JP2584991B2

JP2584991B2 - デジタル制御温度補償型水晶発振器

Info

Publication number: JP2584991B2
Application number: JP62077215A
Authority: JP
Inventors: 節夫堀
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1987-03-30
Filing date: 1987-03-30
Publication date: 1997-02-26
Anticipated expiration: 2012-02-26
Also published as: JPS63244904A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は発振周波数が温度によって変化する水晶振動
子を含む水晶発振器に対し、デジタル的に温度補償を行
うデジタル制御温度補償型水晶発振器（以下、DTCXOと
略す）に関する。

〔従来の技術〕

近年、水晶発振器は、通信機器、OA機器、工業用測定
機器等を動作させるに必要な処理信号などの時間的な制
御を行うための発振手段として広く用いられており、高
精度化、小型化が求められている。

ところで、水晶発振器の発振源である水晶振動子は、
例えばATカットの水晶振動子は３次曲線で示される周波
数温度特性を有し、周囲の温度の変化によって発振周波
数が変化する。このため、周囲の温度の変化によっても
発振周波数が変動しない高精度の水晶発振器を達成する
ために、周囲の温度の変化に対応した温度補償を行う必
要があった。最も簡単な温度補償型水晶発振器は、水晶
振動子の周波数温度特性を平坦するようサーミスタ、温
度特性を有するコンデンサ、抵抗などから補償回路を、
水晶振動子の一端に接続する方法である。

また、別の方法として、水晶振動子の負荷容量の１つ
にバリキャップダイオードなどの可変容量素子を用い
て、周囲の温度をサーミスタなどの検出するとともに、
その温度情報に対応する電圧を発生させ、この電圧をバ
リキャップダイオードに加え、水晶振動子を含む発振回
路の負荷容量を制御することによって水晶振動子の周波
数変動特性を補償して、発振器全体の発振周波数を平坦
化していた。

いずれの場合であっても、サーミスタ、コンデンサ、
抵抗などの特性によって、またはサーミスタとバリキャ
ップダイオードとの特性により、補償特性が決定される
アナログ的補償であり、広い温度領域で、且つ精度よく
水晶振動子の周波数変動特性を補償するには限度があっ
た。

そこで、水晶振動子の周波数変動特性を考慮して発振
器全体の発振周波数を平坦化するために、周囲の温度と
その温度における水晶振動子の周波数変動特性とを考慮
したデジタル的な温度補償データを予めメモリに記憶さ
せ、周囲の温度に対応した最適なデジタル的な温度補償
データに基づいてバリキャップダイオードに印加する電
圧を制御したDTCXOが提案されている（特開昭61-154206
号、特開昭62-235086号、特開昭62-235086号など）。

これによれば、アナログ的補償では完全に補償しえな
かった水晶振動子の周波数温度特性を補償することがで
き、高精度の水晶発振器が達成される。

第４図は従来のDTCXOのブロック回路図である。

従来のDTCXO50は、サーミスタを含む温度センサー部5
1、アナログ−デジタル（A/D）コンバータ52、周囲の温
度とその温度における水晶振動子の周波数変動特性とを
考慮した最適電圧値に関する温度補償データを記憶する
メモリ部53、デジタル−アナログ（D/A）コンバータ5
4、バリキャップダイオードなどを含む電圧制御水晶発
振器55とから構成されている。

温度センサー部51の周囲の温度に対応するアナログ信
号（検出電圧値）は、A/Dコンバータ52に供給され、A/D
コンバータ52でデジタル信号に変換される。このデジタ
ル信号は、メモリ部53の所定温度補償データを出力する
ためのアドレス指定信号として、メモリ部53に供給され
る。このメモリー部53は、このアドレス指定信号に基づ
いて最適な温度補償を行うための電圧値に関する温度補
償データをD/Aコンバータ54に供給する。D/Aコンバータ
54は、温度補償データに対応しバリキャップダイオード
に印加すべき所定電圧（アナログ信号）に変換され、電
圧制御型水晶発振器55のバリキャップダイオードに供給
される。この電圧に応じた発振回路の負荷容量成分が制
御され、周囲の温度に対応して水晶振動子の周波数変動
特性を補償して、発振器全体では所定発振周波数の発振
出力が得られる。

