DE2723571C2

DE2723571C2 - Oszillatoranordnung mit einem Quarzresonator

Info

Publication number: DE2723571C2
Application number: DE2723571A
Authority: DE
Inventors: Michael C. Santa Clara Calif. Fischer; John A. San Jose Calif. Kusters; Jerry G. Cupertino Calif. Leach
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1976-06-02
Filing date: 1977-05-25
Publication date: 1983-11-10
Also published as: DE2723571A1; JPS52147481A; US4079280A

Description

Die Erfindung betrifft eine Oszillaloranordnung mit einem Quarzresonator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Resonanzfrequenz eines Quarzkristall 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 daß dadurch Abweichungen der Resonanzfrequenz auftreten.

Aus der GB-PS 625147 ist eine Schaltungsanordnung für die Trägerfrequenz modulierter Schwingungen bekannt, mit der temperaturabhängige Frequenzänderun-. gen der Trägerfrequenz möglichst gering gehalten werden sollen. Zu diesem Zwecke verwendet diese bekannte Schaltungsanordnung einen Oszillator zur Erzeugung der Trägerfrequenz und einen HilfsOszillator, dessen Frequenz weitgehend temperaturunabhängig Ist. Die von beiden Oszillatoren erzeugten Frequenzen werden einem Mischer zugeführt, dessen Ausgangssignal über eine Regelschleife den die Trägerfrequenz erzeugenden Oszillator nachregelt. Eine Temperaturkompensation der Ausgangsfrequenz kann bei dieser Schaltungsanordnung nur erreicht werden, wenn die Frequenz des Hilfsoszillators bei sich ändernder Temperatur stabil ist.

resonator einen Temperaiurgradienten zu erzeugen, erzeugen kurzzeitige Frequenzverschiebungen, die um Größenordnungen größer als die statische Stabilität der Vorrichtung sind.

Zum Beispiel kann ein ΛΓ-geschnittener Resonator in einer beheizten Kammer Kurzzeitstabilitäten haben, die im Bereich von 10"^l0 liegen. Ein Temperaturgradient von 1 °C über den Kristallresonator kann aber eine plötzliche Frequenzverschiebung von 36ppm (Teile pro MiI-

Konventionelle Methoden zur Minimierung der Temperalurabhängigkeit eines Quarzresonators gehen drei verschiedene Wege. Der erste Weg besteht darin, eine beheizte Kammer für den Quarzkristall vorzusehen, um so seine Umgebungstemperatur regeln zu können. Um das Frequenz/Temperaturverhalten weiter zu verbessern, wird der Kristall typischenveise in einer der thermisch kompensierten Orientierungen geschnitten, bei denen der Resonator naturgemäß eine gute Frequenzstabilität über

einen schmale-i Temperaturbereich hat. Zwei u/eitgehend io lion) verursachen, gebrauchte einfach gedrehte Orientierungen sind A 7*und Die dynamische

BT.

Auf diese Weise wevden 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 kristaüresonalorgeregelten Anwendungen die Heizung der vorherrschende Energieverbraucher. Zum zweiten wird eine thermische Stabilisierungszeit von vielen Minuten benötigt, gerechnet vom Einschaltzeitpunkl der Heizung, auch wenn die verfügbare Leistung nicht begrenzt ist. Ein großer Teil dieser Zeit ist nötig, um thermische Gradienten fia Resonator ins Gleichgewicht zu bringen. Der Vorteil des sofortigen Aufwärmens von Transistorschallungen geht damit verloren. Zum dritten ist eine optimale Temperaturregelung des Quarzresonaiors nicht möglich, solange die tatsächliche Temperatur der Quarzplatte nicht bekannt ist. Da das Temperaturfühlerelement nicht in unmittelbaren Kontakt mil den Resonator steht, verschlechtern Fehler bei der Umgebungstemperalursieuerung die Frequenzsiabililäl.

Beim zweiten und beim dritten Weg werden Temperaturkompensalionenohne Heizkammer benutzt. Spannungsgesieuerle Krislalloszillaloren (VCXO) und temperatur- 35 gesteuerte Krislalloszillaloren (TCXO) sind für den zweiten Weg repräsentativ. Ein VXCO enthält typischerweise eine Kombination aus einem Kristallresonator, einem Verstärker und einem spannungsvariablen Phasenschieber. Die dem variablen Phasenschieber zugeführie 40 sium on Frequency Control 1975, U.S. Army Electronics Spannung stellt ein Rückkopplungssignal dar, das von Command, Fon Monmouih, N.J.. 28-30 Mai 1975. einer Art Temperatursensor abgeleitet wird, welcher üblicherweise ein Thermistor oder eine Thermislorbrücke ist. obwohl auch komplizierlere Methoden möglich sind.

