JP2657498B2 - デジタル温度補償型発振器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はデジタル・コード化した温度情報を基にして
温度変化による発振周波数の変動を補償するようにした
温度補償型発振器に関し、特に温度情報に基いて生成さ
れるビット信号の利用効率及び温度に対する分解能を高
め、温度補償精度を向上させたデジタル温度補償型発振
器に関する。

（従来の技術） 外部温度の変化による電圧制御型発振器（VCO）の発
振周波数の変動を抑制する手段として温度による発振周
波数の変動量が大きい温度センサからの温度情報をデジ
タル符号化し、これに基いて周波数の温度補償を行い、
所定の発振周波数を得るようにしたデジタル温度補償型
発振器が存する。なお、電圧制御型発振器としては、一
般に水晶発振器を用いたもの（VCXO）が使用されている
ため、以下、VCXOについて説明する。

第３図は従来のデジタル温度補償型発振器、特に発振
素子として水晶振動子を用いたデジタル温度補償型発振
器（DTCXO）のブロック構成説明図であり、この回路は
外部の温度変化を敏感に感知して周波数が変化する発振
器としての温度センサ１と、基準パルス信号を生成する
発振源であるとともに温度補償の対象となる電圧制御型
水晶発振器（VCXO）２と、VCXO2から出力される発振信
号を分周し所要周期の基準パルスを生成する分周器３
と、温度センサ１から出力される発振信号の周期をゲー
トとして前記基準パルスをカウントしこのカウント値を
温度情報コードとするカウンタ４と、前記温度情報コー
ドに基いてVCXO2に印加すべき周波数制御電圧と一対一
に対応した温度補償コードを生成するデジタル制御回路
５と、制御回路５によって生成された温度補償コードを
アナログ変換し温度補償電圧（周波数制御電圧）を生成
するD/Aコンバータ回路６とを有する。

温度センサ１における温度と周波数ｆとの関係が一次
関数的であれば、温度補償コードは温度に対して一義的
に定まり、温度変化によるVCXO2の発振周波数の変動は
印加電圧により補償される。なお、この構成において、
補償されるべきVCXOの発振周波数も温度によって変動す
るが、この変動の割合は温度センサのそれと比較すれば
無視し得る程度に格段に小さいものとし、この方法によ
ってVCXOの周波数の変動分を更に小さくするものであ
る。

デジタル制御回路２は、補償すべきVCXO2の各温度範
囲における制御電圧と温度とを一対一に対応させたテー
ブルを記憶したROMを有している。

第５図は第３図に示した従来の分周器３及びカウンタ
４から成る温度情報符号化回路の構成を示し、分周器３
はVCXO2の出力をクロック入力端子CKに入力してVCXO出
力の1/2分周出力を生成し、この1/2分周出力を基準パル
スとして論理和ゲート10の一方に入力する。温度センサ
出力は論理和ゲート10の他方の入力となる。８ビット出
力を有する２進カウンタ４のクロック入力端子CKには論
理和ゲート10の出力が入力され、クリア入力端子CLには
毎回温度計測が終了する毎にカウンタを『０』とするた
めのクリア信号が入力される。

以上の構成において２進カウンタ４にクリア信号を入
力して２進カウンタ４の出力をオール０にした状態にお
いて、VCXO出力及び温度センサ出力を夫々論理和ゲート
10に入力する。温度センサ出力がHighレベルであるとき
には論理和ゲート10の出力端子はHighレベルとなり、２
進カウンタ４のカウンタ動作は行われないが、温度セン
サ出力がLowレベルである時には論理和ゲート10の出力
端子には基準パルスが現われて２進カウンタ４はカウン
ト動作を開始する。温度センサ出力がLowレベルからHig
hレベルに変わると論理和ゲート10の出力端子はHighレ
ベルになってカウント動作を停止する。この動作におい
て温度センサからの出力周波数は温度と対応して増減す
るからゲート10の出力パルス数をカウントすればその時
の温度を検知し得る。２進カウンタ４はこのゲート出力
パルスを計数するものであって、２進カウンタ３の８ビ
ットの出力端子Q0〜Q7に現われている値が温度情報コー
ドとなる。

