DE2919667A1 - Verfahren zur signalerzeugung und fuer dieses geeignete einrichtung - Google Patents

Verfahren zur signalerzeugung und fuer dieses geeignete einrichtung

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crystal resonator
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DE19792919667
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Michael C Fischer
John A Kusters
Jerry G Leach
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HP Inc
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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03L—AUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION, OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
    • H03L1/00—Stabilisation of generator output against variations of physical values, e.g. power supply
    • H03L1/02—Stabilisation of generator output against variations of physical values, e.g. power supply against variations of temperature only
    • H03L1/022—Stabilisation of generator output against variations of physical values, e.g. power supply against variations of temperature only by indirect stabilisation, i.e. by generating an electrical correction signal which is a function of the temperature
    • H03L1/027—Stabilisation of generator output against variations of physical values, e.g. power supply against variations of temperature only by indirect stabilisation, i.e. by generating an electrical correction signal which is a function of the temperature by using frequency conversion means which is variable with temperature, e.g. mixer, frequency divider, pulse add/substract logic circuit

Description

Hewlett-Packard Company
VERFAHREN ZUR SIGNALERZEUGUNG UND FÜR DIESES GEEIGNETE EINRICHTUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine für dieses geeignete Einrichtung unter Verwendung eines Quarzkristall resonators gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Die Resonanzfrequenz eines Quarzkristalls ist abhängig von den Elastizitätskoeffizienten, der Dichte, der Dicke und dem Oberschwingungsverhalten des Kristalls. Zusätzlich ändert: sich jeder dieser Faktoren mit Änderungen der Umgebungstemperatur des Kristalls, und es treten somit Änderungen der Resonanzfrequenz auf.
Es sind im wesentlichen drei Verfahren bekannt, um die Frequenz eines Quarzkristall resonators möglichst unabhängig von der Temperatur zu machen.
Bei dem ersten Verfahren wird ein erhitzter Ofen verwendet, um die Umgebungstemperatur des Kristall resonators und damit die Frequenz von dessen Kristall zu steuern. Um das Frequenz/Temperaturverhalten weiter zu verbessern, wird der Kristal!resonator typischerweise in einer der thermisch kompensierten Kristall Orientierungen geschnitten, für welche der Kristal!resonator eine inhärent gute Frequenzstabilität über einem engen Temperaturbereich hat. Zwei häufig verwendete einzeln gedrehte Kristallausrichtungen sind der AT-Schnitt und der BT-Schnitt.
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Bei diesem Verfahren erhält man allgemein durch Kristall resonatoren gesteuerte Oszillatoren, welche die höchste Frequenzstabilität aufweisen, die zur Zeit erhältlich ist. Es ergeben sich jedoch drei mögliche Nachteile: Einerseits ist bei modernen durch Kristall resonatoren gesteuerten Anwendungen der Ofen der hauptsächliche Energieverbraucher. Weiterhin ist eine thermische Stabilisationszeit von vielen Minuten erforderlich, wenn der Kristallofen zum ersten Mal eingeschaltet wird, selbst wenn die verfügbare Leistung nicht begrenzt ist. Ein großer Teil dieser Zeitspanne ist erforderlich, damit die thermischen Gradienten im Resonator ins Gleichgewicht kommen können, und dadurch wird der Vorteil der sofortigen Aufwärmung der Transistorschaltungen verloren. Drittens ist eine optimale Temperatursteuerung der Quarzresonatoren nicht möglich, wenn nicht die tatsächliche Temperatur der Quarzplatte bekannt ist. Weil das thermische Abfühlelement nicht in engem Kontakt mit dem Resonator steht, beeinträchtigen Fehler bei der Konstanthaltung der Umgebungstemperatur die Frequenzstabilität.
Bei den zweiten und dritten Verfahren wird die Temperatur ohne die Benutzung des Ofens kompensiert. Hierzu gehören über die Spannung gesteuerte Kristalloszillatoren und über die Temperatur gesteuerte Kristal!oszillatoren. Typischerweise handelt es sich um eine Kombination eines Kristall resonators, eines Verstärkers und eines über die Spannung steuerbaren Phasenschiebers. Die dem Phasenschieber zugeführte Spannung stellt ein Rückkopplungssignal dar, das von einer Art Temperaturmeßfühler abgeleitet ist, und zwar im allgemeinen von einem Thermistor oder einer Thermistorbrücke, obgleich ausgefeiltere Verfahren möglich sind.
Die über die Temperatur gesteuerten Kristal!oszillatoren umfassen im Rückkopplungsweg des Kristall resonators sorgfältig ausgewählte
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Reaktanzbauteile, welche nicht durch die Spannung steuerbar sind sondern deren Temperaturcharakteristik genau das Temperaturverhalten des Kristall resonators kompensiert und zu einer Einrichtung führt, die eine minimale Frequenz/Temperaturabhängigkeit hat.
