KR102375358B1

KR102375358B1 - 전자 오실레이터에서 기계적 레조네이터를 동작시키는 시스템 및 그 방법

Info

Publication number: KR102375358B1
Application number: KR1020167018846A
Authority: KR
Inventors: 안토니우스 요한 마리아 몽타뉴
Original assignee: 프라프인벤션즈 비.브이.
Priority date: 2013-12-18
Filing date: 2014-12-10
Publication date: 2022-03-16
Also published as: JP6854646B2; EP3084965A1; CA2934495A1; WO2015093940A1; US9843331B2; NL2011982C2; RU2669055C1; BR112016014023A2; EP3084965B1; US20170005664A1; CN106165297A; KR20160101966A; JP2017507617A; CN106165297B

Abstract

본 발명은 전자 오실레이터에서 기계적 레조네이터를 동작시키는 방법과 전자 오실레이터에 관한 것으로서, 상기 동작시키는 방법은, 상기 레조네이터의 상태 공간 기술을 결정하는 단계 - 이때, 상태 변수는 크리스털 레조네이터에서 사용된 부품의 질량, 강도 또는 차원임 - ; 레조네이터의 상태 공간의 함수인 주파수 보정 인자의 테이블을 제공하는 단계; 상기 결정된 상태 공간에 대응하는 주파수 보정 인자를 찾는 단계; 및 상기 레조네이터의 출력 주파수에 상기 보정 인자를 곱하는 단계를 포함하고, 상기 전자 오실레이터는 기계적 레조네이터를 포함하고, 상기 오실레이터의 출력 주파수는 주파수 보정 인자가 곱해지고, 상기 주파수 보정 인자는 상기 레조네이터의 상태 변수 - 특히 주요 기계적 상태 변수 - 의 결정으로부터 획득된다.

Description

전자 오실레이터에서 기계적 레조네이터를 동작시키는 시스템 및 그 방법{System and method for operating a mechanical resonator in an electronic oscillator}

본 발명은 전자 오실레이터에서 기계적 레조네이터를 동작시키는 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

크리스탈 오실레이터와 같은 기계적 레조네이터는 전자 장비에서 주파수와 시간 측정의 레퍼런스로 사용된다. 기계적 레조네이터의 주파수 안정성(frequency stability)이 가장 중요하다. 상기 주파수 안정성의 사양(specification)은 대개 매우 짧은 시간(초단기, very short term), 짧은 시간(단기, short term) 및 긴 시간(장기, long term)의 세 가지의 시간 범위로 구분된다.

매우 짧은 시간에 대한 안정성 - 보통 시간 지터(jitter) 또는 위상 노이즈(phase noise)에 의해 표현됨 - 은 결정 내의 손실과 관련된 열적 노이즈와 전자 발진 회로(electronic oscillation circuit)에 의해 부가되는 노이즈에 의해 제한된다. 크리스탈 오실레이터의 매우 짧은 시간의 안정성은 극히 좋은 것으로 알려져 있다. 크리스탈 레조네이터는 그 높은 품질 계수(

까지)로 표현되는, 매우 적은 손실을 가진다. 전자 장비에 의한 노이즈 기여는 세심한 설계를 통해 낮게 유지될 수 있다.짧은 시간에 대한 안정성은 온도 변화에 의한 주파수 이동에 의해 제한된다.

크리스탈 오실레이터의 높은 짧은 시간 안정성은 대개 특별한 주의를 요한다. 현대 전자통신의 목적상, 크리스탈 레조네이터의 고유한 짧은 시간 안정성은 개선을 필요로 한다. 온도가 짧은 시간의 불안정성에 대한 직접적인 원인이므로, 짧은 기간 안정성을 개선하기 위한 현재의 방법들은 그들의 온도 안정성의 개선에 초점이 맞춰져 있다.

기술의 상태에 따라 다음의 접근법들이 알려져 있다.

첫번째 접근법은 크리스탈의 온도 변화 차단과 크리스탈의 열 가동점의 최적화다. 이러한 방법은 소위 오븐화 크리스탈 오실레이터(ovenized crystal oscillators, OCXOs)에서 수행된다. 섭씨 약 80도 정도에서 온도 변화가 없는 특별한 SC-컷 크리스탈이 그 온도에서 동작하는 오븐 내에 배치된다. 제어된 오븐이 그 제어된 온도까지 상기 크리스탈을 환경의 온도 변화로부터 차단시킨다. 오븐화 크리스탈의 단점은 그것들이 상대적으로 크고, 비싸며, 전력을 많이 소비한다는 것이다.

