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JP5213845B2 - Temperature compensated crystal oscillator - Google Patents
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  • Oscillators With Electromechanical Resonators (AREA)

Description

本発明は、温度検出器の検出値に基づいて温度補償がされた水晶発振器に関する。   The present invention relates to a crystal oscillator in which temperature compensation is performed based on a detection value of a temperature detector.

水晶発振回路は、その発振精度が比較的高いことから携帯電話などの多くの電子機器に搭載されている。しかし、水晶振動子はその周囲の温度が変化すると、その温度変化に応じてその発振周波数が変動してしまう、いわゆる周波数温度特性を有している。この周波数温度特性は、水晶振動子を構成する水晶片の切断角度や厚さなどのばらつきにより水晶振動子ごとに異なっている。図4の実線のグラフは温度補償されていないATカットされた水晶片からなる水晶振動子の周波数温度特性の一例を示したものである。目標とする発振周波数をf、ある温度における周波数(f’)とfとの偏差分をΔfとすると、グラフの縦軸はΔf/fであり、横軸はその水晶振動子の周囲温度Tを夫々示している。この周波数偏差Δf/fは、下記の周囲温度Tの3次関数である(1)式として近似されることが知られている。
Δf/f=α(T−T0)3+β(T−T0)+γ・・・(1)
0は水晶発振器を設計するときの基準温度であり、例えば29℃とされる。この基準温度は29℃に限られるものではない。従ってT0におけるΔf/fは0であるから、T0は(1)式で表される3次関数の変曲点となる。α、β、γは水晶片固有の定数である。
Crystal oscillation circuits are mounted on many electronic devices such as mobile phones because of their relatively high oscillation accuracy. However, the crystal resonator has a so-called frequency temperature characteristic in which the oscillation frequency fluctuates according to the temperature change when the ambient temperature changes. This frequency-temperature characteristic differs for each crystal resonator due to variations in the cutting angle and thickness of the crystal pieces constituting the crystal resonator. The solid line graph in FIG. 4 shows an example of the frequency-temperature characteristics of a crystal resonator made of an AT-cut crystal piece that is not temperature compensated. Assuming that the target oscillation frequency is f and the deviation between the frequency (f ′) and f at a certain temperature is Δf, the vertical axis of the graph is Δf / f, and the horizontal axis is the ambient temperature T of the crystal resonator. Each shows. This frequency deviation Δf / f is known to be approximated as the following equation (1) that is a cubic function of the ambient temperature T.
Δf / f = α (T−T 0 ) 3 + β (T−T 0 ) + γ (1)
T 0 is a reference temperature when designing the crystal oscillator, and is set to 29 ° C., for example. This reference temperature is not limited to 29 ° C. Since Delta] f / f in T 0 is therefore 0, T 0 is the inflection point of the cubic function represented by equation (1). α, β, and γ are constants specific to the crystal piece.

周波数温度特性の影響を補償する機能を備えた温度補償水晶発振器(以下、TCXOと記載する)は、水晶振動子が図4中実線で示される周波数温度特性を有する場合に、当該周波数温度特性とは逆の点線で示す周波数温度特性を制御電圧側で持たせるように構成したものである。即ち水晶振動子に印加される制御電圧と水晶振動子の発振周波数とは図5に示すように比例関係にあるので、図6に示すように温度がT0からずれたT1であることにより周波数がΔfだけずれる。そこで温度がT0から例えば高くなるとすると、温度T0のときに水晶振動子が設定周波数となる制御電圧V0をΔfに相当するΔVだけ大きくするように温度補償を行う。具体的には基準温度T0において目標とする発振周波数が得られる制御電圧をV0、Vを補償電圧とするとΔf/f=V/V0であるから、V/V0は(1)式の右辺となり、従ってVは(2)式で表される。
=V0{α(T−T0)3+β(T−T0)+γ}
=α'(T−T0)3+β'(T−T0)+γ'・・・(2)
α’=V0・α、 β’=V0・β、 γ’=V0・γである。α、β、γは恒温槽内にTCXOを設置し、恒温槽内の温度を種々変えて周波数を計測することによって求められる。
A temperature-compensated crystal oscillator (hereinafter referred to as TCXO) having a function for compensating for the influence of the frequency-temperature characteristic is obtained when the crystal resonator has a frequency-temperature characteristic indicated by a solid line in FIG. Is configured to have a frequency temperature characteristic indicated by a reverse dotted line on the control voltage side. That is, since the control voltage applied to the crystal resonator and the oscillation frequency of the crystal resonator are in a proportional relationship as shown in FIG. 5, the temperature is T 1 shifted from T 0 as shown in FIG. The frequency is shifted by Δf. Therefore, if the temperature is increased from T 0 , for example, temperature compensation is performed so that the control voltage V 0 at which the crystal resonator has a set frequency at the temperature T 0 is increased by ΔV corresponding to Δf. Specifically, assuming that the control voltage for obtaining the target oscillation frequency at the reference temperature T 0 is V 0 and V C is the compensation voltage, Δf / f = V C / V 0 , so V C / V 0 is ( 1) becomes the right side of the equation, thus V C is expressed by equation (2).
V C = V 0 {α (T−T 0 ) 3 + β (T−T 0 ) + γ}
= Α ′ (T−T 0 ) 3 + β ′ (T−T 0 ) + γ ′ (2)
α ′ = V 0 · α, β ′ = V 0 · β, and γ ′ = V 0 · γ. α, β, and γ are obtained by installing a TCXO in a thermostat and measuring the frequency by changing the temperature in the thermostat variously.

