DE3014093A1 - Quarzoszillator mit hoher frequenzkonstanz und geringem strombedarf fuer einfache serienfertigung - Google Patents

Description

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• - Quarzoszillator mit hoher Frequenzkonstanz und geringem Strombedarf fUr einfache Serienfertigung - (Blatt 1 - 9) Quarzoszillator mit hoher Freauenzkonstanz und geringem Strombedarf für einfache Serienfertigung 1. Anwendungsbereich der Erfindung Die Erfindung betrifft einen Quarzoszillator hoher Frequenzkonstanz.
• Oszillatoren hoher Frequenzkonstanz werden in vielen Bereichen der Elektronik und Nachrichtentechnik benötigt - z.B. zur Messung von Frequenzen und Zeiten, als Referenz~ und Kanaloszillator in Nachrichtengeröten.
• Ein besonders dringender Bedarf besteht an zusätzlichen Frequenz kanälen bei Fukdiensten im VHF-, UHF- und GHz-3ereich.
• Dieser zusätzliche Bedarf kann nur durch Verkleinerung der Kanalabstände abgedeckt werden. Voraussetzung hierfür ist ein Quarzoszillator hoher Frequenzkonstanz und geringer Stromaufnahme, der mit reproduzierbaren Daten in Großserienfertigung einfach her- Quarzosillator mit hoher Frequenzkonstanz und geringem Strombedarf Blatt - 2 -zustellen ist.
• Ein derartiger Oszillator ist Gegenstand der Erfindung.
• 2. Stand der Technik Jeder Quarzoszillator hat eine temperaturabhängige Freguenzabloge.
• Sie setzt sich zusammen 1. aus der temperaturbedingten Frequenzablage des Quarzes, im Idealfall nach der Formel wobei in der Praxis erhebliche, mathematisch nicht erfaßbare Abweichungen von der theoretischen Kurve auftreten können, 2. aus dem ebenfalls temperaturobhhngigen Einfluß des Oszillators auf die Frequenz, der sich aus dem Temperaturgang sowohl der elektrischen Bauelemente als auch der mechanischen Ausdehnung von Bauelementen und Gehäuse zusammensetzt.
• Hierzu kommt noch die Alterung.
• Sie setzt sich zusam;nen 1. aus der Alterung des Quarzes, bei der sich die Frequenzönderung etwa gesetzmößig erfassen läßt, und 2. aus der Alterung der Bauelemente des Oszillators, die zu einer nicht erfaßbaren Änderung der Frequenz und sogar des Temperatur frequenzgangs des ganzen Oszillators führen können.
• Um die Frequenzabweichung von Quarz und Oszillatorschaltung möglichst klein zu halten, verwendet man bisher 1. Thermostate 2. temperaturabhdngige Anpaßnetzwerke aus Blind und temperaturabhängigen Wirkwiderstönden, die den Temperaturgang kompensieren (icxo).
• Quarzoszillator mit hoher Frequenzkonstanz und geringen Strombedarf Blatt - 3 -Nachteil von Thermostaten-Oszillatoren sind der hohe Stromverbrauch, der ihre Anwendung fUr stromsparende, insbesondere tragbare Gercie verbietet, sowie die Einlaufzeit bis zum Erreichen des Temperaturgleichgewichts. Um diese Einlaufzeit zu ungehen, man die Thermostatenheizung bei sonst ausaeschaltetem Gerät soaar oft weiterlaufen.
• Nachteile des TCXO's sind 1. daß bei vernünftigem Aufwand eine Genauigkeit bestenfalls on 1 x 1ß-6 bei engen Temperaturbereichen, von etwa 2 x 10-6 bei weiteren Temperaturbereicnen erzielbar sind, 2. daß der Quarz selbst mit geringstmöglicher Temperaturtoleranz geschliffen werden muß, 3. daß jedes Kompensationsnetzwerk individuell nach dem vorher gemessenen Temperatur-Frequenzgang des noch unkompensierten Oszillators dimensioniert werden muß, wobei die Dimensionierungsregel für das Kompensationsnetzwerk nach abhängig ist von der Art des Quarzes (AT-Schnitt usw.) und der Quarzfrequenz, 4. daß das Kompensationsnetzwerk selbst aus toleranzbehafteten Wirk-und Blindwiderstunden besteht, 5. daß der Frequenz-Temperaturgang des fertig kompensierten Oszillators noch einmal gemessen und die Kompensationsschaltung nicht selten in einem zweiten Durchgang durch Auswechseln von Bauelementen nochmals optimiert werden muß, 6. daß nicht nur Quarz- und Oszillator, sondern ciuch Kompensationsschaltung einer Alterung unterworfen sind, so daß in regelmäßigen Zeitabständen nicht nur eine alterungsbedingte Frequenzablage durch einen Trimmer oder eine zusätzliche Kapazitdtsdiode ausgeglichen werden mUssen, sondern die alterungsbedingte Änderung des Temperatulfrequenzgangs eine Neudimensionierung des Netzwerkes nötig macht.
• Quarzoszillator mit hoher Frequenzkonstanz und geringen Strombedarf Blatt - X -3. Gegenstand der Erfindung Gegenstand der Erfindung ist ein Ouarzoszillator hoher Frequenzkonstanz, bei dem die temperaturabhähgige Frequenzablage über einen spannungsabhengigen Blindwiderstand mittels einer Abstimmspannung bis auf einen vorgegebenen Restfehler auf Ablace 0 nachgestimmt wird.
• Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Betriebstemperatur i.n Temperaturintervalle untertelit wird und für jedes Temperaturintervall in einem digitalen Speicher eine Abstimmspannung jener Größe gespeichert ist, die die Frequenzablage im entsprechenden Temperaturintervall bis auf einen vorgegebenen Restfehler auf Ablage o nacrstimmt.
• Die Bereitstellung der Nachstimmspwnnuns erfolgt in der Weise, daß jedem Temperaturintervall eine Speicheradesse zugeordnet ist und daß im zugehörigen Speicherplatz des Speichers ein Dicitalwort gespeichert ist, das der erforderlichen Nachstim:nspannung entspricht.
• Die Speicheradresse ist ein Cigitclwort, das über einen A/D-Wandler aus einem TempercturgSpannuncsumsetzer gewonnen wird, der die Temperatur an einer geeigneten Stelle des Oszillators, z.B. am Quarz selbst oder am Oszillatorgshouse mißt. Das in der angesprochenen Speicherstelle stehende Digitalwort wird in einem D/A-Wandler in die analoge AFC-Spannung umgesetzt Ein Ausführungsbeispiel ist in Abb. 1 dargestellt: Der mit dem Quarz 1 des Oszillators 2 thermisch verbundene Temperatur-Spannungswandler 3 liefert eine von der Temperatur eindeutig abhängige Spannung. Diese Spannung wird für jedes Temperaturintervall innerhalb des Betriebstemperaturbereiches im A/D-Wandler 4 in ein Digitalsignal umgesetzt, das als Adresse für den Speicher 5 dient.
• Der Speicher ist so programmiert, daß er fUr jedes Temperoturintervall ein Digitalsignal liefert, das - im Wandler 6 - in die is'achstinm- Quarzoszillator mit hoher Frequenzoszillator und gerindem Strombedarf Blatt - 5 spannung umgesetzt wird.
• Innerhalb jedes Temperaturintervalls kann die Frequenz nur an einer oder mehreren definierten Stellen die Ablage 0 erreichen, im übrigen Bereich des Intervalls bleibt ein Quantisierungsfehler. Dieser Quantisierungsfehler kann umso kleiner gemacht werden, je größer die Zahl der Temperaturintervalle ist und je größer die Auflösung der A/D- und D/A-Wandler samt zugehöriger Speicherkapazität ist.
• Sofern es gelingt, durch engtolerierte Fertigung (Quarzschnittwinkel!) Quarze mit annöhernd identischen Temperaturfrequenzkurven herzustellen und auch die Exemplarstreuung der Temperaturabhängigkeit des Cszillators in engen Grenzen zu halten, kann man die Kompensationskurve in einem masenprogramierbaren Speicher speichern.
• Verwendet man als Speicher ein elektrisch programmierbares RCM, so kann man es dadurch programmieren, daß nan bei jedem innerhalb des Temperaturbereiches liegenden Temperaturintervall den Oszillator mit einer fremd zusefUhrten einstellbzren digitalen Machstimmspannung auf 0 zieht und unmittelbar darauf den zu dem sich automatisch einstellenden Speicherplatz mit dieser digitalen Nachstimmspannung programmiert.
• Verwendet man als Speicher ein wiederholt programmierbares ROM, z.f3.
• E-PROM, so kann man die oben beschriebene Abgleichsprogrammkerung beliebig oft wiederholen, um z.B. alterungsbedingte Frequenzänderung oder Änderung des Frequenz-Temperaturgangs auszugleichen.
• Die alteru.lgsbedingte Frequenzänderung kann man je razh Anforderung an die Genauigkeit und Langzeit-Verhalten des Oszillators durch NeuProgrammieren oder Neu-Abgleich mittels C-Trimmer oder zusd.tzlicher C-Diode kompensieren.
• Zusammengefaßt sind die wesentlichen Vorteile der erfindungsmäßigen digitalen Speicherung der AFC gegenüber analogen Kampensationsmethoden: Quarzoszillator mj hoher Frequenzkonstanz und geringem Strombedarf Blatt - 6 -1. Mit geringem Aufwand und geringer Anforderung an c;.e Temperatur Toleranz des Quarzes läßt sich bereits eine Genauigkeit von 1 x 10-6 in einem Bereich von mindestens -40 ... +70° C erzielen.
• 2. Bei noch vertretbaren Aufwand sind Temperaturstabilitäten von t x 10-8 zu erwarten.
• 3. Bei C-MOS-Ausführung ist der Stromverbrauch vernachlassiabar.
• 4. Die Prozedur des Abgleichs des Frequenz-Temperaturgangs ist ein gezielter Steuerungsvorgang, der keiner nachträglichen Optimierung bedarf und pro Kompensationspunkt in einigen Sekunden erledigt ist.
• 5. Man kann in jedem Temperaturintervall die Kompensation des ganzen Oszillators optimieren.
• 6. Man kann auch mathematisch nicht erfaßbare Temperaturgänge kompensieren.
• 7. Man kann jeden Oszillator individuell kompensieren.
• 8. Man muß beim Kompensicren nicht einmal die genaue Temperatur wissen, weil ja automatisch ein bestimmter Speicherplatz einem Temperaturintervall zugeordnet ist und deshalb, wenn dieser Temperatur auftritt, automatisch diese Speicherstelle angesprochen wird.
• 9. Man kann bei Verwendung eines löschbaren Speichers den Kompensationsvorgang wiederholen.
• 10. Im Gegensatz zu analogen Kompensationsmethoden tritt im Kommen sationsteil selbst keine Alterung auf.

