JP3390110B2 - Method and apparatus for measuring drift characteristics of quartz resonator - Google Patents
Method and apparatus for measuring drift characteristics of quartz resonatorInfo
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Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、動作中の水晶発振
器の微少な周波数のジャンプ（以下漂動という）の発生
を水晶振動子単体の状態で正確に判定することができる
水晶振動子の漂動特性の測定方法及び測定装置に関す
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a crystal oscillator drift that can accurately determine the occurrence of a minute frequency jump (hereinafter referred to as "drift") of an operating crystal oscillator in the state of a single crystal oscillator. The present invention relates to a dynamic characteristic measuring method and measuring apparatus.
【０００２】[0002]
【従来の技術】近時、種々の電子機器では周波数の基準
として水晶振動子を用いた水晶発振器が多用されてい
る。そして電子機器の高性能化とともに周波数の基準で
ある水晶振動子も高い安定度を求められている。一般に
水晶発振器の発振周波数の変動の主たる原因は温度変化
であり、種々の温度補償回路が研究されている。2. Description of the Related Art Recently, in various electronic devices, a crystal oscillator using a crystal oscillator as a frequency reference is widely used. As electronic devices become more sophisticated, crystal oscillators, which are the standard of frequency, are also required to have high stability. Generally, the main cause of fluctuations in the oscillation frequency of a crystal oscillator is temperature change, and various temperature compensation circuits have been studied.
【０００３】一方、特に高い周波数安定度を要求される
水晶発振器では、発振回路全体を、たとえば７０℃程度
の一定温度に温度制御した恒温槽に収納して発振周波数
の安定化を図るようにしている。従来、水晶振動子の安
定度は数ヶ月ないし数年を単位とする長期安定度、数分
ないし数十分を単位とする短期安定度等によって評価さ
れてきたが、最近、漂動と称される水晶振動子の駆動レ
ベルの変化によって発振周波数が非連続的に微小にジャ
ンプする現象が問題となっている。On the other hand, in a crystal oscillator that requires particularly high frequency stability, the entire oscillation circuit is housed in a thermostatic chamber whose temperature is controlled at a constant temperature of, for example, about 70 ° C. to stabilize the oscillation frequency. There is. Conventionally, the stability of crystal units has been evaluated by long-term stability in the unit of months or years, short-term stability in the unit of minutes or tens of minutes, etc. The phenomenon that the oscillation frequency jumps discontinuously and minutely due to the change of the drive level of the crystal oscillator has become a problem.
【０００４】そして、恒温槽に収納して発振周波数の安
定化を図った水晶発振器においても漂動といわれる発振
周波数の微少なジャンプが発生することはめずらしくな
い。そして、このような漂動は、水晶発振器を恒温槽に
収納して用いるような高安定の周波数を要求される用途
では重大な問題となる。Even in a crystal oscillator that is stored in a constant temperature bath to stabilize the oscillation frequency, it is not uncommon for a slight jump of the oscillation frequency, which is called drift, to occur. And, such drifting becomes a serious problem in an application requiring a highly stable frequency such as using a crystal oscillator housed in a constant temperature bath.
【０００５】しかしながら、ＳＣカットの水晶振動子を
恒温槽に収納した発振器の場合、その周波数安定度は１
×１０-9程度の高い精度があり、一方、漂動による周波
数の変化は１０-9のオーダーであり、このような漂動の
原因を解析するためには著しく高分解能の測定器を必要
とすることになり実現は困難であった。実際の水晶発振
器において、漂動を生じるものの割合は数％程度も存在
し、特に恒温槽を用いるような高い安定度の発振器では
大きな問題となっていたが、その原因を究明することは
できなかった。However, in the case of an oscillator in which an SC-cut crystal unit is housed in a thermostatic chamber, its frequency stability is 1
The accuracy is as high as × 10 -9 , while the change in frequency due to drift is on the order of 10 -9 , and a remarkably high-resolution measuring instrument is required to analyze the cause of such drift. It was difficult to realize. In actual crystal oscillators, the percentage of those that cause drift exists in the order of several percent, and this was a major problem for oscillators with high stability, especially when using a constant temperature bath, but the cause cannot be determined. It was
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の事情に
鑑みてなされたもので、簡単な方法及び構成によって水
晶振動子単体の状態で漂動の発生を精密に判定すること
ができる水晶振動子の漂動特性の測定方法及び測定装置
を提供することを目的とするものである。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is possible to precisely determine the occurrence of drift in the state of a single crystal resonator by a simple method and structure. It is an object of the present invention to provide a measuring method and a measuring device for drift characteristics of a child.
