DE2934849A1 - Verfahren und vorrichtung zum kalibrieren eines kristallgesteuerten frequenzzaehlers - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum kalibrieren eines kristallgesteuerten frequenzzaehlers

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DE2934849A1 DE19792934849 DE2934849A DE2934849A1 DE 2934849 A1 DE2934849 A1 DE 2934849A1 DE 19792934849 DE19792934849 DE 19792934849 DE 2934849 A DE2934849 A DE 2934849A DE 2934849 A1 DE2934849 A1 DE 2934849A1
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    • H03M1/00—Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
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    • H03M1/1009—Calibration
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Description

Int. Az.: Case 1303 24. August 1979
Hewlett-Packard Company
VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM KALIBRIEREN EINES KRISTALLGESTEUERTEN FREQUENZZÄHLERS
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren oder eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein kristal!gesteuerter Frequenzzähler weist typischerweise einen piezoelektrischen Oszillator, einen digitalen Zähler, eine Ausgangsanzeige und passende Eingangs-, Ausgangs- und interne Interface-Schaltungen auf. In diesen Frequenzzählern gibt der piezoelektrische Oszillator den Zeitbasispuls für den Digitalzähler ab, wodurch die Periodendauer vorgegeben werden kann, während welcher die Frequenz eines zugeführten Signals gezählt wird. Die Genauigkeit des Meßergebnisses ist dabei abhängig von der Genauigkeit der Zeitbasisperiode, welche wiederum von der Genauigkeit des piezoelektrischen Oszillators abhängt.
In solchen piezoelektrischen Oszillatoren benutzte Kristanresonatoren werden typischerweise von Hand ausgewählt und bearbeitet, so daß ein Zeitbasissignal erhalten wird, das auf eine Einheit pro 10 genau ist. Diese Handarbeiten sind jedoch arbeitsintensiv und beinhalten das Sortieren, wiederholte Läppen und Polieren sowie andere Feinbearbeitungen des jeweiligen Kristalls, wenn die gewünschte Genauigkeit des Zeitbasissignals erhalten werden soll.
Zur weiteren Verbesserung der Genauigkeit weisen viele frequenzgesteuerte Frequenzzähler eine Heizkammer auf, in welcher
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sich der Kristall befindet. Mit einer solchen Heizkammer kann die Umgebungstemperatur des Kristalls auf einen schmalen Temperaturbereich eingeregelt werden. Durch Begrenzung des Betriebstemperaturbereichs des Kristalls können durch Temperaturänderung hervorgerufene Frequenzverschiebungen stark begrenzt werden, wodurch die Frequenzstabilität und damit auch die Genauigkeit des Zeitbasissignals verbessert werden. Durch Benutzung bekannter elektronischer Regeleinrichtungen für die Heizkammer kann die Genauigkeit der Resonatorfrequenz
auf eine Einheit pro 10 oder sogar noch etwas mehr verbessert werden.
Es wäre von Vorteil, wenn ein leicht zu kalibrierender Frequenzzähler mit einem serienmäßig produzierten Kristal!resonator verfügbar wäre. Kristal!resonatoren lassen sich gegenwärtig serienmäßig mit einer Frequenztoleranz von einem Prozent über einem breiten Temperaturbereich herstellen, wobei die Notwendigkeit des kostenaufwendigen Läppens, Polierens und anderer Handarbeiten bei jedem Kristall entfällt. Es wäre auch vorteilhaft, wenn ein solcher Frequenzzähler keine energie-intensive Heizkammer zur Aufrechterhaltung der Kristall temperatur auf einen schmalen Bereich benötigte.
Der vorliegenden Erfindung gemäß den nebengeordneten Ansprüchen liegt die Aufgabe zugrunde, einen derartigen Frequenzzähler zu schaffen.
