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Hintergrund der Erfindung
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Bereich der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen synchronen Signalgenerator,
auf einen Computer mit einem solchen Generator und auf ein Verfahren
zum Erzeugen eines synchronen Signales.
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Beschreibung
des Standes der Technik
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Ein
synchroner Signalgenerator ist bekannt als ein Impulsgenerator,
um ein Signal zeitmäßig für einen
Computer oder dergleichen zu steuern. Zum Beispiel wandelt ein synchroner
Signalgenerator die von einem Kristalloszillator abgegebene Sinuswelle in
einen Impuls um und gibt diesen aus. Heute ist, um die Synchronisation
eines Signales sicher zu stellen, ein hochpräzises synchrones Signal gefordert,
wobei der synchrone Signalgenerator das Frequenzzittern eines Ausgangssignales
reduzieren muss.
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1 ist
ein beispielhaftes Blockschaltbild eines herkömmlichen synchronen Signalgenerators.
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Der
in 1 gezeigte synchrone Signalgenerator weist einen
Kristalloszillator 1 und einen Impulswandler 2 auf.
Der Kristalloszillator 1 weist einen Kristallschwinger 3 und
eine Oszillatorschaltung 4 auf und bildet zum Beispiel
eine Oszillatorschaltung nach dem Colpitts-Typ. Der Kristallschwinger 3 ist
z. B. so ausgebildet, dass ein Kristallstück mit AT-Schnitt, eine Erregerelektrode
auf dem Kristall etc. in einem luft dichten Container eingeschlossen werden,
was in den Zeichnungen nicht dargestellt ist. Ein AT-geschnittener
Kristall (Kristallschwinger 3) liefert eine Schwingungsfrequenz
(Resonanzfrequenz) umgekehrt proportional zu seiner Dicke.
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Das
Ausgangssignal des Kristalloszillators 1 erhält eine
höhere
harmonische Komponente fs (f2–fn),
die ein Vielfaches der Frequenz der Grundwellenkomponente f1 ist,
wie dieses in 2 gezeigt ist. Bei diesem Beispiel
ist die Oszillationsfrequenz f des Kristalloszillators 1 eine
Frequenz einer Grundwellenkomponente f1 des Kristallschwingers 3,
und die Ausgangs-Wellenform ist im Wesentlichen eine Sinuswelle
(die Ausgangswelle steht im Bezug zu einem Sinuswellenausgang).
Es besteht jedoch eine Frequenzverschiebung für den Frequenzwert des Kristallschwingers 3 und
des Kristalloszillators 1 zwischen der Grundwellenkomponente
f1 und der höheren
harmonischen Komponente fs.
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Der
Impulswandler 2 wird zum Beispiel durch einen komplementären Ausgangstreiber
IC gebildet, und wandelt die Sinus-Ausgangswelle des Kristalloszillators 1 in
positive/negative Rechteckimpulse um. Üblicherweise wird das sinusförmige Ausgangssignal des
Kristalloszillators 1 durch einen Verstärker 5 verstärkt und
dann in den Impulswandler 2 eingegeben.
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Bei
einem synchronen Signalgenerator der oben genannten Konfiguration
besteht jedoch das Problem des Frequenzzitterns beziehungsweise
einer Frequenzschwankung in dem durch den Impulswandler 2 erzeugten
Ausgangssignal (mit Impulswellenform).
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Obwohl,
wie in 2 gezeigt, das sinusförmige Ausgangssignal des Kristalloszillators 1 im
Wesentlichen die Grundwellenkomponente f1 enthält, enthält es ebenfalls höhere harmonische
Komponenten fs für
gerade und ungerade Werte. Aus diesem Grunde ist das sinusförmiges Ausgangssignal
keine ideale Sinuswelle, die nur die Grundwellenkomponente f1 enthält, sondern
weist vielmehr eine durch die höheren
harmonischen Komponenten fs erzeugte Verzerrung auf, was als Resultat
das Frequenzzittern verursacht. Das heißt, je kleiner die höheren harmonischen
Komponenten fs gegenüber
der Grundwellenkomponente f1 sind, je näher ist das sinuswellige Ausgangssignal
des Kristalloszillators 1 der idealen Sinuswelle.