Der TCXO enthält in der Kristallresonator-Rück- 45 eine gute statische Kompensation erreicht -*'ird. Z'usätzkopplung sorgfältig ausgesuchte reaktive Komponenten, lieh wird für den Kristallschniti SC in Anspruch genomdie nidit spannungsvariabel sind, jedoch eine Temperaturcharakteristik aufweisen, die das Temperaturverhaltendes Krislallresonalors genau kompensiere?, wodurch eine Vorrichtung entsieht, die eine minimale Frequenz- so denmuster, Kristallresonaior-Befestigungen und extern Temperalurabhängig'xeit zeigt. aufgebrachte Spannungen in der Ebene Krislallresona-

Beim drillen Weg werden neue Charakteristiken von" Kristailresonatoren benutzt, um eine Temperaturkompensation ohne Benutzung einer Heizung zu erreichen. In der US-PS 3826931 isl ein Resonator beschrieben, der 5j lastungen gegenüber den AT- und βΓ-Orientierungen. entweder einen Einzelquarz benutzt, welcher in zwei aus- Trotzdem ist der Betrieb in einer temperaturgrregelten gewählten Schwingungsarten schwingt, oder zwei Quarzkristalle, von denen jeder in einer einzelnen ausgewählten Schwingungsari schwingt, wobei eine Resonator-Ausgangsfrequenz entsteht, die die Summe oder Differenz 60 latoranordnunf der eingangs genannten Galtung derart bei beiden Kristallfrequenzen darstellt und nur minimal weiterzubilden, daß eine sehr genaue Temperaturkomlemperaturabhängig ist.

Alle drei Wege haben einen wesentlichen Nachteil. Die beschriebene Temperaturkompensation ist nämlich eine statische Kompensation,d. h. dieTemperaturkompensition wird nur'jnter Bedingungen erreicht, bei denen sich die Umgebungstemperatur langsam ändert. Sich schr.ell ändernde Temperaturen, die ausreichen, um im Kristall-Kompensation von Temperatur-Übergangsztiständen wurde von Richard Holland entdeckt. Er sagte einen doppeltgedrehten Krislallresonator-Schniti (7S) voraus, der eine Orientierung von (y.xw!) 22,8734,3° (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 Kompensation für Temperatur-Übergangszustände vorhanden. Die TS-Orienlierung wurde von Richard Holland in den folgenden Veröffentlichungen beschrieben.

»Nonuniformly Heated Anisotropie Plates: I. Mechar nical 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 A T and BT Quartz Plates«, 1974 Ultrasonics Symposium Proceedings, IEEE Cai. 1974 CHO 869. 15 U. Seiten 593-598.

Gleichzeitig wurde ein anderer doppeltgedrehter Kristallschnitt (SC) von Earl E. Nisse mit (yxwl) 22,5°/34.3^G beschrieben, was im wesentlichen mit den von Richard Holland vorausgesagten übereinstimmt. Die SC-Orienlierung wurde von Earl E. Nisse in der folgenden Veröffentlichung vorgestellt:

»Quartz Resonator Frequency Shifts Arising from Electrode Stress«, Proceeding of the 29th Annual Sympo-

Dieser Schnitt zeigt die notwendige Frequenz/Temperatur-Stabilität über schmale Temperaturbereiche, so daß sowohl mit dem ersten als auch mit dem zweiten Weg

men, daß eine Frequenzunabhängigkeil von internen me-. chanischen Spannungen im Krislallresonator besteht, welche entstehen können durch aufgebrachte Eleklro-

lor-Oberfläche. Jede der beiden genannten Kristallschnitte (TS-SC) bietet Verbesserungen bezüglich der Empfindlichkeit gegen thermische und mechanische BeUmgebung erforderlich, wenn man eine gute Frequenzstabililät erhallen will.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eme'Oszil-

pensation sowohl über einen weiten Temperal Ufbereich als auch bei Vorhandensein von Tempefaturgradienten im Bereich des Oszillatorkristalls erreicht wird.

Die Lösung dieser Aufgabe erhall man mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.

Der verwendete Quarz-Kristall-Resonator schwingt gleichzeitig in zwei Dicken-Schwingungsarien, von de-

nen die eine eine weniger temperaturabhängige Frequenz und die andere eine stärker temperaturabhängige Frequenz erzeugen. Um genaue Temperatur- oder Frequenzmessungen zu ermöglichen oder um eine stabilere R'eferenzfrequenz zur Verfügung zu stellen, wird ein analoges oder digitales Kompensations-Neizwerk verwendet, ohne daß eine beheizte Kammer oder Hilfs-Temperaturüberwachungsvorrichlung notwendig ist. Die Frequenz-Temperaturcharakleristik einer der Dikken-Schwingungsarten zur Temperaturmessung benutzt, während die Frequenz der anderen Schwingungsart als Referenzfrequenzsignal oder als frequcnzstabilisicrles Ausgangssignal benutzt wird. In nllen dargestellten Ausführungsformen der Erfindung werden beide Signale einem speziellen Kompensationsnetzwerk zugeführt.