Erfindungsgemäß ist die Selbstkalibrierung eines kristallgesteuerten Frequenzzählers möglich, ohne daß die Arbeitstemperatur des Zählers bekannt ist, um im internen Oszillator temperaturbedingte Frequenzverschiebungen zu kompensieren, und ohne daß eine Aufrechterhaltung der Arbeitstemperatur des Oszillatorkristalls innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbe-
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Int. Az.: Case 1303
reiches erforderlich ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der kristall gesteuerte Frequenzzähler dadurch kalibriert, daß dem Zählereingang ein Signal mit vorgegebener Frequenz und einer Genauigkeit um mindestens eine Größenordnung besser als die gewünschte Kalibrierungsgenauigkeit des Zählers zugeführt wird. Der Kalibrierbetrieb wird eingeleitet, wenn sich der Zähler in einem ausgewählten Temperaturbereich befindet, der den Temperaturbereich einschließt, in welchem der Zähler zum Messen unbekannter Frequenzen benutzt wird.
Sowohl im Kalibrierbetrieb als auch im Meßbetrieb erzeugt der interne Oszillator zwei voneinander unabhängige Frequenzsignale, von denen das eine eine Frequenz hat, die einzig und allein von der Arbeitstemperatur des Zählers abhängt. Das andere Frequenzsignal wird in beiden Betriebsarten als Zeitbasis benutzt, gegenüber der das ausgewählte Frequenzsignal bzw. die unbekannte Frequenz der Kalibrierung bzw. Messung bestimmt werden. Dieser gemessene Frequenzwert wird dann verarbeitet, wodurch der erforderliche Korrekturfaktor bei der jeweiligen Arbeitstemperatur des Zählers ermittelt wird, wenn er sich im Kalibrierbetrieb befindet bzw. wodurch das Meßergebnis mittels eines vorher gespeicherten normalisierten Korrekturfaktors für die jeweilige Arbeitstemperatur korrigiert wird, wenn sich der Zähler im Meßbetrieb befindet. Im Kalibrierbetrieb wird der gemessene Wert der zugeführten ausgewählten Frequenz algebraisch mit einem vorher gespeicherten Wert kombiniert, der äquivalent zur ausgewählten Frequenz des zugeführten Signals ist. Im weiter unten beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel ist diese algebraische Kombination eine Subtraktion. Der sich ergebende kombinierte bzw.
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Differenz-Wert repräsentiert den nötigen normalisierten Korrekturfaktor bei der jeweiligen Arbeitstemperatur des Zählers. Im Meßbetrieb wird der zuvor bestimmte und gespeicherte Korrekturfaktor für die dann herrschende Arbeitstemperatur abgerufen und algebraisch zum gemessenen Wert der unbekannten Frequenz hinzugefügt, um diesen Wert entsprechend der temperaturinduzierten Fehler zu korrigieren. Die Frequenz des einen der intern erzeugten Signale wird gemessen, und dieser Wert wird zu einer Hinweismarke (Pointer) bzw. einer Adresse für den Speicherplatz, wo der Korrekturfaktor beim Meßbetrieb gespeichert ist, bzw. beim Kalibrierbetrieb gespeichert werden soll, wobei diese Adresse bezüglich der Temperatur des Zählers eindeutig ist. Zur Vervollständigung der Kalibrierung des Zählers werden die genannten Kalibrierungsschritte bei weiteren Temperaturen wiederholt.
Vorteilhafte Ausführungsformen bzw. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen
Figur 1 ein Blockschaltbild eines selbstkalibrierenden kristallgesteuerten Frequenzzählers;
Figuren 2a und b Blockschaltbilder von zwei verschiedenen Kristallresonator-Konf i gu rat ionen mit zwei Schwingungsarten; und
Figur 3 eine graphische Darstellung der Frequenzabweichung in Abhängigkeit von der Temperatur für die Frequenzen eines
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Int. Az.: Case 1303
Quarzkristalls im B- und C-Schwingungsbetrieb mit einer (yxwl)-Orientierung von 21,93°/33,93°.
In Figur 1 ist mit 10 ein selbstkalibrierender kristallgesteuerter Frequenzzähler dargestellt. Der Frequenzzähler 10 enthält einen Kristall resonator 12, einen Zwei-Betrieb-Oszillator 14, einen Hauptzähler 16, einen Referenzzähler 18, einen Mikrorechner 20, eine Programmsteuereinheit 22, einen Langzeitspeicher 24, eine Anzeigeeinheit 26 und einen Kalibrierungs-Druckknopf 28. Der Frequenzzähler 10 hat zwei Betriebsweisen: den Frequenzmeßbetrieb und den Kalibrierbetrieb.
