JP2975386B2 - デジタル温度補償発振器 - Google Patents

デジタル温度補償発振器

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JP2975386B2 JP2020970A JP2097090A JP2975386B2 JP 2975386 B2 JP2975386 B2 JP 2975386B2 JP 2020970 A JP2020970 A JP 2020970A JP 2097090 A JP2097090 A JP 2097090A JP 2975386 B2 JP2975386 B2 JP 2975386B2
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九一 久保
務 山川
浩 吉田
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03BGENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B2201/00Aspects of oscillators relating to varying the frequency of the oscillations
    • H03B2201/02Varying the frequency of the oscillations by electronic means
    • H03B2201/0208Varying the frequency of the oscillations by electronic means the means being an element with a variable capacitance, e.g. capacitance diode

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  • Oscillators With Electromechanical Resonators (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 (発明の技術分野) 本発明は、温度変化による発振周波数の変化をデジタ
ル的に補償するデジタル温度補償発振器に係わり、特に
アナログ−デジタル変換器の改良に関する。
(発明の技術的背景とその問題点) 近時、周波数、時間等の基準として水晶発振器が広く
用いられている。ところで水晶発振器に用いる水晶振動
子は一般に温度係数を持ち、温度の変化によって周波数
も変化する。たとえば、数MHzないし十数MHz程度の周波
数で使用する一般的なATカットの水晶振動子は、略3次
曲線状の温度係数を示し、その特性は切断角度に応じて
微細に変化し、変曲点は25℃前後になる。
一方、電子機器の高精度化が奨むにつれて水晶発振器
にあっても、発振周波数はより安定なことを要求される
傾向にある。
このような要求を満たす水晶発振器としては恒温槽に
収納したものがある。しかしながら恒温槽を用いたもの
では形状が大型化し、槽内を一定温度に加熱するために
消費電力も大きく、電源の投入時に周波数が安定化する
までに時間がかかり、しかも部品は70℃程度の比較的高
温度にさらされるために信頼性にも問題がある。
また、水晶振動子にサーミスタ等の温度検出素子を接
続してそのリアクタンスの変化によって温度補償を行う
ものがある。しかしながらこのようなものでは上記恒温
槽を用いたものに比べて周波数安定度は10倍以上悪くな
る。
このために、たとえば第4図に示すような構成のデジ
タル温度補償発振器が知られている。
この発振器では温度センサ1の検出出力を補償電圧発
生回路2へ与えて温度補償電圧Vco(T)を発生させ
る。そして温度補償電圧Vco(T)に周波数調整端子3
に与えられる周波数補償電圧Vfを加えて制御電圧Vc
(T)を得る。
上記周波数補償電圧Vfは経年変化等による基準周波数
からの実際の発振周波数のずれを補償するために発振周
波数を微調整してオフセットさせるものである。
しかして温度補償電圧Vco(T)は抵抗4(抵抗値R
1)を介して、周波数補償電圧は抵抗5(抵抗値R2)を
介して加えて制御電圧Vc(T)を得る。
そして制御電圧Vc(T)を、たとえばコルピッツ型の
水晶発振器の水晶振動子6に直列に介挿したバリキャッ
プダイオード7に印加して発振周波数を微細に可変し、
一定の発振周波数を維持するようにしている。
したがって、制御電圧Vc(T)次の式で与えられ
る。
Vc(T)=A×Vco(T)+B×Vf ・・ ただし A=R2/(R1+R2) B=R1/(R1+R2) しかしながら一般にこのような発振回路においてはバ
リキャップの印加電圧に対する周波数の変化量は、たと
