-
Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erfassung der Temperatur
eines Schwingquarzes, welcher in einem Schwingquarzgehäuse einen
Quarzvibrator aufweist, insbesondere bei einem Mobilfunkgerät.
-
Im
Fachbuch: Neubig, Briese „Das
große Quarzkochbuch", Franzis-Verlag,
S. 51 bis 54, ist beschrieben, dass zur Messung von Temperaturen
die Temperaturabhängigkeit
der Frequenz von Schwingquarzen genutzt werden kann. Der Schwingquarz
als solcher dient der Temperaturmessung. Er ist nicht vorgesehen,
um in einem Gerät,
wie Mobilfunkgerät, Geräte der Unterhaltungselektronik,
Kraftfahrzeugtechnik oder Medizintechnik, eine bestimmte Betriebsfrequenz
bereitzustellen.
-
Im
JP 2001-077627 ist ein
temperaturkompensierter, piezoelektrischer Oszillator beschrieben. Um
eine kleine Baugröße zu erreichen,
ist zur direkten analogen Temperaturkompensation ein Temperaturkompensationskreis
mit einem Thermistor in Dickschichttechnik auf die Rückwand des
Gehäuses
des Oszillatorkreises aufgebracht. Durch die Rückwand ist der Thermistor vom
Oszillator hinsichtlich der auf sie wirkenden Temperatur entkoppelt.
Die Temperatur sowie der Temperaturgradient am Thermistor und am
frequenzbestimmenden Element des Oszillators weichen hier mehr oder
weniger stark voneinander ab.
-
Im
US 4 862 110 ist ein Oberflächenwellenresonator
(SAW) beschrieben, der durch Temperaturänderung des Resonators auf
seine Nennfrequenz abgestimmt wird. Es ist hierfür ein geregeltes Heizelement
vorgesehen.
-
Das
US 4 949 055 beschreibt
einen Quarz-Schwing-Kompensationskreis, einschließlich einer
automatischen Verstärkungsregelung,
einer Quarzschaltungssteuerung, einer Kapazitätsdiode, eines Kondensators,
eines Quarzresonators, eines Temperatursensors und eines Mikrocomputers,
mehrere Einheiten umfassend und mit dem Quarzresonator sowie mit
der Kapazitätsdiode
verbunden. Die Frequenz des Schwingkompensationskreises kann in
bestimmten Grenzen mit Hilfe einer Diode variabler Kapazität verlagert
werden. Der Temperatursensor ist an einen Wechselstrom-/Gleichstromwandler
gekoppelt.
-
Das
US 5 339 051 beschreibt
einen mikrobearbeiteten Resonator-Oszillator, einschließlich einer Resonatorplatte,
der eine Übertragungsfrequenz
erzeugt, die als passi ver Transponder für die Überwachung von Tieren genutzt
wird. Unterhalb und oberhalb der Resonatorplatte befinden sich Stützelemente.
Eine Vertiefung ist im oberen Stützelement
oberhalb der Resonatorplatte eingeätzt. Die Wände der Vertiefung werden begrenzt
durch elektrisch aktive Metallschichten, die eine obere Elektrode
ausbilden. Der Resonator-Oszillator
umfasst ein Temperaturmessgerät
mit einer frequenz-temperaturempfindlichen Resonatorplatte. Die
Kopplung zwischen der Temperaturmessvertiefung und der Resonatorplatte ist
eine mechanische Verbindung.
-
Das
JP H06-268442 schlägt einen
Temperaturkompensationskreis vor. Daher ist ein Modus-Quarzvibrator
als Bezugsschwingquelle mit einem Quarzvibrator als Temperatursensor
parallel geschaltet. Die Parallelschaltung beider Oszillatoren erzeugt
ein Ausgabesignal, das in eine Temperatursensorfrequenz und in eine
weitere Frequenz umgewandelt wird. Beide Frequenzen werden einem
digitalen Steuerteil zugeführt,
welches die Temperatursensorfrequenz kompensiert und daher eine
hochstabile Ausgabefrequenz erzeugt.
