DE2936378A1

DE2936378A1 - Temp. compensating circuit for quartz crystal - applies discrete tuning volts to varactor diode at given temperature intervals

Info

Publication number: DE2936378A1
Application number: DE19792936378
Authority: DE
Inventors: Manfred 1000 Berlin Franke
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1979-09-08
Filing date: 1979-09-08
Publication date: 1981-03-26

Abstract

The compensating circuit compensates for frequency changes produced by changes in temp. at the quartz crystal (4) in the oscillator (3). A varactor diode (5) tunes the frequency of the crystal. The tuning voltage applied to the varactor does not change continuously with the temp. but in discrete steps at given temp. intervals. The tuning voltages are produced by a set of resistors (8-11) connected in parallel and forming one half of a voltage divider and connected to a selection switch (12). The selection switch connects each resistor to one supply pole and is controlled by the output of the temp. sensor (19). Alternatively, the tuning voltages may be produced by analog/digital and digital/analog converters.

Description

Vorrichtung zur Kompensation des Frequenz-Device for compensation of the frequency

Temperaturverlaufes eines Schwingquarzes Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Kompensation des Frequenz-Temperaturverlaufes eines Schwingquarzes nach der Gattung des Hauptanspruchs.Temperature profile of an oscillating quartz prior art The invention is based on a device for compensating the frequency-temperature curve a quartz crystal according to the preamble of the main claim.

Bei einer derartigen bekannten Vorrichtung wird die Frequenz des Schwingquarzes über eine Kapazitätsdiode so beeinflußt, daß der Temperaturkoeffizient des Schwingquarzes kompensiert wird. Die für diesen Zweck notwendige temperaturabhängige Steuergleichspannung für die Kapazitätsdiode wird von einer konstanten Spannungsquelle gewonnen, die ein Netzwerk aus nichtlinearen temperaturabhängigen und konstanten Widerständen speist. Diese bekannte Vorrichtung weist aber den Nachteil auf, daß Schwingquarz, Kapazitätsdiode, Widerstände und teniperaturabhängige Widerstände sorgfältig aufeinander abgestimmt sein müssen, um den gewünschten Kompensationseffekt über einen breiten Temperaturbereich zu erzielen. Eine Herstellung dieser Vorrichtung ist daher sehr zeitaufwendig, wodurch erhebliche Kosten entstehen.In such a known device, the frequency of the quartz oscillator influenced by a capacitance diode so that the temperature coefficient of the quartz oscillator is compensated. The temperature-dependent DC control voltage required for this purpose for the capacitance diode is obtained from a constant voltage source, the a network of non-linear temperature-dependent and constant resistances feeds. However, this known device has the disadvantage that quartz oscillators, Capacitance diode, resistors and teniperature-dependent resistances carefully on top of one another must be tuned to achieve the desired compensation effect over a wide range To achieve temperature range. Manufacture of this device is therefore very time-consuming, resulting in significant costs.

Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß sie kostengünstiger herzustellen ist, da der Herstellungsprozeß weitgehend automatisierbar ist. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung müssen im Gegensatz zur bekannten Vorrichtung Schwingquarz, Kapazitätsdiode, temperaturabhängige und temperaturkonstante Widerstände keine eng tolerierten Werte oder Charakteristiken aufweisen. Für den Abgleich der Vorrichtung ist nur ein Temperaturdurchgang notwendig, das heißt, die Frequenz mu3 nur einmal über den gesamten Temperaturbereich gemessen werden.Advantages of the invention The device according to the invention with the characterizing Features of the main claim has the advantage that it is cheaper is to be produced because the manufacturing process can be largely automated. at the device according to the invention must in contrast to the known device Quartz oscillator, capacitance diode, temperature-dependent and temperature-constant resistors do not have any closely tolerated values or characteristics. For the comparison of the Device, only one temperature pass is necessary, that is, the frequency mu3 can only be measured once over the entire temperature range.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Vorrichtung möglich. Besonders vorteilhaft ist, daß sich die Vorrichtung kompakt als Hybrid-, Dick-oder Dünnschichtschaltung aufbauen läßt. Weiterhin ist es möglich, die gesamte Vorrichtung in integrierter Bauweise herzustellen, was eine Anordnung auf nur einem Chip erlaubt.The measures listed in the subclaims are advantageous Developments and improvements of the device specified in the main claim possible. It is particularly advantageous that the device is compact as a hybrid, Thick or thin-film circuit can be built up. It is also possible to use the entire Device in an integrated design to produce what an arrangement on only one Chip allowed.

