DE3145245A1

DE3145245A1 - Thermometer mit einem quarzkristallschwinger als temperaturfuehler und fuer ein solches geeignete oszillatorschaltung

Info

Publication number: DE3145245A1
Application number: DE19813145245
Authority: DE
Inventors: Eishi Suwa Nagano Momosaki; Michiaki Takagi
Original assignee: Suwa Seikosha KK
Current assignee: Suwa Seikosha KK
Priority date: 1980-11-18
Filing date: 1981-11-13
Publication date: 1982-08-05
Also published as: CH653853GA3; US4468634A; DE3145245C2

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft, ein Thermometer mit einem Quarzkristallschwinger als Temperaturfühler gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine für die Verwendung bei einem solchen Thermometer geeignete Oszillatorschaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8.

Bekannte Thermometer benutzen als Temperaturfühler einen Thermistor, ein Thermoelement, die Basis-Emitter-Diode eines Transistors, einen Quarzkristall-Dickenscherschwinger etc. Ausgenommen den Schwinger ist bei diesen Temperaturfühlern, will man eine digitale Temperatur-

-J5 anzeige erreichen, erforderlich, daß eine Spannung oder eine andere analoge Größe, die eine Funktion der gemessenen Temperatur ist, in einen entsprechenden Digitalwert umgesetzt wird. Dies führt zu einer Meßvorrichtung mit erheblicher körperlicher Größe und mit großem Leistungsverbrauch. Wird ein Quarzkristallschwinger als Temperaturfühler eingesetzt., dann kann die Temperatur grundsätzlich mit Hilfe eines FrequenzZählers gemessen werden, da beim Quarzkristallschwinger die Frequenz als temperaturproportionale Größe erfaßt werden kann.

Dickenscherschwinger sind jedoch groß, schwingen bei einer hohen Frequenz von etlichen MHz und verbrauchen eine erhebliche elektrische Leistung, was sie für viele Anwendungszwecke ungeeignet macht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein einfaches und kleines Thermometer zu schaffen, das mit geringen Kosten auf den Markt gebracht werden kann und als Temperaturfühler einen kleinen Quarzkristallschwinger verwendet, der zwei Schwingungsarten besitzt und allgemein

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als TM-(Twin mode)-Schwinger bezeichnet wird. Zugleich soll mit der Erfindung eine Oszillatorschaltung geschaffen werden, die sich für den Einsatz bei einem solchen Thermometer besonders eignet»

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche bzw» 8 gelöst=

Mit der Erfindung wird es möglich, ein als Massenartikel billig zu lieferndes Thermometer zu schaffen, das bei Bedarf auch mit einer Präzisionsuhr kombiniert werden kann, wobei als Zeitstandard für die Uhr der TM-Schwinger mit ausgezeichneter Frequenz-Temperatur-Kennlinie dient und sowohl die Zeit als auch die Umgebungstemperatur anzeigbar sind.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet ο

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen.:

Fig. 1 in einer grafischen Darstellung die Frequenz-Temperaturkennlinien eines Stimmgabel-Kombi-

quarzkristallschwingers, allgemein als TM-Schwinger bekannt,

Fig. 2 eine gleichzeitig mit zwei Frequenzen sch.wingende Oszillatorschaltung,

Fig, 3(a)

und 3(b) ein Prinzipschaltbild einer Oszillatorschaltung gemäß der Erfindung, die die gleiche Funktion

wie die Schaltung von Fig. 2 besitzt, bzw.

das Ersatzschaltbild eines TM-Schwingers,

Fig. 4

und 5 Schaltbilder anderer Ausführungsformen der Oszillatorschaltung gemäß der Erfindung,

Fig. 6 die Zeitverläufe von Signalen an wesentlichen Punkten in den Oszillatorschaltungen der Fig. 4 und 5,

Fig. 7 das Frequenzspektrum der Spannung an den

Punkten [4], [4¹] der Schaltungen der Fig. 4 und 5,
15

Fig. 8 das Schaltbild einer weiteren Ausführungsform eines Amplitudenmodulators, der bei den Oszillatorschaltungen gemäß der Erfindung eingesetzt werden kann,
20

Fig. 9 das Schaltbild einer weiteren Ausführungsform der Oszillatorschaltung gemäß der Erfindung mit einem TM-Schwinger, der die Kennlinien von Fig. 1 besitzt,
25

Fig. 10 ein Blockschaltbild eines Thermometers gemäß der Erfindung und

Fig. 11 ein Zeitdiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise der Schaltung von Fig. 10.

Fig. 1 zeigt die Frequenz-Temperaturkennlinie eines beim erfindungsgemäßen Thermometer eingesetzten Quarzkristallschwingers. Der Schwinger besitzt eine

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geringe Größe mit Abmessungen von 2 χ 6 mm und hat die Form einer Stimmgabel. Der Schwinger schwingt in einer Kombination von Biegeschwingungen und Torsionsschwingungen. In dieser Doppe!schwingung arbeiten Quarzkristalle, wenn eine sehr gute Frequenz-Temperaturkennlinie in Form einer kubischen Funktion erwünscht ist, bei der die lineare oder quadratische Frequenz-Temperaturkennlinie ", die Quarzkristall normalerweise haben, kompensiert ist,,