Alle notwendigen Programmschritte und Algorithmen für die beiden Betriebsarten des Mikrorechners 20 sind in der Programmsteuereinheit 22 gespeichert. Bei Netzanschluß des gesamten Frequenzzählers 10, oder nachdem der Kalibrierbetrieb beendet ist, wie weiter unten beschrieben wird, werden die Programmschritte und Algorithmen für den Frequenzmeßbetrieb automatisch über eine Leitung 40 von der Programmsteuereinheit 22 zum Mikrorechner 20 transferiert. Wenn andererseits die Bedienungsperson den Kalibrierungsdruckknopf 28 drückt, um den Kalibrierbetrieb einzuleiten, wird der Mikrorechner automatisch mit den Programmschritten und Algorithmen für diese Betriebsart von der Programmsteuereinheit 22 umprogrammiert.
Der Frequenzmeßbetrieb ist der Normal betrieb des Frequenzzählers 10. In dieser Betriebsart kann einerEingangssignalleitung 30 ein Signal unbekannter Frequenz zugeführt werden, mit der kalibrierten Genauigkeit des Frequenzzählers 10 gemessen werden und auf der Anzeige 26 als Meßfrequenz erscheinen.
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Zur Durchführung dieser Messung erzeugt der Kristall resonator 12 mindestens zwei verschiedene Frequenzsignale mittels eines einzigen Kristalls oder eines Kristallpaars (siehe Figuren 2a und 2b und die weiter unten folgende entsprechende Beschreibung). Die vom Resonator 12 erzeugten Signale werden dann dem Zwei-Betriebsarten-Oszillator 14 zugeführt, wo sie so verarbeitet werden, daß ein relativ temperaturstabiles Signal f.. entsteht. Der Oszillator 14 kombiniert auch algebraisch die beiden Signale vom Resonator 12 und bildet daraus ein Signal f', welches eine Frequenz hat, die eindeutig der Betriebstemperatur des Kristal!resonators 12 zugeordnet ist.
Das Signal f. wird dem Zeitbasiseingang des Hauptzählers 16 zugeführt, und die Frequenz des Eingangssignals an der Eingangsleitung 30 wird in Bezug auf das erstere Signal gemessen. Der gemessene Frequenzwert wird dann in ein Signal codiert, welches über eine Leitung 34 in den Mikrorechner 20 transferiert wird. Bei der Messung der Frequenz des Eingangssignals in Bezug auf f. (dem ein von temperaturinduzierten Frequenzänderungen des Kristal!resonators 12 herrührender Fehler innewohnen kann) ergibt sich ein möglicher Fehler bei der gemessenen Frequenz des Eingangssignals.
Das Signal f wird seinerseits dem Referenzzähler 18 über eine Leitung 36 zugeführt. Die Frequenz von f' wird mittels des Referenzzählers 18 gegenüber einem Zeitbasissignal gemessen, welches vorzugsweise das Signal f. ist. Der Referenzzähler 18 erzeugt seinerseits ein Ausgangssigna!, das mit der gemessenen Frequenz von f' codiert ist. Dieses Signal wird dem Mikrorechner 20 über eine Leitung 38 zugeführt. Das mit dem Frequenzwert von f codierte Signal ist der Temperatur des Kristall- resonators 12 eindeutig zugeordnet. Das Signal auf Leitung 38
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erweist sich also als ein temperaturinduziertes Fehlerreferenzsignal zur Festlegung des Korrekturfaktors für den gemessenen Wert des Eingangssignals.
Der Mikrorechner 20, der wie oben beschrieben programmiert wurde, benutzt das Fehler-Referenzsignal auf Leitung 38 als eine Hinweismarke auf einen Korrekturfaktor-Speicherplatz im Langzeitspeicher 24. Dieser Korrekturfaktor, der im Langzeitspeicher 24 während eines vorhergehenden Kalibrierbetriebs (siehe weiter unten) des Frequenzzählers 10 gespeichert wurde, repräsentiert den Faktor, der nötig ist, um den gemessenen Frequenzwert des unbekannten Eingangssignals bezüglich des Fehlers zu korrigieren, der sich durch die temperaturinduzierten Verschiebungen des dem Hauptzähler 16 zugeführten Zeitbasissignals f. ergibt.
