JP6854646B2 - 電子発振器において機械共振器を動作させるためのシステム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子発振器において機械共振器を動作させるためのシステム及び方法に関する。

水晶発振器などの機械共振器は、電子部品の周波数及び時間基準として用いられる。それらの周波数安定度は何よりも重要である。周波数安定度の内訳は、通常、超短期、短期、長期の３つの時間範囲に区分される。

通常、時間ジッタや位相雑音で表される超短期の安定度は、水晶におけるロスに関連する熱雑音や電子発振回路によって追加される雑音によって制限される。

水晶発振器の超短期安定度は非常に優れたものであることが知られている。水晶共振器のロスは、その高品質係数（最高１０^６）で表される通り非常に少ない。電子部品のノイズ寄与は、慎重な設計によって低く維持することができる。

短期間の安定度は、温度変化のため周波数ドリフトによって制限される。

水晶発振器の超短期安定度は通常特別な注意を必要とする。現代の電気通信のためには、水晶共振器の本質的な短期安定度を改善する必要がある。短期安定度が不安定になる直接的な原因は温度であるため、短期安定度を改善する本発明の方法は、その温度安定度の改善を目的としたものである。

従来技術によると、以下の方法が公知である。

第一の方法は、温度変化を水晶から隔離して、水晶の熱動作点を最適化することである。これは、いわゆる恒温槽型水晶発振器（ＯＣＸＯ）で採用される方法である。摂氏約８０度でゼロ温度ドリフトを示す特殊なＳＣカット水晶を、その温度で動作する槽に入れる。制御槽は、水晶を環境の温度変化からそれが制御される温度まで隔離する。恒温槽型水晶の欠点は、これらが比較的大型で高価で電力を消費することである。

第二の方法は、温度測定、較正、補正を行うことである。この方法は、温度補償水晶発振器（ＴＣＸＯ）やマイクロプロセッサ制御水晶発振器（ＭＣＸＯ）で採用される。

ＴＣＸＯでは、水晶の温度は、温度センサで測定され、その振動周波数の予想される変化は、ＶＡＲＩＣＡＰなどの電気的に制御された同調装置で、発振器を離調することによって補償される。温度とＶＡＲＩＣＡＰの同調電圧の関係は、較正中に決定、保存され、動作中に再使用される。

不都合な点は、センサが、すべての環境下における水晶の温度を完全には追跡するわけではないため、温度安定度の改善には限界があるということである。工場で較正されるため、水晶は電子部品と組み合わせる必要がある。

ＭＣＸＯで用いられる第三の方法は、デュアルモード発振器の補助で温度を決定し、それをマイクロプロセッサ制御周波数シンセサイザーでカスケード接続することによって補正することである。慎重に設計されたデュアルモード発振器では、正規化された倍音共振周波数と水晶の基本共振周波数との差であるいわゆるビート周波数は、温度に大きく左右される。較正中にこの関係が保存され、動作中にマイクロプロセッサ制御周波数シンセサイザーによって用いられ、デュアルモード発振器の出力周波数の１つを補正する。ＭＣＸＯにおける温度補償はＴＣＸＯにおける温度補償よりも良好に行われる。これは、周波数変化の情報が温度センサからではなく水晶自体から得られるためである。

しかし、基本周波数と正規化された倍音周波数との差であり、デュアルモード発振器における温度測定のための基準として用いられるビート周波数は温度だけに左右されるものではなく、水晶共振器の機械的応力にも左右される。静的要素以外に、機械的応力は、水晶の異なる熱膨張係数、その接続板や実装材料のために経時的に変化する（クリープ現象効果）可能性がある。これにより、いわゆるリトレースエラーが生じ、高性能ＭＣＸＯに応力補償水晶またはＳＣカット水晶を設けることが必要になる。これらの水晶は、一般的なＡＴカット水晶より高価であるため、応力に対してより敏感である。工場で較正されるため、ＳＣカット水晶は電子部品と組み合わせる必要がある。

超長期間にわたる安定度はエージングによって制限される。超長期間にわたる高周波数安定度は、水晶の動作環境における化学的及び物理的変化を防ぐ高性能のパッケージ技術を用いることによって達成される。よって、本発明の目的は、従来技術の欠点を排除すること、あるいは少なくとも有用な代替方策を提供することにある。