【０００７】[0007]
【課題を解決するための手段】本発明は、トランジスタ
を用いた水晶発振器において、発振トランジスタのベー
ス電流又はベース電圧の変化に対する水晶振動子を流れ
る水晶電流の変化の直線領域において、ベース電流の変
化に対する発振周波数の変化の非直線性から起動時の発
振周波数の変位を判定することを特徴とする水晶振動子
の漂動特性の測定方法及び装置を特徴とするものであ
る。SUMMARY OF THE INVENTION In a crystal oscillator using a transistor, the present invention provides a change in the base current in a linear region of a change in the crystal current flowing through the crystal resonator with respect to a change in the base current or the base voltage of the oscillation transistor. Is characterized by determining the displacement of the oscillation frequency at the time of startup from the nonlinearity of the change of the oscillation frequency with respect to the above.
【０００８】[0008]
【実施例】発明者らは、漂動の発生原因を究明するため
に種々の研究を行った結果、コルピッツ型水晶発振回路
の水晶振動子を流れる水晶電流の変化に対して、発振周
波数が直線的に変化する領域において、水晶電流を所定
の範囲でスイープさせつつ発振周波数の変化の非直線性
を検出することによって漂動の発生を予見できることを
発見した。[Examples] As a result of various studies conducted by the inventors for investigating the cause of drift, the oscillation frequency is linear with respect to changes in the crystal current flowing through the crystal oscillator of the Colpitts crystal oscillation circuit. It was found that the occurrence of drift can be predicted by sweeping the crystal current within a predetermined range and detecting the non-linearity of the change of the oscillation frequency in the region that changes dynamically.
【０００９】以下、本発明の一実施例を図１に示すブロ
ック図を参照して詳細に説明する。図中１は漂動特性を
測定すべき水晶振動子、２はトランジスタを用いた発振
回路で、水晶振動子１の共振周波数で発振するように回
路を構成している。そして掃引電圧発生器３で発生し
た、時間の経過とともに変化する直流電圧を発振回路２
の発振トランジスタのベースへ与えて掃引するようにし
ている。そして水晶振動子１の一方の端子には、非接触
の電流プローブ４を結合させて水晶振動子１を流れる水
晶電流を検出し、検出した電流を直流増幅器５で適正な
レベルまで増幅した後、電流の変化の非直線性を検出す
るベクトル電圧計６へ与える。An embodiment of the present invention will be described below in detail with reference to the block diagram shown in FIG. In the figure, 1 is a crystal oscillator whose drift characteristic is to be measured, 2 is an oscillation circuit using a transistor, and the circuit is configured to oscillate at the resonance frequency of the crystal oscillator 1. Then, the DC voltage generated by the sweep voltage generator 3 that changes with the passage of time is applied to the oscillation circuit 2
It is applied to the base of the oscillating transistor to sweep. Then, a non-contact current probe 4 is coupled to one terminal of the crystal unit 1 to detect a crystal current flowing through the crystal unit 1, and the detected current is amplified by a DC amplifier 5 to an appropriate level. It is applied to the vector voltmeter 6 which detects the non-linearity of the change in current.
