DE3425662A1 - Schaltungsanordnung zur temperaturkompensation von quarzoszillatoren - Google Patents

Description

• Schaltungsanordnung zur Temperaturkompensation von
• Quarzoszillatoren Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur einfachen Programmierung des Speicherfeldes zur Temperaturkompensation digital temperaturkompensierter Qwarzoszillatoren.
• Schwingquarze, wie sie für hochwertige Oszillatoren verwendet werden, weisen einen Frequenz-Temperatur-Verlauf in Form einer kubischen Parabel auf, der mittels spannungsgesteuerter Kapazitätsdioden kompensiert werden kann. Wegen der Streuungen des Frequenz-Temperatur-Verlaufes ist es erforderlich, den Abgleich des Schwingquarzes für jedes Oszillatorexemplar individuell durchzuführen.
• Der Ereindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer SchaltungsanordnunY der eingangs genannten Art eine Meß- und Programmierschaltung anzugeben, die mit geringem Schaltungsaufwand die Ermittlung und adressengebundene Abspeicherung individueller Werte für die Kompensation der Temperaturabhängigkeit der gesamten Oszillatorschaltung in einem beliebigen Temperaturbereich ermöglicht. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Kompensationswerte für einen vorgegebenen Temperaturbereich beim Abgleich des Quarzoszillators in einer Phasenregelschaltung mit nur einer Normalfrequen7 als Bezugsfrequenz erzeugt und in einem Speicherfeld digital abgespeichert werden, derart, daß die Frequenz des Quarzoszillators für eine frei wählbare Anzahl von Temperaturwerten mit der Frequenz des Frequenznormals in einem Phasendetektor als Teil Ha 1 Mai / 09.07.84 7 Ausfertigungen Ausfertigung eines Phasenreglers verglichen wird und da(3 die Kornerlsationswerte von der Regelabweichung des Phasenreglers abgeleitet und unter einer Temperatur-Adresse im Speicherfeld abrufbereit abgelegt sind.
• In dieser Schaltung werden gleichzeitig mit dem Schwingquarz auch entsprechende weitere temperaturabhängige Bauteile der OS7 illatorschaltung, wie z.B. der Temperaturfühler und der Analog/Digital-Wandler kompensiert.
• Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Werte der jeweiligen Temperaturabfrage am Quarzoszillator in einem Analog/Digital-Wandler digitalisiert und auf die Adreßeingänge des Speicherfeldes gegeben, das mit den entsprechenden digitalisierten Kompensationswerten der Phasenregelschleife für die Korrektur der Oszillatorfrequenz programmiert ist.
• Die Erfindung und weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Figuren 1 bis 3 näher erläutert.
• Es zeigen Fig. 1 ein Blockschaltbild eines digital temperaturkompensierten Quarzoszillators, Fig. 2 eine Meßschaltung zur Erfassung der Kompensationswerte mit einer Phasenregelschleife, Fig. 3 das Prinzipschaltbild eines Phasenreglers zur Ermittlung der Kompensationswerte.
• Im Blockschaltbild nach Fig. 1 ist der zu kompensierende Quarzoszillator mit 1 bezeichnet. Ein mit dem Schwingquarz des Oszillators thermisch kontaktierter Temperaturfühler 2 liefert eine analoge Temperaturinformation, die in einem CMOS-Analog/Digital-Wandler 3 digitalisiert und auf die Adreßeingänge eines Speicherfeldes 4 gegeben wird. Die Organisation des Speicherfeldes 4 ist aus CMOS-EFROMs aufgebaut, die so programmiert sind, daß für jede Temperatur ein individuell erforderlicher Kompensationsspannungswert eingespeichert ist. Der für jede Temperaturinformation eingespeicherte Kompensationswert wird über einen Digital/ Analog-Wandler 5 in die entsprechende Kompensationsspannung umgewandelt. Eine mit dieser Kompensationsspannung gesteuerte Kapazitätsdiode im Quarzoszillator 1 bewirkt eine Kompensation der temperaturabhängigen Frequenzabweichung des Quarzoszillators. Ein Taktgeber 6 dient der Taktsteuerung des Analog/Digital-Wandlers 3 zur Einspeicherung de digitalisierten Temperatur werte in das Speicherfeld 4. Eine Stromversorgung 7 liefert die erforderlichen Versorgungsspannungen für die einzelnen Schaltungsteile der kompensierten Oszillatorschaltung.
