JPH08191215A - デジタル温度補償発振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】従来のデジタル温度補償発振器が有する欠点を
除去する為になされたものであって、構成を簡単にし、
しかも必要に応じて容易に精度を高めることが可能なデ
ジタル温度補償発振器を提供する。 【構成】デジタル温度補償発振器は、電圧制御発振器８
と、温度センサ１と、各温度に対し発信周波数を所望範
囲に保つために上記電圧制御発振器に与えるべき制御電
圧情報を記憶したメモリ４と、クロック発振手段と、該
クロック信号周期を前記メモリ出力によって変化させる
手段と、前記クロック信号を直流化して前記電圧制御発
振器８に周波数制御信号として供給する手段とを備え
た。メモリ４からは各温度に対する温度補償コードを発
生する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上利用分野】本発明はデジタル温度補償発振器に
関し、殊に簡単な回路構成によって高精度に発振出力周
波数を制御するようにした発振器に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば水晶振動子を用いる水晶発振器は
周波数安定度に優れたものであるが、外部温度の影響を
受けて水晶振動子の周波数が変動するため、より一層の
安定度を得る場合は温度補償手段が必要である。

【０００３】従来一般的に用いられている温度補償手段
としては水晶振動子を含む発振ループ中に温度に応じて
値が変化するリアクタンス素子を挿入するタイプが実施
されている。

【０００４】このタイプの補償回路は上記リアクタンス
素子としてバラクター等の電圧制御可変容量ダイオード
を用い、そのダイオードへの印加電圧をサーミスタや抵
抗を用いた回路網により温度変化に応じて変化させるも
の、又は圧電振動子に直列に、サーミスタ等の感温抵抗
とコンデンサの並列回路を温度補償回路として接続する
ものがある。

【０００５】従来の温度補償方法では水晶発振器の温度
特性曲線を補償すべくこれに近似し、又はその曲線と逆
極性の曲線に近似したリアクタンス補償カーブを実現す
るものであるが、いづれの方法に於いても１次、２次或
いは３次曲線を近似するものであるため、完全に水晶振
動子の温度特性と一致させることは不可能であった。

【０００６】従って、より高精度な補償効果を得る場合
は繰り返し温度試験を実施し、誤差を修正すべく各回路
素子値を変化させるといった煩雑な作業が必要であり、
事実上一定以上の精度を実現することが不可能であっ
た。また、発振器の量産化にあっては、各水晶振動子の
温度特性や他の回路素子値がばらつく場合は更に高精度
化が困難であり、調整するための工数を必要とした。

【０００７】近年、前記問題点を解決すべく高精度及び
高い周波数安定度が要求される場合、或いは発振回路を
ＩＣ化して量産性を向上する等を目的として、デジタル
温度補償発振器（以下デジタルＴＣＸＯと略す）が用い
られるようになった。

【０００８】デジタルＴＣＸＯは、基本的には電圧制御
発振器（ＶＣＸＯ）と、該ＶＣＸＯが置かれた環境温度
を検出する温度センサと、デジタルＴＣＸＯの発振周波
数を所望偏差内に保持するために夫々の温度に対応して
ＶＣＸＯに与えるべき制御電圧を温度に関連して記憶し
たメモリ手段とを備え、温度センサにより検出した周囲
温度に応じて前記メモリから出力する制御電圧情報に基
づいてＶＣＸＯをコントロールするものである。

【０００９】而して上記メモリに夫々の発振器に使用す
る個々の水晶振動子の温度―周波数特性を補償するため
のデータを記録しておけば、量産時の水晶振動子の特性
のばらつきは全て上記データに吸収されるから極めて高
精度の温度補償が可能となる。また、各温度に対して独
立して補償データが記録されるから水晶振動子の温度特
性がいかに複雑なものであっても補償が可能である。

【００１０】図７は従来のデジタルＴＣＸＯの基本的構
成例を示すブロック図である。

【００１１】同図に於いて１は周囲環境温度を検出する
温度センサであって、例えばサーミスタ等の感温素子
や、より正確に温度センシングを希望する場合は温度に
よって周波数が変化する水晶振動子を用いたもの等が使
用される。

