JP6163591B2

JP6163591B2 - 発振装置

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Publication number: JP6163591B2
Application number: JP2016121889A
Authority: JP
Inventors: 依田　友也; 友也依田
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2016-06-20
Filing date: 2016-06-20
Publication date: 2017-07-12
Anticipated expiration: 2032-05-01
Also published as: JP2016167889A

Description

本発明は、第１の発振回路の発振出力ｆ１及び第２の発振回路の発振出力ｆ２の差分に応じた信号を温度検出値として取り扱い、ｆ１の温度特性に基づく影響を抑える発振装置に関する。

図１８は発振装置であるＴＣＸＯの一般的な構成を示している。９０は水晶振動子、９１は発振回路であり、制御電圧発生部９３から電圧可変容量素子９２に供給される制御電圧を変えることにより、電圧可変容量素子９２の容量をコントロールして発振周波数（出力周波数）が調整される。

水晶振動子９０は温度に応じて周波数が変化するため、制御電圧発生部９３は、温度検出器９４により検出した温度に応じて制御電圧を補正している。具体的には、水晶振動子９０の周波数温度特性を基準温度にて正規化した関数である例えば３次関数をメモリ９５内に格納し、この関数（周波数温度特性）に基づいて温度検出値に対応する周波数を読み出す。即ち基準温度時の周波数に対してそのときの温度おける周波数がどのくらいずれているかを読み出し、この周波数のずれ分に対応する制御電圧を温度補償量として、基準温度時の周波数に対応する制御電圧から差し引くようにしている。ここで挙げた例の他に、詳しくは実施形態で説明するが、第１の発振回路の発振出力ｆ１及び第２の発振回路の発振出力ｆ２の差分に応じた信号を温度検出値として取り扱うことで、さらに高精度な出力を得る発振装置を用いることが検討されている。

ところで、発振装置は安定した発振出力を得るために調整を行う必要がある。前記ＴＣＸＯを用いた例では、上記の温度検出値に対応する制御電圧を決定するための関数を設定する。しかし、このように調整を行うために、例えば調整用に周波数を測定する機器などを接続可能な構成としたことで、発振装置の構成が複雑化してしまわないように対処することが求められている。

特許文献１の図２及び図３には、共通の水晶片に２対の電極を設けて２つの水晶振動子（水晶共振子）を構成することが記載されている。また段落００１８には、温度変化に応じて２つの水晶振動子の間で周波数差が現れるので、この周波数差を計測することにより温度を計測することと同じになると記載されている。そしてこの周波数差Δｆと補正すべき周波数の量との関係をＲＯＭに記憶させ、Δｆに基づいて周波数補正量を読み出している。しかし、この装置は上記の問題を解決できるものではない。

特開２００１−２９２０３０号

本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的は、温度特性に基づく影響を高精度に抑えることができる制御信号を出力すると共に、その構成を簡素化することができる発振装置を提供することである。

本発明の発振装置は、第１の発振回路の発振出力ｆ１及び第２の発振回路の発振出力ｆ２の差分に応じた差分信号を温度検出値として取り扱い、当該差分信号に基づいて、ｆ１の温度特性に基づく影響を抑えるための制御信号を出力し、前記ｆ１を発振出力とする発振装置において、
前記制御信号を出力するためのパラメータが記憶される記憶部と、
前記ｆ１、ｆ２を夫々取り込むための第１の信号路及び第２の信号路に接続され、取り込まれた前記ｆ１、ｆ２から前記差分信号を求め、当該差分信号と前記パラメータとに基づいて前記制御信号を出力する信号処理部と、
外部コンピュータを接続するための第１の接続端及び第２の接続端と、
前記外部コンピュータから前記記憶部にアクセスするために前記第１の接続端及び第２の接続単端が当該記憶部に接続された第１の状態と、第１の接続端、第２の接続端から夫々ｆ１、ｆ２が外部の周波数測定部に取り出されるように前記第１の接続端及び第２の接続端が前記第１の信号路及び第２の信号路に接続される第２の状態とを互いに切り替えるための切り替え部と、
を備えることを特徴とする。

本発明の具体的な態様としては例えば下記の通りである。
（１）前記切り替え部は、前記記憶部に設けられる接続状態の切り替え用の記憶領域に記憶される論理値に基づいて前記第１の状態と、第２の状態とを切り替え、
前記切り替え用の記憶領域には、前記切り替え部を第１の状態にするための第１の論理値と、前記切り替え部を第２の状態にするための第２の論理値とのうち一方が選択されて記憶され、
前記外部コンピュータからは独立して、前記切り替え用の記憶領域の論理値を第１の論理値にリセットするリセット部が設けられる。
（２）前記リセット部は、発振装置の電源投入時に論理値記憶領域を第１の論理値にリセットすることを特徴とする請求項２記載の発振装置。
（３）ｆ１の温度特性に基づく影響を抑えるための制御信号は、ｆ１における基準温度時のｆ１の値からの変化分と、ｆ１及びｆ２の差分に応じた信号と、の関係に基づいて、基準温度時のｆ１に対する周波数補正値に相当する信号である置。
（４）前記第１の発振回路及び第２の発振回路に接続される第１の水晶振動子及び第２の水晶振動子の温度を一定に維持するための温度調整部を備え、
ｆ１の温度特性に基づく影響を抑えるための制御信号は、前記温度調整部の発熱量を制御するための信号である。

