DE3036785A1

DE3036785A1 - Oszillatorschaltung

Info

Publication number: DE3036785A1
Application number: DE19803036785
Authority: DE
Inventors: Tetsuro Tokyo Konno
Original assignee: Seikosha KK
Current assignee: Seikosha KK
Priority date: 1979-10-05
Filing date: 1980-09-30
Publication date: 1981-04-16
Also published as: GB2063603B; DE3036785C2; FR2466899B1; SG33385G; US4583059A; GB2063603A; HK56785A; FR2466899A1

Description

Anmelderin; Kabushiki Kaisha Seikosha, Tokyo, Japan

Oszillatorschaltung

Die Erfindung betrifft eine Oszillatorschaltung mit einem piezoelektrischen Schwinger als Schwingungsnormal, insbesondere zur Verwendung in einer Quarzuhr.

Bei bekannten Oszillatorschaltungen mit einem Schwingquarz ist ein Trimmerkondensator erforderlich, um die Schwingungsfrequenz zu steuern. Dabei wird neben der Erforderlichkeit eines Trimmerkondensators als nachteilig angesehen, daß die Schwingungsfrequenz von der Temperatur abhängig ist, so daß enge Temperaturgrenzen eingehalten werden müssen. Selbst bei einem Oszillator mit einer sehr geringen Temperaturabhängigkeit der Frequenz beträgt die Frequenzwanderung etwa + 2 ppm in dem Temperaturbereich zwischen etwa 5 und 35 C. Außerhalb dieses Temperaturbereichs ergibt sich eine extrem hohe Änderung der Schwingungsfrequenz.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Oszillatorschaltung der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß die Schwingungsfrequenz ohne die Verwendung eines Trimmerkondensators zuverlässig gesteuert werden kann, um eine sehr stabile Schwingungsfrequenz zu erzielen. Ferner soll die Schwingungsfrequenz innerhalb eines verhältnismäßig großen Temperaturbereichs mit Hilfe von Schaltungselementen kompensiert werden, die in der Hauptsache in einem CMOS-Baustein einer integrierten Schaltung vorgesehen werden können.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Zusammenfassend sind deshalb wesentliche Merkmale der Erfindung in einer Oszillatorschaltung zu sehen, in der eine Kapazität über einen Schaltkreis parallel zu einer Lastkapazität des piezoelektrischen Schwingers angeschlossen ist und wobei die Schwingungsfrequenz durch Änderung des Tastverhältnisses der Impulse zum Umschalten des Schaltkreises gesteuert wird. Die Frequenz-Temperatur-Charakteristik wird durch Änderung des Tastverhältnisses in Abhängigkeit von der Temperatur kompensiert. Deshalb ist ein Trimmerkondensator nicht erforderlich und die Frequenz-Temperatur-Charakteristik kann innerhalb eines großen Temperaturbereichs kompensiert werden.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung beispielsweise näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine elektrische Schaltung zur Erläuterung des Grundgedankens der Erfindung;

Fig. 2 eine grafische Darstellung der Lastkapazität in Abhängigkeit von der Zeit, gesehen von dem Anschluß b in Fig. 1 beim Umschalten des Schaltkreises;

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung;

Fig. 4 die Frequenz-Temperatur-Charakteristik des piezoelektrischen Schwingers in Fig. 3;

Fig. 5 die Frequenz-Lastkapazität-Charakteristik des piezoelektrischen Schwingers in Fig. 3;

Fig. 6 ein Blockschaltbild einer elektrischen Schaltung zur Temperaturkompensation bei einem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung;

Fig. 7 die Frequenz-Temperatur-Charakteristik vor und nach der Kompensation durch die elektrische Schaltung in Fig 6;

Fig. 8 ein Blockschaltbild eines abgewandelten Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung;

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Fig. 9 die Frequenz-Temperatur-Charakteristik des Ringoszillators in Fig. 8;

Fig. 10 ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung;

Fig„ 11 eine Frequenz-Temperatur-Charakteristik vor bzw. nach der Kompensation; und

Fig. 12 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels zur Erzielung einer Kompensation entsprechend Fig„ 11.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel enthält die Schaltung einen Rückkoppelungswiderstand R, einen CMOS-Inverter V1 und Lastkapazitäten Cl, C2, welche an einen Schwingquarz Q angeschlossen sind. Eine Kapazität C3 ist parallel zu der Lastkapazität C2 angeschlossen und ein Schaltkreis S ist in Reihenschaltung an die Kapazität C3 angeschlossen.

Bei dieser Schaltung wird die Verbindung der Kapazität C3 mit der Lastkapzität C2 durch Zufuhr von Impulsen P su einem Anschluß a des Schaltkreises S gesteuert. Fig. 2 seigt eine grafische Darstellung der Kapazität C gesehen von dem Anschluß b in Fig„ 1» Dis effektive Lastkapazität wird durch Änderung des Tastverhältnisses £*d/ Γ ρ der Impulse P geändert, um die Schwingungs frequenz einzustellen.

