DE3145245C2

DE3145245C2 - Thermometer mit einem Quarzkristallschwinger

Info

Publication number: DE3145245C2
Application number: DE3145245A
Authority: DE
Inventors: Eishi Suwa Nagano Momosaki; Michiaki Takagi
Original assignee: Suwa Seikosha KK
Current assignee: Suwa Seikosha KK
Priority date: 1980-11-18
Filing date: 1981-11-13
Publication date: 1985-11-14
Also published as: DE3145245A1; US4468634A; CH653853GA3

Abstract

Beschrieben wird ein Thermometer, das einen Quarzkristallschwinger als Temperaturfühler verwendet, der zwei Schwingungsweisen besitzt, von denen die Frequenz der einen temperaturabhängig und die Frequenz der anderen temperaturstabil ist. Es wird ferner eine einzige Oszillatorschaltung beschrieben, die ein der temperaturstabilen Frequenz entsprechendes erstes Ausgangssignal und ein der Differenz der beiden Frequenzen entsprechendes temperaturabhängiges Ausgangssignal erzeugt. Die Frequenz des Differenzsignals wird unter Zuhilfenahme eines vom ersten Signal abgeleiteten Taktsignals gemessen und als Temperatur angezeigt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Thermometer mit einem Quarzkristallschwinger als Temperaturfühler gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine für die Verwendung bei einem solchen Thermometer geeignete Oszillatorschaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8.

Bekannte Thermometer benutzen als Temperaturfühler einen Thermistor, ein Thermoelement, die Basis-Emitter-Diode eines Transistors, einen Quarzkristall-Dickenscherschwinger etc. Ausgenommen den Schwinger ist bei diesen Temperaturfühlern, will man eine digitale Temperaturanzeige erreichen, erforderlich, daß eine Spannung oder eine andere analoge Größe, die eine Funktion der gemessenen Temperatur ist, in einen entsprechenden Digitalwert umgesetzt wird. Dies führt zu einer Meßvorrichtung mit erheblicher körperlicher Größe und mit großem Leistungsverbrauch. Wird ein Quarzkristallschwinger als Temperaturfühler eingesetzt, dann kann die Temperatur grundsätzlich mit Hilfe eines Frequenzzähiers gemessen werden, da beim Quarzkristallschwinger die Frequenz als temperaturproportionale Größe erfaßt werden kann. Dickenscherschwinger sind jedoch groß, schwingen bei einer hohen Frequenz von etlichen MHz und verbrauchen eine erhebliche elektrische Leistung, was sie für viele Anwendungszwecke ungeeignet macht

Aus der DE-OS 26 OO 256 ist ein Thermometer nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt Bei diesem Thermometer wird ein als Vierpol ausgebildeter Schwinger mit zwei vollkommen getrennten Oszillator-Schaltungen verbunden, d. h. bei diesem Thermometer sind lediglich die aus dem weiteren Stand der Technik bekannten zwei Schwinger in eine einzige Quarzplatte integriert, ohne aber das Prinzip, zwei verschiedene Schwingungsfrequenzen mit zwei vollkommen getrennten Oszillatorschaltungen zu erzeugen, aufzugeben. Der Quarzkristallschwinger des bekannten Thermometers erfordert also wenigstens zwei an je eine von zwei Oszillatorschaltungen angeschlossene Elektrodenpaare, von denen jedes mit einer der beidt-.; Schwingungsformen des Schwingers piezoelektrisch stark gekoppelt und von der anderen völlig entkoppelt seir muß. Bei dem Schwinger handelt es sich um eine kreisförmige oder viereckige Quarzplatte, deren beide voneinander unabhängige Schwingungsformen Dickensscherschwingungen sind. Abgesehen von der Notwendigkeit zweier gesonderter Oszillatorschaltungen besitzt dieses bekannte Thermometer die im vorgenannten Absatz angegebenen Nachteile.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein einfaches und kleines Thermometer zu schaffen, das mit geringen Kosten auf den Markt gebracht werden kann und als Temperaturfühler einen kleinen Quarzkristallschwinger verwendet, der zwei Schwingungsarten besitzt und allgemein als TM-(Twin mode)-Schwinger bezeichnet wird. Zugleich soll mit der Erfindung eine Oszillatorschaltung geschaffen werden, die «ich für den Einsatz bei einem solchen Thermometer besonders eignet Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 bzw. 8 gelöst

Mit der Erfindung wird es möglich, ein als Massenartikel billig zu lieferndes Thermometer zu schaffen, das bei Bedarf auch mit einer Präzisionsuhr kombiniert werden kann, wobei als Zeitstandard für die Uhr der TM-Schwinger mit ausgezeichneter Frequenz-Temperatur-Kennlinie dient und sowohl die Zeit als auch die Umgebungstemperatur anzeigbar sind.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprächen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 in einer grafischen Darstellung die Frequenz-Temperaturkennlinien eines Stimmgabel-Kombiquarzkristallsonwingers, allgemein als TM-Schwinger bekannt, F i g. 2 eine gleichzeitig mit zwei Frequenzen schwingende ösziilatorschaltung,

Fig.3(a) und 3(b) ein Prinzipschaltbild einer Oszillatorschahung gemäß der Erfindung, die die gleiche Funktion wie die Schaltung von F i g. 2 besitzt, bzw. das Ersatzschaltbild eines TM-Schwingers,

