NL9201372A

NL9201372A - Temperatuurgekompenseerde oscillatorschakeling.

Info

Publication number: NL9201372A
Application number: NL9201372A
Authority: NL
Original assignee: Sierra Semiconductor Bv
Priority date: 1992-07-29
Filing date: 1992-07-29
Publication date: 1994-02-16
Also published as: EP0671080A1; JPH08500220A; CA2141055A1; WO1994003980A1; KR950703227A; US5525936A

Description

Temperatuurgekompenseerde oscillatorschakeling.

De uitvinding betreft een dual mode oscillator waarin tijdens bedrijf tenminste een eerste trilling met een grondfrekwentie en een tweede trilling met een tweede frekwentie optreedt, die althans nagenoeg gelijk is aan een, bij voorkeur de derde, harmonische van de eerste frekwentie, welke beide trillingen een eerste, resp. tweede trillingssignaal opwekken, die zodanig kunnen worden gekombineerd, dat een signaal ontstaat met een althans nagenoeg lineaire temperatuurafhankelijkheid.

Een dergelijke dual mode oscillator is bekend uit het Amerikaanse octrooischrift 4.859*969 en kan bijvoorbeeld worden toegepast in een temperatuurgekompenseerde oscillatorschakeling.

Kristaloscillatoren met een zeer hoge temperatuurstabiliteit zijn voorzien van een temperatuurkompensatieschakeling. Voorheen bestond zo'n schakeling uit een temperatuursensor, een varicap en een regelschakeling, die zowel analoog als digitaal uitgevoerd kon zijn. De kalibratie van dergelijke schakelingen in een temperatuurgeregelde meetruimte nam veel tijd in beslag, omdat de temperatuur-frekwentiekarakteristiek een hogere-orde funktie is en daardoor veel punten van de karakteristiek gemeten moesten worden. De voor een dergelijk systeem benodigde temperatuursensor was door beperkingen van mechanische aard altijd op enige afstand van het kristal geplaatst. Daarom moest tijdens de kalibratieprocedure een wachttijd in acht genomen worden, die garandeerde dat sensor en kristal een gelijke temperatuur hadden.

De genoemde oscillator uit US-A-4.859·969 behoort tot de zogenaamde dual mode oscillatoren, die gelijktijdig op zowel de grondgolf als de derde harmonische oscilleren en die dit nadeel niet hebben, omdat het kristal zelf als temperatuursensor wordt gebruikt. De verschilfrekwentie tussen grondgolf en derde harmonische (f3"3*fl) heeft de eigenschap een nagenoeg lineaire temperatuur-afhankelijkheid te hebben. Deze verschilfrekwentie levert de benodigde temperatuurinformatie in het regelsysteem.

Een nadeel van de bekende dual mode oscillatoren is echter, dat een aantal hogere-orde filters nodig is om het kristal op beide frekwen-ties te laten oscilleren en om beide signalen weer van elkaar te scheiden. Door deze filters is de schakeling slechts in beperkte mate te integreren.

Doelstelling van de dual mode oscillator volgens de uitvinding is om de genoemde problemen van de stand van de techniek op te lossen. Daartoe heeft de schakeling van de bij de aanvang genoemde soort het kenmerk, dat de oscillator een elektronisch bestuurbare schakelaar omvat, die zo- danig is aangebracht, dat in diens ene stand de oscillator in de eerste trilling en in diens andere toestand de oscillator in de tweede trilling trilt, een en ander zodanig dat de oscillator ten minste één uitgang heeft, waarop afwisselend het eerste en het tweede trillingssignaal staat.

Door deze maatregelen toe te passen is een snelle kalibratie van de schakeling mogelijk en is de schakeling tevens integreerbaar in CMOS-technologie.

Bij voorkeur wordt de dual mode oscillator volgens de uitvinding toegepast in een temperatuurgekompenseerde oscillatorschakeling'.

In een voorkeursuitvoeringsvorm van een dergelijke temperatuurgekompenseerde oscillatorschakeling deze een eerste teller die met de uitgang van de dual mode oscillator is verbonden, een gegevensverwerker die met de uitgang van de eerste teller is verbonden en tenminste één uitgang met een frekwentiegeregelde oscillator, bijvoorbeeld een spannings-bestuurde oscillator (VCO), heeft verbonden, een tweede teller, die via schakelmiddelen ofwel direkt, ofwel via een door drie delende frekwentie-deler met een uitgang van de frekwentiegeregelde oscillator kan worden verbonden, terwijl de uitgang van de tweede teller met een ingang van de gegevensverwerker is - gekoppeld, waarbij de gegevensverwerker zodanig is ingericht, dat deze in afhankelijkheid van de door de eerste teller en tweede teller geleverde signalen een stuursignaal opwekt voor de frekwentiegeregelde oscillator om de frekwentie daarvan zodanig te regelen, dat de frekwentie nagenoeg temperatuur onafhankelijk wordt.