-
Eine
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung der eingangs genannten
Art vorzuschlagen, bei der die erfasste Temperatur ein möglichst
exaktes Abbild derjenigen Temperatur ist, welcher der Schwingquarz,
bzw. sein Quarzvibrator als frequenzbestimmender Bestandteil, ausgesetzt
ist.
-
Obige
Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Da bei
dieser Einrichtung die Erfassung der Temperatur und des Temperaturgradienten
zeitlich sowie örtlich
direkt am Schwingquarz erfolgt, wird mittels des Temperatursensors
exakt diejenige Temperatur erfasst, die den Frequenzgang des Schwingquarzes
beeinflusst. Auf Grund dieser direkten Erfassung treten keine Laufzeiten,
Trägheiten oder
Verformungen der Impulsantwort der Temperaturausbreitung zwischen
dem Schwingquarz und dem Temperatursensor auf. Es ist damit eine
genaue Kompensation des jeweils temperaturabhängig auftretenden Frequenzfehlers
der Oszillatorschaltung des Schwingquarzes ermöglicht. Eine Software-Temperaturkompensation
kann durch gezielte Beeinflussung der Frequenznachführung dienender
Stellglieder erfolgen.
-
Die
elektrische Parallelschaltung des Temperatursensors ist vorteilhaft,
weil dadurch der Schwingquarz mit Temperatursensor ein nur zweipoliges
Bauelement ist, das sich mit minimalem Verdrahtungsaufwand auf einer
Leiterplatte anordnen lässt.
Die Einrichtung gestattet eine Minimierung der Anzahl der für die Temperaturerfassung
erforderlichen Bauteile. Diese lassen sich in einen integrierten Schaltkreis
integrieren. Durch Wegfall externer Bauteile ist ein preisgünstiger
Aufbau bei geringem Platzbedarf und geringer Fehleranfälligkeit
gewährleistet.
-
Durch
die beschriebene Einrichtung lassen sich bei einem Mobilfunkgerät die Temperaturerfassungsprobleme
lösen,
die dadurch entstehen, dass sich im Mobilfunkgerät Temperaturgradienten unterschiedlicher
Vorzeichen ausbreiten, wobei einerseits eine Eigenerwärmung durch
Verlustenergie und andererseits eine Erwärmung oder Abkühlung durch
die Umgebung erfolgt. Die beschriebene Einrichtung kann auch bei
anderen Geräten,
beispielsweise Geräten
der Unterhaltungselektronik, der Medizintechnik oder Kraftfahrzeugtechnik,
eingesetzt werden.
-
Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung ist der Temperatursensor an eine Konstantstrom- oder an
eine Konstantspannungsquelle und eine Auswerteschaltung gelegt,
welche die Temperatur und/oder die Temperaturgradienten zur Kompensation
der temperaturabhängigen
Resonanzfrequenz des Schwingquarzes auswertet.
-
Die
Erfindung wird weiter beschrieben unter Bezugnahme auf Beispiele
von Ausführungsformen, die
in den Zeichnungen gezeigt werden, worauf die Erfindung jedoch nicht
beschränkt
ist.
-
1 zeigt
eine Draufsicht eines temperaturabhängigen Widerstandes (Thermistor)
in isothermer Anordnung zu einem Schwingquarz auf einer Leiterplatte.
-
2 zeigt,
als Alternative zu 1, eine schematische Schnittansicht
eines Thermistors innerhalb eines Schwingquarzgehäuses.
-
3 zeigt
die elektrische Parallelschaltung eines Schwingquarzes oder eines
Quarzvibrators mit einem Thermistor.
-
4 zeigt
eine Parallelschaltung eines Thermistors mit einer Reihenschaltung
aus Schwingquarz oder Quarzvibrator und Koppelkondensatoren.
