DE1060922B - Kristall-Oszillator mit Temperaturkompensation - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf Schwingkristalle und kristallgesteuerte Oszillatoren und bezieht sich insbesondere auf die Frequenzstabilisierung derartiger Oszillatoren, die bei sich ändernden Umgebungstemperaturen arbeiten.

Ein Verfahren zum Erhalten enger Frequenzgrenzen bei Schwingkristallen, an denen sich die Umgebungstemperatur um nicht mehr als beispielsweise 5° C in jeder Richtung ändert, liegt in einer Anordnung, bei der die mittlere Arbeitstemperatur mit einem annähernd horizontalen Abschnitt der Frequenztemperaturkurve zusammenfällt. Ein anderes Verfahren liegt darin, den Kristall, wenn sehr enge Frequenzgrenzen eingehalten werden müssen oder ein weiter Bereich der Umgebungstemperatur zu erwarten ist, in einen thermostatisch gesteuerten Ofen einzuschließen, dessen Temperatur höher als die obere Grenze der Umgebungstemperatur ist. Obgleich diese Anordnungen für die meisten ungünstigen Arbeitsbedingungen ausreichen, bei denen die Kristallfrequenz leicht innerhalb sehr weniger millionstel Teile gehalten werden kann, stellt der gesteigerte Leistungsverbrauch eines Ofens in einigen Fällen, beispielsweise in einem Flugzeug und einer tragbaren Ausrüstung, einen schwerwiegenden Nachteil dar. Auch ist die Anordnung eines Ofens ein zusätzlicher Punkt zu den Kosten des Oszillators, wobei auch die gesteigerte Größe hinderlich sein kann.

Ein elektromechanisches Verfahren zum Ausgleichen von Frequenzänderungen in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur ist in der deutschen Patentschrift 549 067 beschrieben. Gemäß diesem Verfahren ist ein Kondensator in dem die Frequenz bestimmenden Kreis des Oszillators enthalten und in Reihe zu den Kristallen geschaltet. Die Kapazität des Kondensators ist mit der Temperatur derart veränderbar, daß die Frequenzänderung des Kristalls ausgeglichen wird. Die Kapazitätsänderung des Kondensators wird durch Änderung des Abstandes zwischen den beiden Kondensatorplatten bewirkt, wenn sich die Temperatur ändert. Ausgeführt wird dieses durch Änderung des Abstandes zwischen den beiden Platten durch einen zylindrischen Distanzhalter mit einem passenden Wärmeausdehnungskoeffizienten, z. B. aus Kautschuk, Hartgummi od. dgl.

Eine derartige Anordnung hat den gleichen Nachteil wie die einen Ofen verwendende Ausführung. Es wird nämlich die Größe des Oszillators gesteigert. Sie hat auch den schwerwiegenden Nachteil, daß die Wärmeträgheit des zylindrischen Distanzhalters hoch ist. Während die Anordnung bei langsamen Temperaturänderungen zufriedenstellen kann, arbeitet sie nicht befriedigend, wo die^Temperaturänderung sehr schnell stattfindet, was beispielsweise bei einem gelenkten Geschoß der Fall ist.

Kristall-Oszillator
mit Temperaturkompensation

Anmelder:
Automatic Telephone & Electric Company

Limited,
Liverpool (Großbritannien)

Vertreter: Dr.-Ing. H. Negendank, Patentanwalt,
Hamburg 36, Neuer Wall 41

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 16. Juni 1956

Ralph Aubrey Spears, Liverpool (Großbritannien),
ist als Erfinder genannt worden

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Schaffung eines elektrischen Verfahrens zum Aus-, gleich von Frequenzänderungen, wobei der Aufbau gedrängt ist und schnellen Temperaturschwankungen genau gefolgt wird.

Bei einem Oszillator mit einem piezoelektrischen Kristall und einer mit diesem verbundenen Kompensationsschaltung enthält die Kompensationsschaltung erfindungsgemäß eine feste Reaktanz und einen Thermistor, die so angeordnet und bemessen sind, daß sich der Phasenwinkel des Scheinleitwertes der Kompensationsschaltung in Abhängigkeit von Temperaturschwankungen in einem solchen Maße und Sinne ändert, daß die Frequenz des Oszillators im wesentliehen konstant bleibt.