F i g. 4 und 5 Schaltbilder anderer Ausführungsformen der Oszillatorschaltung gemäß der Erfindung,

F i g. 6 die Zeitverläufe von Signalen an wesentlichen Punkten in den Oszillatorschaltungen der F i g. 4 und 5, F i g. 7 das Frequenzspektrum der Spannung an den Punkten [4], [4'] der Schaltungen der F i g. 4 und 5,

F i g. 8 das Schaltbild einer weiteren Ausführungsform eines Amplitudenmodulators, der bei den Oszillatorschaltungen gemäß dei Erfindung eingesetzt werden kann,

F i g. 9 das Schaltbild einer weiteren Ausführungsform der Oszillatorschaltung gemäß der Erfindung mit einem TM-Schwinger, der die Kennlinien von F i g. 1 besitzt, F1 g. 10 ein Blockschaltbild eines Thermometers gemäß der Erfindung und

F i g. 11 ein Zeitdiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise der Schaltung von F i g. 10.

F i g. 1 zeigt die Frequenz-Temperaturkennlinie eines beirr, erfindungsgemäßen Thermometer eingesetzten Quarzkristallschwingers. Der Schwinger besitzt eine geringe Größe mit Abmessungen von 0 2x6 mm und hat die Form einer Stimmgabel. Der Schwinger schwingt in einer Kombination von Biegeschwingungen und Torsionsschwingungen. In dieser Doppelschwingung arbeiten Quarzkristalle, wenn eine sehr gute Frequenz-Tempcraturkennlinie in Form einer kubischen Funktion erwünscht ist, bei der die lineare oder quadratische Frequenz-Temperaturkennlinie, die Quarzkristalle normalerweise haben, kompensiert ist.

In Fig. 1 ist auf der Abszisse die Temperatur in ⁰C und auf der Ordinate die Schwingungsfrequenz in kHz aufgetragen. Mit fc ist die Frequenz-Temperaturkennlinie eines Biegeschwingungen ausführenden Schwingers eo

bezeichnet. Der Temperaturgang —j- (T) der normierten Frequenz besitzt einen Temperaturkoeffi:-:ienten dritten Grades γ = 2 χ 10-"/⁰C³, und der Betrag von Jf/f im Temperaturbereich von —10 bis 60°C liegt bei 1 bis 2 ppm. Die Änderung einer Frequenz fc = 200 kHz liegt bei ungefähr 0,4 H". Die Torsionsschwingung ergibt eine Resonanzfrequenz, die etliche kHz niedriger als die der Biegeschwingung liegt. Der Temperaturgang der Frequenz der Torsionsschwingung (in F i g. 1 mit fb bezeichnet) ist in einem weiten Temperaturbereich annährend linear und hat einen ausreichend großen Temperaturkoeffizienten erster Ordnung <Xb = 40—50ppm/°G Beim Thermometer gemäß der Erfindung wird die Frequenz fc des Schwingers sowohl als Frequenznormal als

auch als Zeitnormal verwendet, während fb oder Af = fc—fb der für die Temperaturmessung eingesetzte Parameter ist.

F i g. 2 zeigt eine herkömmliche Oszillatorschaltung, von der gleichzeitig eine von zwei Resonanzfrequenzen eines Schwingers und eine Frequenz abgenommen werden können, die gleich der Differenz zwischen den beiden Resonanzfrequenzen ist. EX-ODER-Glieder 11,13 sind jeweils an einem Eingang auf dem Binärwert 0 gehalten und dienen als jeweilige Verstärker in zwei Oszillatorschleifen. Widerstände 14, 15 und ein Kondensator 17 dienen als Phasenschieber zur Verzögerung der Phase der Ausgangssignale von den EX-ODER-Gliedern 11,13, damit hierdurch die Phasenbedingung für die Schwingung zur Stabilisierung der Schwingungsfrequenzen verbessert wird. 16 ist ein Schwinger, etwa ein Quarzkristallschwinger, ein keramischer Schwinger oder ähnliches, ir; der eine Güte Q von 10 000 oder mehr haben muß. Ein Kondensator 18 und eine Spule 20 einerseits sowie ein Kondensator 19 und eine Spule 21 andererseits sind auf jeweilige Schwingungsfrequenzen abgestimmt, um aus dem am Ausgang Odes Schwingers 16 erzeugten Signal der kombinierten Frequenzen fb, fc diese Frequenzen getrennt herauszufiltern, in der Phase zu invertieren und zu den als Verstärker dienenden EX-ODER-Gliedern 11,13 zurückzuführen. Ein ebenfalls aus einem EX-ODER-Glied bestehender Verstärker 12 dient als Pufferverstärker für das Signal der Frequenz fc. 10 ist ein Schaltungsteil, das gleich dem Verstärker 12 ist und dazu dient, die Signale der Frequenzen fb, fc zu mischen. Ein Tiefpaßfilter 22 läßt von dem Mischsignal ein solches der Frequenz A/an einen Ausgang hindurch, ///ist die Differenz zwischen den Frequenzen fb und fc. Die Schaltungsteile 10,11,12 und 13 sind vorzugsweise alle aus MOS-Feldeffekttransistoren aufgebaut.