えば第5図に示すグラフのように非直線的になる。たと
えば制御電圧Vc1において微小電圧ΔVcだけ変化させた
ときの周波数オフセット量ΔF1と、制御電圧Vc2におい
て微小電圧ΔVcだけ変化させたときの周波数オフセット
量ΔF2とは異なる値となる。また制御電圧Vcを一定の値
だけ変化させたときの周波数の変化量は温度の影響も受
ける。
このため、たとえば常温において発振周波数を一定の
オフセットΔFとなるように制御電圧Vcを微調整して
も、広い温度範囲でこの周波数オフセットΔFを一定値
に維持することはできない。第6図は第4図に示すよう
な水晶発振器において70℃の温度で0ppm、+2ppm、−2p
pmおよび+4ppm、−4ppmの周波数オフセットΔFをそれ
ぞれ設定した後、温度を−20℃〜+70℃まで変化させた
ときの基準周波数Fからの周波数オフセットΔFの割合
ΔF/Fを実測した結果を示すグラフである。
この結果からも明らかなように特定の設定した周波数
オフセットΔFは、温度の変化に応じて変動するために
一定の周波数オフセット量を維持することはできず、特
に低温度領域においてオフセット量の変動は大きくな
る。
さらに周波数補償電圧Vfを可変することによって温度
補償電圧Vco(T)による補償特性自体にも影響を与え
るために正確な温度補償を行えなくなる問題があった。
(発明の目的) 本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、周波
数補償電圧の設定値に係わらず広い温度域において一定
の周波数オフセット量を維持することができ、しかも周
波数補償電圧によって温度補償特性が影響されることの
ないデジタル温度補償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) 本発明は、温度を検出する温度センサの検出値をデジ
タル変換して記憶素子のアドレスを選択して予め格納し
た温度補償データを読みだし、このデータをアナログ変
換した制御電圧を水晶発振回路の電圧容量変換素子に印
加して周波数を制御するものにおいて、上記制御電圧の
理論値を級数に展開して制御電圧の初期値および温度は
一次の項、オフセット量は二次の項までを演算して発振
周波数を制御することを特徴とするものである。
(実施例) 以下、本発明の一実施例を第1図に示すデジタル温度
補償発振器のブロック図を参照して詳細に説明する。
図中11は温度センサで、たとえば温度によって抵抗値
が変化するサーミスタである。そして、この温度センサ
11の抵抗値の変化を検出信号として演算回路12へ与え
る。演算回路12には、さらに第1、第2の各デジタル記
憶素子13、14から、オフセットΔF、所定の温度ステッ
プ毎に温度変化させて実測した制御電圧の初期値Vcoに
関する補償データを与えられる。
そして演算回路12は後述する所定のデジタル演算を行
い演算結果をデジタル−アナログ変換器15へ与える。そ
してデジタル−アナログ変換器15のアナログ変換出力を
制御電圧Vcとして水晶発振器の発振周波数を制御する電
圧容量変換素子、たとえばバリキャップダイオードへ印
加してその静電容量を可変する。この電圧容量変換素子
は、たとえば第4図に示すようにコルピッツ型の水晶発
振器の水晶振動子に直列に接続されその静電容量を可変
することによって発振周波数を微細に変化させるもので
ある。
そして上記演算回路12は、たとえば中央演算処理装置
いわゆるCPUであってその演算は次のように行う。
すなわち、このような温度補償発振器において発振周
波数を微小周波数dfだけ変化させるために必要な制御電
圧Vcの微小変化量をdVcとすると、dVc/dfは一定ではな
く制御電圧Vcおよび温度Tの関数として次の式で与え
られる。
dVc/df=f(Vc、T) ・・ 式を変形すれば次の式を得る。
dVc/f(Vc、T)=df ・・ この式を周波数調整前の状態(Vc=Vco、ΔF=
0)からΔFだけ周波数をオフセットした状態まで積分
すると次の式になる。
この式の左辺は制御電圧Vcおよび温度Tの関数であ
りVcについて解けばVcはVco、T、ΔFの関数となり、
一般に次の式で与えられる。
Vc=Vco+ΣΣakjiVcokTjΔFi ・・ しかして式の右辺第2項を制御電圧に加えるように
すれば周波数オフセット量を変化しても温度変化に係わ
らず一定の周波数オフセットΔFを維持することができ
る。
しかしながら、厳密に式に基づいて温度補償を行う
ことは膨大な計算を行うことになり非現実的である。
そこで式の関数f(Vc、T)を決定するために、発
振周波数f0を一定に制御するための制御電圧Vcを温度補
償すべき全温度域にわたって測定し、次に発振周波数f0
を一定の微小周波数dfだけオフセットした周波数f0+df
に維持するための制御電圧Vc+dVcを同様に全温度域に
