JPH0746039A - 温度補償型水晶発振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】電気的手段により発振周波数を補正する温度補
償型水晶発振器において、周波数精度を落とすことなく
温度補償データを記憶した記憶手段の記憶容量を数分の
一に少なくでき、低コスト小型形状の温度補償型水晶発
振器を提供する。 【構成】基準温度から補償温度までの補償データの総和
を求める加減算のための手段を備え、前記加減算のため
の手段の出力により発振周波数の制御を行なうことを特
徴とする。また外部よりデータの書き込みの可能な第２
の記憶手段を備え、前記第２の記憶手段に書き込まれた
データを前記加減算のための手段の演算対象に加えるこ
とを特徴とする。 【効果】外付け部品であるトリマーコンデンサが不用と
なり、製品の信頼性が高くなる。さらに発振周波数の調
整が、自動機器による調整が可能となるため製品の量産
性が高くなり発振周波数の調整に必要なコストの削減も
期待できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は周囲温度の変動に関わら
ず一定周波数の発振信号を出力する水晶発振器に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の温度補償型水晶発振器は、図２に
示すように温度に対する発振周波数の変動を補償するデ
ータを記憶した記憶手段２に温度の情報をデジタル信号
として与え、その時の記憶手段２の出力である補償デー
タをそのままＤＡコンバータ８に入力し、アナログの電
圧信号に変換して電圧制御型水晶発振回路（以下ＶＣＸ
Ｏ）９の制御信号として与えることにより、発振周波数
の変動を補償し温度の変化によらない一定した発振周波
数の信号を得ていた。また経時変化による発振周波数の
変動に対しては、発振回路にトリマーコンデンサ１２を
接続し、この回転角度を調整することにより発振回路の
容量値を変えて発振周波数の補正を行なっていた。この
ため従来は温度補償型水晶発振器に通常用いられている
水晶振動子と半導体素子を封止した金属パッケージの一
部に穴をあけることによって、トリマーコンデンサの調
整がパッケージの外部より可能となるようにしてあっ
た。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の温度補
償型水晶発振器は、記憶手段の出力である補償データを
そのままＤＡコンバーターに与えＶＣＸＯの制御信号と
しているため、全ての温度において独立した完全な補償
データを備えている必要がある。このため温度補償精度
を上げるために温度センサーの分解能を上げて温度補償
データ数を増やし、ＶＣＸＯのコントロール精度を上げ
るためにＤＡコンバーターのビット数を大きくすると、
記憶手段に必要な記憶容量が増大することになる。これ
によりデータの書き込みに要する時間の増大およびＩＣ
に組み込む場合のＩＣチップ面積が増大することになり
記憶手段にかかるコストが増加するという問題点を有す
る。さらに記憶手段に要する面積の増大により、発振器
の外形形状が大きくなり、発振器完成体のコストアップ
および携帯機器等の小型製品に使用するユーザーからの
小型化の要求に反するという問題点を有する。さらに従
来の温度補償型水晶発振器のように経時変化による発振
周波数の変動に対して、トリマーコンデンサを設けて調
整を行なう場合、トリマーコンデンサという機械的調整
を必要とする部品を使用することによる信頼性の低下の
問題および通常の温度補償型水晶発振器に用いられてい
る金属パッケージの一部にトリマーコンデンサ調整のた
めの穴をあけることによる湿気の侵入により信頼性が低
下するという問題点、並びにトリマーコンデンサの組み
込みによるコストアップという問題点を有する。そこで
本発明は以上の問題点を解決するため、従来の温度補償
型水晶発振器に比べ同等の周波数精度を持ちながら記憶
容量を数分の一に少なくし、またトリマーコンデンサを
用いず半導体装置による電気的手段により、経時変化に
よる発振周波数の変動を補償することのできる、温度補
償型水晶発振器を提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記の問題点を解決する
ために本発明による温度補償型水晶発振器は水晶振動子
と温度センサーと第１の記憶手段とデジタル信号により
発振周波数を制御することのできる水晶発振回路とを備
えた温度補償型水晶発振器において、前記温度センサー
の出力に応じて前記第１の記憶手段に記憶されたデータ
を加減算する回路を有し、前記水晶発振回路の発振周波
数を制御するためのデジタル信号を前記加減算回路の演
算結果とすることを特徴とする。