In der ersten Ausführungsform der Erfindung wird die Frequenz des stärker lemperaturabhäncigen Signals oder eine lineare Kombination dieses Signals mit dem Referenzfrequenzsignal. d.h. das Verhältnis oder die Differenz dieser Signale, in bezug auf das Referenzsignal gemessen. Das diesem gemessenen Wert entsprechende Signal wird dann einem Prozessor zugeführt, der die Temperatur des Quarzkristall-Resonators mittels einer Kurvenanpassungs- oder Tabellensuch-lnterpolationsroutine 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 Temperalursignal 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 lemperaturbedingten Verschiebung der Referenzfrequenz nötig ist. Der Korrekturfaktor wird dann dem Signal hinzugefügt, das dem gemessenen Wert der unbekannten Frequenz entspricht. In dieser Anwendung wird zur Erzeugung des Korrekturfaktors entweder die Kurver.anpassung- oder die Tabeüensuch-Interpolationsroutine (siehe oben) benutzt.

Bei der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine ähnlich Methode zum Stabilisieren einer der beiden Schwingungsarten gegen temperaturbedingte Frequenzänderungen benutzt. Wie in der ersten Ausführungsform wird die Frequenz stark temperaturabhängige Frequenz (Temperatursignal) gemessen, weiche das Signal der entsprechenden Schwingungsart oder eine Kombination der Signale beider Schwingungsarten ist. Sollte der Frequenzmesser eine Referenzfrequenz benötigen, kann diese Referenzfrequenz das Signal der zweiten Schwingungsart sein, dessen Frequenz stabilisiert werden soll. Der gemessene Wert des Temperatursignals wird dann einem Prozessor zugeführt, welcher, wie oben beschrieben, einen Korrekturfaktor für die zu stabilisierende Schwingungsart erzeugt. Dieser Korrekturfaktor und das zu stabilisierende Signal der zweiten Schwingungsart werden dann beide einem Frequenzmultiplizierer zugeführt, der ein resultierendes Ausgangssignal erzeugt, welches das frequenzstabilisierte Signal ist.

Bei der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Quarzresonator in einer beheizten Kammer untergebracht, um die Frequenz des Referehzfrequenzsignals zu stabilisieren. Dies wird erreicht, indem die stark temperaturabhängige Frequenz des Kristalls in der gleichen Weise wie in der zweiten Ausführungsform zur Bestimmung eines Korrekturfaktors benutzt wird, der die Abweichung der Heizkammerternperaliir 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.

Vorteilhafte Weilerbildungen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der zugehörigen

Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine grafische Darstellung der Frequenzabweichung in Abhängigkeit von der Temperatur für die Frequenzen der B- und C-Schwineungsarl eines Quarzkrislall-Resonaiors der Orientierung iy.xwl) 21,93°/33,93^o; Fig. 2a-d Blockschaltbilder verschiedener Oszillator-Aufbauten, bei denen der darin enthaltene Quarzresonator so erregt wird, daß er in zwei Dicken-Schwingungsarten gleichzeitig schwingt:

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungs-

form, bei der der Quarzresonator mi! einem Kompensationsnetzwerk als Thermometer oder zur genauen Messung der Frequenz eines unbekannten Signals benutzt wird;

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausfüh-

rungsform. bei der der Quarzresonator mit einem Kompensationsnelzwerk als stabile Frequen7quelle benutzt wird: und

Fig. 5 ein Blockschallbild einer dritten Ausführungsfi.TT.i, bei der ein Quarzresonator mit einem Rückkopp- lungsneizwerk als stabile Frequenzquelle benutzt wird. Untersuchungen haben gezeigt, daß bei Benutzung eines Kristalls, welcher mit einem Winkelbereich von zwei Grad (v.vnV) 21.93733.93° etientieri ist und in der langsamen Scher- oder C-Betriebsarl der Dicken-Schwingung arbeitet, der Kristallresonator sowohl statisch als auch dynamisch thermisch im Bereich der Kris«all-l Jbergangstemperatur kompensiert ist. Dieser Kristall kann als thermisch übergangs-kompensierter Typ (TTC) bezeichnet werden. Es ist allgemein bekannt, daß das Frequenz/ Temperatur-Verhalten jedes präzisionsgeschniltenen Quarzresonators gut durch eine Potenzreihenentwicklung dargestellt werden kann. Ein Kristall der oben genannten Orientierung hat eine Frequenz/Temperatur- I kurve, bei der der Beitrag der Glieder vierter und höherer

«5 Ordnung typischerweise kleiner als 10~⁸ über einem I Temperaturbereich von 200⁰C ist. Die Form dieser/Jn Kurve kam algebraisch folgenderEa3fn aufrückt werden: i|2 A J=J₀(]+aT+bT² + cTⁱ)

so Dabei ist/₀ die Resonanzfrequenz bei einer ausgewählten Referenztemperatur, a. b und r sind die Temperaturkoeffizienten erster, zweiter und dritter Ordi. ong der Frequenz und Γ ist der Wert der tatsächlichen Kristalltemperalur abzüglich des Werts der ausgewählten Referenz- temperatur.

