振荡装置的制作方法

专利名称：振荡装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种使用晶体振子的振荡装置，是一种涉及到对晶体振子频率的经时变化进行补偿的技术。
背景技术：
晶体振子具有振荡频率随驱动时间的推移而偏移的性质。一方面,市场上对晶体(石英)振荡器要求有极高的频率稳定性的应用正在增长，但是在向应用中组装时，作为晶体振荡器一般为通常0CX0。OCXO具有上述偏移较少的优点，但是装置庞大，电能消耗大。因此正在研究利用构成简单、电能消耗少的TCX0，而TCXO具有振荡频率随驱动时间的推移振荡频率偏移量大的缺点，存在对于要求有高的频率稳定性的应用难以适用的课题。 专利文献I记载了一种在共用的晶体片(石英片)设置两对电极构成两个晶体振子(晶体共振子)，利用对应于温度变化而在两个晶体振子间出现频率差的现象进行振荡频率的温度补偿的技术，但是却没有记载其对频率经时变化的补偿。专利文献I :日本特开2001-292030号公报

发明内容
本发明是鉴于这样的情况而完成的，其目的在于提供一种振荡装置，其对振荡频率伴随晶体振子工作时间的经过的变化进行补偿而得到稳定的振荡频率。本发明的振荡装置使用晶体振子，其特征在于，具备在晶体片设置第一电极而构成的第一晶体振子；在晶体片设置第二电极而构成的第二晶体振子；分别与这些第一晶体振子及第二晶体振子连接的第一振荡电路和第二振荡电路；频率差检测部，其在设第一振荡电路的振荡频率为fl、设基准时间第一振荡电路的振荡频率为flrz、设第二振荡电路的振荡频率为f2、设基准时间第二振荡电路的振荡频率为f2rz时，求得差值AF的值，其中，该差值AF的值为与f2和f2rz的差对应的值和与fl和flrz的差对应的值的差值(求得与f2和f2rz的差对应的值和与对应于Π与flrz的差的值的差值AF对应的值)；和经时变化补偿用的修正值取得部，其基于与由该频率差检测部检测出的上述差值AF对应的值和经时变化的修正系数，取得基于时间从基准时间起经过的情况的fl的频率修正值(取得基于从基准时间起经过的时间的fl的频率修正值)，其中上述经时变化的修正系数为相对于从基准时间起的工作时间的经过(相对于从基准时间起经过的工作时间)，第一振荡电路频率的变化量和第二振荡电路频率的变化量的比率，振荡装置的输出利用上述第一振荡电路的输出而生成；基于由上述修正值取得部求得的上述频率修正值来修正上述输出频率的设定值。
下面，列举本发明的具体构成例。第一振荡电路的振荡频率f I为η次谐波，第二振荡电路的振荡频率f2为基波的
频率，上述差值AF为[(f2-f2rz)/f2rz]-[(f1-flrz)/flrz]。另外，其它具体例的特征在于，上述经时变化的修正系数为在基准温度设定的值，上述振荡装置具备对放置有上述第一晶体振子和上述第二晶体振子的气氛温度进行检测的温度检测部；和 温度补偿用计算部，其在基准时间，基于从基准温度起的温度变化量和相对于在基准温度的上述差值AF的变动量的关系，以及由上述温度检测部求得的气氛温度，求出因上述差值ΛF包含的温度变化所引起的变化量，上述修正值取得部使用从上述差值AF减去由上述温度补偿用计算部计算出的变化量的值来取得Π的频率修正值。此外，其它具体例的特征在于，具备对放置有上述第一晶体振子和上述第二晶体振子的气氛温度进行检测的温度检测部；和温度补偿用的修正值取得部，其基于与由该温度检测部检测出的温度对应的信号和该信号与第一振荡电路的振荡频率Π的频率修正值的关系，取得因环境温度偏离基准温度而引起的fl的频率修正值，基于由上述经时变化用的修正值取得部求得的上述频率修正值和由上述温度补偿用的修正值取得部求得的上述频率修正值，修正上述输出频率的设定值。频率差检测部的特征在于，具备脉冲生成部，其生成上述Π和f2的差频率的脉冲；DDS电路部,其按与所输入的直流电压的大小相应的频率,输出信号值随着时间而反复增加、减少的频率信号；闩锁电路，其使从上述DDS电路部输出的频率信号被由上述脉冲生成部生成的脉冲锁存；环路滤波器，其对被该R锁电路锁存的信号值进行积分，将其积分值作为与上述差值对应的值输出；和加法部，其取出该环路滤波器的输出和与flrz和f2rz的差对应的值的差，使其成为向上述DDS电路部输入的输入值。第一晶体振子的晶体片和第二晶体振子的晶体片共用。发明的效果本发明在设第一振荡电路的振荡频率为fl、设在基准时间第一振荡电路的振荡频率为flrz、设第二振荡电路的振荡频率为f2、设在基准时间第二振荡电路的振荡频率为f2rz时，则求出对应于与f2和f2rz的差对应的值和与Π和Hrz的差对应的值的差值Λ F的值(即，关于第一晶体振子的频率从基准时间起的变化量和关于第二晶体振子的频率从基准时间起的变化量的差值AF)。而且，将设相对于从基准时间起经过的时间，第一晶体振子频率的变化量和第二晶体振子频率的变化量的比率相同而使用此时的该比率作为经时变化的修正系数，基于与差值AF对应的值和经时变化的修正系数，对用于生成振荡装置的输出的晶体振子的频率取得修正值。因此，由于对振荡频率随晶体振子工作时间的经过的变化进行补偿，因而可得到稳定的振荡频率。