• Die im Speicherfel der Kompensationsschaltung abgespeicherten Kompensatlonsdaten müssen in einer eßschaltung für jeden Quarzoszillator individuell ermittelt werden (Fig. 2). Der Meßaufbau besteht im wesentlichen aus dem abzugleichenden Quarzoszillator 1, 2 mit der zugehörigen Kompensationsschaltung 3 bis.7 entsprechend Fig. 1, bei dem jedoch das Speicherfeld 4 durch einen Phasenregler PR ersetzt ist.
• Weiterer wesentlicher Bestandteil der Meßschaltung ist ein Rechner CP, der über einen Multiplexer MUX mit der Quarzoszillatorschaltung 1, 2, 3, 5 und der Phasenregelschaltung PR verbunden ist. Der abzugleichende Quarzoszillator 1, 2 befindet sich in einem nicht dargestellten Temperaturprüfschrank. Der Temperaturabgleich erfolgt beispielsweise in Abständen von 5° C. Wenn an den Meßpunkten ausreichendes thermischers Gleichgewicht erreicht ist, müssen die Adresse, d.h. die gemessene Temperatur des Quarzoszillators und eine in der Phasenregelschaltung gebildete Kompensationsspannung digital in den Rechner CP zur Abspeicherung eingelesen werden.
• Der Quarzoszillator ist bei jeder Temperatur innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereiches frequenzmäßig über die Phasenregelschaltung PR an ein Frequenznormal FN angebunden. In einem Phasendetektor PD am Eingang der Phasenregelschaltung wird der Sollwert/ Istwertvergleich der Frequenz des Frequenznormals FN und der Frequenz f des Quarzoszillators 1, 2 durchgeführt. Die durch den Phasendetektor PD erhaltene Regelabweichung wird in einem Analog/Digital-Wandler ADW digitalisiert und sowohl dem Digital/Analog-Wandler 5 der Oszillatorschaltung als auch dem Multlplexer FUX zugeführt. Der Ausgang des Digital/Analog-Wandlers 5 liefert eine Kompensationsspannung, die über ein als Kapazit2tsdiode ausgebildetes Stellglied des Phasenreglers PR die Frequenz des Quarzoszillators 1, 2 so lange nachregelt, bis der Phasendetektor PD keine Phasendifferenz zwischen den beiden zu vergleichenden Frequenzen bei der eingestellten Temperatur mehr feststellt. Am Eingang des Multiplexers MLIX liegen dabei gleichzeitig der digitalisierte Temperaturmeßwert (Adresse) und die digitalisierte Regelabweicnung (Inhalt). Aåresse und Inhalt werden im Multiplexer zwischengespeichert und nacheinander zur Weiterverarbeitung (Interpolation) im Rechner CP abgespeichert. Nach einmaligem Durchlaufen des gesamten Temperaturbereiches sind im Rechner CP alle für die Kompensation des Quarzoszillators 1, 2 in diesem Temperaturbereich erforderlichen Kompensationsdaten mit den zugehörigen Adressen abgespeichert.
• Bei der Berechnung der Zwischenwerte kommt vorzugsweise eine Interpolation dritten Grades (Spline-Interpolation) zur Anwendung. Danach werden die Daten entsprechend dem Speicherfeldaufbau auf eine bestimmte Anzahl von Speicherbausteinen(EPROM) aufgeteilt und eingespeichert.
• Da jeder programmierte Speicherbaustein einem bestimmten Einbauplatz im Speicherfeld zugeordnet ist, muß durch entsprechende Kennzeichnung eine Verwechslung ausgeschlossen werden. Das fertig programmierte Speicherfeld wird schließlich,wie in Fig. 1 dargestellt, zwischen dem Analog/Digital-Wandler 3 und dem Digital/Analog-Wandler 5 der Oszillatorschaltung eingeschaltet.
• Um eine einwandfreie Reproduzierbarkeit der Temperaturmes sung im Oszillator zu erreichen, ist für den Schwingquarz mit dem Temperaturfühler ein doppelw.andiges Gehäuse vorgesehen. Beide Gehäuse sind durch einen Luftspalt voneinander getrennt und aus unterschiedlichem Material gefertigt. Dabei ist es vorteilhaft, für das innere Gehäuse ein Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit und für das äußere Gehäuse ein Material mit guter Wärmeleitfähigkeit zu verwenden. Der Oszillator ist außerdem so konzipiert, daß die Einheit aus Schwingquarz mit Temperaturfühler leicht auswechselbar ist. Auf einer Leiterplatte in der inneren Kammer befinden sich außer dem Schwingquarz mit dem Meßfühler weitere temperaturabhängige Bauteile, wie die Temperaturmeßschaltung und die Schwingstufe. Unkritische Bauteile, wie z.B. der Trennverstärker, sind in der äußeren Kammer angeordnet.