In een verdere voorkeursuitvoeringsvorm van een dergelijke temperatuurgekompenseerde oscillatorschakeling zijn tussen de frekwentiedeler en de frekwentiegeregelde oscillator verdere schakelmiddelen aangebracht, zodanig dat de frekwentiedeler ofwel met de frekwentiegeregelde oscillator, ofwel met een referentiesignaal kan worden verbonden.

Voorts betreft de uitvinding een werkwijze voor het kalibreren van een temperatuurgekompenseerde oscillatorschakeling omvattend de volgende stappen: a. het instellen van een vooraf bepaalde temperatuur; b. het zodanig schakelen van de schakelaar en de schakelmiddelen, dat de dual mode oscillator met de tweede trilling trilt en de tweede teller direkt met de frekwentiegeregelde oscillator is verbonden; c. het tellen van het aantal trillingen van de tweede trilling m.b.v. de eerste teller vanaf een eerste initiële waarde; d. het tellen van het aantal trillingen (fx) van de frekwentiegeregelde oscillator m.b.v. de tweede teller vanaf een tweede initiële waarde; e. het meten van de frekwentie van de tweede trilling van de dual mode oscillator (f3) met een referentieteller; f. na een vooraf bepaald aantal trillingen (=N) van de tweede trilling (f3) stoppen van de stappen c en d, waarna de inhoud van de tweede teller gelijk is aan fx/N.f3; g. het zodanig schakelen van de schakelaar, dat de dual mode oscillator met de eerste trilling trilt; h. zodanig schakelen van de schakelmiddelen, dat de tweede teller het uitgangssignaal van de frekwentiedeler ontvangt, welke frekwentiede- ler het uitgangssignaal van de frekwentiegeregelde oscillator ontvangt.

i. het neerwaarts tellen van het aantal trillingen van de eerste trilling m.b.v. de eerste teller gedurende de tijd die verstrijkt door de tweede teller te laten terugtellen tot de tweede initiële waarde; j. opslaan van de uitkomst van stap i. zijnde de waarde van de eerste teller in een geheugen van de gegevensverwerker en het opslaan van de waarde fgew/N.f3, waarbij fgew de gewenste uitgangsfrekwentie van de frekwentiegeregelde oscillator is en f3 met de referentieteller is gemeten; k. herhalen van de stappen a t/m j voor een vooraf bepaald aantal verschillende temperaturen, teneinde ofwel een look-up tabel samen te stellen, ofwel een polynoom op te stellen voor het vaststellen van het verband tussen de frekwentie van de frekwentiegeregelde oscillator en de temperatuur.

In een verdere voorkeursuitvoeringsvorm betreft de uitvinding een werkwijze voor het kalibreren van een temperatuurgekompenseerde os- cillatorschakeling omvattend de volgende stappen: a. het instellen van een vooraf bepaalde temperatuur; b. het zodanig schakelen van de schakelaar, dat de dual mode oscillator met de tweede trilling (f3) trilt en het zodanig schakelen van de schakelmiddelen, dat de tweede teller direkt met het referentiesig-naal is verbonden; c. het tellen van het aantal trillingen van de tweede trilling m.b.v. de eerste teller vanaf een eerste initiële waarde; d. het tellen van het aantal trillingen (fx) van het referentiesignaal m.b.v. de tweede teller vanaf een tweede initiële waarde; e. na een vooraf bepaald aantal trillingen (=N) van de tweede trilling stoppen van de stappen c en d, waarna de inhoud van de tweede teller gelijk is aan fref/N.f3, waarin fref een referentiefrekwentie is; f. het opslaan van de waarde van de tweede teller in een geheugen van de gegevensverwerker; g. het zodanig schakelen van de schakelaar, dat de dual mode oscillator met de eerste trilling trilt; h. zodanig omschakelen van de schakelmiddelen, dat de tweede teller het uitgangssignaal van de frekwentiedeler ontvangt en de frekwentiedeler met het referentiesignaal is verbonden; i. het neerwaarts tellen van het aantal trillingen van de eerste trilling m.b.v. de eerste teller gedurende de tijd die verstrijkt door de tweede teller te laten terugtellen tot de tweede initiële waarde; j. opslaan van de uitkomst van stap i. zijnde de waarde van de eerste teller in een geheugen van de gegevensverwerker; k. herhalen van de stappen a t/m j voor een vooraf bepaald aantal verschillende temperaturen, teneinde ofwel een look-up tabel samen te stellen, ofwel een polynoom op te stellen voor het vaststellen van het verband tussen de frekwentie van de frekwentiegeregelde oscillator en de temperatuur.