Es sind Kristallorientierungen möglich, für die ein einzelner Kristall so angesteuert werden kann, daß er gleichzeitig in einer Vielzahl von Dicken-Schwingungsarten schwingt. Die Drei-Dicken-Schwingungsärten können

zueinander senkrechte Bewegungsrichtungen haben und ^ gleichzeitig existieren, ohne daß es zu gegenseitigen Inter- * ferenzen kommt.

Fig. 1 zeigt die Frequenzabhängigkeit von der Temperatur der 8- (schnelle Scherung) und C- (langsase Sehe- _

rung) Schwingungsarten eines Quarzresonators der On- A entiening {yxvl) 21,93733,93°. Diese Ternperatur/Fre- £ quenz-Kurven zeigen, daß die Frequenzänderung in der :-. fi-Schwingungsart im dargestellten Temperaturbereich

überwiegend linear ist. während die Frequenzänderung der C-Schwingungsart überwiegend dritter Ordnung ist. Diese Frequenzänderungen betragen ungefähr 1900 ppm (Teile pro Million) für die Frequenz der fi-Schwingung und 25 ppm für die Frequenz der C-Schwingung.

In einem Kristallresonator dieses Typs können die Frequenzünderungen der ß-Schwingung benutzt werden, um «ie Plattcntemperatur des Kristalls zu messen und daduich ein Mittel bereitzustellen, mit dem von der Temperaturempnndlichkeit der C-Schwingung verursachte Fehler korrigiert werden können, wenn d^;e Frequenz der C-Schw ingung als eine Frequenz- oder Zeilbasisreferenz 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 »b?r dem gewünschten 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-Schwingungsari des Resonators als Zeilbasissignal für die Messung des Frequenzwertes eines zweiten ausgewählten Frequenzsignals benutzt werden.

Da sich die Frequenz der C-Schwingungsart mit Temperaturschwankungen ändert, ist die gemessene Freqr-nz fehlerhaft. Der relative Fehler des gemessenen Signals kann folgendermaßen definiert werden:

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 Korrekiurfaktor 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.

Die temperaturabhängige Frequenzänderung der B-Schwingungsarl des TTC-Kristalls kann zur Tempera-

turbestimmung verwendet werden. Die B-Schwingungsart hat überwiegend lineare Temperaturkoeffizienlen. wobei die Steigung groß genug ist. daß./,, -f_c (die Differenz der Frequenzen der beiden Schwingungsarten) immer positiv ist und einen eindeutigen Wert hat.

In der vorgeschlagenen Verwendung kann die wahre Frequenz der fi-Schwingung (/'„.,) unter Benutzung der tatsächlichen Frequenz der C-Schwingung {F_c) als Zeitbasis gemessen werden. Dies führt selbstverständlich zu einem Fehler in der gemessenen Frequenz)„. Der relative Fehler ist wiederum identisch und gegeben durch

Jb-Jb Jb,

J\l

(2) Nach Auswahl einer Referenzfrequenzy_r„ kann man/, und Jc als Funktion der Temperatur unier Benutzung einer Präzisions-Zeilbasis messen und dann eine Tabelle für Jg gemessen miiy_r als Zeilbasis unter Benutzung der Gleichungen (4) und (R) aufstellen. Es ergibt sich:

Dabei sind j\ der gemessene Wert des ausgewählten Frequenzsignals und J_u der wahre Wert desselben Signals. Der wahre Wert dieses Signals kann folgendermaßen ausgedrückt werden:

Jc,

(9)

1 + δ]

(3) Man hat nun cmc Täbcilc der j „-Frequenzen in Abhängigkeil von einer normalisierten Temperatur 7~erhalten. Es läßt sich daher ein Polynom aufstellen, welches die folgende Form hat:

T=A- + By_B+CJ_B ² + D-J_B ^s+ ... (10)

Mittels bekannter Frequenzzählmethoden (Hewlett- Dabei sind/1', B, C, D'... dieTemperaturkoeffizien-

Packard Application Note 172) ergibt sich, daß der rclati- 45 ten nullter, erster, zweiter, dritter Ordnung der Tem-

ve Fehler des Frequenzsignals der C-Schwingungsart peralur. Dieser Ausdruck kann in Gleichung (6) substity·

äquivalent d/isi und folgendermaßen ausgedrückt wer- iert werden, was zu folgendem Ausdruck führt:

den kann: _ir_ _A , _Dr _,_ _Γ41 _i_ n/ 3 _,_ jjjj

6f=^J±j^ (4) so

Dabei sind/_c die Frequenz der C-Schwingungsart bei der Betriebstemperatur des TTC-Kristalls und /_c„ die ausgewählte Referenzfrequenz der C-Schwingungsart.