Die Erfindung wird besser an Hand der folgenden

■ Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele verstanden, die als Beispiel erläutert werden. Die Beschreibung soll in Verbindung mit den Zeichnungen, die Fig. 1 · bis 10 enthalten, gelesen werden. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 bis 3 drei verschiedene Ausführungsformen der Erfindung,

Fig. 4 die Temperaturkennlinie einer Kristalleinheit, Fig. 5 und 6 zu den Schaltungen gemäß Fig. 1 und 2 äquivalente Schaltungen mit induktiven Elementen,

Fig. 7 und 8 Anordnungen, mit welchen die frequenzbestimmenden Elemente in der Rückkopplung eines Verstärkers enthalten sind,

909 560/295

Fig. 9 eine Schaltung mit induktiven und kapazi- temperatur eine ausreichende Kompensation in Vertiven Blindwiderstandselementen, bindung mit einem Kondensator zwischen 4 und 12 pF

Fig. 10 eine Anordnung für eine andere Oszillator- ergeben hat. Der Kapazitätswert wird durch den type. größten Frequenzanstieg bestimmt, der kompensiert

-.Die. Erfindung, verwendet die Tatsache, daß die 5 werden muß. Der Wert des Widerstandes des tempe-Schwingungsfrequenz eines Kristalls nicht nur von raturabhängigen Widerstandes ist gewählt, um das seinem Schnittwinkel und seiner Stärke, sondern in größte Kompensationsverhältnis bei einer Frequenz geringerem Ausmaß auch von dem Scheinleitwert und zu ergeben, bei welcher der Abfall der Temperaturdem TBliridleitweft^; seiner' Arbeitsschaltung abhängt. kennlinie am steilsten ist.

Indem diese Größe mit der Temperatur veränderlich ιό Die Schaltungsanordnung nach Fig. 2 ist in der gemacht wird, ist es bei einer geeigneten Ausführung Wirkung der gemäß Fig. 1 ähnlich, aber in diesem des Kristalls möglich, eine Steuerung auszuüben, die Falle ist die Kompensationsschaltung, die den Kondendie Frequenz'bei einer Temperaturänderung in ent- satorC2 und den temperaturabhängigen Widerstand gegengesetztem Sinne zu der natürlichen Frequenz- TH2 parallel zueinander enthält, in Reihe zu dem änderung des Kristalls ändert. Eine genaue und zu- J-5 Kristallelement CT? angeschlossen. Bei dieser Anordverlässige Kompensation kann durch Verbindung einer nung hat der temperaturabhängige Widerstand TH2 einfachen Phasenverschiebungsschaltung, in welcher bei Verwendung eines Kristallelementes mit positivem das Widerstandselement ein Thermistor, ein tempe- Temperaturkoeffizienten der Frequenz in dem interraturempfmdlicher Widerstand ist, mit dem Kristall essierenden Temperaturbereich auch einen positiven erhalten werden. 20 Temperaturkoeffizienten des Widerstandes, so· daß

In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform seine Wirkung als Nebenschluß des Kondensators C 2 bilden der Kristall CR, dem der Widerstand R1 par- bei einem Temperaturanstieg vermindert wird. Die .allel geschaltet ist, und die Elektronenröhre VT einen wirksame Steigerung der Kapazität, die in der Schal-Teil eines üblichen Kristalloszillators, die restlichen tung auftritt, kompensiert somit die Neigung zu einem Bauteile, die nicht gezeigt sind, sind beispielsweise an ²5 Anstieg der Schwingkristallfrequenz, die Anode und Kathode der Röhre angeschlossen. In der in Fig. 3 dargestellten Schaltungsanordnung

In Parallelschaltung zu den Kristallen ist ferner ein wird ein veränderbares Ausmaß der Kompensation Zweig mit einem temperaturempfindlichen Widerstand mittels eines Differentialkondensators erreicht. In THl und einem Kondensator C1 in Reihe angeordnet. dieser Schaltung sind der temperaturabhängige Wider-Dieser temperaturempfindliche Widerstand hat einen 30 stand TH 3 und ein fester Widerstand T?2 durch den negativen Temperatur-Widerstands-Koeffizienten, d.h., Differentialkondensator C 4 ungleich in Reihe mit dem sein Widerstand nimmt bei zunehmender Temperatur Kondensator C 3 gekoppelt, und die Anordnung ist ab. Wenn sich die Temperatur ändert, ändert sich auch derart, daß die Nennfrequenz des Kristalls durch entder Phasenwinkel dieses Parallelzweiges. Bei niedrigen sprechende Einstellung weniger beeinflußt wird, als ,Temperaturen wird der Phasenwinkel, wenn sich der 35 wenn der Kondensator Cl in Fig. 1 veränderbar auswärmeabhängige . Widerstand in dem Zustand eines geführt würde.