Wenn der gemessene Frequenzwert vom f des Fehlerreferenzsignals, der gleiche "wie einer der Hinweismarken oder Datenadressen des Langzeitspeichers 24 ist, wird der an diesem Speicherplatz befindliche Korrekturfaktor über eine Leitung 42 zum Mikrorechner 20 transferiert. Der Wert von f' kann sich zwischen zwei Datenadressen des Langzeitspeichers 24 befinden. Wenn dies der Fall ist, werden die Korrekturfaktoren zum Mikrorechner 20 transferiert, die bei Datenadressen gespeichert sind, deren Werte unmittelbar über-und unterhalb des Wertes von f liegen. Im Mikrorechner 20 wird dann eine bereits gespeicherte Interpolationsroutine (die so gewählt ist, daß sie der tatsächlichen Veränderung der Korrekturfaktoren zwischen den zwei interessierenden Datenadressen möglichst genau folgt) benutzt, um den Wert des Korrekturfaktors zu ermitteln, der dieser"Zwischendatenadresse" zugeordnet ist. Die Interpolationsroutine kann eine der verschiedenen bekannten Routinen sein, z.B. eine lineare Routine
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oder eine Kurvenanpassungsroutine, die auf einem Polynom für die temperaturinduzierte Frequenzänderung eines Kristalls beruht, z.B. Sf = A+BfD+BfD 2+DfD 3+..., wobei fD der Frequenzwert
D D D D
des B-Betriebes bei der Arbeitstemperatur des Kristalls und A, B, C, D... die Frequenz-Temperaturkoeffizienten der nullten, ersten, zweiten, dritten,... Ordnung des benutzten Kristalls sind. Die Frequenz-Temperaturkoeffizienten des Kristalls werden bei der Herstellung gemessen und in den Mikrorechner 20 bzw. die Programmsteuereinheit 22 einprogrammiert.
Nachdem der richtige Korrekturfaktor ermittelt ist, führt der Mikrorechner 20 mittels eines zweiten Algorithmus diesen Korrekturfaktor dem gemessenen Frequenzwert zu und rechnet algebraisch einen genauen Meßwert der unbekannten Frequenz innerhalb der gewünschten Meßgenauigkeit aus. Ist z.B. der Korrekturfaktor ein multiplikativer Faktor, braucht der gemessene Frequenzwert des unbekannten Signals nur mit dem Korrekturfaktor multipliziert zu werden, um den richtigen Frequenzwert innerhalb der kalibrierten Genauigkeit des Systems zu erhalten. Ein mit dem korrigierten Wert der gemessenen Frequenz des Eingangssignals codiertes Signal wird dann über eine Leitung 44 zur Anzeigeeinheit 26 transferiert. Die Anzeigeeinheit 26 decodiert den Wert und zeigt ihn für die Bedienungsperson des Gerätes an. Die Anzeigeeinheit 26 kann selbstverständlich auch durch eine der vielen Interface-Ausgangsschaltungen (z.B. IEEE-Standard 488-1975) ersetzt werden, so daß der Meßwert automatisch in ein computergesteuertes Testsystem einen Drucker usw. eingegeben werden könnte.
Die zweite Betriebsart des Frequenzzählers 10 ist der Selbstkalibrierbetrieb. Der erste Schritt bei der Kalibrierung des Frequenzzählers 10 besteht darin, daß der gesamte Frequenz-
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zähler in eine Umgebung mit variabler Temperatur gebracht wird, wobei die Temperatur (eventuell unter Programmsteuerung) sich mindestens über den Temperaturbereich ändert, in welchem das Instrument zur Messung von Signalen unbekannter Frequenz benutzt werden soll. Die Umgebung mit variabler Temperatur kann auf verschiedenen Wegen erreicht werden. Zum Beispiel kann der Frequenzzähler bei Raumtemperatur stehen gelassen werden oder aber in einen Heizraum mit programmierbar variabler Temperatur gestellt werden, wo die Temperatur sich über den gewünschten Bereich ändert. Wie weiter unten noch erläutert wird, wird eine größere Kalibriergenauigkeit dadurch erreicht, daß die Kalibrierperiode verlängert wird oder daß der Bereich der Temperaturänderungen während der Kalibrierperiode verkleinert wird.
