NO324663B1 - Resonator omfattende en resonatoranordning og en seleksjonskrets for a velge en resonansmodus - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en resonator omfattende en resonatoranordning og en seleksjonskrets for å velge en resonansmodus, hvor seleksjonskretsen dannes av en førsteorden-oscillator.

I vanlige elektroniske systemer konstrueres resonatoroscillatorer ved å anvende den kjente negative impedans-strukturen, så som f.eks. den omtalt doktorgradavhandlingen med tittelen "Design of High-Performance Negative-Feedback Oscillators" av C.A.M. Boon utgitt ved Delft University of Technology in 1989 og artikkelen med tittelen "Low-Noise Oscillators" av J.H. Huijsing et al, utgitt av "Analog Circuit Design" av Kluwer Academic Publishers i 1996.

I vanlige kjente resonatorer velges ønsket resonansmodus ved hjelp av en fininnstilt krets.

Resonatorer som er anvendt hittil har de ulempene at resonanskretser er dyre og skjøre sammenliknet med andre komponenter i en elektrisk krets, og i tillegg er de vanskelig å integrere med de ønskede kravene.

Fra japansk patentsammendrag, vol 4, nr. 18 (E-171), 13. februar 1980 og Japan 54 157461A, 12. desember 1979, er en resonator omfattende en resonatoranordning i form av et piezoelektrisk element kjent. Et resonansmodus velges ved å anvende en monostabil multivippe, hvorfra pulsretningen velges. Multivippen er ikke en førsteorden-oscillator, utvelgelsesmåten er dermed fullstendig ulik resonatoren ifølge foreliggende oppfinnelse. Videre er formålet ved tidligere kjente resonatorer kun å sikre det minste naturlige oscillasjonstallet til det piezoelektriske elementet og ikke et overtonemodus.

US-patent nr. 3.581.235 beskriver en resonator omfattende en krystall og en astabil multivippe bestående av to transistorer med resistive krysskoplinger. Ved denne type krysskopling har krystallet en impedanspåvirkning på den astabile multivippen i motsetning til terskelpåvirkningen i resonatoren ifølge oppfinnelsen.

Formålet med oppfinnelsen er å frembringe en resonator av den type som er omtalt i innledningen av krav 1, og som er forbedret i forhold til kjente resonatorer, hvor de ovenfor nevnte ulemper er eliminert og hvor problemet med underordnet resonans og direkte gjennombrudd unngås, samtidig som det er enkelt å eksitere resonatorer ved en høyere modus.

Dette formålet oppnås ifølge oppfinnelsen ved at oscillatoren omfatter en kondensator (C) og en svitsjbar strømkilde (h) som er koplet dertil ved hjelp av en kontrollinngang for en svitsjende ladning og utladning av kondensatoren, og to komparatorer (COMP 1, COMP 2), hvor de ene inngangene er koplet til koplingspunktet til konden-satoren (C) og den regulerbare strømkilden (h), hvor de andre inngangene hver er koplet til en referansekilde (En,Era), og hvor utgangen er koplet til en minnekrets (L) hvis utgangssignal er ved et første nivå hvis den ene komparatoren gir et utgangssignal og er ved et andre nivå hvis den andre komparatoren gir et utgangssignal, hvori utgangen til minnekretsen (L) er koplet til inngangen til resonatoranordningen og kontrollinngangen til den svitsjbare strømkilden (h) og hvori utgangssignalet til resonatoranordningen modulerer referansekildene (En,Era).

Ifølge en foretrukket utførelse legges utgangssignalet til resonatoranordningen til spenningen til referansekildene. Videre foretrekkes det at en forsterker koples mellom utgangen til resonatoranordningen og referansekildene (En,Era). Fortrinnsvis er minnekretsen (L) en holdekrets.

Ifølge en foretrukket utførelse er de nevnte to komparatorer (COMP 1, COMP 2) realisert ved anvendelse av en første transistor (T3) og en andre transistor (T4), hvori første og andre transistorer (T3, T4) er koblet ved deres kollektorer via tilsvarende første og andre resistorer (R7, R8) til en første polaritet til en forsyningsspenning (UB), hvori første og andre transistorer (T3, T4) er koblet ved deres emitterer via deres tilsvarende referansekilder (Ir1 , Ir2> til en andre polaritet til forsyningsspenningen (-UB), hvori nevnte minnekrets (L) er realisert ved kobling av en base av den første transistor (T3) til kollektaren av den andre transistor (T4) og ved kobling av en base av den andre transistor

(T4) til kollektaren av den første transistor (T3), hvori nevnte kondensator (C) er innkoplet mellom emitterne til de første og andre transistorene (T3, T4), og hvori resonatoranordningen (2, R) er koplet mellom kollektorene til de første og andre transistorene (T3, T4).