Die tatsächliche Frequenz der C-Schwingungsart-Zeitbasis kann als Temperaturpolynom folgendermaßen dargestellt werden:

Dabei sind A_c, ß_c, C_x die Temperet urkoeffizien- ω

ten erster, zweiter, dritter, ... Ordnung und T ist die normalisierte Temperatur. Substituiert man in Gleichung (4) /_c durch Gleichung (5) wird der Fehlerausdruck

Sf=

(6)

Der sich ergebende Wert aus Gleichung (6) kann in Gleichung (3) eingesetzt werden, um die wahre Frequenz ^f= A + Bf_fl+ CJ_B ² + DJ₈ ³+...

Durch Messung der Frequenz der ß-Schwingungsart unter Benutzung der C-Schwingung als Frequenzbasis läßt sich demnach ein Korrekt urfaktor-Polynom erzeugen, das über den gesamten Kalibrierungsbereich gültig ist. Dieser Korrekt urfaktor kann dann in Verbindung mit einer der Gleichungen (3) und (4) benutzt werden, um den gemessenen Wert dieser Frequenz zu korrigieren oder die Frequenz der C-Schwingungsart zu stabilisieren, indenv dessen Frequenz soweit nötig verschoben wird.

Um die Kurveranpassungsmethode 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 Beiriebstemperaturbereich gespeichert. Beim Betrieb wird/_e gebildet, was die Frequenz der ß-Schwingungsart oder eine ausgewählte Funktion erster Ordnung sowohl der B- als auch der C-Schwingungsart, z.B. Verhältnis oder Differenz sein kann./_B 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 Krisialltemperatur oder dem gewünschten Korrekturfakior entsprich!.

Bei der Tabellensuch-Technik wird der Wert des gewünschten Korrekturfaktors oder der Temperatur anfänglich in der Suchlabelle gespeichert. wobeiy_B als Hinweismarke bei jeder ausgewählten Temperatur dient. Im Betrieb wird /„ gebildet und gemessen um eine Hinweis- to marke zu der gewünschten Information in der Suchlabelle zu schaffen. Wenn der Wen von J₁₁ der gleiche wie eine der Hinweismarken in der Suchlabelle ist, wird die an diesem Platz gespeicherte Information zum Prozessor übertragen. Der Wert von /„ kann zwischen zwei Hinweismarkenwerlen in der Suchlabeh? liegen. Wenn dies der Fall ist. werden die diesen benachbarten Hinweismarken zugeordnelen Werte der .Suchtabelle zum Prozessor üben ragen, wo eine passende Interpolation durchgeführt wird, um den Wert des Temperatur- oder Korrekturfaktors zu ermiueln. 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 Korrekiurfaktor- bzw. Temperalurkurven als Funktion von J₁₁ zwischen diesen Temperaturwerirn 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 Korrekturfakior für eins Zvvischer.-Hin'.veismarke zu ermiueln.

In den Fig. 2 bis 5 zeigen die Pfeile in Richtung des Leistungs- oder Informationsflusses in den jeweiligen Anwendungen.

in Fig. 2a bis d isi eine Vielfalt von Aüsführungsformen eines Oszillators 11 dargestellt, in welchem ein doppelt gedrehter TTC-Quarzkristallresonalor 10 gleichzeitig in Zwei-Dicken-Schwingungsarten schwingt. In Fig. 2 a ist ein einzelner Quarzresonator 10 des oben beschriebenen TTC-Typs dargestellt, welcher zwischen zwei Elektroden 12 angeordnet ist und durch ein an diese Elektrode angelegtes Wechselspannungssignal von einem Verstärker 13 zur gleichzeitigen Schwingung in der B- und C-Schwingungsarl 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 en!sprechen den Frequenzen der B- und C-Schwingungsart des Kristalls. Filter 18 und 20. die jeweils passende Polstellen und/oder Nullstellen bezüglich der genannten Frequenzen haben, trennen die Energie der beiden Kristallschwingungen, die über ein einziges Elektrodenpaar 12 am Kristall abgenommen werden. In dieser Konfiguration werden die Signale der C- und der ß-Schwingungsarl für weitere Schaltkreise an den Ausgängen der Filter 18 und 20 bereitgestellt.