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Der
Impulswandler 2 erzeugt einen rechteckigen Impulszug mit
einem Frequenzzittern in Abhängigkeit
von dem Pegel der höheren
harmonischen Komponenten fs des sinusförmigen Ausgangssignals des
Kristalloszillators 1. Kurz gesagt, je näher die
eingegebene Sinuswelle der idealen Sinuswelle ist, das heißt, je kleiner
der Pegel der höheren harmonischen
Komponente fs gegenüber
der Grundwellenkomponente f1 ist, desto kleiner ist das Frequenzzittern,
das durch den Impulswandler 2 erzeugt wird. Obwohl das
oszillierende Ausgangssignal des Kristalloszillators 1 hauptsächlich die
Grundwellenkomponente f1 enthält,
enthält
es einen nicht geringen Anteil von höheren harmonischen Komponenten fs.
Daraus folgt notwendigerweise das Problem des Frequenzzitterns in
dem Ausgangssignal des Impulswandlers 2.
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Die
US-A-4 859 969 beschreibt einen synchronen Signalgenerator gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruches 1.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen synchronen Signalgenerator
zur Abgabe eines Impulszuges mit reduziertem Frequenzzittern anzugeben.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein synchroner Signalgenerator gemäß dem Patentanspruch
1 vorgesehen.
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Mit
der oben angegebenen Konfiguration weist ein synchroner Signalgenerator
gemäß der Erfindung
einen relativ geringen Anteil von höheren harmonischen Komponenten
in dem Ausgangssignal des Kristalloszillators auf, sodass eine Wellenform mit
nur kleinen Verzerrungen und ein Impulszug mit geringem Frequenzzittern
abgegeben werden.
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Wenn
zusätzlich
die oben erwähnte
Filtereinheit durch einen Kristallfilter gebildet wird, der gleich dem
Kristalloszillator hinsichtlich seines Schnittwinkels ist, kann
das Frequenzzittern eines Ausgangssignales reduziert werden.
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Weitere
Merkmale sind in den Ansprüchen
2 bis 8 angegeben, auf die hier Bezug genommen wird.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Computer angegeben, der einen
synchronen Signalgenerator wie oben beschrieben aufweist.
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Entsprechend
einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren
zum Erzeugen eines Synchronsignales entsprechend Anspruch 10 angegeben.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein Blockschaltbild eines herkömmlichen
synchronen Signalgenerators;
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2 zeigt
das Frequenzspektrum zur Erläuterung
des Problemes in Zusammenhang mit einem herkömmlichen synchronen Signalgenerator;
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3 ist
ein Blockschaltbild zur Erläuterung des
Prinzipes gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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4 ist
ein Blockschaltbild eines synchronen Signalgenerators gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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5 ist
das Frequenzspektrum für
ein Ausführungsbeispiel
gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
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6 zeigt
die Frequenz-Temperatur-Kennlinie des Kristallschwingers für ein Ausführungsbeispiel
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Beschreibung
des bevorzugten Ausführungsbeispieles
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3 ist
ein Blockschaltbild eines synchronen Signalgenerators zur Erläuterung
der vorliegenden Erfindung.
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Es
sei bemerkt, dass dann, wenn der Pegel der Grundwellenkomponente
f1 in dem sinusförmigen
Ausgangssignal des Kristalloszillators relativ höher gesetzt ist als der Pegel
der höheren
harmonischen Komponente fs, das sinusförmige Ausgangssignal näher an der
idealen Sinuswelle liegt und der Impuls, der durch den Impulswandler
abgegeben wird, ein reduziertes Frequenzzittern aufweist.
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Der
synchrone Signalgenerator gemäß 3 weist
eine Filtereinheit 13 zwischen einem Kristalloszillator 11 zum
Abgeben eines sinusförmigen
Signales einer spezifischen durch den Kristall gegebenen Frequenz
und einem Impulswandler 12 zum Wandeln des sinusförmigen Signales
in einen Rechteck-Impulszug auf. Die Filtereinheit 13 empfängt das
Ausgangssignal des Kristalloszillators 11, entfernt oder
schwächt
die Frequenzkomponenten bis auf die Grundwellenkomponente f1, oder
verstärkt
lediglich den Pegel der Grundwellenkomponente f1, und gibt dann
das Ergebnis an den Impulswandler 12 weiter.