Zeichnung Drei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 die Änderung der Frequenz eines Schwingquarzes in Abhängigkeit von der Temperatur mit und ohne Kompensation, Fig. 2 eine erste schaltungsmäßige Ausgestaltung der Vorrichtung, Fig. 3 eine zweite schaltungsmäßige Ausgestaltung der Vorrichtung und Fig. 4 eine dritte schaltungsmäßige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.DRAWING Three exemplary embodiments of the device according to the invention are shown in the drawing and explained in more detail in the description below. 1 shows the change in the frequency of an oscillating crystal as a function of the temperature with and without compensation, FIG. 2 shows a first circuit Design of the device, FIG. 3 shows a second circuit design of the device and FIG. 4 shows a third circuit configuration of the invention Contraption.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele Die in Fig. 1 mit 1 bezeichnete Kurve der Änderung der Frequenz des Schwingquarzes in Abhängigkeit von der Temperatur ohne Kompensation gilt es durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zu kompensieren.DESCRIPTION OF THE EXEMPLARY EMBODIMENTS The one designated by 1 in FIG Curve of the change in the frequency of the quartz oscillator as a function of temperature without compensation, it is necessary to compensate by the device according to the invention.

In Fig. 2 ist eine Quarz-Oszillatorschaltung 3, bei der der mit 4 bezeichnete Schwingquarz getrennt gezeichnet ist, mit der Kathode einer Kapazitätsdiode 5 verbunden. Die Anode der Kapazitätsdiode 5 ist auf Masse geschaltet. Der Schwingquarz 4 ist über einen Tiefpaß 6 mit dem Knotenpunkt 7 verbunden. An den Knotenpunkt 7 sind ebenfalls die parallel liegenden Widerstände 8 bis 11 angeschlossen. Jeder der Widerstände 8 bis 11 ist mit seinem zweiten Anschluß über einen ihm zugeordneten, vorzugsweise elektronisch ausgebildeten Schalter 13 bis 16 einer Schaltanordnung 12 mit Masse verbunden. Uber den Widerstand 17 ist der Knotenpunkt 7 mit der Klemme 18, an der die Batteriespannung anliegt, verbunden. Der Temperaturfühler 19, der zum Beispiel als NTC-Widerstand ausgebildet sein kann, liegt mit seinem einen Anschluß an Masse und ist mit dem anderen Anschluß mit der Schaltanordnung 12 und über einen Widerstand 20 mit der Klemme 18 verbunden.In Fig. 2 is a quartz oscillator circuit 3, in which the 4 labeled quartz crystal is drawn separately, with the cathode of a capacitance diode 5 connected. The anode of the capacitance diode 5 is connected to ground. The quartz crystal 4 is connected to node 7 via a low-pass filter 6. At junction 7 the parallel resistors 8 to 11 are also connected. Everyone the resistors 8 to 11 is connected to its second connection via a preferably electronically designed switches 13 to 16 of a switching arrangement 12 connected to ground. The junction 7 is connected to the terminal via the resistor 17 18, to which the battery voltage is applied. The temperature sensor 19, the For example, it can be designed as an NTC resistor, has one connection to ground and is to the other terminal with the switching arrangement 12 and via a Resistor 20 connected to terminal 18.