sehr hohen Widerstandswertes befindet, annähernd Die in den Fig. 5 und 6 gezeigten Schaltungen sind

Null sein. Bei einer Temperaturabnahme wird die Im- zu den Anordnungen gemäß den Fig. 1 und 2 direkt ■pedanz des temperaturempfindlich abhängigen Wider- gleichwertig und verwenden Drosseln Ll und L 2 an Standes abnehmen, und der Phasenwinkel des Zweiges 40 Stelle der Kondensatoren Cl bzw. C2. Es wird herwird sich —90° nähern. vorgehoben, daß eine Änderung des in der Oszillator- -.■■■ Um zu "ermöglichen, daß diese Änderung der Eigen- schaltung vorhandenen induktiven Blindwiderstandes schäften des Nebenschlußzweiges zur Kompensation in ihrer Wirkung auf die Kristallarbeitsfrequenz einer der Frequenzänderung des Kristalls bei einer Tempe- Änderung entgegengesetzt ist, die erfolgt, wenn ein raturänderung wirksam wird, ist der Schnittwinkel 45 Kondensator vorhanden ist. Daher haben die tempedes Kristalls so berechnet, daß er in dem. interessieren- raturabhängigen Widerstände TH 4 und TH 5 Eigenden Temperaturbereich einen positiven Temperatur- schäften mit in bezug zu den temperaturabhängigen koeffizienten der Frequenz erzeugt. Die normalerweise Widerständen THl bzw. TH2 entgegengesetztem ■parabolische'Temperaturkennlinie wird in diesem Bei- Sinn.

spiel so gelegt, daß sie ihren horizontalen Teil am 50 Es wird beobachtet, daß die Schaltungen gemäß oberen Ende des interessierenden Frequenzbereiches den Fig. 1, 2, 3, 5 und 6 typisch für die grundlegende hat. Eine typische Kurve, die zur Verwendung in Frequenzsteuerschaltung der Miller-Oszillatoren sind, dieser Schaltungsart geeignet ist, ist mit A in Fig. 4 bei welchen der Kristall eine hohe Impedanz bei der •gezeigt, wo die Frequenzänderungsverschiebung in Schwingungsfrequenz darstellt.

millionste! Teilen (sf) über der Temperatur in Celsius- 55 Bei den in den Fig. 7 und 8 gezeigten Anordnungen graden (T⁰C) aufgetragen ist. Die kapazitive Korn- hat der Kristall jedoch bei der Schwingungsfrequenz ponente des Stromes in dem Nebenschlußzweig neigt eine niedrige Impedanz und ist mit den Kompenzur Verminderung der Schwingungsfrequenz des sationsschaltungselementen in einer Rückkopplung ■Kristalls. Diese Wirkung nimmt mit steigender Tem- zwischen dem Eingang und Ausgang eines Verperätur zu. Durch sorgfältige Ausführung des Kristall- 60 stärkers A angeschlossen, der so ausgeführt ist; daß elementes und Auswahl der Kapazität und der Werte ' bei der Schwingungsfrequenz eine Verstärkung eindes temperaturempfindlichen Widerstandes kann die geführt wird.

erreichbare Kompensation die Kristallfrequenz inner- Diese Oszillatortype ist besonders geeignet, wo

halb sehr weniger millionstel Teile über einen weiten Oberschwingungskristalle verwendet werden, um-entTemperaturbereich konstant halten. Eine typische 65 weder eine sehr große Stabilität oder eine sehr hohe ;Frequenzabweichungskurve ist mit B (Fig. 4) gezeigt. ■->■'■ Frequenz zu ergeben.