本発明の発振装置は、第１の発振回路の発振出力ｆ１及び第２の発振回路の発振出力ｆ２の差分に応じた差分信号に基づいて、ｆ１の温度特性に基づく影響を抑えるための制御信号を出力する構成とされ、外部コンピュータが接続される第１の接続端及び第２の接続端が、前記制御信号を出力するための信号処理部に用いるパラメータを記憶する記憶部に接続された状態と、信号処理部にｆ１、ｆ２を供給する信号路に接続される状態と、を互いに切り替える。それによって温度による周波数変動を高精度に抑え、且つｆ１、ｆ２を取り出すための専用の端子を設ける必要が無いので、装置構成を簡素化することができる。

本発明に係る発振装置の全体構成を示すブロック図である。前記発振装置の一部を示すブロック図である。図２に示す一部の出力の波形図である。図２に示す、ＤＤＳ回路部を含むループにおいてロックしていない状態を模式的に示す各部の波形図である。図２に示す、ＤＤＳ回路部を含むループにおいてロックしている状態を模式的に示す各部の波形図である。第１の発振回路の周波数ｆ１及び第２の発振回路の周波数ｆ２と温度との関係を示す周波数温度特性図である。ｆ１、ｆ２の各々を正規化した値と温度との関係を示す周波数温度特性図である。ｆ１を正規化した値と温度との関係、及びｆ１を正規化した値とｆ２を正規化した値との差分ΔＦと温度との関係を示す周波数温度特性図である。図８の縦軸を正規化した値と、周波数補正値との関係を示す特性図である。補正値演算部を示すブロック図である。前記発振装置を構成するマイクロコントローラのブロック図である。発振装置の概略縦断側面図である。スイッチの切り替え動作を示す作用図である。スイッチの切り替え動作を示す作用図である。スイッチの切り替え動作を示す作用図である。スイッチの切り替え動作を示す作用図である。比較例の発振装置のブロック図である。従来の発振装置の回路図である。

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１Ａの全体を示すブロック図である。この発振装置１Ａ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ヒータ回路５０と、を備えている。従って前記水晶発振器はＯＣＸＯである。

前記制御回路部２００は、ＰＬＬ（Phase locked loop）であり、ＤＤＳ（Direct Digital Synthesizer）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に入力され、ＰＬＬが安定するように制御される。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。

しかし前記基準クロックの周波数が温度特性をもっているため、この温度特性をキャンセルするためにＤＤＳ回路部２０１に入力される前記周波数データに後述の周波数補正値に対応する信号を加算している。ＤＤＳ回路部２０１に入力される周波数データを補正することで、基準クロックの温度特性変動分に基づくＤＤＳ回路部２０１の出力周波数の温度変動分がキャンセルされ、結果として温度変動に対して参照用クロックの周波数が安定し、以って電圧制御発振器１００からの出力周波数が安定することになる。つまり、前記水晶発振器はＴＣＸＯとしても構成されており、発振装置１Ａはいわば二重の温度対応が行われた、高い精度で出力を安定させることができる装置として構成されている。

前記水晶発振器は、第１の水晶振動子１０及び第２の水晶振動子２０を備えており、これら第１の水晶振動子１０及び第２の水晶振動子２０は、共通の水晶片Ｘｂを用いて構成されている。例えば短冊状の水晶片Ｘｂの領域を長さ方向に２分割し、各分割領域（振動領域）の表裏両面に励振用の電極が設けられる。そして一方の分割領域と一対の電極１１、１２とにより第１の水晶振動子１０が構成され、他方の分割領域と一対の電極２１、２２とにより第２の水晶振動子２０が構成される。

第１の水晶振動子１０及び第２の水晶振動子２０には夫々第１の発振回路１及び第２の発振回路２が接続されている。ここで便宜上、第１の発振回路１から周波数ｆ１の周波数信号が出力され、第２の発振回路２から周波数ｆ２の周波数信号が出力されるものとすると、周波数ｆ１の周波数信号は、前記制御回路部２００に基準クロックとして供給される。

３は周波数差検出部であり、この周波数差検出部３は概略的な言い方をすれば、ｆ１とｆ２との差分と、Δｆｒとの差分である、ｆ２−ｆ１−Δｆｒを取り出すための回路部である。Δｆｒは、基準温度例えば２５℃におけるｆ１（ｆ１ｒ）とｆ２（ｆ２ｒ）との差分である。ｆ１とｆ２との差分の一例を挙げれば、例えば数ＭＨｚである。本発明は、周波数差検出部３によりｆ１とｆ２との差分に対応する値と、基準温度例えば２５℃におけるｆ１とｆ２との差分に対応する値との差分であるΔＦを計算することにより成り立つ。より詳しく言えば、周波数差検出部３で得られる値は、｛（ｆ２−ｆ１）／ｆ１｝−｛（ｆ２ｒ−ｆ１ｒ）／ｆ１ｒ｝である。

図２は、周波数差検出部３の具体例を示している。３１はフリップフロップ回路（Ｆ／Ｆ回路）であり、このフリップフロップ回路３１の一方の入力端に第１の発振回路１からの周波数ｆ１の周波数信号が入力され、他方の入力端に第２の発振回路２から周波数ｆ２の周波数信号が入力され、第１の発振回路１からの周波数ｆ１の周波数信号により第２の発振回路２からの周波数ｆ２の周波数信号をラッチする。以下において記載の冗長を避けるために、ｆ１、ｆ２は、周波数あるいは周波数信号そのものを表しているとして取り扱う。フリップフロップ回路３１は、ｆ１とｆ２との周波数差に対応する値である（ｆ２−ｆ１）／ｆ１の周波数をもつ信号が出力される。

