DE2927265A1

DE2927265A1 - Temperaturkompensierte frequenzquelle

Info

Publication number: DE2927265A1
Application number: DE19792927265
Authority: DE
Inventors: Jean-Georges Michel
Original assignee: Ebauches SA
Current assignee: Ebauches SA
Priority date: 1978-07-18
Filing date: 1979-07-05
Publication date: 1980-01-31
Also published as: GB2025721A; FR2431794A1

Description

Temperaturkonipensierte Frequsnzguelle

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine temperaturkompensierte Frequenzquelle.

Im allgemeinen werden stabile Frequenzquellen durch Quarzschuinqer gesteuert welche ausgebildet sind für eine Schwingung gemäss verschiedenen Deformationsmodi, je nach dem gewählten Schnittwinkel in Bezug auf die Kristallachsen, und welche mit Erregerelektroden versehen sind, um eine Frquenz mit sehr kleiner, Temperaturabhängigkeit zu erhalten. Es ist bekannt, dass die Frequenzvariation eines Quarzschwingers in Funktion der Temperatur durch die allgemeine Gleichung

f (T) = fo^l +0.(T-To) + /3(T-To)

² +

ausgedrückt werden kann» In der Praxis erreicht man For einen gegebenen Vibrationsmodus durch die Wahl des Schnittiuinkels, dass der lineare Koeffizient rjleich Null wird« Plan findet Schwinger, für welche es zusätzlich möglich ist, gleichzeitig aitet =0 entweder fflr^ oder für P sehr kleine Werte zu haben.

Für die Realisierung von Oszillatoren mit sehr hoher Frequenzstabilität bestimmt man den Schnittuinkel nicht nur so, dass o· =0 ist, sondern auch, dass ein Punkt der Kennlinie, für welchen die Frequenzänderung in Funktion der Temperatur Null ist (df/dT = Q), manchmal als Umkehrpunkt bezeichnet, mit der Uermendungstemperatur zusammenfällt» Man kann den Quarz auch in einer temperaturstabilisiBrten Umgebung anordnen, wobei die Temperatur auf den Umkehrpunkt stabilisiert ist. Mit der letzqenannten Lösung kann man die höchsten Stabilitäten erreichen, aber sie ist uninteressant für Anwendungen, bei welchen der Energieverbrauch möglichst nieder sein soll.

Es wurden daher Lösungen ersonnen, um die Influenz der Koeffizienten/? und/»zu kompensieren, um einen breiten Temperaturbereich mit guter Frequenzstabilität zu erzielen.

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Das US—Pat.No. 3,909,638 beschreibt einen variablen Keramikkondensator mit grosser Kapazität pro Volumeneinheit, der eine nichtlineare Temperaturabhän-;. gigkeit aufu/eist. Dieser Kondensator wird verwendet, um den Koeffizienten μ der Kennlinie des Quarzschwingers mit Schnitt X + 5 im Biegeschwingungsmodus zu kompensieren. Ein solcher Kondensator, der eine starke Kapazitätsänderung in Funktion der Temperatur aufweist, ist nicht besonders langzeitkonstant und die schlechte Reproduzierbarkeit seiner Kennlinie führt zudem zu einem sehr unökonomischen Aussuchen im Falle einer Verwendung in der Grosserienfabrikation. Weiter ist dieser Kondensator feuchtigkeitsempfindlich und er kann einen Hystereseeffekt aufweisen, welche den Vorgang der Frequenzeinstellung erheblich behindert.

Das US-Pat.No. 3,831,111 zeigt, dass im Falle eines Quarzes mit AT-Schnitt, bei welchem man im wesentlichen eine Kennlinie dritter Ordnung für die Variation der Frequenz mit der Temperatur hat, eine Diode mit in Funktion der an ihren Anschlüssen liegenden Spannung variablen Kapazität für die gewünschte Kompensation verwendet werden kann. Diese Spannung wird von einem Widerstandsnetzwerk erhalten, das einen oder mehrere Widerstände mit negativem Temperaturkoeffizienten aufweist und mit einer konstanten Spannung gespeist wird. Ein solches System ist wirksam, aber wegen der relativ geringen Impedanz in der Grössenordnung von 100 kOhm und der Unnenauigkeit der Widerstände mit negativem Temperaturkoeffizienten führt es zu schwer zu meisternden elektronischen Lösungen, hauptsächlich bei Systemen mit geringem Stromverbrauch.