图I是表示用于本发明实施方式的概要说明的振荡频率的经时变化的示意性说明图；图2是表示本发明实施方式的整体结构的框图；图3是表示用于上述实施方式的控制电路部的结构的框图；图4是表示频率差检测部的框图；图5是表示频率差检测部的一部分输出的波形图； 图6是示意性表示含有频率差检测部的DDS电路部的环路未闭锁的状态的各部的波形图；图7是示意性表示含有频率差检测部的DDS电路部的环路未闭锁的状态的各部的波形图；图8是针对实际的装置，上述环路的环路滤波器的输出波形图；图9是表示第一 第三振荡电路的各频率fl、f2、f3和温度的关系的频率温度特性图；图10是表示分别将各频率H、f2、f3归一化后的值和温度的关系的频率温度特性图；图11是表示将各频率归一化后的值的差和温度的关系的频率温度特性图；图12是表示因包含于与fl/3_f3对应的值的、温度变化引起的变动量和与温度检测结果对应的值的关系的特性图；图13是表示基于图12所示的特性图的横轴的值，通过运算求出纵轴的值的运算部的框图；图14是表示老化修正值计算部的框图；图15是表示因老化(经时变化)而使频率变化的情况的特性图；图16是表示将fl归一化后的值和温度的关系以及将fl归一化后的值和将f2归一化后的值的差和温度的关系的频率温度特性图；图17是表示将图16的纵轴归一化后的值和频率修正值的关系的特性图。符号说明I 3 :第一 第三振荡电路10 30 :第一 第三晶体振子4、5 :频率差检测部41 :触发电路(双稳态触发电路)42 :单触发电路(单稳态触发电路)43:闩锁电路44 :环路滤波器45 :加法部46 =DDS 电路部6 :经时变化修正值计算部7 :温度变动量计算部
8 :温度修正值计算部100:电压控制振荡器200:控制电路部
具体实施例方式[发明的实施方式概要]本实施方式的振荡装置是将使第一晶体振子振荡的第一振荡电路的振荡输出例如用作控制电路的时钟的情况下，若因第一晶体振子的经时变化而使时钟频率变化，则控制电路的工作偏离作为目的的工作。因此，是对时钟频率的经时变化量(因老化引起的频率的变化量)进行补偿的技术。在详细说明实施方式之前，对该补偿的情况的概要进行极为示意性的说明。在该示意性说明中所使用的数值是为了方便而使用的，曲线(图)的倾角等也是为了方便而使用的。现在，若将第一晶体振子的3次谐波(泛频，泛音)(设频率为f I)用作时钟，设t0为基准时间，则3次谐波的1/3频率的经时变化用图1(a)的下侧的曲线表示，基准时间t0的Π/3为900Hz。通过该实施方式想要知道的是，例如使使用振荡装置之后(驱动晶体振子之后)经过一定天数时fl相对于基准时间的频率偏离了多少。因此，使用有别于第一晶体振子的第二晶体振子，利用该晶体振子的基波(频率为f2)。基波频率的经时变化大于谐波频率的经时变化，另外两经时变化的比率恒定。在该实施方式中着眼于这一点。图I (a)上侧的曲线表示基波频率f2的经时变化，基准时间t0的f2为1000Hz。图I (b)将两频率的经时变化和基准时间t0 —起表示，距各曲线的横轴的高度为频率的变化量。即，若设在基准时间谐波的频率为flre，则3次谐波的频率变化量为flre/3和在某时刻的fl/3的差(f 1-f Ire)/3。另外，若设基准时间的频率为f2re，则基波的频率变化量为f2re和在某时刻的f2的差(f2_f2re)。由于测定对象为fl/3和f2的差频率，在基准时间的各频率flre/3、f2re为已知(在该例中为900HzUOOOHz)，因而，若得知f2_f 1/3的测定值，则得知(f2-f2re)-(fl-flre)/3 = AF(参照图1(b))的值。而且由于在各时刻看做(fl_flre)/3相对于(f2-f2re)的比率m恒定，该比率预先已经知道，因而，若得知AF，则能够求出最终想要求出的fl的经时变化补偿量1/3的值[〔f 1-fIre)/3]。在图I的例中，由于比率m为4/9，因而，若在时刻tl的测定结果AF为10Hz，则可得知(f 1-f Ire)/3 = AF*m/(l-m)=8Hz。此外，在制造出晶体振子后开始通电的初期，由于经过时间和上述频率变化量的关系为非线性关系，因而该关系在成为线性后的定时例如是将即将从厂商出货的定时作为基准时间。因此，第一晶体振子的时钟即3次谐波的频率f I从2700Hz增加了 24Hz，上述控制电路的工作以使24Hz增加量相互抵消的方式进行控制例如对控制电压进行控制等。但是，以上的说明是与求出图I所示的频率特性的环境温度和在时刻tl的环境温度相等的情况相对应的。若要求频率特性的环境温度为基准温度即例如为25°C，在时刻tl的环境温度为27°C, PJ AF中也含有基于温度变动的频率变化量。该情况下，不能准确地求出基于fl的经时变化的变动量。
因此，在该实施方式中，将第一晶体振子和第二晶体振子按后述的方式置于相同的环境温度下，使用测定该环境温度的温度检测部。而且，预先求出以基准温度进行归一化后的归一化温度(设基准温度为零时的温度)和在基准时间的AF的关系，基于该关系和由温度检测部检测出的温度检测值，求出基于包含于AF的温度变化的频率差变动量(经时变化修正时的温度变动量消除数据)。具体而言，若设图I的特性为基准温度的特性，基准时间下27°C时第一晶体振子和第二晶体振子的频率分别为1003Hz及901Hz，则f2的特性及fl/3的特性处于比图I所示的曲线分别高3Hz及IHz的位置。因此，原来在基准时间f2re和flre/3的差不为零而是2Hz，上述Λ F中除基于经时变化的频率差外还包含基于温度变化的2Hz量。因此，使用从测定的AF中减去2Hz后的值，并需要适用(I)式。(f 1-f Ire) /3 = Δ F · m/(l_m)…(I)这样得到的(fl-flre)/3的值为基于包含于fl/3的经时变化的可以说是真实的频率变动量，通过用该值3倍的值补偿第一振荡电路的输出频率，可对基于第一振荡电路输出频率的经时变化的频率变动量进行补偿。但是，在放置晶体振子的温度环境发生变动的情况下，优选由温度检测部对温度进行检测，基于预先求出的、温度(例如对基准温度进行了归一化后的温度)和第一晶体振子的频率(例如对基准温度的频率进行归一化后的温度)的关系，和温度检测值，求出基于包含于第一晶体振子的频率的温度变化的频率变动量。该情况下，通过从第一晶体振子的频率中减去上述的基于经时变化的频率变动量和基于温度变化的频率变动量(根据变动量的值的符号，通过做加法)能够稳定地得到作为目的的输出频率。这种频率的补偿不限于对第一晶体振子的频率直接进行补偿，而是例如在将第一晶体振子的频率用作时钟的控制电路中，也包含以消除频率变动量的方式调整控制电压等。