Bei dieser in F i g. 2 gezeigten Schaltung ergeben sich Probleme, wenn die beiden Frequenzen fb und fc nahe beieinanderliegen. Wenn das Verhältnis der Differenzfrequenz Jf zur Frequenz fb oder fc 10~³ beträgt, muß der abgestimmte Resonanzkreis aus Kondensator 18, Spule 20, Kondensator 19 und Spule 21 eine Güte Q von 10³ oder höher besitzen, sollen nicht Schwierigkeiten bei der Frequenztrennung mittels dieser LC-Schwingkreise auftreten. Wenn die Schwankungen der Differenz zwischen den Frequenzen fb und fc größer ist als die Bandbreite des Schwingkreises, dann müssen Induktivität und Kapazität des Schwingkreises jeweils angepaßt werden.

Mit der Oszillatorschaltung gemäß der Erfindung lassen sich diese Probleme, wie nachstehend erläutert, beseitigen.

Der prinzipielle Aufbau einer Oszillatorschaltung gemäß der Eri^idung ist in F i g. 3 (a) gezeigt Verstärker 20, 21 üben in jeweiligen Oszillatorschleifen für die Frequenzen fc und ///entweder eine invertierende oder eine nicht-invertierende Verstärkung aus. Ein Amplitudenmodulator 22 bewirkt eine Amplitudenmodulation des Signals der Trägerfrequenz fc mit dem Signal der Modulationsfrequenz Af. F.in Schwinger 23 besitzt zwei eng benachbarte Resonanzfrequenzen. Der Kondensator 24 dient als Bürdekapazität für den Schwinger 23. Ein Detektor oder Demodulator 25 demoduliert das amplituden-modulierte Signal, das den Schwinger durchlaufen hat, so daß ein der Umhüllenden des modulierten Signals entsprechendes Demodulationssignal gewonnen wird. 26 und 27 sind Pufferverstärker für die Signale der Frequenzen fc bzw. Af, während 28 und 29 Ausgangsanschlüsse bezeichnen.

F j g. 3 (b) 7?igt ein Ersatzschaltbild des Schwingers 23 von F i g, 3 (a).- Ein Resonanzkreis mit den Komponenten Lb, Cb und Rb stellt das Ersatzschaltbild für eine Schwingung bei der Frequenz fb und ein Resonanzkreis mit den Elementen Lc, Cc und Rc ein Ersatzschaltbild für eine Schwingung bei der Frequenz fc dar. Co stellt die elektrostatische Kapazität zwischen den Elektroden dar.

Die in den F i g. 3 (a) gezeigte Oszillatorschaltung arbeitet wie folgt Es wird angenommen, daß der Schwinger zwei Schwingungsfrequenzen fb und fc besitzt, denen jeweils eine Ersatzimpedanz Zb, Z_c zugeordnet ist, wobei die Frequenzen so angenommen seien, daß Z₆ > Zc Unter dieser Voraussetzung entsteht zunächst ein Spannungssignal der Frequenz fc. Wird dieses als Trägersignal mit dem Signal der Modulationsfrequenz /i/amplitudenmoduliert, dann setzt sich das amplituden-modulierte Signal an dem mit 1 bezeichneten Eingang des Schwingers 23 aus den drei Frequenzkomponenten, fc, fc ± Af und höheren Harmonischen zusammen. Nach Durchlauf durch den Schwinger 23 umfaßt das amplkiiden-modulierte Signal eine Spannung der drei Frequenzkomponenten fc und fc ± Af, die an dem mit 2 bezeichneten Ausgang des Schwingers 23 erscheint Die übrigen Frequenzkomponenten werden durch die Filterwirkung des Schwingers 23 entfernt Die Komponenten fc + Af und fc— ///erscheinen am Ausgang des Schwingers 23, da dessen Arbeitspunkt so gewählt ist daß er in einem Bereich liegt wo die Spannung zur Ansteuerung des Schwingers in einem linearen Verhältnis zur Auslenkung cies Schwingers ist so daß am Ausgang des Schwingers eine der Eingangsspannung proportionale Spannung auftreten kann. Der Verstärker 21 in der Oszillatorschleife für die Frequenz ///ist in dem Schwankungsbereich der Frequenz Af mit einem konstanten Verstärkungsmaß und einem konstanten Phasenmaß versehen. Bei einer solchen Anordnung ist die Verstärkung der Spannungsübertragungsfunktion einer geschlossenen Schleife, die den Schwinger 23, den Demodulator 25, den Amplitudenmodulator 22 und den Verstärker 21 enthält maximal für Af = \fc—fb\ eine Frequenz, auf die die Oszillatorschleife für Af als Schwingungsfrequenz verriegelt ist Mit dieser Oszillatorschaltung gemäß der Erfindung kann direkt und leicht ein Signal einer Frequenz, die die Differenz zwischen zwei Resonanzfrequenzen eines Schwingers ist erhalten werden.

Die F i g. 4 und 5 zeigen spezielle Schaltungsanordnungen, die auf der Basis des anhand von F i g. 3 erläuterten Prinzips aufgebaut sind. Die Oszillatorschaltungen der F i g. 4 und 5 unterscheiden sich hauptsächlich dadurch voneinander, daß die Oszillatorschaltung von F i g. 4 bei einer Güte O des Schwingers von 10 000 oder weniger schwingen kann, während die Oszillatorschaltung von F i g. 4 in der Lage ist bei einer Güte O von 10 000 oder höher stabil zu schwingen.
Der Aufbau der Oszillatorschaltungen soll nun im einzelnen beschrieben werden.