従って、本発明は、圧電水晶共振器、セラミック共振器及びＭＥＭＳ共振器などの機械共振器の共振モードが、共振器の材料の質量や剛性や寸法や機械的形状に左右されるという事実を利用した電子発振器において機械共振器を動作させるシステム及び方法からなる。

これらのほとんどは製造の際に正確に決定されるが、共振器の動作状態に左右されるものもある。例えば、水晶共振器では、水晶の寸法は温度に左右される。というのも、水晶が受ける温度によって、その剛性が温度及び寿命に左右される可能性があるためである。

本発明によると、水晶発振器の出力周波数の変化の改善された補正は、共振器のいわゆる状態空間表現に基づき、ここで状態変数は、水晶共振器で用いられるすべての素子の質量、剛性及び寸法である。

必要となるこれらの変数の直接的な測定は本発明では要件ではない。温度ドリフト及びリトレースが水晶の寸法及び剛性に大きく影響される場合、これら２つの状態変数の直接または間接測定が、すでにリトレースを含む周波数補正の確かな根拠を付与している。

よって、本発明は、電子発振器において周波数補正係数が付与されたテーブルを得るものであって、当該方法は、
ａ．水晶共振器の剛性及び／または寸法である状態変数を表す少なくとも２つの独立した電気的に測定可能なパラメータを決定すること；
ｂ．公知の基準信号周波数に関して水晶の共振モード周波数を測定すること；
ｃ．前記共振モード周波数と前記基準信号周波数の比である周波数補正係数を求めること；
ｄ．前記状態変数を直接的または間接的に変更させること；
ｅ．少なくとも２つの前記パラメータの測定値及び対応する前記周波数補正係数をテーブルに記録すること；
ｆ．ｂ工程からｅ工程を数回繰り返して前記テーブルに前記測定値を蓄積すること、からなり、
少なくとも２つの独立した電気的に測定可能な前記パラメータが、前記水晶の共振周波数と前記水晶の別の共振周波数の比、１つまたは複数の共振周波数における前記水晶共振器の電力損失、及び、１つまたは複数の共振周波数における前記水晶共振器のＱ値、からなるグループから選択される少なくとも２つである。

これにより初期化段階で、機械共振器を実際に使用する前に測定を行うことによって、周波数補正係数が付与されたテーブルを得ることができる、または、測定値を蓄積することができる。使用時には、テーブルは、所望の出力周波数を得るために基準として用いることができる。

状態変数を間接的に求めるということは、共振器の電気的ロスなどの電気共振パラメータ、等価インダクタンス、等価容量の測定などによって、機械的変数が求められるということを意味することになる。さらに、状態変数の値の変化が水晶の異なる共振モードによって異なって現れる場合、そのような間接的な決定は、マルチモード水晶発振器の出力周波数を測定することによって行われてもよい。

実際、これらの共振周波数が、顕著な状態変数セットに関連付けられる独立した変数セットを形成する動作領域にわたって、機械的状態変数が共振周波数に置換された水晶の修正状態空間表現から補正を見つけることができる。

別の実施例では、本発明による方法は、使用時の共振器の基本周波数の周波数を求めること、及び前記基本周波数と倍音の少なくとも１つの比を求めること、からなる。

従って、周波数または基本周波数は、共振器の電気的ロス、等価インダクタンス、及び等価容量などの電気的共振パラメータのような別の電気量から間接的に求められる。

本発明はさらに、上述したように構成された電子発振器において機械共振器を動作させる方法であって、少なくとも２つの独立した電気的に測定可能なパラメータを測定すること、測定されたパラメータの組み合わせに対応する補正係数を照合すること、及び補正係数と共振器の出力周波数とを乗算すること、からなる。

本発明には間接測定技術が応用される。これは、水晶の３つの異なる共振周波数に正確にリンクされた３つの出力周波数を生成するトリプルモード発振器を用いている。基準値として指定された出力周波数の１つを用いて、２つの周波数比を測定することができる。これらの２つの比は、水晶共振器の修正状態変数（Φ_１、Φ_２）セットを形成する。

出力周波数を補正する乗算係数δ（ｔ）は、

但し、ｎは補正係数と状態変数の変化との関係における非直線性の次数
としてこれらの２つの比から求められる。

温度補正の基準としてビート周波数を用いるデュアルモード発振器は、簡素化された関係を用いる：

本発明では、１つではなく、２つの変数が必要であり、デュアルモード発振器ではできないリトレースの補償を可能にする。

本発明はさらに、機械共振器を用いる電子発振器であって、発振器の出力周波数が、これをデジタル制御周波数シンセサイザーでカスケード接続することによって補正され、周波数補正データが、共振器の状態変数、特に顕著な機械的状態変数を決定することから求められる電子発振器に関する。