【００１０】一方、発振回路２の発振出力は増幅器７で
適正なレベルまで増幅した後、図示しない周波数カウン
タで発振周波数の変化を測定する。水晶振動子として３
次オーバトーンで５ＭＨｚのＳＣカットの３個の水晶振
動子Ｎｏ１、Ｎｏ２、Ｎｏ３について、図１に示す装置
を用いて、発振トランジスタのベース電圧を変化させる
ことによって、水晶電流を０．４ｍＡ〜０．６ｍＡの間
で変化させて発振器の発振周波数を測定した。この測定
結果を図２のグラフに示す。On the other hand, the oscillating output of the oscillating circuit 2 is amplified to a proper level by the amplifier 7, and then the change of the oscillating frequency is measured by a frequency counter (not shown). 3 as a crystal unit
For the three crystal oscillators No1, No2, and No. 3 with SC cut of 5 MHz at the next overtone, the crystal current is changed from 0.4 mA to 0 by changing the base voltage of the oscillation transistor using the device shown in FIG. The oscillation frequency of the oscillator was measured by changing the oscillation frequency between 0.6 mA. The measurement result is shown in the graph of FIG.
【００１１】このグラフから明らかなようにＮｏ１、Ｎ
ｏ２の水晶振動子はベース電流の変化に対して発振周波
数は直線的に変化している。これに対してＮｏ３の水晶
振動子では水晶電流が約０．５２ｍＡを越えた付近で急
激に変動するとともに、ここで発振周波数も約０．５ｐ
ｐｂ急激に変動している。そして実際にＮｏ３の水晶振
動子を用いた水晶発振器では、周波数のジャンプ、すな
わち漂動を発生し、Ｎｏ１、Ｎｏ２の水晶振動子を用い
た水晶発振器では漂動を生じることはなかった。As is apparent from this graph, No1 and N
The oscillation frequency of the crystal oscillator of o2 changes linearly with respect to the change of the base current. On the other hand, in the No. 3 crystal unit, the crystal current fluctuates rapidly in the vicinity of about 0.52 mA, and the oscillation frequency is about 0.5 p.
pb is fluctuating rapidly. Then, in the crystal oscillator using the No. 3 crystal oscillator, a frequency jump, that is, drift was actually generated, and no drift occurred in the crystal oscillator using the No. 1 and No. 2 crystal oscillators.
【００１２】次に、Ｎｏ３の水晶振動子で発生する漂動
の発生原因を調べるために発振回路側の負荷容量を変化
させた。このように負荷容量を変化させると、発振周波
数が変化するとともに近接副振動の周波数も変化し、主
共振の周波数がジャンプすることが知られている。図５
に示すグラフは、Ｎｏ３の水晶振動子を用いた発振回路
のベース・エミッタ間の容量を変化させて発振回路に略
等価な負荷容量である９２０ｐＦ、９４０ｐＦ、９６０
ｐＦを実現し、これらの発振回路において、水晶電流を
０．４ｍＡ〜０．６ｍＡの間で変化させた時の発振周波
数の変化を示すものである。Next, the load capacitance on the oscillation circuit side was changed in order to investigate the cause of the drift generated in the No. 3 crystal oscillator. It is known that when the load capacitance is changed in this way, the oscillation frequency changes and the frequency of the near secondary vibration also changes, and the frequency of the main resonance jumps. Figure 5
The graph shown in is a load capacitance 920 pF, 940 pF, 960 that is substantially equivalent to the oscillation circuit by changing the capacitance between the base and emitter of the oscillation circuit using the No. 3 crystal oscillator.
It shows a change in oscillation frequency when a crystal current is changed between 0.4 mA and 0.6 mA in these oscillation circuits that realize pF.