Es ist daher ein Zweck der vorliegenden Erfindung, eine stabile Frequenz-

quelle mit sehr geringem Stromverbrauch zu schaffen, die kein Aussuchen von Komponenten benötigt, keine Hysterese aufweist und deren elektronische Komponenten integriert werden können, ohne besondere Forderungen in Bezug auf deren Kennlinien zu stellen.

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Die vorgeschlagene Lösung beruht auf der Tatsache, dass der Quarzschwinger ein sehr kleines und sehr billiges Massenprodukt geworden ist, dessen Kennlinien sehr gut reproduzierbar sind dank chargenweiser Herstellung (batch process). Tatsächlich stellt man Quarzschwinger in Form von Stimmgabeln aus einer monokristallinen Quarzscheibe her, indem man photolitographische Prozesse verwendet, in welcher die einzelnen Schwinger durch Aetzen erhalten werden. Es ergibt sich bei diesem Herstellungsverfahren eine sehr grosse Homogenität der Kennlinien der aus der gleichen Scheibe erzeugten Schwinger. So sind z.B. innerhalb der gleichen Charge die typischen Abweichungen zwischen den Umkehrpunkten

der einzelnen Schwinger in der Grössenordnung von 1 C. Weiter haben die für tiefe Frequenzen in Form von Stimmgabeln verwendeten Quarze sehr geringe Abmessungen und deren Montage ist stark vereinfacht.

Im weitern interessiert man sich bei Anwendungen als zeitbestimmendes Glied für die Langzeitstabilität, über mehrere Stunden, mährend Instabilitäten über Intervall» in der Grössenordnung v/on Sekunden im allgemeinen ohne Bedeutung sind.

Diese Betrachtungen haben dazu geführt, die Verwendung von zwei Quarzen zu erwägen, um eine temperaturkompensierte Frequenzquelle zu erhalten, mit dem Ziel, sowohl den elektronischen Teil als auch die Temperatursonde möglichst unkritisch zu machen*

Die erfindungsgemässe Frequenzquslle zeichnet sich aus durch zwei piezoelektrische Schwinger, denen elektronische Mittel zugeordnet sind, welche diese in Schwingung versetzen und halten können und ein erstes und ein zweites Signal abgeben können, deren Frequenzen abhängig sind von der Resonanzfrequenz der genannten Schwinger, und durch ein Umschaltglied, das mindestens indirekt mit den genannten elektronischen Mitteln gekoppelt und mit einer Ausgangsklemme der genannten Qualle verbunden ist, wobei das genannte Umschaltglied

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durch ein von einer Steuereinrichtung geliefertes Signal derart gesteuert ulrd, dass die beiden Signale gemäss einem von der Temperatur-abhängigen Umschaltgesetz abwechselnd an die Ausrjangsklemme angelegt werden, um an dieser Am: 'anqsklemme eine zusammengesetzte Frequenz zu erzeugen, die nicht von der Temperatur abhängig ist.

Ausführunqsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung zeigt:

Die Fig. 1 die Frequenzkennlinien der Schwinger in Funktion der Temperaturj Die Fig· 2 die Aenderungen der Umschaltdauer in Funktion der Temperatur; Die Fig. 3 das Prinzipschaitbild einer ersten Ausführungsform der erfindungs-

gemässen Frequenzquelle}

Die Fig. 4 das Prinzipschaltbild einer zweiten Ausführungsforin der erfindungs— gemässen Frequenzquelle; und

Die FIq. 5 das Blockschaltbild einer erfindungsgemessen Frequenzquelle.

Die Erfindung soll am Beispiel der Temperaturkompensation eines tjuarzschwlngers mit paraholischer Kennlinie gemäss /

f (T) = fo M *ß {1-loYJ

beschrieben werden. Ein Niederfrequenzquarz mit Schnitt X + *, wobei Ö<«t<10 ist, besitzt eine solche Kennlinie.

Die Fig. 1 zeigt die Frequerizkurven fl(T) und f2(T)-von zwei Quarzen, denen Koeffizienten identisch sind, aber deren Umkehrpunkte unterschiedliche Werte To1 und To2 aufweisen, welche durch unterschiedliche Schnittwinkel erhalten werden. Die Kurven haben einen parabolischen Verlauf und definieren einen Temperaturbereich T -T-. =2 (To2 — Toi), innerhalb welchem die Temperatur— ^ max min _ "

kompensation sichergestellt Ist, sofern man eine zusammengesetzte Frequenz T erzeugen kann, welche sich nicht mit der Temperatur ändert. Das Prinzip der Erzeugung

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von f besteht darin, abwechselnd die Quelltjn der Frequenzen f1 und f2 mit einer Periode von t während einer Dauer 'ti bezw. (*C— Vi) auf einen gemeinsamen Ausgang zu schalten. Damit die zusammengesetzte Frequenz unabhängig von der Temperatur ist, genügt es, das Verhältnis 'Cl/'C'in Funktion der Temperatur gemäss einem Gesetz zu verändern, das die gewünschte Kompensation erzeugt:

r 1 _ . . . -1 . . 3To2 - To1 . . — = a . T ₊ b, wöbe! a = φ_ο2,_Το,) und b = ₄(_To2__To1J ist.