In Fig. 2 b ist der Oszillator 11 in der gleichen Konfiguration wie in Fig. 2 a dargestellt, wobei jedoch der Verstärker 13 durch eine Schaltung 15 mit negativem Widerstand ersetzt ist. Die Schaltung 15 regt wie der Verstärker 13 die beiden verschiedenen Schwingungsarten des Resonators 10 an.

Fig. 2 c zeigt einen zweiten Aufbau eines Os2»liators 11 mit einer Schallung 15 mit negativem Widerstand.

Die Schaltung 15 '.st von der unteren Elektrode 12 abgetrennt und statt dessen mil dem Verbindungspunkt zwischen den Fi'lern 18 und 20 und der oberen Elektrode 12 verbunden. Zusätzlich sind die unlere Elektroden, die Schallung 15 mit negativem Widersland und die Filier 18 und 20 alle auf eine gemeinsame Rückleilung bezogen. Der Oszillator 11 in Figur 2 d zeigt eine Schallungskonfiguration mil Verstärkern 14 und 16. die jeweils so aufgebaut sind, daß sie eine getrennte Schwingungsart innerhalb des Resonators 10 (C- und B-Schwingungsart) anregen. In Fig. 2d sind weiterhin Elektroden 12 und Filter 18 und 20 dargestellt, die die gleiche Aufgabe wie die entsprechenden Bauelemente in Fig. 2 α haben. In dieser Konfiguralion werden die Frequenzen der C- und der B-Schwingungsari für nachfolgende Schallungen von den Verstärkern 14 bzw. 16 bereilgeslelll.

In Fig. 3 isi eine erste Ausluhrungsform der Erfindung dargestellt, die eine Temperaturkompensation mil offener Schleife verwendet. Diese Ausführungsform kann als Theimometer oder zur Bereitstellung eines Korrekiurlaklors benutzt werden, wobei die Frequenz der C-Schwingung die Zeitbasis-Referenz isi. Die Frequenz der B- und der C-Schwingung werden vom Oszillator W einem Mischer22 zugeführt. Aus diesen Signalen erzeugt der Mischer 22 ein Differenzfrequesizsignal. welches dann einem Frequenzmesser 24 zugeführt wird. Das Frequenzsignal der C-Schwingung wird auch dem Frequenzmesser 24 zugeführt. Das Frequenzsignal der C-Schwingung wird auch dem Frequenzmesser 24 als Zeitbasis-Referenz zugeführt. Wenn dieser Aufbau zum Messen der Frequenz eines drillen Signals benutzt werden soll, wird dieses Signal ebenfalls dem Frequenzmesser 24 von einer externen Quelle 26 zugeführt, wie durch den gestrichelter. Pfeil 25 dargesieü! ist. Wenn das Frequen/signal der C-Schwingung als Referenzsignal benutzt wird, werden die Frequenzen des Differenzfrequenzsignals und des dritten Signals vom Uniersystem 24 gemessen.

Der Frequenzmesser 24 erzeugt den Frequenzmessungen entsprechende McBsignale. die dann zu einem Prozessor 28 entweder seriell oder parallel übertragen werden. Diese Übertragung der Meßsignale kann unter Steuerung durch den Prozessor28 erfolgen, wie durch den unterbrochenen Pfeil 29 angedeutet is...

Der Prozessor 28 kann so aufgebaut sein, daß er ent weder die Kurvenanpassungstechnik oder die Suchlabellentechnik (wie oben beschrieben) im Zusammenhang mit digitalen oder analogen Schallungen ausführt.

In jeder dieser Ausführungsformen benutztder'Prozes-' sor28 die Meßsignale um ein 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 Sysiemkomponenten die gewünschte Temperatur- oder Frequenzinformation mitteilt.

Fig. 4 zeigt eine andere Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung, bei welcher ebenfalls eine Temperaturkompensation mit offener Schleife verwendet wird. Diese Ausführungsform erzeugt ein frequenzstabilisierles Ausgangssignal, das aus dem Signal der C-Schwingung vom Oszillator 11 abgeleitet wird. Zusätzlich zum Oszillator 11 und zum Mischer 12 enthält diese Ausfüh-. rungsform einen Frequenzmesser38. einen Subtrahieren" 40 und einen Frequenzmultiplizierer42. \;

Der Mischer22 empfängt die Signale der B- und C-'.:¹ Schwingungen vom Oszillator!! und erzeugt daraus ein DifTerenzfrequenzsignal. Das Differenzfrequenzsignal