In Fig. 1 ist auf der Abszisse die Temperatur in ⁰C und auf der Ordinate die Schwingungsfrequenz in kHz aufgetragen. Mit fc ist die Frequenz-Temperaturkennlinie eines Biegeschwingungen ausführenden Schwingers bezeichnet. Der Temperaturgang ■■■·■■ (T) der normierten Frequenz besitzt einen Temperaturkoeffizienten dritten Grades Y=2x10 /⁰C³, und der Betrag von Δί/f im Temperaturbereich von -10 bis 60⁰C liegt bei 1 bin 2 ppm. Die Änderung einer Frequenz fc=200 KHz liegt bei ungefähr 0,4 Hz. Die Torsionsschwingung ergibt eine Resonanzfrequenz, die etliche kHz niedriger als die der Biegeschwingung liegt. Der Temperaturgang der Frequenz der Torsionsschwingung (in Flg. 1 mit fb bezeichnet) ist in einem weiten Temperaturbereich annähernd linear und hat einen ausreichend großen Temperaturkoeffizienten erster Ordnung α, =40-50 ppm/°C. Beim Thermometer gemäß der Erfindung wird die Frequenz fc des Schwingers sowohl als Frequenznormal als auch als Zeitnormal verwendet, während fb oder Af=fc-fb der für die Temperaturmessung eingesetzte Parameter ist.

Fig. 2 zeigt eine herkömmliche Oszillatorschaltung, von der gleichzeitig eine von zwei Resonanzfrequenzen eines Schwingers und eine Frequenz abgenommen werden 35

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können, die gleich der Differenz zwischen den beiden Resonanzfrequenzen ist. EX-ODER-Glieder 11, 13 sind jeweils an einem Eingang auf dem Binärwert 0 gehalten und dienen als jeweilige Verstärker in zwei Oszillatorschleifen. Widerstände 14, 15 und ein Kondensator 17 dienen als Phasenschieber- zur Verzögerung der Phase der Ausgangssignale von den EX-ODER-Gliederη 11, 13, damit hierdurch die Phasenbedingung für die Schwingung zur Stabilisierung der Schwingungsfrequenzen verbessert Ί0 wird. 16 ist ein Schwinger, etwa ein Quarzkristallschwinger, ein keramischer Schwinger oder ähnliches, der eine Güte Q von 10.000 oder mehr haben muß. Ein Kondensator 18 und eine Spule 20 einerseits sowie ein Kondensator 19 und eine Spule 21 andererseits sind auf je- -j5 weilige Schwingungsfrequenzen abgestimmt, um aus dem am Ausgang 0 des Schwingers 16 erzeugten Signal der kombinierten Frequenzen fb, fc diese Frequenzen getrennt herauszufiltern, in der Phase zu invertieren und zu den als Verstärker dienenden EX-ODER-Glledern 11, 13 zurückzuführen. Ein ebenfalls aus einem EX-ODER-Glied bestehender Verstärker 12 dient als Pufferverstärker für das Signal der Frequenz fc. 10 ist ein Schaltungsteil, das gleich dem Verstärker 12 ist und dazu dient, die Signale der Frequenzen fb, fc zu mischen. Ein Tiefpassfilter 22 läßt von dem Mischsignal ein solches der Frequenz Af an einen Ausgang hindurch.Δf ist die Differenz zwischen den Frequenzen fb und fc. Die Schaltungsteile 10, 11, 12 und 13 sind vorzugsweise alle aus MOS-Feldeffekttransistoren aufgebaut.

Bei dieser in Fig. 2 gezeigten Schaltung ergeben sich Probleme, wenn die beiden Frequenzen fb und fc nahe beieinanderliegen. Wenn das Verhältnis der Differenzfrequenz Af zur Frequenz fb oder fc 10~³ beträgt, muß

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■•j der abgestimmte Resonanzkreis aus Kondensator 18, Spule 20, Kondensator 19 und Spule 21 eine Güte Q von 10³ oder höher besitzen, sollen nicht Schwierigkeiten bei der Frequenztrennung mittels dieser LC-Schwingkreise auftreten. Wenn die Schwankungen der Differenz zwischen den Frequenzen fb und fc größer ist als die Bandbreite des Schwingkreises, dann müssen Induktivität und Kapazität des Schwingkreises jeweils angepaßt werden.

Mit der Oszillatorschaltung gemäß der Erfindung lassen sich diese Probleme, wie nachstehend erläutert, beseitigen»

Der prinzipielle Aufbau einer Oszillatorschaltung gemäß -J5 der Erfindung ist in Fig. 3 (a) gezeigt. Verstärker 20, 21 üben in jeweiligen Oszillatorschleifen für die Frequenzen fc undAf entweder eine invertierende oder eine nicht-invertierende Verstärkung aus. Ein Amplitudenmodulator 22 bewirkt eine Amplitudenmodulation des Signals der Trägerfrequenz fc mit dem Signal der Modulationsfrequenz Af. Ein Schwinger 23 besitzt zwei eng benachbarte Resonanzfrequenzen. Der Kondensator 24 dient als Bürdekapazität für den Schwinger 23. Ein Detektor oder Demodulator 25 demoduliert das amplituden-modulierte Signal, das den Schwinger durchlaufen hat, so daß ein der Umhüllenden des modulierten Signals entsprechendes Demodulationssignal gewonnen wird. 26 und 27 sind Pufferverstärker für die Signale der Frequenzen fc bzw. Af, während 28 und 29 Ausgangsanschlüsse bezeichnen.