Verder omvat de uitvinding een werkwijze voor het besturen van een frekwentiegeregelde oscillator volgens de volgende stappen; a. het zodanig schakelen van de schakelaar en de schakelmiddelen, alsmede de eventueel aanwezige verdere schakelmiddelen, dat de dual mode oscillator met de tweede trilling (f3) trilt en de tweede teller di-rekt met de frekwentiegeregelde oscillator is verbonden; b. het tellen van het aantal trillingen van de tweede trilling m.b.v. de eerste teller vanaf een eerste initiële waarde; c. het tellen van het aantal trillingen (fx) van de frekwentiegeregelde oscillator m.b.v. de tweede teller vanaf een tweede initiële waarde; d. na een vooraf bepaald aantal trillingen (=N) van de tweede trilling stoppen van de stappen b en c en het opslaan van de inhoud van de tweede teller, die dan gelijk is aan fx/N.f3; e. het zodanig schakelen van de schakelaar en van de schakelmiddelen, dat de dual mode oscillator met de eerste trilling trilt en de tweede teller met de uitgang van de frekwentiedeler is verbonden; f. het neerwaarts tellen van het aantal trillingen van de eerste trilling m.b.v. de eerste teller gedurende de tijd die verstrijkt door de tweede teller te laten terugtellen tot de tweede initiële waarde; g. opslaan van de uitkomst van stap f, zijnde de waarde van de eerste teller, in een geheugen van de gegevensverwerker; h. uitlezen of berekenen van de kalibratiewaarde, zijnde de gewenste waarde van fx/N.f3, met behulp van de bij stap g opgeslagen waarde; i. vergelijken met de tijdens stap d opgeslagen waarde; j. verzenden van een stuursignaal naar de frekwentiegeregelde oscillator teneinde de frekwentie daarvan te regelen op de gewenste waarde.

De uitvinding zal hieronder nader worden toegelicht aan de hand van enkele tekeningen, die niet beperkend zijn bedoeld, maar slechts een illustratie van de uitvinding geven, en waarin: figuur 1 een kristaloscillator met een temperatuurkompensatie-schakeling volgens de uitvinding toont; figuur 2 het verloop van een hogere harmonische van een grondgolf uit de kompensatieschakeling van figuur 1 als funktie van de temperatuur toont; figuur 3 een stroomdiagram toont dat wordt gevolgd bij het kalibreren van de schakeling van figuur 1; figuur 4 een stroomdiagram toont, dat tijdens de bedrijfsmode van de schakeling van figuur 1 wordt gevolgd; figuur 5 een toelichting geeft op het verloop van het reële deel van de ingangsimpedantie van een in de schakeling van figuur 1 toegepaste colpitts-oscillator als functie van de frekwentie; figuur 6 een elektrisch vervangingsschema van de in de schakeling van figuur 1 toegepaste colpitts-oscillator toont; figuur 7 een voorbeeld van een in de schakeling van figuur 1 toegepaste colpitts-oscillator toont.

In figuur 1 wordt het basisschema van een voorbeeld van de te regelen oscillatorschakeling volgens de uitvinding gegeven. Met 1 is de te regelen (kristal)oscillator aangegeven, die een signaal met een te regelen frekwentie fx afgeeft. De uitgang van oscillator 1 is verbonden met een twee standen bezittende schakelaar S3. Het schakelbare uiteinde van schakelaar S3 kan ofwel met de uitgang van de oscillator 1 worden verbonden, ofwel met een signaal met een referentiefrekwentie fref. Het andere uiteinde van schakelaar S3 is vast met een frekwentiedeler 2 verbonden, die de frekwentie van het ingangssignaal deelt door 3- Tevens is het andere uiteinde van de schakelaar S3 via een schakelaar S2 met een teller 3 verbonden. De schakelaar heeft twee standen en verbindt in een eerste toestand de teller 3 met de schakelaar S3 en in de andere toestand de teller 3 met de uitgang van de frekwentiedeler 2. De teller 3 heeft vier besturingsingangen: een startingang 4, een stopingang 5, een resetingang 6 en een op/neer-ingang 7. Een signaal op de startingang 4 start de teller, een signaal op de stopingang 5 doet de teller stoppen met tellen, een signaal op de resetingang 6 stelt de teller terug naar de initiële waarde (bijv. de waarde 0) en een signaal op de op/neer-ingang 7 bepaalt of de teller opwaarts of neerwaarts telt.De uitgang van de teller is ver- bonden met een gegevensverwerker 8, die tevens geheugenruimte omvat.

Opgemerkt wordt dat de schakelaar S3 ook kan worden weggelaten, in welk geval er een direkte verbinding tussen de frekwentiegeregelde oscillator 1 en de frekwentiedeler 2 aanwezig is. Het referentiesignaal fref wordt namelijk gebruikt voor kalibratie van de schakeling, maar de kalibratie kan ook plaatsvinden met behulp van het uitgangssignaal van de oscillator 1 zelf, zoals hieronder zal worden toegelicht.

Voorts is een omschakelbare oscillator 9 voorzien, die bij voorkeur een colpitts-oscillator is. De hier toegepaste voorkeursuitvoeringsvorm van een colpitts-oscillator zal hierna aan de hand van figuur 7 worden besproken. De colpitts-oscillator is verbonden met een kristal 15 en met een schakelaar SI. Op de uitgang van de colpitts-oscillator 9 verschijnt ofwel een signaal φΐ, ofwel φ3· Daarbij is φΐ de grondgolf van het door de colpitts-oscillator opgewekte signaal en φ3 een hogere harmonische van φΐ, bij voorkeur de derde harmonische van φΐ. De uitgang van de colpitts-oscillator is verbonden met een teller 10, die net als teller 3 vier besturingsingangen heeft: een startingang 1, een startingang 12, een resetingang 13 en een op/neer-ingang 14. De werking van deze vier besturingsingangen is hetzelfde als bij de teller 3 en wordt hier niet herhaald, de uitgang van de teller 10 is verbonden met de gegevensverwerker 8. De gegevensverwerker voert een uitgangssignaal toe aan de te regelen oscillator 1, die bijvoorbeeld een spanningsgestuurde oscillator kan zijn, en regelt aldus de frekwentie daarvan.

