DE2723571A1 - Signalgenerator mit quarz-resonator - Google Patents
Signalgenerator mit quarz-resonatorInfo
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Description
Int. Az.: Case 107 4 13.
Hewlett-Packard Company
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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Int.Az.: Case 1074
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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.
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
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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Int. Az.: Case 1074
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JO
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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Int. Az.: Case 1O74
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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.
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.
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)
- Hewlett-Packard CompanyInt. Az.: Case 1074 13. Mai U'77PATENTANSPRÜCHESignalgenerator 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 Prozessor709850/0868Hewlett-Packard Company
Int. Az.: Case 1074(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.709850/0868Hewlett-Packard Company
Int. Az.: Case 10748. 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-709850/0868Hewlett-Packard Company
Int. Az.: Case 1074tionseinrichtung 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.709850/0868
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