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wird dem Frequenzmesser38 zugeführt. Dieser besteht aus konventionellen digitalen Binärschaltkreiscn, einer analogen Frequenz/Spannungs-Wandlerschaltung oder einer Kombination aus analogen und digitalen Tachometerschallungen. Dieser Frequenzmesser 38 kann eine Referenzfrequenz erfordern, in welchem FaIIv; das Meßergebnis das Verhältnis zwischen der Referenzfrequenz und der Meßfrequenz ist. Sollte ein Referenzfrequenzsignal als Eingangssignal benutzt werden, könnte es das Frequenzsignal der C-Schwingung sein, wie durch die gestrichelte Linie39 dargestellt ist. Der Frequenzmesser 38 erzeugt seinerseits ein erstes elektrisches Signal, das der gemessenen Differenzfrequenz entspricht. Das erste elektrische Signal wird dann einem Subirahierer40 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 elekirisches Signal, das einem Prozessor» hschnit ι des Subtrahieren 40 zugeführt wird, wodurch ein Korrekturfaktor-Signal , Jzeugl wird, das die notwendige Frequenzverschiebung der C-Schwingung bewirkt. Dieser Prozessorabschnitt des Subtrahieren40 kann wieder Prozessor28 in Fig. 3 aufgebaut sein und betrieben werden. Der Frequenzmullip!izierer42 empfangt zwei Eingangssignale, das Korrekturfaktorsignal an seinem Frequenzeingang und das C-Belriebsfrequenzsignal an seinem Takteingang. Das sich ergebende Ausgangssignal des Frequenzmulliplizierers42 ist eine stabilisierte Frequenz, die die um das Korrekturfaktorsignal verschobene Frequenz des Taklsignals (C-Schwingung) darstellt.

Fig. 5 zeigt den gleichen Zweifrequenz-Oszillator 11 und den Mischer 22. wie er in Fig. 3 und 4 dargestellt ist. Zusätzlich ist gezeigt, daß sich Resonator 10 und Elektroden 12 des Oszillators 11 innerhalb einer HeizkammerSO befinden, die außerdem ein Heizelement 51 zum Regeln der Betriebstemperatur des Resonators 12 enthält. In Fig. 5 ist außerdem ein Frequenzmesser38 wie in Fig. 4, ein Prozessor56, ein Differenzverstärker58 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 zugeführlen elektrischen Leistung in Abhängigkeit von Änderungen der Wärmeverluste auf einen vorbestimmten Temperatur-

IO wert zu regeln. Änderungen der Heizverlusle können z. B. durch wechselnde Außentemperaturen entstehen.

Um Temperaturverschiebungen innerhalb der HeizkammerSO entgegenzuwirken, wird das temperaturabhängige Differenzfrequenzsignal am Ausgang des Mischers 22 benutzt, um eine geschlossene Rückkopplungsschleife mit Nullsuche zu steuern, welche den Frequenzmesser 38, den Prozessor 56, den Differenzverstärker58 und das Heizelement 51 umfaßt. Das Differenzfrequenzsignal vom Mischer 22 wird dem Frequenzmessungs-' 'ntersystem38 zugeführt, wo die Frequenz dieses Signals gemessen wird, um ein entsprechendes elektrisches Signal zu erzeugen, welches dann an den Prozessor56 übertragen wird. Der Prozessor56 benutzt dieses Signal zum Erzeugen eines Temperatur-Korrekturfaklors in ähnlicher Weise, wie Prozessor28 in Fig. 3 ein Korrekturfaktorsignal für eine gemessene Frequenz eriergi. Da jedoch die Temperatur der Heizkammer 50 sehr nahe am Sollwert gehalten wird, k:nn die Polynom- oder Kurvenanpassungsmelhodt. falls sie benutzt wird, viel einfacher sein und mit einem oder zwei Gliedern auskommen. Der Referenzsignalgenerator 60 erzeugt einen Signalpegel. I der mit dem Temperalur-Korrekturfaklor vom Prozessor 56 verglichen wird. Um diesen Vergleich durchzuführen, werden das vom ReferenzsignalgeneratoroO erzeugte Signal und das vom Prozessor56 erzeugte Temperatur-Korrekturfaktorsignal einzeln den beiden Eingängen des Differenzverstärker58 zugeführt. Der Differenzverslärker58 erzeugt ein verstärktes Differenzsignal aus seinen beiden Eingangssignalen. Dieses Ausgangs-Difierenzsignal wird vom Differenzverstärker58 dem Heizelemenl5l zun kontinuierlichen Ändern der Heizleistung zugeführt. Diese Änderungen in der dem Heizelement 51 zugeführten Leistung bewirken, daß die Temperatur in der Heizkammer50 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 wurden.