わたって測定した。第2図はこの測定結果の一例を示す
グラフである。
この結果から、±0.1PPMの周波数安定度を目標にした
場合、上記式は制御電圧Vcおよび温度Tについて一次
の近似で必要充分な精度を得られることが実験的に確か
められ、この場合dVc/dfは次の式で与えられる。
dVc/df=K00+K10Vc+K01・T ・・ ただしK00、K10、K01は定数 したがって制御電圧Vcは式から次の式で与えられ
る。
Vc={Vco+(K00+K01・T)/K10} ×exp(K10・ΔF)−(K00+K01・T)/K10 ・・・ ここで周波数オフセットΔFがあまり大きくなければ
|K10・ΔF|<<1であり上記式のexp(K10ΔF)は二
次の項までテイラー展開した次の式で実用上充分な精
度が得られる。
exp(K10・ΔF)=1+K10・ΔF+1/2(K10・ΔF) ・ よって式を上記式に代入して次の式を得る。
Vc=Vco+(K00+Vco・K10+K01・T)× (ΔF+ΔF2×K10/2) ・・ そして、この式の演算によって得られた制御電圧Vc
をデジタル−アナログ変換器に与えてアナログ変換した
後、電圧容量変換素子に印加して温度補償を行うように
している。
(具体例) 以下具体例について説明する。
発振周波数12.8Mhzの発振器において、所定の温度域
において一定の周波数オフセット値を維持するための制
御電圧Vcを実測した結果式における各定数は次のよう
になった。
K00=3.481×10-3(V/Hz) K10=2.627×10-3(1/Hz) K01=8.766×10-5(V/Hz/℃) そして、この定数を式に代入して演算した値と実測
値との標準誤差は7.48×10-5(V/Hz)であり実用上、充
分な近似を行うことができた。第3図は、このような演
算によって温度補償を行った温度補償発振器に対して、
常温で0PPM、+2PPM、−2PPMおよび+4PPM、−4PPMの周
波数オフセットΔFをそれぞれ設定した後、温度を−20
℃〜+70℃まで変化させたときの発振周波数を実測した
結果を示すグラフである。この結果からも明かなように
所定の温度域において一定のオフセット量を維持するこ
とができ、しかも温度補償特性を損なうこともなかっ
た。
(発明の効果) 以上詳述したように、本発明によれば所定の温度域に
おいて一定の周波数オフセット量を維持することがで
き、しかも周波数オフセットの値によって温度補償特性
が影響されることのないデジタル温度補償発振器を提供
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発振器の一例を示す
ブロック図、 第2図は一定の周波数オフセットを得るために必要な制
御電圧の温度変化に対する実測結果を示すグラフ、 第3図は本発明によるデジタル温度補償発振器の温度変
化に対する発振周波数の変化を示すグラフ、 第4図は従来の温度補償発振器の一例を示すブロック
図、 第5図は従来の温度補償発振器における制御電圧の変化
に対する周波数の変化を示すグラフ、 第6図は第4図に示す温度補償発振器において一定のオ
フセット電圧を印加したときの温度変化に対する発振周
波数の変化を示すグラフである。 11……温度センサ 12……演算回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−3212(JP,A) 特開 昭58−184809(JP,A) 特開 昭62−18828(JP,A) 特開 昭63−152205(JP,A) 特開 昭63−266904(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H03B 5/30 - 5/42

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】温度センサの検出出力をデジタル変換して
    予め温度補償データを記憶した記憶素子から対応するデ
    ータを読みだしてアナログ変換した制御電圧を水晶発振
    器の周波数を制御する電圧容量変換素子に印加して温度
    補償を行うものにおいて、 上記制御電圧(Vc)は Vc=Vco+(K00+Vco・K10+K01・T)× (ΔF+ΔF2×K10/2) ただし K00、K01、K10は定数 Vcoは制御電圧の初期値 Tは温度 ΔFは周波数オフセット量 としたことを特徴とするデジタル温度補償発振器。
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KR100685489B1 (ko) * 2006-03-30 2007-02-26 김병우 디지털 주파수 편차 보상기
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