Den ulike driften av en kjent resonator i forhold til resonatoren ifølge foreliggende oppfinnelse fremgår fra kravet om at den naturlige frekvensen til multi-vibratoren må være noe høyere enn resonansfrekvensen til krystallet, mens førsteorden-oscillatoren ifølge foreliggende oppfinnelse kun må være nær lik til resonansfrekvensen til krystallet, det vil si både noe høyere eller noe lavere enn den nevnte resonansfrekvensen eller en høyere harmonisk frekvens.

Den naturlige frekvensen til førsteorden-oscillatoren kan velges som nesten lik til den ønskede frekvensen til utgangssignalet til resonatoren. Når synkronisering oppnås er den frembrakte frekvensen til slutt fullstendig bestemt av resonatoranordningen.

Ved å velge den naturlige frekvensen til førsteorden-oscillatoren ved hjelp av dens frekvensbestemmende komponenter muliggjøres det for at området som skal innstilles med synkronisasjon opprettholdt. På denne måten kan en underordnet resonans til resonatoren velges.

I en utførelse innarbeides en forsterker mellom utgangen til resonatoranordningen og referansekilden til førsteorden-oscillatoren for å oppnå en syn-kronisasjonsfølsomhet til oscillatoren som er slik at den sikkert oppnår en resonans som et hele ved ønsket frekvens.

Foretrukket er utgangssignalet til førsteorden-oscillatoren en firkantbølge.

Videre detaljer vedrørende oppfinnelsen er omtalt i de etterfølgende kravene.

Oppfinnelsen skal beskrives mer detaljert nedenfor med henvisning til tegningene, hvori;

Fig. 1 viser et blokkdiagram av en resonator ifølge oppfinnelsen.

Fig. 2 viser en resonator ifølge oppfinnelsen gjengitt mer detaljert.

Fig. 3 viser signaler ved ulike punkter i en krets ifølge fig. 2.

Fig. 4 viser et diagram som viser grensene for det bestemmende synkroniseringsområdet.

Fig. 5 viser et detaljert diagram av resonatoren ifølge oppfinnelsen.

Fig. 6 viser en veldig forenklet utførelse av resonatoren ifølge oppfinnelsen.

Blokkdiagrammet i fig. 1 viser prinsippet med oppfinnelsen. Resonatoren omfatteren resonatoranordning 2 og oscillator 1. Resonatoranordningen kan være en kvartskrystall eller en annen anordning som er i stand til å oppnå en resonans i én eller flere resonansmoduser.

Oscillatoren 1 er av førsteorden, heretter også henvist som en relak-sjonsoscillator, og frembringer et signal hvis frekvens bestemmes av de frekvensbestemmende komponentene, så som f.eks. en kondensator. Frekvensen til oscillatoren 1 velges omtrent lik til den ønskede frekvensen til resonatoren. Resonatorsignalet som oppstår ved utgangen Uo i relaksjonsoscillatoren mates til eksiteringsinngangen le til resonatoranordningen 2. Utgangssignalet omfatter foretrukket en firkantform. Ved utgangen Uo til resonatoranordningen 2, må det oppstå et signal hvis frekvens må være lik til en forhåndsbestemt ønsket

resonatorfrekvens. Utgangssignalet U2 mates via en forsterker V til synkroni-

seringsinngangen Is til relaksjonsoscillatoren 1. Synkroniseringen utføres ved påvirkning av tidspunktene til omgjøringen av relaksjonsoscillatoren.