Fig. 3(b) zeigt ein Ersatzschaltbild des Schwingers 23 von Fig. 3 (a). Ein Resonanzkreis mit den Komponenten Lb, Cb und Rb stellt das Ersatzschaltbild für eine Schwingung bei der Frequenz fb und ein Resonanzkreis

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mit den Elementen Lc, Cc und Ec ein Ersatzschaltbild für eine Schwingung bei der Frequenz fc dar. Co stellt die elektrostatische Kapazität zwischen den Elektroden dar.

Die in Fig. 3(a) gezeigte. Oszillatorschaltung arbeitet wie folgt. Es wird angenommen, daß der Schwinger zwei Schwingungsfrequenzen fb und fc besitzt, denen jeweils eine Ersatzimpedanz Z Z/ zugeordnet ist, wobei die Frequenzen so angenommen seien, daß Z₁ > Z . Unter dieser

α c

Voraussetzung entsteht zunächst ein Spannungssignal der Frequenz fc. Wird dieses als Trägersignal mit dem Signal der Modulationsfrequenz Δί amplitudenmoduliert, dann setzt sich das amplituden-modulierte

Ί5 Signal an dem mit 1 bezeichneten Eingang des Schwingers 23 aus den drei Frequenzkomponenten fc, fc-Af und höheren Harmonischen zusammen. Nach Durchlauf durch den Schwinger 23 umfaßt das amplituden-modulierte Signal eine Spannung der drei Frequenzkomponenten fc und fc- Af, die an dem mit 2 bezeichneten Ausgang des Schwingers 23 erscheint. Die übrigen Frequenzkomponenten werden durch die Filterwirkung des Schwingers 23 entfernt. Die Komponenten fc+Af und fc-Af erscheinen am Ausgang des Schwingers 23, da dessen Arbeitspunkt so gewählt ist, daß er in einem Bereich liegt, wo die Spannung zur Ansteuerung des Schwingers in einem linearen Verhältnis zur Auslenkung des Schwingers ist, so daß am Ausgang des Schwingers eine der Eingangsspannung proportionale Spannung auftreten kann. Der Verstärker 21 in der Oszillatorschleife für die Frequenz Λί ist in dem Schwankungsbereich der Frequenz Δ-f mit einem konstanten Verstärkungsmaß und einem konstanten Phasenmaß versehen. Bei einer solchen Anordnung ist die Verstärkung der Spannungsübertragungsfunktion einer geschlossenen Schlei-

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fe, die den Schwinger 23, den Demodulator 25, den Amplitudenmodulator 22 und den Verstärker 21 enthält, maximal für Af=|ic-fbj eine Frequenz, auf die die Oszillatorschleife für Af als Schwingungsfrequenz verriegelt ist. Mit dieser Oszillatorschaltung gemäß der Erfindung kann direkt und leicht ein Signal einer Frequenz, die die ,Differenz zwischen zwei Resonanzfrequenzen eines Schwingers ist, erhalten werden.

°i^e Fig..4 und 5 zeigen spezielle Schaltungsanordnungen, die auf der Basis des anhand von Fig; 3 erläuterten Prinzips aufgebaut sind. Die Oszillatorschaltungen der Fig. 4 und 5 unterscheiden sich hauptsächlich dadurch voneinander, daß die Oszillatorschaltung von Fig. 4 bei einer Güte Q des Schwingers von 10.000 oder weniger schwingen kann, während'die Oszillatorschaltung von Fig. 4 in der Lage ist, bei einer Güte Q von 10.000 oder höher, stabil zu schwingen.

Der Aufbau der Oszillatorschaltungen soll nun im einzelnen beschrieben werden.

In Fig. 4 ist 300 ein Modulator, der aus einem C-MOS NOR Glied aufgebaut ist, dessen Arbeitspunkt durch einen Widerstand 307 bestimmt wird. 301, 303, 304 und 305 sind Verstärker, die je aus einem C-MOS NOR Glied mit zwei Eingängen, die miteinander verbunden sind., bestehen. Diese Verstärker können bei Erfüllung der gleichen Funktionen auch durch Inverter gebildet werden. Widerstände 308, 309, 310 und 311 verbinden Eingang und Ausgang (Gate und Drain) der jeweiligen NOR Glieder 301, 303, 304 bzw. 305 und dienen dazu, die Arbeitspunkte der Verstärker auf der halben Versorgungsspannung VDD zu halten. Ein Kondensator 320 verringert die Verstär-

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kung des Verstärkers 304 im Bereich hoher Frequenzen und entfernt so aus dem Signal der Frequenz Af nach der Demodulation Komponenten der Trägerfrequenz fc. Die beiden Verstärker 304 und 305 können durch einen einzigen nicht-invertierenden Verstärker ersetzt werden. Mit 302 und 306 sind Inverter bezeichnet, die als Pufferverstärker für die Signale der Frequenzen fc bzw.Af dienen. 3 22 ist der Schwinger, 321 eine Diode, 312 ein Lastwiderstand, 313 ein Widerstand, und 317 ein Kondensator. Der Widerstand 313 und der Kondensator

317 dienen der Glättung des niederfrequenten Signals Af, das durch Demodulation des modulierten Signals

mittels der Diode erhalten wird. Die Zeitkonstante RC dieser beiden Elemente ist so ausgewählt, daß die Be-•J5 dingung 1/fc<Rc<1/Af erfüllt ist. Eine Bürdekapazität 314 für den Schwinger 322 dient der Einstellung der Schwingungsfrequenz. Koppelkondensatoren 315, 316,

318 und 319 dienen als Sperre für Gleichstromsignalkomponenten und sollten eine ausreichend große Kapazität aufweisen.