フリップフロップ回路３１の後段には、ワンショット回路３２が設けられ、ワンショット回路３２では、フリップフロップ回路３１から得られたパルス信号における立ち上がりにてワンショットのパルスを出力する。図３はここまでの一連の信号を示したタイムチャートである。ワンショット回路３２の後段にはＰＬＬが設けられ、このＰＬＬは、ラッチ回路３３、積分機能を有するループフィルタ３４、加算部３５及びＤＤＳ回路部３６により構成されている。ラッチ回路３３はＤＤＳ回路部３６から出力された鋸波をワンショット回路３２から出力されるパルスによりラッチするためのものであり、ラッチ回路３３の出力は、前記パルスが出力されるタイミングにおける前記鋸波の信号レベルである。ループフィルタ３４は、この信号レベルである直流電圧を積分し、加算部３５はこの直流電圧とΔｆｒ（基準温度例えば２５℃におけるｆ１とｆ２との差分）に対応する直流電圧と加算する。

ＤＤＳ回路部３６には、加算部３５にて演算された直流電圧、即ちΔｆｒに対応する直流電圧からループフィルタ３４の出力電圧を差し引いた電圧が入力され、この電圧値に応じた周波数の鋸波が出力される。ＰＬＬの動作の理解を容易にするために図４に極めて模式的に各部の出力の様子を示し、かつ直感的に把握できるようにするために極めて模式的な説明をしておく。装置の立ち上げ時には、Δｆｒに対応する直流電圧が加算部３５を通じてＤＤＳ回路部３６に入力され、例えばΔｆｒが５ＭＨｚであるとすると、この周波数に応じた周波数の鋸波がＤＤＬ３６から出力される。

前記鋸波がラッチ回路３３により（ｆ２−ｆ１）に対応する周波数のパルスでラッチされるが、（ｆ２−ｆ１）が例えば６ＭＨｚであるとすると、鋸波よりもラッチ用のパルスの周期が短いことから、鋸波のラッチポイントは図４（ａ）に示すように徐々に下がっていき、ラッチ回路３３の出力及びループフィルタ３４の出力は図４（ｂ）、（ｃ）に示すように−側に徐々に下がっていく。加算部３５におけるループフィルタ３４の出力側の符号が「−」であることから、加算部３５からＤＤＳ回路部３６に入力される直流電圧が上昇する。このためＤＤＳ回路部３６から出力される鋸波の周波数が高くなり、ＤＤＳ回路部３６に６ＭＨｚに対応する直流電圧が入力されたときに、鋸波の周波数が６ＭＨｚとなって図５（ａ）〜（ｃ）に示すようにＰＬＬがロックされる。このときにループフィルタ３４から出力される直流電圧は、Δｆｒ−（ｆ２−ｆ１）＝−１ＭＨｚに対応した値となる。つまりループフィルタ３４の積分値は、５ＭＨｚから６ＭＨｚへ鋸波が変化するときの１ＭＨｚの変化分の積分値に相当するということができる。

この例とは逆に、Δｆｒが６ＭＨｚ、（ｆ２−ｆ１）が５ＭＨｚの場合には、鋸波よりもラッチ用のパルスの周期が長いためにことから、図４（ａ）に示すラッチポイントは徐々に高くなり、これに伴い、ラッチ回路３３の出力及びループフィルタ３４の出力も上昇する。このため加算部３５において差し引かれる値が大きくなるので、鋸波の周波数が徐々に下がり、やがて（ｆ２−ｆ１）と同じ５ＭＨｚとなったときにＰＬＬがロックされる。このときにループフィルタ３４から出力される直流電圧は、Δｆｒ−（ｆ２−ｆ１）＝１ＭＨｚに対応した値となる。

ところで既述のように実際には周波数差検出部３の出力、即ち図２に示す平均化回路３７の出力は、｛（ｆ２−ｆ１）／ｆ１｝−｛（ｆ２ｒ−ｆ１ｒ）／ｆ１ｒ｝の値を３４ビットのディジタル値で表した値である。−５０℃付近から１００℃付近までのこの値の集合は、（ｆ１−ｆ１ｒ）／ｆ１＝ＯＳＣ１（単位はｐｐｍあるいはｐｐｂ）、（ｆ２−ｆ２ｒ）／ｆ２ｒ＝ＯＳＣ２（単位はｐｐｍあるいはｐｐｂ）とすると、温度に対する変化はＯＳＣ２−ＯＳＣ１と実質同じカーブとなる。従って周波数差検出部３の出力は、ＯＳＣ２−ＯＳＣ１＝温度データとして取り扱うことができる。

またフリップフロップ回路３１においてｆ２をｆ１によりラッチする動作は非同期であることから、メタステーブル（入力データをクロックのエッジでラッチする際、ラッチするエッジの前後一定時間は入力データを保持する必要があるが、クロックと入力データとがほぼ同時に変化することで出力が不安定になる状態）など不定区間が生じる可能性もあり、ループフィルタ３４の出力には瞬間誤差が含まれる可能性がある。このためループフィルタ３４の出力側に、予め設定した時間における入力値の移動平均を求める平均化回路３７を設け、前記瞬間誤差が生じても取り除くようにしている。

ここで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であるＯＳＣ２−ＯＳＣ１に関して図６から図８を参照して説明する。図６は、ｆ１及びｆ２を基準温度で正規化し、温度と周波数との関係を示す特性図である。ここでいう正規化とは、例えば２５℃を基準温度とし、温度と周波数との関係について基準温度における周波数をゼロとし、基準温度における周波数からの周波数のずれ分と温度との関係を求めることを意味している。第１の発振回路１における２５℃のときの周波数をｆ１ｒ、第２の発振回路２における２５℃のときの周波数をｆ２ｒとすると、図７の縦軸の値は（ｆ１−ｆ１ｒ）及び（ｆ２−ｆ２ｒ）ということになる。