Der zweite für die Kalbrierung des Frequenzzählers 10 nötige Schritt besteht für die Bedienungsperson darin, den Kalibrierknopf 28 zu drücken. Die Betätigung des Knopfes 28 bewirkt, daß die Kalibrierungsalgorithmen von der Programmsteuereinheit in den Mikrorechner 20 eingelesen werden. Außerdem muß an die Signaleingangsleitung 30 eine genaue Frequenzquelle angelegt werden. Die Frequenz dieser Quelle ist so gewählt, daß sie dem Frequenzwert entspricht, auf den der Mikrorechner 20 zum Empfang während des Kalibrierbetriebs programmiert ist. Diese Frequenz kann z.B. 10 MHz betragen, kann im Prinzip aber auch jede andere Frequenz sein, z.B. auch die Netzfrequenz. Die Netzfrequenz ist zwar kurzzeitig nicht besonders stabil, hat aber eine ausgezeichnete Langzeitstabilität, da sie täglich korrigiert wird, und ist somit z.B. über die Dauer eines Jahres extrem genau. Die benutzte Frequenzquelle könnte z.B. auch ein Wasserstoff-Maser sein oder ein andere Quelle, die mindestens um eine Größenordnung genauer als die Meßgenauigkeit des Frequenzzählers ist.
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Der Betrieb des Frequenzzählers 10 im Kalibrierbetrieb ist sehr ähnlich dem Betrieb bei der Frequenzmessung. Im Kalibrierbetrieb arbeiten der Kristall resonator 12 und der Zwei-Betriebsarten-Oszillator 14 wie im Frequenzmeßbetrieb. Das gleiche gilt für den Referenzzähler 18. In dieser Betriebsart mißt der Hauptzähler 16 die Frequenz des genauen Eingangssignals, wobei f, als Zeitbasis über die Leitung 32 vom Oszillator 14 benutzt wird. Der gemessene Frequenzwert der genauen Frequenzquelle wird dann über die Leitung 34 zum Mikrorechner 20 transferiert. Das gleicht gilt für das Fehlerreferenzsignal vom Referenzzähler 18 über die Leitung 38. Der Mikrorechner 20 ist so programmiert, daß er diese beiden Eingänge in diskreten Intervallen abtastet. Da der Mikrorechner 20 für den Empfang eines Signals auf der Leitung 34 vorprogrammiert ist, welches der ausgewählten Frequenz entspricht, muß der genaue Frequenzgenerator eine Frequenz haben, die zu dieser ausgewählten Frequenz paßt. Wenn der Mikrorechner 20 den gemessenen Frequenzwert des genauen Frequenzsignals auf der Leitung 34 empfängt, kombiniert er ihn algebraisch mit dem programmierten Frequenzwert und erzeugt ein Signal, das den Fehler repräsentiert, der durch die jeweilige Arbeitstemperatur des Kristall resonators 12 in das Zeitbasissignal f. eingeführt wird. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht die algebraische Kombination dieser Signale in einer Subtraktion, wodurch ein normalisiertes Differenzsignal erzeugt wird. Dieses Differenzsignal wird dann in einen multiplikativen Korrekturfaktor umgewandelt, der über die Leitung 42 im Langzeitspeicher 24 an einem Platz gespeichert wird, für den das Fehlerreferenzsignal als Hinweismarke dient, welches während derselben Abtastung empfangen wurde. Dieser Kalibrierungsprozess setzt sich mit der vorprogrammierten Abtastgeschwindigkeit fort, bis die Bedienungsperson den Kalibrierbetrieb durch ein zweites Drücken des Kalibrierknopfes 28 beendet, bis eine vorgewählte Anzahl von Abtastpunkten aufgenommen worden ist oder bis ein vorgegebenes Zeitintervall abgelaufen ist. Bei diesem Verfahren zur Kalibrierung des Zählers 10 ist es nicht nötig, zu wissen,
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bei welcher Temperatur der Kristall resonator 12 arbeitet, da das Fehlerreferenzsignal diese Temperatur repräsentiert und der entsprechende in diesem Speicherplatz gespeicherte Korrekturfaktor gleichzeitig damit erzeugt wurde.