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Wenn
die Filtereinheit 13 als Bandpassfilter mit der Oszillationsfrequenz
f als Mittenfrequenz f0 ausgebildet ist, und das sinusförmige Ausgangssignal
des Kristalloszillators 11 durch den Bandpassfilter hindurch
läuft,
wird ein sinuswelliges Ausgangssignal erhalten, wobei die höhere harmonische
Komponente fs relativ zu der Grundwellenkomponente f1 unterdrückt ist.
Der Ausgangsimpuls, der durch das Wandeln des sinusförmigen Ausgangssignales
durch den Impulswandler 12 in ein Rechtecksignal erhalten wurde,
unterdrückt
die höheren
harmonischen Komponenten fs, wodurch das Frequenzzittern minimiert wird.
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Die
Filtereinheit 13 des synchronen Signalgenerators gemäß der vorliegenden
Erfindung ist nicht beschränkt
auf eine Einheit zum Hindurchlassen eines Signales einer spezifischen
Frequenz, das heißt
ein Filter, kann auch eine Einrichtung sein, die den Pegel der spezifischen
Frequenzkomponente eines Eingangssignales relativ höher als
die Pegel anderer Frequenzkomponenten einstellt, und das Ergebnis
als Ausgangssignal abgibt. Zum Beispiel kann diese Einheit ein Verstärker sein,
um den Pegel der Grundwellenkomponente f1 auf einen Pegel höher als
die Pegel anderer Frequenzkomponenten zu verstärken und dann das resultierende
Signal abzugeben.
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Im
Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel
eines synchronen Signalgenerators gemäß der vorliegenden Erfindung
näher beschrieben.
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4 ist
ein Blockschaltbild des synchronen Signalgenerators gemäß einem
Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung.
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In 4 sind
die bereits in 1 dargestellten Komponenten
mit den gleichen Bezugszeichen versehen und die detaillierte Erklärung ist
in der folgenden Beschreibung fortgelassen.
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Der
in 1 gezeigt synchrone Signalgenerator weist, wie
die in 1 dargestellte Ausführung, einen Kristalloszillator 1 mit
einer Oszillationsfrequenz f des synchronen Signalgenerators als
Grundwellenkomponente f1 auf und einen Impulswandler 2 als
komplementäre
Ausgangs-Treiberschaltung IC zum Umwandeln einer Sinuswelle in positive
beziehungsweise negative Impulse durch den Verstärker 5 auf. Bei dieser
Konfiguration weist der Kristalloszillator 1 den Kristallschwinger 3 und
den Oszillatorkreis 4 auf, wobei der synchrone Signalgenerator
gemäß 4 einen
Kristallfilter 6 entsprechend der Filtereinheit 13 in 3 zwischen
dem Kristalloszillator 1 und dem Impulswandler 2 aufweist.
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Der
Kristallfilter 6 bildet eine Eingangs-/Ausgangselektrode
für ein
Kristallstück,
das in einem luftdichten Behälter
aufgenommen ist, und gibt lediglich die Frequenz (regulierte Bandpass-Frequenz)
in einen regulierten Bereich nach Empfang eines Eingangssignales
ab.
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Der
Kristallfilter 6 hat die Mittenfrequenz f0 der regulierten
Bandpass-Frequenz gleich der Oszillationsfrequenz f. Das heißt, dass
die Mittenfrequenz f0 gleich der Frequenz der Grundwellenkomponente f1
des sinuswelligen Ausgangssignales des Kristalloszillators 1 ist.
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Indem
ferner der Kristallfilter 6 und der Kristallschwinger 3 in
ihrer Frequenz-Temperatur-Kennlinie
eines Kristallstückes
einander gleichgesetzt werden, haben der Kristalloszillator 1 und
der Kristallfilter 6 gleiche Frequenz-Temperatur-Kennlinien.
Wenn zum Beispiel das Kristallstück
des Kristallfilters 6 den gleichen Schnittwinkel wie das
AC-geschnittene Kristallstück
hat, kann der Kristalloszillator 1 gleich dem Kristallfilter 6 hinsichtlich
der Frequenz-Temperatur-Kennlinie ausgestaltet werden, wodurch die
Mittenfrequenz f0 einer Änderung
der Frequenz der Grundwellenkomponente f1 folgen kann. Andererseits
kann auch durch Verwenden einer Einrichtung mit einer Temperatur-Kennlinie
gleich der des Kristalloszillators 1 mit einem externen
Element zum Festlegen der Mittenfrequenz f0, zum Beispiel einem Kondensator
etc., der Kristalloszillator 1 dem Kristallfilter 6 in
der Frequenz-Temperatur-Kennlinie gleichgemacht werden. Zusätzlich kann
auch ein Q-Filter mit hoher Güte
für eine
Temperaturänderung
verwendet werden.