【００１２】温度センサ１の出力がアナログ信号である
場合は、アナログ／デジタル変換器（Ａ／Ｄコンバー
タ）２によりデジタル信号に変換し、インタフェース回
路３を介してＲＯＭ４に入力する。該ＲＯＭ４は、使用
する水晶振動子の温度特性に対応し、各温度に於いて発
生する周波数偏差を所望範囲内に保持するために、後述
するＶＣＸＯに供給すべき温度補償コードを記憶してい
る。

【００１３】該ＲＯＭ４から出力する温度補償コードは
デジタル量なので、第２のインタフェース５を介してデ
ジタル／アナログ変換器（Ｄ／Ａコンバータ）６に供給
され、該部に於いてアナログ信号即ち直流電圧に変換さ
れる。

【００１４】更に、この直流はローパスフィルタ（ＬＰ
Ｆ）７において高域雑音が除去された後、ＶＣＸＯ８の
制御電圧として該ＶＣＸＯ８の周波数制御端子に印加さ
れるように構成されたものである。

【００１５】この構成の如く、デジタルＴＣＸＯは所要
温度範囲に於いて、周囲温度に対応する温度補償コード
をＲＯＭから読み出し、直流電圧に変換後、ＶＣＸＯの
制御電圧として供給され、常に一定の発振周波数になる
ようにコントロールされている。

【００１６】しかしながら、上述した如き従来のデジタ
ルＴＣＸＯにあっては多数の処理ブロックが必要なため
回路が複雑化するという欠点があった。

【００１７】特に温度センサから得られる信号がアナロ
グ信号である場合はデジタル処理を行うために、前記ア
ナログ信号を一旦デジタル信号に変換し、更にＶＣＸＯ
の制御電圧として印加するため再びデジタル信号をアナ
ログ信号に変換する必要がある。従って同図に示すよう
にＲＯＭを挟んで両側に夫々インタフェース制御回路
と、アナログ信号とデジタル信号相互変換回路が必要と
なり回路の複雑化はさけられなかった。

【００１８】また、デジタル処理について一般的に生ず
る問題であるが、温度センサのアナログ出力をサンプリ
ングし、デジタル変換する際、或いはデジタル信号をア
ナログ信号に変換する際に、量子化誤差のため正確な温
度補償が困難である。

【００１９】即ち、Ｄ／Ａコンバータに於いてデジタル
信号をアナログ信号に変換し、制御電圧としてＶＣＸＯ
に供給するが、その制御電圧値の精度はＤ／Ａコンバー
タの分解能に依存するという欠点がある。

【００２０】ＲＯＭ４から出力する温度補償コードは、
一般的には８ビットとしており、例えば「０」をＬｏ
ｗ、「１」をＨｉｇｈとして、８ビットコードにて表現
し得る温度補償コードは「００００００００」〜「１１
１１１１１１」の２５６通りである。即ち、所要温度範
囲を２５６に分割し、その分割した各温度範囲毎に温度
補償コードを決定し、例えばＶＣＸＯに印加する電圧を
０〜２．５６Ｖとし、０．０１Ｖ毎に温度補償コードを
決定しておく。

【００２１】しかしながら、ＶＣＸＯに印加する電圧を
０．０１Ｖより細分化して制御することは不可能であ
り、図８に示す如く、階段状の電圧９を供給すればＶＣ
ＸＯの周波数がジャンプすることとなり、供給すべき電
圧１０を印加したときと比較して周波数安定度が低下す
る。更に、周波数安定度が低下することから位相ノイズ
も発生する。

【００２２】また、温度補償の分解能を向上することを
目的として電圧制御を細分化するため、温度補償コード
を８ビットより多くする場合（９ビット、１０ビット…
…）、情報量が増加することにより周波数ジャンプを減
少することが可能であるが、前記Ｄ／Ａコンバータをそ
のビット数に対応したものと変更する必要がある。従っ
て、ＩＣ化、ＬＳＩ化された発振回路の一部のみを変更
するのは一般的に不可能であるから、ＩＣ全体の設計変
更を伴うという欠点がある。更に温度補償コードを記憶
する容量が大きくなるため、ＲＯＭの容量を増加しなけ
ればならないという欠点がある。