此外，本发明中的基于经时变化的频率变动量的补偿也可以用于0CX0。[发明的实施方式的详细说明]下面，对本发明实施方式的具体电路构成、频率特性等进行说明。图2是表示本发明的振荡装置实施方式整体的框图。该振荡装置作为输出设定频率的频率信号的频率合成器而构成，其具备使用晶体振子的电压控制振荡器100、构成该电压控制振荡器100中的PLL的控制电路部200、进行输入到该控制电路部200的基准时钟的温度补偿及经时变化补偿的信号补偿部。信号补偿部未添加符号，其相当于图I的控制电路部200的左侧部分。如图3所示，该控制电路部200由相位频率比较部205对从DDS(Direct DigitalSynthesizer)电路部201输出的基准(参照用)时钟和用分频器204对电压控制振荡器100的输出进行了分频的时钟的相位进行比较，其比较结果即相位差通过未图示的电荷泵进行模拟，将模拟的信号输入到环路滤波器206，以使PLL (Phase locked loop，锁相环)稳定的方式进行控制。因此，控制电路部200也可以称为PLL部。在此，DDS电路部201将从后述的第一振荡电路I输出的频率信号用作基准时钟，输入用于输出作为目的的频率信号的的频率数据(数字值)。但是，由于上述基准时钟的频率发生经时变化，因而为了消除该经时变化量而通 过加法部90在输入到DDS电路部201的上述频率数据中加上与后述的频率修正值对应的信号。通过修正输入到DDS电路部201的频率数据，而消除基于基准时钟的经时特性变动量的DDS电路部201输出频率的经时变动量，其结果是，相对于温度变动使參照用时钟的频率稳定，由此而使来自电压控制振荡器100的输出频率稳定。信号补偿部具备经时变化补偿部和温度补偿部。在图2中，10及20分别为第一晶体振子、第二晶体振子。这些晶体振子10及20用共用的晶体片Xb构成。S卩，例如将长条状的晶体片Xb的区域沿长度方向一分为ニ，各分割区域(振动区域)的内表两面设置激励用的电极。因此，第一晶体振子10由第一分割区域和一对电极11、12构成，第二晶体振子20由第二分割区域和一对电极11、12构成。因此，可以将这些晶体振子10及20彼此热结
合。
第一晶体振子10与第一振荡电路I连接。第一晶体振子10使用基波为28. 2MHz的晶体振子，第一振荡电路I的输出例如为3次谐波(高次谐波)。第二晶体振子20与彼此绝缘的第二振荡电路2及第三振荡电路3连接。第二晶体振子20使用基波为26. 5MHz 的晶体振子。这些第二振荡电路2及第三振荡电路3为确保彼此绝缘而在输入线的分支点设有未图示的开关部，其以在切換到一接点时使第二晶体振子20的激励电极与第二振荡电路2连接，在切换到另一接点时使第二晶体振子20的激励电极与第三振荡电路3连接的方式构成。因此，通过在ー接点和另ー接点之间交互切換，将第二晶体振子20的基波(f2)作为分时数据从第二振荡电路2取出，再将第二晶体振子20的3次谐波(f3)作为分时数据从第三振荡电路3取出，从而可进行后级的信号处理。第一振荡电路I及第三振荡电路3的输出既可以是3次以外的谐波，也可以是基波。在得到谐波的输出的情况下，例如也可以在由晶体振子和放大器构成的振荡环路内设置有与谐波调谐的电路，通过谐波使振荡环路产生振荡。或者用基波使振荡环路振荡，在振荡级的后级例如科耳皮兹电路的一部分即放大器的后级设置有C级放大器，通过该C级放大器使基波不发生变形，同时C级放大器的后级设置有与谐波调谐的调谐电路，其结果是，也可以从振荡电路1、2的任一个输出例如3次谐波的振荡频率。在此，出于方便，而设从第一振荡电路I输出频率fl的频率信号，从第二振荡电路2输出频率f2的频率信号，从第三振荡电路3输出频率f3的频率信号，这样，将频率fl的频率信号作为基准时钟供给到上述控制电路部200。在本发明中，频率为fl的频率信号用于振荡装置的输出，而所谓“利用”是在该例中作为图2所示的控制电路部200的时钟使用的意思。但是，不限于这样的方式，而是例如在将普通的TCXO即晶体振动和使该晶体振子振荡的振荡电路组合的振荡装置中，也包含第一晶体振子及第一振荡电路分别相当于这些晶体振子及振荡电路的情况，在这两种情况下，频率fl的频率信号就是输出自身。频率fl及频率f2分别与上述实施方式的概要说明中的fl、f2对应。因此，第一晶体振子10及第一振荡电路I和第二晶体振子20及第ニ振荡电路2用于测定频率fl的经时变化(因驱动第一晶体振子10而偏离基准时间的频率变化的状态)。另ー方面，第一晶体振子10及第一振荡电路I和第三晶体振子30及第三振荡电路3具有温度检测部的一部分作用。这一点将在以后说明，但是，由于在与频率fl和f3的差对应的值和温度之间存在规定的关系，因而，能够通过测定该差来检测温度。