今、この温度補償範囲では、温度センサ１は負の温度
−周波数特性を有し、20ppm/℃の割合で一義的に変化す
るものとし、温度範囲が−30℃から＋80℃にて変化すれ
ば、第４図に示すように−30℃にて最小幅に、また＋
80℃にて最大パルス幅＋となる。

また、前記センサから出力される周波数を常温25℃に
て50Hzに設定した場合、Lowレベルのパルス幅は10msec
であるのに対して、−30℃のときのパルス幅は9.989m
sec、80℃のパルス幅＋は10.011msecとなる。−30
℃から80℃までのパルスの変化幅は、2200ppm、22μs
ecである。

上記従来のデジタル温度補償型水晶発振器は、温度セ
ンサ出力のLowレベルのパルス幅から温度情報を検出
し、これを８ビットの符号に変換している。

従って、−30℃から80℃までの110℃の温度補償範囲
における温度情報コードの分解能を向上させるためには
256通りの８ビットの符号を前記パルスの変化幅（22
μsec）に割当てればよい。換言すれば、22μsecの1/25
6の周期を有する基準パルスでカウントを行うのが好ま
しい。しかしながら、基準パルスはVCXO出力を分周する
ことによって生成しているので、基準パルスの周期を任
意に変化させることは困難である。例えば、VCXOの出力
周波数として12.8MHzが用いられる場合、基準パルスと
してはこれを1/2に分周した6.4MHz（周期は0.15625μse
c）が用いられ、基準パルスの周期は22μsecの約1/141
となる。この場合、256通りある温度情報コードのうち
の使用されるのは141通りだけであるため、精度が低下
するばかりでなく、基準パルスをカウントするための手
順が煩雑化するという問題がある。また、例えば、分周
比を1/1とすれば、周期は22μsecの1/282となり、−30
℃から＋80℃の範囲において温度常法コードは282通り
得られるが、８ビットでは282通りの表現は不可能であ
る。

このように、従来の温度情報符号化回路は８ビットの
分解能を有しながらこれら全部を連続的に有効に利用す
ることができなかったため、温度情報コードの使用効率
が極めて悪く、その結果温度に対する分解能が低くな
り、発振器の温度補償精度を向上させることが困難であ
った。

８ビットの場合、理想的には256に対して内輪で最も
近いパルス数でカウントすることが好ましい。

また、本出願人は補償温度範囲内の最低温度−30℃に
おける温度センサのLowレベルパルス幅を記憶しておく
手段（カウンタコントローラ）を設けて、カウント動作
を前記最低温度パルス幅が終端する時点で常にクリアす
ることによって、現時点における温度センサ出力パルス
幅後部の変化幅部分だけを分周率の小さいパルスでカウ
ントするようにしているが、この場合においてもカウン
トに使用されるパルス数を256に対して内輪で出来るだ
け近いパルス数に設定することは不可能であった。

（発明の目的） 本発明は上記のように従来のデジタル温度補償型発振
器における温度情報符号化回路における欠点を解消する
ためになされたものであり、カウント用のパルス数を当
該ビットによって得られる最大パルス数に内輪でできる
だけ近い数に設定することによって、温度補償範囲にお
けるビット信号の最大利用を図り、温度情報コードの温
度に対する分解能を向上させたデジタル温度補償型発振
器を提供することを目的とするものである。

