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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf
temperaturkompensierte piezoelektrische Oszillatoren, d.h. auf
Oszillatoren, die eine temperaturabhängige Frequenzregelung
besitzen.
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Temperaturkompensierte Oszillatoren bestehen wie
übliche piezoelektrische Oszillatoren aus einem Verstärker,
dessen Ausgang an den Eingang über eine Schaltung
rückgekoppelt ist, die einen schwingenden piezoelektrischen Kristall
enthält, wobei der Verstärkungsgrad des Systems größer als 1
ist, um die Schwingungsbedingung zu erfüllen. In diesem Fall
ergibt sich die Frequenzkompensation, indem in Reihe mit dem
piezoelektrischen Kristall ein Element eingefügt wird, das
eine von der an seine Klemmen angelegten elektrischen
Spannung abhängige Kapazität besitzt, wie z.B. eine Varicap-
Diode, und indem die an die Varicap-Diode anzulegende
Kompensationsspannung in einer Kompensationsschaltung erzeugt
wird, die ein temperaturabhängiges Element enthält.
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Die Temperaturkompensationssysteme ergeben eine
praktisch stabile Frequenz am Ausgang des Oszillators bei
einer beliebigen Temperatur. Die piezoelektrischen
Oszillatoren unterliegen aber auch einem Alterungsprozeß, d.h. daß
ihre Schwingfrequenz sich zeitlich ändert. Es ist daher
notwendig, den Oszillator abhängig von der Zeit
nachzustimmen. Diese Nachstimmung besteht darin, die in Reihe mit dem
piezoelektrischen Kristall liegende Impedanz so zu
verändern, daß die Nennfrequenz des Oszillators erhalten bleibt.
Im Fall von Varicap-Dioden besteht die Nachstimmung darin,
die Spannung an deren Klemmen zu verändern. Diese
Nachstimmung verändert aber die Temperaturkompensation.
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Wie schematisch in Figur 1 gezeigt ist, besteht eine
Ausführungsform einer Nachstimmschaltung, die in einem
temperaturkompensierten piezoelektrischen Oszillator
verwendet wird, in einem Potentiometer Pe, das in Reihe
zwischen
die Speisespannung VA und eine Klemme eines Widerstands
R geschaltet ist, dessen andere Klemme an Masse liegt. Der
Zwischenabgriff des Potentiometers Pe ist über einen
Widerstand R' an die Kathode der Varicap-Diode D angeschlossen.
Andererseits ist in der dargestellten Ausführungsform die
Anode der Varicap-Diode D an die Schaltung CT zur Regelung
der Frequenz abhängig von der Temperatur angeschlossen.
Bekannterweise ist die Varicap-Diode in Reihe mit dem
piezoelektrischen Kristall P an den Verstärker A angeschlossen,
dessen Ausgang an die Anode der Varicap-Diode D
rückgeschleift ist. Wenn man also das Potentiometer verstellt, um
die Oszillatorfrequenz nachzustimmen, verändert man die
Vorspannung der Varicap-Diode. Wie in den Figuren 2A und 2B
gezeigt, läßt sich aber mit der
Kapazitäts-Spannungskennlinie einer Varicap-Diode keine linear von der Vorspannung
abhängige Frequenzveränderung erzielen. Daraus folgt also
eine Veränderung der Steigung PO der Kennlinie, die die
Steigung P&sub1; annimmt. Diese Veränderung der Steigung führt zu
einer Drehung der Kompensationskurve bezüglich der
Frequenznachstimmung um ±5 10&supmin;&sup6; gegenüber der Nennfrequenz FO, wie in
Figur 3 zu sehen ist. Außerdem ändert sich der
Temperaturkoeffizient der Varicap-Dioden abhängig von der Vorspannung
(Figur 2C), was die Drehung der Kompensationskurve noch
verstärkt.
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In dieser Figur bildet die Gerade a bei FO die ideale
zeitliche Kompensation TO, während die Kurven b und b' die
Ausgangsfrequenz des Oszillators nach positiver oder
negativer Nachstimmung für eine Frequenzabweichung von ±5 10&supmin;&sup6; FO
darstellen. Diese Verzerrung der Kompensationskurve führt zu
zahlreichen Nachteilen. Insbesondere kann der Oszillator aus
dem zugelassenen Sollbereich der Spezifikation herausfallen.
