wird dem Frequenzmessungs-Untersystem 38 zugeführt. Das Untersystem besteht aus konventionellen digitalen Binärschaltkreisen, einer analogen Frequenz/Spannungs-Wandlerschaltung oder einer Kombination aus analogen und digitalen Tachometerschaltungen.
Dieses Frequenzmessungs-Untersystem 38 kann eine Referenzfrequenz erfordern, in welchem Falle das. Meßergebnis das Verhältnis zwischen der Referenzfrequenz und der Meßfrequenz ist. Sollte ein Referenzfrequenzsignal als Eingangssignal benützt werden, könnte es das Frequenzsignal der C-Schwingung sein, wie durch die gestrichelte Linie 39 dargestellt ist. Das Frequenzmessungs-Untersystem 38 erzeugt seinerseits ein erstes elektrisches Signal, das der gemessenen Differenzfrequenz f entspricht. Das erste elektrische Signal wird dann einem Subtrahierer 40 zugeführt, wo es von einem zweiten Signal abgezogen wird, welches der Frequenzdifferenz der B- und der C-Schwingung entspricht, wobei keine Korrektur der C-Schwingungs-Frequenz benötigt wird.
Das Ergebnis dieser Subtraktion ergibt ein drittes elektrisches Signal, das einem Prozessorabschnitt des Subtrahierers 40 zugeführt wird, wodurch ein Korrekturfaktor-Signal erzeugt wird, das die notwendige FrequenzverSchiebung der C-Schwingung bewirkt. Dieser Prozessorabschnitt des Subtrahierers 40 kann wie der Prozessor 28 in Figur 3
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aufgebaut sein und betrieben werden. Der Frequenzmultiplizierer 42 empfängt zwei Eingangssignale, das Korrekturfaktorsignal an seinem Frequenzeingang und das C-Betriebsfrequenzsignal an seinem Takteingang. Das sich ergebende Ausgangssignal des Frequenzmultiplizierers 42 ist eine stabilisierte Frequenz, die die um das Korrekturfaktorsignal verschobene Frequenz des Taktsignals (C-Schwingung) darstellt.
Figur 5 zeigt den gleichen Zweifrequenz-Oszillator 11 und den Mischer 22, wie er in Figuren 3 und 4 dargestellt ist. Zusätzlich ist gezeigt, daß sich Resonator 10 und Elektroden 12 des Oszillators 11 innerhalb einer Heizkammer 50 befinden, die außerdem ein Heizelement 51 zum Regeln der Betriebstemperatur des Resonators 12 enthält. In Figur 5 ist außerdem ein Frequenzmessungs-Untersystem 38 wie in Figur 4, ein Prozessor 56, ein Differenzverstärker 58 mit zwei Eingängen und ein Referenzsignalgenerator 60 dargestellt.
Diese Ausführungsform unterscheidet sich erheblich von den anderen, wo die Temperatur des Resonators 10 der Umgebungstemperatur folgen darf. Bei dieser Ausführungsform wird das Heizelement 51 dazu benutzt, die Temperatur des Resonators 10 über die Umgebungstemperatur anzuheben und diese · erhöhte Temperatur durch Veränderung der dem Heizelement 51 zugeführten elektrischen Leistung in Abhängigkeit von Änderungen der Wärmeverluste auf einen vorbestimmten Temperaturwert zu regeln. Änderungen der Heizverluste können z.B. durch wechselnde Außentemperaturen entstehen.
Um Temperaturverschiebungen innerhalb der Heizkammer 50 entgegenzuwirken, wird das temperaturabhängige Differenzfrequenzsignal am Ausgang des Mischers 22 benutzt, um eine geschlossene Rückkopplungsschleife mit Nullsuche zu steuern, welche das Frequenzmessungs-Untersystem 138fden Prozessor 56, den Differenzverstärker 58 und das Heizelement 51 umfaßt. Das Differenzfrequenzsignal vom Mischer
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22 wird dem Frequenzmessungs-Untersystem 38 zugeführt, wo die Frequenz dieses Signals gemessen wird, um ein entsprechendes elektrisches Signal zu erzeugen, welches dann an den Prozessor 56 übertragen wird. Der Prozessor 56 benutzt dieses Signal zum Erzeugen eines Temperatur-Korrekturfaktors in ähnlicher Weise, wie Prozessor 28 in Figur 3 ein Korrekturfaktorsignal für eine gemessene Frequenz erzeugt. Da jedoch die Temperatur der Heizkammer 50 sehr nahe am Sollwert gehalten wird, kann die Polynom- oder Kurvenanpassungsmethode, falls sie benutzt wird, viel einfacher sein, nämlich mit einem oder zwei Gliedern auskommen.