In F i g. 4 ist 300 ein Modulator, der aus einem C-MOS-NOR-Glied aufgebaut ist dessen Arbeitspunkt durch einen Widerstand 307 bestimmt wird 301,303,304 und 305 sind Verstärker, die je aus einem C-MOS-NOR-GIied mit zwei Eingängen, die miteinander verbunden sind, bestehen. Diese Verstärker können bei Erfüllung der

gleichen Funktionen auch durch Inverter gebildet werden. Widerstände 308,309,310 und 311 verbinden Eingang und Ausgang (Gate und Drain) der jeweiligen NOR-Glieder 301, 303, 304 bzw. 305 und dienen dazu, die Arbeitspunkte der Verstärker auf der halben Versorgungsspannung VDD zu halten. Ein Kondensator 320 verringert die Verstärkung des Verstärkers 304 im Bereich hoher Frequenzen und entfernt so aus dem Signa! der Frequenz Jf'nach der Demodulation Komponenten der Trägerfrequenz fc. Die beiden Verstärker 304 und 305 können durch einen einzigen nicht-invertierenden Verstärker ersetzt werden. Mit 302 und 306 sind Inverter bezeichnet, die als Pufferverstärker für die Signale der Frequenzen fc bzw. Jf'dienen. 322 ist der Schwinger, 321 eine Diode, 312 ein Lastwiderstand, 313 ein Widerstand, und 317 ein Kondensator. Der Widerstand 313 und der Kondensator 317 dienen der Glättung des niederfrequenzen Signals Jf, das durch Demodulation des modulierten Signals mittels der Diode erhalten wird. Die Zeitkonstante flCdieser beiden Elemente ist so ausgewählt, daß die Bedingung \lfc<RC< UJf erfüllt ist. Eine Bürdekapazität 314 für den Schwinger 322 dient der Einstellung der Schwingungsfrequenz. Koppelkondensatoren 315,316,318 und 319 dienen als Sperre für Gleichstromsignalkomponenten und sollten eine ausreichend große Kapazität aufweisen.

Die Zeitverläufe der Spannungen an wesentlichen Punkten der Oszillatorschaltung sind in F i g. 6 gezeigt. Ein Rechteckträgersignal [1] mit einem Tastverhältnis von 50% wird auf den Binärwert 0 geklemmt, wenn ein Modulationssignal [2] den Binärwert 1 besitzt. Auf diese Weise wird ein moduliertes Signal [3] erzeugt. Das Signal, das den Schwinger durchlaufen hat und mit [4] bezeichnet ist, ist eine amplituden-modulierte Sinuswelle. Bei den Signalen [3] und [4] sind der Träger sowie das Modulationssignal der Frequenz zi/miteinander in Phase. Der Reihenschaltung aus Schwinger und Kondensator entspricht daher >m Resonanzzustand im Ersatzschaltbild ein Widerstand. Wird der Kondensator entfernt, schließen die über dem Schwinger anliegende Spannung VQ und der ihn durchfließende Strom IQ einen Phasenwinkel ein, der im wesentlichen Null ist. Das heißt, die dem Schwinger gelieferte elektrische Leistung P ist P = VQ ■ IQ ■ cos Φ*> VQ ■ IQ, wobei Φ der Phasenwinkel zwischen Strom IQ und Spannung VQ ist. Die Leistung P ist groß genug, damit ein Schwinger mit einer geringen Güte Q schwingen kann. Das Signal [6], dessen Zeitverlauf in F i g. 5 gezeigt ist, erhält man durch Verstärkung des Signals [4\ nachdem dieses bezüglich seiner unteren Umhüllenden demoduliert wurde.

In Fig.5 sind 401, 402, 404 Inverter, die aus C-MOS-NOR-Gliedern mit zwei Eingängen bestehen, die miteinander verbunden sind. In Verbindung mit Widerständen 407,410 und einem Kondensator 420 stellen diese NOR-Glieder Verstärker dar. Ein NOR-Glied 403 und Widerstände 408 und 409 bilden einen Modulator. 400 und 405 sind Pufferverstärker für die Signale der Frequenzen fc bzw. Jf. Ein Detektor bzw. Demodulator enthält eine Diode 421, Widerstände 412 und 413 und einen Kondensator 418. Koppelkondensatoren 414,416,417,419 und hJO dienen dazu, Gleichstromkomponenten zu sperren. Ein Rückkopplungskreis der Oszillatorschleife für die Frequenz fc enthält einen Trimmerkondensator 425, einen Kondensator 415, einen Widerstand 411 und einen Schwinger 422. Die Anzahl der Inverterverstärker in der Oszillatorschleife für die Frequenz fc sollte ungerade sein. Der Zeitverlauf der Spannungen an wesentlichen Punkten dieser Oszillatorschaltung ist in F i g. 6 gezeigt. Bezüglich dieser Spannungen besteht der Unterschied zu jenen der Schaltung nach F i g. 4 darin, daß die Signale [3] und [4'] in bezug auf Jf in Phase, jedoch in bezug auf fc in Gegenphase sind. Die dem Schwinger gelieferte elektrische Leistung P ■ VQ ■ IQ ■ cos Φ ist gering, da sich der Phasenwinkel zwischen der am Schwinger anliegenden Spannung VQ und dem ihn durchfließenden Strom IQ 90° annähert. Daher ist die in F i g. 5 gezeigte Oszillatorschaltung für einen Schwinger mit einer hohen Güte Q geeignet. Der in F i g. 5 gezeigte Signalverlauf [5] wird erhalten, wenn man das Signal [4'] verstärkt und danach in bezug auf die obere Umhüllende demoduliert

