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Quarzoszillator
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Quarzoszillator für Geräte und
Einrichtungen der elektrischen Nachrichten-und Meßtechnik, insbesondere für die
Trägerversorgung von Richtfunkgeräten, bei dem der Temperaturdrift des die Oszillatorfrequenz
bestimmenden Quarzkristalls entgegenwirkende Mittel in Form von Thermistoren, gegebenenfalls
in Verbindung mit an den Quarz angekoppelten steuerbaren Kapazitätsdioden zu Anwendung
kommen.
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Temperaturkontrollierte Oszillatoren, deren Frequenz über eine spannungsgesteuerte
Kapazität geregelt wird, sind beispielsweise aus der Literaturstelle US-PS 3 999
370, insbesondere Fig. 1 und zugehörige Beschreibung bekannt. Diese Regelung gewährleistet
nur dann über dem Temperaturbereich stabile Verhältnisse, wenn sehr präzise Quarze
eingesetzt werden, deren Temperturkennlinien den vorgegebenen Regelbereich nicht
überschreiten. Abgesehen davon, daß hierfür nur ein sehr teurer Quarz in Frage kommt,
versagt eine solche Regelung, wenn der Temperaturbereich, wie er beispielsweise
für die Trägerversorgung von Richtfunkgeräten im mobilen Einsatz verlangt wird,
sich von - 400 C + 800 C oder gar bis 1 900 C erstreckt und in diesem Bereich eine
relative Frequenzkonstanz von 10## 9 verlangt wird.
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Grundsätzlich besteht zwar die Möglichkeit, den Quarz in einen Thermostat
einzubauen. Dies ist aber auch
eine sehr aufwendige Lösung, die
darüber hinaus noch einen relativ großen Energiebedarf für den Thermostaten verlangt,
dessen Temperatur sich nach der maximalen Gerätetemperatur richten muß. Gerade im
mobilen Einsatz, wo es auf möglichst geringe Abmessungen, geringes Gewicht und geringen
Energiebedarf der Geräte ankommt, stellt ein thermostatstabilisierter Quarz eine
sehr ungünstige Lösung dar, weil seine Anwendung in unerwünschter Weise Abmessungen,
Gewicht und Energiebedarf solcher Geräte nicht unwesentlich erhöht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen Quarzoszillator
der einleitend beschriebenen Art eine weitere Lösung anzugeben, die bei einer relativen
Frequenzstabilität von 10 5 in einem weiten Temperaturbereich ohne teure Quarze
und ohne einen aufwendigen Thermostaten auskommt.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichen des
Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Der Erfindung liegt die wesentliche Erkenntnis zugrunde, daß sich
mit handelsüblichen nicht speziell ausgesuchten AT-Schnitt-Quarzen die genannte
Frequenzkonstanz in einem Temperaturbereich zwischen - 400 und + 800 mittels eines
außerordentlich preiswerten geeigneten Kaltleiters sicher beherrschen läßt, der
hierbei an eine konstante Spannungsquelle angeschaltet ist, und in gut wärmeleitendem
Kontakt zum Quarz steht.
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In einer Weiterbildung der Erfindung, die im Patentanspruch 4 angegeben
ist, kann unter Gewährleistung der genannten Frequenzkonstanz der Temperaturbereich
auch auf wenigstens + 900 erweitert werden. Die Steuerung der hierfür verwendeten,
an den Quarz angekoppelten
Kapazitätsdiode kann dabei in außerördentlich
vorteilhalter Weise auf eine einfache Steuerspannungsumschaltung reduziert werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bzw.
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ihrer Weiterbildung sind in den Patentansprüchen 2 und 3 bzw. im Patentanspruch
5 angegeben.
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Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels soll
die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden. In der Zeichnung bedeuten
Fig. 1 Frequenztemperaturverläufe handelsüblicher AT-Schnitt-Quarze, Fig. 2 eine
von der Erfindung Gebrauch machende Prinzipschaltung eines Quarzoszillators, Fig.
3 ein den Quarz mit seiner Halterung darstellender Ausschnitt in einer nach dem
Prinzipschaltbild der Fig. 2 gestalteten Oszillatorschaltung, Fig. 4 ein Frequenz-Zeit-
und ein Temperatur-Zeitdiagramm einer ausgeführten Oszillatorschaltung nach Fig.
2, Fig. 5 eine Temperaturfrequenztabelle.