De schakeling volgens figuur 1 maakt gebruik van het bekende principe van temperatuurkompensatieschakelingen voor dual mode oscillato-ren met hoge temperatuurstabiliteit. In dergelijke dual mode oscillatoren wordt het kristal van de oscillator zelf als temperatuursensor gebruikt. Theoretisch kan namelijk worden aangetoond, dat de funktie f3“3*fl. waarin fl de frekwentie van de grondgolf van de trilling van het kristal is en f3 de frekwentie van de derde harmonische van fl, althans nagenoeg lineair met de temperatuur varieert, zodat de grootheid f3~3*fl eenvoudig voor temperatuurkompensatie kan worden gebruikt. Ook in de schakeling van figuur 1 wordt de grootheid f3~3*fl als temperatuur-parameter gebruikt, terwijl f3 de informatie over de frekwentie verschaft.

Zowel tijdens de kalibratiefase van de schakeling van figuur 1, als tijdens de bedrijfsfase daarvan is de absolute temperatuur zelf niet belangrijk; de informatie over de absolute temperatuur wordt namelijk voortdurend verschaft door de waarde van het signaal f3“3*fl te meten. Essentieel voor de schakeling volgens de uitvinding is, dat de signalen f3 en fl niet gelijktijdig, maar afwisselend gedurende korte tijdsduren beschikbaar zijn. Deze tijdsduren zijn net zolang, dat de frekwentie van de colpitts-oscillator 9 met voldoende nauwkeurigheid kan worden gemeten. Voor het afwisselend opwekken van de signalen fl en f3 dient de schakelaar SI. In de geopende, in figuur 1 weergegeven, toestand van de schakelaar SI oscilleert de colpitts-oscillator 9 met frekwentie fl, terwijl deze met frekwentie f3 oscilleert bij gesloten toestand van de schakelaar SI. Dit zal hierna nog verder worden toegelicht aan de hand van figuur 7.

Het meten van beide frekwenties fl en f3 vindt plaats met behulp van de gegevensverwerker 8 en de teller 10. Voorts wordt voor het meten daarvan het uitgangssignaal fx van de te regelen oscillator 1 gebruikt. De oscillator 1 vervult dus twee funkties: die van te regelen oscillator en van referentieoscillator. Aan de oscillator 1 hoeft slechts de eis te worden gesteld, dat de frekwentie van het uitgangssignaal gedurende korte tijd stabiel is.

De oscillator 1 zal na elke meetcyclus, dat wil zeggen elke keer nadat de waarde f3“3*fl is gemeten, worden geregeld op basis van de waarde f3“3*f1· Voor de kalibratie van de schakeling van figuur 1 wordt gebruik gemaakt van f3, die bij benadering een derde-orde funktie van de temperatuur is, hetgeen aan de deskundige op zich zelf bekend is. Voor het kalibreren van de schakeling van figuur 1 is het dus voldoende om voor vier punten het verband tussen f3 en de temperatuur T vast te leggen, omdat daarmee de gehele derde-orde funktie vastligt. Zoals hierboven opgemerkt, geldt echter ook dat de waarde van f3_3*fl lineair met de temperatuur varieert. Derhalve moet ook gelden, dat de funktie f3=f(f3“3*fl) een derde-orde funktie is. Daarom kan voor de kalibratie ook worden volstaan met het vastleggen van vier punten voor de funktie f3=f(f3-3*fl)· Is een meer precieze benadering dan een derde-orde funktie gewenst, dan moeten uiteraard meer punten van deze funktie worden gemeten om aldus een hogere-orde benadering te kunnen vaststellen. Figuur 2 illustreert dit nader, waarin langs de horizontale as van de grafiek ofwel de temperatuur T, ofwel de waarde van -(f3_3*fl) is aangegeven en langs de vertikale as de waarde van f3·