而且该温度的检测结果的用途之ー是如在实施方式的概要说明项目中所述，用于基于该温度检测值来检测包含于f2-fl/3的温度变动量。另外，温度检测结果的另一用途是，用于检测包含于从第一振荡电路I输出的频率信号的频率fl的温度变动量。因此，在该例中，从第一振荡电路I输出的频率信号起着作为用于驱动振荡装置的时钟输出部的作用，除此之外，还兼具温度检测的作用。返回到对频率fl的经时变化进行补偿的部分来进行说明，图2中，4为频率差检测部。在第一振荡电路I的输出端和频率差检测部4的输入端之间设有分频比为1/3的分频电路13，来自第一振荡电路I的频率信号的频率fl被分频为1/3而输入到频率差检测部4。频率差检测部4用概略的说法表示，就是用于获得H/3和f2的差与Afre的差即AF = f2_f 1/3- A fre的电路部。A fre是在基准时间基准温度例如在25°C的f2 (f2re)和fl/3(flre/3)的差。本发明通过由频率差检测部4来计算与f2和fl/3的差对应的值、和与基准温度例如在25°C的f2和fl/3的差对应的值的差即A F而构成。在本实施方式的情况(图4的情况)下，更具体地说，由频率差检测部4得到的值为[(f2-fl/3V(fl/3)]-[(f2re-flre/3)/(flre/3)]。但是附图上对频率差检测部4的输出表示进行了略记。该值与图I所示的AF对应。即，在本发明实施方式的概要项目中为了进行示意 性说明，AF是为了求出用于对fl的经时变化进行补偿的补偿值的值。而且取代AF而使用[(f2-f 1/3)/(fl/3) ]-[ (f2re-flre/3)/(flre/3)]的值，例如如使用图 I (b)的曲线所述的那样，进行(fl_flre)/3 = AF m/(1-m)这ー运算求出补偿值也能够对fl的经时变化进行补偿。从频率检测部4得到的值例如为34比特的值，通过利用这ー数字值来修正DDS电路部201的频率数据，而得到与上述的示意性说明相同的补偿作用。此外，设频率差检测部4是计算AF = f2-fl/3_ A fre的电路部也可得到本发明的效果，这一点不会改变。图4表示频率差检测部4的具体例。41为触发电路〔F/F电路)，向该触发电路41的ー输入端输入来自第一振荡电路I的频率为f/3的频率信号，向另ー输入端输入来自第ニ振荡电路2的频率为f2的频率信号，利用来自第一振荡电路I的频率为fl/3的频率信号来锁存来自第二振荡电路2的频率为f2的频率信号。下面，为避免冗长的记载，而采用fl、f2表示频率或者频率信号自身的做法。触发电路41输出与fl/3和f2的频率差对应的值即保持(f2-fl/3)/(fl/3)频率的信号。触发电路41的后级设有单触发电路42，在单触发电路42中，通过从触发电路41得到的脉冲信号的升高而输出单触发脉冲。图5(a) (d)是表示此前一系列的信号的时间图。单触发电路42的后级设有PLL (Phase Locked Loop，锁相环)，该PLL由闩锁电路43、具有积分功能的环路滤波器44、加法部45及DDS电路部46构成。闩锁电路43用于将从DDS电路部46输出的锯齿形波由从单触发电路42输出的脉冲锁存，闩锁电路43的输出是输出上述脉冲的定时中的上述锯齿形波的信号电平。环路滤波器44对该信号电平即直流电压进行积分，加法部45对该直流电压和与Afre对应的直流电压进行加法运算。将与A fre的对应的与直流电压对应的数据存储于图2所示的存储器30。在该例中，加法部45的符号是，与A fre对应的直流电压的输入侧为“ + ”，环路滤波器44的输出电压的输入侧为向DDS电路部46输入经由加法部45计算的直流电压，即输入从与△ fre对应的直流电压中减去环路滤波器44的输出电压后的电压，输出与该电压值相应的频率的锯齿形波。为了便于理解PLL的工作而在图6上极为示意性地表示了各部输出的情況。在调试装置时，将与△ fre对应的直流电压通过加法部45输入到DDS电路部46，若设A fre例如为5MHz，则从DDL36输出与该频率对应的频率的锯齿形波。上述锯齿形波通过闩锁电路43并按与(f2_fl/3)对应的频率的脉冲锁存，若(f2-fl/3)例如为5. 1MHz，则由于锁存用的脉冲的周期比锯齿形波短，因而如图6(a)所示，锯齿形波的闩锁点逐渐下降，闩锁电路43的输出及环路滤波器44的输出如图6(b)、(c)所示在一侧逐渐下降。由于加法部45的环路滤波器44的输出侧的符号为“_”，因而，使从加法部45输入到DDS电路部46的直流电压上升。因此使从DDS电路部46输出的锯齿形波的频率变高，在向DDS电路部46输入与5. IMHz对应的直流电压时，锯齿形波的频率达到5.1MHz，如图7(a) (c)所示被PLL锁住。此时，从环路滤波器44输出的直流电压为与A fre-(f2-f 1/3) = -0. IMHz对应的值。即环路滤波器44的积分值能够从5MHz变为