-
5 zeigt
ein Blockschaltbild einer Auswerteschaltung und einer Oszillatorschaltung
mit einer Konstantstromquelle und der Parallelschaltung nach 3.
-
6 zeigt
eine weitere Ausführung
der Auswerteschaltung mit Konstantspannungsquelle.
-
7 zeigt
eine weitere Ausführung
der Auswerteschaltung mit einer Konstantstromquelle bei sequentieller
Temperaturmessung.
-
8 zeigt
eine detaillierte Darstellung eines Phasenregelkreises.
-
In 1 ist
eine Leiterplatte 1 eines Gerätes, zum Beispiel eines Mobilfunkgerätes oder
eines Gerätes
der Unterhaltungselektronik, der Kraftfahrzeugtechnik oder der Medizintechnik,
als Träger
einer einen Schwingquarz aufweisenden frequenzbestimmenden Schaltung
vorgesehen. Auf der Leiterplatte 1 sind ein Schwingquarz 2 und
ein integrierter Schaltkreis 3 angeordnet. Der Schwingquarz 2 weist
ein Schwingquarzgehäuse 2' auf, in dem
ein Quarzvibrator 4 (vgl. 2), der über Leiterbahnen 5, 6 der
Leiterplatte 1 mit Anschlüssen A und B des integrierten Schaltkreises 3 verbunden
ist.
-
Auf
der Leiterplatte 1 ist als Temperatursensor ein temperaturabhängiger Widerstand,
speziell der Thermistor 7, angeordnet, der mit den Leiterbahnen 5, 6 elektrisch
parallel zum Quarzvibrator 4, verbunden ist. Der Thermistor 7 ist
im Bereich 52 isotherm zum Schwingquarzgehäuse 2' angeordnet.
Im Besonderen ist der Thermistor 7 in unmittelbarer Nähe 50 des
Schwingquarzgehäuses 2', auf der gleichen
Seite der Leiterplatte 1 wie das Schwingquarzgehäuse 2', und nicht
durch eine Wandung von diesem getrennt, angeordnet. Es wird dadurch
erreicht, dass die Temperatur sowie der Temperaturgradient am Schwingquarz 2,
im besonderen an seinem Quarzvibrator 4 und am Thermistor 7 im
Wesentlichen identisch sind. Ein zusätzliches Wärmeübertragungsmittel, zum Beispiel
eine Wärmeübertragungsmasse,
kann die unmittelbare Nähe 50 des
Temperatursensors 7 am Schwingquarzgehäuse 2' unterstützen.
-
Zur
Erhöhung
des Wärmeübertragungswiderstandes
zwischen dem wärmeabgebenden Schaltkreis 3 und
dem Schwingquarz 2 und damit zur Unterstützung der
isothermen Anordnung im Bereich 52, können in der Leiterplatte 1 Aussparungen 51 im Leiterplattenmaterial
vorgesehen sein.
-
Ersichtlich
ist dann, dass der Thermistor 7, als Temperatursensor,
derjenigen Temperatur und demjenigen Temperaturgradienten ausgesetzt
ist, die auf den Quarzvibrator frequenzbestimmend wirken. Der integrierte
Schaltkreis 3 beinhaltet die unten näher beschriebene Auswerteschaltung.
Er ist vom Thermistor 7 beabstandet, so dass seine Temperatur den
Thermistor 7 kaum beeinflusst.
-
2 zeigt
einen Schwingquarz 2 in oberflächenmontierbarer (SMD) Bauform,
wobei der Thermistor 7 nicht wie bei 1 neben,
sondern innerhalb des Schwingquarzgehäuses 2' angeordnet ist. Das Schwingquarzgehäuse 2' aus Keramik,
Metall oder Kunststoff bildet eine mit Schutzgas gefüllte Innenkammer 8 aus.
In dieser ist der Quarzvibrator 4 auf Halterungen 9 angeordnet.
Der Quarzvibrator 4 ist mit nach außen geführten Schwingquarzanschlüssen 10 verbunden.
