JPH01208905A - マイクロコンピュータ制御による温度補償水晶発振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明ｔま温度補償水晶発振器に関し、より詳細にはマ
イクロコンピュータ制御による低価格で周波数高安定な
温度補償水晶発振器に関する。

［従来技術の説明］ 水晶発振素子は安定な周波数基準源として電子通信、測
定、その他電了技術応用の分野で広く使用されている。

水晶発振素子は１つの周波数の基本共振特性を有し、通
常、その基本共振周波数の正数倍あるいは正数分の１の
周波数が、その水晶発振素子に関連して設けた共振回路
から発生され、使用装置に供される。

氷晶発振素子のこの様な固有の基本発振周波数は、温度
依存性が極めて大である。即ち、常温の摂氏２０度の湿
度雰囲気で特定の公称発振周波数を有していたとしても
、その温度が上下すれば、それに伴って発振周波数は大
幅に変化してしまう。

従って、水晶発振器として温度対周波数変化が小さい素
子が選択されるか、あるいは何等かの温度補償を行わな
ければ、高度化された電子技術への適用に対処できない
。従来、このような温度補償の方法として、一定の温度
雰囲気内に水晶発振素子を収容する目的で恒温そうを用
いるものがある。

この方法は価格面、スペースの面で不利であるばかりか
、それを維持するランニングコストを無視すること番ま
できない。ｒＴｃＸＯＪと称せられる温度補償水晶発振
器が市販されている。これは特定の温度周波数特性を備
えた水晶発振素子と共にその温度周波数特性を補償する
温度検出器・温度補償素子を使用するが、これに使用で
きる水晶発振素子の選択が、温度検出器・温度補償素子
の温度補ｔａ特竹に依存してしまうために、水晶発振素
子の！ＦＪ造の歩どまりがわるく、このためＴＣＸＯは
極めて高価格のものとなってしまう。

水晶発振素子の製造にあって、所定の温度・発振周波数
特性を得ることは極めて困難である。即ち、同一ロット
で製造した水晶発振素子であってら、各々の湿度周波数
特性は広くばらついてしまう。従って、特定の温度・発
振周波数特性の水晶発振素子だけを選別して使用すると
なれば、選別から外れた他の素子は放棄せざるをえず、
いきおい選別した素子自体は高価格となってしまう。

第１図は温度検出器としてサーミスタ２２を用いる従来
の温度補償水晶発振器２６の一例である。

図で、１０はバイアス抵抗１１を備えた反転増幅器、１
２は水晶発振素子、１４及び１６はコンデンサ（１４は
水晶発振器２６の所望の出力周波数と水晶発振素子１２
の実際の発振周波数のズレを修正するためのトリマ・コ
ンデンサである）で、従来周知の５ａｂａｒｏｆｆ’形
発振回路を形成する。１８はバッファの機能及び出力２
０に適切な論理レベル（例えば、ＴＴＩ−またはＨＣＭ
ＯＳレベル）を設定させる機能を与える反転増幅器であ
る。サーミスタ２２とコンデンサ２４とからなる直列イ
ンピーダンス回路が、例えば、コンデンサ１４と並列に
接続されている。この回路は周囲温度の変化により、水
晶発振素子１２の発振周波数の変化を補償するように識
く。例えば、周囲温度が上昇すれば、サーミスタの抵抗
値が下がり、直列インピーダンス回路の容量分が多くな
る。

このような従来の温度補償方法では、サーミスタの温度
特性のバラツキが犬であるため、特定の。

水晶発振素子の温度・発振周波数特性とサーミスタの渇
１食特性が一致したものを選択することが極めて厄介で
、大変な作業となる。更に、特定の水晶発振素子に対し
て、補償のために好ましい温度特性を右するサーミスタ
が選択されたとしても、その補ｔｎ渇爪範囲は狭く、広
い温ｒｆｉ範囲にわたって補償を適用させることは困難
である。また、より高精度の補償を必要とするならば、
発振器の他の構成素子も周囲温度により、定数が変化し
てしまうため、発振器全体に関する温度特性に対してサ
ーミスタを選択する必要が生じる。

［発明が解決しようとする課題１ 本発明は、種々の温度周波数特性を有する水晶発振素子
対して適切な温度補償を与えることによって、低価格の
温度補償水晶発振器を与えることを目的と１′る。

本発明の別の目的は、広範囲の温度補償を与えることが
できる渇疫補ｔａ水晶発振器を提供することにある。

Ｕ課題をＷ？決するための手段１ 本発明は、上記目的を達成するために、水晶発振器素子
を多数の温度・発振周波数特性に基ずいて分類し、それ
ぞれの分類の温度・発振周波数特性の水晶発振素子によ
り構成される電圧制御水晶発ｆｆ１Ｆｔ　（ＶＸＯ）に
対して、マイクロコンピュータによりその分類の温度・
発振周波数特例に相補的な補償υｌｌｌ１電圧カーブに
沿った、測定した温度での補償料ａ電圧値を与えるよう
にした、マイクロコンピュータ制御による周波数高安定
温度補償発振器を与える。