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Das
sinusförmige
Ausgangssignal des Kristalloszillators 1 ist das Eingangssignal
für den
Kristallfilter 6, der die Mittenfrequenz f0 als entsprechende
Grundwellenkomponente f1 hat.
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Der
Kristallfilter 6 lässt
eine Schwingung in dem Frequenzbereich um die Oszillationsfrequenz
f (Grundwellenkomponente f1) durch. Nach dem Durchlauf des sinusförmigen Ausgangssignales
wird dieses durch den Verstärker 5,
wie oben beschrieben, verstärkt
und als Eingangssignal dem Impulswandler 2 zugeführt, nachdem
es in positive/negative Impulse gewandelt wurde, und ausgegeben.
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Bei
der Schaltung entsprechend 4 passiert
das sinusförmige
Ausgangssignal zunächst
den Kristallfilter 6, wonach anschließend die höheren harmonischen Komponenten
fs entfernt werden und die Grundwellenkomponente f1 dominant wird.
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Das
bedeutet, dass, wie in 5 gezeigt, das sinusförmige Ausgangssignal
des Kristallfilters 6 das Frequenzspektrum hat, in dem
die höheren
harmonischen Komponenten fs im Vergleich mit der Grundwellenkomponente
f1 stärker
unterdrück
sind als in dem Fall, in dem die höheren harmonischen Komponenten
fs nicht den Kristallfilter 6 passieren. Nach dem Durchlaufen
des Kristallfilters 6 wird daher das sinusförmige Ausgangssignal
näher dem
idealen sinusförmigen
Signal mit geringeren Verzerrungen durch die höhere harmonische Komponente
fs sein. Da demnach der Impulswandler 2 das ideale sinusförmige Signal
empfängt,
das hauptsächlich
die Grundwellenkomponente f1 aufweist, wird ein Impuls mit lediglich
geringem Frequenzzittern abgegeben.
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Da
daher der synchrone Signalgenerator gemäß 4 als Eingangssignal
das sinusförmige Ausgangssignal
des Kristalloszillators 1 in den Impulswandler 2 eingibt,
nachdem dieses durch den Kristallfilter 6 mit der Mittenfrequenz
f0 gleich der Oszillatorfrequenz f hindurch gegangen ist, kann das
sinusförmige
Ausgangssignal des Kristalloszillators 1 in ein Impulssignal
umgewandelt werden, wobei das sinusförmige Ausgangssignal nahe der
idealen Sinuswelle liegt, wodurch ein Impuls mit geringem Frequenzzittern
ausgegeben wird.
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Zudem
weisen bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
der Kristallschwinger 3 und der Kristallfilter 6 gleiche
Schnittwinkel eines Kristallstückes auf.
Auf diese Weise haben der Kristalloszillator 1 mit dem
Kristallschwinger 3 und der Kristallfilter 6 im
Wesentlichen die gleiche Frequenz-Temperatur-Kennlinie.
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6 zeigt
die Frequenz-Temperatur-Kennlinie des Kristallschwingers.
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Die
Frequenz-Temperatur-Kennlinie gemäß 6 zeigt
eine kubische Kurve mit einem Wendepunkt im Bereich der Raumtemperatur
(27° C)
mit einem Maximum auf der Seite mit niedrigeren Temperaturen und
einem Minimum auf der Seite höherer Temperaturen.
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Der
Kristalloszillator 1 hat die von der Temperatur abhängige Oszillationsfrequenz
f und der Kristallfilter 6 hat auch eine von der Temperatur
abhängige
Mittenfrequenz f0.
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Diese
Temperatureigenschaften hängen
von dem Schnittwinkel des Kristalles ab. Der Kristalloszillator 1 und
der Kristallfilter 6 weisen noch andere Komponenten auf,
zum Beispiel einen Kondensator etc. als auch ein Kristallstück auf.
