JP5117823B2 - 恒温槽付高安定発振器 - Google Patents

Description

本発明は、ＳＣ−ＣＵＴ水晶振動子を用いた恒温槽付高安定発振器に係り、特に、起動時の安定度を向上させ、ハードウエア規模の増大を防止できる恒温槽付高安定発振器に関する。

ＳＣ−ＣＵＴ水晶振動子の周波数温度特性は、上に凸状を示すものである。
従って、ＳＣ−ＣＵＴ水晶振動子を用いた恒温槽付水晶発振器は、振動子の凸状の頂点で温度が安定となるように温度制御を行うものである。

しかしながら、恒温槽付水晶発振器の起動時は、頂点の周波数に比べて−１００〜−１５０ｐｐｍとなり、周波数偏差が大きくなってしまう。

そこで、起動時の安定度向上のために、恒温槽付水晶発振器に固定発振器を付加した場合は、起動後にタイマ手段によって切替時間を決定し、更に、切替時の位相飛びをなくすために、切替の位相検出手段が必要である。

尚、関連する先行技術として、特開昭５９−１９４５１９号公報（特許文献１）、特開２００４−６４４４５号公報（特許文献２）がある。

特許文献１には、温度補償水晶発振器（ＴＣＸＯ：Temperature Compensated Crystal Oscillator）と恒温槽付水晶発振器（ＯＣＸＯ：Oven Controlled Crystal Oscillator）とを並設し、起動時はＴＣＸＯの発振周波数を採用し、ＯＣＸＯが安定したらＯＣＸＯに切り替える基準周波数発生方式が示されている。

また、特許文献２には、ＴＣＸＯとＯＣＸＯを備え、両者の発振周波数を位相比較回路で比較して位相差の平均が周波数安定度の範囲内になれば、ＯＣＸＯのウォームアップが完了して、ＯＣＸＯの出力周波数をバッファで増幅して出力可能となる恒温槽付水晶発振器のウォームアップ制御方法が示されている。

特開昭５９−１９４５１９号公報 特開２００４−６４４４５号公報

しかしながら、上記従来の恒温槽付水晶発振器に固定発振器を付加した回路では、起動後に切替時間を決定するためのタイマ手段を設けたり、また、切替時の位相飛びをなくすために切替の位相検出手段が必要となり、起動時に安定度を向上させつつ、ハードウエア規模を抑えることができないという問題点があった。

本発明は上記実情に鑑みて為されたもので、起動時に安定度を向上させつつ、ハードウエア規模を抑えることができる恒温槽付高安定発振器を提供することを目的とする。

上記従来例の問題点を解決するための本発明は、恒温槽付水晶発振器と、恒温槽付水晶発振器からの発振周波数信号を入力し、水晶発振器と第１のインバータとを並列に接続して構成されるインバータ式水晶発振器と、恒温槽付水晶発振器からの発振周波数信号とインバータ式水晶発振器からの発振周波数信号を入力し、いずれかの発振周波数信号を選択するセレクタと、恒温槽付水晶発振器の発振周波数信号がインバータ式水晶発振器の発振周波数信号に同期するまでの間、前記インバータ式水晶発振器からの発振周波数信号を選択するよう前記セレクタに選択信号を出力し、恒温槽付水晶発振器の発振周波数信号がインバータ式水晶発振器の発振周波数信号に同期するようになると、恒温槽付水晶発振器からの発振周波数信号を選択するようセレクタに選択信号を出力する安定化手段とを有することを特徴とする恒温槽付高安定発振器。

本発明は、上記恒温槽付高安定発振器において、恒温槽付水晶発振器とインバータ式水晶発振器との間に、コンデンサと抵抗器を直列に接続したことを特徴とする。

本発明は、上記恒温槽付高安定発振器において、安定化手段が、恒温槽付水晶発振器からの発振周波数信号とインバータ式水晶発振器からの発振周波数信号を入力し、論理積を出力するアンドゲートと、アンドゲートからの出力を積分する積分器と、積分器からの出力信号と、恒温槽付水晶発振器の発振周波数信号がインバータ式水晶発振器の発振周波数信号に同期すると認められる場合の基準値と比較し、出力信号が基準値より高くて同期していない場合はインバータ式水晶発振器からの発振周波数信号を選択する選択信号を出力し、出力信号が基準値より低くて同期している場合は恒温槽付水晶発振器からの発振周波数信号を選択する選択信号を出力する比較器とを有することを特徴とする。