［作用〕 マイクロコンピュータは、上記補償料ｔＩｆＪ電圧カー
ブをＶＸＯの分類された温度・発振周波数特性の数だけ
ＲＯＭにプログラムして有している。検出された周囲温
度のデータがマイクロコンピュータに与えられ、決定さ
れた分類のＶＸＯの温度・発振周波数特性に対して選択
された補償制御電圧カーブの、測定された温度に対応す
る電圧値がＶＸＯの司変容第ダイオード（バリキルツブ
）に４度補償のために与えられる。

［実施例］ 第２図は、第１図の従来の温度補償水晶発振器の上述し
た欠点を解消する本発明のマイクロコンピュータ制御に
よる周波数高安定温度補償発振器の一実施例の回路を示
す。２６は、基本的には、電圧可変容量ダイオード（バ
リキャップＶＣ）２８を含む第１図に示した電圧制御水
臭発振器（ＶＸＯ）である。この電圧可変容量ダイオー
ド２８のカソードに与える温度補［ｆ圧により、コンデ
ンサ２４及び電圧可変容量ダイオードの直列容Φ並びに
それと並列のトリマコンデンサの容量の合成容量を変化
させて水晶発振素子１２の温度補償を行う。上述したよ
うに、ＶＸＯ２６の水晶発振素子１２以外の他の回路要
素も多少ではあるが周囲温度により常数を変化してしま
う。従って、電圧可変容量ダイオードに与えられる補償
電圧はＶＸＯ２６の全体の温度特性を補償するデータで
ある。

第３図は、ＶＸＯ２６の温度・出力周波数特性の典型的
な例を示す。この様な特性を作る主たる原因は水晶発振
素子１２の温度・発振周波数特性のためである。水晶発
振素子１２の湿度・発振周波数特性は、−船釣に、常ｍ
（＋２０’）での公称発掘周波数（ｆ’ｏ）から温度が
上昇すれば、発振周波数がｆＯより低下し、更に温度が
上昇しである温度以上になると発振周波数はｆＯより増
大する。また、常温から温度が低下すれば、逆に公称発
成周波数（ｆＯ）よりも増大し、ある温度点を越えて温
度が下がればｆＯよりも低下する。第３図は常温より上
の温度のＨ湯側での３つの特性カーブＡ、Ｂ、Ｃと常温
より下の低温側での３つの特性カーブ八−１Ｂ−１Ｃ′
とを示す。

第４図は第３図に示す■ｘＯ回路２６の各々の温度特性
を補償してほぼフラットな温度・出力発振周波数特性を
与えるために、バリキャップ２８に印加するための相補
的な補償電圧の電圧波形を示す。第３図の高温側での各
々の特性Ａ、Ｂ、Ｃに対してｔよ、第４図の高温側での
補償電圧カーブＡ、Ｂ、Ｃがそれぞれ対応し、第３図の
低温側での各々の特性Ａ−１Ｂ−１Ｃ＝に対しては、第
４図の低温側での補償電圧カーブＡ′、Ｂ−１Ｃ′がそ
れぞれ対応する。

このような補償電圧のデータを与えるために、本発明に
おいては、マイクロコンピュータ（ＣＰＵ）３０が使用
される。ＣＰｔＪ３０は、それとインターフェイスした
電源部分３１、周囲温度検出部分３２、データ入力部分
３４、デジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）変換部分３６を有
している。電源部分３１は入力電圧端子３８と電圧レギ
ュレータ４０とからなる。図において、しｒル−タ４０
からの電圧はＣＰＵ３０、温度検出部分３２、Ｄ／八へ
換部分３６に与えられる。周囲温度検出部分３２は固定
抵抗４４と直列に接続した可変抵抗４２及びサーミスタ
のような温度応答素子４６からなる。サーミスタは周知
のように周囲温度が増大すればそれに応じて抵抗値が減
少する。従って、ｃｐｕａｏのＡ／Ｄ入ｈＱ子は、この
端子が抵抗４２．４４とサーミスタ４６とによって分割
された電源電圧を受けるために、周囲温度によって変化
する電圧を受ける。周囲温度検出部分３２は周囲温度に
よって変化する電圧をＣＰＵ３０のＡ／Ｄ変換入力に与
える任意の構成のものであってもよい。実際の周囲温度
とＡ／Ｄ変換入力値をＣＰＵ３０の内部において対応さ
せると、周囲温度検出部分３２とＣＰＬＪ３０のＡ／Ｄ
変換器部分は温度計となる。可変抵抗４２はサーミスタ
及び電源電圧のバラツキを補正して常温でのＡ／Ｄ入力
電圧を一定にするように働く。このＡ／Ｄ入力電圧のデ
ータと周囲温度との対比データはＣＰＵ３０のＲＯＭ部
分にプログラムされる。従って、ＣＰＵ３０はＡ／Ｄ変
換入力を介して周囲温度検出部分３２から測定温度デー
タを受けるとＲＯＭの記憶参照データと対比して、実際
の周囲温度ヶ表すデータを内部的に発生する。

