DE4209843A1 - Temperaturkompensierte Oszillatoranordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine temperaturkompensierte Oszil­ latoranordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine derartige Anordnung ist beispielsweise bekannt in Form eines Oszillators mit digitaler Temperaturkompensa­ tion der Firma KVG. Dabei ist ein Quarzoszillator mit ei­ nem Temperatursensor und einem spannungsgesteuerten Nach­ stimmelement in einem gemeinsamen Oszillatorgehäuse unter­ gebracht. Bereits werkseitig ist für jeden Oszillator eine digitale Zuordnungsvorschrift zwischen einem über den Tem­ peratursensor gewonnenen Temperatursignal und einer zuge­ hörigen Steuerspannung für das Nachstimmelement über einen vorgegebenen Bereich ermittelt und für den Benutzer be­ bereitgestellt, welcher diese Zuordnungsvorschrift in eine Speicheranordnung einspeichert, die über einen Analog-Di­ gital-Wandler von dem Temperatursignal adressiert ist und über einen Digital-Analog-Wandler eine Steuerspannung für das Nachstellelement abgibt.

Nachteilig an einer derartigen Anordnung ist die aufwen­ dige und damit kostspielige Ermittlung der Zuordnungsvor­ schrift individuell für jeden Oszillator.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu­ grunde, eine derartige Oszillatoranordnung anzugeben, die mit geringerem Aufwand realisierbar ist.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Un­ teransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.

Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht auf einfache Weise eine Kalibrierung ohne externe Rechnerunterstützung. Hierdurch können beispielsweise eine Vielzahl von Oszilla­ toren in einem Temperaturgang kalibriert werden oder der Benutzer kann den Kalibriervorgang selbst durchführen, was insbesondere auch eine einfache Nachkalibrierung bei alte­ rungsbedingten Änderungen erlaubt. Die Erfindung macht sich dabei zunutze, daß die für die Kalibrierung zusätz­ lich erforderlichen Komponenten nur einen geringen Aufwand bedeuten. Darüber hinaus wird bei der Erfindung das Tempe­ raturverhalten aller elektronischen Komponenten bereits bei der Kalibrierung mit berücksichtigt. Die Verwendung derselben A/D- bzw. D/A-Bauteile für Kalibrierung und Be­ trieb vermeidet Fehler durch Bauteilunterschiede. Vorzugs­ weise sind die Halbleiterkomponenten der Anordnung monoli­ thisch integriert.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch eingehend erläutert.

In Fig. 1 ist eine Oszillatoranordnung für eine feste Os­ zillatorfrequenz f_osz skizziert, beispielsweise mit einem Quarzoszillator Q, dessen Frequenz in engen Grenzen über ein Nachstimmelement N, vorzugsweise eine Varaktordiode variierbar ist. Das Oszillatorsignal der Frequenz f_osz liegt am Ausgang OF und gleichzeitig an einem von zwei Frequenzeingängen eines Vergleichers V. Dem anderen Fre­ quenzeingang des Vergleichers V kann über den Referenzsi­ gnaleingang ER ein externes Referenzsignal der Frequenz f_ref zugeführt werden.

Während eines Kalibriervorgangs bilden der Vergleicher, eine Steuerlogik L, ein Aufwärts/Abwärts-Zähler Z, ein Digital/Analog-Wandler, das Nachstimmelement N und der Os­ zillator Q einen Frequenz-Regelkreis mit den Referenzsi­ gnal als Sollwertvergleichsgröße und dem Oszillatorsignal als Istwert. Ein Kalibriervorgang wird eingeleitet durch ein über einen weiteren Eingangsanschluß EC zugeführtes Kalibrieranweisungssignal CAL, welches im skizzierten Bei­ spiel den Vergleicher V, die Steuerlogik L und den Zähler Z in Betrieb setzt.

Der Vergleicher V vergleicht die Oszillatorfrequenz f_osz und die Referenzfrequenz f_ref direkt oder über ein vorge­ gebenes Frequenzverhältnis, z. B. nach Art eines Phasende­ tektors in einer PLL-Schleife, und gibt nach Maßgabe die­ ses Vergleichs ein Abweichsignal g an die Steuerlogik L, welche die Richtung einer Frequenzabweichung oder den eingeschwungenen Zustand des Regelkreises erkennt. Bei ei­ ner unzulässigen Frequenzabweichung schaltet die Steuerlo­ gik L den Zähler Z, dessen Zählerstand als digitale Stell­ größe K nach Digital/Analog-Wandlung das Nachstimmelement N als Stellglied des Regelkreises ansteuert, so in Auf­ wärts- oder Abwärtsrichtung weiter, daß die festgestellte Frequenzabweichung verringert wird. Bei festgestellter Frequenzübereinstimmung bewirkt die Steuerlogik über ein Schreibsignal W an den write-enable-Eingang WE des Spei­ chers das Abspeichern des aktuellen Zählerstands über den Datenanschluß D des Speichers. Die Datenausgabe aus dem Speicher ist während eines Kalibriervorgangs durch Anlegen des Kalibrieranweisungssignals CAL an den invertierenden output-enable-Anschluß des Speichers gesperrt.

Die Speicheradresse, unter welcher der Zählerstand abge­ speichert wird, repräsentiert die aktuelle Temperatur der Anordnung und wird gewonnen durch Analog/Digital-Wandlung aus dem Temperatursignal UT eines Temperaturfühlers. Bei Durchfahren eines Temperaturbereichs ändert sich die Tem­ peraturspannung und damit die digitale Speicheradresse. Gleichzeitig ändert sich wegen der temperaturabhängigen Eigenschaften des Quarzoszillators auch der zur Fre­ quenzeinregelung erforderliche Zählerstand. Durch die Ab­ speicherung je eines Zählerwerts zu jeder Temperaturstufe ergibt sich im Speicher eine Zuordnung von digitaler Stellgröße K zur Temperatur.