【０００５】また他の手段として外部よりデータの書き
込みが可能な第２の記憶手段を有し、前記第２の記憶手
段に記憶されれたデータを前記第１の記憶手段のデータ
と合わせて加減算することを特徴とする。

【０００６】

【実施例】以下に本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１は本発明による温度補償型水晶発振器の一実
施例の構成図を示したものである。図１において１は本
発振器の周囲の環境温度を測定するための温度センサー
であり、本発振器の保証する動作温度範囲における環境
温度を８ビットのデジタル信号として出力する。温度セ
ンサー１より出力されるデータは低温側の０から高温側
の２５５までの値を取り２５６の温度領域の補正が可能
である。２は基準温度における基準補償データと水晶振
動子のもつ温度に対する発振周波数の変動を補償するデ
ータを記憶した第１の記憶手段であり、８ビットのアド
レス信号の入力により０または±１を示す２ビットの補
償データを出力する。本実施例においては第１の記憶手
段２にＰＲＯＭを用いることにより発振周波数の温度特
性測定後に補償データが書き込まれる。４は第１の記憶
手段２に与えるアドレス信号を作成する為の８ビットの
２進カウンターである。５は温度センサー１の出力信号
とカウンター４の出力信号を比較し、データの一致状態
を検出する為の一致検出回路である。７は同じく第１の
記憶手段２に保存されている基準温度（温度センサーの
出力データが０）における基準補償データ（８ビット）
と各温度に対応した温度補償データ（２ビット）を加減
算する為の加減算回路である。８はラッチ回路３に保持
されている加減算の結果得られた８ビットのデジタル信
号をアナログの電圧信号に変換するためのＤＡコンバー
ターである。９はＤＡコンバーター８の出力信号により
発振周波数が制御される電圧制御型水晶発振回路（ＶＣ
ＸＯ）である。１０は以上の各回路ブロックの動作タイ
ミングを制御するためのタイミングジェネレーターであ
り、ＶＣＸＯ９による発振信号をシステム信号、一致検
出回路５の出力信号を入力とし、温度センサー１の測定
タイミング、ラッチ回路３のデータラッチのタイミン
グ、カウンター４のクロック信号並びにリセットタイミ
ング、加減算回路７のクロック信号とセット・リセット
信号のタイミング制御を行なう。また１１は温度補償さ
れた水晶発振信号を出力する出力端子である。以上の構
成により、動作温度範囲内の任意の環境温度における温
度センサー１の出力データがある値ｉであるとき、カウ
ンター４において０からカウントを始め、一致検出回路
５より出力の現われるまで、つまりカウンター４がｉと
なるまでカウントを行なう。このとき第１の記憶手段２
からは基準補償データＳと、カウンター４の出力をアド
レス信号とすることにより温度センサー１の出力１から
ｉまでに対応する補償データＤ（１）からＤ（ｉ）まで
のデータが順次出力される。加減算回路７は本実施例に
おいては初期のデータをセット可能な８ビットのアップ
・ダウンカウンターで構成する。まず記憶手段２に記憶
されている８ビットの基準補償データＳをアップ・ダウ
ンカウンターの初期のデータとしてセットする。次にカ
ウンター４のカウント値をアドレスとして記憶手段２よ
り出力されるＤ（１）からＤ（ｉ）までの２ビットの温
度補償データに応じて＋１のときにはアップ、−１のと
きにはダウンのカウント動作を行ない、０のときにはカ
ウントしない。これにより結果としてアップ・ダウンカ
ウンターで構成した加減算回路７の出力は基準補償デー
タＳと補償データＤ（１）からＤ（ｉ）までのｉ＋１個
のデータの総和Ｗ（ｉ）となる。これが温度センサー１
の出力データがｉのときにＤＡコンバーター８に入力し
ＶＣＸＯ９の発振周波数を決定する８ビットデータとな
る。