Die Quarz-Oszillatorschaltung 3 zeichnet sich dadurch aus, daß sich die Frequenz des Schwingquarzes 4 über die mit ihm in Reihe liegende Kapazitätsdiode 5 je nach Höhe der angelegten Diodenvorspannung um einen gewissen Betrag ändern läßt. Da die Frequenz des Schwingquarzes 4 sich mit der Temperatur ändert, ist es möglich, diese Anderung durch eine von der Temperatur abhängige Nachstimmspannung, die am Knotenpunkt 7 liegt, zu kompensieren. Über den Temperaturfühler 19 wird zunächst eine von der Umgebungstemperatur abhängige Gleichspannung erzeugt und der Schaltanordnung 12, die als integrierter Schaltkreis ausgebildet sein kann, zugeführt. Bestimmten Gleichspannungsbereichen und damit bestimmten Temperaturbereichen ist jeweils ein Schalter der Schaltanordnung 12 zugeordnet, zum Beispiel ist im Temperaturbereich von - 200 C bis - 100 C der Schalter 13 oder in dem Temperaturbereich 700 C bis 800 C der Schalter 16 geschlossen. Bei der Herstellung der Vorrichtung haben zunächst die Widerstände 8 bis 11, die in Dick- oder Dünnschichttechnik ausgeführt sind, den gleichen Widerstandswert. Es wird ein bestimmter Temperaturbereich eingestellt, der durch den Temperaturfühler 19 in einen entsprechenden Spannungsbereich umgewandelt wird. Innerhalb dieses Spannungsbereiches ist ein bestimmter Schalter, zum Beispiel Schalter 13, geschlossen.The quartz oscillator circuit 3 is characterized in that the frequency of the quartz crystal 4 via the capacitance diode lying in series with it 5 change by a certain amount depending on the level of the applied diode bias leaves. Since the frequency of the quartz crystal 4 changes with temperature, it is possible, this change by a temperature-dependent retuning voltage, which is located at node 7 to compensate. About the temperature sensor 19 is first a DC voltage dependent on the ambient temperature is generated and the switching arrangement 12, which can be designed as an integrated circuit, supplied. Certain DC voltage ranges and thus certain temperature ranges a switch is assigned to the switching arrangement 12, for example in Temperature range from -200 C to -100 C of the switch 13 or in the temperature range 700 C to 800 C the switch 16 is closed. In the manufacture of the device initially have the resistors 8 to 11, which are made in thick or thin film technology are the same resistance value. A certain temperature range is set, which is converted by the temperature sensor 19 into a corresponding voltage range will. Within this voltage range is a certain switch, for example Switch 13, closed.

Gleichzeitig wird die Frequenz der Oszillatorschaltung gemessen.At the same time, the frequency of the oscillator circuit is measured.

Weicht die Frequenz von ihrem Sollwert ab, so wird die am Knotenpunkt 7 liegende Nachstimmspannung durch direkte änderung des Widerstandswertes des dem jeweiligen Schalter zugeordneten Widerstandes, in dem hier angegebenen Beispiel ist es Widerstand 11, solange geändert, bis die Frequenz ihren Sollwert erreicht hat. Die Änderung des Widerstandswertes wird mittels Laser, Sandstrahltrimmung oder anodischen Abgleichs durchgeführt. Der beschriebene Vorgang wird für jeden Temperaturbereich wiederholt. Danach ist die Kompensation fixiert, und es wird sich bei Anwendung der Oszillatorschaltung bei jeder Temperatur über die abgeglichenen Widerstände die zur Kompensation der Frequenzänderung nötige Nachstimmspannung an der Kapazitätsdiode 5 einstellen.If the frequency deviates from its nominal value, then that at the node 7 post-tuning voltage by direct change of the resistance value of the dem respective switch associated resistance, in the example given here it is resistor 11, changed until the frequency reaches its setpoint Has. The change in the resistance value is made by means of laser, sandblasting or trimming anodic adjustment carried out. The process described is carried out for each temperature range repeated. After that, the compensation is fixed and it will be applied when it is applied the oscillator circuit at any temperature via the balanced resistors the retuning voltage required to compensate for the frequency change on the capacitance diode 5 set.