また、温度Tについては、例えば温度検出器の出力電圧と温度との関係を制御部のメモリ内に記憶させておき、出力電圧に基づいて温度を読み出すことにより求められる。そして温度検出器28として温度と出力電圧とが比例関係にある場合には、温度T及びT0における温度検出器の出力電圧を夫々V及びVT0とし、(1)式に対応する(3)式の演算を行って補償電圧V(上記のΔVに相当する)を求める。
(ΔV)=α(V−VT0)3+β(V−VT0)+γ・・・(3)
なお、α、β、γは恒温槽内にTCXOを設置し、恒温槽内の温度を種々変えて周波数を計測することによって求められる。
Further, the temperature T is obtained, for example, by storing the relationship between the output voltage of the temperature detector and the temperature in the memory of the control unit and reading the temperature based on the output voltage. When the temperature and the output voltage are proportional to each other as the temperature detector 28, the output voltages of the temperature detector at the temperatures T and T 0 are V T and V T0 , respectively, corresponding to the equation (1) (3 ) To obtain the compensation voltage V C (corresponding to the above ΔV).
V C (ΔV) = α 1 (V T −V T0 ) 3 + β 1 (V T −V T0 ) + γ 1 (3)
Note that α 1 , β 1 , and γ 1 are obtained by installing a TCXO in a thermostat and measuring the frequency by changing the temperature in the thermostat variously.

一方、TCXO1は図7(a)、(b)に示すように基板11と、その基板11上に設けられた例えばATカットの水晶片を備えた水晶振動子21及びICチップである発振制御部22と、基板11上でこれら水晶振動子21及び発振制御部22を覆うカバー12と、を備えている。図7(b)は基板11からカバー12を外した状態を示している。   On the other hand, as shown in FIGS. 7A and 7B, the TCXO 1 includes a substrate 11, a crystal resonator 21 including an AT-cut crystal piece provided on the substrate 11, and an oscillation control unit that is an IC chip. 22 and a cover 12 that covers the crystal unit 21 and the oscillation control unit 22 on the substrate 11. FIG. 7B shows a state where the cover 12 is removed from the substrate 11.

ここで、同じカバー12及び基板11に囲まれる空間に発振制御部22及び水晶振動子21が設けられていることから、発振制御部22に含まれる温度検出器の検出温度は水晶振動子21の周囲温度に等しいものと考えられてきた。しかしながら実際にはICである発振制御部22は供給される電力により発熱しており、その発熱により温度検出器により検出される温度は、水晶振動子の周囲温度よりも若干高くなっている。上記のように各定数の決定後、TCXO1が使用される際には、この水晶振動子21の周囲温度からその発熱によりずれた温度に対応した電圧が3次関数発生器に印加されてしまい、周波数変化を抑えるために必要な補償電圧Vと、実際に印加される補償電圧Vとに誤差が生じる。この誤差がTCXO1で周囲温度の変化において微小な周波数変動を生じる原因になっている。 Here, since the oscillation control unit 22 and the crystal resonator 21 are provided in a space surrounded by the same cover 12 and substrate 11, the temperature detected by the temperature detector included in the oscillation control unit 22 is the same as that of the crystal resonator 21. It has been considered equal to ambient temperature. However, in reality, the oscillation control unit 22 which is an IC generates heat by the supplied electric power, and the temperature detected by the temperature detector due to the generated heat is slightly higher than the ambient temperature of the crystal resonator. When the TCXO 1 is used after determining each constant as described above, a voltage corresponding to a temperature deviated from the ambient temperature of the crystal resonator 21 due to the heat generation is applied to the cubic function generator. a compensation voltage V C required to suppress the frequency change, error and compensation voltage V C to be actually applied occurs. This error causes a minute frequency fluctuation in the change in the ambient temperature in the TCXO1.