Eine Bodenplatte 11 des Schwingquarzgehäuses 2' ist als Träger zum Anbringen von Bauelementen
und Leitungen geeignet und beispielsweise als Leiterplatte ausgebildet.
-
Der
Thermistor 7 ist in die als Träger dienende Bodenplatte 11 integriert
oder auf diese aufgebracht. Er liegt innerhalb der Innenkammer 8,
möglichst
nahe beim Quarzvibrator 4, er darf diesen jedoch nicht
berühren,
da dadurch die Schwingungseigenschaften negativ beeinflusst werden
könnten.
Der Thermistor 7 ist nicht durch eine Wandung vom Quarzvibrator 4 getrennt
und ist auf der gleichen Seite der Bodenplatte 11 wie der
Quarzvibrator 4 vorgesehen. Der Thermistor 7 ist
mittels Anschlussleitungen 12 mit den Quarzanschlüssen 10 dergestalt
verbunden, dass der Quarzvibrator 4 und der Thermistor 7 elektrisch
parallel an die Schwingquarzanschlüsse 10 elektrisch
angeschlossen sind.
-
3 zeigt
die Parallelschaltung des Schwingquarzes 2 bzw. des Quarzvibrators 4 mit dem
Thermistor 7. Der Thermistor 7 stellt bei typischen
Werten einer Quarzoszillatorschaltung keine wesentliche zusätzliche
Belastung des Schwingquarzes dar. Der Thermistor 7 hat
beispielsweise einen nominalen ohmschen Widerstand von zirka 30
KΩ.
-
Bei
der in 4 gezeigten Alternative sind Koppelkondensatoren
Ck seriell zum Schwingquarz 2, speziell dem Quarzvibrator 4 geschaltet.
Der Thermistor 7 ist parallel zu dieser seriellen Schaltung
geschaltet. Auch diese Anordnung kann, wie bei einer Anord nung,
wie sie in 2 gezeigt wird, in das Schwingquarzgehäuse 2' integriert
sein. Die Koppelkondensatoren Ck sind dann an der Bodenplatte 11 angeordnet.
-
Bei
einer Ausführung,
wie sie in 1 gezeigt wird, wird diese Anordnung
auf dem isothermen Bereich 52 der Leiterplatte 1 angebracht.
-
Die
Koppelkondensatoren Ck trennen in ihrer Funktionsweise die am Thermistor 7 anzulegende,
unten näher
beschriebene Gleichspannung vom Schwingquarz 2 bzw. Quarzvibrator 4.
-
5, 6 und 7 zeigen
Auswerteschaltungen und Oszillatorschaltungen, die in dem integrierten
Schaltkreis 3 integriert sein können. Mit den Auswerteschaltungen
ist die am Thermistor 7 erfasste Temperatur derart auswertbar,
dass im Endergebnis der Temperaturgang der Resonanzfrequenz des
Schwingquarzes 2 kompensiert wird. Der Thermistor 7 hat
eine bekannte Widerstands-/Temperatur-Kennlinie.
-
Eine
Konstantstromquelle 13 (vgl. 5) prägt dem Thermistor 7 einen
konstanten Strom auf. Dadurch entsteht zwischen den Anschlüssen A,
B eine Gleichspannung, die dem aktuellen, temperaturabhängigen Widerstandswert
des Thermistors 7 entspricht. Diese Gleichspannung wird
von einem Analog-Digital-Wandler 14 erfasst und über eine
Datenverarbeitungsleitung 61 digital an einen Mikrocontroller 15 des
Gerätes
geleitet. Dieser Mikrocontroller 15 ermittelt beispielsweise
aus einer der Kennlinien des Thermistors 7 entsprechenden,
in ihm gespeicherten Spannungs-/Temperaturtabelle die aktuelle Temperatur.
Aus zeitlich aufeinander folgenden Messungen ermittelt der Mikrocontroller 15 den
Spannungsgradienten bzw. den Temperaturgradienten.