Ved å begrense sensitiviteten til relaksjonsoscillatoren til den synkroniserende firkantbølgen, vil den være avhengig av frekvensen til det opprinnelige signalet fra resonatoren uansett om synkronisering oppstår eller ikke. Hvis synkronisering oppstår, vil resonansen opprettholdes ved å tilføre energi fra relaksjonsoscillatoren. Hvis synkronisasjon ikke oppstår, vil resonansen ikke være opprettholdt av sløyfen omfattende resonatoranordningen 2 og oscillatoren 1. Det vil således være mulig å opprettholde ønsket oscillasjon, mens uønskede underordnete resonanser vil bli undertrykt. Det ønskede synkroniseringsområdet kan reguleres ved å velge en passende naturlig frekvens til relaksjonsoscillatoren så vel som å velge den korrekte sensiviteten.

Hvis en firkantbølge velges som inngangssignal for førsteorden-oscillatoren, vil systemet ha en høy ikke-sensivitet for direkte gjennombrudd fra inngangen til utgangen i resonatoren. Som et resultat av høypasskarakteren til det direkte gjennombruddet, vil det i hovedsak fjernes før den etterfølgende synkroniseringen til den etterfølgende omgjøringen av relaksjonsoscillatoren. Utførelsen av synkroniseringen vil følgelig ikke være avhengig av direkte gjennombrudd av resonatoren.

En resonatoranordning med en god karakteristikk har en resonans-frekvens, hvor amplituden til utgangssignalet plutselig øker og fasen mellom inngangen og utgangen til resonatoranordningen er lik til 0. Resonatoranord-ninger som er omtalt hittil imøtegår ikke kravene på grunn av, f.eks., at betrakte-lig overgang oppstår som dermed resulterer i faseulikheter i resonatoranordningen.

Det er kun med resonatoren ifølge oppfinnelsen at de ovenfor nevnte problemer kan unngås.

Et mer detaljert diagram av resonatoren ifølge oppfinnelsen er vist i fig. 2. Resonatoranordningen 2 til resonatoren omfatter en førsteorden-oscillator hvis funksjoner skal beskrives separat.

Førsteorden-oscillatoren eller relaksjonsoscillatoren omfatter en integrert funksjon, en sammenligningsfunksjon, en funksjon for å svitsje integrasjonsfor-tegnene og en minnefunksjon.

Integrasjonen dannes ved kondensatoren C, som lades av strømkilden h som kan forsyne strøm i to retninger. Svitsjefunksjonen er vist skjematisk med pilene P4 og Ps. Kondensatoren C lades ved hjelp av strøm i en retning, mens strøm i den andre retningen vil utlade kondensatoren. Gjentagende svitsjing over strømkilden h frembringer en sagtannet spenning Uz ved tilkoplingspunktet mellom strømkilden h og kondensatoren C. Sammenligningsfunksjonen utføres ved komparatorene COMP 1 og COMP 2. Sagtannspenningen Uz mates til en inngang både i komparatoren COMP 1 og komparatoren COMP 2. Koplingene til de andre inngangene til komparatorene COMP 1 og COMP 2 er referansekildene En og Er2.

Minnefunksjonen er implementert i utførelsen vist ved S-R holdekretsen L. Utgangen til komparatoren COMP 1 er koplet til inngangen S til holdekretsen L, og utgangen til komparatoren COMP 2 til inngangen R til holdekretsen L. Utgangen Q til holdekretsen er koplet til eksiteringsinngangen le til resonatoranordningen 2 og til kontroll- eller reguleringsinngangen P3 og strømkilden li. Utgangssignalet som oppstår ved utgangen U2 til resonatoranordningen 2 modulerer referansekildene En og En, som er vist skjematisk ved pilene Pi og P2.

Oscillasjonsfrekvensen til førsteorden-oscillatoren bestemmes med ligningen:

hvor Vamp er amplituden til sagtannbølgen Uz over kondensatoren C, slik at oscillatorfrekvensen kan innstilles linært ved å variere ladestrømmen. Perioden til oscillatoren kan endres linært ved å linært variere amplituden til oscillatoren eller verdien til kondensatoren C.

Siden strømmen er integrert i kondensatoren kan oscillatoren synkroni-seres og låses ved modulering av referansekildene til komparatorene. Utgangs-signalene til resonatoranordningen kan lett legges til spenningen til referansekildene En og Era. Kretsen kan deretter konstrueres på en slik måte at passasje av sinusbølgen fra resonatoranordningen gjennom 0 synkroniserer førsteorden-oscillatoren. Det er derfor ingen spesielle krav vedrørende forsterkerens lineæri-tet som behandler resonatorens utgangssignal, og selv en enkel begrensning

kan anvendes.