Wenn daher die Umgebungstemperatur des Frequenzzählers 10 während des Kalibrierbetriebs sich sehr langsam ändert, werden Korrekturfaktoren für nahe beieinanderliegende Temperaturen des Kristanresonators 12 erzeugt. Sind andererseits die Temperaturänderungen zwischen den Abtastzeitpunkten größer, sind die sich daraus ergebenden Korrekturfaktoren bezüglich der Temperatur des Kristallresonators 12 weiter beabstandet. Diese Situation kann dadurch verbessert werden, daß der Kalibrierbetrieb über eine längere Zeitperiode fortgesetzt wird, wobei der Temperaturbereich soweit nötig ein- bzw. mehrfach durchlaufen wird oder dadurch, daß die Abtastgeschwindigkeit erhöht wird. Je geringer der Abstand zwischen den einzelnen Temperaturpunkten ist, desto genauer ist der Frequenzzähler 10 kalibriert. Die Interpolationsroutine wird dann weniger oft benutzt, so daß eine größere Genauigkeit entsteht.
Figuren 2A und 2B zeigen zwei typische Anordnungen für den Kristallresonator 12 und den Zwei-Betriebsarten-Oszillator 14. Die Anordnung gemäß Figur 2A enthält einen Kristallresonator 12 mit einem einzelnen Kristall, einen Zwei-Betriebsarten-Oszillator 14 mit einem Verstärker 46 zur Stimulation des Kristall resonators 12 mit zwei Frequenzen, Filter 48 und 50 zur Trennung der beiden Frequenzen voneinander, sowie einen Mischer 52 zur algebraischen Kombination der Frequenzen f. und fp zur Bildung einer dritten Frequenz f, die der Temperatur des Kristall resonators 12 eindeutig zugeordnet ist.
In Figur 2B ist ein Kristallresonator 12 mit zwei Kristallen für die Erzeugung der beiden Frequenzen f, und f? dargestellt·
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Der Zwei-Betriebsarten-Oszillator 14 enthält in diesem Ausführungsbeispiel ein Paar von kristall gesteuerten Oszillatoren 54 und 56 zur Anregung der einzelnen Kristalle des Kristal!resonators 12 zur Erzeugung der Frequenzen f. bzw. f~. Desweiteren ist ein Mischer 52 vorhanden, der zur algebraischen Kombination der Frequenzen f. und f dient und eine dritte Frequenz f erzeugt, die der Temperatur des Kristal!resonators 12 eindeutig zugeordnet ist.
Der Kristall bzw. die Kristalle, die im Kristall resonator benutzt werden, können aus einem der bekannten kristallinen Materialien, z.B. Quarz, bestehen, welches in einer der bekannten temperaturkompensierten Orientierungen geschnitten ist (Resonator 12 in Figur 2B) oder welches in einem der doppelt gedrehten Schnitte, z.B. FC, IT, RT, SC, TS oder TTC hergestellt ist (Zwei-Frequenz-Resonator 12 in Figur 2A). Bei der in Figur 2A dargestellten Konfiguration sind die einzelnen Kristalle dicht beieinander angeordnet, so daß sie im wesentlichen bei der gleichen Temperatur arbeiten.
Die bevorzugte Ausführungsform ist die der Figur 2A, wo der Resonator ein Quarzkristall im TTC-Schnitt enthält, der von Natur aus sowohl für statische als auch für dynamische Temperaturänderungen kompensiert ist. Die TTC-Schnittorientierung ist im wesentlichen gleich (yxwl) 21,93°/33,93°. Die sich dann bei Anregung des Kristalls in seinem schnellen Scherungs- bzw. B-Betrieb und in seinem langsamen Scherungs- bzw. C-Betrieb ergebenden Abhängigkeiten der Frequenzen von der Temperatur sind in Figur 3 dargestellt. Diese Temperatur/ Frequenz-Kurven zeigen, daß die Frequenzabweichung in dem dargestellten 70°-Bereich für den B-Betrieb überwiegend linear und für den C-Betrieb überwiegend dritter Ordnung ist. Diese Frequenzabweichungen betragen annähernd 1900 PPM für den B-
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Betrieb und 25 PPM für den C-Betrieb.