In jedem der oben beschriebenen Oszillatorschallungen kann die Belriebsfrequenz mittels mechanischer und/oder elektrisch variabler Komponenten von außen eingestellt und/oder gesteuert werden. Zur Steuerung der Belriebsfrequenz können beispielsweise VCXO-Steuerungen zur Anwendung kommen. Eine ew.erne Steuerung oder Justierung der Betriebsfrequenz kann auch Jn j der Kom'pensalionsschleife erfolgen. Beispielswelse kann durch einen Varactor eine Änderung der Phasenverschiebung in einem Resonanzfrequenzpfad erfolgen, um die Frequenz innerhalb vorgegebener Toleranzgrenzen zu halten.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Oszillatoranordnung 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 Auswerteschaltung, die die Frequenzen der beiden Schwingungsarten derart kombiniert, daß eine im wesentlichen temperaturstabile Ausgangsfrequenz entsteht, dadurch gekennzeichnet,- daß die kristallographische Orientierung des Quarzresonators (10) im wesentlichen {yxwl) 21 ,93733,93° beträgt und daß eine Regeleinrichtung (22, 24, 28) für die weniger temperaturabhängige Frequenz vorgesehen ist, der die stärker temperaturabhängige Frequenz als ein die Temperatur des Quarzresonators darstellendes Regelsignal zugeführt wird.

2. Os'illatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch <g?kennzeichnet, daß die die Temperatur des Quarzresonators(lO) darstellende Frequenz diejenige der 5-Schwingungsart ist, die über einen vorgegebenen Temperaturbereich eine im wesentlichen lineare Frequenz/Temperalur-Charakteristik aufweist, während die andere Frequenz diejenige del C-Schwingungsarl ist, die im wesentlichen eine Frequenz/Temperatur-Charakterislik dritter Ordnung in dem vorgegebenen Temperaturbereich hat.

3. Oszillaloranordnung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (22, 24,28,30 uzw. 32,38,50,51,56,58,60 bzw. 22,38,40, 42) folgende Bauewiheilei·· jufweist: einen Frequenzmischer (22), der mit der Erregerschaltung verbunden ist und die Frequenzsignale ί τ B- und der C-Schwingungsart empfängt und ein drittes Signal erzeugt, dessen Frequenz der Temperatur des Quarzresonators (10) entspricht, einen Frequenzmesser (24 bzw. 38), der die Frequenz des dritten Signals mißt und ein viertes Signal erzeugt, welches eine codierte Information über die Frequenz des dritten Signals darstellt sowie einen Prozessor (28 bzw. 56 bzw. 40), der aus dem vierten Signal ein fünftes Signal erzeugt, das eine Funktion der Temperatur des Quarzresonators ist. *5

4. Oszillaloranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozessor(28) das fünfte Signal nach der Kurvenanpassungsmethode erzeugt.

5. Oszillatoranordnung nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß der Prozessor (28) das fünfte Signal nach einer Tabellensuch- und Inlerpolationsmethode erzeugt.

6. Oszillatoranordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Anzeigeeinrichtung (30) für den Wert des fünften Signals.

7. Oszillatoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Frequenzmesser(24) für den Empfang eines Signals unbekannter Frequenz von einer externen Signalquelle(26) vorgesehen ist ω und ein sechstes Signal erzeugt, welches der Frequenz dieses unbekannten Signals entspricht, daß das Frequenzsignal der C-Schwingungsart ebenfalls dem als Zähler ausgebildeten Frequenzmesser zugeführt wird und ein Zeitbasis-Referenzsignal für die Messung der Frequenz sowohl des dritten als auch des Signals unbekannter Frequenz darstellt, und daß der Prozessor einen Korrekturfaktor für den gemessenen Wert der Frequenz des Signals unbekannter Frequenz erzeugt, und mit diesem das sechste Signal bezüglich der Temperatur korrigiert.

8. Oszillatoranordnung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Anzeigeeinrichtung (30) für das sechste Signal.

9. Oszillatoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung weiterhin folgende Bauteile enthält: eine Heizkammer (50,51), die den Quarzresonator (10) umgibt und ihn auf einer vorbestimmten Temperatur hält, einen Differenzverstärker (58), der mit der Heizkammer verbunden ist und ihr eine Versorgimgsspannung derart zuführt, daß ihre Innentemperatur innerhalb eiiies vorgegebenen Genauigkeitsbereichs gehalten wird sowie einen Referenzsignalgenerator (6Oj, dessen voreingestellter Signalpegel als Sollwert für die Heizkammertemperatur zusammen mit dem fünften Signal dem Differenzverstärker zugeführt wird.

10. Oszillatoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, 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 innerhalt eines vorbestimmten Genauigkeitsbereichs der Ausgangsfrequenz befindet, und der Prozessor aus de.m Subtraktionsergebnis das fünfte' Signal erzeugt, und daß die Regeleinrichtung einen Frequenzmultiplizierer(42) mit einem Takt- und einem Frequenzeingang aufweist, welchem das Signal der C-Schwingiingsart und das fünfte Signal zugeführt werden, und welcher ein Ausgangssignal erzeugt, dessen Frequenz innerhalb eines vorgegebenen Genauigkeitsbereichs liegt.