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Ziel der Erfindung ist es also, diese Nachteile zu
beheben. Die Erfindung hat einen piezoelektrischen
Oszillator zum Gegenstand, wie er in Anspruch 1 definiert ist.
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Aus der britischen Patentanmeldung GB-A-2 038 125 ist
ein temperaturkompensierter Kristalloszillator mit einem
Verstärker bekannt, dessen Ausgang an den Eingang über einen
Kristall in Reihe mit einem Element variabler Kapazität
rückgeschleift ist.
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Eine Schaltung zur Frequenzregelung abhängig von der
Temperatur ist an den Eingang eines Operationsverstärkers
mit variablem Verstärkungsgrad über einen regelbaren
Widerstand angeschlossen, der in einer Gegenkopplungsschleife
enthalten ist. Der Ausgang des Verstärkers an eine der
Klemmen des Elements mit variabler Kapazität angeschlossen.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist also ein
temperaturkompensierter piezoelektrischer Oszillator, dessen
Frequenzabweichung aufgrund der Alterung begrenzt ist. Er
besitzt einen Schwingkreis bestehend aus einem Verstärker,
dessen Ausgang an den Eingang über einen in Reihe mit einem
Element variabler Kapazität geschalteten piezoelektrischen
Kristall rückgeschleift ist, wobei eine Schaltung zur
temperaturabhängigen Frequenzregelung, die eine
Kompensationsspannung liefert, an einen ersten Eingang eines
Operationsverstärkers mit einer ohm'schen Gegenkopplung und einem über
einen regelbaren Widerstand variablen Verstärkungsgrad
angeschlossen ist. Der Ausgang des Verstärkers ist an eine
Klemme des Elements mit variabler Kapazität angeschlossen.
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Der Operationsverstärker empfängt an einem zweiten
Eingang eine Nachstimmspannung, die von einer Schaltung mit
einem regelbaren Widerstand zur Frequenznachstimmung
geliefert wird. Die Regelung des regelbaren Widerstands soll
einerseits die Nachstimmspannung und andererseits den
Verstärkungsgrad des Operationsverstärkers verändern.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel empfängt
der Operationsverstärker an seinem invertierenden Eingang
die Nachstimmspannung und an seinem nicht-invertierenden
Eingang die Kompensationsspannung.
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Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung eines
Ausführungsbeispiels
anhand der beiliegenden Zeichnungen
hervor.
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Figur 1 wurde bereits beschrieben und zeigt
schematisch einen bekannten temperaturkompensierten Oszillator.
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Figur 2A wurde bereits beschrieben und zeigt die
Kapazitäts-Spannungs-Kennlinie einer Varicap-Diode.
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Figur 2B wurde bereits beschrieben und zeigt die
Frequenz-Spannungs-Kennlinie des Oszillators.
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Figur 2C wurde bereits beschrieben und zeigt die
Veränderung des Temperaturkoeffizienten einer Varicap-Diode
abhängig von der Vorspannung.
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Figur 3 wurde bereits beschrieben und zeigt die
Frequenzkompensationskurve abhängig von der Temperatur im
Zeitpunkt TO und nach einer Langzeitalterung im Oszillator
gemäß Figur 1.
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Figur 4 zeigt schematisch eine
temperaturkompensierten Oszillator gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Figur 5 zeigt die Frequenzkompensationskurve abhängig
von der Temperatur im erf indungsgemäßen Oszillator.
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Um die Beschreibung zu vereinfachen, tragen in den
verschiedenen Figuren gleiche Elemente gleiche
Bezugszeichen.