Die Zeitverläufe der Spannungen an wesentlichen Punkten der Oszillatorschaltung sind in Fig. 6 gezeigt. Ein Rechteckträgersignal [1] mit einem Tastverhältnis von 50% wird auf den Binärwert 0 geklemmt, wenn ein Modulationssignal [2] den Binärwert 1 besitzt. Auf diese Weise wird ein moduliertes Signal [3] erzeugt. Das Signal, das den Schwinger durchlaufen hat und mit [4] bezeichnet ist, ist eine amplituden-modulierte Sinuswelle.

Bei den Signalen [3] und [4] sind der Träger sowie das Modulationssignal· der Frequenz Af miteinander in Phase. Der Reihenschaltung aus Schwinger und Kondensator entspricht daher im Resonanzzustand im Ersatzschaltbild ein Widerstand, Wird der Kondensator entfernt, schließen

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-j die über dem Schwinger anliegende Spannung VQ und der ihn durchfließende Strom IQ einen Phasenwinkel ein, der im wesentlichen Null ist. Das heißt, die dem Schwinger gelieferte elektrische Leistung P ist P=VQ·IQ-cos 0RiVQ»IQ, wobei 0 der Phasenwinkel zwischen Strom IQ und Spannung VO ist. Die Leistung P ist groß genug, damit ein Schwinger mit einer geringen Güte Q schwingen kann. Das Signal [6], dessen Zeitverlauf in Fig. 5 gezeigt ist, erhält man durch Verstärkung 3es Signals [4] , nachdem dieses bezüglich seiner unteren Umhüllenden demoduliert wurde.

In Fig. 5 sind 401, 402, 404 Inverter, die aus C-MOS NOR Gliedern mit zwei Eingängen bestehen, die miteinander verbunden sind. In Verbindung mit Widerständen 407, 410 und einem Kondensator 420 stellen diese NOR Glieder Verstärker dar. Ein NOR Glied 40 3 und Widerstände 408 und 409 bilden einen Modulator. 400 und 405 sind Pufferverstärker für die Signale der Frequenzen fc bzw. Af. Ein Detektor bzw. Demodulator onthült ei.ne Diode 421, Widerstände 412 und 413 und einen Kondensator 418. Koppelkondensatoren 414, 416, 417, 419 und 420 dienen dazu, Gleichstromkomponenten zu sperren. Ein Rückkopplungskrels der Oszillatorschleife für die Frequenz fc enthält einen Trimmerkondensator 425, einen Kondensator 415, einen Widerstand 411 und einen Schwinger 422. Die Anzahl der Inverterverstärker in der Oszillatorschleife für die Frequenz fc sollte ungerade sein. Der Zeitverlauf der Spannungen an wesentlichen Punkten dieser Oszillatorschaltung ist in Fig. 6 gezeigt. Bezüglich dieser Spannungen besteht der Unterschied zu jenen der Schaltung nach Fig. 4 darin, daß die Signale [3] und [4¹] in bezug aufiSf in Phase, jedoch in bezug auf fc in Gegenphase sind. Die dem

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Schwinger gelieferte elektrische Leistung P=VQ»IQ-cos ist gering, da sich der Phasenwinkel zwischen der am Schwinger anliegenden Spannung VO und dem ihn durchfließenden Strom IQ 90° annähert. Daher ist die in Fig. 5 gezeigte Oszillatorschaltung für einen Schwinger mit einer hohen Güte Q geeignet. Der in Fig. 5 gezeigte Signalverlauf' '[5] wird erhalten, wenn man das Signal [4'] verstärkt und danach in bezug auf die obere Umhüllende demoduliert.

Fig. 7 zeigt das mit Hilfe eines Spektralanalysators zu beobachtende FrequenzSpektrum der Spannung am Punkt [1] in den Oszillatorschaltungen der Fig. 4 und 5. Die beobachtete relative Energieverteilung (Spektrum) der

•J5 drei Frequenzkomponenten fc, fc-Af zeigt, daß die Energie der Trägerfrequenz fc am größten ist, während die des Seitenbands fc-Af um etliche dBm größer als die des Seitenbands fc+Af ist. Die Spannung der ursprünglichen amplituden-modulierten Welle kann wie folgt ausgedrückt werden:

e = E (1+K cos pt) cos Wt

wobei Ά die Amplitude des Trägers und m den Modulationsgrad bedeuten.

