DE3854178T2 - Temperaturkompensierter piezoelektrischer Oszillator. - Google Patents

Temperaturkompensierter piezoelektrischer Oszillator.

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  • Oscillators With Electromechanical Resonators (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf temperaturkompensierte piezoelektrische Oszillatoren, d.h. auf Oszillatoren, die eine temperaturabhängige Frequenzregelung besitzen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel empfängt der Operationsverstärker an seinem invertierenden Eingang die Nachstimmspannung und an seinem nicht-invertierenden Eingang die Kompensationsspannung.
  • Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beiliegenden Zeichnungen hervor.
  • Figur 1 wurde bereits beschrieben und zeigt schematisch einen bekannten temperaturkompensierten Oszillator.
  • Figur 2A wurde bereits beschrieben und zeigt die Kapazitäts-Spannungs-Kennlinie einer Varicap-Diode.
  • Figur 2B wurde bereits beschrieben und zeigt die Frequenz-Spannungs-Kennlinie des Oszillators.
  • Figur 2C wurde bereits beschrieben und zeigt die Veränderung des Temperaturkoeffizienten einer Varicap-Diode abhängig von der Vorspannung.
  • 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.
  • Figur 4 zeigt schematisch eine temperaturkompensierten Oszillator gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Figur 5 zeigt die Frequenzkompensationskurve abhängig von der Temperatur im erf indungsgemäßen Oszillator.
  • Um die Beschreibung zu vereinfachen, tragen in den verschiedenen Figuren gleiche Elemente gleiche Bezugszeichen.
  • 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:
  • 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.
  • 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:
  • - bei 25ºC und Nennfrequenz FO gilt:
  • Nach der Nachstimmung von VS1 nach VS2 ergibt sich folgende Gleichung:
  • Hierbei ist R'&sub1; der Wert des Widerstands R&sub1; nach der Nachstimmung.
  • 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.
  • - Im Umkehrpunkt und bei Nennfrequenz FO ergibt sich folgende Gleichung:
  • - und im Umkehrpunkt und nach der Nachstimmung von VS3 nach VS4 ergibt sich die folgende Gleichung:
  • 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.
  • 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.

Claims (4)

1. Temperaturkompensierter piezoelektrischer Oszillator,
- mit einem von einem Verstärker (A) gebildeten Schwingkreis, dessen Ausgang an den Eingang über einen piezoelektrischen Kristall (P) in Reihe mit einem Element variabler Kapazität (D) rückgeschleift ist,
- mit einer Schaltung (CT) zur Regelung der Frequenz abhängig von der Temperatur, wobei diese Schaltung eine Kompensationsspannung liefert und an einen ersten Eingang eines Operationsverstärkers (A&sub1;) mit ohm'scher Gegenkopplung (R&sub4;) und einem über einen regelbaren Widerstand (R&sub1;) variablen Verstärkungsgrad angeschlossen ist, und wobei der Ausgang des Operationsverstärkers (A&sub1;) an eine der Klemmen des Elements (D) mit variabler Kapazität angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Operationsverstärker (A&sub1;) an einem zweiten Eingang eine Nachstimmspannung empfängt, die von einer Frequenznachstimmungsschaltung (R&sub1;, R&sub2;, R&sub3;) geliefert wird, die einen regelbaren Widerstand (R&sub1;) enthält, wobei die Regelung des regelbaren Widerstands (R&sub1;) einerseits die Nachstimmspannung und andererseits den Verstärkungsgrad des Operationsverstärkers so verändert, daß die Frequenzveränderung aufgrund der Alterung des Oszillators verringert wird.
2. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Operationsverstärker (A&sub1;) an seinem nicht-invertierenden Eingang die Kompensationsspannung und an seinem invertierenden Eingang die Nachstimmspannung zugeführt erhält.
3. Oszillator nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der regelbare Widerstand (R&sub1;) in einem ohm'schen Spannungsteiler zusammen mit Widerständen (R&sub2;, R&sub3;) geschaltet ist.
4. Oszillator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der ohm'sche Spannungsteiler (R&sub1;, R&sub2;, R&sub3;) zwischen eine Spannungsquelle (VA) und Masse geschaltet ist.
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