In einem Kristall resonator dieses Typs kann die Frequenzabweichung im B-Betrieb benutzt werden, um die Plattentemperatur des Kristalls zu messen und damit ein Mittel bereitzustellen, durch welches Fehler korrigiert werden können, die durch die Temperaturempfindlichkeit im C-Betrieb entstehen, wobei die Frequenz des C-Betriebs als Zeitbasis des Frequenzzählers 10 dient. Das Signal f. in Figuren 1 und 2 könnte daher die Frequenz des C-Betriebs haben, während f' entweder f? des B-Betriebs oder eine algebraische Kombination von f. und f~, z.B. deren Differenz sein könnte, wobei das Differenzfrequenzsignal der Temperatur auch eindeutig zugeordnet wäre. Das Differenzfrequenzsignal eignet sich deshalb besonders gut für f, da es eine niedrigere Frequenz als f~ hat, wodurch weniger Schaltelemente im Referenzzähler 18 erforderlich sind, was wiederum die Kosten reduziert. Eine eingehendere Diskussion des TTC-Kristalls findet sich z.B. in der US-PS 4 079 280.
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Leerseite

Claims (14)

  1. Hewlett-Packard Company
    Int. Az.: Case 1303 24. August 1979
    293484S
    PATENTANSPRÜCHE
    Verfahren zum Kalibrieren eines kristall gesteuerten Fre- ~~ quenzzählers, dadurch gekennzeichnet, daß
    a) dem Frequenzzähler ein Signal mit vorgegebener Frequenz zugeführt wird;
    b) der Kalibrierbetrieb des Frequenzzählers eingeleitet wird;
    c) die Umgebungstemperatur des Frequenzzählers über einen ausgewählten Bereich verändert wird;
    d) ein erstes und ein zweites davon getrenntes Frequenzsignal erzeugt werden, von denen die eine Frequenz der Arbeitstemperatur des Frequenzzählers eindeutig zugeordnet ist;
    e) die Frequenz des Signals gemäß a) gemessen wird, wobei das andere der beiden Frequenzsignale als Zeitbasissignal dient;
    f) die Frequenz des anderen Frequenzsignals gemessen wird;
    g) die gemessene Frequenz gemäß e) algebraisch mit einem vorgespeicherten Wert kombiniert wird, der äquivalent zum vorgewählten Frequenzwert des Signals gemäß a) ist, wobei der berechnete Wert repräsentativ für einen Frequenzkorrekturfaktor ist zur Korrektur von Fehlern, die im kristall gesteuerten Frequenzzähler bei der jeweiligen Arbeitstemperatur entstehen;
    h) aus dem berechneten Wert gemäß g) der Korrekturfaktor berechnet und an einem Speicherplatz gespeichert wird, der durch den gemessenen Frequenzwert gemäß f) als Hinweismarke angegeben wird; und
    i) die Schritte g) und h) in vorgegebenen Zeitabständen wiederholt werden, so daß ein Satz von Korrekturfaktoren und entsprechenden Speicherplatz-Hinweismarken über den ausgewählten Temperaturbereich gemäß c) erzeugt wird.
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    Hewlett-Packard Company
    Int. Az.: Case 1303 - 2 -
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal mit der vorgegebenen Frequenz um mindestens eine Größenordnung genauer ist als die gewünschte Meßgenauigkeit, für die der Frequenzzähler kalibriert werden soll.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene Temperaturbereich den Temperaturbereich einschließt, in welchem der Frequenzzähler nach abgeschlossener Kalibrierung benutzt werden soll.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die algebraische Kombination der zwei Frequenzwerte eine Differenzbildung dieser Werte ist.