-
Ein
Verstärker 16 dient
der Anregung und Aufrechterhaltung der hochfrequenten Schwingungen
des den Schwingquarz 2 aufweisenden Oszillators, der als
Pierce-Oszillator
Kondensatoren 17 vom Anschluss A und vom Anschluss B nach
Masse aufweist. Der Schwingquarz 2, speziell sein Quarzvibrator 4 mit
dem Verstärker 16 und
den Kondensatoren 17 bilden eine Oszillatorschaltung. Die
Kondensatoren 17 sind vorzugsweise in den integrierten
Schaltkreis 3 integriert. Um die Möglichkeit der Frequenznachstimmung
bereitzustellen, können
die Kondensatoren 17 in ihrem Kapazitätswert veränderbar sein. Zur Möglichkeit
der Veränderung
sind die Kondensatoren 17 über Steuerleitungen 60 mit
dem Mikrocontroller 15 verbunden. Die HF-Schwingungen,
beispielsweise 26 MHz, des Oszillators werden über eine Leitung 34 vom
Anschluss A an einen Phasenregelkreis 18 des Gerätes weitergeleitet.
-
Damit
die Funktion des Verstärkers 16 vom Gleichspannungspfad
des Thermistors 7 nicht beeinträchtigt wird, sind am Ausgang
und/oder am Eingang des Verstärkers 16 Koppelkondensatoren 19 vorgesehen.
-
An
den Anschlüssen
A, B und damit auch am Analog-Digital-Wandler 14 liegt
außer
der Messgleichspannung die hochfrequente Signalspannung der Oszillatorfunktion
an. Die hochfrequente Signalspannung wird durch Signalverarbeitungsmaßnahmen,
beispielsweise eine Tiefpassfilterung, im Analog-Digital-Wandler 14 oder
im Mikrocontroller 15 eliminiert, so dass zur Weiterverarbeitung
im Mikrocontroller nur das Gleichspannungs-Messsignal Verwendung findet.
-
Bei
einer weiteren Ausführungsform
kann die Ermittlung der Temperatur oder der Temperaturänderung
aus der Gleichspannungsmessung dem Analog-Digital-Wandler 14 selbst
zugeordnet sein, wenn dieser direkt auf die Kennlinie des Thermistors 4 zurückgreifen
kann. Über
die Leitung 34 kann dann der Mikrocontroller 15 signalisieren,
dass aktuell große Temperaturgradienten
auftreten.
-
Bei
der Auswerteschaltung nach 6 ist anstelle
der Konstantstromquelle eine Konstantspannungsquelle 20 vorgesehen.
Außerdem
ist ein Widerstand 21 in den integrierten Schaltkreis 3 integriert. Der
Widerstand 21 bildet zusammen mit dem Thermistor 7 einen
Spannungsteiler, so dass auch hier eine von der Temperatur abhängige Gleichspannung zwischen
den Anschlüssen
A und B entsteht.
-
Bei
den Ausführungsformen
nach 5 und 6 erfolgen die der Temperaturerfassung
dienende Gleichspannungsmessung und der Oszillatorbetrieb gleichzeitig.
Demgegenüber
ist bei der Ausführungsform,
die in 7 gezeigt wird, vorgesehen, dass die Gleichspannungsmessung
und der Oszillatorbetrieb sequentiell zyklisch nacheinander durchgeführt werden.
Hierfür
ist eine vom Mikrocontroller gesteuerte Enable-Signal-Leitung 22 vorgesehen. Über diese
wird entweder die Konstantstromquelle 13 und der Analog-Digital-Wandler 14 oder über einen
Inverter 23 für
das Enable-Signal der Verstärker 16 eingeschaltet.
Auf diese Weise kann vor dem jeweiligen Betrieb der Oszillatorschaltung
die Temperatur erfasst und gegebenenfalls eine Temperaturkompensation
der Oszillatorfrequenz oder eine Temperaturkalibrierung durchgeführt werden.