近年では、前記携帯電話などの携帯端末がGPS(Global Positioning System)機能を搭載したGPS受信機として構成されることがある。このGPSはGPS衛生から送信された信号と、前記GPS受信機に搭載された発振器から出力される信号とに基づいてその携帯端末の現在位置を検出するシステムであり、この発振器としてTCXOを用いることが検討されている。そして、このGPSにおいて、携帯端末の位置を精度高く検出するためにはTCXOに特に高い発振精度が要求されるので上記のICの発熱による周波数変動を抑えることが求められている。   In recent years, mobile terminals such as mobile phones are sometimes configured as GPS receivers equipped with a GPS (Global Positioning System) function. This GPS is a system that detects the current position of the mobile terminal based on a signal transmitted from GPS hygiene and a signal output from an oscillator mounted on the GPS receiver, and a TCXO is used as this oscillator. Is being considered. In this GPS, in order to detect the position of the mobile terminal with high accuracy, TCXO is required to have particularly high oscillation accuracy, and therefore it is required to suppress frequency fluctuations due to heat generation of the IC.

特許文献1及び特許文献2にはTCXOの構成について記載されているが、上記の問題については記載されておらず、その問題を解決できるものではない。
特開平6−326516号公報 特開2004−172831号公報
Although Patent Document 1 and Patent Document 2 describe the configuration of TCXO, the above problem is not described, and the problem cannot be solved.
JP-A-6-326516 JP 2004-172831 A

本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、その課題は周囲温度の変化による発振周波数の変動を抑え、高い発振精度を有する温度補償水晶発振器を提供することである。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a temperature-compensated crystal oscillator that suppresses fluctuations in oscillation frequency due to changes in ambient temperature and has high oscillation accuracy.

本発明の温度補償水晶発振器は、
容器内に設けられた水晶振動子と、
前記容器内に設けられた、水晶振動子を発振させるための発振回路と、
前記容器内に設けられた温度検出器と、
前記水晶振動子に制御電圧を印加する電圧制御部と、
を備え、
前記電圧制御部は、前記温度検出器にて検出された温度をT、基準温度をT0、基準温度T0において水晶振動子の設定周波数が得られる電圧をV0、前記温度検出器により検出された温度と水晶振動子の温度との温度差に相当する設定温度差をΔT、
を予め設定した定数とすると、次式の関係で表され、

Figure 0005213845
=0で表される電圧VをV0に加算した制御電圧を出力するように構成されていることを特徴とする。前記温度検出器、発振回路及び電圧制御部は例えば集積回路チップに設けられている。 The temperature compensated crystal oscillator of the present invention is
A quartz crystal provided in a container;
An oscillation circuit provided in the container for oscillating a crystal resonator;
A temperature detector provided in the container;
A voltage controller for applying a control voltage to the crystal unit;
With
The voltage control unit detects the temperature detected by the temperature detector as T, the reference temperature as T 0 , and the voltage at which the set frequency of the crystal resonator is obtained at the reference temperature T 0 as V 0 , as detected by the temperature detector. ΔT, a set temperature difference corresponding to the temperature difference between the measured temperature and the temperature of the crystal unit
If K j is a preset constant, it is expressed by the following equation:
Figure 0005213845
A control voltage obtained by adding a voltage V C represented by K 2 = 0 to V 0 is output. The temperature detector, the oscillation circuit, and the voltage control unit are provided in, for example, an integrated circuit chip.

本発明は、温度検出器で検出した温度と、予め設定された、温度検出器により検出された温度と前記水晶振動子との温度差と、に基づいて演算された制御電圧が水晶振動子に印加されて、その発振が制御される。従って前記温度差の影響が抑えられるので、精度高く水晶振動子の発振を制御でき、発振周波数の変動を抑えることができる。   According to the present invention, a control voltage calculated based on a temperature detected by a temperature detector and a preset temperature difference between the temperature detected by the temperature detector and the crystal resonator is applied to the crystal resonator. When applied, its oscillation is controlled. Therefore, since the influence of the temperature difference is suppressed, the oscillation of the crystal resonator can be controlled with high accuracy, and fluctuations in the oscillation frequency can be suppressed.