また図７は、図６に示した各温度の周波数について、基準温度（２５℃）における周波数に対する変化率を表わしている。従って図７の縦軸の値は、（ｆ１−ｆ１ｒ）／ｆ１ｒ及び（ｆ２−ｆ２ｒ）／ｆ２ｒ（単位ｐｐｍ）であり、即ち既述のようにＯＳＣ１及びＯＳＣ２である。図８は、ＯＳＣ１と温度との関係及び（ＯＳＣ２−ＯＳＣ１）と温度との関係を示しており、（ＯＳＣ２−ＯＳＣ１）が温度に対して直線関係にあることが分かる。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。

図１に説明を戻すと、周波数差検出部３の出力値は、実質（ＯＳＣ２−ＯＳＣ１）であり、水晶振動子１０、２０が置かれている雰囲気の温度検出値ということができる。そこで周波数差検出部３の後段に加算部（偏差分取り出し回路）５１を設け、ディジタル信号である温度設定値（設定温度におけるＯＳＣ２−ＯＳＣ１の３４ビットのディジタル値）と周波数差検出部３の出力であるＯＳＣ２−ＯＳＣ１との差分を取り出すようにしている。温度設定値は、ＯＳＣ１の値が温度変化により変動しにくいように、例えば図８に示すＯＳＣ１と温度との関係カーブにおいて例えばボトム部分に対応する５０℃が選択される。

そして加算部５１の後段にはヒータ制御回路５２が設けられている。ヒータ制御回路５２は、加算部５１から出力されたディジタル信号を、対応する直流電圧に変換して、ヒータ回路５０に供給する。ヒータ回路５０は発熱抵抗を備え、供給された直流電圧に応じて発熱する。つまり、既述の温度データと温度設定値との差分に応じて当該ヒータ回路５０の発熱温度が制御される。図１中、周波数差検出部３、補正値演算部４、加算部５１及びヒータ制御回路５２を信号処理部５として示している。

また、既述のように発振装置１Ａ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。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。図８に示すように（ＯＳＣ２−ＯＳＣ１）は温度に対して直線関係にあり、（ＯＳＣ２−ＯＳＣ１）は基準温度からの温度変動ずれ分に対応する。そして一般的には水晶振動子の周波数温度特性による周波数変動分を相殺する周波数補正値と（ＯＳＣ２−ＯＳＣ１）との関係を求めておけば、（ＯＳＣ２−ＯＳＣ１）の検出値に基づいて周波数補正値が求まることになる。

この実施形態の発振装置１Ａは、既述のように第１の発振回路１から得られる周波数信号（ｆ１）を図１に示す制御回路部２００の基準クロックとして用いており、この基準クロックに周波数温度特性が存在することから、基準クロックの周波数に対して温度補正を行おうとしている。このため先ず基準温度で正規化した、温度とｆ１との関係を示す関数を予め求めておき、この関数によるｆ１の周波数変動分を相殺するための関数を図９のように求めておく。なお詳しくは、前記関数のｆ１は、基準温度における周波数の変動率である（ｆ１−ｆ１ｒ）／ｆ１ｒ＝ＯＳＣ１である。従って図９の縦軸は−ＯＳＣ１である。図９の横軸は正規化したＯＳＣ２−ＯＳＣ１の値である。この例では（ＯＳＣ２−ＯＳＣ１）が−３０ｐｐｍであるときに＋１、＋３０ｐｐｍであるときに−１として取り扱かうように正規化を行っている。なお、上述の実施形態において、図７から図９の説明では、周波数の変化分を「ｐｐｍ」単位で表示しているが、実際のディジタル回路では全て２進数での扱いとなるため、ＤＤＳ回路３６の周波数設定精度は構成ビット数で計算され、例えば３４ビットである。

水晶振動子における温度に対する周波数特性は、この例では９次の多項近似式として取り扱っている。補正値演算部４は、これら多項近似式係数を用いて（１）式の演算処理を行う。
Ｙ＝Ｐ１・Ｘ^９＋Ｐ２・Ｘ^８＋Ｐ３・Ｘ^７＋Ｐ４・Ｘ^６＋Ｐ５・Ｘ^５＋Ｐ６・Ｘ^４＋Ｐ７・Ｘ^３＋Ｐ８・Ｘ^２＋Ｐ９・Ｘ ………（１）
（１）式においてＸは周波数差検出情報、Ｙは補正データ、Ｐ１〜Ｐ９は多項近似式係数である。ここで、Ｘは図１に示す周波数差検出部３により得られた値、即ち図２に示す平均化回路３７により得られた値（ＯＳＣ２−ＯＳＣ１）である。図１０は補正値演算部４のブロック図であり、図中４０１〜４０９は（１）式の各項の演算を行う演算部、４００は加算部、４１０は丸め処理を行う回路である。

次に発振装置１Ａの通常運転時の動作についてまとめる。この発振装置１Ａ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５０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、加算部５１にて温度設定値との差分が取り出される。

この差分は直流電圧に変換されてヒータ回路５０の制御電力が調整される。例えば５０℃のときのＯＳＣ１の値を−１．５×１０^５とすると、加算部５１の出力は、温度が５０℃よりも低いときには正の値であって、温度が下がるに従って大きくなる。従って水晶振動子１０、２０が置かれている雰囲気温度が５０℃よりも低くなるほど、ヒータ回路５０の制御電力が大きくなるように作用する。また雰囲気温度が５０℃よりも高いときには負の値になり、温度が上がるにつれてその絶対値が大きくなる。従って温度が５０℃よりも高くなるほど、ヒータの供給電力が小さくなるように作用する。このため水晶振動子１０、２０が置かれる雰囲気の温度は設定温度である５０℃に維持されようとするので、発振出力である第１の発振回路１からの出力周波数が安定する。この結果、第１の発振回路１からの出力をクロック信号として用いている制御回路部２００において、位相周波数比較部２０５に供給される参照信号の周波数が安定するので、発振装置１Ａ（周波数シンセサイザ）の出力である電圧制御発振器１００からの出力周波数も安定する。