Im folgenden soll erläutert werden, wie sich die von dem Anschluß b gesehene Lastkapazität C(t) in Abhängigkeit von dem Tastverhältnis der Impulse P ändert. Die Lastkapazität C(t) kann durch folgende Fouriesche Reihe dargestellt werden:

C(t) = a_ + a.cosCjp · t + a-cos^'p ■ t 4-

+ b.sin pu-'t·+ b_sinu;p · t +

unter der Voraussetzung, daß
top = 2 3tfp, _fp = 1/ 2~p

a_ = 1/?~P J C(t)dt

^ ΰ/Γρ

a = 2/ITpJ, C(t}cos ntjJp · tdt

b_n = 2/r_P/^£^c(t)sin ntop . tdt
gilt;" *

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C(t) = C2 + C3JZTd/r_p +^jE. T/nj^ _sin „ n^pTa . _cos t

+-«-- 1/n^(1-cos n&p.^d) · sin ηωρ · ti = C2 + C3Kd/^rp +Γ 1/nÄT· 2(1-cos

Tl·¹

1-cos

In der Gleichung (1) ist die Sehaltfrequenz η*fp(n=1,2,3-- ) enthalten. Das Ansprechen des Schwingquarzes auf diese Schaltfrequenz soll im folgenden erläutert werden. Die Zeitkonstante ^c der passiven Teile des Schwingquarzes ist gegeben durch

wobei Q dem Gütefaktor des Schwingquarzes, q o ^fo ^{die Scnwin}?^un?^sfrecJ^uenz bedeuten.

Wenn die Frequenz fp der Schaltimpulse P erheblich größer als l/6c (fp^⁷!/ Z~c) gewählt wird, ist die Frequenz fp in dem Frequenzspektrum des Schwingquarzes vernachlässigbar. Deshalb sind in der Gleichung (1) die Ausdrücke vernachlässigbar, welche η · fp(fp = 1/ip) enthalten. Damit ergibt sich für die Lastkapazität C(t) = C2 + C3*£d/r"p, so daß die effektive Lastkapazität nur durch das Tastverhältnis der Impulse P bestimmt wird. Aus diesem Grund wird die Schwingungsfrequenz durch das Tastverhältnis der Impulse P bestimmt.

Wenn beispielsweise ein Schwingquarz verwendet wird, dessen Schwin gungsfrequenz etwa 4,2 MHz und dessen Gütefaktor etwa 3x10 bis 5x10 beträgt und wenn die Frequenz fp der Impulse auf etwa 1OkHz festgelegt wird, wird die Schwingungsfrequenz nicht durch die Frequenz fp beeinflußt, sondern durch das Tastverhältnis der Impulse P gesteuert. Deshalb kann ohne Verlust der Stabilität der Schwingungsfrequenz deren Einstellung mit Hilfe des Tastverhäitnisses der Impulse erfolgen.

In Verbindung mit dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel soll die Einstellung des Tastverhältnisses der Impulse P Erläutert werden. Eine Frequenzteilerschaltung D unterteilt die Schwingungsfrequenz. Die Frequenzen an den Ausgangsanschlüssen d1, d2 betragen 1/2ⁿ, 1/2^m(n>^m) der Schwingungsfrequenz. Eine Differenzier-

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schaltung T differenziert die Frequenzen an dem Anschluß d1, und die Ausgangsimpulse der Differenzierschaltung T werden dem Eingangsanschluß PE einem voreinstellbaren Abwärtszähler A für K(K = n-m)-Bits zugeführt. Eine Gatterschaltung G empfängt die Impulse von dem Anschluß e und die Impulse von dem Anschluß d2 treten durch die Gatterschaltung G durch. Der gewünschte Wert wird durch einen digitalen Schalter DS angestellt und in einem nicht flüchtigen Speicher M gespeichert.

Im folgenden soll die Arbeitsweise näher erläutert werden. Durch die Ausgangsimpulse der Differenzierschaltung wird der in dem Speicher M gespeicherte gewünschte Wert in dem Abwärtszähler A voreingestellt. Deshalb gelangt der Anschluß e auf den Wert "1", so daß die Impulse von dem Anschluß d2 durch die Gatterschaltung G hindurchtreten können und dem Abwärtszähler A zugeführt werden. Der Anschluß e gelangt auf den Wert ¹¹O", sobald der Abwärtszähler A den gewünschten Wert gezählt hat. Dann wird der Inhalt des Speichers M wieder in dem Abwärtszähler A durch den nächsten Impuls von dem Anschluß d1 eingestellt und die erwähnte Arbeitsweise wird wiederholt. Deshalb werden über den Anschluß dl Impulse erzeugt, deren Tastverhältnis dem durch den digitalen Schalter DS eingestellten Wert entspricht, welche den Schaltkreis S betätigen. Auf diese Weise wird die effektive Lastkapazität und damit die Schwingungsfrequenz eingestellt.

