JP6045961B2 - 水晶発振器及び発振装置 - Google Patents
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Description
特許文献1には、2つの水晶振動子の発振周波数差に応じた値を温度検出値として捉え、この温度検出値により発振装置の設定周波数を補正するTCXO(Temperature Compensated Crystal Oscillator)が記載されている。この手法は、温度検出に基づいて発振周波数を補正するTCXO(temperature compensated crystal oscillator)に関するものであり、OCXOに関するものではない。
発振器出力用の水晶振動子に接続された発振器出力用の発振回路と、
温度検出用の第1の水晶振動子及び第2の水晶振動子に夫々接続された第1の発振回路及び第2の発振回路と、
前記各水晶振動子が置かれる雰囲気の温度の一定化を図るための加熱部と、
第1の発振回路の発振周波数をf1、基準温度における第1の発振回路の発振周波数をf1r、第2の発振回路の発振周波数をf2、基準温度における第2の発振回路の発振周波数をf2rとすると、
前記f1とf2との一方により他方をラッチしたタイミングでパルスを出力するパルス作成部と、前記パルスの列に基づいてPLLにより、f1とf1rとの差分に対応する値と、f2とf2rとの差分に対応する値と、の差分値に対応する直流電圧を温度検出値として求める周波数差検出部と、
水晶振動子が置かれる雰囲気の温度の温度設定値と前記温度検出値との偏差分を取り出す加算部と、
この加算部にて取り出された偏差分に基づいて前記加熱部に供給される電力を制御する加熱電力制御用の回路部と、
前記パルスの列における設定時間内の周波数が検出範囲内、高温側の検出範囲外及び低温側の検出範囲外のいずれに含まれるかを判定する判定部と、
前記パルスの列における設定時間内の周波数が高温側の検出範囲外にあれば、前記加熱部に供給される電力が前記検出範囲内における供給電力よりも小さくなる制御信号を選択し、低温側の検出範囲外にあれば、前記加熱部に供給される電力が事前に設定された大きさとなる制御信号を選択するための信号選択部と、を備えたことを特徴とする。
本発明の実施形態の詳細を説明する前に、この実施形態の概略を簡単に述べておく。図1にて符号200にて示す部分は、この明細書では制御回路部と呼ぶが、実際には一般的にPLLを利用した発振機能を有する回路である。符号201はPLLに用いられるリファレンス信号を出力するDDS(Direct Digital Synthesizer)である。
このDDSを動作させるためのクロック信号は、図1にて符号1で示す第1の発振回路の発振出力が用いられる。従って結果として電圧制御発振器100からの出力(この出力がこの例では製品である発振出力に相当する)を安定させるためには、前記クロック信号を安定させることが必要である。
次に本発明の実施形態の全体を詳しく説明する。図1は本発明の実施形態にかかる水晶発振器を適用して構成した発振装置の全体を示すブロック図である。この発振装置は、設定された周波数の周波数信号を出力する周波数シンセサイザとして構成され、水晶振動子を用いた電圧制御発振器100と、この電圧制御発振器100におけるPLLを構成する制御回路部200と、前記PLLの参照信号を生成するためのDDS201を動作させるためのクロック信号を生成する水晶発振器(符号は付していない)と、この水晶発振器における水晶振動子10、20の置かれる雰囲気の温度を調整するための加熱部であるヒータ5と、を備えている。
制御回路部200は、DDS回路部201から出力するリファレンス(参照用)クロックと、電圧制御発振器100の出力を分周器204で分周したクロックの位相とを位相周波数比較部205にて比較し、その比較結果である位相差がチャージポンプ204によりアナログ化される。アナログ化された信号はループフィルタ206に入力され、PLL(Phase locked loop)が安定するように制御される。従って制御回路部200は、PLL部であると言うこともできる。ここでDDS回路部201は、後述の第1の発振回路1から出力される周波数信号を基準クロックとして用い、目的とする周波数の信号を出力するための周波数データ(ディジタル値)が入力されている。