〔従来技術の問題点〕

しかしながら、上述のDTCXO50において、温度センサ
部51のサーミスタなどで検出される検出電圧は、A/Dコ
ンバータ52でアドレス指定信号のデジタル信号に変換さ
れる。そのアドレス指定信号は並列の数ビットで導出さ
れることになり、メモリ部53のアドレス指定信号の入力
端子の個数が複数必要となる。このため、メモリ部53の
周囲配線が複雑となり、かつメモリ部53が大型化してし
まい、温度センサー51、A/Dコンバータ52及びD/Aコンバ
ータ54の集積化に限度があり、DTCXO50を１個のケース
に収納して小型化を図ることが極めて困難となる。

また、温度センサー部51で検出した検出電圧から最終
的に電圧制御型水晶発振器55に電圧が印加されるまで
に、合計２回の変換処理（A/Dコンバータ、D/Aコンバー
タ）を行っている。従って、その変換誤差が大きくな
り、温度補償の精度が低下することがあった。

本発明は上述の問題点に鑑みて案出されたものであ
り、その目的はデジタル信号として現れる温度パルス信
号に基づいて、デジタル処理による温度補償を行うこと
ができ、発振周波数特性を高精度に保ち、また、メモリ
部の入力端子の個数を極小化して、小型化なDTCXOを提
供することにある。

〔目的を達成するための具体的な手段〕

本発明が上述の目的を達成するために行った具体的な
手段は、温度センサー部と、該温度センサー部の温度カ
ウント信号に基づいてアドレス指定信号を作成する動作
制御部と、該動作制御部のアドレス指定信号により所定
温度補償データを出力するシーケンシャルメモリ部と、
シーケンシャルメモリ部の温度補償データをアナログ信
号に変換するD/Aコンバータと、D/Aコンバータのアナロ
グ信号に基づいて水晶振動子の負荷容量を変化させて所
定周波数で発振を行う電圧制御型水晶発振器とから成る
デジタル制御温度補償型水晶発振器であって、前記シーケンシャルメモリ部は、連続するＮ個のアド
レスに対応するＮ個のデータを１群（１ワード）として
構成される温度補償データを複数保持されているととも
に、前記温度センサー部は、周囲温度の変化に応じてパル
ス数Ｍが変動する温度カウント信号を動作制御部に供給
し、前記動作制御部は、温度カンウント信号のパルス数
Ｍに対応し、且つ連続するＮ個のデータによって構成さ
れる１群（１ワード）の温度補償データを完全に抽出で
きるパルス数Ｍ′のアドレス指定信号をシーケンシャル
メモリ部に出力するデジタル制御温度補償型水晶発振器
である。

〔作用〕

本発明によれば、周囲の温度を情報をパルス数Ｍが変
動する温度カウント信号（デジタル的な信号）でもっ
て、デジタル処理による温度補償を行うことができ、A/
Dコンバータを必要としないため、変換誤差の少ない温
度補償を行うことができる。

また、メモリ上に保持された周囲の温度によって変動
する水晶振動子の周波数温度特性を補償する最適な補償
データに基づいて温度補償を行うことができ、高精度の
温度補償が可能なDTCXOとなる。

また、周囲の温度及びその温度によって変動する水晶
振動子の周波数特性を補償する最適な補償データを保持
するメモリ部に、シーケンシャルメモリ、即ちアドレス
指定の入力端子が１個で、連続的に入力されるメモリを
用いたため、メモリ部の周辺の配線が簡素化し、極めて
小型なDTCXOとなる。

〔実施例〕

以下、本発明のDTCXO10を図面に基づいて詳説する。

第１図は、本発明のDTCXO10の構成を示すブロック図
である。

DTCXO10は、電圧制御型水晶発振器１と、温度センサ
ー部２と、温度補償に関する複数の補償データを保持す
るシーケンシャルメモリ部４と、該シーケンシャルメモ
リ部４のアドレス指定を制御する動作制御部５と、D/A
コンバータ６とから主に構成されている。尚、３は基準
発振器である。