두번째 접근법은 온도 측정, 계측(칼리브레이션) 및 보정(measurement, calibration and correction)을 수행하는 것이다. 이러한 방법은 온도 보상 크리스탈 오실레이터(temperature compensated crystal oscillators, TCXOs)와 마이크로프로세서 제어 크리스탈 오실레이터(microprocessor-controlled crystal oscillators, MCXOs)에서 수행된다. TCXO에서, 크리스탈의 온도는 온도 센서에 의해 측정되고, 오실레이션의 예상 주파수 변화는 VARICAP과 같은 전기적으로 제어되는 변조 장치로 오실레이터를 디튠함으로써 보상된다. 온도와 VARICAP의 변조 전압의 관계가 결정되면, 계측하는 동안 저장되고, 동작하는 동안 재사용된다. 단점은 온도 안정성의 개선이, 센서의 측정 온도가 모든 상황에서 크리스탈의 온도를 완벽하게 추적할 수 없기 때문에, 제한되는 것이다. 공장 보정(칼리브레이션)으로 인해, 크리스탈은 전자 장비와의 페어를 필요로 한다.

MCXO에서 사용되는, 세번째 접근법은 듀얼 모드 오실레이터의 도움으로 온도를 결정하고, 마이크로프로세서 제어 주파수 합성기로 상기 온도를 단계적으로 보정하는 것이다. 세심하게 설계된 듀얼 모드 오실레이터에서, 정규화된 오버톤 공진 주파수와 크리스탈의 기본 공진 주파수의 주파수 차이인, 소위 비트 주파수는 온도에 강하게 의존한다. 계측하는 동안 이러한 관계가 저장되고, 동작하는 동안, 마이크로프로세서 제어 주파수 합성기에 의해, 상기 듀얼 모드 오실레이터의 출력 주파수 중의 하나를 보정하기 위해 사용된다. MCXO에서의 온도 보상은 TCXO에서의 온도 보상보다 뛰어나게 수행되는데, 이는 주파수 변화의 정보가 온도 센서가 아닌 크리스탈 그 자체에서 유도되기 때문이다. 하지만, 상기 기본 주파수와 정규화된 오버톤 주파수 사이의 차이이자, 듀얼 모드 오실레이터에서 온도를 측정하는데 사용되는, 상기 비트 주파수는 온도에만 전적으로 의존하는 것이 아니라, 크리스탈 레조네이터 내의 기계적 스트레스에도 의존한다. 정적 요소를 제외하고, 기계적 스트레스는, 크리스탈, 연결판 및 장착 물질의 서로 다른 열 팽창 계수로 인해, 시간에 따라 다양할 수 있다(크리피지 효과, creepage effects). 이는 소위 추적 오류(retrace errors)를 야기시키고, 고성능 MCXO에 스트레스 보상 크리스탈 또는 SC-컷 크리스탈을 장착 시키는 것을 필요로 한다. 이러한 크리스탈들은 대중적인 AT-컷 크리스탈보다 비싸서, 스트레스에 더 민감하다. 공장 보정으로 인해 SC-컷 크리스탈은 전자 장비와의 페어를 필요로 한다.

매우 긴 시간에 대한 안정성은 시간 도과(aging)에 의해 제한된다. 매우 긴 시간에 대한 고주파 안정성은, 크리스탈의 동작 환경에서 화학적 및 물리적 변화를 방지하기 위한 고성능 포장 기술을 사용함으로써 이뤄질 수 있다.

본 발명의 목적은, 이러한 선행 기술의 단점을 보완하고, 적어도 그에 대한 유용한 대안을 제시하기 위함이다.

본 발명은, 피에조 크리스탈 레조네이터(piezo crystal resonator), 세라믹 레조네이터 및 MEMS 레조네이터와 같은 기계적 레조네이터의 공진 모드가 상기 레조네이터 내 물질의 질량, 강도, 차원 및 그 기계적 형상에 의존한다는 사실을 이용하여, 전자 오실레이터에서 기계적 레조네이터를 동작시키는 시스템 및 발명을 포함한다.

상기 모드 중 대부분은 조립에 의해 정확하게 고정되나, 몇몇은 레조네이터의 동작 조건에 의존할 수 있다. 예를 들어, 크리스탈 레조네이터에서, 크리스탈의 차원은 온도에 의존하고, 상기 크리스탈이 어디에 장착되냐에 영향을 받으므로, 그것의 강도 역시 온도와 수명에 영향을 받는다.