Der Vorteil dieser Lösung beruht auf dem Umstand, dass es möglich ist, eine vollständig temperaturkompensierte zusammengesetzte Frequenz zu erzeugen, indem man die Umschaltdauer -C1 linear in Funktion der Temperatur ändert, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Zahlreiche elektronische Komponenten, wie z.B. Widerstände, Kondensatoren, Uerzögerungsleitungen usw., welche über einen relativ breiten Temperaturbereich eine lineare Kennlinie besitzen, können verwendet werden zur Bestimmung der Umschaltdauer.

Die Fig. 1 und 2 zeigen, dass die zu stabilisierende zusammengesetzte Frequenz ist: — uiT ToI + To2 ^ f = f_Tm, wobei Tm = -

Bei der Temperatur T . ist f=f 1, so dass Ϊ1 =ί" und (f -Vl) = O ist; bei

der Temperatur T ist f = f2, so dass ^fI = O und (-T^-^Ί) = "f ist. Es ms x

soll nun eine beliebige Temperatur T1 innerhalb des Bereiches T - T .

³ ^r max min

betrachtet werden. Um die zusammengesetzte Frequenz f bei dieser- Temperatur zu erhalten, kann man Fig. 2 entnahmen, dass die Dauern -C1 und ("f - V\) 0,42^ bezw. 0,5B^ sein müssen. Dies entspricht, wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, gut der Tatsache, dass der Abstand AB zwischen der Frequenz f2(T) und der Frequenz f kleiner ist als der Abstand CB zwischen der Frequenz fi(T) und der Frequenz f. Man kann leicht feststellen, dass die zusammengesetzte Frequenz ^fTm ^ist·

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Fiq. 3 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsqemässen FrequBnzquelle. Sie weist eine Schaltung zur Aufrechterhaltunq der Schwingung auf, die gewöhnlich aus einem Verstärker und zwei Quarzschwingern Ql und 02 besteht deren eine gemeinsame Klemme mit dem Einqann des Verstärkers verbunden ist, uährend die andern Klammen mit einem Umschalter S1 verbunden sind, welcher durch eine Steuereinrichtung C1 gesteuert ist, die ermöglicht, dass abwechselnd die Quarze Π1 und Q2 während der Dauer f\ bezw. (•f-'t'i) in den Schwingkreis mit dem Verstärker A1 geschaltet werden. Auf diese Weise Ist die zusammengesetzte Frequenz, die man z.B. am Ausgang c messen kann, bestimmt durch die Anschaltung der Frequenz f1 während einer Dauer t"l an die Klemme c und die Anschaltung der Frequenz f2 während einer Dauer (£"-f1) an diese Klemme. Die Steuerschaltung C1 bestimmt diese Dauernd und {t~— tf\ ) in Funktion der Umgebungstemperatur und steuert den Umschalter S1, welcher in Wirklichkeit durch elektronische Schaltungen realisiert wird.

Die Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsqemässen Frequenzquelle. In diesem Falle weist die Quelle zwei Schaltungen zur Aufrechterhaltunn der Schwingung A2 und A3 auf, die je als unabhängige Oszillatoren mit den Schwingern Ql und Q2 ausgebildet sind. Die Klemme a des durch eine Steuerschaltung C2 gesteuerten Umschalters S2 erhält dauernd die Frequenz f1 von Schwinger Q1, während die Klemme b dieses Umschalters dauernd die Frequenz f2 von Schwinqer Q2 erhält. UIe vorher ist die zusammengesetzte Frequenz f eine Funktion von f 1, f 2 und -CI .