概略動作は次のとおりである。温度センサー部２、基
準発振器３は、夫々温度カウント信号ｂ、リセット信号
ｃを動作制御部５に供給する。動作制御部５は、前記温
度カウント信号ｂ、リセット信号ｃに基づいて、周囲の
温度に対応して予め温度補償に関するデータを保持する
シーケンシャルメモリ部４に、前記温度補償に関するデ
ータを抽出するための所定パルス数のアドレス指定信号
ｄを発生し、シーケンシャルメモリ部４の１個のアドレ
ス指定の入力端子にシリアル的に供給する。シーケンシ
ャルメモリ部４は、シリアル的なアドレス指定信号に基
づいて、１ビットの温度補償に関するデータが発生し、
このデータを組み合わせてＮビットのパラレル温度補償
データに変換して、その温度補償データをD/Aコンバー
タ６に供給する。D/Aコンバータ６は温度補償データに
基づいて所定アナログ信号（電圧信号）に変換し、電圧
制御水晶発振器１の可変容量素子に供給する。これによ
り電圧制御型水晶発振器１では、周囲の温度に対応する
最適な温度補償データに基づき水晶振動子の周波数温度
特性を完全に補償された発振を出力する。

具体的には、電圧制御型水晶発振器１は、発振源であ
る水晶振動子７、バリキャップダイオードを含む発振回
路等からなり、所定周波数の発振を行う。尚、水晶振動
子７は周囲の温度の変化によって発振周波数の変動する
が、水晶振動子７の負荷容量の１つであるバリキャップ
ダイオードに、結果として温度の変化に対しても発振器
全体の発振周波数が安定するような負荷容量となる所定
電圧（シーケンシャルメモリ部４に保持された温度補償
データに基づいて制御される電圧）が印加される。この
制御のための電圧は、D/Aコンバータ６でデジタル的な
温度補償データから変化されたアナログ信号に基づくも
のである。

温度センサー部２は上記電圧制御型水晶発振器１の温
度補償を行うために、周囲の温度を検知するものであ
る。例えば、第２図に示すように所定温度特性のセラミ
ックコンデンサ、発振用インバータなどを含む発振部８
と、該発振部８から出力される温度パルスａを計数する
カウンター部９とから成り、このカウンター部９で温度
パルスａを計数した温度カウント信号ｂが動作制御部５
に供給される。

基準発振器３は上述の温度センサー部２から出力され
る温度カウント信号ｂを所定期間毎に区切るための基準
時間を決定するものであり、その構成は第２図に示す温
度センサー部２と同様、発振部とカウンター部（いずれ
も図示せず）から成る。尚、基準発振器３の発振部は温
度に対してその発振パルスが不変であることが望まし
い。この基準発振器３で形成された基準時間を示すリセ
ット信号ｃは動作制御部５に供給される。

シーケンシャルメモリ部４は第３図に示すように、シ
リアルインプットのROM31とシリアルデータをパラレル
データに変換するシフトレジスタ32とから構成されてい
る。シリアルインプットのROM31は、１アドレスＡに対
して１ビットの温度補償に関するデータＤが予め保持さ
れており、１本のアドレス指定の入力端子33には動作制
御部５から供給されるアドレス指定信号ｄがシリアル的
に入力する。

ここで、１ビットの温度補償データでは、実際上、電
圧制御型水晶発振器１の温度補償はできない。

このため、本発明では、温度補償に必要な補償データ
を連続するＮ個のアドレスに対応するデータＤに、夫々
１ビットの温度補償に関するデータをシリアルインプッ
トのROM31に保持しておき、Ｎ個のアドレスに対応する
Ｎ個のデータをシフトレジスタ32で１群のＮビットのパ
ラレルデータに変換して、Ｎビットの温度補償データと
して用いている。

例えば、ある温度範囲における水晶振動子７の発振周
波数の変動特性と調べた結果、発振器１の発振周波数を
平坦化するためには、その温度範囲を51の領域で夫々温
度補償を行う必要があり、且つ、バリキャップダイオー
ドに印加すべき電圧が32種類の電圧値が必要な場合、51
の温度領域で、温度補償データが５ビット（2⁵＝32）が
必要となる。このような場合、256ビット（51×５＝25
5）のシリアルインプットのROM31を用いて、アドレスA1
〜A255（アドレスA0は使用せず）に対応するデータD1〜
D255に所定データを保持させる。