本発明は、上記恒温槽付高安定発振器において、恒温槽付水晶発振器の発振周波数信号がインバータ式水晶発振器の発振周波数信号に同期して、恒温槽付水晶発振器からの発振周波数信号が選択された後に、インバータ式水晶発振器からの発振周波数信号を選択しないように制御する安定化維持手段を設けたことを特徴とする。

本発明は、上記恒温槽付高安定発振器において、安定化維持手段が、比較器からの入力信号を反転出力する第２のインバータと、第２のインバータのからの入力をクロック端子に入力し、入力端子に電源が入力され、反転出力端子からの信号を第１のインバータに電源として供給し、反転出力端子からの信号がセレクタへの選択信号として出力するフリップフロップとを有することを特徴とする。

本発明によれば、安定化手段が、恒温槽付水晶発振器の発振周波数信号がインバータ式水晶発振器の発振周波数信号に同期するまでの間、インバータ式水晶発振器からの発振周波数信号を選択するようセレクタに選択信号を出力し、恒温槽付水晶発振器の発振周波数信号がインバータ式水晶発振器の発振周波数信号に同期するようになると、恒温槽付水晶発振器からの発振周波数信号を選択するようセレクタに選択信号を出力する恒温槽付高安定発振器としているので、起動時に安定度を向上させつつ、ハードウエア規模を抑えることができる効果がある。

本発明によれば、恒温槽付水晶発振器とインバータ式水晶発振器との間に、コンデンサと抵抗器を直列に接続した上記恒温槽付高安定発振器としているので、コンデンサと抵抗器の定数によって、インバータ式水晶発振器に対する干渉度を調整できる効果がある。

本発明によれば、安定化維持手段が、恒温槽付水晶発振器の発振周波数信号がインバータ式水晶発振器の発振周波数信号に同期して、恒温槽付水晶発振器からの発振周波数信号が選択された後に、インバータ式水晶発振器からの発振周波数信号を選択しないように制御する上記恒温槽付高安定発振器としているので、恒温槽付水晶発振器が安定化した後は、インバータ式水晶発振器の発振周波数信号を選択する状態に戻ってしまうのを防止できる効果がある。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
［実施の形態の概要］
本発明の実施の形態に係る恒温槽付高安定発振器は、ＯＣＸＯと、ＯＣＸＯからの発振周波数信号を入力し、水晶発振器と第１のインバータとを並列に接続して構成されるインバータ式水晶発振器と、ＯＣＸＯからの発振周波数信号とインバータ式水晶発振器からの発振周波数信号を入力し、いずれかを選択するセレクタと、ＯＣＸＯの発振周波数信号がインバータ式水晶発振器の発振周波数信号に同期するまでの間、インバータ式水晶発振器からの発振周波数信号を選択するようセレクタに選択信号を出力し、ＯＣＸＯの発振周波数信号がインバータ式水晶発振器の発振周波数信号に同期するようになると、ＯＣＸＯからの発振周波数信号を選択するようセレクタに選択信号を出力する安定化手段とを有するものであり、起動時に安定度を向上させつつ、ハードウエア規模を抑えることができるものである。

また、本発明の実施の形態に係る恒温槽付高安定発振器は、ＯＣＸＯの発振周波数信号がインバータ式水晶発振器の発振周波数信号に同期して、ＯＣＸＯからの発振周波数信号が選択された後に、インバータ式水晶発振器からの発振周波数信号を選択しないように制御する安定化維持手段を備えたものであり、ＯＣＸＯが一度安定化した後は、インバータ式水晶発振器の発振周波数信号を選択する状態に戻ってしまうのを防止できるものである。

［本発振器の構成：図１］
本発明の実施の形態に係る恒温槽付高安定発振器（本発振器）について図１を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る恒温槽付高安定発振器の構成ブロック図である。
本発振器は、図１に示すように、恒温槽水晶発振器（ＯＣＸＯ）１と、第１のバッファ２と、コンデンサ３と、抵抗器４と、インバータ式水晶発振器５と、第２のバッファ６と、アンドゲート７と、積分器８と、比較器（ＣＭＰ：Comparator）９と、セレクタ（ＳＥＬ：Selector）１０と、出力端子１１とを基本的に有している。
ここで、アンドゲート７、積分器８、比較器９は、ＯＣＸＯ１の安定化検出手段となっている。