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In Figur 4 ist ein temperaturkompensierter Oszillator
gemäß der Erfindung dargestellt. Dieser Oszillator enthält
wie beim Stand der Technik einen Verstärker A, dessen
Ausgang S auf den Eingang über einen piezoelektrischen
Resonator P rückgeschleift ist, der in Reihe mit einer Varicap-
Diode D geschaltet ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird eine Temperaturkompensationsspannung VC an die Kathode
der Varicap-Diode über ein Mittel angelegt, dessen
Verstärkungsgrad abhängig von der Nachstimmspannung variiert, die
sich zeitlich ändert. Genauer betrachtet enthält dieses
Mittel einen Operationsverstärker A&sub1;, dessen
nicht-invertierender Eingang die aus der Schaltung CT zur
temperaturabhängigen Frequenzregelung kommende Kompensationsspannung VC
empfängt. Andererseits empfängt der invertierende Eingang
dieses Operationsverstärkers eine von der gegebenen
Nachstimmung abhängige Spannung. Diese Spannung wird von einem
Spannungsteiler geliefert. So ist der invertierende Eingang
über den Widerstand R&sub3; an die Speisespannung VA
angeschlossen. Dieser invertierende Eingang ist außerdem an Masse über
den Widerstand R&sub2; und einen variablen Widerstand R&sub1;
angeschlossen. Der Operationsverstärker A&sub1; enthält weiter einen
Gegenkopplungswiderstand R&sub4;, der zwischen den Ausgang und den
invertierenden Eingang eingefügt ist. Außerdem ist der
Operationsverstärker A&sub1; an die Kathode der Varicap-Diode D
über einen Widerstand R&sub5; angeschlossen. Mit der obigen
Schaltung ergibt sich die Spannung VS am Ausgangs des
Operationsverstärkers A&sub1; gemäß folgender Gleichung:
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Andererseits ergibt sich die Nachstimmspannung im
allgemeinen durch Veränderung des Widerstands R&sub1;, bei dem es
sich um eine außerhalb des Systems liegenden Widerstand
handelt und dessen Veränderung durch ein gegebenes System
festgelegt ist.
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Mit obiger Schaltung wird der Wert der Widerstände
iterativ so bestimmt, daß der Verstärkungsgrad abhängig von
der gewünschten Korrektur eingestellt wird. In
temperaturkompensierten Oszillatoren wird nämlich eine
Frequenznachstimmung gefordert, die eine Nachstimmung über mehrere Jahre
hinweg erlaubt. So werden die Widerstände R&sub2;, R&sub3;, R&sub4; aufgrund
folgender Gleichungen bestimmt:
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- bei 25ºC und Nennfrequenz FO gilt:
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Nach der Nachstimmung von VS1 nach VS2 ergibt sich folgende
Gleichung:
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Hierbei ist R'&sub1; der Wert des Widerstands R&sub1; nach der
Nachstimmung.
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Andererseits zeigt eine einfache Betrachtung der
Abweichungskurve des Resonators mit der Temperatur und der
Rotationskurve der Kompensation mit Nachstimmung (Figur 3),
daß die Maximalwerte den Umkehrpunkten des Resonators
entsprechen. Man kann also als Eichpunkte die Umkehrpunkte des
Resonators verwenden. Dies ergibt ein Paar von Gleichungen,
die für die bei der betrachteten Temperatur erforderliche
Spannung repräsentativ sind.
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- Im Umkehrpunkt und bei Nennfrequenz FO ergibt sich
folgende Gleichung:
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- und im Umkehrpunkt und nach der Nachstimmung von
VS3 nach VS4 ergibt sich die folgende Gleichung:
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Da der Wert von R&sub1; und seine Veränderung R'&sub1;
vorgegeben sind, braucht man nur dieses System von vier
Gleichungen, die am Ausgang die Spannungen VS1, VS2, VS3 und VS4
ergeben, in den gegebenen Konfigurationen zu lösen, um die
Werte für R&sub2;, R&sub3; und R&sub4; zu erhalten. Die Spannungen VS1 und VS3
sind die Spannungen, die notwendig sind, um die Nennfrequenz
FO zu erzielen, während die Spannungen VS2 und VS4 die
Spannungen sind, die die gleiche Frequenznachstimmung ergeben.
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Mit der oben beschriebenen Schaltung erhält man die
Kennlinie der Frequenzveränderung abhängig von der
Temperatur, die in Figur 5 dargestellt ist. Man erkennt an dieser
Kennlinie, daß die Frequenz FO im wesentlichen genauso wie
die Nachstimmung verändert wird.