본 발명에 따르면, 크리스탈 오실레이터의 출력 주파수 변화의 개선된 보정은 레조네이터의 소위 상태 공간 디스크립션(space state description) - 이때, 상태 변수(state variables)는 상기 크리스탈 레조네이터에서 사용되는 모든 부품의 질량, 강도 및 차원임 - 을 기초로 한다.

본 발명에 따르면, 요구되는 이러한 변수들의 직접적인 측정을 필요로 하지 않는다. 만약 온도 변화와 그 추적이 크리스탈의 차원 및 강도에 대부분이 영향 받는다면, 이러한 두 상태 변수의 직접적 또는 간접적 측정은 이미 추적을 포함하여, 주파수 보정에 대한 단단한 기초를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따르는 전자 회로의 개요도이다.

본 발명은 전자 오실레이터에서 기계적 레조네이터를 초기 설정(initializing)하는 방법으로서,

(a) 전기적으로 측정 가능한, 적어도 두 개의 독립적인 파라미터를 결정하는 단계 - 상기 파라미터는 크리스탈 레조네이터의 강도, 질량 및/또는 디멘젼(dimension)과 같은 상태 변수들을 대표함 - ;

(b) 알려진 기준 신호 주파수에 대하여 크리스탈의 공진 모드 주파수를 측정하는 단계;

(c) 상기 공진 모드 주파수와 상기 기준 신호 주파수의 비율을 나타내는 주파수 보정 인자를 결정하는 단계;

(d) 직접적으로 또는 간접적으로 상기 상태 변수를 변화시키는 단계;

(e) 상기 적어도 두 개의 파라미터와 상기 대응하는 주파수 보정 인자의 측정값을 테이블에 기록하는 단계;

(f) 상기 테이블을 채우기 위하여 상기 (b)부터 (e)까지의 단계를 수차례 반복하는 단계;

를 포함하는 전자 오실레이터에서 기계적 레조네이터를 초기 설정하는 방법을 제안한다.

초기 설정하는 동안, 주파수 보정 인자 테이블은 실제로 사용중인 기계적 레조네이터를 동작하기 전에 측정을 수행함으로써 획득되거나 채워질 수 있다. 일단 사용중이 되면, 상기 테이블은 바람직한 출력 주파수를 제공하기 위한 레퍼런스로서 사용될 수 있다.

상기 상태 변수의 간접적 결정은 기계적인 변수가 상기 레조네이터의 전력 손실, 등가 인덕턴스 및 등가 커패시턴스와 같은 전기적 공진 파라미터의 측정하는 방식에 의해 결정될 수 있음을 의미할 수 있다. 또한, 상기 상태 변수 값의 변화가 상기 크리스탈의 서로 다른 공진 모드에 대해 스스로 다르게 나타난다면, 그러한 간접적 결정은 다중 모드 크리스탈 오실레이터의 출력 주파수를 측정함으로써 이뤄질 수 있다.

사실 보정은, 공진 주파수가 주요 상태 변수 세트로 대응(전사)되는 독립적인 변수 세트를 형성하기 위한 동작 영역을 넘어, 기계적 상태 변수가 공진 주파수로 대체된 크리스탈의 수정된 상태 변수로부터 찾아질 수 있다.

예를 들어, 적어도 두 개의 독립적인 전기적으로 측정 가능한 파라미터는, 상기 크리스탈의 공진 주파수와 상기 크리스탈의 다른 공진 주파수의 비율; 하나 또는 그 이상의 공진 주파수에서 상기 크리스탈 레조네이터의 전력 손실; 하나 또는 그 이상의 공진 주파수에서 상기 크리스탈 레조네이터의 품질인자로 이루어진 그룹에서 선택될 수 있다.

다른 실시예에서, 본 발명에 따른 방법은, 사용중인 상기 레조네이터의 기초 주파수의 주파수를 결정하는 단계; 및 적어도 기초 주파수와 오버톤 중의 하나와의 비율을 결정하는 단계를 포함한다.

그러므로, 주파수 또는 기초 주파수는 상기 레조네이터의 전력 손실, 등가 인덕턴스 및 등가 커패시턴스 등의 전기적 공진 파라미터와 같은 또다른 전기량으로부터 간접적으로 결정된다.

또한 본 발명은, 위에서 서술된 바와 같이 설정된, 전자 오실레이터에서 기계적 레조네이터를 동작시키는 방법과 관련되며, 상기 동작시키는 방법은, 전기적으로 측정 가능한 적어도 두 개의 독립적인 파라미터를 측정하는 단계; 측정된 파라미터의 조합에 대응하는 보정 인자를 찾는 단계; 및 상기 레조네이터의 출력 주파수에 상기 보정 인자를 곱하는 단계를 포함한다.