Das dritte Verfahren verwendet neuartige Eigenschaften von Kristal 1-resonatoren, um eine Temperaturkompensation ohne Benutzung eines Ofens zu erreichen, vgl. US-PS 3 826 931. Darin wird eine Resonatoreinrichtung beschrieben, welche entweder einen einzelnen Quarzkristall verwendet, der in zwei ausgewählten Schwingungsformen schwingt oder zwei Quarzkristalle, die jeweils in einer einzigen ausgewählten Schwingungsform schwingen, um eine Resonatorausgangsfrequenz -abzugeben, welche der Summe oder der Differenz der beiden KristalIfrequenzen entspricht und nur wenig von der Temperatur abhängig ist.
Bei allen drei Lösungsversuchen ergibt sich ein wesentlicher Nachteil. Es wird nämlich nur eine statische Temperaturkompensation erreicht, d.h. daß die Temperaturkompensation nur unter Bedingungen erreicht wird, wenn die Umgebungstemperatur sich langsam ändert. Sich schnell ändernde Temperaturen, welche ausreichen, um im Kristall resonator thermische Spannungen hervorzurufen, bewirken augenblickliche Frequenzverschiebungen, die um Größenordnungen über diejenigen der statischen Stabilität der Einrichtung hinausgehen. Beispielsweise kann der in einem Ofen befindliche Resonator mit AT-Schnitt eine kurzzeitige Stabilität aufweisen, die mehrere Teile pro 10 beträgt. Indessen kann eine Temperaturänderung von \% im Kristall resonator eine plötzliche Frequenzverschiebung von 36 zu 10 bewirken.
Die dynamische Kompensation bezüglich thermischer Gradienten wurde kürzlich entdeckt durch Richard Holland. Er beschrieb einen
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doppeltgedrehten Kristall resonatorschnitt, nämlich den TS-Schnitt, der eine yxwl-Orientierung von 22.8°/34.3° "hat (ANSI C83.3 - 1951 (R1972)) wobei sich eine gute Frequenzstabilität über einem engen Temperaturbereich ergibt. Dadurch erhält man eine gute statische Kompensation, indem eines der beiden vorstehend erwähnten Verfahren verwendet wird, und gleichzeitig erhält man eine gute dynamische Kompensation bezüglich Temperaturgradienten. Dieser TS-Schnitt wurde durch Richard Holland in den folgenden Veröffentlichungen eingeführt:
Riehard Holland, "Nonuniformly Heated Anistropic Plates: I. Mechanical Distortion and Relaxation", IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics, Band SU-21, July 1974, Seiten 171 bis 178 und Richard Holland, "Nonuniformly Heated Anisotropie Plates: II. Frequency Transients in AT and BT Quartz Plates", 1974, Ultrasonics Symposium Proceedings, IEEE Cat. # 74 CHO 896-15U1 Seiten 592 bis 598.
Im wesentlichen zur gleichen Zeit wurde ein anderer doppelt gedrehter Kristall resonatorschnitt, nämlich der SC-Schnitt, beschrieben durch Ear! Eer Nisse mit der Orientierung yxwl 22.5°/34.3°, die im wesentlichen derjenigen entspricht/die von Richard Holland erläutert wurde. Die SC-Orientierung wurde durch Earl Eer Nisse in den folgenden Publikationen eingeführt: "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. bis 30. Mai 1975.
Dieser Kristal!schnitt hat die erforderliche Frequenz/Temperaturstabilität über engen Temperaturbereichen, um eine gute statische Kompensation bei dem ersten oder dem zweiten Kompensationsverfahren zu erreichen. Zusätzlich soll der SC-Schnitt frequenzunabhängig von internen Spannungen im Kristal!resonator sein, die durch aufgebrachte Elektrodenmuster3 Kristallresonatorbefestigungen und
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extern angelegte Spannungen in der Ebene der Kristall resonatorfläche entstehen. Diese beiden Kristall Orientierungen ergeben Verbesserungen der thermischen und mechanischen Spannungsempfindlichkeit gegenüber den AT- und den BT-Kristall schnitten. Es ist jedoch immer noch ein Betrieb bei einer gesteuerten Temperatur über einem nahen Temperaturbereich erforderlich, um eine gute Frequenzstabilität zu erreichen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine zu dessen Durchführung geeignete Einrichtung zur Signalerzeugung, insbesondere mittels eines Quarzkristall resonators, bezüglich der Frequenz/Temperaturstabil isation zu verbessern.
Diese Aufgabe wird gelöst durch den Patentanspruch 1. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Quarzkristall resonator mit einer Ausrichtung von im wesentlichen (yxwl) 21,93°/33,93° vorgesehen, der gleichzeitig in zwei Dicken-Schwingungsformen schwingt. Weiterhin ist ein analoges oder digitales Kompensationsnetzwerk vorgesehen, um genaue Temperatur- oder Frequenzmessungen vorzunehmen oder ein stabiles Referenzfrequenzsignal zu erhalten, ohne einen Ofen oder zusätzliche Temperaturüberwachungseinrichtungen zu benötigen.