Figuur 3 geeft een stroomdiagram voor het kalibreren van de schakeling volgens figuur 1, waarbij schakelaar S3 zo is geschakeld dat de frekwentiegeregelde oscillator 1 met de frekwentiedeler 2 is verbonden. In stap 20 wordt een bepaalde gewenste temperatuur ingesteld, in dit geval een van de vier temperaturen om de grafiek van figuur 2 vast te kunnen stellen. Vervolgens worden in stap 21 f3 en fx geselekteerd, door respektievelijk de schakelaar SI te sluiten en de schakelaar S2 naar rechts in figuur 2 te schakelen en de schakelaar S3 naar links in figuur 2 te schakelen. Dan worden de tellers 3 en 10 beide gereset op de initiële waarde. In stappen 22 en 23 tellen de tellers 3 en 10, de teller 3 in het ritme van frekwentie fx en de teller 10 in het ritme van frekwentie f3. Dit gaat net zolang door totdat teller 10 vol is, waarna teller 3 direkt wordt gestopt. De inhoud van de teller 10 is een maat voor f3, die in stap 25 wordt vastgelegd in de gegevensverwerker 8. dan worden in stap 26 fl en fx/3 geselekteerd, door respektievelijk de schakelaar SI te openen, de schakelaar S2 in figuur naar links te schakelen en schakelaar S3 in figuur 2 ook naar links te schakelen. In stappen 27 en 28 telt teller 3 neerwaarts met het ritme van fx/3 en telt de teller 10 neerwaarts met het ritme van fl. Dit gaat door totdat de teller 3 de initiële waarde heeft bereikt. Dan wordt in stap 29 de inhoud van teller 10 direkt uitgelezen. Omdat de frekwentie fx in frekwentiedeler 3 door 3 is gedeeld, heeft het neerwaarts tellen drie maal zo lang geduurd als het opwaarts tellen in het eerste gedeelte bij de stappen 22 en 23· Daardoor korres-pondeert de inhoud van teller 10 nu met f3~3#fl (en is de inhoud een maat voor de temperatuur). Omdat bij stap 25 de waarde f3 beschikbaar is gekomen kan nu de eerste waarde voor de grafiek van figuur 2 worden ingevuld. De cyclus van figuur 3 herhaalt zich zo vaak als gewenst, bijvoorbeeld vier keer voor een derde-orde benadering.

Bij de kalibratie volgens het schema van figuur 3 wordt de te regelen oscillator 1 dus als referentieoscillator gebruikt. Dit is enigszins omslachtig. In de praktijk kan in plaats daarvan ook van het refe-rentiesignaal Vref met een vooraf bepaalde referentiefrekwentie fref gebruik worden gemaakt. In het schema van figuur 3 moet dan in stap 21 in plaats van "selekteer fx" gelezen worden: "selekteer fref" en in stap 26 in plaats "selekteer fx/3"J "selekteer fref/3"· Het kommando "selekteer fVref", respektievelijk "selekteer fref/3" komt overeen met het naar rechts schakelen van schakelaar S2 in figuur 2 en het rechts schakelen van schakelen S3 in figuur 2, respektievelijk het naar links schakelen van schakelaar S2 in figuur 2 en het naar rechts schakelen van schakelaar S3 in figuur 2.

Opgemerkt wordt dat f3 en fl dus na elkaar worden gemeten om de funktie f3“3*fl samen te stellen. Het schakelen van de schakelaars SI, S2 en S3 vindt ongeveer 1 keer per sec. plaats, zodat normale temperatuurschommelingen gemakkelijk kunnen gevolgd. Alleen bij zeer snelle temperatuurveranderingen is de kompensatieschakeling niet betrouwbaar.

Voor de normale gebruiksmode kan van de gemeten waarden uit grafiek 2 gebruik worden gemaakt. Ook is het mogelijk om de gemeten (vier) waarden om te rekenen in de coëfficiënten van de (derde-orde) po- lynoom of om een "look up" tabel samen te stellen. De berekende waarden moeten dan nog in een regelsignaal voor de oscillator 1 worden omgerekend.

Figuur 4 geeft een stroomdiagram voor de bedrijfsmode van de inrichting van figuur 1. In stap 40 worden de signalen f3 en fx geselek-teerd, door de schakelaar SI te sluiten, S2 naar rechts in figuur 2 te schakelen en S3 naar links in figuur 2 te schakelen. Ook worden in deze stap beide tellers 3 en 10 op hun initiële waarde teruggesteld. In de stappen 4l en 42 tellen beide tellers 3 en 10, teller 3 met het ritme van fx en teller 10 met het ritme van f3, totdat teller 10 vol is. Dan wordt in stap 43 direkt teller 3 uitgelezen, hetgeen de waarde fx oplevert. In teller 10 staat dan een waarde die met f3 korrespondeert. In stap 44 worden fl en fx/3 geselekteerd, door de schakelaar SI te openen, S2 naar links in figuur 2 te schakelen en S3 naar links in figuur 2 te schakelen. In stappen 45 en 46 tellen beide tellers 3 en 10 neerwaarts: teller 3 in het ritme van fx/3 en teller 10 in het ritme van fl. Dit aftrekken stopt, als teller 3 de initiële waarde aanneemt. Dan bevindt zich, net als tijdens de kalibratiecyclus, in teller 10 een waarde die korrespondeert met f3-3*fl. De inhoud van teller 10 wordt in stap 47 uitgelezen en opgeslagen. De bij deze waarde van f3-3*fl behorende kalibratiegegevens worden bepaald in stap 48, bijvoorbeeld met behulp van de look-up tabel of de berekende derde-orde funktie. In stap 49 wordt de benodigde kompensatie voor de te regelen oscillator bepaald, hetgeen mogelijk is, omdat in stap 43 de waarde fx is vastgelegd en in stap 47 de waarde f3“3*fl, zodat het verband daartussen ook bekend is. Tenslotte wordt in stap 50 een regelsignaal aan de oscillator 1 toegestuurd.