即ち、アドレスA1〜A5に対応するデータD1〜D5には、
シフレジスタ32で得られる５ビットの温度補償データ
（第１のワード）が、第１の温度領域における最適な温
度補償できるようなデータを夫々保持させ、アドレスA6
〜A10に対応するデータ６〜D10には、シフトレジスタ32
で得られる５ビットの温度補償データ（第２のワード）
が、第２の温度領域における最適な温度補償できるよう
なデータを夫々保持させ、・・・・アドレスA251〜A255
に対応するデータD251〜D255にはシフトレジスタ32で得
られる５ビットの温度補償データ（第51のワード）が、
第51の温度領域における最適な温度補償できるようなデ
ータを夫々保持させる。

そして、シーケンシャルメモリ部４のアドレス指定の
入力端子33に動作制御部５からシリアル的にアドレス指
定信号ｄが供給されると、アドレス指定信号ｄの１パル
ス毎に、アドレスA1からアドレスA255に対応するデータ
D1からD255が順次シフトレジスタ32に出力されることに
なる。

今、所定期間（リセット信号ｃによって決定される）
にアドレス指定信号ｄのパルス数Ｍ′が10パルスであれ
ば、シフトレジスタ32には、アドレスA6のデータD6から
アドレスA10のデータD10までが蓄積されていることにな
る。即ち、この時点で、「10010」という第２のワード
の温度補償データが得られることになる。

動作制御部５は、温度センサー部２から供給される温
度カウント信号ｂと基準発振器３から供給されるリセッ
ト信号ｃとに基づいて、周囲の温度に応じた最適な温度
補償データをシーケンシャルメモリ部４から出力させる
ためのアドレス指定信号ｄを作成し、このアドレス指定
信号ｄをシーケンシャルメモリ部４の入力端子33に供給
するものである。

上述のように、シーケンシャルメモリ部５に保持され
た例えば５ビットづつの複数の温度補償データは、連続
するＮ個（例ではＮ＝５）のアドレスＡ（ｘ＋１）〜Ａ
（ｘ＋５）に対応するデータＤ（ｘ＋１）〜Ｄ（ｘ＋
５）が組み合わされた５ビットで１つの温度補償データ
（１ワード）として使用されるため、アドレス信号ｄの
パルス数Ｍ′は、１ワードに対応する最終アドレス、例
えば５、10、15・・・255でなくてはならない。

具体的には、アドレス信号ｄは、温度センサー部２及
び基準発振器３によって発生し、且つ周囲の温度の変化
によって変動する温度カウント信号ｂのパルス数Ｍを、
Ｎビットの１ワード当たりの最終アドレス、上述の例で
は５、10、15、・・・255（アドレス０は不使用）、に
対応するパルス数Ｍ′（Ｍ′＝aN＋ｂ）に変換して、シ
ーケンシャルメモリ部４のアドレス指定の入力端子33に
供給する。

尚、Ｍ′＝aN＋ｂにおいて、ａは温度領域の数を示
し、上述の例では１〜51までの範囲であり、Ｎは温度補
償データの１ワードあたりのビット数であり、上述の例
では５であり、ｂは温度補償に関するデータが保持され
ていない未使用アドレスの最終数であり、上述の例では
０である。従って、上述の例では、Ｍ′＝aNとＮの倍数
となる。

例えば、温度センサー部２及び基準発振器３によって
発生し、且つ周囲の温度の変化によって変動する温度カ
ウント信号ｂのパルス数Ｍが１〜255に直線的に変動す
る場合には、温度カウント信号ｂのパルス数Ｍが例えば
「10」であれば、シーケンシャルメモリ部４の入力端子
にＭ′＝10のパルス数のアドレス指定信号ｄを供給す
る。また、温度カウント信号ｂのパルス数Ｍが６であれ
ば、シーケンシャルメモリ部４の入力端子に「６」に、
１ワード当たりの最終アドレスに対応するように、例え
ば切り上げたＭ′＝10のパルス数に変換したアドレス指
定信号ｄをシーケンシャルメモリ部４の入力端子に供給
する。