Um dieses zu erreichen wird das Frequenz/Temperaturänderungsverhalten einer der Dickenschwingungsformen als eine Art Thermometer und das Frequenzsignal der zweiten Schwingungsform als ein Referenzfrequenzsignal oder als das bezüglich der Frequenz stabilisierte Ausgangssignal verwendet. Bei der dargestellten Ausführungsform der Erfindung werden beide Schwingungsform-Signale dem speziellen Kompensationsnetzwerk zugeführt.
Vorzugsweise wird eine der Resonatorfrequenzen stabilisiert gegenüber temperaturbedingten Frequenzänderungen, so daß dieses Signal
9 Π :ι >i 7, ι / 0 0 §
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ein stabilisiertes Frequenzausgangssignal ist. Dieses wird in einer Rückkopplungsschaltung erreicht, bei welcher das Thermometersignal gemessen und dieses Meßergebnis verwendet wird zur Bestimmung der Phasenverschiebung, die erforderlich ist, um die Frequenz der C-Schwingungsform zu korrigieren. Dabei kann das Thermometersignal von dem entsprechenden Schwingungsform-Signal oder einer Kombination beider Signale abgeleitet sein. Um dieses zu erreichen, wird die bestimmte Phasenverschiebung in ein geeignetes Signal umgeformt und einem veränderlichen Phasenschieber zugeführt, der mit einem der Oszillatorverstärker der B- oder der C-Schwingung oder mit beiden Verstärkern verbunden ist, um die erforderliche Phasenverschiebung zu erzeugen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele erläutert:
Figur 1 ist ein Diagramm der Frequenzänderung über der Temperatur für Frequenzen der B- und der C-Schwingungsform eines Quarzkristal!resonators mit der Ausrichtung yxwl 21,93°/33,93°,
Figur 2 ist ein schematisches Blockdiagramm des Oszillators,
bei dem der Quarzkristal!resonator gleichzeitig zu zwei Dickenschwingungen angeregt wird, Figur 3 ist ein schematisches Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, bei welchem eine Varaktordiode verwendet wird zur Verschiebung der Phase der Frequenz im C-Schwingungsbetrieb des Oszillators bei der Ausführungsform mit geschlossener Rückkopplung, um die Frequenz des C-Schwingungssignales zu stabilisieren.
Untersuchungen haben gezeigt, daß durch die Verwendung eines innerhalb von 2° gemäß yxwl 21,93°/33,93° ausgerichteten Kristalls und den Betrieb in der schnellen Scherschwingungsform (B-Mode) und in der langsamen Scherschwingungsform (C-Mode) der Betrieb des Kristall-
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resonators sowohl statisch als auch dynamisch thermisch in dem Bereich der Temperatur der Kristall Übergangsfrequenz kompensiert ist. Dieser Kristall kann als TTC (Thermal Transient Compensated)-Typ bezeichnet werden. Es ist allgemein bekannts daß das Frequenz/Temperaturverhalten irgendeines Quarzresonators mit Präzisionsschnitt durch eine Potenzreihe dargestellt werden kann.
Ein Kristall der vorgenannten kristallographischen Ausrichtung hat ein Frequenz/Temperaturverhalten, bei dem der Beitrag der Glieder der vierten und der höheren Ordnungen typischerweise kleiner als
1 zu 10 über einen Temperaturbereich von 2000C ist. Die Form dieser Kurve kann algebraisch ausgedrückt werden durch:
f = f0 [i + aT + bT2 + cT3] (1)
Dabei bedeuten fQ die Resonanzfrequenz bei einer gewählten Referenztemperatur, a, b und c die Frequenzkoeffizienten der ersten, zweiten und dritten Ordnung und T den Wert der tatsächlichen Kristall temperatur abzüglich des Wertes der gewählten Referenztemperatur.
Es ist bekannt, daß Kristallorientierungen bestehen, bei denen ein einzelner Kristall derart betrieben werden kann, daß er gleichzeitig in einer Vielzahl von Dickenschwingungen schwingt. Dieses ist möglich, da die drei Dickenschwingungen der Bewegung orthogonal zueinander sind und gleichzeitig existieren können ohne sich gegenseitig zu beeinträchtigen.