  5. 5. Vorrichtung zur Frequenzmessung, gekennzeichnet durch eine Betriebsarten-Wähleinrichtung (20, 28) zur Umschaltung zwischen einem Meßbetrieb und einem Selbstkalibrierbetrieb;
    eine Kristallresonator-Einrichtung (12) zur Erzeugung eines ersten und eines zweiten Frequenzsignals (f., f?); eine Zähleinrichtung (16) zur Messung der Frequenz eines dem Frequenzzähler (10) zugeführten Signales, wobei das erste bzw. zweite Frequenzsignal das Zeitbasissignal ist, und zur Erzeugung eines dritten Signales, das mit einem Wert codiert ist, der repräsentativ für die gemessene Frequenz des zugeführten Signals ist, zur Messung der Frequenz des anderen der beiden Frequenzsignale und zur Erzeugung eines vierten Signals, das mit einem Wert codiert ist, der der Frequenz des anderen der beiden Frequenzsignale entspricht, wobei das zugeführte Signal beim Meßbetrieb eine zu messende unbekannte Frequenz hat und beim Selbstkalibrierbetrieb eine vorgegebene Frequenz hat; und
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    Hewlett-Packard Company
    Int. Az.: Case 1303 " 3 "
    eine Prozessoreinrichtung (20), die im Meßbetrieb den codierten Frequenzwert des dritten Signals in Bezug auf temperaturinduzierte Meßfehler dadurch korrigiert, daß sie den codierten Frequenzwert des vierten Signals als Hinweismarke für einen an einem vorgegebenen Speicherplatz gespeicherten Korrekturfaktor für die jeweilige Arbeitstemperatur des Meßgerätes benutzt und ein fünftes Signal erzeugt, das mit dem korrigierten Frequenzwert des zugeführten Signals codiert ist, und die im Selbstkalibrierbetrieb die Differenz zwischen dem codierten Frequenzwert des dritten Signals und einem vorgespeicherten Wert berechnet, der als äquivalent für die vorgegebene Frequenz des dem Meßgerät zugeführten Signals ausgewählt wurde, um daraus einen Korrekturfaktor zu bilden, wobei der codierte Frequenzwert des vierten Signals als Hinweismarke für ein Speicherplatz benutzt wird, wo der berechnete Korrekturfaktor für die jeweilige Arbeitstemperatur gespeichert werden soll.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das andere der beiden Frequenzsignale (f., f ) in seiner Frequenz eindeutig der Arbeitstemperatur des Meßgerätes zugeordnet ist.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Anzeigeeinrichtung (26), die den korrigierten Frequenzwert im fünften Signal decodiert und seinen numerischen Wert anzeigt.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das der Vorrichtung während des Kalibrierbetriebs zugeführte Signal um mindestens eine Größenordnung genauer als die Meßgenauigkeit ist, auf die die Vorrichtung kalibriert werden soll.
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    Hewlett-Packard Company
    Int. Az.: Case 1303 - 4 -
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Mikrorechner (20) zur Verarbeitung der codierten Werte des dritten und vierten Signals, eine Programmsteuerung (22) zum Speichern und Transferieren der Steuerfunktionen für den Mikrorechner im Meßbetrieb und im Kalibrierbetrieb, sowie eine Korrekturfaktoreinrichtung (24) zum Speichern der während des Kalibrierbetriebs festgelegten Korrekturfaktoren und zum Transferieren dieser Faktoren zum Mikrorechner während des Meßbetriebs.
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturfaktoreinrichtung (24) einen Langzeitspeicher aufweist, der die gespeicherten Korrekturfaktoren aufrechterhält, wenn die Stromversorgung abgeschaltet wird.
  11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristal!resonator (12) zwei Schwingkristalle enthält, die so geschnitten sind, daß sie verschiedene Frequenzen erzeugen.
  12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristallresonator (12)einen doppelt gedrehten Kristall enthält, der in mindestens zwei verschiedenen Schwingungsformen angeregt werden kann.
  13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall ein Quarzkristall mit einer kristallographischen TTC-Orientierung ist.
    030020/OBBO
    Hewlett-Packard Company
    Int. Az.: Case 1303 - 5 -
  14. 14. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzei c hn e t , daß die Prozessoreinrichtung (20) im Meßbetrieb zwischen den Korrekturfaktoren interpoliert, die an Speicherplätzen stehen, deren Adressen die beiden nächsten Werte zum codierten Wert des vierten Signals darstellen, wenn sich an der dem codierten Wert des vierten Signals entsprechenden Speicheradresse kein vorgespeicherter Korrekturfaktor befindet.
    030020/OBSQ
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