［本発振器の各部］
本発振器の各部について具体的に説明する。
恒温槽水晶発振器（ＯＣＸＯ）１は、水晶発振回路を恒温槽に挿入することにより、高安定化を図った発振器である。ＯＣＸＯ１から出力された発振周波数信号は分岐されて、第１のバッファ２、コンデンサ３、アンドゲート７の一端に入力される。

第１のバッファ２は、ＯＣＸＯ１からの信号を増幅してセレクタ１０の一方の入力端子に出力する。
コンデンサ３及び抵抗器４は、ＯＣＸＯ１とインバータ式水晶発振器５との間に直列に接続され、コンデンサ３と抵抗器４の定数によって、インバータ式水晶発振器５に対する干渉度を調整する。当然、振幅が大きいほど、同期範囲は３〜５ｐｐｍ程度に広がるが、ジッタ（信号エッジのゆらぎ成分）が増大するので、適宜定数を決定する。

インバータ式水晶発振器５は、固定の水晶発振器５ａと、入力信号の位相を反転させるインバータ５ｂとが並列に接続され、その両端にコンデンサ５ｃとコンデンサ５ｄの一端が接続され、これらコンデンサの他端が接地されるようにして構成される。

インバータ式水晶発振器５は、インバータ５ｂの出力を、水晶発振器５ａを通してインバータ５ｂの入力に戻すことにより、水晶発振器５ａの固有周波数で安定した動作を行わせるものである。
尚、インバータ式水晶発振器５は、インバータ５ｂにより出力が反転出力となる。

第２のバッファ６は、インバータ式水晶発振器５からの出力を増幅し、分岐して一方をセレクタ１０に、他方をアンドゲート７に出力する。
アンドゲート７は、第２のバッファ６からの信号とＯＣＸＯ１からの信号について論理積を出力する。
積分器８は、アンドゲート７からの出力を一定時間積分して比較器９に出力する。

比較器（ＣＭＰ）９は、積分器８での積分信号を基準値と比較し、基準値より高い（High）レベルの場合は、Ｈ（High）レベル信号を出力し、基準値より低い（Low）レベルの場合は、Ｌ（Low）レベル信号を出力する。

基準値は、ＯＣＸＯ１とインバータ式水晶発振器５の出力について同期がとれていない場合は誤差が多くなるため積分値が高くなり、同期がとれている場合は誤差が少なくなるため積分値が低くなることから、同期がとれるようになった場合の積分値の値が設定される。

つまり、比較器８からの出力信号がＨレベルであるときは、同期がとれていない状態であり、比較器８からの出力信号がＬレベルであって基準信号より低いレベルであるときは、同期がとれている状態である。

セレクタ（ＳＥＬ）１０は、第１のバッファ２からの出力と第２のバッファ６からの出力を比較器９からの信号（選択信号）によって選択し、出力端子１１に出力する。
具体的には、比較器９からのＨレベル信号（同期がとれていない）の場合、インバータ式水晶発振器５からの信号を第２のバッファ６で増幅した信号が選択されて出力端子１１に出力される。また、比較器９からのＬレベル信号（同期がとれている）の場合、ＯＣＸＯ１からの信号を第１のバッファ２で増幅した信号が選択されて出力端子１１に出力される。

［本発振器の動作］
次に、本発振器の動作を説明する。
本発振器は、ＯＣＸＯ１の起動時は、ＯＣＸＯ１とインバータ式水晶発振器５とが同期がとれていない場合となり、安定化検出手段である、アンドゲート７での差分が大きくなり、積分器８での積分値が高くなって、比較器９で基準値より高い場合、Ｈレベル信号をセレクタ１０に出力する。
セレクタ１０は、比較器９からのＨレベル信号により、第２のバッファ６からの周波数信号（インバータ式水晶発振器５の発振周波数信号を増幅した信号）を選択して出力端子１１に出力する。

そして、ＯＣＸＯ１とインバータ式水晶発振器５とが同期がとれるようになると、アンドゲート７での差分が小さくなり、積分器８での積分値が低くなって、比較器９で基準値より低い場合、Ｌレベル信号をセレクタ１０に出力する。
セレクタ１０は、比較器９からのＬレベル信号により、第１のバッファ２からの周波数信号（ＯＣＸＯ１の発振周波数を増幅した信号）を選択して出力端子１１に出力する。

尚、インバータ式水晶発振器５をＯＣＸＯ１内のＳＣ−ＣＵＴ水晶振動子付近に実装すれば、インバータ式水晶発振器５の温度環境が安定となって、起動時に更に安定度向上を見込むことができる。