Die Fig. 5 zeigt das Blockschaltbild einer auf der Ausführungsform nach Fig. beruhenden Frequenzquelle. Die Schaltung weist zwei den Schwingern Q1 und Q2 zugeordnete Oszillatoren 1 und 2 auf, welche die Frequenzen f1(T) und f2(T) an die Eingänge von Frequenzteilern 3 und 4 mit gleichem Teilverhältnis N1 liefern. Die Ausgänge der Teiler 3 und 4 sind mit entsprechenden Eingängen

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Q1 und B2 eines elektronischen Umschalters 5 verbunden. An der Ausgangsklemme B3 das Umschalters 5 findet sich eine zusammengesetzte Frequenz f/N1. Die Steuerung der Umschaltung ist durch eine monostabile Schaltung 7 realisiert, welche ihrerseits z.B. durch ein Signal mit einer Periode von einer Sekunde gesteuert wird, welches von einem mit dem Ausgang des Umschalters 5 verbundenen Hilfsfrequenzteiler 6 geliefert uird. Die Dauer ·ί1 des Impulses der monostabilen Schaltung 7 ist abhängig von der Zeitkonstante RC der Schaltung, die man leicht so realisieren kann, dass sie linear uon der Temperatur abhängig ist, sei es, dass man einen Widerstand R(T) oder einen Kondensator C(T) wählt, welcher seinerseits linear uon der Temperatur abhängig ist.

Eine Abart dieser Schaltung weist, wie in Fig. 5 gestrichelt angegeben, ein Temperaturmessgerät S auf, welches irgend ein Sensor sein kann, wie z.B. eine Platinsonde, ein aktives Halbleiterelement oder eine Kombination uon Halbleitern, welcher Sensor eine linear uon der Temperatur abhängige Spannung U(T) als Steuersignal für die monostabile Schaltung 7 liefert.

In einer andern, in Fig. 5 ebenfalls gestrichelt angegebenen Ausführungsform wird das durch den Temperatursensor abgegebene Analogsignal in einem Analog/ Digital-LJandler 9 für die Steuerung der monostabilen Schaltung 7 umgewandelt, der in diesem Falle als digitale Schaltung ausgeführt wird.

Es ist klar, dass bei allen oben beschriebenen Ausführungsformen die Temperatur nicht dauernd gemessen werden muss. Diese Messung kann in regelmässigen

Abständen gemacht werden, was einen grossen Teil des für die Speisung des Sensors nötigen Stromes einspart. In diesem Fall muss man natürlich den Wert

von T^ zwischen zwei Tamperaturmessungen speichern. Der damit verbundene Fahler bleibt klein, da die Temperaturänderungen in allgemeinen langsam erfolgen.

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Bei einer letzten, ebenfalls in Fig. 5 angegebenen Ausführungsform werden die Schwinger selbst als Temperatursensoren verwendet. Die Differenz f'1 — f2 ihrer Frequenzen ist tatsächlich, wie man leicht zeigen kann, eine lineare Funktion der Temperatur. Diese Differenz wird durch eine Schaltung 10 gemessen, deren Eingänge die Frequenzsignale f1 und f2 erhalten und deren Ausgang ein Signal liefert, das für die Steuerung der monostabilen Schaltung 7 verwendet werden kann»

Im obigen wurde, wie auch in Fig. 1 gezeigt, vorausgesetzt, dass die beiden Schwinger die gleiche Frequenz fo bei den Umkehrtemperaturen To1 und To2 besitzen. Das System ermöglicht die gewünschte Kompensation aber auch bei einem gewissen Unterschied der Frequenzen f1 und f2 bei den Umkehrtemperaturen To1 und To2. Es genügt dazu, den Unterschied zwischen f1 und f2 in der Kennlinie -^-(T) von Fig. 2 zu berücksichtigen.

Es ist klar, dass das oben beschriebene Prinzip der Temperaturkompensation nicht auf Schwinger beschränkt ist, die Kennlinien gemäss den in Fig. 1 gezeigten besitzen, sondern allgemein angewendet werden kann.

So könnten z.B* die beiden Schwinger aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sein und Temperaturkoeffizienten von entgegengesetztem Vorzeichen aufweisen, li/eiter könnten die beiden Schwinger Kennlinien dritten Grades haben oder nur einer könnte eine solche haben, während der andere eine parabolische Kennlinie hätte. Das Prinzip ist also sehr allgemein und es kann mit Erfolg angewendet werden, sofern die Umschaltung nach einem Gesetz erfolgt, das bestimmt wird durch die Kennlinien der einzelnen Schwinger in Funktion der Temperatur.