Diese Gleichung läßt sich umformen in

e=A cos fet + -τρ A jcos (fc+Af)t*cos (fc-Äf)tl

Die Spektren der Seitenbänder werden bei (—ö~ mA)² gleich. Der Grund, weshalb der Energiepegel L„ der Komponente fc-Af größer als der Energiepegel L₁ der Komponente fc+Af ist, liegt darin, daß eine der beiden Re-

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fi B * ft Q 4

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sonanzfrequenzen des eingesetzten Schwingers mit der Frequenz des Trägers übereinstimmt und fb-fc-Äf ist. Dies führt zur höheren Energie der Komponente fe-Af-

Fig„ 8 zeigt einen Modulator,, der sich von denen der Fig. 4 und 5 unterscheidet. Diese Modulatoren, die in den Schaltungen der Fig„ 4 und 5 eingesetzt sind und aus C-MOS-NOR und-NAND Gliedern bestehen, sind insofern ungünstig, als der Träger voll auf den Binärwert

•JO 0 oder 1 geklemmt wird, was zu einer Spannungsspitze am Ausgang des Schwingers führt, so daß dieser lediglich als Kondensator wirkt. Die Schaltung von Fig. 8 ist dazu ausgelegt, dieses Problem zu beseitigen und enthält ein Übertragungsglied 70, Widerstände 72 und 73 und einen C-MOS Inverter 71. Der Widerstand 72 dient einerseits als Gleichstrom-Hochspannungswiderstand und andererseits als Nebenschlußwiderstand für den Träger zur Steuerung des Modulationsgrads. Der Widerstand 73 bestimmt den Arbeitspurikt des Inverters 71 dadurch, daß eine Gleichvorspannung, die halb so groß wie die Versorgung s spannung VDD ist, an das Gate des Inverters 71 angelegt wird. Wegen des Widerstands 73 bleibt das Übertragungsglied 70 halbleitend, bis die Schwingung der Frequenz Af des ModulationsSignaIs zuzunehmen beginnt, so daß das Trägersignal der Frequenz fc ansteigen kann. Die in Fig« 8 gezeigte Schaltung kann die aus NOR Gliedern aufgebauten Modulatoren, die in den Fig. 4 und 5 gezeigt sind, ersetzen»

Bei den beschriebenen Oszillatorschaltungen gemäß der Erfindung erzeugt der eingesetzte Schwinger zwei Resonanzfrequenzen, von denen die eine, nämlich die Trägerfrequenz fc eine geringe Temperaturabhängigkeit aufweist, während die andere, d.h. die Frequenz fb sich stark mit der

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Ί Temperatur ändert. Daher kann die Frequenz fc als Frequenznormal und die Frequenz fb als Signal zur Temperaturmessung verwendet werden, so daß diese Oszillatorschaltungen als Temperaturfühler eingesetzt werden können. Die Oszillatorschaltungen können zur Schaffung eines kleinen Temperaturfühlers mit geringem Leistungsbedarf auf einem einzigen IC Chip hergestellt werden.

-JQ Fig. 9 zeigt eine Oszillatorschaltung, die der der Fig. 4 ähnlich ist und in der Lage ist, gleichzeitig Signale der beiden Frequenzen zu erzeugen, die der Schwinger besitzt. Auf der Grundlage dieser Schaltung soll nachfolgend das erfindungsgemäße Thermometer er-

-c läutert werden. In der Schaltung von Fig. 9 bezeichnen 201, 202, 204 und 205 C-MOS Inverter, die als Leistungsverstärker dienen, während 203 ein C-MOS NOR-Glied mit zwei Eingängen ist, das als Amplitudenmodulator wirkt. Gleichvorspannungswiderstände 206, 207, 209,

2Q 210, 211, 212 bestimmen die Arbeitspunkte der Verstärker und des Amplitudenmodulators. Ein Kondensator 221: zwischen einem Eingang und dem Ausgang des NOR-Glieds 203 dämpft Frequenzkomponenten von 10 kHz oder mehr. Ein Resonanzkreis für die Frequenzen fc und fb enthält einen Widerstand 208, einen Kondensator 216, einen Trimmerkondensator 217 und den TM-Schwinger 200. Ein Detektor oder Demodulator ist aus Koppelkondensatoren. 215, 219, einer Diode 220, Widerständen 213, 214 und einem Kondensator 218 aufgebaut. Die grundsätzliche Ar-

7Q beitsweise dieser Oszillatorschaltung ist wie folgt. Am Punkt [0] tritt ein amplitudenmoduliertes Signal mit der Trägerfrequenz fc und der Modulationsfrequenz

Af auf. Dieses Signal am Punkt [0] wird durch den Schwinger 200 gefiltert, und am Punkt [11 erscheint ein

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•j"" Signal, dessen Verlauf durch die Überlagerung der i Frequenzen fc, fb = fc - Δ-f und fc + Af bestimmt ist. j An den Schaltungspunkt [1] sind zwei Rückkopplungs- ! schleifen angeschlossen, von denen die eine eine Recht- , eckwelle der Frequenz fc zu einem Eingang des Amplitudenmodulators 203 zurückführt. In dieser Rückkopp- i lungsschleife wird das Signal in zwei Stufen so weit j verstärkt, daß es eine durch die Versorgungsspannung ; vorgegebene Sättigung erreicht. In der anderen Rück- !

■JO kopplungsschleife wird das Spannungssignal am Punkt [1]

in einer Stufe verstärkt, bezüglich der oberen Umhüllen- !

den mittels des Demodulators demoduliert, dann verstärkt ' und mit entgegengesetzter Phase dem Amplitudenmodulator

203 zurückgeführt. Die Spannungskomponente der Frequenz -

Af ist an den Anschlüssen des Schwingers 200 in Phase. !