Figur 1 zeigt schematisch die Temperatur/Frequenzabweichungen der schnellen Scherschwingung im B-Betrieb und der langsamen Scherschwingung im C-Betrieb eines Quarzresonators mit der Kristallorientierung yxwl 21,93°/33,93°. Aus dieser Darstellung geht hervor, daß die Frequenzänderung der B-Schwingung vorwiegend linear und die Frequenzänderung der C-Schwingung über den
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Bereich von 700C in Figur 1 überwiegend in der dritten Ordnung liegt. Diese Frequenzänderungen betragen näherungsweise 1900 PPM (Teile pro Million) für die Frequenz im B-Betrieb und 25 PPM für die Frequenz im C-Betrieb.
Bei einem Kristal!resonator dieser Art können die Frequenzänderungen im.B-Betrieb dazu verwendet werden, um die Temperatur der Kristallscheibe abzutasten und eine Einrichtung zu schaffen, um Fehler zu korrigieren, die durch die Temperaturempfindlichkeit der Frequenz im C-Betrieb entstehen, wenn die Frequenz im C-Betrieb als Frequenzoder Zeitreferenz oder als Frequenzquelle verwendet wird.
Für irgendeine dieser Anwendungen kann entweder ein Kurvenanpassungsverfahren oder eine Nachschlagetabelle mit Interpolation verwendet werden. In beiden Fällen besteht der erste Schritt darin, daß die Frequenzen im B-Betrieb und im C-Betrieb bei gewählten Temperaturen über dem erforderlichen Temperaturbereich gemessen werden . Diese Werte können dann dazu verwendet werden, um entweder die Koeffizienten des gewählten Ausdrucks zur Kurvenanpassung oder die einzelnen Werte für die Nachschlagetabelle bei jeder der gewählten Temperaturen abzuleiten.
Bei dem Verfahren der Kurvenanpassung kann das Frequenzsignal im C-Betrieb des Resonators verwendet werden als Zeitbasissignal zum Messen des Frequenzwertes eines zweiten gewählten Frequenzsignales.
Da die Frequenz im C-Betrieb sich bei Temperaturänderungen ändert, ist die gemessene Frequenz ungenau. Der relative Fehler des gemessenen Signales kann definiert werden als:
i§i (2)
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Dabei bedeutet f der gemessene Wert des gewählten Frequenzsignales und f . den richtigen Wert des gleichen Signales.
Der richtige Wert dieses Signales kann ausgedrückt werden als:
'st 1 + <ff
(3)
Mittels bekannter Zähler (vgl. Application Note 172 der Anmelderin) ist der relative Fehler des Frequenzsignals im C-Betrieb gleich Sf und kann ausgedrückt werden als:
„ of
fCo
Dabei bedeutet f~ den Frequenzwert des Signals im C-Betrieb bei der Betriebstemperatur des TTC-Kristalls und Fp die ausgewählte Referenzfrequenz des Frequenzsignals im C-Betrieb.
Die tatsächliche Frequenz der Zeitbasis im C-Betrieb kann ausgedrückt werden als eine Potenzreihe der Temperatur:
fc = fco (1+AcT + BcT2 + ccp + ···>
Dabei sind A~, B~, C~ die Temperaturkoeffizienten erster, zweiter und dritter Ordnung der Frequenz und T ist die normierte Temperatur. Durch Einsetzen von f~ aus Gleichung (5) in Gleichung (4) wird der Fehlerausdruck:
Sf = ACT + BCT2 + CCT3 + ... (6)
Der resultierende Wert aus Gleichung (6) kann dann in Gleichung (3) eingesetzt werden, um die wahre Frequenz des gewählten Frequenzsignales zu bestimmen oder die Frequenz im C-Betrieb zu ermitteln,
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und zwar durch folgende Gleichung:
fc
fCo = T+3F (7)
Durch Kenntnis der geeigneten Koeffizienten und der normierten Temperatur T kann der Korrekturfaktor berechnet werden, und entweder Gleichung (3) zur Ableitung der richtigen Meßfrequenz oder Gleichung (4) zur Korrektur der Systemausgangsfrequenz verwendet werden. Der TTC-Kristall hat im wesentlichen ein eingebautes Thermometer im B-Betrieb. Dabei handelt es sich vorwiegend um eine Betriebsform mit linearen Temperaturkoeffizienten und einer Neigung, die groß genug ist, so daß die Differenz f„ - f~ der beiden Frequenzwerte jeweils positiv und eindeutig ist.
Bei den vorgeschlagenen Anwendungen kann die genaue Frequenz fßy im B-Betrieb gemessen werden, indem die tatsächliche Frequenz fp im C-Betrieb als Zeitbasis verwendet wird. Dadurch entsteht natürlich ein Fehler in der gemessenen Frequenz fg. Der relative Fehler ist wiederum identisch und wird erhalten durch:
fB " fBT
Nach Wahl einer Referenzfrequenz f^ können die Werte fg und fp als Funktion der Temperatur gemessen werden unter Verwendung einer Präzisionszeitbasis, und es kann dann eine Tabelle der scheinbaren Werte von fß aufgestellt werden, wenn diese aufgrund der Zeitbasis fp gemessen werden, wenn die Gleichungen (4) und (8) verwendet werden:
f f°(T)" XI
fn (T) = fB (T) < 1 + ? 9. Υ (9)
Somit wird eine Tabelle der scheinbaren Frequenzwerte fß über der normierten Temperatur T erhalten. Hieraus kann eine
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Potenzreihe der Form erhalten werden:
T=A1+ B'fg + C'fg2 + D'fg3 + ... (10)
Dabei sind A1, B', C, D1 ... die Frequenzkoeffizienten der Temperatur der nullten, ersten, zweiten und dritten Ordnungen.