【００１３】このグラフから明らかなように負荷容量の
変化に応じて、漂動を発生する水晶電流の値も変化し、
このことから漂動は水晶振動子の近接副振動が原因であ
ると考えられる。図４に示すグラフは、Ｎｏ３の水晶振
動子の周波数・温度特性を示すもので矢印が温度の変化
方向である。すなわち、漂動を発生する水晶振動子は周
波数・温度特性にヒステリシスがあり、この原因は水晶
電流が０．５〜０．５５ｍＡに設定されていたため、漂
動によって周波数・温度特性に影響したものと推定され
る。As is apparent from this graph, the value of the crystal current causing the drift also changes according to the change of the load capacitance,
From this, it is considered that the drift is caused by the near side vibration of the crystal unit. The graph shown in FIG. 4 shows the frequency / temperature characteristics of the No. 3 crystal resonator, and the arrow indicates the direction of temperature change. That is, the crystal oscillator that causes drift has a hysteresis in the frequency and temperature characteristics, and the cause was that the crystal current was set to 0.5 to 0.55 mA, so the drift affected the frequency and temperature characteristics. It is estimated to be.
【００１４】図５に示すグラフは、Ｎｏ３の水晶振動子
の水晶電流を約１０％減じて０．４５ｍＡとした発振回
路の周波数・温度特性である。このように水晶電流を選
択することによって温度ヒステリシスを生じなくなり、
したがって漂動を生じることもない。すなわち漂動を生
じる発振器であっても、適当な水晶電流を設定すること
によって漂動を発生しないようにできる。The graph shown in FIG. 5 shows the frequency / temperature characteristics of the oscillation circuit in which the crystal current of the No. 3 crystal unit is reduced by about 10% to 0.45 mA. By selecting the crystal current in this way, temperature hysteresis does not occur,
Therefore, there is no drift. That is, even with an oscillator that causes drift, it is possible to prevent drift by setting an appropriate crystal current.
【００１５】図６は本発明の方法を実施する実用的な装
置のブロック図である。図中１１はパーソナル・コンピ
ュータであって、測定動作全体の制御、測定データの取
得及び取得した測定データのグラフ化表示等を行う。１
２は漂動特性を測定すべき水晶振動子を用いた水晶発振
器である。この水晶発振器１２の発振トランジスタのベ
ースには掃引電圧発生器１３から時間とともに変化する
電圧を与えるようにしている。そして水晶発振器１２の
発振出力の周波数を逓倍器１４で、たとえば１０００倍
に逓倍してミキサー１５へ入力する。FIG. 6 is a block diagram of a practical apparatus for carrying out the method of the present invention. Reference numeral 11 in the figure denotes a personal computer, which controls the entire measurement operation, acquires measurement data, and displays the acquired measurement data in a graph. 1
Reference numeral 2 is a crystal oscillator using a crystal oscillator whose drift characteristic is to be measured. A voltage that changes with time is applied to the base of the oscillation transistor of the crystal oscillator 12 from the sweep voltage generator 13. Then, the frequency of the oscillation output of the crystal oscillator 12 is multiplied by, for example, 1000 times by the multiplier 14 and input to the mixer 15.
【００１６】１６はルビジューム発振器であって、水晶
発振器１２の発振周波数に比して十分に安定な基準周波
数を発生してシンセサイザ１７へ与える。シンセサイザ
１７は略水晶発振器１２の発振周波数に等しい周波数を
出力し逓倍器１８で１０００倍に逓倍してミキサー１５
に入力する。ミキサー１５から出力される水晶発振器１
２及びシンセサイザ１７の出力周波数の和及び差の出力
周波数はローパス・フィルタ１９を介して差の周波数成
分だけを選択する。Reference numeral 16 denotes a rubidium oscillator, which generates a reference frequency sufficiently stable as compared with the oscillation frequency of the crystal oscillator 12 and supplies it to the synthesizer 17. The synthesizer 17 outputs a frequency substantially equal to the oscillation frequency of the crystal oscillator 12, and the multiplier 18 multiplies the frequency by 1000 to produce the mixer 15.