［同期時のタイムチャート：図２］
ＯＣＸＯ１の発振周波数とインバータ式水晶発振器５の発振周波数が同期している場合におけるアンドゲートの出力信号の状態を図２に示す。図２は、アンドゲートにおける２つの入力信号と出力信号を示すタイムチャートである。

本発振器において同期がとれている場合には、図２に示すように、ＯＣＸＯ１からの入力信号１０１と第２のバッファ６からの出力信号（反転出力）１０２とは対称的に波形となっており、両信号の論理積信号１０３は、両信号の立ち上がり及び立ち下がりにおいて垂直方向に信号が立つように表れ、この論理積信号を積分器８で積分すると、基準値より低いレベル（Ｌレベル）の信号が比較器９に出力される。

そして、比較器９では、Ｌレベル信号が基準値より低いため、セレクタ１０に対してＬレベル信号を出力する。
セレクタ１０は、比較器９からのＬレベル信号によって第１のバッファ２からの周波数信号を選択して出力端子１１に出力するようになっている。

［本発振器の効果］
本発振器によれば、ＯＣＸＯ１の起動時にインバータ式水晶発振器５の発振周波数に同期していない場合には、アンドゲート７、積分器８、比較器９の安定化手段がセレクタ１０に対してインバータ式水晶発振器５の発振周波数を選択するよう指示し、ＯＣＸＯ１が安定化してインバータ式水晶発振器５の発振周波数に同期するようになった場合には、安定化手段がセレクタ１０に対してＯＣＸＯ１の発振周波数を選択するよう指示するようになっているので、起動時に安定度を向上させつつ、タイマ手段や切替時の位相飛びをなくすための位相検出手段を不要として、ハードウエア規模を抑えることができる効果がある。

［応用例：図３］
次に、本発振器の応用例について図３を参照しながら説明する。図３は、本発振器の応用例の構成ブロック図である。
応用例の発振器は、図３に示すように、図１の本発振器に対してＯＣＸＯ１の恒温槽の温度が下がっても、ＯＣＸＯ１の発振周波数を選択し続け、インバータ式水晶発振器５の発振周波数に切り替わってしまうのを防止する安定化維持手段を設けている。

安定化維持手段は、電源Ｖcc１２と、当該電源１２に直列に接続する抵抗１３と、抵抗１３に並列に接続するコンデンサ１４と、フリップフロップ（Ｆ／Ｆ）１５と、インバータ１６とを有している。

電源１２が直列接続の抵抗１３と並列接続のコンデンサ１４を介して、フリップフロップ１５の入力端子Ｄ及びクリア端子ＣＬＲに入力される。
フリップフロップ１５のクロック端子ＣＫには比較器９の出力を反転するインバータ１６が接続されている。
そして、フリップフロップ１５の反転出力（反転Ｑ）端子がセレクタ１０、インバータ５ｂ、第２のバッファ６に接続している。

［応用例の動作］
フリップフロップ１５は、電源１２の立ち上がりに対して抵抗１３とコンデンサ１４の作用によって数ｍｓ遅れて立ち上がるようになっている。
本発振器で説明した通り、ＯＣＸＯ１の起動時は、積分器８からの出力はＨレベルとなるため、比較器９はＨレベル信号を出力する。よって、インバータ１６は、そのＨレベルの信号を反転してＬレベル信号をフリップフロップ１５のクロック端子ＣＫに出力する。

フリップフロップ１５のクロック端子ＣＫに入力される信号がＬレベル信号であるため、出力（Ｑ）端子はＬ（Low）レベル信号を出力して、反転Ｑ端子はＨ（High）レベル信号を出力する。

フリップフロップ１５の反転Ｑ端子からの出力（Ｈレベル信号）がセレクタ１０、インバータ５ｂ、第２のバッファ６に入力され、インバータ５ｂ、第２のバッファ６は当該Ｈレベル信号を電源供給として動作し、セレクタ１０はインバータ式水晶発振器５の発振周波数を選択するようになっている。

そして、ＯＣＸＯ１が安定化してインバータ式水晶発振器５の発振周波数に同期するようになると、積分器８からの出力はＬレベルとなるため、比較器９はＬレベル信号を出力する。よって、インバータ１６は、そのＬレベルの信号を反転してＨレベル信号をフリップフロップ１５のクロック端子ＣＫに出力する。