図1は本発明の実施の形態に係るTCXO2の回路構成図である。22は水晶振動子21の発振を制御する発振制御部であり、例えばICチップにより構成されている。23は直流電圧(VCC)の供給端子、24は発振出力の出力端子である。発振制御部22は背景技術の項目で述べたように基準温度Tにおいて目的とする周波数fが得られる制御電圧Vに、温度TとTとの差分に応じた周波数変化分Δfをキャンセルするための補償電圧Vを加算するように構成されている。発振制御部22は、水晶振動子21と共に水晶発振回路20を構成する発振回路25、可変容量ダイオード26、電圧制御部を構成する3次関数発生器27、温度検出器28及びメモリ29を含んでいる。 FIG. 1 is a circuit configuration diagram of a TCXO 2 according to an embodiment of the present invention. Reference numeral 22 denotes an oscillation control unit that controls the oscillation of the crystal resonator 21 and is constituted by, for example, an IC chip. Reference numeral 23 is a DC voltage (V CC ) supply terminal, and 24 is an output terminal for oscillation output. As described in the background art section, the oscillation controller 22 cancels the frequency change Δf corresponding to the difference between the temperatures T and T 0 to the control voltage V 0 at which the target frequency f is obtained at the reference temperature T 0 . The compensation voltage V C is configured to be added. The oscillation control unit 22 includes an oscillation circuit 25 that constitutes the crystal oscillation circuit 20 together with the crystal resonator 21, a variable capacitance diode 26, a cubic function generator 27 that constitutes a voltage control unit, a temperature detector 28, and a memory 29. Yes.

図1に示すTCXO2と従来のTCXO1との差異点として、発振制御部22の3次関数発生器27は(4)式で表される演算を行い、その演算結果である補償電圧Vと、基準温度T0において水晶振動子が設定周波数となる制御電圧V0との加算値を水晶振動子21と発振回路25とによる構成される水晶発振回路20に印加するように設定されている。
=α'(T−T0−ΔT)3+β'(T−T0−ΔT)+γ’・・・(4)
この(4)式においてTは温度検出器28により検出される水晶振動子の周囲温度であり、この温度Tには背景技術の欄で説明したように実際の水晶振動子の周囲温度に発振制御部22の発熱による温度上昇分が含まれている。T0は(1)式、(2)式のT0と同様に水晶振動子の周波数温度特性における変曲点の温度となる基準温度であり、例えば29℃とされる。このT0及びα’、β’、γ’は測定より求められる定数である。このα’、β’、γ’は背景技術の欄にて記載した(2)式のα’、β’、γ’とは必ずしも同じ値ではないが、便宜上同一符号を用いることとする。
As a difference between the TCXO 2 shown in FIG. 1 and the conventional TCXO 1, the cubic function generator 27 of the oscillation control unit 22 performs the calculation represented by the equation (4), and the compensation voltage V C that is the calculation result, The reference value T 0 is set so that an addition value to the control voltage V 0 at which the crystal resonator has a set frequency is applied to the crystal oscillation circuit 20 including the crystal resonator 21 and the oscillation circuit 25.
V C = α ′ (T−T 0 −ΔT) 3 + β ′ (T−T 0 −ΔT) + γ ′ (4)
In this equation (4), T is the ambient temperature of the crystal resonator detected by the temperature detector 28, and this temperature T is controlled to oscillate to the actual ambient temperature of the crystal resonator as described in the background art section. The temperature increase due to the heat generation of the portion 22 is included. T 0 is a reference temperature that is the temperature of the inflection point in the frequency temperature characteristics of the crystal resonator, similarly to T 0 in equations (1) and (2), and is, for example, 29 ° C. T 0 and α ′, β ′, and γ ′ are constants obtained from measurement. These α ′, β ′, and γ ′ are not necessarily the same values as α ′, β ′, and γ ′ in the formula (2) described in the background art section, but the same reference numerals are used for convenience.