F i g. 7 zeigt das mit Hilfe eines Spektralanalysators zu beobachtende Frequenzspektrum der Spannung am Punkt [1] in den Oszillatorschaltungen der F i g. 4 und 5. Die beobachtete relative Energieverteilung (Spektrum) der drei Frequenzkomponenten fc, fc ± Jf zeigt, daß die Energie der Trägerfrequenz fc am größten ist, während die des Seitenbands fc—Jf um etliche dBm größer als die des Seitenbands fc ± Jf ist Die Spannung der ursprünglichen amplituden-modulierten Welle kann wie folgt ausgedrückt werden:

e = A (1 -fm cos Jft) cos fet

wobei A die Amplitude des Trägers und m den Modulationsgrad bedeuten.
Diese Gleichung läßt sich umformen in

e = A cos fc ■ t + -y- A (cos (fc + JQt + cos (fc—Jf)t\

/T Λ²

Die Spektren der Seitenbänder werden bei Iy ¹¹¹AJ gleich. Der Grund, weshalb der Energiepegel L₂ der

Komponente fc—Jf grö&er als der Energiepegel L\ der Komponente fc + Jf ist, liegt darin, daß eine der beiden Resonanzfrequenzen des eingesetzten Schwingers mit der Frequenz des Trägers übereinstimmt und fb = fc—Jf ist Dies führt zur höheren Energie der Komponente fc—Jf.

F i g. 8 zeigt einen Modulator, der sich von denen der F i g. 4 und 5 unterscheidet Diese Modulatoren, die in ω den Schaltungen der F i g. 4 und 5 eingesetzt sind und aus C-MOS-NOR- und -NAND-Gliedern bestehen, sind insofern ungünstig, als der Träger voll auf den Binärwert 0 oder 1 geklemmt wird, was zu einer Spannungsspitze am Ausgang des Schwingers führt, so daß dieser lediglich als Kondensator wirkt Die Schaltung von F i g. 8 ist dazu ausgelegt, dieses Problem zu beseitigen und enthält ein Übertragungsglied 70, Widerstände 72 und 73 und einen C-MOS-Inverter 71. Der Widerstand 72 dient einerseits als Gleichstrom-Hochspannungswiderstand und andererseits als Nebenschlußwiderstand für den Träger zur Steuerung des Modulationsgrads. Der Widerstand 73 bestimmt den Arbeitspunkt des Inverters 71 dadurch, daß eine Gleichvorspannung, die halb so groß wie die Versorgungsspannung VDD ist, an das Gate des Inverters 71 angelegt wird. Wegen des Widerstands 73 bleibt

das Übertragungsglied 70 halbleitend, bis die Schwingung der Frequenz Af des Modulationssignals zuzunehmen beginnt, so daß das Trägersignal der Frequenz fc ansteigen kann. Die in F ι g. 8 gezeigte Schaltung kann die aus NOR-Gliedern aufgebauten Modulatoren, die in den F i g. 4 und 5 gezeigt sind, ersetzen.

Bei den beschriebenen Oszillatorschaltungen gemäß der Erfindung erzeugt der eingesetzte Schwinger zwei Resonanzfrequenzen, von denen die eine, nämlich die Trägerfrequenz fc eine geringe Temperaturabhängigkeit aufweist, während die andere, d. h. die Frequenz fb sich stark mit der Temperatur ändert. Daher kann die Frequenz fc als Frequenznormal und die Frequenz fb als Signal zur Temperaturmessung verwendet werden, so daß diese Oszillatorschaltungen als Temperaturfühler eingesetzt werden können. Die Oszillatorschaltungen können zur Schaffung eines kleinen Temperaturfühlers mit geringem Leistungsbedarf auf einem einzigen IC

ίο Chip hergestellt werden.