• Die zur Temperaturkompensation verwendete Phasenregler mit dem Phasendetektor ist in Fig. 3 dargestellt. Als Phasendetektor PD wird im Phasenregler ein Ringmischer verwendet, der durch einen Widerstand R1 mit seinem Lastwiderstand abgeschlossen ist. Ein RC-Glied R2, Cl mit dem hochohmigen Widerstand R2 bildet einen Tiefpaß zur Unterdrückung der Summenfrequenz.
• Auf den Tiefpaß folgt ein aktiver Tiefpaß mit dem Operationsverstärker Op1 mit dem Integrationskondensator C2. Die Spannungsverstärkung der folgenden Verstärkerstufe Op2 ist 1 und dient der Einstellung der Mittenfrequenz des Quarzoszillators VCO. Der Ausgang des Operationsverstärkers Op2 liefert die verstärkte Regelabweichung, die mittels des Analog/Digital-Wandlers ADW digitalisiert wird. Seinen Wandeltakt erhalt der Anlaog/Digi tal-Wandler über einen Frequenzteiler FT vom Quarzoszillator VCO. Da während der Umsetzung am Ausgang des Analog/Digital-Wandlers ungültige Daten anliegen können, muß ein Zwischenspeicher ZSP nachgeschaltet werden, der seinen Übernahmeimpuls vom Analog-Digital -Wandler ADW erhält. Die Ausgangsspannung des Zwischenspeichers steuert den abzugleichenden Oszillator VCO über den Digital/Analog-Wandler so nach, daß die Istfrequenz des Quarzoszillators VCO mit der Sollfrequenz des Frequenznormals FN übereinstimmt.
• Als Stellglied der Regelschleife dient eine sparx0ngsgesteuerte Kapazitä.tsdiode im Quarzoszillator.
• 7 Patentansprüche 3 Figuren - Leerseite -

Claims (7)

1. Patentansprüche 1. Schaltungsanordnung zur Programmierung einer Einrichtung zur Temperaturkompensation sparnurgsgestel.erter Quarzoszillatoren, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t , daß die Kompensationswerte für einen vorgegebenen Temperaturbereich beim Abgleich des Quarzoszillators (1, 2) in einer Phasenregelschaltung (PR) mit einer-Normalfrequenz erzeugt und in einem Speicherfeld (4) digital abgespeichert werden, derart, daß die Frequenz des Quarzoszillators (1, 2) für eine drei wählbare Anzahl von Temperaturwerten mit der Frequenz des Frequenznormals in einem Phasendetektor (PD) als Teil einer Phasenregelschaltung (PR) verglichen wird und daß die Kompensationswerte von der Regelabweichung der Phasenregelschaltung abgeleitet sind.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Werte der åeweiligen Temperaturabfrage am Quarzoszillator (1, 2) in einem Analog-Digital-Wandler (3) digitalisiert und auf die Adrel3eingänge des Speicherfeldes (4) gegeben werden, das mit den entsprechenden Kompensationswerten für die Korrektur der Oszillatorfrequenz programmiert ist.
3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dalf das Speicherfeld (4) aus einer Anzahl Speicherbausteine (EPROM) besteht, die durch eine bestimmte Adreßcodierung die angestrebte Organisation des Speicherfeldes ermöglichen.
4. 4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß der Quarzoszillator (1,2) schaltungsmäßig in einen Analog- und einen Digitalteil unterteilt ist und daß der Analogteil alle temperaturabhängigen Bauteile enthält.
5. 5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß die Kompensation der Temperaturabhängigkeit mittels eines als spannungsgesteuerte Kapazitätsdiode ausgebildeten Stellgliedes der Phasenregelschaltung (PR) erfolgt.
6. 6. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß die verstärkte Regelabweichung der Phasenregelschaltung (PR) in einem Analog-Digital-Wandler(ADW), dessen Wandelzeit ein nachgeschalteter Zwischens-eicher überbrückt (ZSP), digitalisiert wird.
7. 7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß die Temperaturmessung des zu kompensierenden Schwingquarzes mittels eines mit diesem thermisch gut kontaktierten Temperaturfühlers und daß der Schwingquarz mit dem Temperaturfühler in einem Zweikammer-Gehäuse mit Luftspaltisolation zwischen den beiden Kammern angeordnet ist und daß die innere Kammer aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit und die äußere Kammer aus einem Material guter Wärmeleitfähigkeit besteht.