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Wird ein Quarzoszillator im Frequenzbereich um beispielsweise 10 MHz
ohne besondere der Temperaturstabilisierung der Frequenz dienende Maßnahmen realisiert,
so zeigt die relative Ausgangsfrequenz - f/fo über der Temperatur T in °C das in
Fig. 1 im Diagramm dargestellte Verhalten. Der Temperaturverlauf, der hier furdrei
Quarze Q1, Q2 und Q3 aufgezeichnet ist, hat s-förmigen Verlauf. Die gegenseitigen
Unterschiede im Verlauf der Kennlinien für die einzelnen Quarze Q1, Q2 und Q3 sind
durch den Schnittwinkel des jeweiligen AT-Schnitt-Quarzes bestimmt. Der Wendepunkt
des
s-förmigen Verlaufs ist dabei nahezu schnittwinkelunabhängig. Bei tieferen Temperaturen
< - 200 C und bei hohen Temperaturen > + 800 C nimmt die Temperaturempfindlichkeit
der Quarzfrequenz stark zu. Die Schnittwinkelunterschiede des Kurvenverlaufs der
Quarze Q1, Q2 und Q3 beträgt jeweils eine Winkelminute. Soll von einem Quarz über
einen großen Temperaturbereich eine vorgegebene hohe Frequenzstabilität eingehalten
werden, so ist es erforderlich, ihn jeweils aus der Serienfertigung dadurch auszusondern,
daß jeder Quarz thermisch zunächst durchgemessen wird. Solche Quarze sind also sehr
teuer und auch nur in geringen Stückzahlen fertigbar, so daß sie, abgesehen von
den Kosten, für die Massenfertigung von Quarzoszillatoren nicht in Frage kommen.
Sollen handelsübliche Quarze den in Fig. 1 über der Temperatur dargestellten Frequenzverlauf
in einem weiten Temperaturbereich von - 400 C bis + 900 C mit einer relativen Frequenzkonstanz
von 10 5 sicher gewährleisten, dann ist es erforderlich, den Temperatureinfluß an
der unteren wie auch an der oberen Temperaturgrenze im Sinne der gewünschten Stabilität
zu beeinflussen.
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Fig. 2 zeigt das Prinzipschaltbild für einen Quarzoszillator, der
sowohl im unteren als auch im oberen Temperaturgrenzbereich stabilisiert ist. Die
eigentliche Oszillatorschaltung OS ist in Fig. 2 nicht näher angegeben. Es ist lediglich
der Quarz Q besonders dargestellt. Dieser Quarz Q steht in gut wärmeleitendem Kontakt
mit dem Kaltleiter Kl, der an die vorzugsweise konstante Spannungsquelle Uo angeschaltet
ist. Diese Maßnahme bewirkt die Stabilisierung der Oszillatorfrequenz an der unteren
Grenze des Temperaturbereichs.
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Für die Stabilisierung der Oszillatorfrequenz an der oberen Temperaturbereichsgrenze
ist eine an den Quarz angekoppelte Kapazitätsdiode CD vorgesehen, der die Steuerspannung
vom
Umschaltkontakt des Schalters S über ein RC-Glied aus dem Längswiderstand R und
der Querkapazität C sowie einen dem Widerstand R in Reihe geschalteten Koppelwiderstand
Rk zugeführt ist. Der Schalter S legt je nach Schaltstellung entweder die hohe Steuerspannung
U1 oder die hiergegen wesentliche niedrigere Steuerspannung U2 an die Kapazitätsdiode
CD an. Gesteuert wird der Schalter S vom Ausgang des Temperaturdiskrirninators tt,
der in seiner Temperaturschwelle to von außen einstellbar ist. Eingangsseitig ist
der Temperaturdiskriminator ß t mit dem Temperaturfühler Tf verbunden, der die Umgebungstemperatur
des Quarzes Q dem Temperaturdiskriminator Ät anzeigt.
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Über dem Kaltleiter Kl, beispielsweise eine Kaltleiterpille P240,
die von der vorzugsweise konstanten Spannungsquelle Uo von beispielsweise 24 V gespeist
wird, fließt bei 100 C praktisch kein Strom. Er hat bei - 700 seinen niedrigsten
Widerstandswert. Dies bedeutet, daß über den Kaltleiter bei abnehmender Temperatur
mehr und mehr Strom fließt und er damit für den Quarz als Heizquelle umso wirksamer
wird, je tiefer die Temperatur sinkt. Auf diese einfache Weise läßt sich die Quarzfrequenz
im unteren Temperaturgrenzbereich stabilisieren.