Mit Ausnahme des digitalen Schalters DS und der Kapazitäten Cl, C2, C3 und des Schwingquarzes in Fig. 3 können alle Schaltungselemente in einer integrierten Schaltung vorgesehen sein. Da ein Trimmerkondensator nicht erforderlich ist, kann eine verbesserte Stabilität der Schwingungsfrequenz erzielt werden.

Im folgenden soll die Temperaturkompensation erläutert werden, wenn ein Schwingquarz mit einem AT-Schnitt verwendet wird, dessen in Fig. 4 dargestellte Frequenz-Temperatur-Charakteristik eine kubische Kurve ist. Auf der Ordinate in Fig. 4 ist die Frequenzdifferenz Af zwischen der objektiven Frequenz fO und der tatsächlichen Frequenz f aufgetragen, und die Temperatur ist auf der Abszisse aufgetragen. Fig. 5 zeigt die Frequenz-Lastkapazität-Charakteristik, woraus ersichtlich ist, daß die Frquenzwanderung in Abhängigkeit von der Temperatur durch Steuerung der Last-

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kapazität kompensiert werden kann.

Bei dem in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel wird mit Hilfe eines Thermistors Th und eines Widerstands r eine von der Temperatur abhängige Spannung erzeugt, die an Vergleichsschaltungen CM1 - CMr angelegt wird. Die Anschlüsse P1 - Pr der Vergleichsschaltungen CWi - CMr befinden sich auf einem Potential, das vorherbestimmten Differenzspannungen entspricht. Die Ausgangssignale der Vergleichsschaltungen CMl - CMr werden durch eine Kodiereinrichtung E in binär kodierte Daten umgewandelt, welche dem Abwärtszähler A zugeführt werden.

Die der Temperatur entsprechenden Daten werden in dem Abwärtszähler A eingestellt, wodurch das Tastverhältnis der Impulse zur Betätigung des Schaltkreises S eingestellt wird. Deshalb wird das Umschalten des Schaltkreises in Abhängigkeit von der Temperatur gesteuert, wodurch die effektive Lastkapazität gesteuert und die Schwingungsfrequenz kompensiert wird. Fig. 7 zeigt die Frequenz-Temperatur-Charakteristik im nicht kompensierten Zustand in Form einer Kurve I₁ und im kompensierten Zustand mit einer wellenförmigen Kurve I₂, wenn eine Kompensation der beschriebenen Art erfolgt. Deshalb kann das Verhältnis ^f/f innerhalb eines sehr großen Temperaturbereichs auf einen Wert innerhalb +_ 1 ppm gesteuert werden.

Bei dem in Fig. 8 dargestellten, die Temperaturkompensation betreffenden Ausführungsbeispiel ist ein Ringoszillator RG*vorgesehen, der aus CMOS-Invertern V2,V3,V4 besteht und dessen Ausgangsfrequenz 'einem Mischgatter MR zugeführt wird. Eine Differenzfrequenz zwischen der Aus gangsfrequenz des Ringoszillators RG und der Frequenz am Anschluß d3 des Frequenzteilers D wird einem Datenkonverter DT zugeführt. Wie in Fig. 9 dargestellt ist, verläuft die Frequenz-Temperatur-Charakteristik des Ringoszillators nahezu linear. Auf der Ordinate ist das Verhältnis 4 ^/^25°r^^wo~ bei ^25°r ^^e Schwingungsfrequenz bei 25 C, ^f = f ο - f^^o , ί,ρΟ die Schwingungs frequenz bei T C bedeuten) aufgetragen..

Da sich die Schwingungsfrequenz des Ringoszillators RG linear in Abhängigkeit von der Temperatur ändert, ändert sich die Ausgangsfrequenz des Mischgatters MR in Abhängigkeit von der Temperatur. Die von dem Konverter DT binär kodierten Daten werden dem Abwärtszähler A zugeführt. Deshalb wird die Schwingungsfiaguenz des

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Schwingquarzes Q entsprechend Fig. 7 kompensiert. Mit Ausnahme des Schwingquarzes Q und der Kapazitäten C1, C2 und C3 können alle Elemente in einem CMOS-Chip integriert werden.

Bei dem in Fig. 10 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein CR-Oszillator H vorgesehen, der einen Thermistor enthält, und dessen Schwingungsfrequenz durch eine Zählschaltung CT gezählt wird, deren Zählstand durch einen Konverter DT in binär kodierte Daten umgewandelt wird. Da die Schwingungsfrequenz des Oszillators H sich in Abhängigkeit von der Temperatur ändert, ändern sich die von dem Konverter abgegebenen Daten ebenfalls in Abhängigkeit von der Temperatur.