Essentieel voor de kompensatieschakeling is de wijze waarop tussen de signalen fl en f3 wordt geschakeld. Het uitgangspunt daarvoor wordt gevormd door een in figuur 7 nader weergegeven colpitts-oscillator 9 in CMOS-technologie, die een parallel-resonantieschakeling met het kristal 15 vormt. Het toepassen van parallel-resonantie heeft het voordeel, dat een schakeling met hoge impedantie kan worden toegepast, hetgeen het gedissipeerde vermogen reduceert.

De colpitts-oscillator van figuur 7 omvat een kristal 15, die parallel aan een weerstand R3 en een weerstand R1 is geplaatst. Weerstand R3 is via een schakelaar SI naar aarde geleid. Het van het kristal 15 afkomstige signaal wordt toegevoerd aan de poortelektrode van een PMOS-transistor Tl, waarvan de afvoerelektrode met aarde is verbonden en de bronelektrode via een capaciteit C2 eveneens met aarde is verbonden. Voorts bevindt zich tussen de poort- en bronelektrode van transistor Tl een capaciteit Cl en ontvangt de bronelektrode een voorafbepaalde stroom van een stroombron I. De colpitts-oscillator van figuur 7 is slechts een voorbeeld van een oscillator die geschikt is als omschakelbare oscillator 9« Van belang is slechts, dat een oscillator wordt toegepast, die door het omschakelen van een schakelaar SI in relatief korte tijd - bijvoorbeeld 1 sec. - kan omschakelen van een stabiele oscillatie in de grond-hannonische naar een stabiele oscillatie in een hogere harmonische, bij voorkeur de derde harmonische;

Hoewel een colpitts-oscillator als zodanig aan de deskundige bekend is, wordt ten aanzien van de hier toegepaste colpitts-oscillator het volgende opgemerkt. Met behulp van relatief eenvoudige netwerkanalyse kan worden aangetoond, dat een colpitts-oscillator kan worden opgevat als een negatieve weerstand in serie met een capaciteit in het frekwentiege-bied rond de oscillatiefrekwentie. Deze negatieve weerstand kompenseert de resonantieweerstand van het kristal, waardoor de oscillatie zal ontstaan.

Het verloop van het reële deel van de ingangsimpedantie [Re(f)] van de oscillator als funktie van de frekwentie is sterk afhankelijk van de DC-ingangsweerstand [Rdc] van de schakeling. De DC-ingangsweerstand bepaalt immers (mede) de ligging van een nulpunt van Re(f).

In figuur 5 is het verloop van het reële deel van de ingangsim-pedantie voor twee waarden van Rdc weergegeven. Indien Rdc kleiner wordt, zal Re(f) voor lage frekwenties minder negatief worden. Anders gezegd: bij kurve 60 in figuur 7 hoort een lagere DC-ingangsweerstand Rdc van de colpitts-oscillator dan bij kurve 61. Er is dus een zodanige Rdc=Rl, dat het dal in de kurve optreedt voor een frekwentie fl. Er is ook Rdc=R3, zodanig dat het dal in de kurve optreedt voor een frekwentie f3.

Een kristal kent een elektrisch vervangingsschema, dat voor wat betreft de modellering van grondgolf en derde harmonische trilling bestaat uit de parallelschakeling van 2 LCR kringen (zie figuur 6). Door kompensatie van de weerstand van één van de beide kringen zal het kristal op de overeenkomstige frekwentie oscilleren. Kristallen welke bedoeld zijn om te oscilleren op de grondfrekwentie hebben een veel lagere weerstand voor deze grondfrekwentie dan voor de derde harmonische. Daarom zal een dergelijk kristal, indien opgenomen in een oscillatorschakeling, bij voorkeur op de grondfrekwentie trillen. Een kristal, dat is vervaardigd om te oscilleren op een harmonische, zal voor deze harmonische een lagere resonantieweerstand bezitten.

Indien fl (figuur 5) overeenkomt met de grondgolf van een kristal en jRel(fl) j >Rsl kan de oscillator oscilleren op .fl (zie voor Rsl figuur 6). Indien f3 overeenkomt met een harmonische (bijvoorbeeld de derde) van hetzelfde kristal en |Re3(f3)ί>Rs3 kan de oscillator oscilleren op f3 (zie voor Rs3 figuur 6). Indien R3 en het kristal worden aangesloten op de oscillator zal de schakeling gaan oscilleren op f3 omdat |Re3(f3)!>Rs3 is. !Re3(fl)l zal klein zijn of zelfs positief, zodat de oscillator niet werkt op fl. Indien R1 en het kristal worden aangesloten, zal de oscillator gaan oscilleren op fl, immers jRel(fl)|>>Rsl. Hoewel ook geldt [Rel(f3) j >Rs3 zal de oscillator toch op fl oscilleren omdat JRel(f1)/Rsl[>>[Rel(f3)/Rs31· Door nu om te schakelen tussen beide weerstanden zal de oscillator omschakelen tussen beide frekwenties. De meest praktische oplossing is dan een vaste R1 en een schakelbare weerstand R3* zodat R1//R3#=R3. De schakeling van figuur 7 is op basis hiervan ontworpen. Zowel de schakelaar SI als de weerstanden Rl, R3* zijn in CMOS-technologie eenvoudig te integreren.