（発明の概要） 上記目的を達成するため、本発明のデジタル温度補償
型発振器は、温度変化に応じて発振周波数が変化する発
振器を含む温度センサと、該温度センサから得た周波数
に基づいて導出したゲート信号によって電圧制御型発振
器（以下、VCOという）からの基準パルス数をカウント
するカウンタと、このカウント結果に基づいて温度情報
を抽出する手段と、該温度情報に基づいて該VCOに印加
すべき補償電圧を決定するデジタル温度補償型発振器に
おいて、前記ゲート信号のパルス周期を変更する手段を
備え、温度補償範囲の最低温度と最高温度との温度差の
範囲において前記カウンタのビット数によって得られる
最大パルス数に内輪で近い数となるように前記ゲート信
号のパルス周期を設定するようにしたことを特徴とす
る。

また、本発明において、前記ゲート信号パルス周期を
変更する手段は、前記温度センサ出力パルスを計数する
カウンタと、該カウンタが１進〜ｎ進カウンタのいづれ
か一つとして機能するように予め設定する手段を備えた
カウンタコントローラとを含み、温度補償範囲の最低温
度と最高温度との温度差に対応して前記カウンタの機能
を設定することによって該温度補償範囲において前記カ
ウンタのビット数によって得られる最大パルス数に内輪
で近い数となるように前記ゲート信号のパルス周期を設
定すること望ましい。

（実施例） 以下、本発明のデジタル温度補償型発振器について詳
細に説明する。

なお、以下の実施例においては電圧制御型発振器（VC
O）のうちから電圧制御型水晶発振器（VCXO）を一例と
して用いて説明する。

第１図は本発明のデジタル温度補償型発振器のブロッ
ク図であり、この温度補償のための回路は外部の温度変
化を敏感に感知して周波数を変化させる発振器としての
温度センサ11と、基準パルス信号を生成する発振源であ
るとともに温度補償の対象となる電圧制御型水晶発振器
（VCXO）12と、VCXO12から出力される発振信号をクロッ
ク入力端子CKに入力して分周し所要周期の基準パルスを
生成する分周器13と、後述するマルチプレクサ20出力を
1/2分周する分周器14と、分周器14出力信号をHighで出
力しLowにおいて分周器13出力信号を通過させる論理和
ゲート15と、温度センサ11から出力される発振信号の周
期をゲートとして前記基準パルスをカウントしこのカウ
ント値を温度情報コードとする第１の２進カウンタ16
と、第２の２進カウンタ18をクリアする論理積ゲート17
と、温度センサ出力のパルスカウント値を生成するとと
もに３ビット出力端Q0、Q1、Q2及びこれらの反転出力端
Q0′、Q1′、Q2′を有した第２の２進カウンタ18と、第
２の２進カウンタ18の出力を検出する論理積ゲート群19
と、論理積ゲート群19からの入力を選択して出力すマル
チプレクサ20と、第２の２進カウント16からの８ビット
出力およびその桁上げ出力を入力する入力端子D0〜D7及
びキャリー入力端子CARRY、更には温度センサ出力を入
力する入力端子Ｓ及び出力端子Ａ、Ｂ、CLを有したカウ
ンタコントローラ25と、前記温度情報コードに基いてVC
XO12に印加すべき補償電圧と一対一に対応した温度補償
コードを生成するデジタル制御回路21と、制御回路21に
よって生成された温度補償コードをアナログ変換し温度
補償電圧（周波数制御電圧）を生成するD/Aコンバータ
回路22（ラダー型D/Aコンバータ）とを有する。

デジタル制御回路21は、補償すべきVCXO12の各温度範
囲における制御電圧と温度とを一対一に対応させたテー
ブルを記憶したROMを有している。

カウンタコントローラ25の出力端子Ａ、Ｂ、Ｃはマル
チプレクサ20の入力端子Ａ、Ｂ、Ｃに夫々出力される一
方、クリア入力端子CLは２進カウンタ16のクリア端子CL
に接続される。

マルチプレクサ20は入力したカウンタコントローラ25
から入力される選択信号Ａ、Ｂ、Ｃに基いて、論理積ゲ
ート群19を介して入力される温度センサ出力を選択して
分周器14に出力する。