一方、周波数差検出部３からの出力（ＯＳＣ２−ＯＳＣ１）は補正値演算部４に入力され、既述の（１）式の演算が実行されて温度補正データである周波数補正分が得られる。（１）式の演算は、図９に示す特性図において、周波数差検出部３の出力値に基づいて得られた値に対応する補正周波数曲線の縦軸の値を求める処理である。

第１の水晶振動子１０及び第２の水晶振動子２０は共通の水晶片Ｘｂを用いて構成されていることから、発振回路１、２の周波数差は、環境温度に正確に対応した値であり、従って周波数差検出部３の出力は、環境温度と基準温度（この例では２５℃）との温度差情報である。第１の発振回路１より出力される周波数信号ｆ１は制御回路部２００のメインクロックとして使用されるものであることから、補正値演算部４にて得られた補正値は、温度が２５℃からずれたことによるｆ１の周波数ずれ分に基づく制御回路部２００の動作への影響を相殺するために制御回路部２００の動作を補償するための信号として用いられる。

ところで、周波数信号ｆ１と、補正値演算部４にて得られた温度補正値に対応する信号とが加算されて制御回路部２００に入力されるように記載してきたが、実際には上記のように周波数信号ｆ１と、発振装置１Ａを構成するマイクロコントローラ７から出力される信号と、前記温度補正値に対応する信号とが図１に示す加算部７１にて加算され、制御回路部２００に出力される。そして、外部コンピュータ６０によってマイクロコントローラ７から加算部７１への補正出力信号を変更することにより、メーカー側で決める公称周波数に対して発振装置１Ａの出力周波数を可変できるように構成されている。

マイクロコントローラ７は、上記の加算部７１への周波数可変用の補正出力信号、係数Ｐ１〜Ｐ９、前記Δｆｒに対応する電圧信号、加算部５１へ出力する温度設定値などの発振装置ごとに固有の情報を送信する役割を有する。また、ＶＣＸＯ１００から上記のように所望の発振出力を取り出すモードを発振装置１Ａの通常運転モードと呼ぶことにすると、発振装置１Ａは、この通常運転モードと、そのように発振出力を取り出さずことを目的とせずｆ１、ｆ２を測定するために外部へ取り出すための周波数測定モードと、を互いに切り替えて実行する。この周波数測定モードは、例えば前記係数Ｐ１〜Ｐ９を設定するために行われるモードであり、マイクロコントローラ７は、これらのモード切り替え制御を行う役割も有する。

図１１を参照しながらマイクロコントローラ７の構成について説明する。７２は周波数調整量出力部に相当する第１のレジスタであり、第１のレジスタ７２は、例えば２の補数で表現した２４ビットのディジタル値により周波数調整量を設定する役割を有する。この周波数調整量は、メーカー側で設定された可変幅の中で、ユーザが公称周波数に対する比率を設定するためのものである。この周波数調整量が決まると、前記補正値演算部４により補正された周波数ｆ１に、前記比率に応じた周波数が加算された値に対応する信号が加算部７１から制御回路部２００に出力されることになる。またマイクロコントローラ７には、第２のレジスタ７３と第３のレジスタ７４とが設けられる。７５及び７６は、各々乗算部である。図中７０はバスである。レジスタ７３、７４に夫々記憶される第１のゲインＧ１、第２のゲインＧ２は、第１のレジスタ７２にて設定された周波数調整量に乗算され、前記周波数調整量×Ｇ１×Ｇ２の値が可変し、それによって加算部７１への出力が変化し発振周波数が変化する。第１のゲインＧ１は、例えば２の補数で表現した８ビットのディジタル値として表される。第２のゲインＧ２は、前記周波数調整量に第１のゲインＧ１を乗算した値に対して丸め処理（２^−ｎを乗算する処理（ｎは自然数））を行うための値である。周波数調整量を最小値から最大値に変更することで、周波数の可変幅がメーカーの定める最小値から最大値へ変更されるように各ゲインが設定される。

マイクロコントローラ７には上記のモードの切り替えを行うための第４のレジスタ７７が設けられる。この第４のレジスタ７７はモード切り替え用の論理値として「０」または「１」が書き込まれ、当該論理値により接続切り替え部６３のスイッチの切り替えが制御される。また、マイクロコントローラ７は、上記の係数Ｐ１〜Ｐ９、Δｆｒ、加算部５１に出力される温度設定値などの発振装置１Ａの固有情報が格納される第５のレジスタ７８を備えており、これらの各固有情報が信号処理部５に読み出される。

マイクロコントローラ７にはパワーオンリセット回路７９が設けられている。これは、発振装置１Ａの電源の投入時に上記の各レジスタのデータを初期化して０を書き込む役割を有する。この電源の入力端子を図中６１として示しており、６２は当該電源のオンオフを切り替えるスイッチである。また、マイクロコントローラ７は、発振装置１Ａに接続される外部コンピュータ６０との間で通信を行うためのインターフェイス回路８１を備えている。

マイクロコントローラ７の外部の構成について説明すると、発振装置１Ａは接続切り替え部６３を備えており、接続切り替え部６３はスイッチ６０１、６０２により構成されている。そして、第１の発振回路１、第２の発振回路２と信号処理部５とを夫々接続する信号路を６０３、６０４とすると、これらの信号路６０３、６０４に夫々接続される信号路６０５、６０６が設けられている。スイッチ６０１は、第１の接続端子５８を前記インターフェイス回路８１と信号路６０５との間で切り替えて接続し、スイッチ６０２は、第２の接続端子５９をインターフェイス回路８１と信号路６０６との間で切り替えて接続する。上記のように、第４のレジスタ７７に書き込まれる切り替え用の論理値に応じて当該スイッチ６０３、６０４の切り替え動作が制御される。前記論理値が０である場合にはインターフェイス回路８１と第１及び第２の接続端子５８、５９とが接続された状態となり、論理値が１である場合には信号路６０５、６０６と第１及び第２の接続端子５８、５９とが接続された状態となるようにスイッチ６０１、６０２が切り替えられる。