Die Fig. 10 und 11 sind ein Blockschaltbild bzw. Zeitverläufe zur Erläuterung der Arbeitsweise des Thermometers, das von der gerade beschriebenen Oszillator-

schaltung Gebrauch macht. In Fig. 10 ist 501 die gemäß
Fig. 9 aufgebaute Oszillatorschaltung und 502 ein
Frequenzteiler, der eine Frequenzteilung des T,aktausgangssignals fc von der Oszillatorschaltung 501 bewirkt.
503 ist ein Zähler, der Sekunden, Minuten, Stunden,

Tage und ähnliches zählt. 504 ist ein Decoder und

Treiber zur Ansteuerung einer Flüssigkristallanzeige
505 oder einer ähnlichen Anzeige. Fig. 10 stellt eine
Ausführungsform des erfindungsgemä-ßen Thermometers
dar, bei der dieses mit einer Uhr kombiniert ist/ wobei

Uhr und Thermometer die Oszillatorschaltung und den

Frequenzteiler gemeinsam benutzen. Dies ist ein zweckmäßiger Anwendungsfall der Erfindung, natürlich kann
aber das Thermometer auch völlig unabhängig von einer
Uhr ausgebildet werden. Im Fall der Kombination mit

einer Uhr könnte auch die Anzeige für die Uhr und das

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•j Thermometer gemeinsam verwendet werden.

Das von der Oszillatorschaltung 501 erzeugte Signal der Frequenz Af = fc - fb & Konstante - fb besitzt eine größere Komponente der Frequenz fc, wenn der Demodulator relativ schlecht ist und der Serienresonanzwiderstand des Schwingers für Schwingungen der Frequenz fb groß ist. Zur Verhinderung einer Fehlfunktion infolge des Vorhandenseins der Komponente der Frequenz fc wird dieses in Fig. 10 mit Äf bezeichnete Ausgangssignal der Oszillatorschaltung 501 mit einer Abtastfrequenz von 10 bis 20 kHz abgetastet, um hochfrequente Komponenten abzuschneiden und ein Signal mit einer konstanten durchschnittlichen Frequenz Af zu er-

Ί5 halten, dessen Phase allerdings schwanken kann. Die Abtastfrequenz ist um ein Vielfaches höher als die Frequenz &f. Diese Abtastung kann gemäß Fig. 10 dadurch ausgeführt werden, daß eine Abtastschaltung mit einem D-Flipflop 5 08 vorgesehen wird. 5 06 ist ein Zeitschalter und 507 eine Zeitschaltersteuerung, die pro Taktimpuls des Taktsignals 000 ein Zeitsignal TG mit einer Dauer T erzeugen (siehe Fig. 11). Das Taktsignal 000 gibt das minimale Auflösungsvermögen für die Dauer T vor. Der Zeitschalter 506 dient dazu, Schwankungen der Frequenztemperaturkennlinie des Schwingers bei fb auf folgende Weise zu justieren. Die Differenzfrequenz A. f kann durch nachstehende Gleichungen ausgedrückt werden

Af = Afo + fba (Θ - e_Q) a. = - CXj₃ = - 40~ - 50 ppm/°C (T)

wobei θ die Temperatur und 0_Q beispielsweise 0⁰C sind. α ist der Temperaturkoeffizient erster Ordnung für Af·

Afο und fbo sind die Frequenzen Af bzw. fb für den 35

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Fall θ = θ₀» Die Anzahl N der von einem UND-Glied 509 abgegebenen Ausgangsimpulse ist gegeben durch

Damit die Änderung ΔΝ der Anzahl N von Impulsen pro 1°C zehn ist, muß die Dauer T der nachfolgenden Bedin-9^ung genügen

ΔΝ = fboT» I ot J = 10 (3)

Die Dauer oder Breite T der Impulse des Zeitsignals TG wird für den Schwinger berechnet. Da j α J = 40 ppm/°C und fbo = 192 kHz sind, ergibt sich T = 1,31 s, da fbo · J α J= 7,64 Hz pro ⁰C ist. Es reicht aus, daß das Taktsignal 000 mit einer Periode von zwei Sekunden an den Zeitschalter 506 angelegt wird, was zu wiederholten Temperaturmessungen alle zwei Sekunden führt. Wenn Δ Ν = 10 ist, beträgt das minimale Auflösungsvermögen für die Temperaturmessung 0,1⁰C. Aus Gleichung (3) ergibt sich, daß Schwankungen des Temperaturkoeffizienten erster Ordnung des TM-Quarzkristall-Schwingers und fbo durch Änderung der Dauer T ausgeglichen bzw. eingestellt werden können.

510 ist ein voreinstellbarer Aufwärts/Abwärts-Zähler. 512 ist ein externer Anschluß für den Zähler 510 zur Einstellung des in der obigen Gleichung 2 erscheinenden Werts No, 511 ist ein Schaltungsteil, der speichert, ob vom Zähler 510 ein Übertrag C aekonmen ist oder nicht. 517 ist ein Schaltungsteil zur Erzeugung eines jeweiligen D L Inferential impulse s an den Abfrallf lanken des binären Zeitsignals TG vom Zeitschalter 506. 516 ist

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-j eine Verzögerungschaltung zur Verzögerung der Impulse

01. 513 und 514 sind Auffangglieder, die aus D-Flipflops bestehen. 515 ist ein Decoder zur Umwandlung binärer Signale von den Auffanggliedern 513, 514 in Dezimalsignale und zugleich ein Treiber zur Ansteuerung einer Flüssigkristallanzeige 518.