Die Zwischenschaltung eines Registers Reg vor den Adreß­ eingang Add des Speichers ermöglicht beispielsweise durch niederfrequentes Takten des Registers durch die Steuerlo­ gik, daß während eines Schreibvorgangs die Adresse nicht verändert wird. Diese Funktion kann auch im Kompensations­ betrieb nach erfolgter Kalibrierung beibehalten werden. Durch Abfrage der im Register vorliegenden Adresse kann auch z. B. das Überspringen einer Temperaturadresse bei zu schnellem Temperaturgang festgelegt und unter der über­ sprungenen Adresse ein abgeleiteter Wert anstelle eines tatsächlich eingestellten Zählerwerts eingespeichert wer­ den. Weitere Wechselwirkungen zwischen Register und Steu­ erlogik sind denkbar.

Ein Kalibriervorgang wird beendet, indem das am Eingang anliegende Signal CAL abgebrochen wird, worauf der Vergleicher V, die Steuerlogik L und der Zähler Z inaktiv geschaltet wurden und im Speicher die Datenausgabe wieder freigegeben wird. Teile der Steuerlogik und des Verglei­ chers können auch weiter in Betrieb gehalten werden, z. B. zur Gewinnung eines Taktsignals und/oder zur Ansteuerung des Registers. Die Speicheradressierung durch das digi­ talisierte Temperatursignal führt nun zum Auslesen des zu­ gehörig gespeicherten Digitalwerts als Korrekturwert K, der nach Digital-Analog-Wandlung das Nachstimmelement N ansteuert und eine Kompensation der Temperaturabhängigkeit des Oszillators im gesamten Temperaturbereich des Kali­ briervorgangs bewirkt.

Bei der in Fig. 2 skizzierten Ausführungsform ist ein über einen größeren Frequenzbereich variabel steuerbarer Oszil­ lator, z. B. ein spannungsgesteuerter Oszillator VCO vor­ gesehen. Zur externen Frequenzsteuerung des Oszillators ist ein Steuereingang ES für ein digitales Steuersignal St vorgesehen, zu dem in einem Addierglied SUM ein Korrek­ turwert K addiert (oder subtrahiert) wird. Der resultie­ rende Digitalwert wird digitalisiert und steuert das Ab­ stimmelement A zur Einstellung der Oszillatorfrequenz.

Der erfindungsgemäße Aufbau der Oszillatoranordnung kommt bei dieser Ausführung besonders vorteilhaft zur Geltung, weil dem Benutzer durch die Eigenschaft der Anordnung zur einfachen Selbstkalibrierung eine weitgehend freie Wahl der Betriebsfrequenz bzw. eines Betriebsfrequenzbereichs gegeben ist bei gleichzeitig zuverlässiger Temperaturkom­ pensation.

Anstelle der in Fig. 2 skizzierten digitalen externen Steuerung kann das externe Steuersignal auch in analoger Form vorliegen, wenn die Zusammenfassung von externem Steuersignal und internem Korrektursignal nach dem Digi­ tal/Analog-Wandler erfolgt.

Das Referenzsignal kann auch ein über Funk empfangenes Frequenzsignal sein, so daß ein Gerät automatisch eine Nachkalibrierung vornehmen kann. Eine Nachkalibrierung, insbesondere zum Ausgleich alterungsbedingter Veränderun­ gen kann vorteilhafterweise auch ohne Durchfahren des ge­ samten Temperaturbereichs in der Weise erfolgen, daß der Regelkreis bei einer an sich beliebigen Temperatur einen zugehörigen Korrekturwert einstellt, daß der eingestellte Korrekturwert mit dem zu dieser Temperatur gespeicherten Korrekturwert verglichen und ein evtl. bestehender Offset auf alle gespeicherten Korrekturwerte übertragen wird.

Die hierfür oder für andere im Rahmen der Erfindung mögli­ che Abwandlungen der geschilderten Beispiele erforderli­ chen Maßnahmen sind dem Fachmann an sich geläufig und da­ her nicht weiter im Detail dargelegt.

Claims (5)

1. Temperaturkompensierte Oszillatoranordnung mit einem frequenzabstimmbaren Oszillator, einem steuerbaren Abstim­ melement, einem Temperaturfühler und einer Steuereinrich­ tung, welche anhand einer gespeicherten Zuordnung nach Maßgabe eines Temperatursignals des Temperaturfühlers ein Korrektursignal für das Abstimmelement erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung weiter enthält

• - einen Referenzsignaleingang für ein externes Referenz­ signal
• - einen Eingang für ein Kalibrieranweisungssignal zur Durchführung eines Kalibriervorgangs
• - einen Frequenzregelkreis, welcher bei einem Kalibrier­ vorgang durch Vergleich des Referenzsignals mit dem Oszil­ latorsignal ein Stellsignal für das Abstimmelement so erzeugt, daß die Oszillatorfrequenz einen Sollwert annimmt
• - eine Steuerlogik, welche bei einem Kalibriervorgang in eingeregeltem Zustand des Frequenzregelkreises ein Werte­ paar aus dem momentanen Temperatursignal und dem Stellsi­ gnal als zugeordnetem Korrektursignal neu abspeichert.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzregelkreis eine PLL-Schleife umfaßt.

3. Anordnung auch Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Oszillator ein Quarzoszillator ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Oszillator durch ein externes Steu­ ersignal frequenzsteuerbar ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekenn­ zeichnet durch monolithische Integration aller Halbleiter­ komponenten.