Die resultierende Frequenz-Temperaturkurve der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in Fig. 1 Kurve 2 a dargestellt. Dabei'ist der interessierende Temperaturbereich in zehn Stufen aufgeteilt, das heißt, die Schaltanordnung 12 muß zehn Schalter beinhalten.The resulting frequency-temperature curve of the device according to the invention is shown in Fig. 1 curve 2a. This is the temperature range of interest divided into ten stages, that is, the switching arrangement 12 must contain ten switches.

Die Güte der Kompensation hängt von der Anzahl der Schalter der Schaltanordnung 12 ab. Wird zum Beispiel die Zahl der Schalter von zehn auf zwanzig erhöht, so ist eine wesentlich bessere Kompensation zu erreichen (Fig. 1 Kurve 2 b).The quality of the compensation depends on the number of switches in the switching arrangement 12 from. For example, if the number of switches is increased from ten to twenty, then is to achieve a much better compensation (Fig. 1 curve 2 b).

Eine verbesserte schaltungsmäßige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird in Fig. 3 gezeigt. Dabei werden für gleiche Bauteile die Bezugsziffern aus Fig. 2 übernommen. In der Ausgestaltung nach Fig. 3 sind die Widerstände 21 bis 24, die mit ihrem einen Anschluß am Knotenpunkt 7 liegen, nicht direkt mit den Schaltern der Schaltanordnung 12 verbunden, sondern zwischen Widerstände 21 bis 24 und Schaltanordnung 12 ist eine Diodenmatrix 28 geschaltet. Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden die Widerstände 21 bis 24, lie vorzugsweise untereinander gestaffelte Widerstandswerte lufweisen, über die Diodenmatrix 28 und den dem Temperaturbereich entsprechenden geschlossenen Schalter, zum Beispiel Schalter 25, parallel nach Masse geschaltet. Dadurch stellt sich über den Widerstand 17 eine verhältnismäßig niedrige Nachstimmspannung ein. Durch gezieltes Ausbrennen einer oder mehrerer Sicherungsstrecken der Diodenmatrix 28 läßt sich die Nachstimmspannung soweit erhöhen, daß die Frequenz des Schwingquarzes 4 innerhalb der geforderten Toleranzen liegt. Der Vorgang des Ausbrennens der Sicherungsstrecken der Diodenmatrix 28 wird für jeden Temperaturbereich wiederholt. Damit ist wiederum die Kompensation fixiert, und es kann bei jedem Temperaturbereich die erforderliche Nachstimmspannung über die Parallelschaltung der über die Diodenmatrix 28 angeschlossenen Widerstände 21 bis 24 immer wieder reproduziert werden. Der Feinheitsgrad der Kompensation wird von der Größe der Diodenmatrix 28 und damit auch von der Anzahl der Schalter der Schaltanordnung 12 bestimmt. Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist besonders für eine vollautomatische Fertigung geeignet.An improved circuit configuration of the invention Apparatus is shown in FIG. The reference numbers are used for the same components taken from FIG. In the embodiment according to FIG. 3, the resistors 21 are to 24, which are with their one connection at the node 7, not directly with the Switches of the switching arrangement 12 connected, but between resistors 21 to 24 and switching arrangement 12, a diode matrix 28 is connected. In the preparation of of the device according to the invention, the resistors 21 to 24 are preferably resistance values staggered with one another via the diode matrix 28 and the closed switch corresponding to the temperature range, for example a switch 25, connected in parallel to ground. As a result, a resistance 17 arises relatively low retuning voltage. By specifically burning out a or several fuse links of the diode matrix 28, the retuning voltage increase so far that the frequency of the quartz crystal 4 is within the required Tolerances. The process of burning out the fuse links in the diode matrix 28 is repeated for each temperature range. So again is the compensation fixed, and the required retuning voltage can be applied in every temperature range via the parallel connection of the resistors connected via the diode matrix 28 21 to 24 can be reproduced over and over again. The degree of fineness of the compensation will on the size of the diode matrix 28 and thus also on the number of switches of the Switching arrangement 12 is determined. The embodiment of Fig. 3 is particularly for fully automated production is suitable.

Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird in Fig. 4 gezeigt, in der wieder die Bezugszeichen für gleiche Bauteile beibehalten worden sind. Anstelle der Schaltanordnung 12 aus Fig. 2 und Fig. 3 ist hier ein Analog-Digital-Wandler 30 vorgesehen, wobei die Richtung der Umwandlung durch den Richtungspfeil 29 angedeutet ist. Dieser Analog-Digital-Wandler 30 gibt je nach temperaturabhängiger Eingangsspannung ein ebenfalls temperaturabhängiges binäres Ausgangssignal ab. Bei einem 5-bit-Wandler ergeben sich 32 mögliche Temperaturbereiche. Die Ausgänge des Analog-Digital-Wandlers 30 sind auf die Eingänge eines programmierbaren Festwertspeichers 31 bekannter Bauart angescnl~ssen, der zum Beispiel mit 32 Eingängen und acht binär codierten Ausgängen versehen ist. Zu jeder der 32 Eingangsinformationen, die je einem Temperaturbereich entsprechen, kann dem Ausgang 33 des Festwertspeichers 31 ein programmierbares binäres Ausgangsmuster fest zugeteilt werden. Die Programmierung des Ausgangsmusters erfolgt als einmaliger Programmiervorgang über die getrennten Programmiereingänge 32. Für die Programmierung wird die Frequenzabweichung der Oszillatorschaltung 3 beim Umschalten von einem Temperaturbereich in einen anderen mit einer Meßeinrichtung gemessen und die nötige Nachstimmspannung bestimmt, die in den Festwertspeicher 31 einprogrammiert wird und dem entsprechenden Eingangssignal zugeordnet wird. Die Ausgänge des Festwertspeichers 31 sind auf die Eingänge eines Digital-Analog-Wandlers 34 geschaltet, und der Ausgang des Digital-Analog-Wandlers 34 ist mit dem Ausgang des Tiefpasses 6 verbunden. In dem Digital-Analog-Wandler 34 wird das binäre Ausgangssignal des Festwertspeichers 31 wieder in eine analoge Gleichspannung zurückgewandelt, die als Nachstimmspannung auf die Kapazitätsdiode 5 wirkt. Es ist zweckmäßig, den Analog-Digital-Wandler 30 und die Schaltanordnung 12 in Fig. 2 und 3 so zu dimensionieren, daß der Übergang von einer zur anderen Schaltstellung mit einer kleinen Hysterese erfolgt, um ein ständiges Hin- und Herschalten bei einer länger anhaltenden Grenztemperatur zu vermeiden. Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist besonders für eine Vollintegration geeignet, bei der sich der Temperaturfühler 19, der Widerstand 20, der Analog-Digital-Wandler 30, der Festwertspeicher 31 und der Digital-Analog-Wandler 34 auf einem Chip vereinigen lassen.Another embodiment of the device according to the invention is in Fig. 4, in which the reference numerals for the same components are again retained have been. Instead of the switching arrangement 12 from FIGS. 2 and 3, a Analog-to-digital converter 30 is provided, the direction of conversion being determined by the Directional arrow 29 is indicated. This analog-to-digital converter 30 gives depending on the temperature-dependent input voltage, a temperature-dependent one as well binary output signal. With a 5-bit converter there are 32 possible temperature ranges. The outputs of the analog-to-digital converter 30 are programmed to the inputs of a Read-only memory 31 of known type, for example with 32 inputs and has eight binary coded outputs. For each of the 32 input information items, each of which corresponds to a temperature range can be output 33 of the read-only memory 31 a programmable binary output pattern can be permanently assigned. The programming of the output pattern takes place as a one-time programming process via the separate Programming inputs 32. The frequency deviation of the oscillator circuit is used for programming 3 when switching from one temperature range to another with a measuring device measured and the necessary retuning voltage determined, which is stored in the read-only memory 31 is programmed and assigned to the corresponding input signal. the The outputs of the read-only memory 31 are connected to the inputs of a digital-to-analog converter 34 switched, and the output of the digital-to-analog converter 34 is connected to the output of the low pass 6 connected. In the digital-to-analog converter 34, the binary output signal the read-only memory 31 is converted back into an analog DC voltage, which acts as a retuning voltage on the capacitance diode 5. It is convenient to use the To dimension the analog-digital converter 30 and the switching arrangement 12 in FIGS. 2 and 3 so that that the transition from one to the other switch position with a small hysteresis takes place to a constant switching back and forth at a longer lasting limit temperature to avoid. The exemplary embodiment according to FIG. 4 is particularly suitable for full integration suitable in which the temperature sensor 19, the resistor 20, the analog-to-digital converter 30, the read-only memory 31 and the digital-to-analog converter 34 combine on one chip permit.