Het zal aan de deskundige duidelijk zijn, dat de in figuur 7 getoonde colpitts-oscillator slechts een mogelijke omschakelbare oscillator in de schakeling van figuur 1 vormt. Voor de uitvinding kunnen bijvoorbeeld ook andere aangepaste colpitts-oscillatoren worden ontworpen. Aan de omschakelbare oscillator 9 wordt slechts de eis gesteld, dat deze binnen relatief korte tijd (bijvoorbeeld 1 sekonde) van een stabiele trilling kan omschakelen in een andere stabiele trilling via het omschakelen van schakelaar SI.

Claims

1. Dual mode oscillator waarin tijdens bedrijf tenminste een eerste trilling met een grondfrekwentie en een tweede trilling met een tweede frekwentie optreedt, die althans nagenoeg gelijk is aan een, bij voorkeur de derde, harmonische van de eerste frekwentie, welke beide trillingen een eerste, resp. tweede trillingssignaal opwekken, die zodanig kunnen worden gekombineerd, dat een signaal ontstaat met een althans nagenoeg lineaire temperatuurafhankelijkheid, met het kenmerk. dat de oscillator (9) een elektronisch bestuurbare schakelaar (SI) omvat, die zodanig is aangebracht, dat in diens ene stand de oscillator (9) in de eerste trilling en in diens andere toestand de oscillator (9) in de tweede trilling trilt, een en ander zodanig dat de oscillator (9) ten minste één uitgang heeft, waarop afwisselend het eerste (fl) en het tweede trillingssignaal (f3) staat.

2. Temperatuurgekompenseerde oscillatorschakeling voorzien van een dual mode oscillator volgens conclusie 1.

3- Temperatuurgekompenseerde oscillatorschakeling volgens conclusie 2, welke een eerste teller (10) omvat die met de uitgang van de dual mode oscillator is verbonden, een gegevensverwerker (8) die met de uitgang van de eerste teller (10) is verbonden en tenminste één uitgang met een frekwentiegeregelde oscillator (1), bijvoorbeeld een spanningsbe-stuurde oscillator (VCO), heeft verbonden, een tweede teller (3). die via schakelmiddelen (S2) ofwel direkt, ofwel via een door drie delende fre-kwentiedeler (2) met een uitgang van de frekwentiegeregelde oscillator (1) kan worden verbonden, terwijl de uitgang van de tweede teller (3) met een ingang van de gegevensverwerker (8) is gekoppeld, waarbij de gegevensverwerker (8) zodanig is ingericht, dat deze in afhankelijkheid van de door de eerste teller (10) en tweede teller (3) geleverde signalen een stuursignaal opwekt voor de frekwentiegeregelde oscillator (1) om de frekwentie daarvan zodanig te regelen, dat de frekwentie nagenoeg temperatuur onafhankelijk wordt.

4. Temperatuurgekompenseerde oscillatorschakeling volgens conclusie 3» waarbij tussen de frekwentiedeler (2) en de frekwentiegeregelde oscillator (1) verdere schakelmiddelen (S3) zijn aangebracht, zodanig dat de frekwentiedeler ofwel met de frekwentiegeregelde oscillator (1), ofwel met een referentiesignaal (Vref) kan worden verbonden.

5· Werkwijze voor het kalibreren van een temperatuurgekompen- seerde oscillatorschakeling volgens conclusie 3 omvattend de volgende stappen: a. het instellen van een vooraf bepaalde temperatuur; b. het zodanig schakelen van de schakelaar (SI) en de schakelmiddelen (S2), dat de dual mode oscillator (9) met de tweede trilling (f3) trilt en de tweede teller (3) direkt met de frekwentiegeregelde oscillator (1) is verbonden; c. het tellen van het aantal trillingen van de tweede trilling m.b.v. de eerste teller (10) vanaf een eerste initiële waarde; d. het tellen van het aantal trillingen (fx) van de frekwentiegeregelde oscillator (1) m.b.v. de tweede teller (3) vanaf een tweede initiële waarde; e. het meten van de frekwentie van de tweede trilling (f3) van de dual mode oscillator met een referentieteller; f. na een vooraf bepaald aantal trillingen (=N) van de tweede trilling (f3) stoppen van de stappen c en d. waarna de inhoud van de tweede teller (3) gelijk is aan fx/N.f3; g. het zodanig schakelen van de schakelaar (SI), dat de dual mode oscillator (9) met de eerste trilling (fl) trilt; h. zodanig schakelen van de schakelmiddelen (S2), dat de tweede teller (3) het uitgangssignaal van de frekwentiedeler (2) ontvangt, welke frekwentiedeler (2) het uitgangssignaal van de frekwentiegeregelde oscillator (1) ontvangt. i. het neerwaarts tellen van het aantal trillingen van de eerste trilling (fl) m.b.v. de eerste teller (10) gedurende de tijd die verstrijkt door de tweede teller (3) te laten terugtellen tot de tweede initiële waarde; j. opslaan van de uitkomst van stap i, zijnde de waarde van de eerste teller (10) in een geheugen van de gegevensverwerker (8) en het opslaan van de waarde fgew/N.f3, waarbij fgew de gewenste uitgangsfre-kwentie van de frekwentiegeregelde oscillator is en f3 met de referentieteller is gemeten; k. herhalen van de stappen a t/m j voor een vooraf bepaald aantal verschillende temperaturen, teneinde ofwel een look-up tabel samen te stellen, ofwel een polynoom op te stellen voor het vaststellen van het verband tussen de frekwentie van de frekwentiegeregelde oscillator (1) en de temperatuur.