Dieser Ausdruck kann dann eingesetzt werden in Gleichung (6) und führt zu einem Ausdruck folgender Form:
f = A + BfB + Cfß2 + DfB 3 + ... (11)
Durch die Messung des Frequenzsignals im B-Betrieb unter Verwendung des Signals im C-Betrieb als Referenzbasis wird ein Potenzausdruck über den Korrekturfaktor über dem gesamten Eichbereich erhalten. Dieser Korrekturfaktor kann dann entweder mit der Gleichung (3) oder der Gleichung (4) verwendet werden, um den gemessenen Wert des gewählten Frequenzsignales zu korrigieren oder das Frequenzsignal im C-Betrieb zu stabilisieren, indem erforderlichenfalls dessen Frequenz verschoben wird.
Bei Verwendung der Kurvenanpassungstechnik werden die Koeffizienten in Gleichung (10) oder (11) anfangs für den einzelnen Kristall oder für eine Produktionsklasse von Kristallen bestimmt und dann in der Einrichtung als feste Konstanten über dem gesamten Bereich von Betriebstemperaturen verwendet. Im Betrieb kann f„ die Frequenz im B-Betrieb oder eine gewählte Funktion erster Ordnung der Frequenzen im B-Betrieb und im C-Betrieb sein, beispielsweise wird das Verhältnis oder die Differenz gebildet, gemessen und einem Prozessor zugeführt, worauf Signale für die Ausdrücke in Gleichung (10) und (11) gebildet und addiert werden, um ein anderes Signal abzuleiten, das repräsentativ für die Kristantemperatur oder den gewünschten Korrekturfaktor ist.
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Bei der Technik des Nachschlagens in einer Tabelle wird der Wert des gewünschten Korrekturfaktors oder der Temperatur ursprünglich in einer Nachschlagetabelle mit dem Wert fR> dem Wert der Frequenz im B-Betrieb, oder einer gewählten Funktion der Frequenzen im B-Betrieb und im C-Betrieb als Hinweismarke bei jeder gewählten Temperatur gespeichert. Im Betrieb wird der Wert f„ gebildet und gemessen, um eine Hinweismarke auf die gewünschte Information in der Nachschlagetabelle zu erhalten. Falls der Wert fn der gleiche ist wie eine der Hinweismarken der Nachschlagetabelle, so wird die an dieser Stelle gespeicherte Information an einen Prozessor übertragen. Der Wert von fß kann zwischen zwei Hinweismarkenwerten der Nachschlagetabelle liegen. Wenn dieses auftritt, werden die angrenzenden Hinweismarken zugeordneten Nachschlagewerte an den Prozessor übertragen,und es wird eine geeignete Interpolation vorgenommen, um den Wert der Temperatur oder den Korrekturfaktor zu bestimmen, der dieser mittleren Hinweismarke zugeordnet ist.
Die verwendete Interpolationstechnik wird bei vielen Anwendungsfällen linear sein, wenn der Wert zwischen zwei anderen Hinweismarkenwerten liegt. Dieses erfordert dann, daß die Ausgangsmessungen der KristalIfrequenzen bei gewählten Temperaturen erhalten werden, die hinreichend nahe nebeneinander liegen, so daß die Kurven über den gewünschten Korrekturfaktor oder die Temperatur als Funktion des Wertes fß zwischen diesen Temperaturwerten überwiegend linear sind. Wenn diese Kurven zwischen den gewählten Temperaturen nicht linear sind, wäre es erforderlich, Polynomkoeffizienten in der Nachschlagetabelle für jede Hinweismarke abzuleiten. Diese Koeffizienten werden dann bei irgendeinem bekannten Interpolationspolynom verwendet, um den Korrekturfaktor für eine mittlere Hinweismarke zu erhalten.
In Figur 2 und 3 zeigen die Pfeile die Richtung des Informations-
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flusses bzw. der Durchgangsleistung.