Fig. 3 viser karakteristikken til resonatoren ved hjelp av signalene som oppstår deri. Fig. 3 viser oscillasjonsforhold ved stabil tilstand til resonatoren. I dette tilfelle anvendes en anordning som har en resonans på 1 Mhz og med en Q-verdi på kun 10 som resonator. I fig. 3 indikerer henvisningssymbolet U1 det firkantede utgangssignalet til holdekretsen, henvisningssymbol Uz indikerer den trekantformede spenningen over kondensatoren til førsteorden-oscillatoren og henvisningssymbolet Ur indikerer utgangssignalet til resonatoren.

Fig. 3 viser klart at omgjøringen av relaksjonsoscillatoren fra ladefasen til utladningsfasen og omvendt er synkronisert eller utløst av utgangsspenningen til resonatoranordningen.

Ikke-ideelle egenskaper til komponentene i kretsen, så som mistilpasning og støy i lade- og utladningsstrømmene, feil og støy i referansenivåene og for-sinkelser i synkroniseringsbanen, kan innvirke på faseforholdet til signalene. Det er blitt funnet at påvirkningen fra disse ikke-ideelle egenskapene effektivt kan elimineres ved forsterkningsfaktorer i synkroniseringsbanen. F.eks. kan en forsterker innarbeides mellom utgangen til resonatoranordningen og modu-leringsinngangen til referansekildene.

Grenseverdiene til innfangningsområdet kan utledes fra fig. 4. Denne figuren viser tre tilstander til oscillatoren. I fig. 4 (b), er oscillatoren i midten av det oppfangede området. Frekvensen til resonatoren er nå nøyaktig lik til den naturlige frekvensen til førsteorden-oscillatoren. Som nevnt ovenfor moduleres sammenligningsnivåene ved utgangssignalet til resonatorelementet for å oppnå synkroniserende firkantbølger. I fig. 4 (a) er førsteorden-oscillatoren ved sitt høyest mulige (synkroniserte) frekvens. I fig. 4 (c) er oscillatoren imidlertid ved sitt lavest mulige (synkroniserte) frekvens. Det skal understrekes at ladestrøm-men til kondensatoren er lik i alle disse figurene.

Amplituden til moduleringsnivået Emod og komparatornivåene Ei og Eh som er lik men motsatt, er nå definert. Hvis den absolutte verdien til Ei og Eh settes lik til E, kan det innfangende området til førsteorden-oscillatoren bestemmes ved:

Hvis resonansen til resonatoren ikke er innenfor disse verdiene, vil nesten alle overgangene startes av førsteorden-oscillatoren, og systemet er ikke synkronisert.

Fig. 5 viser et detaljert skjema av en resonator ifølge oppfinnelsen.

Komparatorene realiseres av NE527, holdekretsen av 74 HCT02 og kondensatoren dannes ved den parallelle forbindelsen til kondensatorene C1 og Cv. Denne kondensatorkretsen lades opp ved transistoren Ti og utlades ved transistoren T2. Svitsjingen fra lading til utladningsfase og omvendt kontrolleres av utgangssignalet til holdekretsen, som mates til basen til transistoren T2.

Sammenligningsnivåene til komparatorene dannes ved spenningsdelene omfattende resistorene Ri og R2 eller R3 og R4, respektiv. Utgangssignalet til resonatorelementet mates via resistorene Rs eller R6 respektiv, til koplingspunktet til resistorene i spenningsdelerne og er, som det var, lagt til referanse-spenningene til komparatorene satt av spenningsdelerne.

Fig. 6 viser en svært enkel versjon av resonatoren ifølge oppfinnelsen.

Denne versjonen omfatter to transistorer T3 og T4. Kollektaren til transistoren T3 og kollektaren T4 er koplet via resistorene R7 og Re, respektiv, til den ene polariteten til forsyningsspenningen UB. Emittere til transistorene T3 og T4 er koplet via referansekilder ln og Ire til den andre polariteten til forsyningsspenningen UB. Kondensatoren C er koplet mellom de emitterne til transistorene T3 og T4 som den frekvensbestemmende komponenten til oscillatoren. Resonatorelementet er innarbeidet mellom kollektorene til transistorene T3 og T4. Basen til transistoren T3 er koplet til kollektaren til transistoren T4, mens basen til transistoren T4 er koplet til kollektaren til transistoren T3.