【０００７】図３に本実施例による温度補償型水晶発振
器の温度補償動作を行なわなかった場合の温度による発
振周波数の変動を示す。横軸は環境温度Ｔ、縦軸は２５
℃における発振周波数を基準としたときの周波数偏差Δ
ｆを示す。この図に示すように温度補償型水晶発振器に
通常使用されるＡＴカットの水晶振動子の温度特性は３
次関数カーブで近似される。

【０００８】図４（ａ）は図３における温度Ｔ１からＴ
２までにおいて記憶手段２に保存されている温度補償デ
ータを示し、図４（ｂ）はそのときの加減算回路７の出
力であるＷの変化を示す。さらに図４（ｃ）は環境温度
Ｔ１からＴ２までの間における温度補償後の発振周波数
の偏差を示したものである。図４（Ｃ）において周波数
偏差Δｆが狙い値である中心線から上下に変位している
が、これは温度センサーの出力信号とＶＣＸＯ制御信号
がデジタル化されるのに伴う量子化誤差のためであり、
この変位量はデジタル信号のビット数を大きくとること
により少なくすることができる。

【０００９】図５は本発明による温度補償型水晶発振器
の他の実施例の構成図を示したものである。図１に示し
た実施例の構成図に対して、第１の記憶手段より記憶容
量が小さく外部より容易にデータの書き込みが可能な不
揮発性の第２の記憶手段６を付加し、外部書き込み端子
１３より第２の記憶手段６にデータの書き込みが可能と
なるよう構成したものである。このときまず加減算回路
７に第１の記憶手段２に記憶された８ビットの基準補償
データＳをセットし、次に第２の記憶手段６に記憶され
ている全てのデータにしたがってアップ・ダウンのカウ
ント動作を行なう。これにより基準補償データＳと第２
の記憶手段６に記憶されたデータの総和が加減算回路７
にセットされる。これを基準温度における新たな基準補
償データＳ’とする。以後は図１に示した実施例と同
様、この新たな基準補償データＳ’と第１の記憶手段２
に記憶された各温度に対応する温度補償データＤ（１）
からＤ（ｉ）までの加減算を行ない所定の温度における
温度補償データＷ（ｉ）’を作成する。これが温度セン
サー１の出力データがｉのときにＤＡコンバーター８に
入力しＶＣＸＯ９の発振周波数を決定する８ビットデー
タとなる。

【００１０】以上の構成により第２の記憶手段６のデー
タが全て０である未書き込みの状態においては、第１の
記憶手段２の補償データのみによって温度補償データが
作成されるため図１で示した実施例と全く同じ結果とな
る。しかし第２の記憶手段６にデータを書き込むことに
よって基準補償データが変更されるため、これによって
温度補償された後の発振周波数を微調整することが可能
となる。

【００１１】図６（ａ）は水晶発振器における発振周波
数の経時変化の例を示したもので、横軸に経過時間、縦
軸に初期における発振周波数との周波数偏差Δｆを示
す。この図に示したように時間の経過に伴い発振周波数
が初期の値からゆっくりとわずかづつシフトしていくこ
とが知られている。

【００１２】図６（ｂ）は本発明による温度補償型水晶
発振器において、第２の記憶手段６にデータを書き込む
ことにより経時変化による発振周波数のシフトを補正し
た場合の例を示したものである。この様にある時点にお
いて発振周波数のシフトをほぼ完全に補正し、初期の発
振周波数に再調整することにより、発振周波数が狙いと
する値から大きく変位するのを防ぐことが出来る。この
ような補正は第２の記憶手段の空き容量がなくなるまで
何度でも可能である。また第２の記憶手段には第１の記
憶手段と同様に正負のデータの書き込みが出来るため、
発振周波数も正負どちらにでも補正が可能である。