In Figur 2 ist ein Oszillator 11 dargestellt, der einen doppelt gedrehten TTC-Quarzkristallresonator 10 aufweist, welcher gleichzeitig mit zwei Dickenschwingungen schwingt. Der Oszillator 11 enthält einen einzelnen Quarzresonator 10 des vorgenannten TTC-Typs, der zwischen Elektroden 12 angeordnet ist und gleichzeitig in den B- und C-Schwingungsformen schwingt, wenn dessen Elektroden 12 durch Verstärker 14 und 16 ein A-C Signal zugeführt wird. Bei dieser Schaltungsanordnung wird eine getrennte Schwingungsform innerhalb des Resonators 10 mit Verstärkern 14 und hervorgerufen, die den Frequenzen der Schwingungsformen C bzw. B entsprechen. Auch sind Filternetzwerte 18 und 20 vorgesehen, die jeweils geeignete Pole und/oder Nullwerte bezüglich der Frequenzen im C-und im B-Betrieb aufweisen, um die Energie von der Schwingung in den beiden Betriebsformen des einzelnen Paars von Elektroden 12 zu trennen. Bei dieser Anordnung werden die Frequenzsignale im C- und im B-Betrieb für die angeschlossene Schaltung von Verstärkern 14 bzw. 16 erhalten.
Bei der Ausführungsform gemäß Figur 3 ist eine Kompensationseinrichtung mit geschlossener Regelschleife dargestellt, wobei das Frequenzsignal im C-Betrieb des Resonators 10 gesteuert wird zur Erzeugung eines stabilen Ausgangssignales. Diese Ausführungsform umfaßt einen Oszillator 11 mit zwei Frequenzen, änen Mischer 22, ein Frequenzmeßsystem 38, einen Prozessor 72, einen Umformer 74 (beispielsweise Analogeinrichtung AD 7521JN) und einen mittels der Spannung steuerbaren Phasenschieber 70, beispielsweise eine Varaktordiode. Der Oszillator 11 ist von der in Figur 2 dargestellten Art, wobei der Phasenschieber 70 in Reihe geschaltet ist zwischen dem Verstärker 14 und der unteren Elektrode 12 anstelle einer Verbindung zwischen diesen beiden Elementen des Oszillators 11. Der Phasenschieber 70 könnte andererseits an irgendeiner geeigneten Stelle im Oszilla-
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tor 11 angeordnet sein, beispielsweise könnte er in Reihe zwischen der unteren Elektrode 12 und beiden Verstärkern 14 und 16 verbunden sein anstelle der gemeinsamen Verbindung von jedem der Verstärker 14 und 16 zur unteren Elektrode 12. Die Frequenzssignale des Oszillators 11 im B-Betrieb und im C-Betrieb werden dann dem Mischer 22 zugeführt. Aus diesen Signalen erzeugt der Mischer 22 ein Differenzsignal 11D, welches dann dem Frequenzmeßsystem 38, beispielsweise dem Hewlett-Packard Modell 5300B zugeführt wird. Das Frequenzmeßsystem 38 besteht aus einer herkömmlichen binärdigitalen Schaltung, einer Schaltung zur Umformung eines analogen Frequenzsignales in ein Spannungssignal, oder einer Kombination einer analog/digitalen tachometrischen Schaltung. Dieses Frequenzmeßsystem kann eine Referenzfrequenz erfordern, in welchem Fall der resultierende Meßwert das Verhältnis zwischen der Referenzfrequenz und der gemessenen Frequenz ist. Wenn ein Referenzfrequenzsignal verwendet werden soll, könnte es das Frequenzsignal im C-Betrieb sein, wie sich aus der unterbrochenen Linie 39 ergibt.
Das Frequenzmeßsystem 38 erzeugt wiederum ein erstes elektrisches Signal, das dem gemessenen Differenzfrequenzsignal fQ entspricht. Das erste elektrische Signal wird dem Prozessor 72 zugeführt, um ein Korrektursteuersignal zu erzeugen und die Frequenzverschiebung im C-Betrieb des Resonators 10 bei Temperaturänderungen zu korrigieren.
Der Prozessor 72 kann verwendet werden, um entweder die Kurvenanpassungstechnik oder die Tabellennachschlagetechnik zu realisieren, wie in Verbindung mit digitalen und analogen Schaltungen erläutert wurde. Beispiele dieser Realisationsmöglichkeiten sind: ein Prozessor 72 zur digitalen Kurvenanpassung - Fairchild F8 , ein Prozessor 72 zur analogen Kurvenanpassung - Operationsverstärker mit nicht-linearen Funktionsgeneratoren, die aus Widerständen, Dioden und Transistoren bestehen,
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Prozessor 72 für digitale Nachschiagetabellen - Hewlett-Packard Model
Prozessor 72 für analoge Nachschiagetabellen - Operationsverstärker und Schaltungen mit mehreren Schwellwerten und Widerstandsketten.