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Claims

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PATENTAWSPRUECHE

/1y TBmperaturkompBnsierte, stabile Frequenzquelle mit zwei piezoelektrischen

Schwingern (Q1, Q2)_t welchen elektronische Mittel (A1, A2, A3; 1, 2) zugeordnet sind, die ausgebildet sind, um die ersteren in Schwingung zu versetzen und zu halten und um ein erstes und ein zweites Signal zu liefern, deren Frequenz abhängig ist v/on der Resonanzfrequenz der genannten Schwinger, und mit einem Umschaltglied (Ξ1, S2; 5), das mindestens indirekt mit den elektronischen Mitteln gekoppelt und mit einer Ausganqsklemme (C; B3) der genannten Quelle verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiter eine auf die Umgebungstemperatur empfindliche Steuereinrichtung (C1_f C2, 7) aufweist, um ein periodisches Signal an das genannte Umschaltqlied zu liefern, derart, dass die beiden Signale gemäss einem von der Temperatur abhängigen Umschaltgesetz abwechselnd an die Ausgangsklemme angelegt werden, um an der genannten AusgsngsklBtnme eine zusammengesetzte Frequenz (f) zu erzeugen, die nicht von der Temperatur abhängig ist.
2. Frequenzquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (Q1) und der zweite (Q2) Schwinger mit Resonanzfrequenzen f1 bezw. f2 eine parabolische Temperaturkennliaie aufweisen und mindestens indirekt mit einer ersten (a; B1) und einer zweiten (b; B2) Eingangsklemme des Umschaltgliedes (SI, S2; 5) verbunden sind, dessen Ausgangsklemme (c; B3), welche die Ausgangsklemme der genannten Quelle bildet, abwechselnd auf die erste und auf die zweite Klemme umgeschaltet wird mit Umschaltdauern (f1;f-in)» welche sich linear in Funktion der Temperatur ändern, um die genannte zusammengesetzte Frequenz an der genannten Ausgangsklemme zu erzeugen.

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ORJGlNAL /NSPECTED

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3. Frequenzquelle nach Anspruch 2, dadurch gekonnzeichnet, dass die beiden Schwinger v/om gleichen Typ sind, dass sie eine parabolische Temperaturkennlinie von identischer Kurvenfarm aufweisen, und dass sie sich lediglich durch die Temperaturdifferenz der Umkehrpunkte unterscheiden.
4. Frequenzquelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Verstärker (A1), cJurch zwei Schwinger (Q1, Q2), von denen ein gemeinsamer Punkt mit dem Eingang des Verstärkers verbunden ist, und durch ein Umschaltglied (S1) mit einer mit dem ersten Schwinger (Q1) verbundenen ersten Eingangsklemme (a), mit einer mit dem zweiten Schwinger (Q2) verbundenen zweiten Eingangsklemme (b) und mit einer mit dem Ausgang des genannten Verstärkers verbundenen Ausgansklemme (c), wobei das genannte Glied (S1) durch eine Steuereinrichtung (C1) gesteuert wird.
5. Frequenzquelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen durch einen Verstärker (A2) und einen Schwinger (0.1) gebildeten ersten Oszillator, durch einen durch einen Verstärker (A3) und einen Schwinger (Q2) gebildeten zweiten Oszillator, und durch ein Umschaltglied (S2) mit einer mit dem Ausgang des ersten Oszillators verbundenen ersten Eingangsklemme (a), mit einer mit dem Ausgang des zweiten Oszillators verbundenen zweiten Eingangsklemme (b) und mit einer Ausgangsklemme (c), wobei das genannte Glied (S2) durch eine Steuereinrichtung (C2) gesteuert wird.
6. Frequenzquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung eine durch ein periodisches Signal angesteuerte monostabile Schaltung (?) ist und ein linear von der Temperatur abhängiges Element (R(T); C(T)) aufweist, um Impulse abzugeben, deren Dauer (Ή) linear von der Temperatur abhängt·
7. Frequenzquelle nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen Sensor (8) mit linearer Temperaturabhängigkeit, der eine Spannung (u(T)) als Steuersignal für die monostabile Schaltung (7) liefert.

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8. Frequenzquelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (8) eine Platinsonde ist.
9. Frequenzquelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (B) mindestens ein aktiwes Halbleiterelement aufweist.
10. Frequenzquelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor

(θ) zur Verringerung des Speisestromes in regelmässigen Zeitabständen abgefragt wird, wobei der Idert von tri zwischen den Abfragen gespeichert wird.
11. Frequenzquelle nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Schaltung (10) zur Messung der Frequenzdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Signal, um ein Steuersignal an die monostabile Schaltung (?) zu liefern.

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