Der Referenzsignalgenerator 60 ist so eingestellt, daß er einen Signalpegel erzeugt, der, wenn mit dem Temperatur-Korrekturfaktor vom Prozessor 56 verglichen, bewirkt, daß das Heizelement 51 die gewünschte Temperatur in der Heizkammer 50 aufrechthält. Um diesen Vergleich durchzuführen, werden das vom Referenzsignalgenerator 60 erzeugte Signal und das vom Prozessor 56 erzeugte Temperatur-Korrekturfaktorsignal einzeln den beiden Eingängen des Differenzverstärkers 58 zugeführt. Der Differenzverstärker 58 erzeugt ein großes, variables, verstärktes Differenzsignal aus seinen beiden Eingangssignalen. Dieses konstant variable Ausgangs-Differenzsignal vom Differenzverstärker 58 wird dann dem Heizelement 51 zum kontinuierliehen Ändern der diesem zugeführten Leistung zugeführt. Diese Änderungen in der dem Heizelement 51 zugeführten Leistung bewirken, daß die Temperatur in der Heiζkammer 50 innerhalb einer vorbestimmten Toleranz bezüglich der vorgewählten Temperatur bleibt, so daß Temperaturverschiebungen korrigiert werden, die Änderungen der Frequenzen der B- und C-Schwingungen des Resonators 10 hervorrufen würden.
In jedem der oben beschriebenen Oszillatorschaltungen kann
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die Betriebsfrequenz von außen justierbar gemacht sein und/ oder steuerbar durch Einschluß von mechanisch und/oder elektrisch variablen Komponenten nach Art des Standes der Technik, wie er in praktisch allen Kristalloszillatoren (z.B. VCXO-Steuerungen) zur Anwendung kommt. Das gleiche Ergebnis an externer Steuerung kann auch erreicht werden, indem an irgendeinem passenden Punkt in der Kompensationsschleife der Steuereinfluß geltend gemacht wird (z.B. durch einen Varactor zur Änderung der Phasenverschiebung in einem Resonanzfrequenzpfad als Ergebnis eines Rückkopplung ssignals, um diese Frequenz innerhalb vorgegebener Toleranzgrenzen zu halten).
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Leerseife

Claims (1)

  1. Hewlett-Packard Company
    Int. Az.: Case 1074 13. Mai U'77
    PATENTANSPRÜCHE
    Signalgenerator mit einem Quarzresonator, der gleichzeitig in zwei verschiedenen Schwingungsarten schwingt, deren Frequenzen in unterschiedlicher Weise temperaturabhängig sind, mit einer Erregerschaltung für die getrennte Anregung der beiden Schwingungsarten, sowie mit einer Temperaturkompensationseinrichtung, dadurch gekennzeichnet , daß die Rristallographische Orientierung des Quarzresonators im wesentlichen (yxwl) 21,93°/33,93° beträgt und daß eine der beiden Frequenzen
    ■jO als Maß für die Temperatur des Quarzresonators und zur Korrektur des Ausgangssignals des Signalgenerators dient.
    2. Signalgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die als Maß für die Temperatur
    •j 5 des Quarzresonators (10) dienende Frequenz diejenige der B-Schwingungsart ist, die über einen vorgegebenen Temperaturbereich eine im wesentlichen lineare Frequene/ Temperatur-Charakteristik aufweist, während die andere Frequenz diejenige der C-Schwingungsart ist, die im wesentlichen eine Frequenz/Temperatur-Charakteristik dritter Ordnung in dem vorgegebenen Temperaturbereich hat.
    3. Signalgenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Temperaturkompensationseinrichtung (22, 24, 28, 30 bzw. 32, 38, 50, 51, 56, 58, 60 bzw. 22, 38, 40, 42) folgende Baueinheiten aufweist: eine Eingangseinrichtung (22), die mit der Erregerschaltung verbunden ist und die Frequenzsignale der B- und der C-Schwingungsart empfängt und ein drittes Signal erzeugt, dessen Frequenz der Temperatur des Quarzresonators (10) entspricht; eine Zähleinrichtung (24 bzw. 38),die die Frequenz des dritten Signals zählt und ein viertes Signal erzeugt, welches eine codierte Information über die Frequenz des dritten Signals darstellt; sowie einen Prozessor
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    (28 bzw. 56 bzw. 40), der aus dem vierten Signal ein fünftes Signal erzeugt, dessen Wert eine Funktion der Temperatur des Quarzresonators (10) darstellt.