Die im Prozessor 72 vorprogrammierten Korrekturfaktoren korrigieren die nicht-linearen Veränderungen der Frequenz des Resonators 10 im C-Betrieb und die potentielle, nicht-lineare Änderung der Phasenverschiebung, die durch den Phasenschieber 70 erfolgt. Dieses korrigierende elektrische Signal ist repräsentativ für die Steuerspannung, die erforderlich ist, um die Frequenz des Ausgangssignales vom Verstärker 14 innerhalb der gewählten Toleranz von beispiels-
weise von 1 zu 10 zu halten. Das Korrekturausgangssignal vom Prozessor 72 wird einem Umformer 74 zugeführt, um dieses Signal in ein geeignetes Format umzuformen, beispielsweise durch Digital/ Analog-Umwandlung oder Spannungsübersetzung und wird dem Phasenschieber 70 zugeführt, um die Regel schleife zu schließen.
Durch Verwendung des Signales über die Differenzfrequenz vom Mischer 22, wird ein Steuerspannungssignal entwickelt und an den Phasenschieber 70 zurückgespeist, so daß die gesamte Phasenverschiebung des Frequenzsignalweges im C-Betrieb um den gewünschten Betrag geändert wird zur Stabilisierung der Frequenz des Ausgangssignals vom Verstärker 14 als stabilisiertes Frequenzausgangssignal.
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Claims (10)

  1. Hewlett-Packard Company
    Int. Az.: Case 1273 .14. Mai 1979
    PATENTANSPRÜCHE
    j 1y Verfahren zum Erzeugen eines Signales, dadurch gekennzeichnet, daß
    ein Quarzkristal!resonator (10), der eine kristallographische Ausrichtung entsprechend (yxwl) 21,93733,93° ± 2° zur statischen und dynamischen thermischen Kompensation aufweist, angeregt wird zur gleichzeitigen Schwingung in ersten und zv/eiten voneinander unabhängigen Dickenschwingungsarten, wobei jede dieser Schwingungsarten ein bestimmtes Frequenz/Temperaturverhalten hat,
    ein erstes und ein zweites Frequenzsignal voneinander getrennt werden, das der ersten bzw. der zweiten Dickenschwingung entspricht,
    von wenigstens dem einem Frequenzsignal ein Korrektursteuersignal mit einem codierten Wert abgeleitet wird, der von der Betriebstemperatur des Quarzkristall resonators (10) abhängt, und die Phase von wenigstens dem anderen Frequenzsignal entsprechend dem Korrektursteuersignal verschoben wird zur Stabilisierung des anderen Signales gegenüber temperaturbedingten Frequenzänderungen.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Frequenzsignal und dessen entsprechende Dickenschwingung das Frequenzsignal im B-Schwingungsbetrieb und dessen B-Schwingung des Quarzkristal!resonators (10) umfaßt, jeweils mit einem überwiegend linearen Frequenz/Temperaturverhalten über einem ausgewählten Temperaturbereich, und das andere Frequenzsignal und die diesem entsprechende Dickenschwingungsart das Frequenzsignal im C-Schwingungsbetrieb und dessen C-Schwingungsform des Quarzkristal!resonators (10) aufweist, wobei das Frequenztemperaturverhalten über einem gewählten Temperaturbereich überwiegend der dritten Ordnung entspricht.
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    Hewlett-Packard Company - ? -Int. Az.: Case 1273
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, da3 bei der Ableitung des Korrektursteuersignal es ein drittes Signal erzeugt wird, dessen Frequenz repräsentativ für die Innentemperatur des Quarzkristal!resonators (10) in wenigstens dem B-Schwingungs- oder dem C-Schwingungssignal ist, die Frequenz des dritten Signales gezählt und ein viertes Signal mit einem codierten Wert erzeugt wird, welcher repräsentativ für den gezählten Frequenzwert des dritten Signales ist und das vierte Signal verarbeitet wird zu einem fünften Signal mit einem codierten Wert, der eine Funktion der Temperatur des Quarzkristall resonators (10) ist und das fünfte Signal das Korrektursteuersignal ist.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Verarbeitung des vierten Signales Koeffizienten eines Polynoms der Ordnung V bestimmt und gespeichert werden, das eine Funktion des codierten Wertes des vierten Signales sind, um den codierten Wert des fünften Signales über dem gesamten ausgewählten Temperaturbereich genau zu erzeugen, und
    der codierte Wert des vierten Signales mit den gespeicherten Koeffizienten des Polynoms der η-ten Ordnung kombiniert wird zur Bildung des codierten Wertes des fünften Signales.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennnzeichnet, daß die Verarbeitung des vierten Signales folgende Verfahrensschritte umfaßt:
    die zu codierenden Werte in jedem der vierten und fünften Signale werden vorbestimmt, und der Quarzkristall resonator (10) wird bei einer Vielzahl gewählter Temperaturen betrieben, die einzelnen vorbestimmten zu codierenden Werte in dem fünften Signal werden in einer Speichereinrichtung vorgespeichert mit den entsprechenden vorbestimmten Werten des vierten Signal es als Hinweisemarken auf diese,
    der tatsächliche codierte Wert des vierten Signales wird der Speichereinrichtung zugeführt,
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    ORIGINAL INSPECTED
    Hewlett-Packard Company · 3 Int. Az.: Case 1273
    es werden eine Anzahl von Hinweismarken identifiziert, deren Werte innerhalb derjenigen des codierten Wertes des vierten Signales fallen und
    zwischen den gespeicherten, im fünften Signal zu codierenden Werten, die der Anzahl von Hinweismarken entsprechen und die Anzahl von Hinweismarken verwenden, und dem tatsächlichen im vierten Signal codierten Wert wird interpoliert, Die Anzahl aus Hinweismarken besteht aus einer einzelnen Hinweismarke, wenn zwischen dem tatsächlichen codierten Wert des vierten Signales und einer der gespeicherten Hinweismarken Übereinstimmung besteht, in welchem Fall der zu codierende Wert Tm fünften Signal der gespeicherte Wert ist, der der einzelnen Hinweismarke entspricht.