ワンショット回路32の後段にはPLL(Phase Locked Loop)が設けられ、このPLLは、ラッチ回路33、積分機能を有する第1のループフィルタ34、加算部35及びDDS回路部36により構成されている。またラッチ回路33とループフィルタ34との間には、ラッチ回路33の出力を一定の条件下でループフィルタ34に入力することを阻止するための論理回路38が設けられている。
また図10は周波数差検出部3の出力信号である34ビットのディジタル値と温度との関係を示している。従って(OSC2−OSC1)は基準温度からの温度変動ずれ分に対応していることが分かる。
周波数差検出部の課題
図13(a)は、2つの水晶振動子の周波数について基準温度である例えば25℃における値に対するある温度における値の周波数変化率を示しており、図13(b)は2本のカーブの周波数変化率の差分と温度との関係を示している。また図14(a)、(b)は、他の2つの水晶振動子について同様の関係をしめしている。これらグラフから分かるように、いわば温度検出部となる2つの水晶振動子の各周波数―温度特性は、2つの水晶振動子の組に応じてばらつきがある。
この実施形態では、周波数差検出部3のPLLに取り込まれるワンショット回路32の出力周波数がPLLの引き込み可能な範囲(検出範囲)内に収まっているか否かを判定するための判定部をなす検出範囲外判定部5を備えている。検出範囲外判定部5は、この判定機能に加えて、更に前記出力周波数が検出範囲内に収まっていないときには、検出範囲よりも大きな値であるのか、検出範囲よりも小さい値であるのかを判定する機能も備えている。
またこの例では、既述のようにラッチ回路33と第1のループフィルタ34との間に論理回路38が設けられている。図2では信号線を1本として略記しているが、ディジタル信号がnビット(例えば34ビット)であれば、図17に示すようにn本の信号ラインに対応してn個の論理素子38−1〜38−nが設けられる。各論理素子38−1〜38−nは、一方の入力端に入力信号の反転信号が入力されるアンド回路として構成されており、一方の入力端には検出範囲外判定部5の検出範囲外フラグを出力するラインが接続され、他方の入力端にラッチ回路33からの出力ラインが接続されている。
またこの実施の形態に係る発振装置は、既述のようにTCXOの機能を備えている。この機能は、制御回路部200に入力される基準クロックの温度補償を行う機能である。具体的には、PLLのループフィルタ34にて得られた変動温度分の周波数ずれ情報は、図1に示す補正値取得部である補正値演算部4に入力され、ここで周波数の補正値が演算される。変動温度分の周波数ずれ情報とは、水晶振動子10が基準温度におかれたときの第1の発振回路1の発振周波数と、水晶振動子10の雰囲気温度(水晶振動子10を収納している容器内の温度)における第1の発振回路1の発振周波数と、の差分に対応する値である。
次に上述の実施の形態の全体の動作についてまとめる。この発振装置の水晶発振器に着目すると、水晶発振器の出力は第1の発振回路1から出力される周波数信号に相当する。そしてヒータ回路5により水晶振動子10、20の置かれる雰囲気が設定温度になるように加熱されている。第1の水晶振動子10及び第1の発振回路1は、水晶発振器の出力である周波数信号を生成するものであるが、第2の水晶振動子20及び第2の発振回路2と共に温度検出部としての役割を持っている。これら発振回路1、2から各々得られる周波数信号の周波数差に対応する値OSC2−OSC1は、既述のように温度に対応し、第2の加算部6にて温度設定値(例えば50℃におけるOSC2−OSC1の値)との差分が取り出される。
なお、補正値演算部4に関連する事項は既に述べたので、省略する。
[実施形態の効果]
以上のように上述実施の形態によれば、水晶振動子10、20の各々から得られる周波数信号の周波数差に相当する値の両者の差分を温度検出値として用い、水晶振動子10、20の雰囲気温度を管理しているヒータ回路5を前記温度検出値に基づいて制御している。このため雰囲気温度を設定温度に高精度に維持することができ、水晶発振器の出力(第1の発振器1の出力)が安定する。