Im'fblgenden soll ein Ausfübrungsbeispiel beschrieben werden, bei dem ein Schwingquarz vorgesehen ist, dessen Frequenz-Temperatur-Charakteristik in Form einer quadratischen Kurve 1_ in Fig. 11 dargestellt ist. Bei diesem in Fig. 12 dargstellten Ausführungsbeispiel werden die Schwingungsfrequenz des .CR-Oszillators H und die Ausgangsfrequenz am Anschluß d3 der Frequenzteilerschaltung einem Mischgatter MR zugeführt, und durch den Konverter DT wird die Differenzfrequenz in binär kodierte Daten umgewandelt. Die Schwingungs frequenz des Oszillators. H wird derart vorherbestimmt, 'daß sie mit der Frequenz an dem Anschluß d3 bei 25 C zusammenfällt entsprechend der Mittellinie der .quadratischen Kurve I^ in Fig. 11. Deshalb beträgt die Differenzfrequenz an dem Mischgatter MR bei 25 C 0 und ändert sich symmetrisch entsprechend dem Anstieg oder Abfall der Temperatur. Deshalb kann die Charakteristik entsprechend der quadratischen Kurve I^ in Fig. 11 innerhalb + 1 ppm in einem sehr großen Temperaturbereich kompensiert werden, wie durch die wellenförmige Linie 1. dargestellt ist.

Aus der obigen Beschreibung geht deshalb hervor, daß durch die Parallelschaltung einer Kapazität und einer Lastkapazität eine Steuerung mit Hilfe von Impulsen mit einem bestimmten Tastverhältnis erfolgen kann, so daß die Schwingungsfrequenz mit Hilfe des Tastverhältnisses der Schaltimpulse eingestellt werden kann. Dabei ist ein Trimmerkondensator nicht erforderlich und die Frequenzstabilität kann verbessert werden. Da ferner die Schaltimpulse von einer Frequenzteilerschaltung erzeugt werden, welche die Schwingungsfrequenz unterteilt, werden die Schwingungsfre-

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quenz und die Schaltimpulse nicht durch Alterungsdefekte 5^e₁ η flußt. Da das Tastverhältnis der Schaltimpulse in Abhängigkeit von der Temperatur geändert wird, kann die Schwingungsfrequenz innerhalb eines großen Temperaturbereichs kompensiert und stabil gehalten werden.

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Claims

Patentansprüche

Oszillatorschaltung mit einem piezoelektrischen Schwinger als Schwingungsnormal, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kapazität (C3) parallel an eine Lastkapazität (C1,C2) des piezoelektrischen Schwingers (Q) angeschlossen ist, daß ein Schaltkreis (S) zur Steuerung der Verbindung zwischen der Kapazität und der Lastkapazität angeschlossen ist, und daß eine Impulsgeneratorschaltung zur Erzeugung von Impulsen mit einem bestimmten Tastverhältnis vorgesehen ist,um den Schaltkreis (S) zu betätigen.

Oszillatorschaltung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Impulsgenerators chaltung Impulse erzeugbar sind, deren Periode kürzer als die Zeitkonstante C c(6c = 2Q/y , wobei Q der Gütewert des Schwingers, ^₀ = 2^"f und f die Schwingungsfrequenz ist) des piezoelektrischen Schwingers ist.

Oszillatorschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn ζ ei chnet, daß die Impulsgeneratorschaltung eine an den piezoelektrischen Schwinger angeschlossene Frequenzteilerschaltung (D) enthält, an die eine Steuerschaltung zur Steuerung der Impulsbreite der Ausgangsimpulse der Frequenzteilerschaltung angeschlossen ist.

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4. Oszillatorschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsgene rat or schaltung Impulse erzeugt, deren Tastverhältnis sich in Abhängigkeit von der Temperatur ändert, um den Schaltkreis (S) zu betätigen.

5. Oszillatorschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsgeneratorschaltung aus ehern Ringoszillator (RG) mit einer Ringschaltung aus einer ungeraden Anzahl von CMOS-Invertern (V2,V3,V4) besteht, und daß die Steuerschaltung die Impulsbreite der Aus gangsimpulse der Frequenzteilerschaltung in Abhängigkeit von der Schwingungsfrequenz des Ringsoszillators steuert.

6. Oszillatorschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Impuls generatorschaltung einen CR-Oszillator mit einem Thermistor enthält, und daß die Impulsbreite -der Ausgangsimpulse der Frequenzteilerschaltung in Abhängigkeit von der Schwingungsfrequenz des CR-Oszillators gesteuert wird (Fig. 10).

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