5.IMHz相当于锯齿形波发生变化时的0. IMHz的变化量的积分值。此外，5MHz及5. IMHz是为了便于说明的数值。在此，作为频率差检测部除频率差检测部4之外，还设置有频率差检测部5作为用于进行温度补偿的一部分功能，因此，出于补充频率差检测部的工作说明的观点，对Afre一方比(f2-fl/3)大的情况的工作ー并进行说明。该情况下，设例如Afre为5.1MHz，(f2-fl/3)为5MHz。由于锁存用的脉冲的周期比锯齿形波长，因而，如图6(a)所示的闩锁点逐渐变高，与此同时，也使闩锁电路43的输出及环路滤波器44的输出上升。由于因此而使加法部45减去的值变大，因而锯齿形波的频率逐渐下降，不久，在达到与(f2-fl/3)相同的5MHz吋，PLL被锁闭。此时，从环路滤波器44输出的直流电压成为与A fre-(f2_f 1/3)=0. IMHz对应的值。图8为实测数据，在该例中，在时刻t0，PLL被锁闭。实际上频率差检测部4的输出即如图4所示的平均化电路47的输出为用34比特的数字值表示[(f2-fl/3)/(fl/3) ] -[ (f2re-flre/3) / (flre/3)]这ー值的值。另外，由于在触发电路41中f2被fl/3锁闭的工作为非同步，因而亚稳度(在用时钟的边缘对输入数据进行锁存时，锁存的边缘前后需要在一定时间保持输入数据，通过时钟和输入数据几乎同时发生变化使输出成为不稳定的状态)等的不定区间也可能产生，环路滤波器44的输出中有可能含有瞬时误差。由于在上述的PLL中将环路滤波器44的输出用作与温度对应的值即Afre和(f2-fl/3)的差，在因而环路滤波器44的输出侧设有在预先设定的时间求出输入值的移动平均的平均化电路47，即使产生上述瞬时误差也将被取出。通过设置平均化电路47，最終可高精度获取频率偏移信息。将从PLL的环路滤波器44经由平均化电路47取出的信息输入到经时变化修正值运算部6。下面，对来自第一振荡电路I的频率信号的频率f I和来自第三振荡电路3的频率信号的频率f3的方面加以说明。此外，设来自第三振荡电路3的频率信号及其频率都用f3表示。图2中，5为频率差检测部，频率差检测部5若用简单的说法，就是用于获得fl和f3的差和Afrt的差，S卩AF’= f3-fl_Afrt的电路部。此外，更准确地说，与频率差检测部
4同样 A F，就是[(f 1-f lrt) /f lrt] - [ (f3-f3rt) /f3rt] A frt是基准温度例如为25°C时f3和fl的差。如图4所示，频率差检测部5为与上述频率差检测部4相同的构成，符号51 57表示的是分别相当于符号41 47所示 的部位。此外，在求出上述的AF和AF’时，也可以使用共用的频率差检测部(4或者5)切換信号进行运算。由频率差检测部5得到的频率偏移信息在该例中A frt-(f 3-f I)与、温度检测值对应。S卩，Afrt-(f 3-f I)随温度而变化，另外，由频率差检测部4求出的A fre-(f 2-f 1/3)也随温度而变化。因此，分别由频率差检测部4、5得到的AF、AF’保持一定的关系。即，由于A F相对于温度按规定的关系变动，因而将AF’看作是温度检测值，预先以温度为介质求出AF和AF’的关系，如在实施方式的概要中说明的那样，根据AF’的值求出包含于AF的温度变动量。进行这种运算的部分就是温度变动量计算部7。在说明温度变动量计算部7之前，參照图9 图12来说明A FlP A F包含的温度变动量。图9是表示将fl、f2及f3按基准温度进行归一化，温度和频率的关系的特性图。此处所谓的归一化是指例如设25°C为基准温度，对温度和频率的关系是设基准温度时的频率为零，求出频率偏离基准温度时的频率的频率偏移量和温度的关系。若将在25°C时的第 一 第三振荡电路I 3的频率分别设为flr、f2r及f3r，即，设25°C时的fl、f2、f3的值分别为 fir、f2r、f3r，则图 9 纵轴的值为(fl-flr)、(f2_f2r)及(f3_f3r)。另外，图10是关于图9所示的各温度的频率，表示相对于基准温度(25°C )时的频率的变化率。因此，图10纵轴的值为(fl-flr)/fir、(f2-f2r)/f2r及(f3_f3r)/f3r，设这些值分别用0SC1、0SC2及0SC3表示。此外，图10纵轴的值的单位为ppm。在此返回到频率差检测部4的说明，如上所述，在本实施方式中，频率差检测部 4 不是(f2-f2re)-(fl/3-flre/3) = f2-fl/3-Afr 本身的，而是将[(f2-fl/3)/(fl/3) ] - [ (f2re-flre/3) / (flre/3)]作为运算值。而且，表示用34比特代表该运算值的数字值和温度的关系的特性曲线实质上与表示0SC2-0SC1和温度的关系的特性曲线相同。因此，频率差检测部4能够进行求0SC2-0SC1的运算。即，表示各频率按多大的比率偏离基准温度的比率值是求出f2的比率和fl的比率的差。由于向闩锁电路43输入与(f2-fl/3)对应的频率信号，向PLL环路中输入锯齿形波，因而，能够以进行这样的计算的方式组装电路。若频率差检测部4的输出为34比特的数字值，则例如每I比特分配0. 058 (ppb)的值，0SC2-0SC1的值得到0. 058 (ppb)以下的精度。此外，能够将每I比特设定为0. 058 (ppb)的值的根据是基于后述的(2) (4)式。图11表示(0SC2-0SC1)和温度的关系及(0SC3-0SC1)和温度的关系。(0SC2-0SC1)相对于温度脱离直线，换言之，其直线性差，而(0SC3-0SC1)相对于温度直线性好。其原因在干，f3、fl都是谐波，本发明的发明人掌握了该差和温度保持良好的比例关系的情況。因此，将(0SC3-0SC1)用作温度检测值。图12中，横轴采用温度检测值即(0SC3-0SC1)的值，纵轴采用(0SC2-0SC1)的值。具体而言，为了抑制温度检测值的比特数，横轴采用对温度检测值进行了归ー化后的值。例如确定将振荡装置用于实际的上限温度及下限温度，设上限温度时的(0SC3-0SC1)的值为十1，设下限温度时的(0SC3-0SC1)的值为