To enter. Crystal oscillator 1 output from mixer 15
For the sum and difference output frequencies of the output frequencies of 2 and the synthesizer 17, only the difference frequency component is selected via the low-pass filter 19.
【００１７】そしてローパス・フィルタ１９の出力を増
幅器２０で増幅して周波数カウンタ２１でカウントし、
カウント値をパーソナル・コンピュータ１１に取り込
む。なお、２２は水晶発振器１２を駆動する直流電源、
２３は水晶発振器１２の水晶電流を非接触に検出する電
流検出器である。Then, the output of the low-pass filter 19 is amplified by the amplifier 20 and counted by the frequency counter 21,
The count value is taken into the personal computer 11. In addition, 22 is a DC power source for driving the crystal oscillator 12,
Reference numeral 23 is a current detector for detecting the crystal current of the crystal oscillator 12 in a non-contact manner.
【００１８】そして水晶発振器１２の発振トランジスタ
のベース電圧の変化に対する水晶電流の変化の直線領域
において、パーソナル・コンピュータに予めプログラム
したデータにしたがって掃引電圧発生器１３で発生した
掃引電圧を発振トランジスタのベースへ与えて掃引す
る。そしてベース電圧の変化に対する発振周波数の変化
を周波数カウンタ２１でカウントしてパーソナル・コン
ピュータ１１に取り込む。Then, in the linear region of the change of the crystal current with respect to the change of the base voltage of the oscillation transistor of the crystal oscillator 12, the sweep voltage generated by the sweep voltage generator 13 according to the data programmed in advance in the personal computer is used as the base of the oscillation transistor. Give to and sweep. The frequency counter 21 counts the change in the oscillation frequency with respect to the change in the base voltage and captures it in the personal computer 11.
【００１９】パーソナル・コンピュータ１１は、取り込
んだデータを、たとえばグラフ化して表示する。そして
ベース電圧の変化に対する発振周波数の変化の非直線性
から漂動の発生を判定することができる。The personal computer 11 displays the captured data in the form of a graph, for example. Then, the occurrence of drift can be determined from the nonlinearity of the change in the oscillation frequency with respect to the change in the base voltage.
【００２０】[0020]
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、簡
単な方法及び構成によって水晶振動子単体の状態で水晶
発振器に用いた際の漂動の発生を正確に判定することが
できる水晶振動子の漂動特性の測定方法及び測定装置を
提供することができる。As described in detail above, according to the present invention, it is possible to accurately determine the occurrence of drift when a crystal oscillator is used in a crystal oscillator by a simple method and structure. It is possible to provide a measuring method and a measuring device for the drift characteristic of a vibrator.
【図１】本発明の測定方法を実施する装置のブロック図
である。FIG. 1 is a block diagram of an apparatus for carrying out the measuring method of the present invention.
【図２】図１に示す装置によって測定した水晶振動子の
特性を示すグラフである。FIG. 2 is a graph showing the characteristics of the crystal unit measured by the device shown in FIG.
【図３】図１に示す装置によって測定した水晶振動子の
負荷容量を変化した場合の、特性を示すグラフである。3 is a graph showing the characteristics when the load capacitance of the crystal unit measured by the device shown in FIG. 1 is changed.
【図４】図１に示す装置によって測定した漂動を発生す
る水晶振動子の周波数・温度ヒステリシスを示すグラフ
である。FIG. 4 is a graph showing frequency / temperature hysteresis of a crystal unit that causes drift measured by the apparatus shown in FIG.
【図５】図１に示す装置によって測定した漂動を発生す
る水晶振動子のベース電流を変化させた際の周波数・温
度特性を示すグラフである。5 is a graph showing frequency / temperature characteristics when the base current of the crystal oscillator that causes drift measured by the device shown in FIG. 1 is changed.
【図６】本発明の方法を実施する装置の具体例を示すブ
ロック図である。FIG. 6 is a block diagram showing a specific example of an apparatus for carrying out the method of the present invention.