ここで、温度検出器28の出力電圧と温度との対応関係例えばテーブルやアルゴリズムをメモリ29に予め記憶させておき、出力電圧とメモリ29内の前記対応関係とに基づいて温度Tが求められる。従ってこの温度Tを用いて3次関数発生器27にて3次関数を発生させ、これによりVが求まる。ところで温度検出器28の出力電圧が温度と比例関係にある場合には、上記のように温度と出力電圧との対応関係をメモリ29内に記憶しなくとも、出力電圧を用いてVを求めることができる。図1ではこのような場合を表しており、温度検出器28の出力電圧が3次関数発生器27の入力信号となるので、3次関数発生器27で求められる補償電圧Vは、次の(5)式で表される。
=α(V−VT0−VΔT)3+β(V−VT0−VΔT)+γ・・・(5)
は温度Tにおける温度検出器28の出力電圧、VT0は基準温度T0における温度検出器28の出力電圧である。また、VΔTは水晶振動子21と発振制御部22との温度差ΔTに対応する温度検出器28の出力電圧変動分である。これらα、β、γ、VT0及びVΔTはメモリ29に記憶されている。こうして演算された補償電圧Vを、基準温度T0において設定周波数fを得るための前記制御電圧V0に加算して、水晶振動子21の制御電圧Vを得るが、この例では3次関数発生器27内にて(5)式の演算と、補償電圧VとVとの演算が行われて水晶振動子21に出力するようになっている。
Here, the correspondence relationship between the output voltage of the temperature detector 28 and the temperature, for example, a table or algorithm is stored in the memory 29 in advance, and the temperature T is obtained based on the output voltage and the correspondence relationship in the memory 29. Therefore, a cubic function is generated by the cubic function generator 27 using this temperature T, and V C is obtained thereby. However if the output voltage of the temperature detector 28 is proportional to the temperature, without a corresponding relationship between the temperature and the output voltage as described above is stored in the memory 29, obtains the V C using the output voltage be able to. FIG. 1 shows such a case. Since the output voltage of the temperature detector 28 becomes an input signal of the cubic function generator 27, the compensation voltage V C obtained by the cubic function generator 27 is as follows. It is represented by the formula (5).
V C = α 1 (V T −V T0 −V ΔT ) 3 + β 1 (V T −V T0 −V ΔT ) + γ 1 (5)
V T is an output voltage of the temperature detector 28 at the temperature T, and V T0 is an output voltage of the temperature detector 28 at the reference temperature T 0 . V ΔT is an output voltage fluctuation amount of the temperature detector 28 corresponding to the temperature difference ΔT between the crystal resonator 21 and the oscillation controller 22. These α 1 , β 1 , γ 1 , V T0 and V ΔT are stored in the memory 29. The compensation voltage V C calculated in this way is added to the control voltage V 0 for obtaining the set frequency f at the reference temperature T 0 to obtain the control voltage V 1 of the crystal resonator 21. In the function generator 27, the calculation of the equation (5) and the calculation of the compensation voltages V C and V 0 are performed and output to the crystal unit 21.

(5)式の定数を決定する手順について説明する。先ず、TCXO2を組み立て後、恒温槽に搬入する。そして、例えばこの恒温槽への搬入時に予めメモリ29に任意にα〜γ、VT0及びVΔTの各値を入力しておく。この恒温槽はその内部の温度を自在に変更でき、前記温度を均一に維持することができる。恒温槽内に搬入されたTCXO2の温度検出器28は、例えば恒温槽の外部に設けられた表示画面に接続され、その表示画面にその温度検出値が表示される。また、TCXO2は周波数測定器に接続され、その測定結果が前記表示画面に表示される。 A procedure for determining the constant of the equation (5) will be described. First, after assembling TCXO2, it is carried into a thermostat. Then, for example, each value of α 1 to γ 1 , V T0, and V ΔT is input in advance to the memory 29 at the time of carrying into the thermostat. This constant temperature bath can freely change the temperature inside, and can maintain the said temperature uniformly. The temperature detector 28 of the TCXO 2 carried into the thermostat is connected to, for example, a display screen provided outside the thermostat, and the temperature detection value is displayed on the display screen. The TCXO 2 is connected to a frequency measuring device, and the measurement result is displayed on the display screen.

続いて、恒温槽内の温度が任意の温度に設定され、槽内がその温度になりその温度が安定した後、例えばTCXO2に電源を投入し、水晶発振回路20が発振する。TCXO2への電源投入後、発振制御部22に流れる電流により発振制御部22が発熱し、その温度が次第に上昇する。作業者は温度検出器28により測定される温度を例えば所定の時間が経過するごとに記録する。恒温槽内の温度と発振制御部22の温度とが次第に平衡し、発振制御部22の温度上昇が収まり、温度検出器28により検出される温度が一定になる。作業者はその検出温度が一定になったことを確認し、その一定になった温度から前記恒温槽内の温度を差し引き、その差し引いた温度値を温度差ΔTとして決定する。このTCXO2では例えば、その温度差ΔTは0.8℃である。   Subsequently, the temperature in the thermostatic chamber is set to an arbitrary temperature. After the temperature in the bath reaches that temperature and the temperature has stabilized, for example, the TCXO 2 is powered on, and the crystal oscillation circuit 20 oscillates. After the power supply to the TCXO 2 is turned on, the oscillation control unit 22 generates heat due to the current flowing through the oscillation control unit 22, and the temperature gradually increases. The operator records the temperature measured by the temperature detector 28 every time a predetermined time elapses, for example. The temperature in the thermostatic chamber and the temperature of the oscillation control unit 22 are gradually balanced, the temperature rise of the oscillation control unit 22 is suppressed, and the temperature detected by the temperature detector 28 becomes constant. The operator confirms that the detected temperature has become constant, subtracts the temperature in the thermostat from the constant temperature, and determines the subtracted temperature value as a temperature difference ΔT. In TCXO2, for example, the temperature difference ΔT is 0.8 ° C.