간접적인 측정 기술이 본 발명에 적용되는데, 그 기술은 크리스탈의 세 가지 다른 공진 주파수와 정확히 연결된 세 가지 출력 주파수를 생성하는 트리플 모드 오실레이터를 사용한다. 상기 출력 주파수 중 하나를 레퍼런스로 할당하여, 두 주파수 비율이 측정될 수 있다. 이 두 비율은 크리스탈 레조네이터의 수정된 상태 변수(

)의 세트를 형성한다.

출력 주파수의 보정을 위한 곱 인자

는 상기 두 비율로부터 다음과 같이 얻어질 수 있다.

이때, n 은 보정 인자와 상태 변수의 변화 사이의 관계에서 비선형의 순서를 나타낸다.

현재 비트 주파수를 온도 보정의 측정으로 사용하는 듀얼 모드 오실레이터는 다음의 단순화된 관계를 사용한다.

본 발명에서는, 듀얼 모드 오실레이터에서는 불가능한 추적을 위한 보상이 가능하도록, 하나가 아닌 두 개의 변수를 필요로 한다.

또한 본 발명은, 기계적 레조네이터를 사용하는 전자 오실레이터와 관련되는데, 상기 오실레이터는, 상기 오실레이터의 출력 주파수가 디지털 방식으로 제어되는 주파수 합성기로 단계적으로 보정되고, 주파수 보정 데이터는 상기 레조네이터의 상태 변수 - 특히 주요 기계적 상태 변수 - 의 결정으로부터 획득된다.

이하에서 본 발명은, 본 발명에 따르는 전자 회로의 개요도인 도 1을 참조하여 더 자세히 설명될 것이다.

도 1은 본 발명에 따르는 전자 회로의 단순화된 기능적 표현을 도시하고 있다. 상기 회로는 트리플 모드 크리스탈 오실레이터 회로(triple-mode crystal oscillator)(1), 주파수 측정 시스템(frequency measurement system)(2), 주파수 검증기(frequency validator)(3), 3D 배열(3D array)(4), 데이터 인터폴레이터(data interpolator)(5), 부분 합성기(fractional synthesizer)(6) 및 제어장치(controller)(19)를 포함한다.

사용중일 때, 상기 트리플 모드 오실레이터 회로는 크리스탈의 세 가지 공진 주파수와 동일한 세 가지 주파수(7,8,9)를 생성하고, 그 중 하나는 출력 주파수(18)를 생성하는 부분 합성기에 대한 기초 주파수로 선택된다.

고품질 주파수 기준 신호(frequency reference signal)(13)는 전기 오실레이터의 입력에 적용될 수 있다. 자기학습모드 또는 보정(계측, calibration) 모드에서, 주파수 측정 시스템은, 선택된 기초 주파수와 기준 주파수의 비율인 주파수 보정 인자

뿐만 아니라, 상기 트리플 모드 크리스탈 오실레이터에 의해 생성되는 주파수 10, 11, 12의 세 가지 다른 비율을 결정한다.

주파수 보정 인자는 기준 주파수

(13)과 주파수

(7)을 통해 얻을 수 있다. 상기 주파수 보정 인자는, 검증기(14)에 의해 판별되어, 기존 데이터에 추가되어 타임 스탬프, 가중치 계수(weighting coefficient)와 함께 메모리 위치(x,y)에 저장되고, 이때, 상기 x 및 y는 상기 트리플 모드 오실레이터에 의해 생성되는 두 주파수 비율,

(7 / 8) 및

(7 / 9)에 각각 대응된다.

상기 메모리 주소 x 및 y는, 상기 크리스탈의 특정 동작 조건에 대응되고, 적용된 동작 조건에 대해 시간에 따라 변화하는, 두 수정된 상태 변수 값을 대표한다.

천천히 그리고 빠르게 변화하는 상기 크리스탈의 동작 조건(예를 들어, 온도 변화)에서, 타임 스탬프와 가중치 계수를 갖는 주파수 보정 데이터는, 크리스탈의 많은 다른 동작 조건에 대응(전사)되는 많은 다른 메모리 위치에 연속적으로 저장된다.

상기 인터폴레이터(5)는 메모리에 저장된 데이터로부터 주파수 보정 데이터를 산출한다. 상기 부분 합성기(6)는 기초 주파수와 상기 산출된 보정 데이터로부터 출력 주파수를 생성한다. 인터폴레이터에 대한 입력 데이터는 매 판독 주기마다 업데이트된다. 이러한 방식으로, 출력 주파수(18)는 연속적으로 원 기준 주파수(13)의 현재 존재와 관계없이 정확히 연관된다.