  6. 6. Signalerzeugungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
    einen Quarzkristall resonator (10) mit einer ausgewählten kristallographischen Orientierung, die gleich (yxwl) 21.93°/33.93° - 2° entspricht, um eine statische und dynamische thermische Kompensation zu erreichen, und mit ersten und zweiten Dickenschwingungsformen beim Anlegen eines elektrischen Feldes, wobei die Schwingung in jeder dieser Schwingungsform gekennzeichnet ist durch ein gewähl tes Frequenz/Temperaturabwei chungsverfahren, eine Oszillatoreinrichtung (12 bis 20 und 70) zum Erzeugen und Zuführen des elektrischen Feldes zum Quarzkristal!resonator zur Isolation der ersten und zweiten Frequenzsignale der ersten bzw. zweiten Schwingungsformen und zum Verschieben der Phasen von wenigstens einem der ersten und zweiten Frequenzsignale und eine Kompensationseinrichtung (22, 38, 72, 74), die zur Aufnahme von wenigstens dem anderen Frequenzsignal verbunden ist zur Ableitung eines Korrektursteuersignal es für die Oszillatoreinrichtung (12 bis 20 und 70) zur Steuerung der Phasenverschiebung, die zur
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    Hewlett-Packard Company - 4 Int. Az.: Case 1273
    Stabilisierung des einen Frequenzsignales bezüglich temperaturbedingter Frequenzänderungen erforderlich ist, wobei das andere von der Kompensationseinrichtung (22, 28, 72, 74) empfangene Frequenzsignäl repräsentativ für die Temperatur des Quarzkristallresonators (10) ist und zur Erzeugung des Korrektursteuersignal es verwendet wird.
  7. 7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Frequenzsignal und dessen entsprechende Dickenschwingungsart das Frequenzsignal in der C-Schwingungsform und dessen C-Schwingungsform des Quarzkristall resonators (10) umfaßt, wobei das Frequenz-Temperaturverhalten über einem gewählten Temperaturbereich im wesentlichen der dritten Ordnung entspricht, und das andere Frequenzsignal und dessen entsprechende Dickenschwingungsform das Frequenzsignal in der B-Schwingungsform und die B-Schwingungsform des Quarzkristall resonators (10) umfaßt, die jeweils über einem gewählten Temperaturbereich ein vorwiegend lineares Frequenztemperaturverhalten aufweisen.
  8. 8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationseinrichtung folgende Einrichtungen enthält:
    eine Eingabeeinrichtung (22), die mit der Oszillatoreinrichtung (12 bis 20 und 70) verbunden ist zur Aufnahme wenigstens des Frequenzsignales in der B-Schwingungsform und zur Abgabe eines dritten Signales, dessen Frequenz repräsentativ für die Innentemperatur des Quarzkristal!resonators (10) ist,
    eine Frequenzmeßeinrichtung (38^dIe verbunden ist zur Aufnahme und zur Messung der Frequenz des dritten Signales und zur Erzeugung eines vierten Signales mit einem codierten Wert, der repräsentativ für den gemessenen Frequenzwert des dritten Signales ist und
    eine Prozessoreinrichtung (72 bis 74), die verbunden ist zur
    f|
    Hewlett-Packard Company - 5 Int. Az.: Case 1273
    Aufnahme des vierten Signales, um aus diesem ein fünftes Signal mit einem codierten Wert abzuleiten, der eine Funktion der Temperatur des Quarzkristal!resonators (10) ist, wobei das fünfte Signal das Korrektursteuersignal ist.
  9. 9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozessoreinrichtung (72, 74) das fünfte Signal durch eine Kurvenanpassungstechnik erzeugt.
  10. 10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzei ch ■ net, daß die Prozessoreinrichtung (72, 74) das fünfte Signal durch Interpolation zwischen eingespeicherten Werten ableitet.
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