本発明を次の図を参照してさらに詳細に説明する。
本発明による電気回路の概略図である。

図１は、本発明による電気回路の簡略化された機能説明図である。この回路は、トリプルモード水晶発振器回路１、周波数測定システム２、周波数検証部３、３Ｄアレイ４、データ補間部５、分数シンセサイザー６、及び制御部１９を備えている。

使用時、トリプルモード水晶発振器回路１は、水晶の３つの共振周波数と等しい３つの周波数７、８、９を生成し、そのうち一つは、出力周波数１８を生成する分数シンセサイザー６の基準周波数として選択される。

高品質周波数基準信号１３は電子発振器の入力部に付与することができる。自動学習または較正モードにおいて、周波数測定システム２が、トリプルモード水晶発振器が生成した３つの異なる周波数比１０、１１、１２と、選択された基本周波数と基準周波数の比（ｆ_１／ｆ_ｒｅｆ）である周波数補正係数を決定する。

周波数補正係数は、これを用いて周波数（ｆ_１）７から得られる基準周波数（ｆ_ｒｅｆ）１３が得られる係数である。これは、記憶場所（ｘ、ｙ）（ｘ、ｙは、トリプルモード水晶発振器によって生成された２つの周波数比、つまり周波数（ｆ_１／ｆ_２）７／８及び（ｆ_１／ｆ₃）７／９に独自に対応する）で周波数検証部１４によって求められるタイムスタンプ及び加重係数とともに保存（既存のデータに追加）される。

記憶アドレスｘ及びｙは、従って、水晶の特定の動作状態に対応するとともに、適用された動作状態によって経時的に変化する２つの修正状態変数の値を表している。

水晶の動作状態がゆっくり及び速く変化するにつれて（例えば温度変化につれて）、タイムスタンプ及び加重係数が付与された周波数補正データは、水晶の多数の異なる動作状態に関連する多数の異なる記憶場所に連続して保存される。

データ補間部５はメモリに保存されたデータから周波数補正を推定する。分数シンセサイザー６は、基本周波数及び推定された補正データからその出力周波数を生成する。データ補間部５の入力データは、読み出しサイクル毎に更新される。このように、出力周波数１８は、存否に関わらず、元の基準周波数１３に連続的に正確に関係付けられる。周波数補正係数を評価する方法の１つとして、アドレスベクトル（ｘ、ｙ）によって設定された記憶場所に近い一連の記憶場所に保存されたデータの時間加重平均を演算し、結果として得たデータセットの２次元補間を行うこともできる。

Claims (2)

1. 電子発振器において周波数補正係数が付与されたテーブルを得る方法であって、
   ａ．水晶共振器の剛性及び／または寸法である状態変数を表す少なくとも２つの独立し
   た電気的に測定可能なパラメータを決定すること；
   ｂ．公知の基準信号周波数に関して水晶の共振モード周波数を測定すること；
   ｃ．前記共振モード周波数と前記基準信号周波数の比である周波数補正係数を求めるこ
   と；
   ｄ．前記状態変数を直接的または間接的に変更させること；
   ｅ．少なくとも２つの前記パラメータの測定値及び対応する前記周波数補正係数をテー
   ブルに記録すること；
   ｆ．ｂ工程からｅ工程を数回繰り返して前記テーブルに前記測定値を蓄積すること、か
   らなり、
   少なくとも２つの独立した電気的に測定可能な前記パラメータが、前記水晶の共振周波
   数と前記水晶の別の共振周波数の比、１つまたは複数の共振周波数における前記水晶共振
   器の電力損失、及び、１つまたは複数の共振周波数における前記水晶共振器のＱ値、から
   なるグループから選択される少なくとも２つである方法。
2. 電子発振器において機械共振器を動作させる方法であって、
   請求項１に記載の方法に従って周波数補正係数が付与されたテーブルを得ること；
   少なくとも２つの独立した電気的に測定可能なパラメータを測定すること；
   測定された前記パラメータの組み合わせに対応する前記周波数補正係数を前記テーブル
   において照合すること；および、
   前記周波数補正係数と前記機械共振器の出力周波数とを乗算すること、からなる方法。

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