本発明の好適実施例によれば、ＣＰＵ３０のためのデー
タ入力部分３４の４ビット人力Ｃ及び４ビット人力りは
第４図に示されたような補償電圧カーブを選択するため
に使用される。ＣＰＬＩ３０のＲＯＭ部分は第４図に示
されるような補償電圧゛カーブを低温側及び高温側でそ
れぞれ１６種類右している。低温側及び高温側のそれぞ
れ１６種類の補ｔｅ（電圧カーブは、第３図のＶＸＯｌ
路２６の高温側の温度特性及び低温側の温度特性のそれ
ぞれ１６秤類の分類を与える。第３図では、図面の簡略
化のため、低温側及び高温側でそれぞれ３種類の分類の
みを示している。これら分類のそれぞれは水晶発振素子
１２の温度特性の高温側及び低温側（・のそれぞれのバ
ラツキを１６に分けたものに引当する。■ＸＯ回路の高
温側での温度特性及び低温側での温度特性の分類を１６
種類（４ピットで選択できる）、ＩＰＰＭ（ＩＸＩＯ）
にすると、高温側で１６ＰＰＭ、低温側で１６ＰＰＭの
温度補（α荀囲が可能となる。１６ＰＰＭの幅があれば
、水晶発振素子の歩止まりが良くなり、大半の水晶発振
素子は使用可能となる。使用されるべき１つの水晶発揚
素子について見れば、低温側で１６のうちの１つの分類
の特性に、高温側で１６のうちの１つの分類の特性に、
つまり全体的には２５６通りのうちの１つの分類の特性
に選択ゼしめられる。上述したように、この補償料［ｆ
圧はｖＸＯ回路２６のバリキャップ２８、水晶発振素子
１２、コンデンサ１４．１６．２４を含む構成素子の温
度特性をも補償しているデータとなる。この制御電圧の
データは高温側１６種類、低温側１６種類に分けてＣＰ
ＵのＲＯＭ部分にプログラムされる。関連したＶｘＯ回
路２６の温度・発振周波数特性に対する、ＣＰＵ３０の
ＲＯＭ部分に記憶されている補償制御電圧分類の選択は
データ入力部分３４の低温側４ビット人力Ｃ及び高温側
４ビット人力りによって行われる。これらへ゛の入力は
それぞれのビット入力ラインを接地するかあるいはある
電圧ラインに接続することによって簡単になされつる。

周囲温度検出部分３２からの測定温度データに対応して
発生されたＣＰＵ・３０の内部の周囲温度データは、上
述のようにして選択された補償電圧カーブ上のこの測定
された周囲温度に対応する補償電圧値を［）／Ａ変換部
分３６のインターフェースに８ビツトデータで出力し、
Ｄ／Ａ変換部分３６はこれをアナログ値で出力し、イン
ピーダンス整合抵抗４８を介してＶＸＯ２６のバリキャ
ップ２８のカソードに与える。周囲温度が刻々変化すれ
ば、補償電圧カーブ上のそれら変化した温度に対応する
電圧値が刻々アナログ変換されてバリキャップ２８に与
えられる。

上述したように、通常市販されている温度補償水晶発振
器（ＴＣＸＯ）は急激な周囲温度の変化に対処すること
はできない。これは温度検出器（または温度補償素子）
と水晶発振素子との対温度変化に時間的なズレがあるた
めに起こる。第２図の実施例において、周囲温度検出部
分３２のサーミスタのような温度応答素子４６の対温度
変化の応答時間とＶＸＯ回路２６の水晶発振素子１２の
対温度変化の応答時間を実験値で求めることによって補
正時間がＣＰＵ３０のＲＯＭにプログラムされる。仮に
周囲温度が突然２０°から５０゜まで変化したとすると
、通常のＴＣＸＯの温度補償素子はこの突然の温度変化
に水晶発振素子よりも早く応答してしまい、従って過渡
期間の間では過度の補償が与えられてしまう結果となる
。好適実施例においては、補正期間〈遅延時間）を設定
することにより、急激な周囲温度の変化にも追従し、過
度の補償は行わない。