温度センサ11の出力端は第２の２進カウンタ18のクロ
ック入力端子CK及び論理積ゲート17の一方の入力端子に
接続され、第２の２進カウンタ18の出力Q0は論理積ゲー
ト群19を構成する各ゲートP2、P4、P6、P8の各入力端子
１に接続される。第２の２進カウンタ18の出力Q1は、論
理積ゲート群19のゲートP3、P4、P7、P8の各入力端子２
に接続され、出力端子Q2は、ゲートP5、P6、P7、P8の各
入力端子３に接続され、出力Q0′はゲートP3、P5、P7、
P9の各入力端子１に接続され、出力端子Q1′はゲートP
2、P5、P6、P9の入力端子２に接続され、出力端子Q2′
はゲートP2、P3、P4、P9の入力端子３に夫々接続され
る。

論理積ゲート群19を構成する各ゲートP2〜P9の各出力
端４はマルチプレクサ20の各入力端子D0〜D7に接続さ
れ、マルチプレクサ20の選択信号入力端Ａ、Ｂ、Ｃには
図示しないカウンタコントローラ等からの選択信号Ａ、
Ｂ、Ｃが夫々入力される。マルチプレクサ20の出力端Ｙ
は、論理積ゲート17の他方の入力端及び分周器14のクロ
ック端子CKに接続され、論理積ゲート17の出力端子は第
２の２進カウンタ18のクリア入力端子CLに接続される。
なお、２進カウンタ18と、第２の２進カウンタ18の出力
を検出する論理積ゲート群19は、温度センサ出力の周期
可変手段を構成している。

VCXO12の出力は分周器13のクロック入力端子CKに入力
され、分周器13の1/16分周出力は論理和ゲート15の一方
の入力端子１に接続され、さらに分周器14の1/2分周出
力は論理和ゲート15の入力端子２に接続される。論理和
ゲート15の出力端子３は、第１の２進カウンタ16のクロ
ック入力端子CKに接続される。

カウンタコントローラ25は、２進カウンタ16のQ0〜Q7
の８ビット出力及び桁上げ出力を入力して桁上げ回数を
カウントし、これに基いてマルチプレクサ20の選択信号
Ａ、Ｂ及び２進カウンタ16のクリア信号CLを生成し、カ
ウント動作を制御する。また、コントローラ25内には補
償温度範囲−30〜＋80内における最低温度−30における
Lowレベルのパルス幅のカウント値が予め設定保持され
ている。

以上の構成において本発明の動作原理について説明す
る。

第２の２進カウンタ18の各出力端Q0〜Q2、Q0〜Q2から
は温度センサ出力パルスのカウント値が出力され、論理
積ゲート群19は第２の２進カウンタ18に入力される温度
センサ出力のパルス数を２進カウンタ18の各出力の組合
せによって検出し、『０』または『１』の値をとる。

第２図（ａ）は第２の２進カウンタ18に入力されるパ
ルス数、２進カウンタ出力、論理積ゲート群19の各ゲー
トP2〜P9の各出力の対応関係を示す表であり、例えば論
理積ゲートP8は温度センサ出力が７個のパルスを２進カ
ウンタ18に入力したとき『１』を出力する。

また、第２図（ｂ）はマルチプレクサ20の真理値表で
あり、マルチプレクサ20は論理積ゲート群19を構成する
各ゲートP2〜P9からの各出力のうちの一つをＡ、Ｂ、Ｃ
の選択信号によって選択して出力する。例えば、選択信
号Ａ、Ｂ、Ｃを夫々１、１、１、と選択すれば、７番目
の論理積ゲートP8の出力がマルチプレクサ20の出力に現
われる（第２図（ａ）参照）。

論理積ゲート17は、マルチプレクサ20の出力及び温度
センサ出力がHighレベルのときに第２の２進カウンタ18
をクリアする。例えば、各選択信号Ａ、Ｂ、Ｃを夫々
１、１、１と設定したときに温度センサの出力パルスが
７個入力されると、２進カウンタ18はクリアされ、再び
カウント動作を開始する。この場合、２進カウンタ18は
７進カウンタとして動作することになる。このことは即
ち、選択信号Ａ、Ｂ、Ｃの組合せを選択することによっ
て、２進カウンタ18を１進〜８進までの８種類のカウン
タとして任意に動作させることができることを意味す
る。