発振装置１Ａの外部について説明する。この例では、周波数測定モードと通常運転モードとの切り替えを速やかに行うために接続切り替え冶具６４が設けられ、前記外部コンピュータ６０はＩ2Ｃバスを介してこの冶具６４に接続される。また、冶具６４にはバッファ回路６５を介して周波数測定部である周波数カウンタ６６が接続される。接続切り替え冶具６４はスイッチ６０７、６０８を備えており、上記のように第１及び第２の接続端子５８、５９をバッファ回路６６と、外部コンピュータ６０との間で切り替えて接続する。冶具６４の各スイッチ６０７、６０８は、外部コンピュータ６０により切り替えできるように構成されている。

後述するように通常運転モード実行時には、外部コンピュータ６０がマイクロコントローラ７、即ち第１〜第５のレジスタに接続され、これら各レジスタのデータを書き換えることができるように、接続切り替え部６３及び接続切り替え用冶具６４の各スイッチが切り替わる。つまり、この通常運転モード実行時には、ユーザは外部コンピュータ６０から上記の第１のレジスタ７２の周波数調整量を変更することによって、上記の公称周波数からの変更を行うことができる。そして、周波数測定モード実行時には、第１の発振回路１及び第２の発振回路２が周波数カウンタ６６に接続されるように前記各スイッチが切り替わる。

発振装置１Ａの外部には不揮発性メモリ、例えばＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable ROM）からなる外部メモリ８２が接続されている。外部メモリ８２には、前記第１〜第３のレジスタ７２〜７４、第５のレジスタ７８に記憶される各固有情報が格納されており、電源の投入時にこれらの固有情報が、マイクロコントローラ７に設けられるプログラム８３によって対応する各レジスタに読み込まれて発振装置１Ａを運用することができる。この外部メモリ８２には外部コンピュータ６０がアクセスして、各固有情報を設定することができる。

図１２は、図１に示す発振装置１Ａの概略構造を示す縦断側面図である。５６は容器、５７は容器５６内に設けられたプリント基板である。プリント基板５７の上面側には、水晶振動子１０、２０、発振回路１、２及び集積回路部３００が設けられている。集積回路部３００は、信号処理部５、制御回路部２００、マイクロコントローラ７及び接続切り替え部６４により構成される。またプリント基板５７の下面側には、例えば水晶振動子１０、２０と対向する位置にヒータ回路５０が設けられる。プリント基板５７には、基板５７上に形成される配線（図示はしていない）を介して集積回路部３００に接続される第１の接続端子５８及び第２の接続端子５９が設けられる。これらの接続端子５８、５９の先端は容器５６の外側に突出しており、前記接続切り替え用冶具６４を介して周波数カウンタ６６または外部コンピュータ６０に接続される。

続いて、発振装置１Ａの各スイッチの切り替えにより通常運転モードと周波数測定モードとの切り替えを行う手順について、スイッチの状態を示す前記図１１及び図１３〜図１５を参照しながら説明する。この例では発振装置１Ａの製造時に係数Ｐ１〜Ｐ９の設定を行うためにこの切り替えを行うものとする。また、図１６は当該モードの切り替えを概略的に記載した図であり、この図１６についても適宜参照しながら説明する。

図１１は、通常運転モードで動作中の発振装置１Ａを示しており、図１６中の状態Ａ１に相当する。この図１１の状態では、第１の接続端子５８及び第２の接続端子５９は、接続切り替え冶具６４の各スイッチ６０７、６０８によりＩ2Ｃバスを介して外部コンピュータ６０に接続されている。また、第４のレジスタ７７には切り替え用論理値として０が記憶されており、それによって接続切り替え部６３のスイッチ６０１、６０２は、第１の接続端子５８及び第２の接続端子５９をインターフェイス回路８１に接続し、外部コンピュータ６０からマイクロコントローラ７へアクセスできるようになっている。第１〜第３のレジスタ７２〜７３には外部メモリ８２から読み込まれた周波数調整量、第１のゲイン、第２のゲインが記憶され、第５のレジスタ７８には同様に外部メモリ８２から読み込まれた各種の固有情報が記憶される。ただし、係数Ｐ１〜Ｐ９については、まだ装置固有の情報が決定されていないので例えば所定の標準値が設定されている。

例えば、この発振装置１Ａを内部の温度が変更自在な恒温槽内に格納する。そして、図１３に示すようにユーザが外部コンピュータ６０から第４のレジスタ７７にアクセスし、切り替え用論理値として「１」を書き込む（図１６中Ｂ１）。それによって接続切り替え部６３のスイッチ６０１、６０２が切り替わり、第１の接続端子５８及び第２の接続端子５９とマイクロコントローラ７との接続が切断される代わりに、これら接続端子５８、５９は夫々信号路６０５、６０６に接続される。このようなスイッチ６０１、６０２の切り替わりにより、外部コンピュータ６０と発振装置１Ａとの間でのＩ2Ｃバスによる通信が終了し、例えば外部コンピュータ６０はこの通信が終了したことを検出すると、接続切り替え用冶具６４の各スイッチ６０７、６０８を切り替える。なお、このように通信の終了を検出する代わりに前記論理値「１」を書き込んでから所定の時間経過後に外部コンピュータ６０がスイッチ６０７、６０８の切り替えを行うようにしてもよい。このように各スイッチ６０７、６０８が切り替えられることによって、第１の接続端子５８及び第２の接続端子５９は、外部コンピュータ６０に接続される代わりに周波数カウンタ６６に接続され、発振装置１Ａは周波数測定モードに移行する（図１６中Ａ２）。