Weiterhin ist vorteilhaft, daß sich feinere Abstufungen der Temperaturbereiche mit wenig äußeren Anschlüssen erreichen lassen.It is also advantageous that there are finer gradations of the temperature ranges can be achieved with few external connections.

Eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung der Kompensation, ohne die Anzahl der Frequenzbereiche zu erhöhen, bietet sich durch Halbierung der Frequenzauslenkung. Hierbei wird bei Beginn eines neuen Temperaturbereiches die Frequenz nicht auf Null getrimmt, sondern erhält eine Vorhaltung, die etwa der halben zu erwartenden Änderung entspricht.Another way to improve the compensation without the The number of frequency ranges can be increased by halving the frequency excursion. The frequency does not go to zero at the start of a new temperature range trimmed, but receives a provision that is about half the expected change is equivalent to.

Bei allen hier beschriebenen Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht der wesentliche Unterschied zu den bekannten Vorrichtungen in der Erzeugung der an der Kapazitätsdiode 5 anliegenden Nachstimmspannung. Sie ändert sich nicht kontinuierlich mit der Temperatur, sondern sprunghaft in jeweils definierten Temperaturabständen.In all of the exemplary embodiments of the invention described here Device is the main difference to the known devices in the generation of the retuning voltage applied to the varactor diode 5. She changes not continuously with the temperature, but by leaps and bounds in each case Temperature intervals.

Claims

Claims device for co-ensation of the frequency-temperature curve a quartz oscillator with an oscillator circuit containing the quartz oscillator and with a capacitance diode which is used to re-tune the frequency of the oscillator circuit, characterized in that means for generating an abrupt change in the Retuning voltage across the capacitance diode (5) as a function of the ambient temperature are provided.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the means a temperature sensor to generate a sudden change in the retiming voltage (19), a switching arrangement (12) and a resistor network (8 to 11, 21 to 24) have, depending on the electrical output from the temperature sensor (19) Size switches (13 to 16, 25 to 27) of the switching arrangement (12) address over the one or more resistors of the resistor network (8 to 11, 25 to 27) are controllable.

3. Apparatus according to claim 2, characterized in that between the switching arrangement (12) and the resistor network (8 to 11, 25 to 27) one Diode matrix (28) is connected, through which one or more parallel resistors of the resistor network (8 to 11, 25 to 27) are controllable.

4. Apparatus according to claim 3, characterized in that the resistors of the resistor network (8 to 11, 25 to 27) have staggered resistance values.

5. Apparatus according to claim 1, characterized in that the means a temperature sensor to generate a sudden change in the retuning voltage (19), an analog-to-digital converter (30) for converting the temperature from the temperature sensor (19) output analog electrical quantity into a binary quantity, a read-only memory (31) and a digital-to-analog converter (34) for converting the binary output variable of the read-only memory (31) in the analog retuning voltage.

6. Apparatus according to claim 5, characterized in that the Binary variable corresponding to the retuning voltage via the programming inputs (32) of the Read-only memory (31) are permanently programmed.