주파수 보정 인자를 산출하기 위한 또다른 방법은 주소 벡터(x,y)로 설정된 위치와 가까운메모리 위치의 세트에 저장된 데이터의 가중된 시간 평균을 계산하고, 결과 데이터 세트의 2차원 인터폴레이션을 수행하는 것일 수 있다.

Claims

(a) 전기적으로 측정 가능한 적어도 두 개의 독립적인 파라미터를 결정하는 단계 - 상기 파라미터는 크리스탈 레조네이터의 강도, 질량 및/또는 디멘젼(dimension)을 포함하는 상태 변수들을 나타냄 - ;
(b) 알려진 기준 신호 주파수에 대하여 크리스탈의 공진 주파수를 측정하는 단계;
(c) 상기 공진 주파수와 상기 기준 신호 주파수의 비율을 나타내는 주파수 보정 인자를 결정하는 단계;
(d) 상기 상태 변수들을 변화시키는 단계;
(e) 상기 적어도 두 개의 독립적인 두 개의 파라미터의 측정값과 상기 적어도 두 개의 독립적인 파라미터와 대응하는 상기 주파수 보정 인자의 측정값을 테이블에 기록하는 단계;
(f) 상기 (b)부터 (e)까지의 단계를 복수회 반복하는 단계;
를 포함하며,
상기 적어도 두 개의 독립적인 파라미터는,
상기 크리스탈의 공진 주파수와 상기 크리스탈의 다른 공진 주파수의 비율;
적어도 하나 이상의 공진 주파수에서 상기 크리스탈 레조네이터의 전력 손실;
상기 적어도 하나 이상의 공진 주파수에서 상기 크리스탈 레조네이터의 품질인자; 로 이루어진 그룹에서 선택되는,
전자 오실레이터에서 기계적 레조네이터를 초기 설정하는 방법.
삭제
제1 항에 있어서,
상기 적어도 두 개의 독립적인 파라미터를 결정하는 단계는:
사용중인 상기 크리스탈 레조네이터의 복수의 공진 주파수로부터 주파수를 결정하는 단계;
오버톤(overtones)의 비율을 결정하는 단계;
상기 오버톤의 비율과, 대응하는 보정 인자의 테이블을 제공하는 단계;
를 포함하는,
전자 오실레이터에서 기계적 레조네이터를 초기 설정하는 방법.
제1 항에 따라서 준비된 오실레이터에서,
전기적으로 측정 가능한 상기 적어도 두 개의 독립적인 파라미터를 측정하는 단계;
측정된 파라미터의 조합에 대응하는 보정 인자를 찾는 단계;
상기 크리스탈 레조네이터의 출력 주파수에 상기 보정 인자를 곱하는 단계;
를 포함하는,
전자 오실레이터에서 기계적 레조네이터를 동작시키는 방법.
기계적 레조네이터를 포함하는 전자 오실레이터로서,
상기 전자 오실레이터의 출력 주파수는 주파수 보정 인자가 곱해지고,
상기 주파수 보정 인자는 제1 항에 의해서 획득되는,
전자 오실레이터.
제5 항에 있어서,
상기 주파수 보정 인자는 디지털 방식으로 제어되는 주파수 합성기 - 상기 주파수 합성기는 부분 합성기(fractional synthesizer)를 포함함 - 에 의해 생성되는,
전자 오실레이터.
제5 항 또는 제6 항에 있어서,
상기 전자 오실레이터는 주소화 메모리를 포함하고,
상기 주소화 메모리는: 상기 전자 오실레이터에 의해 생성된 주파수 비율의 페어(pair)를 저장하여, 크리스탈의 특정 동작 조건에 대응하도록 수정된 상태 변수를 구성하도록 하는,
전자 오실레이터.
제7 항에 있어서,
상기 전자 오실레이터는 인터폴레이터를 포함하고,
상기 인터폴레이터는: 상기 주소화 메모리에 저장된 데이터로부터 주파수 보정 데이터를 산출하기 위한 것인,
전자 오실레이터.
제8 항에 있어서,
상기 부분 합성기는 기초 주파수와 상기 보정 데이터로부터 출력 주파수를 생성하고, 매 판독 주기마다 상기 인터폴레이터에 대한 입력 데이터를 업데이트하도록 설정된,
전자 오실레이터.