１ 水晶振動子 ２ 発振回路 ３ 掃引電圧発生器 ４ 電流プローブ ６ ベクトル電圧計 1 crystal unit 2 oscillator circuits 3 Sweep voltage generator 4 Current probe 6 vector voltmeter
Claims (4)
て、 発振トランジスタのべ−ス電流の変化に対する水晶振動
子を流れる水晶電流の変化の直線領域において、 べ−ス電流の変化に対する発振周波数の変化の非直線性
から漂動特性を判定することを特徴とする水晶振動子の
漂動特性の測定方法。1. A crystal oscillator using a transistor, wherein in a linear region of a change of a crystal current flowing through a crystal resonator with respect to a change of a base current of an oscillating transistor, a change of oscillation frequency with respect to a change of a base current A method for measuring the drift characteristic of a crystal oscillator, which comprises determining the drift characteristic from linearity.
子を流れる水晶電流の変化の直線領域において、 べ−ス電圧の変化に対する発振周波数の変化の非直線性
から漂動特性を判定することを特徴とする水晶振動子の
漂動特性の測定方法。2. The method according to claim 1, wherein the change of the oscillation frequency with respect to the change of the base voltage is in the linear region of the change of the crystal current flowing through the crystal oscillator with respect to the change of the base voltage of the oscillation transistor. A method for measuring the drift characteristic of a crystal oscillator, which comprises determining the drift characteristic from non-linearity.
性の測定装置において、 発振トランジスタのべ−ス電流を変化させる掃引電圧発
生器と、 水晶振動子を流れる水晶電流を検出する電流検出器と、 水晶発振器の発振周波数をカウントする周波数カウンタ
と、 を具備し、 水晶振動子を流れる水晶電流の変化の直線領
域において、べ−ス電流の変化に対する発振周波数の変
化の非直線性から漂動特性を判定することを特徴とする
水晶振動子の漂動特性の測定装置。3. A drift characteristic of a crystal oscillator using a transistor.
Of the sweep voltage that changes the base current of the oscillating transistor.
A current detector for detecting the raw device, the crystal current flowing through the crystal oscillator, a frequency counter for counting the oscillation frequency of the crystal oscillator
If, comprising a, in the linear region of the variation of the crystal current flowing through the quartz oscillator, base - crystal oscillator and judging the wander characteristic from a non-linearity of the change in the oscillation frequency with respect to changes of the scan current Measuring device for drift characteristics.
性の測定装置において、 発振トランジスタのべ−ス電圧を変化させる掃引電圧発
生器と、 水晶振動子を流れる水晶電流を検出する電流検出器と、 水晶発振器の発振周波数をカウントする周波数カウンタ
と、 を具備し、 水晶振動子を流れる水晶電流の変化の直線領
域において、べ−ス電流の変化に対する発振周波数の変
化の非直線性から漂動特性を判定することを特徴とする
水晶振動子の漂動特性の測定装置。4. A drift characteristic of a crystal oscillator using a transistor.
Of the sweep voltage that changes the base voltage of the oscillating transistor.
A current detector for detecting the raw device, the crystal current flowing through the crystal oscillator, a frequency counter for counting the oscillation frequency of the crystal oscillator
If, comprising a, in the linear region of the variation of the crystal current flowing through the quartz oscillator, base - crystal oscillator and judging the wander characteristic from a non-linearity of the change in the oscillation frequency with respect to changes of the scan current Measuring device for drift characteristics.
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| JP22706595A JP3390110B2 (en) | 1995-08-10 | 1995-08-10 | Method and apparatus for measuring drift characteristics of quartz resonator |
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| Publication Number | Publication Date |
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| JPH0954129A JPH0954129A (en) | 1997-02-25 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102315834A (en) * | 2011-05-04 | 2012-01-11 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | Current oscillator and preparation method thereof |
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| CN102315834A (en) * | 2011-05-04 | 2012-01-11 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | Current oscillator and preparation method thereof |
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