この温度差ΔTを決定する工程においては、温度検出器28により検出される温度が一定になるまで測定を続けなくてもよく、例えばTCXO2に電源投入後に所定の間隔で数回温度を測定したらその測定結果から、その温度検出器28により検出される温度上昇が停止して一定になるときの温度を予測し、その予測値から恒温槽内の温度を差し引いて、ΔTを決定してもよい。   In the step of determining the temperature difference ΔT, the measurement does not have to be continued until the temperature detected by the temperature detector 28 becomes constant. For example, if the temperature is measured several times at predetermined intervals after the TCXO 2 is turned on, From the measurement result, the temperature at which the temperature rise detected by the temperature detector 28 stops and becomes constant may be predicted, and the temperature in the thermostatic bath may be subtracted from the predicted value to determine ΔT.

温度差ΔTの決定後、作業者は例えばα、β、γ、T0を変更して周波数測定器により測定された水晶発振器20の発振周波数と、その設定された恒温槽の温度とをこれら周波数測定器及び恒温槽に接続されたコンピュータに記憶させる。 After determining the temperature difference ΔT, the operator changes, for example, α 1 , β 1 , γ 1 , T 0 and the oscillation frequency of the crystal oscillator 20 measured by the frequency measuring instrument, and the set temperature of the thermostat. Are stored in a computer connected to the frequency measuring device and the thermostat.

続いて、作業者は恒温槽内の温度を変更し、槽内の温度が安定したら、そのときの水晶発振器20のα、β、γ、T0を変更して得られた発振周波数及び恒温槽内の温度を同様にコンピュータに記憶させる。このような恒温槽の温度変更と、変更後の恒温槽の温度及び発振周波数のコンピュータへの記憶とを所定の回数繰り返し行う。各温度における水晶振動子21の発振周波数を設定周波数まで変化させるために必要な補償電圧Vは、図5から分かっているので、各温度毎に先の(5)式を立てることにより、α、β、γを未知数とする連立方程式が得られる。このため各温度で周波数変化が最小となるα、β、γ、T0が求まる。なお、水晶振動子21は製造工程上どうしてもわずかな周波数のばらつきが生じることから、例えばγはゼロには設定されず、水晶振動子21間の周波数のばらつきを考慮してある値に設定されるが、ゼロとしてもよい。 Subsequently, the operator changes the temperature in the thermostatic chamber, and when the temperature in the bath stabilizes, the oscillation frequency obtained by changing α 1 , β 1 , γ 1 , T 0 of the crystal oscillator 20 at that time And the temperature in a thermostat is similarly memorize | stored in a computer. Such temperature change of the thermostat and the storage of the temperature and oscillation frequency of the thermostat after the change are repeatedly performed a predetermined number of times. Since the compensation voltage V C necessary for changing the oscillation frequency of the crystal resonator 21 at each temperature to the set frequency is known from FIG. 5, α can be obtained by establishing the above equation (5) for each temperature. Simultaneous equations with 1 , β 1 , and γ 1 as unknowns are obtained. For this reason, α 1 , β 1 , γ 1 , and T 0 that minimize the frequency change at each temperature are obtained. The quartz oscillator 21 from the variation of just the manufacturing process slight frequency occurs, for example, gamma 1 not set to zero, it is set to a value that is taking into account the variation in frequency between the quartz resonator 21 However, it may be zero.

ここで上記の(5)式と従来の(2)式とについて考察する。従来は、温度補償電圧Vを(2)式のように決めた根拠は、周波数の温度特性を表す(1)式においてTを温度検出器で検出する温度として取り扱っていることによる。これに対して上述の実施の形態ではTを温度検出器の温度検出値とした場合、Δf/fは次の(6)式で表されるものとして取り扱っている。
Δf/f=α(T−T0−ΔT)3+β(T−T0−ΔT)+γ・・・(6)
Now consider the above formula (5) and the conventional formula (2). Conventionally, grounds decided as the temperature compensation voltage V C (2) expression is due to being treated as the temperature detected by the temperature detector T in represents the temperature characteristic of the frequency (1). On the other hand, in the above-described embodiment, when T is a temperature detection value of the temperature detector, Δf / f is handled as expressed by the following equation (6).
Δf / f = α (T−T 0 −ΔT) 3 + β (T−T 0 −ΔT) + γ (6)