また、上述のように、温度カウント信号ｂのパルス数
Ｍが１〜255で直線的に変動しない場合には、温度カウ
ント信号ｂをゲート回路を用いることにより、シーケン
シャルメモリ部４のアドレス数に対応したアドレス指定
信号ｄを作成することができる。また、アドレス指定信
号ｄのパルス数Ｍ′が１ワード当たりの最終アドレスに
対応するようにするためには、シフトレジスタやフリッ
プフロップ回路を用いて、例えばリセット信号ｃの発生
を動作制御部５内で疑似的に遅延させ、温度カウント信
号ｂのパルス数を疑似的に増加させて、１ワード当たり
の最終アドレスに対応するパルス数Ｍ′のアドレス指定
信号ｄを作成することができる。

D/Aコンバータ６は、シーケンシャルメモリ部４のシ
フトレジスタ32から出力されたＮビットのデジタル的な
温度補償データｅを、電圧制御型水晶発振器１のバリキ
ャップダイオードなどの可変容量素子に印加するアナロ
グ的な電圧に変換するものである。具体的には、従来か
ら周知の構成であるＮビットの各桁の１、０に対応して
動作する、プルアップ抵抗群からなるラダー型ネットワ
ーク回路によって簡単に形成することができる。

実施例では、シーケンシャルメモリ部４として256ビ
ットのROM31を用いて説明したが、メモリ素子の大容量
化により、電圧制御型水晶発振器１の温度補償する温度
範囲を広い範囲とすることも容易であり、また、１ワー
ド当たりの温度補償データのビット数を増加させること
により、温度補償の精度の向上も容易である。

尚、上述の実施例におけるシフトレジスタ32は説明
上、シーケンシャルメモリ部４の一部としたが、シフト
レジスタ32をD/Aコンバータ６に含めてもよく、また、
温度センサー部２、基準発振器３の発振用インバータな
どとともに１つのICに集積化することもできる。

〔発明の効果〕

以上の様に、本発明のDTCXO、即ちデジタル制御温度
補償型水晶発振器は、温度センサー部から出力される温
度カウント信号のパルス数（デジタル信号）に基づい
て、シーケンシャルメモリ部に保持された所定温度補償
データを抽出して温度補償を行い、従来のようにA/Dコ
ンバータが不要となるため、アナログ−デジタルの変換
の誤差がなくなり、発振周波数特性を高精度に保つこと
ができる。

また、シーケンシャルメモリ部から温度補償データを
抽出するためのアドレス指定信号は、シーケンシャルメ
モリ部の１個の入力端子でシリアル的に行うため、シー
ケンシャルメモリ部の周囲の配線が簡素化し、全体の小
型化に大きく寄与できる。

さらに、シーケンシャルメモリ部のＮ個アドレスに対
応するＮ個のデータを組み合わせて、Ｎビットに温度補
償データを作成しているため、温度補償の温度範囲、補
償量に応じて、最適な温度補償を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のデジタル制御温度補償型水晶発振器の
構成を示すブロック図であり、第２図は第１図中の温度
センサー部の構成を示すブロック図であり、第３図は第
１図中のシーケンシャルメモリ部の構成を示すブロック
図である。第４図は従来のデジタル制御温度補償型水晶発振器の構
成を示すブロック図である。１……電圧制御型水晶発振器２……温度センサー部４……シーケンシャルメモリ部５……動作制御部６……D/Aコンバータ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】温度センサー部と、該温度センサー部の温
度カウント信号に基づいてアドレス指定信号を作成する
動作制御部と、該動作制御部のアドレス指定信号により
所定温度補償データを出力するシーケンシャルメモリ部
と、シーケンシャルメモリ部の温度補償データをアナロ
グ信号に変換するD/Aコンバータと、D/Aコンバータのア
ナログ信号に基づいて水晶振動子の負荷容量を変化させ
て所定周波数で発振を行う電圧制御型水晶発振器とから
成るデジタル制御温度補償型水晶発振器であって、前記シーケンシャルメモリ部は、連続するＮ個のアドレ
スに対応するＮ個のデータを１群として構成される温度
補償データを複数保持しているとともに、前記温度センサー部は、周囲温度の変化に応じてパルス
数Ｍが変動する温度カウント信号を動作制御部に供給
し、前記動作制御部は、温度カンウント信号のパルス数
Ｍに対応し、且つ連続するＮ個のデータによって構成さ
れる１群の温度補償データを完全に抽出できるパルス数
Ｍ′のアドレス指定信号をシーケンシャルメモリ部に出
力することを特徴とするデジタル制御温度補償型水晶発振器。