F i g. 9 zeigt eine Oszillatorschaltung, die der der F i g. 4 ähnlich ist und in der Lage ist, gleichzeitig Signale der beiden Frequenzen zu erzeugen, die der Schwinger besitzt. Auf der Grundlage dieser Schaltung soll nachfolgend das erfindungsgemäße Thermometer erläutert werden. In der Schaltung von F i g. 9 bezeichnen 201,202,204 und 205 C-MOS-Inverter, die als Leistungsverstärker dienen, während 203 ein C-MOS-NOR-Glied mit zwei Eingängen ist, das als Amplitudenmodulator wirkt. Gleichspannungswiderstände 206,207,209,210,211,212 bestimmen die Arbeitspunkte der Verstärker und des Amplitudenmodulators. Ein Kondensator 221 zwischen einem Eingang und dem Ausgang des NOR-Glieds 203 dämpft Frequenzkomponenten von 1OkHz oder mehr. Ein Resonanzkreis für die Frequenzen fc und fb enthält einen Widerstand 208, einen Kondensator 216, einen Trimmerkondensator 217 und den TM-Schwinger 200. Ein Detektor oder Demodulator ist aus Koppelkondensatoren 215,219, einer Diode 220, Widerständen 213,214 und einem Kondensator 218 aufgebaut. Die grundsätzliehe Arbeitsweise dieser Oszillatorschaltung ist wie folgt. Am Punkt [0] tritt ein amplitudenmoduliertes Signal mit der Trägerfrequenz fc und der Modulationsfrequenz Af auf. Dieses Signal am Punkt [0] wird durch den Schwinger 200 gefiltert, und am Punkt [1] erscheint ein Signal, dessen Verlauf durch die Überlagerung der Frequenzen fc, fb = fc— Af und fc + .Λ/bestimmt ist. An den Schaltungspunkt [1] sind zwei Rückkopplungsschleifen angeschlossen, von denen die eine eine Rechteckwelle der Frequenz fc zu einem Eingang des Amplitudenmodulators 203 zurückführt. In dieser Rückkopplungsschleife wird das Signal in zwei Stufen so weit verstärkt, daß es eine durch die Versorgungsspannung vorgegebene Sättigung erreicht. In der anderen Rückkopplungsschleife wird das Spannungssignal am Punkt [1] in einer Stufe verstärkt, bezüglich der oberen Umhüllenden mittels des Demodulators demoduliert, dann verstärkt und mit entgegengesetzter Phase dem Amplitudenmodulator 203 zurückgeführt. Die Spannungskomponente der Frequenz A fist an den Anschlüssen des Schwingers 200 in Phase.

Die F i g. 10 und 11 sind ein Blockschaltbild bzw. Zeitverläufe zur Erläuterung der Arbeitsweise des Thermo-

meters, das von der gerade beschriebenen Oszillatorschaltung Gebrauch macht. In Fig. 10 ist 501 die gemäß F i g. 9 aufgebaute Oszillatorschaltung und 502 ein Frequenzteiler, der eine Frequenzteilung des Taktausgangssignals fc von der Oszillatorschaltung 501 bewirkt. 503 ist ein Zähler, der Sekunden, Minuten, Stunden, Tage und ähnliches zählt. 504 ist ein Decoder und Treiber zur Ansteuerung einer Flüssigkristallanzeige 505 oder einer ähnlichen Anzeige. F i g. 10 stellt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Thermometers dar, bei der dieses mit einer Uhr kombiniert ist, wobei Uhr und Thermometer die Oszillatorschaltung und den Frequenzteiler gemeinsam benutzen. Dies ist ein zweckmäßiger Anwendungsfaii der Erfindung, natürlich kann aber das Tnermometer auch völlig unabhängig von einer Uhr ausgebildet werden. Im Fall der Kombination mit einer Uhr könnte auch die Anzeige für die Uhr und das Thermometer gemeinsam verwendet werden.

Das von der Oszillatorschaltung 501 erzeugte Signal der Frequenz Af = fc— /6« Konstante — fb besitzt eine größere Komponente der Frequenz fc, wenn der Demodulator relativ schlecht ist und der Serienresonanzwiderstand des Schwingers für Schwingungen der Frequenz fb groß ist. Zur Verhinderung einer Fehlfunktion infolge des Vorhandenseins der Komponente der Frequenz fc wird dieses in F i g. 10 mit ///bezeichnete Ausgangssignal der Oszillatorschaltung 501 mit einer Abtastfrequenz von 10 bis 20 kHz abgetastet, um hochfrequente Komponenten abzuschneiden und ein Signal mit einer konstanten durchschnittlichen Frequenz Af zu erhalten, dessen Phase allerdings schwanken kann. Die Abtastfrequenz ist um ein Vielfaches höher als die Frequenz Af. Diese Abtastung kann gemäß F i g. 10 dadurch ausgeführt werden, daß eine Abtastschaltung mit einem D-Flipflop 508 vorgesehen wird. 506 ist ein Zeitschalter und 507 eine Zeitschaltersteuerung, die pro Taktimpuls des Taktsignals

000 ein Zeitsignal TG mit einer Dauer Terzeugen (siehe Fig. 11). Das Taktsignal 000 gibt das minimale Auflösungsvermögen für die Dauer Γ vor. Der Zeitschalter 506 dient dazu, Schwankungen der Frequenztemperaturkennlinie des Schwingers bei fb auf folgende Weise zu justieren. Die Differenzfrequenz Af kann durch nachstehende Gleichungen ausgedrückt werden

Af= Afo + Λολ(Φ— Φα)

λ = — «b = — 40 50ppm/°C (1)

wobei Φ die Temperatur und Φο beispielsweise 0⁰C sind, α ist der Temperaturkoeffizient erster Ordnung für Af. Afo und fbo sind die Frequenzen Af bzw. fb für den Fall Φ= Φο. Die Anzahl N der von einem UND-Glied 509 eo abgegebenen Ausgangsimpulse ist gegeben durch

N = AfT =AfoT+ fboTa (Φ- Φα) = No + AN (Φ— Φο) (2)