分周器14は、マルチプレクサ20の出力を1/2分周して
出力するため、上記例のように選択信号Ａ、Ｂ、Ｃが
１、１、１と選定された場合には、マルチプレクサ20か
らの７進信号は1/2分周されて、温度センサ出力の1/14
分周信号として出力される。

分周器13はVCXO出力を1/16に分周して出力し、論理和
ゲート15は分周器14の出力がHighレベルのときにHighレ
ベルを出力し、Lowレベルのときに分周器13の出力を通
過させる。第１の２進カウンタ16は論理和ゲート15を通
過したパルスによりカウント動作を行い、温度情報コー
ドを生成する。

前記第４図の説明において述べたように、温度センサ
出力を25℃において50Hzとすると、１度毎に20ppm/℃周
波数が変動する。この時のVCXO出力信号を12.8MHzと
し、選択信号Ａ、Ｂ、Ｃを１、１、１と設定すると、分
周器14は温度センサ出力を1/14に分周したものを出力
し、その時のLowレベルのパルス幅は25℃で0.14sec（0,
01sec×14）となる。

また、温度を−30℃から80℃までの110℃幅変化させ
た場合、温度センサ出力は全体で2200ppm変化するた
め、25℃のときの温度センサ出力のLowパルス幅である
0.14secは0.31msec（2200ppm×0.31msec）の変化幅を有
する。分周器13はVCXO出力を1/16分周して0.8MHzの周波
数をもつパルスを出力し、当該パルスの周期は1.25μse
cとなる。0.31msecの変化幅の中に1.25msecのパルスは2
46個入るので−30から80℃までの110℃の温度範囲内で
２進カウンタ18は246通りの温度情報コードを生成す
る。ここで得られた246通りの温度情報コードは、８ビ
ットで得られる最大パルス数256に対して内輪で最も近
い数になる。

次に、温度範囲を−40℃〜90℃の130℃範囲に設定し
た場合、Ａ、Ｂ、Ｃの選択信号を０、１、１とすると、
カウンタ18は６進毎にクリアする６進カウンタとなるか
ら、249通りの温度情報コードを得ることができる。即
ち、分周器14は温度センサ出力を1/12に分周するため、
そのときのLowレベルのパルス幅は25℃で0.12secとな
り、−40℃〜90℃の温度範囲内におけるパルス変化幅は
2600ppm（130×20ppm）となる。従って、0.12secのパル
ス幅は130℃の変化の間に0.312msec（2600ppm×0.12se
c）変化する。0.312msecの変化幅の中に1.25msecのパル
スは249個入るので、−40℃〜90℃までの温度範囲にお
いて２進カウンタ18は249通りの温度情報コードを生成
する。

なお、温度センサ出力がLowレベルに変化したとき、
低い分周出力（例えば1/8）の周波数で被測定パルス
（温度センサ出力パルス）幅がカウントされているが、
カウンタコントローラ25は、CARRYの出力回数及び８ビ
ット出力Q0〜Q7が予め設定された値になると、クリア信
号CLを出力し、２進カウンタ16をクリアする。これと同
時に選択信号Ａ、Ｂを切換えてマルチプレクサ20に対し
てより小さい分周出力（例えば1/2）を選択するように
指令する。クリア信号を出力する上記設定値は、第４図
に示した変化幅が開始する時点に設定しておく。

以上のように本発明においては、従来例に比べ256通
りに内輪で最も近い数の温度情報コードで変化幅内だけ
をカウントすることを可能にしたため、温度分解能を向
上させることができる。