フリップフロップ１５のクロック端子ＣＫに入力される信号がＨレベル信号であるため、出力端子はＨレベル信号を出力して、反転Ｑ端子はＬレベル信号を出力する。

フリップフロップ１５の反転Ｑ端子からの出力（Ｌレベル信号）がセレクタ１０、インバータ５ｂ、第２のバッファ６に入力され、インバータ５ｂ、第２のバッファ６は当該Ｌレベル信号により電源供給が停止されて動作停止し、セレクタ１０はＯＣＸＯ１の発振周波数を選択するようになる。

その後、ＯＣＸＯ１の発振周波数の状態に拘わらず、インバータ５ｂと第２のバッファ６を停止しているので、積分器８からの出力信号はＬレベルのままであり、従って、フリップフロップ１５の反転Ｑ端子からはＬレベル信号が出力され続けて、セレクタ１０はＯＣＸＯ１の発振周波数を選択した状態を継続する。
これにより、一度、ＯＣＸＯ１が安定化した後は、インバータ式水晶発振器５の発振周波数を選択する状態に戻ってしまうのを防止するものである。

本発明は、起動時に安定度を向上させつつ、ハードウエア規模を抑えることができる恒温槽付高安定発振器に好適である。

本発明の実施の形態に係る恒温槽付高安定発振器の構成ブロック図である。 アンドゲートにおける２つの入力信号と出力信号を示すタイムチャートである。 本発振器の応用例の構成ブロック図である。

符号の説明

１…恒温槽水晶発振器（ＯＣＸＯ）、 ２…第１のバッファ、 ３…コンデンサ、 ４…抵抗器、 ５…インバータ式水晶発振器、 ６…第２のバッファ、 ７…アンドゲート、 ８…積分器、 ９…比較器（ＣＭＰ）、 １０…セレクタ（ＳＥＬ）、 １１…出力端子、 １２…電源、 １３…抵抗、 １４…コンデンサ、 １５…フリップフロップ、 １６…インバータ

Claims (5)

1. 恒温槽付水晶発振器と、前記恒温槽付水晶発振器からの発振周波数信号を入力し、水晶発振器と第１のインバータとを並列に接続して構成されるインバータ式水晶発振器と、前記恒温槽付水晶発振器からの発振周波数信号と前記インバータ式水晶発振器からの発振周波数信号を入力し、いずれかの発振周波数信号を選択するセレクタと、
   前記恒温槽付水晶発振器の発振周波数信号が前記インバータ式水晶発振器の発振周波数信号に同期するまでの間、前記インバータ式水晶発振器からの発振周波数信号を選択するよう前記セレクタに選択信号を出力し、前記恒温槽付水晶発振器の発振周波数信号が前記インバータ式水晶発振器の発振周波数信号に同期するようになると、前記恒温槽付水晶発振器からの発振周波数信号を選択するよう前記セレクタに選択信号を出力する安定化手段とを有することを特徴とする恒温槽付高安定発振器。
2. 恒温槽付水晶発振器とインバータ式水晶発振器との間に、コンデンサと抵抗を直列に接続したことを特徴とする請求項１記載の恒温槽付高安定発振器。
3. 安定化手段は、
   恒温槽付水晶発振器からの発振周波数信号とインバータ式水晶発振器からの発振周波数信号を入力し、論理積を出力するアンドゲートと、
   前記アンドゲートからの出力を積分する積分器と、
   前記積分器からの出力信号と、前記恒温槽付水晶発振器の発振周波数信号が前記インバータ式水晶発振器の発振周波数信号に同期すると認められる場合の基準値と比較し、前記出力信号が前記基準値より高くて同期していない場合は前記インバータ式水晶発振器からの発振周波数信号を選択する選択信号を出力し、前記出力信号が前記基準値より低くて同期している場合は前記恒温槽付水晶発振器からの発振周波数信号を選択する選択信号を出力する比較器とを有することを特徴とする請求項１又は２記載の恒温槽付高安定発振器。
4. 恒温槽付水晶発振器の発振周波数信号がインバータ式水晶発振器の発振周波数信号に同期して、前記恒温槽付水晶発振器からの発振周波数信号が選択された後に、前記インバータ式水晶発振器からの発振周波数信号を選択しないように制御する安定化維持手段を設けたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の恒温槽付高安定発振器。
5. 安定化維持手段は、
   比較器からの入力信号を反転出力する第２のインバータと、
   前記第２のインバータのからの入力をクロック端子に入力し、入力端子に電源が入力され、反転出力端子からの信号を第１のインバータに電源として供給し、前記反転出力端子からの信号がセレクタへの選択信号として出力するフリップフロップとを有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の恒温槽付高安定発振器。

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