【００１３】またさらに以上の説明では第１の記憶手段
と第２の記憶手段を別々の素子として説明してきたが、
第１の記憶手段に記憶される補償データは個々の水晶振
動子に合わせた固有のデータとすることが望ましいた
め、通常は書き込みの可能な不揮発性の記憶素子が用い
られる。このため外部より書き込みの可能な不揮発性の
記憶素子である第２の記憶手段と第１の記憶手段を同一
の記憶素子により実現することができる。

【００１４】

【発明の効果】以上述べたように、水晶振動子と温度セ
ンサーと記憶手段と発振周波数制御回路とを備えた温度
補償型水晶発振器に加減算回路を付加するという簡単な
構成により、記憶手段の容量を数分の一に少なくするこ
とが出来る。これによりＩＣチップに搭載した記憶素子
の面積が小さくなるため、ＩＣチップのコスト削減に効
果がある。また記憶素子の容積が小さくなることはＩＣ
チップのサイズを小さくする効果があり、ひいては発振
器の外形形状を小さくすることが出来るため携帯電話等
の携帯機器で必要とされる小型形状の発振器の要求を満
たすという特別な効果を有する。さらに外部より電気的
にデータの書き込みが可能な不揮発性の第２の記憶手段
を備えるという簡単な付加構成により、第２の記憶手段
にデータを書き込むことで簡単に温度補償後の発振周波
数を微調整することが出来る。これによりトリマーコン
デンサを用いることなく発振周波数の経時変化による変
位の補正が出来るため、トリマーコンデンサおよびその
実装や調整に必要なコストを削減出来るという効果を有
する。またトリマーコンデンサという外付け部品が不用
となることにより、製品の信頼性が高くなるという効果
を有する。さらにまたトリマーコンデンサを用いたとき
には主に人手により発振周波数の調整を行っていたもの
が、自動機器による調整が可能となるため製品の量産性
が高くなり発振周波数の調整に必要なコストの削減も期
待できるという特別な効果をも有する。またさらに第１
の記憶手段と第２の記憶手段に同一の不揮発性記憶素子
を用いるという簡単な構成により、トリマーコンデンサ
を用いずに発振周波数の経時変化を補正できる小型形状
の温度補償型水晶発振器を簡単に実現できるという効果
を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による温度補償型水晶発振器の構成図。

【図２】従来の温度補償型水晶発振器の構成図。

【図３】非温度補償状態の周波数温度特性図。

【図４】本発明による各部の状態変化図。

【図５】本発明による温度補償型水晶発振器の他の実施
例の構成図。

【図６】発振周波数の経時変化図。

【符号の説明】

１、温度センサー ２、第１の記憶手段 ３、ラッチ回路 ４、カウンター ５、一致検出回路 ６、第２の記憶手段 ７、加減算回路 ８、ＤＡコンバーター ９、ＶＣＸＯ １０、タイミングジェネレーター

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】水晶振動子と温度センサーと第１の記憶手
   段とデジタル信号により発振周波数を制御することので
   きる水晶発振回路とを備えた温度補償型水晶発振器にお
   いて、前記温度センサーの出力に応じて前記第１の記憶
   手段に記憶されたデータを加減算する回路を有し、前記
   水晶発振回路の発振周波数を制御するためのデジタル信
   号を前記加減算回路の演算結果とすることを特徴とする
   温度補償型水晶発振器。
2. 【請求項２】請求項１記載の温度補償型水晶発振器にお
   いて、外部よりデータの書き込みが可能な第２の記憶手
   段を有し、前記第２の記憶手段に記憶されれたデータを
   請求項１記載の第１の記憶手段のデータと合わせて加減
   算することを特徴とする温度補償型水晶発振器。
3. 【請求項３】請求項１記載の第１の記憶手段と請求項２
   記載の第２の記憶手段を外部よりデータの書き込みが可
   能な同一の記憶手段とすることを特徴とする温度補償型
   水晶発振器。