Da die Frequenz-Temperatur-Eigenschaften
dieser Komponenten in Betracht gezogen werden, haben sie andere Frequenz-Temperatureigenschaften,
obwohl sie den gleichen Schnittwinkel aufweisen. Da jedoch deren Frequenz-Temperatur-Kennlinien
in den meisten Fällen
wesentlich von dem Schnittwinkel eines Kristallstückes abhängen, können der
Kristalloszillator 1 und der Kristallfilter 6 in
ihrer Frequenz-Temperatureigenschaft nahezu gleich gestaltet werden,
indem für
den Kristalloszillator 1 und den Kristallfilter 6 ein gleicher
Schnittwinkel eines Kristallstückes
festgelegt werden.
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Daher ändern sich
die Mittenfrequenzen f0 des Kristalloszillators 1 und die
Oszillationsfrequenz des Kristallfilters 6 bei einer Änderung
der Temperatur in ähnlicher
Weise. Das heißt,
wenn die Oszillationsfrequenz (f) (Grundwellenkomponente f1) sich
mit der Temperatur ändert, ändert sich
die Mittenfrequenz f0 des Kristallfilters 6 entsprechend.
Obwohl sich die Temperatur ändert,
kann daher die konstante Differenz des Pegels zwischen der Grundwellenkomponente
f1 und der höheren
harmonischen Komponente fs beibehalten werden. Als Ergebnis kann
der synchrone Signalgenerator gemäß der vorliegenden Erfindung
eine ideale Sinuswelle erhalten, obwohl sich die Temperatur ändert, wodurch
ein Impulszug mit niedrigem Frequenzzittern ausgegeben wird.
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Gemäß der vorliegenden
Ausführungsform ist
der Impulswandler 2 ein komplementärer Treiber-IC mit zwei Ausgängen, um
ein Eingangssignal in einen positiven/negativen Impulszug umzuwandeln. Es
kann jedoch auch ein IC mit einem einzigen Ausgang für die Umwandlung
in einen einzigen Impulszug verwendet werden.
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Obwohl
die Oszillationsfrequenz f des Kristalloszillators 1 als
Grundwellenkomponente f1, wie oben beschrieben wurde, definiert
ist, kann die Oszillationsfrequenz f eine andere Frequenz sein,
zum Beispiel eine Frequenz, die das Dreifache der Grundwellenkomponente
f1 ist (das heißt,
die Frequenz der höheren
harmonischen Komponente fs (f3)). Wenn jedoch in diesem Falle die
Oszillationsfrequenz f die Fre quenz der Frequenzkomponente f3 ist,
muss die Mittenfrequenz f0 des Kristallfilters ebenso die Frequenz
der Frequenzkomponente f3 sein.
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Obwohl
der Kristallfilter 6, der in seiner Frequenz-Temperatur-Kennlinie
gleich mit der Filtereinheit 13 gesetzt ist, für die Filtereinheit 13 verwendet wird,
kann die Filtereinheit 13 andere Konfigurationen haben.
Zum Beispiel kann die Filtereinheit 13 ein SAW-Filter mit
einem Oberflächenwellengerät sein.
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Wenn
die Filtereinheit 13 als Bandpass-Filter konfiguriert ist,
wird sie so ausgebildet, dass ihre Mittenfrequenz f0 gleich der
Oszillationsfrequenz f als Nominalfrequenz ist (üblicherweise bei Raumtemperatur
von 25° C),
um die höhere
harmonische Komponente fs relativ zu der Oszillationsfrequenz f
zu unterdrücken.
Da das Frequenzzittern hauptsächlich durch
die höheren
harmonischen Elemente, die höher
als die Grundfrequenz sind, verursacht wird, kann die Filtereinheit 13 als
Tiefpassfilter für
Frequenzen höher
als die Grundfrequenz f1 konfiguriert werden.
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Da
ferner für
den Kristalloszillator 1 und den Kristallfilter 6 gleiche
Schnittwinkel eines Kristallstückes
festgelegt werden, kann im Wesentlichen die gleiche Frequenz-Temperatur-Kennlinie
bei dem obigen Beispiel erreicht werden. Es kann jedoch die gleiche
Frequenz-Temperatur-Kennlinie auch durch zum Beispiel eine Temperatur-Kompensationsschaltung erhalten
werden, um die Frequenz-Temperatur-Kennlinien dieser Bauteile aneinander
anzupassen und die gleichen Frequenz-Temperatur-Kennlinien zu erhalten.