~ I o在该例中，将图12的线设为曲线，通过最小二乗法推导出9次多项近似式系数。而且将多项近似式系数预先保存在包含于温度变动量计算部7的存储器，温度变动量计算部7使用这些多项近似式系数进行(2)式的运算处理。Y = Pl X9 十 P2 X8 十 P3 X7 十 P4 X6 十 P5 X5 十 P6 X4+P7 X3+P8 X2+P9 X......(2)
(I)式中X为频率差检测信息，Y为修正数据，Pl P9为多项近似式系数。在此，X为由图I所示的频率差检测部5得到的值，即由图4所示的平均化电路57得到的值(0SC3-0SC1)。图13表示用于使温度差变动量计算部7执行运算的框图之一例。图13中，401 409为进行(2)式的各项运算的运算部，400为加法部，410为进行舍入处理的电路。此外，也可以温度变动量计算部7例如使用I个乘法部，由该乘法部求出9次方项的值，然后，由该乘法部求出8次方项的值的做法中，反复使用该乘法部，最終将对各次方的值加在一起。另外，修正值的运算式不限于使用9次多项近似式，而是也可以使用符合所要求的精度的次方的近似式。按上述方法将由频率差检测部4得到的频率差信息和由温度差变动量计算部7得到的信息输入到图2所示的经时变化修正值计算部6。图14是表示经时变化修正值计算部6的详情的图，61为加法部。如上所述，由于由温度差变动量计算部7得到的信息与由频率差检测部4求出的包含于经时变化修正用频率差信息即AF= A fre-(f2-f 1/3)的温度变动量的值相对应，因而其可以是经时变化修正时温度变动量消除数据。加法部61从AF中减去上述消除数据，求出基于通过驱动如前面的图1(b)所示的晶体振子引起的经时变化(老化特性)的真实的AF。图15是与图1(b)对应的图，如在本发明实施方式的概要中列举(I)式说明的那样，若得知AF则可使用预先求出的相对于(f2-f2re)的(fl_fIre)/3的比率m求出Afb=(fl-flre)/3。进行该运算的部位是图14所示的乘法部62。另外，乘法部62的后级有闩锁电路63，由经时变化修正触发信号将Afb锁存并从经时变化修正值计算部6输出。该触发信号从对振荡装置进行控制的未图示的控制部送出，可由操作员选择输出触发信号或不输出触发信号。以上的说明是关于供给振荡装置的控制电路部200的时钟fl求出经时变化的频率变动量的方法，在不用于OCXO的情况下，优选也对fl的温度变动量进行补偿。因此，由温度检测部来检测温度，基于温度检测值和fl的关系，具体而言就是对基准温度进行了归一化后的温度和相对基准温度时的频率的频率变化量的关系，求出fl的温度变动量即温度修正数据A fa,需要使A fa与上述A fb相加。图2的用符号9表示的部分为进行该运算的加法部。在本实施方式中，作为温度检测部使用了由用作时钟的第一晶体振子10、第一振荡电路I、第三晶体振子30、第三振荡电路3、频率差检测部5及温度修正值计算部8构成的部分。在求出频率差检测部5的输出即相当于温度检测值的AF’=f3-fl_Afrt的作业之前，与以前的温度修正数据Afa的计算作业相同，而不同之处在于，在温度修正值计算部8中使用AF’求出fl的温度变动量。图16表示(0SC3-0SC1)和温度的关系及OSCl和温度的关系，图17基于图16，横轴采用温度检测值即(0SC3-0SC1)的值，纵轴采用-OSCl的值。此外，具体而言，如上所述，横轴采用将温度检测值进行了归ー化后的值。在该例中，对图17的曲线通过最小二乗法推导出9次多项近似式系数。而且，将多项近似式系数预先存储在包含于温度修正值计算部的存储器，温度变动量计算部8使用这些多项近似式系数进行运算处理。此外，该运算处理例如在改变系数的基础上使用(2)式进行。
将这样得到的温度修正数据Afa和经时变化修正数据Afb由加法部9(參照图2)做加法而得到修正值。图2所示的DDS201以第一振荡电路I 输出的频率信号fl为エ作时钟输出參照时钟信号，由于频率信号fl的经时变化及温度变化，參照时钟信号的频率改变。另ー方面，向图2所示的控制部200输入由与用于设定电压控制振荡器100的输出频率的设定值相对应的数字值构成的频率数据，通过从上述加法部9得到的修正值来修正上述频率数据。具体而言，例如通过设置于加法部9的后级的加法部90使该修正值和频率数据相加，将该加法值输入到DDS201。这样，通过修正频率数据，可以补偿DDS201的工作时钟fl的经时变化量及温度变化量。其结果是，使本实施方式的振荡装置I的输出即电压控制振荡器100的输出频率不管基于晶体振子的经时变化的频率变动和基于温度变化的频率变动都达到稳定。因此，能够实现高稳定性、高精度的振荡装置。此外，关于输入到图2的加法部9的外部修正数据，由于作为本实施方式的变形例使用，因而将在以后加以说明。在本实施方式中，如图2所示第一 第三晶体振子10 30使用共用的晶体片Xb构成，彼此热结合，因而振荡电路I 3的频率差是与环境温度极为准确地对应的值，因此， 能够高精度地进行上述的温度补偿、经时变化补偿。此外，也可以由单独的晶体片构成第一 第三晶体振子10 30，将它们配置于共用的容器内使其与环境温度一致。此外，在本实施方式中，利用了晶体振子在基波中的经时变化比谐波大的特点，并使用基波和谐波的差来修正第一振荡电路的输出频率。另外，还利用了谐波温度变化的变动量大，谐波间的特性之差比温度变化大的特点，针对温度补偿使用了谐波。因此，具有能够以高的精度进行与晶体振子的经时变化、温度变化对应的频率补偿的优点。