Für bestimmte Kristalle mit der Resonanzfrequenz in In Fig. 7 ist eine Drossel L 3 parallel zu einem

der Größenordnung.von 10 MHz ist gefunden worden, temperaturabhängigen Widerstand TH6 dargestellt, ,daß ein temperätürabhängiger Widerstand mit einem obgleich die Drossel auch gut durch einen Koiiden-

Widerstandswert von etwa" 2000 Ohm bei Raum- 70 'sator ersetzt werden kann, wenn der Sinn des Tempe-

raturkoeffizienten des temperaturabhängigen Widerstandes entsprechend geändert wird. In Fig. 8 ist die Anordnung durch Schaffung eines abgestimmten Kreises empfindlicher gemacht, der einen Kondensator C5, eine Drossel L4 und das temperaturempfindliche Element, den temperaturabhängigen Widerstand TH 7, enthält.

Die in Fig. 8 gezeigte Anordnung könnte jedoch durch Schaltung des temperaturabhängigen Widerstandes TH 7 in Reihe mit dem Kondensator C 5 oder durch Anordnung des temperaturabhängigen Widerstandes in Reihet mit jedem Blindwiderstandselement abgeändert werden. Eine zu dieser einigermaßen ähnliche Anordnung ist in Fig. 9 gezeigt, bei welcher getrennte Zweige in Nebenschluß zu dem Kristallelement CR eine Drossel L 5 in Reihe mit einem durch einen Widerstand R 3 überbrückten temperaturabhängigen Widerstand TH 8 bzw. einen Kondensator C 6, einen temperaturabhängigen Widerstand TH 9 und einen Widerstand R4 in Reihe enthalten. Diese Schaltung kann verwendet werden, um eine Temperaturkompensation zu schaffen, wenn sich der erforderliche Temperaturbereich über die Spitze der parabelförmigen Kurve erstreckt, die teilweise mit A in Fig. 4 gezeigt ist, und die Temperaturkemilinie des Kristalls daher über einen Teil des Bereiches der Arbeitstemperaturen positiv und über den anderen Teil negativ ist, wobei ein verhältnismäßig ebener Abschnitt zwischen den beiden Teilen vorhanden ist. Daher ist eine Temperaturkompensation in zwei Stufen erforderlich, und dies wird durch die Schaltung gemäß Fig. 9 wie folgt erreicht: Wenn ein Kristallelement mit einer ansteigenden oder positiven Temperaturkennlinie an dem Ende des Bereiches mit niedriger Temperatur vorhanden ist, nimmt der Widerstandswert des temperaturabhängigen Widerstandes TH 9 mit zunehmender Temperatur ab, und da sein Widerstand im Vergleich zu dem Widerstandswert des Widerstandes A4 im Anfang hoch ist, wird tatsächlich mehr Kapazität in den Nebenschluß zu dem Kristallelement CR eingeführt, um der Neigung zum Anstieg der Schwingungsf requenz entgegenzuwirken. Diese Wirkung dauert an, bis der Widerstandswert des temperaturabhängigen Widerstandes TH9 an der Spitze der Temperaturkennlinie im Vergleich zu dem Wert des Widerstandes i?4 gering ist und ein weiterer Temperaturanstieg in diesem Zweig der Kompensationsschaltung unwirksam ist, da die Wirkung des Kondensators C 6 im wesentlichen durch den Widerstand des Widerstandswertes i?4 bestimmt wird.

Zur gleichen Zeit ist in dem induktiven Zweig der Kompensationsschaltung der temperaturabhängige Widerstand TH 8 zu Anfang im Vergleich zu dem Widerstand R3 in seinem Wert groß und hat daher geringe Wirkung bei ansteigender Temperatur, bis hinter der Spitze der Temperaturkennlinie sein Wert fortschreitend kleiner als der des Widerstandes R 3 wird. Dies steigert den in der Schaltung vorhandenen Einfluß des induktiven Widerstandes und kompensiert mit zunehmender Temperatur eine fallende und negative Eigenschaft des Kristallelementes.

Ähnliche und umfangreichere Schaltungsanordnungen können zur Kompensation beispielsweise einer kubischen Kristallkennlinie verwendet werden, die bei Kristallen im AT-Schnitt üblich ist. Diese Anordnungen können Reihen- und/oder Nebenschlußwiderstände in Kombination mit einem Kondensator oder einem induktiven ^Blindwiderstand enthalten.