ワンショット回路32から出力されるパルスの列における設定時間内の周波数が高温側(図15の右側)の検出範囲外にあった場合、ヒータ回路5に供給される電力をゼロにしているが、この電力は、設定時間内の周波数が検出範囲内であるときの供給電力よりも小さい値であればゼロに限られない。またワンショット回路32から出力されるパルスの列における設定時間内の周波数が低温側(図15の左側)の検出範囲外にあった場合、前記電力は最大値に限られず、最大値付近であってもよいし、あるいはこれらの値に限らず、事前に設定された大きさであってもよい。
2 第2の発振回路
10 第1の水晶振動子
20 第2の水晶振動子
3 周波数差検出部
31 フリップフロップ回路
32 ワンショット回路
33 ラッチ回路
34 ループフィルタ
35 加算部
36 DDS回路部
4 補正値演算部(補正値取得部)
5 ヒータ回路
6 加算部
100 電圧制御発振器
200 制御回路部
Claims (6)
- 発振器出力用の水晶振動子に接続された発振器出力用の発振回路と、
温度検出用の第1の水晶振動子及び第2の水晶振動子に夫々接続された第1の発振回路及び第2の発振回路と、
前記各水晶振動子が置かれる雰囲気の温度の一定化を図るための加熱部と、
第1の発振回路の発振周波数をf1、基準温度における第1の発振回路の発振周波数をf1r、第2の発振回路の発振周波数をf2、基準温度における第2の発振回路の発振周波数をf2rとすると、
前記f1とf2との一方により他方をラッチしたタイミングでパルスを出力するパルス作成部と、前記パルスの列に基づいてPLLにより、f1とf1rとの差分に対応する値と、f2とf2rとの差分に対応する値と、の差分値に対応する直流電圧を温度検出値として求める周波数差検出部と、
水晶振動子が置かれる雰囲気の温度の温度設定値と前記温度検出値との偏差分を取り出す加算部と、
この加算部にて取り出された偏差分に基づいて前記加熱部に供給される電力を制御する加熱電力制御用の回路部と、
前記パルスの列における設定時間内の周波数が検出範囲内、高温側の検出範囲外及び低温側の検出範囲外のいずれに含まれるかを判定する判定部と、
前記パルスの列における設定時間内の周波数が高温側の検出範囲外にあれば、前記加熱部に供給される電力が前記検出範囲内における供給電力よりも小さくなる制御信号を選択し、低温側の検出範囲外にあれば、前記加熱部に供給される電力が事前に設定された大きさとなる制御信号を選択するための信号選択部と、を備えたことを特徴とする水晶発振器。 - 前記周波数差検出部は、
前記f1とf2との一方により他方をラッチしたタイミングでパルスを出力するパルス作成部と、入力された直流電圧の大きさに応じた周波数で時間と共に信号値が増加、減少を繰り返す周波数信号を出力するDDS回路部と、このDDS回路部から出力された周波数信号を前記パルス作成部にて作成されたパルスによりラッチするラッチ回路と、このラッチ回路にてラッチされた信号値を積分してその積分値を前記差分値に対応する値として出力するループフィルタと、このループフィルタの出力とf1rとf2rとの差分に対応する値との差分を取り出して、前記DDS回路部に入力値とする加算部と、備えたことを特徴とする請求項1に記載の水晶発振器。 - 前記加熱部に供給される電力が前記検出範囲内における供給電力よりも小さくなる制御信号は、前記加熱部に供給される電力がゼロとなる制御信号であることを特徴とする請求項1または2記載の水晶発振器。
- 前記加熱部に供給される電力が事前に設定された大きさとなる制御信号は、前記加熱部に供給される電力が最大値であるかまたは最大値付近であることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか一項に記載の水晶発振器。
- 前記発振器出力用の発振回路と前記第1の発振回路及び第2の発振回路の一方とが共用されていることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか一項に記載の水晶発振器。
- 請求項1に記載した水晶発振器と、この水晶発振器の発振出力をクロック信号とし、PLLを含む発振装置の本体回路部と、を備えたことを特徴とする発振装置。
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