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Ein spezielles Ausführungsbeispiel für die Quarz-Kaltleiteranordnung
zeigt Fig. 3. Die Quarzhalterung QK ist hier über eine wärmeisolierende Zwischenlage
IP auf der die Gesamtschaltung tragenden Substratplatte SP angeordnet und über dünne
wenig wärmeleitende Kontaktstifte St zur Masseleitung auf der Substratplatte SP
durchkontaktiert. Die Quarzhalterung ist als eine federnde Metallhalterung ausgeführt,
in die der Quarz Q mit seinem Gehäuse eingeklemmt ist. Auf beiden Seiten der Quarzhalterung
QH ist jeweils ein Kaltleiter Kl im Bereich seines einen Anchlusses an der Quarzhalterung
QH festgelötet. Der jeweils andere Anschluß des Kaltleiters Kl ist mit gedruckten
Leitern auf der Substratplatte SP
verbunden, die ihrerseits zu der
in Fig. 2 gezeigten konstanten Spannungsquelle Uo führen. Diese Doppelanordnung
eines Kaltleiters Kl hat den Vorteil, daß der Quarz Q mit sinkenden Temperaturen
von beiden Seiten gegenüber der Umgebungstemperatur aufgeheizt wird. Die Kaltleiter
Kl sind dabei über die Quarzhalterung QH hinsichtlich der konstanten Spannungsquelle
Uo parallel geschaltet, da die Quarzhalterung QH Massepotential aufweist. Selbstverständlich
könnten der oder die Kaltleiter auch unmittelbar am Quarzgehäuse angelötet sein.
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Die Schaltanordnung für die Frequenzkorrektur im oberen Temperaturgrenzbereich
ist so ausgelegt, daß bei Anliegen der hohen Steuerspannung U1 die Kapazitätsdiode
CD eine so kleine Kapazität aufweist, daß ihr Einfluß auf die Quarzfrequenz vernachlässigbar
ist.
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Sobald der Temperaturfühler Tf dem Temperaturdiskriminator a t eine
Temperatur meldet, die die Schwellwerttemperatur to von beispielsweise 820 C erreicht
bzw.
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überschreitet, schaltet der Temperaturdiskriminator Et den Schalter
S in die nicht dargestellte Schaltstellung, in der nunmehr die wesentlich niedrigere
Steuerspannung U2 an der Kapazitätsdiode CD anliegt.
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Durch das RC-Glied wird der beim Schalten auftretende Spannungssprung
in seiner Wirksamkeit auf die Kapazitätsdiode CD in wünschenswerter Weise abgedämpft.
Die niedrigere Steuerspannung U2 bewirkt nun, daß die Kapazitätsdiode CD hinsichtlich
des Quarzes auf eine wirksame Kapazität umgeschaltet wird, die im Sinne der gewünschten
Frequenzkorrektur wirksam wird.
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Zur Verdeutlichung der Arbeitsweise der Oszillatorschaltung nach
Fig. 2 sind in Fig. 4 einerseits die Frequenzänderung z f/fo multipliziert mit dem
Faktor 10 und andererseits die Temperatur in 0 über der Zeit t für einen Temperaturbereich
von - 40° bis + 900 aufgetragen. Durch die Wirkung des Kaltleiters KL ist die
maximale
relative Frequenzabweichung bei - 400 C -6 0 - 7.6 . 10 6. Bei + 82 C erfolgt die
Umschaltung der Steuerspannung für die Kapazitätsdiode CD, so daß bei weiterem Ansteigen
der Temperatur die maximale relative Frequenzabweichung bei + 900 C + 5.2 . 10 6
beträgt.
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Diese Werte aus den Diagrammen der Fig. 4 sind in der Tabelle 5 noch
einmal angegeben und hierbei in Klammern die zugehörige relative Frequenzänderung
für den Fall mit angegeben, in denen die erfindungsgemäßen Maßnahmen nicht angewendet
werden. Wie sich zeigt, erhöht sich damit die relative Frequenzänderung bei - 400
C auf - 17.1 und bei + 900 C auf + 11.3.
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Da die Serienfertigung von AT-Schnitt-Quarzen größere Schwankungen
ihres s-förmigen Frequenzverlaufes über der Temperatur aufweisen, sind die mit verschiedenen
Quarzen gemessenen Werte entsprechend den Figuren 4 und 5 nicht gleich. Die zu fordernde
Frequenzkonstanz innerhalb des Temperaturbereiches von - 400 C bis + 900 C läßt
sich jedoch in allen Fällen durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen zur Stabilisierung
der Quarzfrequenz im unteren wie im oberen Grenzbereich mit Sicherheit einhalten.
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5 Patentansprüche 5 Figuren