Die in Fig. 10 gezeigte Schaltung, die eine Drossel L 6 in Reihe mit einem temperaturabhängigen Widerstand THlO aufweist, welche Kombination'parallel zu einem Kristallelement CR angeschlossen ist, ist in einer typischen Schaltung eines Oszillators, der Pierce-Schaltung, angeordnet. Die Temperaturkompensation wird in gleicher Weise erreicht wie vorstehend beschrieben, und ähnliche Änderungen der Anordnung der Kompensationsschaltung und des Kristallelementes sind bei dieser Oszillatortypemiöglich. 'Unter 'bestimmten Umständen kann' es vorteilhaft ' sein, die

ίο thermische Trägheit des temperaturempfindlichen Widerstandselementes der des Kristalls, der kompensiert werden soll, anzupassen. Dieses würde wichtig sein, wenn der Oszillator dort eingebaut würde, wo Temperaturänderungen sowohl groß als auch schnell sind, beispielsweise in gelenkten Geschossen. Wo Temperaturgefälie vorhanden sind, ist es in gleicher Weise wünschenswert, daß der Kristall und das temperaturempfindliche Widerstandselement der gleichen Temperatur unterworfen werden sollen, und um dieses sicherzustellen, kann der temperaturabhängige Widerstand einteilig mit dem Kristallelement ausgeführt sein, indem der Kopf des temperaturabhängigen Widerstandes auf dem Fußteller des Kristallelementes befestigt wird.

Schließlich ist noch zu bemerken, daß das temperaturempfindliche. Widerstandselement nicht unbedingt eine nichtlineare Kennlinie haben muß.

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Oszillator mit einem piezoelektrischen Kristall und einer mit diesem verbundenen Schaltung zur Temperaturkompensation, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsschaltung eine feste Reaktanz und einen Thermistor enthält, die so ange-Ordnet und bemessen sind, daß sich der Phasenwinkel des Scheinleitwertes der Kompensationsschaltung in Abhängigkeit von Temperaturschwankungen in einem solchen Maße und Sinne ändert, daß die Frequenz .des Oszillators im wesentliehen konstant bleibt.

2. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsschaltung, die einen Kondensator in Reihe mit dem temperaturabhängigen Element enthält, parallel zu dem Kristall angeschlossen ist und daß das temperaturabhängige Element einen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes hat, der in seinem Richtungssinne dem Temperaturkoeffizienten der Frequenz des Kristalls über einen vorbestimmten Bereich der Arbeitstemperatur entgegengesetzt ist.

3. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsschaltung einen Kondensator enthält, der parallel zu dem temperaturabhängigen Element geschaltet ist, wobei die Schaltung in Reihe zu dem Kristall angeschlossen ist und das temperaturabhängige Element einen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes hat, der in einem vorbestimmten Bereich der Arbeitstemperaturen den gleichen Richtungssinn wie der Temperaturkoeffizient der Frequenz des Kristalls hat.

4. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsschaltung aus einer Drossel in Reihe mit dem temperaturabhängigen Element parallel zu dem Kristall angeschlossen ist, wobei das temperaturabhängige Element einen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes hat, der in einem vorbestimmten Bereich der Arbeitstemperaturen den gleichen Richtungssinn wie der Temperaturkoeffizient der Frequenz des Kristalls hat.

5. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsschaltung aus einer Drossel besteht, die parallel zu dem temperaturabhangigen Element angeschlossen ist, wobei die Schaltung in Reihe zu dem Kristall angeschlossen ist und das temperaturabhängige Element einen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes hat, dessen Richtungssinn.in einen vorbestimmten Bereich der Arbeitstemperaturen entgegengesetzt zu dem des Temperaturkoeffizienten der Frequenz des Kristalls ist.

6. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsschaltung einen Kondensator und eine Drossel enthält, jeweils in Kombination mit einem temperaturabhängigen Widerstandselement, wodurch die Schaltung in einem vorbestimmten Bereich der Arbeitstemperaturen einen positiven und negativen Temperaturkoeffizienten der Frequenz des Kristalls kompensiert.

7. Oszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das temperaturabhängige Widerstandselement einteilig mit dem Kristall ausgeführt ist.

8. Oszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Trägheit des temperaturabhängigen Widerstandselementes der thermischen Trägheit des Kristalls gleich ist.

9. Oszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das temperaturabhängige Element einen festen Widerstand aufweist, der in Reihe geschaltet ist.

10. Oszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein fester Widerstand parallel zu dem temperaturabhängigen Element geschaltet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 549 067.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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