なお、上記実施例においては、分周器14として1/16分
周のものを単独で用いているが、1/8のものをも併用
し、両者を切換えて使用するようにしてもよい。このよ
うにして、論理和ゲート15に入力するVCXO出力及び温度
センサ出力を多様に組合せて使用可能に構成することに
よって温度補償範囲、温度センサ出力特性、VCXO出力周
波数等に変更があった場合に幅広い対応が可能となり、
最適な温度情報コードの使用効率を得ることができる。

本発明において特徴的なことは第２の２進カウンタと
論理積ゲートとの組合せによって被測定パルスとしての
温度センサ出力パルス数を所望に変更し（パルス数を低
減してパルス幅を拡大し）、更にこれを分周することに
よって得られた被測定パルス幅を、VCXOからの基準パル
スを所望に分周することによって得られた測定パルスに
よってカウントする点である。このため、２進カウンタ
において使用されたビットによって得られる最大値に内
輪で最も近い数のカウントパルスを用いて被測定パルス
の変化幅を測定することができる。従って、分解能を大
幅に向上することができる。

なお、上記実施例において示した８ビットのカウンタ
の構成は一例に過ぎず、これに限定される訳ではない。
また、水晶発振子以外の発振素子を用いた発振器も本発
明の範囲に含まれるものである。

更には、同様の分周器を温度センサ出力端に挿入し
て、ゲートパルスそのものを分周しても良く、またこの
例と上述した例の両者を併用すればより一層本発明の目
的を達成することができよう。

（発明の効果） 以上のように本発明のデジタル温度補償型発振器によ
れば、補償温度範囲におけるビット信号の最大利用を図
り、温度情報コードの温度に対する分解能を向上するこ
とができる。従って、VCXOの温度補償精度を向上するこ
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温度補償型発振器の一例の構
成を示すブロック図、第２図（ａ）は第２の２進カウン
タに入力されるパルス数、２進カウンタ出力、論理積ゲ
ート群の各ゲートの各出力の対応関係を示す表、第２図
（ｂ）はマルチプレクサの真理値表、第３図は従来のデ
ジタル温度補償型発振器のブロック構成説明図、第４図
は温度センサ出力の波形図、第５図は第３図に示した従
来の分周器及びカウンタから成る温度情報符号化回路の
構成説明図である。 11……温度センサ、12……VCXO、13、14……分周器、15
……論理和ゲート、16、18……２進カウンタ、17……論
理積ゲート、19……論理積ゲート群、20……マルチプレ
クサ、21……デジタル制御回路、22……D/Aコンバー
タ、25……カウンタコントローラ

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】温度変化に応じて発振周波数が変化する発
   振器を含む温度センサと、該温度センサから得た周波数
   に基づいて導出したゲート信号によって電圧制御型発振
   器（以下、VCOという）からの基準パルス数をカウント
   するカウンタと、このカウント結果に基づいて温度情報
   を抽出する手段と、該温度情報に基づいて該VCOに印加
   すべき補償電圧を決定するデジタル温度補償型発振器に
   おいて、前記ゲート信号のパルス周期を変更する手段を
   備え、温度補償範囲の最低温度と最高温度との温度差の
   範囲において前記カウンタのビット数によって得られる
   最大パルス数に内輪で近い数となるように前記ゲート信
   号のパルス周期を設定するようにしたことを特徴とする
   デジタル温度補償型発振器。
2. 【請求項２】前記ゲート信号パルス周期を変更する手段
   が、前記温度センサ出力パルスを計数するカウンタと、
   該カウンタが１進〜ｎ進カウンタのいづれか一つとして
   機能するように予め設定する手段を備えたカウンタコン
   トローラとを含み、温度補償範囲の最低温度と最高温度
   との温度差に対応して前記カウンタの機能を設定するこ
   とによって該温度補償範囲において前記カウンタのビッ
   ト数によって得られる最大パルス数に内輪で近い数とな
   るように前記ゲート信号のパルス周期を設定するように
   構成したことを特徴とする請求項１記載のデジタル温度
   補償型発振器。