【００２３】

【発明の目的】本発明は上述した如き従来のデジタルＴ
ＣＸＯが有する欠点を除去する為になされたものであっ
て、構成を簡単にし、しかも必要に応じて容易に精度を
高めることが可能なデジタルＴＣＸＯを提供することを
目的とする。

【００２４】

【発明の概要】上述の目的を達成するため本発明に係わ
るデジタル温度補償発振器は、電圧制御発振器と、温度
センサと、各温度に対し発信周波数を所望範囲に保つた
めに上記電圧制御発振器に与えるべき制御電圧情報を記
憶したメモリと、クロック発振手段と、該クロック信号
周期を前記メモリ出力によって変化させる手段と、前記
クロック信号を直流化して前記電圧制御発振器に周波数
制御信号として供給する手段とを備えたことを特徴とし
たものである。

【００２５】

【発明の実施例】以下、本発明を実施例を示す図面に基
づいて詳細に説明する。

【００２６】図１は本発明の一実施例を示すデジタル温
度補償発振器のブロック図である。

【００２７】この例に示す回路構成は、温度センサ１の
アナログ信号出力をＡ／Ｄコンバータ２によってデジタ
ル信号に変換し、インターフェース３を介してＲＯＭ４
に供給する。該ＲＯＭ４はその発振器に用いるＶＣＸＯ
の各温度に対する制御電圧情報を記憶している。

【００２８】即ち、一般的に水晶のカット角により異な
るが、水晶振動子は温度に応じて基準周波数との偏差が
変動する。そこで、各温度に於いてＶＣＸＯ８に与える
べき制御電圧を測定し、ＲＯＭ４に書き込んでおく。

【００２９】ＲＯＭ４から出力した各温度に対する温度
補償コードは第２のインターフェース５を経てＬＰＦ７
に入力して直流化された後、ＶＣＸＯ８の周波数制御端
子に印加される。

【００３０】この実施例の特徴は、第２のインターフェ
ース５からＬＰＦ７へＤ／Ａコンバータを介することな
く電圧制御情報を送ることである。これによってＤ／Ａ
コンバータがなくなるが、その動作は次の通りである。

【００３１】即ち、前記ＲＯＭから読み出される温度補
償コードは例えば８ビットのパルス列であって、この補
償コードを８ビットのシリアスなパルス列としてローパ
スフィルタに入力することにより、そのパルス列のＨｉ
ｇｈ／Ｌｏｗ比に見合った直流電圧に変換し、その直流
電圧をＶＣＸＯの入力電圧とするものである。

【００３２】ＲＯＭが出力する温度補償コードの一例と
して、８ビットのシリアルパルス列が例えば「１１１０
１０１０」を出力した場合、そのパルスの形状は図２
（ａ）に示す如き形状となる。このパルス列をＬＰＦに
入力して直流に整流し、図２（ｂ）に示す如きＶＣＸＯ
を制御する電圧を得て発振周波数を制御することが実現
できる。即ち、パルスの配列の幅を電圧に変調するパル
ス幅変調（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏ
ｎ；ＰＷＭ）を適用しており、パルスの幅が広いときは
電圧が高くなり、パルス幅が狭いときは電圧が低くなる
ことによりＶＣＸＯに印加する入力電圧を制御してい
る。

【００３３】尚、８ビットで構成している温度補償コー
ドは常にＲＯＭから出力しているので、ＬＰＦに入力す
るパルス列は８ビットで区切れるわけではない。従って
ＬＰＦは連続して入力するパルス列を整流して直流に変
換する。パルスが多くなればＶＣＸＯに供給する電圧は
増加し、前記パルスが減少すればＶＣＸＯに供給する電
圧も減少する。

【００３４】前述した如き構成により、Ｄ型フリップチ
ップ等からなるＤ／Ａコンバータを構成する必要がな
い。また、温度補償コードのビット数を８ビットから増
加して温度補償の分解能を向上する構成としても、出力
ビット数対応のＤ／Ａコンバータを構成することなく、
第２のインターフェースを出力ビット対応とするのみ
で、デジタルＴＣＸＯを構成することが実現する。