ところで従来の(1)式からこの(6)式を差し引くと、(T−T0)についての3次の影響が小さいので、近似式として下記の(7)式で表される(T−T0)についての2次関数が得られる。
(Δf/f)≒A(T−T0)+B(T−T0)+C・・・(7)
A、B、Cはα、β、γ及びΔTによって決定される定数である。
図2、図3はΔTが例えば0.8℃のときの(1)式の3次関数、(7)式の2次関数の例を夫々示したものである。つまり、この例では縦軸のスケールの度合いが大きく違うので図2と図3とに別々に温度特性を示しているが、従来では図2に示す3次関数の特性分だけ補償していて、図3に示す2次関数の特性分が補償されていないことを意味している。その理由は繰り返し述べたように温度検出器28の温度と水晶振動子21の温度とが異なるからである。
By the way, if this equation (6) is subtracted from the conventional equation (1), the third-order influence on (T−T 0 ) is small, so that it is expressed by the following equation (7) as an approximate equation (T−T): A quadratic function for 0 ) is obtained.
(Δf / f) ≈A (T−T 0 ) 2 + B (T−T 0 ) + C (7)
A, B, and C are constants determined by α, β, γ, and ΔT.
2 and 3 show examples of the cubic function of the expression (1) and the quadratic function of the expression (7) when ΔT is 0.8 ° C., for example. That is, in this example, since the degree of scale of the vertical axis is greatly different, the temperature characteristics are shown separately in FIG. 2 and FIG. 3, but in the past, only the characteristic of the cubic function shown in FIG. This means that the characteristic component of the quadratic function shown in FIG. 3 is not compensated. The reason is that the temperature of the temperature detector 28 and the temperature of the crystal unit 21 are different as described repeatedly.

そこで、温度補償電圧Vを(5)式に基づいて設定すれば、2次関数の特性分も補償されることになる。即ち、図2と図3とを合わせた温度特性をキャンセルするように、TCXO2の補償電圧Vは設定されている。 Therefore, by setting based on a temperature compensation voltage V C to (5), characteristic portion of a quadratic function is also to be compensated. That is, to cancel the temperature characteristics obtained by combining the FIG. 2 and FIG. 3, the compensation voltage V C of TCXO2 are set.

このTCXO2によれば、温度検出器28で検出した周囲温度Tと、予め設定された温度検出器28により検出された温度と前記水晶発振器との温度差である温度差ΔTと、に基づいて、3次関数発生器27が発振回路25に印加する補償電圧Vを決定して、その補償電圧Vに応じた制御電圧Vが水晶発振回路20に印加されている。従って、周囲温度Tが変化したときにおける前記温度差ΔTによる、周波数変動を抑えるために必要な補償電圧Vと実際に水晶発振回路20に印加される補償電圧Vとのずれが抑えられる。その結果として、前記周波数変動を抑えることができ、精度高く水晶振動子を発振させることができる。 According to this TCXO2, based on the ambient temperature T detected by the temperature detector 28, and the temperature difference ΔT which is the temperature difference between the temperature detected by the preset temperature detector 28 and the crystal oscillator, The cubic function generator 27 determines a compensation voltage V C to be applied to the oscillation circuit 25, and a control voltage V 1 corresponding to the compensation voltage V C is applied to the crystal oscillation circuit 20. Therefore, due to the temperature difference ΔT at the time when the ambient temperature T is changed, the deviation between the compensation voltage V C to be actually applied to the crystal oscillation circuit 20 and the compensation voltage V C required to suppress the frequency fluctuations can be suppressed. As a result, the frequency fluctuation can be suppressed, and the crystal resonator can be oscillated with high accuracy.

ところで、補償電圧Vが(T−T0−ΔT)についての3次関数である例について説明してきたが、Vはこのような3次関数に限られず、4次関数や5次関数などの3次以上の高次関数として設定されていてもよい。このVは、次の式(8)で表すことができる。