另外，为了求出频率差信息，而生成例如f2和fl/3的差频率的脉冲，将从DDS电路部46输出的锯齿形波信号通过上述脉冲锁存在闩锁电路43，对锁存的信号值进行积分，将其积分值作为上述频率差输出，同时，推导出与该输出和f2r和flr/3的差对应的值的差，将其输入到上述DDS电路部46而构成PLL。在对频率差进行计数而得到其差的情况下，计数时间直接影响到检测精度，但是，在上述的构成中，具有因不存在这样的问题因而检测精度高的优点。频率差检测部3的DDS电路部46的输出信号不限于锯齿形波，只要是随时间一起使信号值反复増加、減少的频率信号即可，例如也可以是正弦波。此外，为了求出频率差，也可以是使用频率计数电路求出各计数值的差的方法。此外，也可以构成为能够选择以下一种状态将第二晶体振子20连接于第二振荡电路2的状态；和将第二晶体振子20连接于第三振荡电路3的状态。作为这样的例子，能够举出以使第二振荡电路2与第三振荡电路3共用化，并且能够在基波振荡用的电路要素与3次谐波用的电路要素之间切换共用化后的振荡电路的一部分的方式构成振荡电路的例子。在该例中，将第二晶体振子20连接于第二振荡电路2的状态是使用基波振荡用的电路要素的状态，将第二晶体振子20连接于第三振荡电路3的状态是使用3次谐波用的电路要素的状态。在这样的例子中，总是选择将第二晶体振子20连接于第三振荡电路3的状态，通过来自温度修正值计算部8的输出，对fl进行温度补偿。而且，定期地例如I个月I次或6个月I次短时间地选择将第二晶体振子20连接于第二振荡电路2的状态。在将第二晶体振子20切換到第二振荡电路2吋，从温度修正值计算部8输出在即将从第三振荡电路3切换到选择第二振荡电路2之前的温度修正数据Afa。此外，在将第二晶体振子20切換到第三振荡电路3吋，从经时变化修正值计算部6输出在即将从第二振荡电路2切換到选择第三振荡电路3之前的经时变化修正数据Afb。因此，在该例中，经时变化修正数据Afb定期地被更新。此外，也可以在第二晶体振子20和第二振荡电路2和第三振荡电路3之间设置开关部，通过切换开关部，能够选择上述2种状态。虽然是重复的说明，但是，在本实施方式中，所谓与f2和f2re的差对应的值是指[(f2-f2re) /f2re] ( = 0SC2)，所谓与 fl/3 和 flre/3 的差对应的值是指[(fl-flre) /fire](=0SC1)，所谓与这些值的差值对应的值是指0SC2-0SC1。但是，频率差检测部3采用对应于与f2和f2re的差对应的值和与fl/3和flre/3的差对应的值的差值的值，根据图I的说明，当然也可以使用f2-f2re和fl/3-flre/3的差值本身。
在上述的实施方式中，在图10 图12的说明中，将频率的变化量用“ppm”单位来表示，而在实际的数字电路中全都是用ニ进制的处理，因而DDS电路46的频率设定精度按构成比特数来计算，例如为34比持。列举一例如下，在向包含于如图I所示的控制电路部200的DDS电路部201提供IOMHz的时钟的情况下，在该时钟的变动频率为IOOMHz的情况下，[变动比率计算]100Hz/10MHz = 0. 00001[ppm 換算]0. 00001*le6 = 10 (ppm)[DDS设定精度換算]
0.00001*2 八 34N 171,799[ratio_34bit (暂称)]。在上述的情况下，上述频率设定精度可用下面的(2)式表示。
lX[ratio_34bit] = 10M[Hz] / 2 八 34 N0.58m[Hz / bit]…(2)因此，100[Hz]/ 0.58m[Hz / bit] N 171,799[bit (ratio—34bit)]。另外，0. 58mHz相对于10MHz可按下面的(3)式进行计算。
0.58m[Hz] / 10M[Hz]*le9N0.058 (ppb)…(3)因此，根据(2)、(3)式，(4)式的关系成立。le9/2'34 = 0. 058 [ppb/ratio_34bit]... (4)S卩，被DDS电路46处理后的频率消失，成为只有比特数的关系。此外，在上述的例中，第一晶体振子10及第ニ晶体振子20使用了共用的晶体片Xb，但是不使晶体片Xb共用化也可以。该情况下，可列举例如共用的框体中配置有第一晶体振子10及第ニ晶体振子20的例。另外，作为温度补偿用从第二晶体振子20使用了谐波信号，但是也可以与第一晶体振子10及第ニ晶体振子20分开设置第三晶体振子，从第三晶体振子得到温度补偿用的频率信号f3。由加法部9得到的修正值不限于像上述的实施方式那样使用，在振荡装置的输出频率发生经时变化及因温度而变动的情况下，只要是使用修正值以能够使输出频率的变动量相抵消的方式进行补偿的构成即可，也可以用其它方法进行修正。本发明以利用上述第一振荡电路I的输出生成振荡装置的输出为前提，作为其实施方式，在上述的实施方式中是将从第一振荡电路I得到的频率信号fl用作图I所示的控制电路部200 (具体地说是DDS电路部201)的基准时钟。但是，作为利用第一振荡电路I的输出生成振荡装置的输出的方式，也可以是像普通的TCXO那样将第一振荡电路I的输出直接用作振荡装置的输出的方式。作为TCXO之一，有产生与基准温度时的晶体振子的频率对应的补偿电压，使该基准电压与由温度检测器检测的温度值相对应的补偿电压相加的装置，而作为该情况下的补偿电压也可以使用由加法部9得到的修正值。以上对输入到图2的加法部9的“外部修正数据”进行了说明。