Damit die Änderung AN der Anzahl N von Impulsen pro 1°C zehn ist, muß die Dauer Tder nachfolgenden Bedingung genügen

AN=fboT- j«| = 10 (3)

Die Dauer oder Breite T der Impulse des Zeitsignals TG wird für den Schwinger berechnet. Da |λ| = 40 ppm/°C und fbo = 192 kHz sind, ergibt sich T = 1,31 s, da fbo ■ \a\ = 7,64 Hz pro ⁰C ist. Es reicht aus, daß das Taktsignal 000 mit einer Periode von zwei Sekunden an den Zeitschalter 506 angelegt wird, was zu wiederholten Temperaturmessungen alle zwei Sekunden führt. Wenn ΔΝ = 10 ist, beträgt das minimale Auflösungsvermögen für die Temperaturmessung 0,1⁰C. Aus Gleichung (3) ergibt sich, daß Schwankungen des Temperaturkoeffizienten erster Ordnung des TM-Quarzkristall-Schwingers und fbo durch Änderung der Dauer Tausgeglichen bzw. eingestellt werden können.

510 ist ein voreinstellbarer Aufwärts/Abwärts-Zähler. 512 ist ein externer Anschluß für den Zähler 510 zur Einstellung des in der obigen Gleichung 2 erscheinenden Werts No 511 ist ein Schaltungsteil, der speichert, ob vom Zähler 510 ein Übertrag C gekommen ist oder nicht. 517 ist ein Schaltungsteil zur Erzeugung eines jeweiligen Differentialimpulses an den Abfallflanken des binären Zeitsignals TG vom Zeitschalter 506. 516 ist eine Verzögerungsschaltung zur Verzögerung der Impulse Φ\. 513 und 514 sind Auffangglieder, die aus D-Flipflops bestehen. 515 ist ein Decoder zur Umwandlung binärer Signale von den Auffanggliedern 513,514 in Dezimaisignalen und zugleich ein Treiber zur Ansteuerung einer Flüssigkristallanzeige 518.

Die Schaltungteile 510 bis 518 arbeiten wie folgt (vgl. auch Fig. 11). Das Anlegen eines Taktimpulses Φ2 (das ist der mittels des Verzögerungsglieds 516 verzögerte Impuls Φ1) führt dazu, daß die Anzahl No vom externen Anschluß 512 in dem Zähler 510 voreingestellt wird. Sobald das Zeitsignal TG den Binärwert H annimmt, beginnt der Zähler 510 abwärts zu zählen. Wenn die Anzahl N von Impulsen während der Dauer Tgleich oder größer ist pis No, erzeugt der Zähler 510 ein Ubertragssignal Cund beginnt zur gleichen Zeit aufwärts zu zählen. Das Übertragssignal wird im Schaltungsteil 511, bei dem es sich um einen 1-Bit-Zähler handeln kann, gespeichert. Wenn die Anzahl N kleiner als No ist, wird vom Zähler 510 kein Übertragssignal erzeugt und der Schaltungsteil 511 auf dem Binärwert L gehalten. Die Verarbeitung der Daten und der Zustand der Daten im Zähler 510 und den Auffanggliedern 513, 514 sind in F i g. 11 gezeigt. Hierin bezeichnen 41 den Zählbetrieb, 42 das Halten des Zählerstands und 43 die Voreinstellung. Der Speicherschaltungsteil 511 erzeugt ein Ausgangssignal S, dessen Binärwert L eine positive Temperatur und dessen Binärwert H eine negative Temperatur kennzeichnen. Die in F i g. 10 gezeigte Schaltung kann in Form einer integrierten C-MOS-Schaltung mit einem geringen Strombedarf von einigen μΑ aufgebaut werden.

Wie vorstehend im einzelnen beschrieben, besitzt das erfindungsgemäße Thermometer einen einfachen Schaltungsaufbau, erreicht t.n Auflösungsvermögen in der Größenordnung von 0,1⁰C, ist klein und kann darüber hinaus in besonders vorteilhafter Weise mit einer Uhr kombiniert werden.

Hierzu 9 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Thermometer, umfassend
einen Quarzkristallschwinger (200),

5 eine Oszillatoranordnung zur Anregung einer ersten Schwingungsweise und einer zweiten Schwüigungsweise in dem Quarzkristallschwinger (200), von denen die erste Schwingungsweise eine im wesentlichen temperaturunabhängige erste Frequenz (fc) und die zweite Schwingungsweise eine stark temperaturabhängige zweite Frequenz (fb) besitzt, und zur Abgabe eines ersten Signals der ersten Frequenz (fc) und eines zweiten Signals mit einer von der zweiten Frequenz (fb) abhängigen Frequenz (Af), und

ίο eine Einrichtung (509,510) zur Ermittlung der Temperatur durch Vergleich der Frequenz (Af) des zweiten Signals mit einer auf der ersten Frequenz (fc) beruhenden Bezugsgröße,
dadurch gekennzeichnet,

daß es sich bei dem Quarzkristallschwinger (200) um einen Stimmgabelschwinger handelt, dessen erste Schwingungsweise eine Biegeschwingung und dessen zweite Schwingungsweise eine Torsionsschwingung