-
Bei
dieser Anordnung werden die Koppelkondensatoren 19 (vgl. 5 und 6)
sowie die Koppelkondensatoren Ck (vgl. 4) überflüssig. Zur
besseren Übersichtlichkeit
sind in 7 die Steuerleitungen 60 und 61 weggelassen,
obwohl diese, wie in 5 und 6 dargestellt,
zur Anwendung kommen.
-
Bei
einer anderen Ausführungsform
kann der Analog-Digital-Wandler 14 vom Mikrocontroller 15 räumlich getrennt
angeordnet sein. Der Analog-Digital-Wandler 14 kann, wenn
ihm die Widerstands-Temperatur-Kennlinie des Thermistors bekannt
ist, erfassen, dass aktuell Temperaturgradienten auftreten, die
einen vorher festgelegten oder programmierbaren Grenzwert übersteigen.
Dies kann der Analog-Digital-Wandler 14 dann über eine
Steuerleitung dem Mikrocontroller 15 signalisieren.
-
5 bis 7 zeigen
den Fall, in dem keine Koppelkondensatoren Ck in dem isothermen
Bereich 52 vorgesehen sind. Die Auswerteschaltungen von 5 bis 7 können jedoch
auch zur Anwendung kommen, wenn Koppelkondensatoren Ck im isothermen
Bereich 52 angeordnet sind (vgl. 4). Die
Auswerteschaltungen in 5 bis 7 können auch
zur Anwendung kommen, wenn, wie in 1, 2 gezeigt
wird, der Thermistor innerhalb des Schwingquarzgehäuses 2' mit oder ohne
Koppelkondensatoren Ck angeordnet ist.
-
8 ist
eine Prinzipdarstellung des Phasenregelkreises 18 (vgl. 5, 6 und 7). Dieser
leitet die an einem Ausgang 30 eines spannungsgesteuerten
Oszillators 31 auftretende Ausgangsfrequenz aus der an
der Leitung 34, d. h. am Anschluss A, auftretenden Referenzfrequenz
phasen- und frequenzstarr ab. Zur Ausbildung der Phasenregelschleife
ist neben dem spannungsgesteuerten Oszillator 31 ein Teiler 35,
ein Phasenvergleicher 33 und ein Schleifenfilter 32 vorgesehen.
-
Der
Teiler 35 kann nahezu beliebig feinstufige, gebrochen-rationale
Teilungsverhältnisse
einstellen. Er ist ein bekannter Fraktional-N-Teiler. Bei der Alternative
nach 8 besteht die Besonderheit, dass die von der Quarzoszillatorschaltung
(vgl. 5) auf der Leitung 34 kommende Referenzfrequenz
nicht, wie oben beschrieben, durch Verände rung der Kapazitäten der
Kondensatoren 17 auf ihren Nennwert nachgeführt wird.
Stattdessen behält
die Referenzfrequenz ihre temperaturabhängige Frequenzablage, und durch
eine geeignete feinstufige Umprogrammierung des Teilers 35 wird
erreicht, dass die Frequenz am Ausgang 30 den Nenn-Frequenzwert
aufweist. Die Umprogrammierung des Teilers 35 erfolgt über eine
(nicht dargestellte) Datenleitung vom Mikrocontroller 15.
Dabei bewirkt die im Mikrocontroller 35 vorliegende Temperaturinformation eine
Temperaturkompensation der Ausgangsfrequenz am Ausgang 30.
-
Die
Frequenznachführung,
d. h. Temperaturkompensation, kann also entweder über eine
Verstellung der Kondensatoren 17 oder alternativ durch
eine entsprechende Umprogrammierung des Teilers 35 erfolgen.
-
Die
gewonnene Temperaturinformation kann auch zu weiteren Zwecken verwendet
werden. Beispielsweise kann sie in einem Mobilfunkgerät zusätzlich zur
Kalibrierung von anderen temperaturabhängigen Kenngrößen oder
zur Sicherheitsabschaltung beim Laden eines Akkus verwendet werden.