データ入力部分３４の４ビツト入力八は、温度検出部分
３２の温度検出素子４６が変わった場合（例えば、納期
トラブル等による集子の変更）何種類かの素子で実験値
を得て、それをＣＰＵにプログラムして選択するために
使用される。従って、４ビット人力Ａは１６種類の温度
検出素子の選択を与える。その結果、部品の安定供給が
可能となり、生産が安定する。

データ入力部分３４の４ビツト入力Ｂは、Ｆ述したよう
に、温度検出素子４６が変わった場合に、当然これによ
りＣＰ　Ｕ　３０のＲＯＭ内にプログラムされている水
晶発振素子１２の対温度変化の応答時間のに対する遅延
時間にズレが生じ、このズレを１６種類に分類してＣＰ
Ｕにプログラムしておき、使用する温度検出素子によっ
て選択する。

本発明の好適実施例において使用されたＣＰＵ３０は富
士通株式会社装造に係わるＭＢ８８５１１形の０ＭＯ３
・４ピツｉ〜・ワンチップ・マイクロコンピュータであ
った。これは４に×８マスクＲＯＭと、８ビット分解能
の逐次比較型Ａ／Ｄ変換器を内蔵している。

［発明の効果１ 本発明は、以上説明したように構成されているので、以
下に記載されるような効果を奏する。

本発明のマイクロコンピュータ制御による周波数高安定
渇麿補償発振器は、全て通常の部品で構成され、何ら特
殊な部品を使用せずに高精度の出力発振周波数を与える
ことが可能である。

ＣＰＵにプログラムすべき補償電圧カーブを実験的に得
る際に、？：Ｓ温側、低温側それぞれ独立し、互いに他
方に影響を与えないで最適値を選ぶことかぐきる。

温度検出器４６として、種々のものを採用して使用する
ことが可能である。

水晶発振素子の使用範囲が広がり、歩止まりが良くなっ
て通常のＴ　ＣＸ　Ｏより低コストで製造可能である。

出力周波数が高精度になればなるほど、従来のＴＣＸＯ
とのコスト差が大となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の典型的な温度補償水晶発振器の回路図、
第２図は本発明の好適実施例のマイクロコンピュータ制
御による温度補償水晶発振器の回路図、第３図は常温に
関して低温側及び高温側での水晶発振素子のそれぞれ３
種類の温度・発振周波数特性のグラフ図、第４図は第３
図の特性の水晶発振素子の温度特性を補償するために本
発明により与える補償用制御電圧カーブを示すグラフ図
である。 ２８・・・可変容量ダイオード（バリキャップ）、３０
・・・マイクロコンピュータ（ＣＰＵ）、３２・・・周
囲温度検出部分、３４・・・データ入力部分、３６・・
・Ｄ／Ａ変換部分 特許出願人　　株式会社ゼネラル　リサーチＡブ　エレ
ク１〜ロニツクス 代理人　　　　弁理士　　永１）酸三部図面の浄δ（内
容に変更なし） 第１図 手続補正帯 昭和６３年３月／ぐ日

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）水晶発振素子の湿度・発振周波数特性を補償して
   温度に対してほぼフラットな特性とするための相補的な
   対温度補償電圧カーブをマイクロコンピュータにプログ
   ラムしており、検出された周囲温度に従って、上記対温
   度補償電圧カーブ上の検出温度点に対応する補償電圧値
   を水晶発振素子の温度補償のために与えられるようにし
   たことを特徴とするマイクロコンピュータ制御による温
   度補償水晶発振器。
2. （２）上記対温度補償電圧カーブを複数設け、温度補償
   すべき水晶発振素子に応じて上記対温度補償電圧カーブ
   を選択的に使用するようにしたことを特徴とする請求項
   １記載のマイクロコンピュータ制御による温度補償水晶
   発振器。
3. （３）上記対温度補償電圧カーブは常温に関して高温側
   の複数のカーブと低温側の複数のカーブとからなり、温
   度補償すべき水晶発振素子に応じて上記高温側のカーブ
   と低温側のカーブとを選択的に使用することを特徴とす
   る請求項２記載のマイクロコンピュータ制御による温度
   補償水晶発振器。
4. （４）周囲湿度をその温度に応じた電圧値で検出する手
   段を設け、その電圧値に対応する湿度値を与えるプログ
   ラムが上記マイクロコンピュータに含まれていることを
   特徴とする請求項１、２または３記載のマイクロコンピ
   ュータ制御による温度補償水晶発振器。
5. （５）上記周囲温度検出手段の温度検出特性のプログラ
   ムを複数有しており、使用される周囲温度検出手段に応
   じて選択されるようになつたことを特徴とする請求項４
   記載のマイクロコンピュータ制御による温度補償水晶発
   振器。