15 ist, und

daß die Oszillatoranordnung eine einzige, den Stimmgabelschwinger als Zweipol enthaltende Oszillatorschaltung aufweist, die gleichzeitig das erste Signal und das zweite Signal, das eine dritte Frequenz (Af) entsprechend der Differenz zwischen der ersten und der zweiten Frequenz aufweist, abgibt, und an den Stimmgabelschwinger (200) das durch das zweite Signal modulierte erste Signal anlegt

20 Z Thermometer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Abtastschaltung (508) zum Abtasten des

zweiten Signals mit einem dem ersten Signa! entsprechender, bzw. von diesem abgeleiteten Taktsignal, dessen Frequenz um ein Vielfaches höher als die Frequenz (Af) des zweiten Signals ist, und dadurch, daß das Ausgangssignal der Abtastschaltung (508) zur Ermittlung der Temperatur dem Vergleich mit der Bezugsgröße unterzogen wird.

25 3. Thermometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Zeitschalter

(506), der auf der Basis des ersten Signals periodisch ein Zeitsignal einer festgelegten Dauer (T) erzeugt, ein einerseits mit den Zeitsignalen und andererseits mit einem Signal der driuen Frequenz (Af) beaufschlagtes UND-Glied (509), einen dem UND-Glied (509) nachgeschalteten voreinstellbaren Aufwärts/Abwärts-Zähler (510), ein Auffangglied (5i3) zur Zwischenspeicherung des Zählerstands des Zählers (510), einen Decoder

30 (515) zur Umwandlung des Inhalts des Auffangglieds (513) in einen Dezimalwert, eine Anzeigevorrichtung (518) zur Anzeige des Dezimalwerts und eine Einrichtung (511, 514) zur Ermittlung des Vorzeichens des fl angezeigten Dezimalwerts.

I 4. Theimometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufwärts/Abwärts-Zähler (510) für

I jede Temperaturmessung auf einen Wert No= T ■ Afo einstellbar ist, wobei Afo die Frequenz ///bei einer

1 35 Temperatur von 0° C ist und Ί die Dauer der Zeitsignale vom Zeitschalter (506) ist, daß der Zähler (510) unter

2 gleichzeitiger Erzeugung eines Übertragssignals (C) aufwärts zu zählen beginnt, sobald die Anzahl N der ihm I von dem UND-Glied (509) während der Dauer Γ gelieferten Impulse den~Wert No übersteigt, und abwärts μι zählt, solange die Anzahl N kleiner als der Wert No ist.

I 5. Thermometer nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch ein Speicherglied (51t) zur Speicherung des

I 40 Übertragssignals (C) vom Aufwärts/Abwärts-Zähler (510) und eine Einrichtung (514,515,518) zur Anzeige

I des Inhalts des Speicherglieds (511) in Form des Vorzeichens der gemessenen Temperatur.

g 6. Thermometer nach einem der Ansprüche 3 bis 5, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (507) zur

4 Einstellung der Dauer (T) der vom Zeitschalter (506) abgegebenen Zeitsignale.

i 7. Thermometer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die Kombination mit einer Uhr,

I 45 die einen mit dem ersten Signal gespeisten Frequenzteiler (502) zur Teilung der ersten Frequenz (fc), einen

|| dem Frequenzteiler nachgeschalteten Zähler (503) sowie einen diesem folgenden Decoder (504) und eine

H Anzeigevorrichtung (505) aufweist, wobei der Frequenzteiler (502) zugleich Signale für das Thermometer

H erzeugt.

;; 8. Oszillatorschaltung mit einem Quarzkristallschwinger (23), die gleichzeitig mit zwei Frequenzen

|'i 50 schwingt, von denen eine erste Frequenz (fc) im wesentlichen eine von zwei Serienresonanzfrequenzen des

$ Quarzkristallschwingers (23) ist, insbesondere zur Verwendung bei einem Thermometer nach einem der

f* vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, d? 8

p die andere Schwingungsfrequenz der Oszillatorschaltung eine dritte Frequenz (Af) ist, die gleich der Diffe-

|| renz zwischen der ersten Frequenz (fc) und einer der anderen Serienresonanzfrequenz des Quarzkristall-

f j 55 schwingers (23) im wesentlichen entsprechenden zweiten Frequenz (fb) ist, und

H die Oszillatorschalturig umfaßt:

j; einen Amplitudenmodulator (22), der mit einem Signal der ersten Frequenz (fc) als Trägersignal und einem

'fs Signal der dritten Frequenz (Af) als Modulationssignal beaufschlagt ist,

iy" einen Rückkopplungskreis, der den Quarzkristallschwinger (23) und passive Schaltungselemente (24) enthält

'■■':}, 60 und das amplitudenmodulierte Trägersignal als Eingangssignal empfängt,

; einen mit dem Ausgangssignal des Rückkopplungskreises beaufschlagten ersten Verstärker (20), dessen

^v-' Ausgang mit dem Trägersignaleingang des Amplitudenmodulators (22) gekoppelt ist, und

einen einen Detektor (25) und einen zweiten Verstärker (21) enthaltenden, das Ausgangssignal des Rück-

\ji] kopplungskreises demodulierenden und verstärkenden Schaltungskreis, dessen Ausgang mit dem Modula-

i'j 65 tionssignaleingang des Amplitudenmodulators (22) gekoppelt ist.