Die Schaltungsteile 510 bis 518 arbeiten wie folgt (vgl. auch Fig. 11). Das Anlegen eines Taktimpulses

(das ist der mittels des Verzögerungsglieds 516 ver- _j

zögerte Impuls 01) führt dazu, daß die Anzahl No vom externen Anschluß 512 in dem Zähler 510 voreingestellt wird. Sobald das Zeitsignal TG den Binärwert H annimmt, ; beginnt der Zähler 510 abwärts zu zählen. Wenn die Anzahl N von Impulsen während der Dauer T gleich oder

größer ist als No, erzeugt der Zähler 510 ein über- ;

tragssignal C und beginnt zur gleichen Zeit aufwärts zu zählen. Das Übertragssignal wird im Schaltungsteil 511, j bei dem es sich um einen 1-Bit-Zähler handeln kann, .|

gespeichert. Wenn die Anzahl N kleiner als No ist, wird vom Zähler 510 kein Übertragssignal erzeugt und der Schaltungsteil 511 auf dem Binärwert L gehalten. Die Verarbeitung der Daten und der Zustand der Daten im Zähler 510 und den Auffanggliedern 513, 514 sind in Fig. 11 gezeigt. Hierin bezeichnen 41 den Zählbetrieb, 42 das Halten des Zählerstands und 43 die Voreinstellung. Der Speicherschaltungsteil· 511 erzeugt ein Ausgangssignal S, dessen Binärwert L eine positive Temperatur und dessen Binärwert H eine negative Temperatur kennzeichnen. Die in Fig. 10 gezeigte Schaltung kann in Form einer integrierten C-MOS Schaltung mit einem geringen Strombedarf von einigen μΑ aufgebaut werden.

Wie voranstehend im einzelnen beschrieben, besitzt das erfindungsgemäße Thermometer einen einfachen Schal-

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tungsaufbau, erreicht ein Auflösungsvermögen in der Größenordnung von 0,1⁰C, ist klein und kann darüberhinaus in besonders vorteilhafter Weise mit einer Uhr kombiniert werden»

Leerseite

Claims

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PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

Patentconsult Radeckestraße 43 8000 München 60 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsult Patenfconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Palentconsult

Kabushiki Kaisha Suwa Seikosha 81/8792

3-4, 4-chome, Ginza, Chuo-ku„ HO/mü

Tokyo, Japan

Thermometer mit einem Quarzkristallschwinger als Temperaturfühler und für ein solches geeignete Oszillatorschaltung

Patentansprüche

( 1.) Thermometer mit einem Quarzkristallschwinger (23, 200, 322, 422) der zwei Schwingungsweisen aufweist, dadurch gekennzeichnet , daß eine der beiden Schwingungsweisen zur Umwandlung der Temperatur in eine Frequenz (Af) und die andere als Taktsignal für die Messung der Temperatur ausgenutzt werden»

2. Thermometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Schwinger (23, 200, 322, 422) ein Stimmgabelquarzkristallschwinger ist, dessen eine Schwingungsweise hauptsächlich eine Biegeschwingung mit einer flachen Frequenz-Temperaturkennlinie und dessen andere Schwingungsweise hauptsächlich eine Torsionsschwingung mit einer Frequenz-Temperaturkennlinie ist, die einen großen Temperaturkoeffizienten erster Ordnung aufweist.

München* R. Kramor Dipl.-Ing. . Vv'. Wer.er Dipl. Phya. Dr ror. nnt . E. Hoffmann Olpl.-Inq. Wlusbaiinn: P. O. Blumlinili Dfpl.-Ina. · f. llata'i» Ι'"·Ι Or. ,di.IJIijI. Iru), Pnl.-Acr.,, P.ii Ailw. iJhi 19/V . (j. /wiinof I)IpI. Ing IJi*>l. W Imj

3. Thermometer nach Anspruch 2, gekennzeich-net durch eine Oszillatorschaltung mit einem einzigen Oszillator, der gleichzeitig ein Signal einer Frequenz fc der hauptsächlich eine Biegeschwingung darstellenden { Schwingungsweise und ein solches der Frequenz Af erzeugt, welche die Differenz" zwischen der Frequenz fc und der Frequenz fb der hauptsächlich eine Torsionsschwingung darstellenden Schwingungsweise ist.

4. Thermometer nach Anspruch 3, gekennzeich- ·

net durch einen Frequenzteiler (502), eine Abtast- I

schaltung (508) zum Abtasten des Signals der Frequenz

Af mit einem Taktsignal, dessen Frequenz mehrfach j

höher als die Frequenz Af ist, einen Zeitschalter (506) ; zur periodischen Erzeugung von Signalen, von denen jedes

die Dauer T besitzt, ein einerseits mit dem Ausgang ■

der Abtastschaltung (508) und andererseits mit dem Aus- j gang des Zeitschalters (506) beaufschlagtes UND-Glied j

(509), einen dem UND-Glied nachgeschalteten voreinstell- · baren Aufwärts/Abwärts-Zähler (510), der jeweils während der Dauer T die Impulse des Signals der Frequenz Af zählt, ein Auffangglied (513) zur Zwischenspeicherung des Zählerstands des Zählers (510), einen Decoder (515) zur Umwandlung binärer Signale in Dezimalsignale, eine Anzeigevorrichtung (518) und einen Treiber zur Ansteuerung der Anzeigevorrichtung.

5. Thermometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß Abweichungen des Temperaturkoef- fizienten erster Ordnung (α,) der-Frequenz A-f durch dem Zeitschalter (506) zugeführte Daten ausgleichbar sind.

6. Thermometer nach einem der Ansprüche 4 oder 5, 35

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Ί dadurch gekennzeichnet , daß der Aufwärts/Abwärts-Zähler (510) für jede Temperaturmessung auf den Wert No = T-Afο einstellbar ist, wobei Afο die Frequenz Af bei einer Temperatur von O⁰C ist, der Zäher (510) unter gleichzeitiger Erzeugung eines Übertragssignals (C) aufwärts zählt, wenn die Impulsanzahl während der Dauer T N>No ist, um die Differenz N- No zu zählen und abwärts zählt, solange N<No ist, um die Anzahl No - N- zu zählen.

7." Thermometer nach Anspruch 6, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Erzeugung des Ubertragssignals (C) die Messung einer negativen Temperatur und das Fehlen des Übertragssignals (C) die Messung einer positiven Temperatur anzeigen«

8. Thermometer nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet , daß der Zählerstand N in dem Aufwärts/Abwärts-Zähler (510) einer Temperatur entspricht, die M mal höher als ein minimales Temperaturauflösungsvermögen ist.

9. Thermometer nach einem der Ansprüche 4 bis 8, gekennzeichnet durch die Kombination mit einer Uhr umfassend einen Frequenzteiler (502) zur Frequenzteilung der Frequenz fc, einen Zähler, einen Decoder (504). und eine Anzeigevorrichtung (505), wobei der einzige Oszillator (501) und der Frequenzteiler (502) für die Uhr und das Thermometer gemeinsam benutzt werden.

TO. Oszillatorschaltung, insbesondere zur Verwendung bei einem Thermometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß ■

Ί sie gleichzeitig mit zwei Frequenzen schwingt, von denen die eine Frequenz fc eine von zwei Frequenzen (fc, fb) ist, die zwei Serienresonanzfrequenzen eines einzigen Schwingers (23) eng benachbart sind, und die andere Frequenz Af die Differenz zwischen diesen beiden Frequenz fc, fb ist, und daß die Oszillatorschaltung umfaßt:

einen Amplitudenmodulator (22), der mit einem Signal der Frequenz fc als Trägersignal und einem Signal der Ίο Frequenz Af als Modulationssignal beaufschlagt ist,

einen Rückkopplungskreis, der den Schwinger (23) und passive Schaltungselemente (24) enthält und die amplitudenmodulierte Welle als Eingangssignal empfängt, einen Verstärker (20) zur direkten Verarbeitung -j5 einer Ausgangswelle des Rückkopplungskreises und zur Zuführung der verstärkten Ausgangswelle als Trägersignal· an den Amplitudenmodulator (22), und

einen Detektor (25) und einen Verstärker (21) zum Demodulieren und Verstärken der Ausgangswelle und nachfolgendem Zuführen des verstärkten demodulierten Signals als Modulationssignal· an den Amp^tudenmoduiator (22).

11. OsZi^atorscha^ung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß der Ampixtdenmodul·ator ein C-MOS Verknüpfungsgiied mit zwei Eingängen (203, 300, 403) enthäit, daß der bzw. die Verstärker einen C-MOS Inverter (201, 202, 204; 301, 304, 305; 401, 402, 404), einen Gieichvorspannungswiderstand (206, 207, 211; 308, 3tO, 311; 406, 407, 410) und einen Kondensator (320, 420) zur Verbesserung der Frequenzkennlinie umfassen, und daß der Detektor eine Diode (220; 321; 421) und die Paral·lel·ΞChal·tung aus einem Giättungswiderstand (214; 313; 413) und einem

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Kondensator (218,· 317; 418) umfaßt.

12. Oszillatorschaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß der Amplitudenmodulator (Fig. 8) ein C-MOS übertragungsglied (70) und einen zwischen Einqana und Ausgang des Übertragunasglieds geschalteten Widerstand (72) umfaßt, wobei das übertragungsglied an einein Steuereingang das Modulationssignal über einen C-MOS Inverter (71) empfängt und ein Widerstand (73) zwischen Gate und Drain des Übertragungsglieds geschaltet ist.

13= Oszillatorschaltung nach einem der Ansprüche bis 12, dadurch gekennzeichnet „ daß die Oszillatorschleife für das Trägersignal (fc) im Rückkopplungskreis eine ungerade Anzahl von Inverterverstärkern und eine ¹^C- Schal tung mit einem Kondensator (216), dem Schwinger (200) und einem Kondensator (217) , die in dieser Reihenfolge auf einen Widerstand (208) folgen, besitzt.

14. Oszillatorschalturig nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet , daß die Oszillatorschleife für das Trägersignal (fc) einen Rückkopplungskreis mit einer geraden Anzahl von Inverterverstärkern (301) und den Schwinger (322) oder die Reihenschaltung aus dem Schwinger (322) und einem Kondensator (314) umfaßt.

15· Oszillatorschalturig nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet , daß alle Schaltungskomponenten außer dem Schwinger ganz oder teilweise in Form einer integrierten Schaltung auf einem Chip ausgebildet sind.