【００３５】図２の実施例は表現方法を変えればＤＵＴ
Ｙ比を可変したパルスを直流に変換するものであるか
ら、例えば「１１１１１１１１」を出力するためにはシ
リアル転送速度を遅くして「１」のビットを８ビットに
相当する時間出力しても同じ結果となる。

【００３６】図３に示す実施例は、デジタルＴＣＸＯの
構成にシリアルクロック制御部１１を追加してパルスの
長さをクロック制御するものである。この制御部１１は
シリアルクロックの転送速度を数ビット毎、或いは１ビ
ット毎に変える機能を有する。

【００３７】即ち、ＲＯＭの温度情報データをシリアル
クロック制御部１１に送り、該シリアルクロック制御部
１１は例えばクロック発振器（シリアルクロック制御部
１１内部）が出力するパルスを制御して出力し、そのパ
ルスを直流に変換してＶＣＸＯに印加してもよい。ＲＯ
Ｍのデータ内容を組み合わせることにより、無限ビット
数の電圧制御を行うことが可能となる。

【００３８】更に図３に示す実施例に於いて、第２のイ
ンターフェース５はソフトウエアで処理が可能なことか
らＲＯＭ４、シリアルクロック制御部１１とともに、図
４に示す如くＣＰＵ１２として構成してもよい。

【００３９】本発明では特定のビット分解能という概念
が無くなるため、従来方式よりも複雑且つ高精度の電圧
制御が可能となる。また、このシリアスパルスによる直
流電圧の発生は、従来は温度変化に対して図８の９に示
す如きステップ状の制御電圧変化であったが、本発明は
図８の１０に示す如き電圧特性となる。その結果、図５
に示す如く、デジタルＴＣＸＯ特有のＣ／Ｎ、短期安定
型の劣化や位相の揺らぎを解決することが可能になる。

【００４０】前記実施例ではパルスを幅としてローパス
フィルタに入力する変換としたが、振幅、幅共に一定の
パルスの位相を変調するパルス位相変調（Ｐｕｌｓｅ
Ｐｈａｓｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ；ＰＰＭ）を適用し
てもよい。図６に示す如く、パルスの位相（パルスの位
置）により、ＶＣＸＯに入力する電圧を制御するもので
ある。

【００４１】尚、以上本発明を水晶振動子を用いた電圧
制御発振器に適用したものを例として説明したが、本発
明はこれのみに限定されるものではなく、水晶振動子以
外の圧電共振子を用いる電圧制御発振器、或いは共振回
路で構成する温度依存性のある電圧制御発振器に適用し
てもよい。

【００４２】

【発明の効果】本発明は以上説明した如く構成するもの
であるから、デジタルＴＣＸＯの構成を簡単にし、発振
器の精度を容易に高める上で著しい効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わるデジタル温度補償発振器の構成
を示すブロック図

【図２】（ａ）及び（ｂ）は本発明に係わる温度補償コ
ードを直流に変換する状態を示すシリアルパルス図及び
直流電圧変動図

【図３】本発明をクロック制御してパルスを制御する発
振器に適用した構成図

【図４】ＲＯＭ、クロック制御部及び第２のインターフ
ェースをＣＰＵとして一体化した発振器の構成図

【図５】本発明により発振器を構成したときの位相特性
図

【図６】パルスをＰＰＭ変換で直流電圧を得る第２の実
施例を示すパルス図及び電圧変動図

【図７】従来のデジタル温度補償発振器の構成を示すブ
ロック図

【図８】ＶＣＸＯ入力制御図

【符号の説明】

１……温度センサ ２……アナログデジタル変換器 ３……インターフェース ４……ＲＯＭ ５……第２のインターフェース ７……ローパスフィルタ ８……電圧制御発振器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電圧制御発振器と、温度センサと、各温度
   に対し発信周波数を所望範囲に保つために上記電圧制御
   発振器に与えるべき制御電圧情報を記憶したメモリと、
   クロック発振手段と、該クロック信号周期を前記メモリ
   出力によって変化させる手段と、前記クロック信号を直
   流化して前記電圧制御発振器に周波数制御信号として供
   給する手段とを備えたことを特徴とするデジタル温度補
   償発振器。