在飞托姆基站等要求使用的时钟的频率稳定性为±30ppb以下，要求具有极高的稳定性。因此，对从GPS接收机、NTP服务器等得到的高精度、高稳定的时钟信号和从本发明的振荡装置输出的频率信号进行比较使用例如取出两者的相位差的PLL等电路部，求出与其差对应的修正值，将该修正值作为“外部修正数据”输入到加法器9。因此，从加法器9输出的修正数据成为上述温度修正数据A fa、经时变化修正数据Afb和外部修正数据的加法值。 若进行更具体的说明，就是上述电路部具备在求出与上述的相位差对应的值之后，将该值在输入到图2的控制电路部200的控制电压和从VCX0100输出的频率的变化率的关系中，置换为符合频率的变化率的修正量的控制电压的修正量的功能。将该控制电压的修正量作为外部修正数据。这样，使得从振荡装置得到的频率信号精度更高、稳定性更高。另外，根据这样的使用方法，作为振荡装置虽然使用TCXO等所谓的稳定性低的振荡装置，但是能够生产高精度、高稳定性的时钟，能够用于在飞托姆基站等对时钟有高的要求的系统。而且，根据本发明，即使在来自外部例如来自NTP服务器等的高品质的时钟中断的情况下，在振荡装置的上位装置时总是使时钟数据按一定周期循环向存储器内进行存储，通过从存储器读出时钟中断之前(最接近)的时钟数据，也能够进行基于外部修正数据的类似的修正，并且，还可进行温度补偿、经时变化补偿。因此，对振荡装置的输出能够保持一定程度的精度，进而能够避免陷于系统停机。
权利要求
1.一种振荡装置，使用晶体振子，该振荡装置的特征在于，具备 在晶体片设置第一电极而构成的第一晶体振子； 在晶体片设置第二电极而构成的第二晶体振子； 分别与这些第一晶体振子和第二晶体振子连接的第一振荡电路和第二振荡电路；频率差检测部，其在设第一振荡电路的振荡频率为H、设基准时间的第一振荡电路的振荡频率为flrz、设第二振荡电路的振荡频率为f2、设基准时间的第二振荡电路的振荡频率为f2rz时，求得差值AF的值，其中，该差值AF的值为与f2和f2rz的差对应的值和与fl和Hrz的差对应的值的差值；和 经时变化补偿用的修正值取得部，其基于与由该频率差检测部检测出的与所述差值AF对应的值和经时变化的修正系数，取得基于时间从基准时间起经过的情况的fl的频率修正值，其中 所述经时变化的修正系数为相对于从基准时间起的工作时间的经过，第一振荡电路的频率变化量和第二振荡电路的频率变化量的比率， 振荡装置的输出利用所述第一振荡电路的输出而被生成， 基于由所述修正值取得部求得的所述频率修正值来修正所述输出频率的设定值。
2.如权利要求I所述的振荡装置，其特征在于 第一振荡电路的振荡频率fl为η次谐波，第二振荡电路的振荡频率f2为基波的频率， 所述差值AF为 [(f2-f2rz) /f2rz] - [ (f 1-flrz) /flrz]。
3.如权利要求I所述的振荡装置，其特征在于 所述经时变化的修正系数为在基准温度设定的值， 所述振荡装置具备 对放置有所述第一晶体振子和所述第二晶体振子的气氛温度进行检测的温度检测部；和 温度补偿用计算部，其在基准时间，基于从基准温度起的温度变化量和相对于在基准温度的所述差值AF的变动量的关系，以及由所述温度检测部求得的气氛温度，求出因所述差值△ F包含的温度变化所引起的变化量， 所述修正值取得部使用从所述差值ΛF减去由所述温度补偿用计算部计算出的变化量而得的值来取得Π的频率修正值。
4.如权利要求I所述的振荡装置，其特征在于，具备 对放置有所述第一晶体振子和所述第二晶体振子的气氛温度进行检测的温度检测部；和 温度补偿用的修正值取得部，其基于与由该温度检测部检测出的温度对应的信号和该信号与第一振荡电路的振荡频率Π的频率修正值的关系，取得因环境温度偏离基准温度而引起的fl的频率修正值， 基于由所述经时变化用的修正值取得部求得的所述频率修正值和由所述温度补偿用的修正值取得部求得的所述频率修正值，修正所述输出频率的设定值。
5.如权利要求I所述的振荡装置，其特征在于 频率差检测部具备脉冲生成部,其生成所述π和f2的差频率的脉冲； DDS电路部,其按与所输入的直流电压的大小相应的频率,输出信号值随着时间而反复增加、减少的频率信号； 闩锁电路，其使从所述DDS电路部输出的频率信号被由所述脉冲生成部生成的脉冲锁存； 环路滤波器，其对被该闩锁电路锁存的信号值进行积分，将其积分值作为与所述差值对应的值输出；和 加法部，其取出该环路滤波器的输出和与flrz和f2rz的差对应的值的差，使其成为向所述DDS电路部输入的输入值。
6.如权利要求I所述的振荡电路，其特征在于 第一晶体振子的晶体片和第二晶体振子的晶体片共用。
全文摘要
本发明提供一种振荡装置，其对振荡频率随晶体振子的工作时间的推移而发生的变化进行补偿从而得到稳定的振荡频率。其求出从基准时间经过规定时间后第一及第二晶体振子的频率差和在基准时间第一及第二晶体振子的频率差的的差值ΔF(即，对第一晶体振子的频率从基准时间起的变化量和对第二晶体振子的频率从基准时间起的变化量的差值ΔF)。对从基准时间起经过的时间，设第一晶体振子频率的变化量和第二晶体振子频率的变化量的比率相同并使该此时的该比率为经时变化的修正系数，基于与差值ΔF对应的值和经时变化的修正系数，对用于生成振荡装置的输出的晶体振子的频率取得修正值。
文档编号H03B5/04GK102655391SQ20121004889
公开日2012年9月5日 申请日期2012年2月28日 优先权日2011年2月28日
发明者小林薰, 赤池和男 申请人:日本电波工业株式会社