Claims (1)

1. .Quarzoszillator mit hoher Frequenzkonstanz und geringem Strombedarf Blatt - 7 -ANSPRUCHE Anspruch 1 Quarzoszillator hoher Frequenzkonstanz, bei dem die temperaturabhhngige Frequenzablage Uber einen spannungsabhöngigen Blindwiderstand mittels einer Abstimmspannung bis auf einen vorgegebenen Restfehler auf Ablage 0 nachgestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebstemperatur in Temperaturintervalle unterteilt wird und fUr jedes Temperaturintervall in einem digitaler Speicher eine Ab.-stimmspannung jener Größe gespeichert ist, die die Frequenzablage im entsprechenden Temperaturintervall bis auf einen vorgegebnen estfehler auf Ablage 0 nachstimmt.

   Anspruch 2 Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereitstellung der Nachstimmspannung in der Weise erfolgt, daß jedem Temperaturintervall eine Speicheradresse zugeordnet ist und daß im zugehörigen Speicherplatz des Speichers ein Digitalwort gespeichert ist, das der erforderlichen Nachstimmsponnung entspricht.

   Anspruch 3 Oszillator nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicheradresse ein Digitalwort ist, das über einen A/D-Wandler aus einem Temperatur/Spannungsumsetzer gewonnen wird, der die Temperatur an einer geeigneten Stelle des Oszillators, z*B. am Quarz selbst oder am Oszillatorgehöuse mißt. Das in der angesprochenen Speicherstelle stehende Digitalwort wird in einem D/A-Wandler in die analoge AFC-Spannung umgesetzt.

   Quarzoszillator mit hoher Frequenzkontanz und geringem Strombedarf Blatt - 8 -Anspruch 4 Oszillator nach Anspruch 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß der bei diesem Verfahren auftretende Quantisierungsfehler umso kleiner gemacht werden kann1 je größer die Zahl der Tenperaturintervolle ist und je großer die Auflösung der A/D- und D/A-Wandler samt zugehöirger Speicherkapazität ist.

   Anspruch 5 Oszillator nach Anspruch 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationskzurve in einem maskenprogramierbaren Speicher gespeichert ist.

   Anspruch 6 Oszillator nach Anspruch 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß man als Speicher ein elektrisch programmierbares ROM verwendet.

   Anspruch 7 Oszillator nach Anspruch 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß man als Speicher ein wiederholt programmierbares ROM, z.B. E-PROM verwendet.

   Anspruch 8 Oszillator nach Anspruch 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, daß die alterungsbedingte Frequenzönderung je nach Anforderung an die Genauigkeit und Lanzeit-Verhalten des Oszillators durch Neu-Programmieren oder Neu-Abgleich mittels C-Trimmer oder zusutzlicher Diode kompensiert wird.

   Quarzoszillator mit hoher Frequenzkonstant und gringem Strombedarf Blatt - 9 -Anspruch 9 Oszillator nach Anspruch 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, daß man einen dyncmischen Speicher verwendet, der in bestimmten Zeitabständen getaktet wird und dann jeweils die aktuelle Nachstimmspannung ausgibt.

   Anspruch 10 Quaroszillator als Sekundärnormal, das in einem Phasenregelkreis als VCO dient, der durch eine Normalfrequenz - z*B. das Langweilen signal des Normalfrequenzsenders DCF-77 - auf Nennfrequenz gezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß fUr diesen VCO ein Quarzoszillator mit digitaler Frequenzkom pensation gemäß Anspruch 1 - 9 verwendet wird, wobei der Quaroszillator fur die Feinnachstimmung auf die Normalfrequenz-Genauigkeit einen zusätzlichen spannungsabhängigen Blindwiderstand erhält, der aus der Regelschleife gesteuert wird.