    4. Signalgenerator nach Anspruch 3, dadurdh g e k e η η zeichnet, daß der Prozessor (28) das fünfte Signal nach der Kurvenanpassungsmethode erzeugt.
    5. Signalgenerator nach Anspruch 3, dadurch g e k e η nz ei c h η e t , daß der Prozessor (28) das fünfte Signal nach einer Tabellensuch- und Interpolationsmethode erzeugt.
    6. Signalgenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Temperaturkompensationseinrichtung eine Anzeigeeinrichtung (30) aufweist, die den Wert des fünften Signals anzeigt, wobei dieser Wert ein Maß für die Temperatur des Quarzresonators (1O) ist.
    7. Signalgenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Zähler (24) für den Empfang eines Signals unbekannter Frequenz von einer externen Signalquelle (26) eingerichtet ist und ein sechstes Signal erzeugt, welches der Frequenz dieses unbekannten Signals entspricht, wobei das Frequenzsignal der C-Schwingungsart ebenfalls dem Zähler zugeführt wird und ein Zeitbasis-Referenzsignal für die Zählung der Frequenz sowohl des dritten als auch des Signals unbekannter Frequenz darstellt, daß das fünfte Signal einen Korrekturfaktor :für den gemessenen Wert der Frequenz des Signals unbekannter Frequenz darstellt, wozu das temperaturempfindliche Frequenzsignal der C-Schwingungsart verwendet wird, und daß der Prozessor (28) das sechste Signal empfängt, die Werte des fünften und des sechsten Signal algebraisch verknüpft und einen Wert für das Ausgangssignal abgibt, wobei dieser Wert die genaue Frequenz des Signals unbekannter Frequenz temperaturkorrigiert darstellt.
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    8. Signalgenerator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Temperaturkompensationseinrichtung (22, 24, 28, 30) eine Anzeige (30) für das Ausgangssignal aufweist.
    9. Signalgenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Temperaturkompensationseinrichtung weiterhin folgende Bauteile enthält: eine Heizkanuner (50, 51), die den Quarzresonator (10) umgibt und ihn auf einer vorbestimmten Temperatur hält, so daß das Frequenzsignal der C-Schwingungsart innerhalb eines ersten vorgegebenen Genauigkeitsbereiches als Ausgangssignal gehalten wird; einen Differenzverstärker (58), der mit der Heizkammer verbunden ist und ihr ein Leistungssignal derart zuführt, daß ihre Innentemperatur innerhalb eines zweiten vorgegebenen Genauigkeitsbereichs gehalten wird; sowie einen Referenzsignalgenerator (60), der mit dem Differenzverstärker verbunden ist und diesem einen voreingestellten Signalpegel als Sollwert für die Heizkammertemperatur zuführt, wobei das fünfte Signal ein Rückkopplungssignal ist, dessen Wert einen Korrekturfaktor darstellt, und das dem Differenzverstärker zugeführt wird, welcher es algebraisch mit dem Signal vom Referenzsignalgenerator zur Erzeugung des Leistungssignals verknüpft.
    10. Signalgenerator nach Anspruch 10, dadurch g e k e η η zeichnet, daß der Prozessor (28 bzw. 56 bzw.
    40) eine Subtraktionseinrichtung (40) enthält, welche vom Wert des vierten Signals einen Wert abzieht, welcher dem Wert des vierten Signals entspricht, wenn die Frequenz der C-Schwingungsart sich innerhalb eines vorbestimmten Genauigkeitsbereichs der Ausgangsfrequenz befindet, wobei aus dem Subtraktionsergebnis ein sechstes Signal erzeugt wird, daß der Prozessor aus dem sechsten Signal das fünfte Signal erzeugt, welches ein en Korrekturfaktor für das Ausgangssignal darstellt, und dap die Kompensa-
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    tionseinrichtung einen Frequenzmultiplizierer (42) mit einem Takt- und einem Frequenzeingang aufweist, welchem das Frequenzsignal der C-Schwingungsart bzw. das fünfte Signal zugeführt werden, und welche ein Ausgangssignal erzeugt, dessen Frequenz innerhalb des vorgegebenen Genauigkeitsbereichs liegt.
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