図１４に示すように第１の発振回路１の出力ｆ１が信号路６０５、第１の接続端子５８及びバッファ回路６５を介して周波数カウンタ６６に出力され、周波数カウンタ６６により当該ｆ１の測定が行われる。また、第２の発振回路２の出力ｆ２が信号路６０６、第２の接続端子５９及びバッファ回路６５を介して周波数カウンタ６６に出力され、当該ｆ２の測定が行われる。そして、前記恒温槽内の温度を順次変更し、各温度におけるｆ１、ｆ２の測定を行い、取得した各温度のｆ１、ｆ２を用いて（ＯＳＣ２−ＯＳＣ１）と温度との関係を取得する。そして、この実測データから上記の公称周波数を出力できるように、温度に対する周波数変動分を相殺する、温度と−ＯＳＣ１との関係を示す補正周波数曲線を導き出し、最小二乗法により９次の多項近似式係数Ｐ１〜Ｐ９を算出する。

Ｐ１〜Ｐ９算出後、例えばユーザが装置の電源スイッチ６２を動作させ、発振装置１Ａの電源をオフにし（図１６中Ａ３、Ｂ２）、発振装置１Ａを恒温槽から取り出す。そして、ユーザは例えば外部コンピュータ６０を操作し、第１の接続端子５８及び第２の接続端子５９が、周波数カウンタ６６に代わり外部コンピュータ６０に接続されるように冶具６４のスイッチ６０７、６０８を切り替える。また、外部コンピュータ６０と外部メモリ８２とを接続する図示しない信号路により、外部コンピュータ６０を用いて外部メモリ８２に記憶されるＰ１〜Ｐ９を算出したＰ１〜Ｐ９に書き換える。

その後、ユーザは装置の電源スイッチ６２を動作させて発振装置１Ａの電源をオンにすると（図１６中Ｂ３）、パワーオンリセット回路７９は、マイクロコントローラ７の第１〜第５のレジスタのデータを初期化して「０」にする。上記のように外部メモリ８２から各固有情報が読み込まれ、対応する各レジスタに書き込まれる。そして、第４のレジスタ７７に記憶される切り替え用論理値が０になったことにより、図１５に示すように接続切り替え部６３のスイッチ６０１、６０２が切り替わり、第１の接続端子５８及び第２の接続端子５９と信号路６０５、６０６との接続が切断される代わりに、第１の接続端子５８及び第２の接続端子５９とインターフェイス回路８１との間で接続される。これによって、発振装置１Ａは図１６のＡ１の状態、即ち通常運転モードに戻り、変更されたＰ１〜Ｐ９に基づいて発振出力が得られ、外部コンピュータ６０から各レジスタ７３、７４のゲインの変更により周波数調整が可能になる（図１６中Ａ４、Ｂ４）。

なお、図１６に示すように周波数測定モード実行時には外部コンピュータ６０とマイクロコントローラ７との接続が絶たれるので、周波数測定モードから通常運転モードへの移行は、説明したように一旦装置１Ａの電源をオフにすることが必要になる。また、図示していないが通常運転モードの状態で電源をオフにしたときは、第４のレジスタ７７の論理値は電源の再投入の前後で０のままであるため、スイッチ６０１、６０２は接続端子５８、５９とインターフェイス回路８１とを接続したままである。

このようにＰ１〜Ｐ９を設定し、発振装置１Ａの製造を終了して出荷するときはバッファ回路６５、周波数カウンタ６６及び接続切り替え冶具６４は不要なので、これらは発振装置１Ａから取り外される。そして、使用時には例えば接続端子５８、５９に冶具６４を介さずに外部コンピュータ６０が接続される。再度Ｐ１〜Ｐ９の設定を行うときは、上記のようにこれらバッファ回路６５、周波数カウンタ６６及び冶具６４を接続する。例えば周波数測定モードを実行するときには接続端子５８、５９に周波数カウンタ６７を接続し、通常運転モードを行うときには外部コンピュータ６０を接続するように、モードを切り替えるたびに接続端子５８、５９の接続先を切り替えてもよい。つまり、冶具６４を用いずにモードを切り替えてもよい。

装置の電源スイッチ６２は、接続端子５８、５９を介さずに外部コンピュータ６０に接続され、外部コンピュータ６０からオンオフを切り替えることができるようにしてもよい。冶具６４の各スイッチは、外部コンピュータ６０が切り替える代わりにユーザが手動で切り替えてもよい。

この発振装置１Ａによれば、外部コンピュータ６０からマイクロコントローラ７の各レジスタにアクセスするために接続端子５８、５９と前記マイクロコントローラ７とが接続された状態と、接続端子５８、５９から発振周波数ｆ１、ｆ２を取り出すために、第１の発振回路１及び第２の発振回路２と当該接続端子５８、５９とが接続された状態とが接続切り替え部６３のスイッチにより互いに切り替えられ、電源のオンオフによるリセットによりマイクロコントローラ７のレジスタ７７が初期化されると接続端子５８、５９と前記マイクロコントローラ７とが接続された初期状態になる。これによって、ｆ１、ｆ２を取り出すための専用の端子を設ける必要がなくなるので発振装置の構成を簡素化し、当該発振装置の製造コストを抑えることができる。