Figure 0005213845
この式(8)でKは予め設定した定数であるが、ただしK=0である。つまり、既述の例では(8)式においてn=3である場合について説明しており、上記の(4)式と対応させると、K=α’、K=β’、K=γ’である。そして、(8)式においてnは4以上の整数として設定されてもよく、例えばn=4である場合、n=5である場合にはVは夫々下記の(9)式、(10)式で表すことができる。
=K4(T−T0−ΔT)4+K3(T−T0−ΔT)3+K1(T−T0−ΔT)+K0
・・・(9)
=K5(T−T0−ΔT)5+K4(T−T0−ΔT)4+K3(T−T0−ΔT)3
+K1(T−T0−ΔT)+K0
・・・(10) By the way, an example in which the compensation voltage V C is a cubic function for (T−T 0 −ΔT) has been described, but V C is not limited to such a cubic function, and a quartic function, a quintic function, or the like. May be set as a higher-order function of the third or higher order. The V C can be expressed by the following equation (8).
Figure 0005213845
In this equation (8), K j is a preset constant, but K 2 = 0. That is, in the above-described example, the case where n = 3 in the equation (8) is described, and when corresponding to the above equation (4), K 3 = α ′, K 1 = β ′, K 0 = γ ′. In the equation (8), n may be set as an integer equal to or greater than 4. For example, when n = 4, when n = 5, VC is represented by the following equations (9) and (10), respectively. It can be expressed by a formula.
V C = K 4 (T−T 0 −ΔT) 4 + K 3 (T−T 0 −ΔT) 3 + K 1 (T−T 0 −ΔT) + K 0
... (9)
V C = K 5 (T−T 0 −ΔT) 5 + K 4 (T−T 0 −ΔT) 4 + K 3 (T−T 0 −ΔT) 3
+ K 1 (T−T 0 −ΔT) + K 0
... (10)

本発明の実施形態に係るTCXOの回路構成図である。It is a circuit block diagram of TCXO which concerns on embodiment of this invention. 前記TCXOに設けられた水晶振動子の温度特性の3次関数分を示したグラフ図である。It is the graph which showed the part for the cubic function of the temperature characteristic of the crystal oscillator provided in the TCXO. 前記水晶振動子の温度特性の2次関数分を示したグラフ図である。FIG. 6 is a graph showing a quadratic function portion of the temperature characteristics of the crystal resonator. 水晶振動子の3次関数分の温度特性と、それを補償する補償電圧の変化とを示したグラフ図である。It is the graph which showed the temperature characteristic for the cubic function of a crystal oscillator, and the change of the compensation voltage which compensates it. 発振回路に印加される制御電圧と発振周波数との関係を示したグラフ図である。It is the graph which showed the relationship between the control voltage applied to an oscillation circuit, and an oscillation frequency. 周囲温度と周波数偏差との関係を示したグラフ図である。It is the graph which showed the relationship between ambient temperature and a frequency deviation. TCXOの外観斜視図である。It is an external appearance perspective view of TCXO.

11 基板
12 カバー
20 水晶発振回路
21 水晶振動子
22 発振制御部
25 発振回路
27 3次関数発生器
28 温度検出器
29 メモリ
1,2 TCXO(温度補償水晶発振器)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Board | substrate 12 Cover 20 Crystal oscillation circuit 21 Crystal oscillator 22 Oscillation control part 25 Oscillation circuit 27 Tertiary function generator 28 Temperature detector 29 Memory 1, 2 TCXO (temperature compensation crystal oscillator)

Claims (2)

容器内に設けられた水晶振動子と、
前記容器内に設けられた、水晶振動子を発振させるための発振回路と、
前記容器内に設けられた温度検出器と、
前記水晶振動子に制御電圧を印加する電圧制御部と、
を備え、
前記電圧制御部は、前記温度検出器にて検出された温度をT、基準温度をT0、基準温度T0において水晶振動子の設定周波数が得られる電圧をV0、前記温度検出器により検出された温度と水晶振動子の温度との温度差に相当する設定温度差をΔT、
を予め設定した定数とすると、次式
Figure 0005213845
の関係で表され、
=0で表される補償電圧VをV0に加算した制御電圧を出力するように構成されていることを特徴とする温度補償水晶発振器。
A quartz crystal provided in a container;
An oscillation circuit provided in the container for oscillating a crystal resonator;
A temperature detector provided in the container;
A voltage controller for applying a control voltage to the crystal unit;
With
The voltage control unit detects the temperature detected by the temperature detector as T, the reference temperature as T 0 , and the voltage at which the set frequency of the crystal resonator is obtained at the reference temperature T 0 as V 0 , as detected by the temperature detector. ΔT, a set temperature difference corresponding to the temperature difference between the measured temperature and the temperature of the crystal unit
If K j is a preset constant, then
Figure 0005213845
Represented by the relationship
A temperature-compensated crystal oscillator configured to output a control voltage obtained by adding a compensation voltage V C expressed by K 2 = 0 to V 0 .
温度検出器、発振回路及び電圧制御部は集積回路チップに設けられていることを特徴とする請求項1記載の温度補償水晶発振器。   2. The temperature compensated crystal oscillator according to claim 1, wherein the temperature detector, the oscillation circuit, and the voltage control unit are provided in an integrated circuit chip.
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