6. Werkwijze voor het kalibreren van een temperatuurgekompen- seerde oscillatorschakeling volgens conclusie 4 omvattend de volgende stappen: a. het instellen van een vooraf bepaalde temperatuur; b. het zodanig schakelen van de schakelaar (SI), dat de dual mode oscillator (9) met de tweede trilling (f3) trilt en het zodanig schakelen van de schakelmiddelen (S2, S3), dat de tweede teller (3) direkt met het referentiesignaal (Vref) is verbonden; c. het tellen van het aantal trillingen van de tweede trilling m.b.v. de eerste teller (10) vanaf een eerste initiële waarde; d. het tellen van het aantal trillingen (fx) van het referentiesignaal m.b.v. de tweede teller (3) vanaf een tweede initiële waarde; e. na een vooraf bepaald aantal trillingen (=N) van de tweede trilling (f3) stoppen van de stappen c en d, waarna de inhoud van de tweede teller (3) gelijk is aan fref/N.f3, waarin fref een referentiefreken-tie is; f. het opslaan van de waarde van de tweede teller (3) in een geheugen van de gegevensverwerker (8); g. het zodanig schakelen van de schakelaar (SI), dat de dual mode oscillator (9) met de eerste trilling (fl) trilt; h. zodanig omschakelen van de schakelmiddelen (S2, S3), dat de tweede teller (3) het uitgangssignaal van de frekwentiedeler (2) ontvangt en de frekwentiedeler (2) met het referentiesignaal (Vref) is verbonden; i. het neerwaarts tellen van het aantal trillingen van de eerste trilling (fl) m.b.v. de eerste teller (10) gedurende de tijd die verstrijkt door de tweede teller (3) te laten terugtellen tot de tweede initiële waarde; j. opslaan van de uitkomst van stap i. zijnde de waarde van de eerste teller (10) in een geheugen van de gegevensverwerker (8); k. herhalen van de stappen a t/m j voor een vooraf bepaald aantal verschillende temperaturen, teneinde ofwel een look-up tabel samen te stellen, ofwel een polynoom op te stellen voor het vaststellen van het verband tussen de frekwentie van de frekwentiegeregelde oscillator (1) en de temperatuur.

7- Werkwijze voor het besturen van een frekwentiegeregelde oscillator volgens conclusie 3 of 4 volgens de volgende stappen: a. het zodanig schakelen van de schakelaar (SI) en de schakelmiddelen (S2), alsmede de eventueel aanwezige verdere schakelmiddelen (S3), dat de dual mode oscillator (9) met de tweede trilling (f3) trilt en de tweede teller (3) direkt met de frekwentiegeregelde oscillator (1) is verbonden; b. het tellen van het aantal trillingen van de tweede trilling m.b.v. de eerste teller (10) vanaf een eerste initiële waarde; c. het tellen van het aantal trillingen (fx) van de frekwentiegeregelde oscillator (1) m.b.v. de tweede teller (3) vanaf een tweede initiële waarde; d. na een vooraf bepaald aantal trillingen (=N) van de tweede trilling (f3) stoppen van de stappen b en c en het opslaan van de inhoud van de tweede teller (3). die dan gelijk is aan fx/N.f3; e. het zodanig schakelen van de schakelaar (SI) en van de schakelmidde-len (S2), dat de dual mode oscillator (9) met de eerste trilling (fl) trilt en de tweede teller met de uitgang van de frekwentiedeler is verbonden; f. het neerwaarts tellen van het aantal trillingen van de eerste trilling (fl) m.b.v. de eerste teller (10) gedurende de tijd die verstrijkt door de tweede teller (3) te laten terugtellen tot de tweede initiële waarde; g. opslaan van de uitkomst van stap f, zijnde de waarde van de eerste teller, in een geheugen van de gegevensverwerker (8); h. uitlezen of berekenen van de kalibratiewaarde, zijnde de gewenste waarde van fx/N.f3, met behulp van de bij g opgeslagen waarde; i. vergelijken met de tijdens stap d opgeslagen waarde; j. verzenden van een stuursignaal naar de frekwentiegeregelde oscillator (1) teneinde de frekwentie daarvan te regelen op de gewenste waarde.