図１７には比較例として他の発振装置を示している。発振装置１Ａとの差異点を挙げると接続端子５８、５９とは異なる別の端子６２１、６２２を設け、端子６２１、６２２は信号路６０５、６０６に夫々接続されている。そして、端子６２１、６２２を導電路であるジャンパ線６２３、６２４によりバッファ回路６６に接続し、周波数ｆ１、ｆ２が周波数カウンタ６７に取り込まれるように構成されている。しかし、上記のように端子６２１、６２２及びジャンパ線６２３、６２４を設ける分、発振装置の構成が複雑化して、製造工数が増える。また、ジャンパ線６２３、６２４の接続は作業者がはんだ付けにより行うので、装置の製造精度の信頼性を上げ難い。また、ｆ１、ｆ２の周波数を測定する前後でジャンパ線６２３、６２４に熱が伝わるので、その熱によりｆ１、ｆ２の値が変化するおそれがある。上記の発振装置１Ａではそのような不具合が起こることを防ぐことができる。

ところで、電源投入に基づくレジスタ７７の初期状態に対応する切り替え用の論理値は、「０」に限るものではない。例えば電子機器の電源を投入した後、操作スイッチをオンにすることにより、内部のデバイスにより論理値記憶領域７１に論理値「１」を書き込み、この論理値を通常運転モード実行用の論理値とした場合にも、本発明の技術的範囲に含まれる。

補正値演算部４で用いるＰ１〜Ｐ９を設定する例について示したが、他の固有情報についても書き換えることができる。例えばＰ１〜Ｐ９を設定する場合と同様に恒温槽の温度を変えてｆ１、ｆ２の温度変化を測定する。そして、この測定結果に基づいて、各温度においてヒータ回路５０の出力が適切になるように当該ヒータ回路５０及びヒータ制御回路５２の回路定数の設定を行う場合にも有効である。つまり、発振装置１Ａは、補正値演算部４で演算する補正値またはヒータ回路５０による周囲温度の一方のみを制御して、取得された発振周波数ｆ１を制御回路部２００に出力する構成としてもよく、その場合にも本発明が有効である。また、記憶部であるマイクロコンピュータ７の揮発性メモリである各レジスタ７２〜７４、７７、７８の代わりにＲＡＭ（Random Access memory）を用いてもよい。また、リセット回路としては、外部コンピュータ６０とは別個に第４のレジスタ７７をリセットできるものであればよい。例えばマイクロコントローラ７に接続される手動スイッチを設け、そのスイッチを操作することで電源をオンオフしなくても第４のレジスタ７７の論理値がリセットされるように回路を構成してもよい。また、そのように手動スイッチを設けた場合、論理値によらず接続切り替え部のスイッチを切り替えるものであってもよい。ところで通常運転時には外部コンピュータ６０が接続端子５８、５９に接続されているものとして説明したが、外部コンピュータ６０は各レジスタの値を設定した後、接続端子５８、５９から取り外してもよい。つまり運転時に外部コンピュータ６０が接続されていなくてもよく、レジスタあるいは外部メモリ８２の各固有情報の変更が必要になったときに再度接続端子５８、５９に接続してもよい。

１Ａ発振装置
１第１の発振回路
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
３６ＤＤＳ回路部
４補正値演算部（補正値取得部）
７マイクロコントローラ
７７レジスタ
７９パワーオンリセット回路
８２外部メモリ
１００電圧制御発振器
２００制御回路部

Claims

第１の発振回路の発振出力ｆ１及び第２の発振回路の発振出力ｆ２の差分に応じた差分信号を温度検出値として取り扱い、当該差分信号に基づいて、ｆ１の温度特性に基づく影響を抑えるための制御信号を出力し、前記ｆ１を出力とする発振装置において、
前記制御信号を出力するためのパラメータが記憶される記憶部と、
前記ｆ１、ｆ２を夫々取り込むための第１の信号路及び第２の信号路に接続され、取り込まれた前記ｆ１、ｆ２から前記差分信号を求め、当該差分信号と前記パラメータとに基づいて前記制御信号を出力する信号処理部と、
外部コンピュータを接続するための第１の接続端及び第２の接続端と、
前記外部コンピュータから前記記憶部にアクセスするために前記第１の接続端及び第２の接続端が当該記憶部に接続された第１の状態と、第１の接続端、第２の接続端から夫々ｆ１、ｆ２が外部の周波数測定部に取り出されるように前記第１の接続端及び第２の接続端が前記第１の信号路及び第２の信号路に接続される第２の状態とを互いに切り替えるための切り替え部と、
を備え、
前記切り替え部は、前記記憶部に設けられる接続状態の切り替え用の記憶領域に記憶される論理値に基づいて前記第１の状態と、第２の状態とを切り替え、
前記切り替え用の記憶領域には、前記切り替え部を前記第１の状態にするための第１の論理値と、前記切り替え部を前記第２の状態にするための第２の論理値とのうち一方が選択されて記憶され、
前記外部コンピュータからは独立して、前記切り替え用の記憶領域の論理値を、前記発振装置の電源投入時に前記第１の論理値にリセットするリセット部が設けられ、
前記信号処理部は、
基準温度における第１の発振回路の発振周波数をｆ１ｒ、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、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値を求める周波数差検出部と、
前記周波数差検出部にて検出された前記差分値に対応する値と、前記差分値に対応する値とｆ１の周波数補正値との関係と、に基づいて、基準温度時のｆ１の周波数補正値に相当する信号を前記制御信号として取得する補正値取得部と、を含むことを特徴とする発振装置。
前記第１の発振回路及び第２の発振回路に接続される第１の水晶振動子及び第２の水晶振動子の温度を一定に維持するための温度調整部を備え、
ｆ１の温度特性に基づく影響を抑えるための制御信号は、前記温度調整部の発熱量を制御するための信号であることを特徴とする請求項１記載の発振装置。