Det har vist seg at en resonator ifølge oppfinnelsen som virker svært bra kan konstrueres ved hjelp av kun to transistorer, en kondensator og et lite antall resistorer.

Oppfinnelsen kan fordelaktig anvendes i krystalloscillatorer som har en stabil resonans i et ønsket høyere modus. Oppfinnelsen er svært passende for denne anvendelsen. I tillegg til den høye stabiliteten som oppnås i resonatoren, har resonatorkretsen en liten størrelse og den er billig.

Kretsen kan fullstendig integreres, i motsetning til vanlige harmoniske oscillatorer, hvor den ekstra filtreringen som er nødvendig for å muliggjøre at en resonator har en resonans ved ønsket frekvens i hovedsak kun delvis kan integreres.

I tillegg er kretsen svært passende for å få toports-resonatorer til å reso-nere, såsom de som f.eks. kan fremstilles ved hjelp av mikromaskinering på en brikke. Slike resonatorer utsettes vanligvis for et spesielt stort antall problemer på grunn av overgangsproblemer. Dette problemet tilhører fortiden sammen-lignet med kretsen som er omtalt.

I tillegg er oppfinnelsen svært passende for å frembringe resonans i resonatorer som må innarbeides på en brikke. På grunn av fremstillingsmåten utsettes ofte disse resonatorene på en brikke for direkte overgang (gjennombrudd), hvori resonatoren ifølge oppfinnelsen ikke er sensitiv for overgang.

Oppfinnelsen er også passende for resonerende sensorer, spesielt i applikasjoner hvori minisensorer er ønskelig.

Claims (5)

1. Resonator omfattende en resonatoranordning (2) og en seleksjonskrets for å velge en resonansmodus, hvor seleksjonskretsen dannes av en førsteorden-oscillator (1), karakterisert ved at oscillatoren (1) omfatter en kondensator (C) og en svitsjbar strømkilde (h) som er koplet dertil ved hjelp av en kontrollinngang for en svitsjende ladning og utladning av kondensatoren, og to komparatorer (COMP 1, COMP 2), hvor de ene inngangene er koplet til koplingspunktet til kondensatoren (C) og den regulerbare strøm-kilden (h), hvor de andre inngangene hver er koplet til en referansekilde (En, Ere), og hvor utgangen er koplet til en minnekrets (L) hvis utgangssignal er ved et første nivå hvis den ene komparatoren gir et utgangssignal og er ved et andre nivå hvis den andre komparatoren gir et utgangssignal, hvori utgangen til minnekretsen (L) er koplet til inngangen til resonatoranordningen (2) og kontrollinngangen til den svitsjbare strømkilden (h) og hvori utgangssignalet til resonatoranordningen (2) modulerer referansekildene (En,Ere).

2. Resonator i samsvar med krav 1, karakterisert ved at utgangssignalet til resonatoranordningen (2) legges til spenningen til referansekildene (En,Ere).

3. Resonator i samsvar med krav 1 eller 2, karakterisert ved at en forsterker koples mellom utgangen til resonatoranordningen (2) og referansekildene (En, Ere).

4. Resonator i samsvar med krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at minnekretsen (L) er en holdekrets.

5. Resonator i samsvar med krav 1, 2 eller 4, karakterisert ved at nevnte to komparatorer (COMP 1, COMP 2) er realisert ved anvendelse av en første transistor (T3) og en andre transistor (T4), hvori første og andre transistorer (T3, T4) er koblet ved deres kollekterer via tilsvarende første og andre resistorer (R7, R8) til en første polaritet til en forsyningsspenning (UB), hvori første og andre transistorer (T3, T4) er koblet ved deres emitterer via deres tilsvarende referansekilder (lR1, lR2) til en andre polaritet til forsyningsspenningen (-UB), hvori nevnte minnekrets (L) er realisert ved kobling av en base av den første transistor (T3) til kollektoren av den andre transistor (T4) og ved kobling av en base av den andre transistor (T4) til kollektaren av den første transistor (T3), hvori nevnte kondensator (C) er innkoplet mellom emitterne til de første og andre transistorene (T3, T4), og hvori resonatoranordningen (2, R) er koplet mellom kollektorene til de første og andre transistorene (T3, T4).