TWI473418B - 振盪裝置 - Google Patents
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Description
本發明係有關於一種使用水晶振動子之振盪裝置，且係有關於一種補償水晶振動子之頻率之經時變化的技術。
水晶振動子具有隨著驅動時間的經過而振盪頻率偏差之性質。另一方面，至今市場上對於要求極高之頻率安定度的應用系統在增加，但組裝於應用系統時，通常OCXO作為一般的水晶振盪器。OCXO具有前述偏差少之優點，但裝置體積大且消耗電力大，因此檢討使用為簡單構成且消耗電力少之TCXO，TCXO具有隨著驅動時間的經過而振盪頻率之偏差量較大之缺點，且有難以適用於要求頻率安定度高之應用系統之課題。
專利文獻1記載有於共通之水晶片設置2對電極，構成2個水晶振動子(水晶共振子)，利用因應於溫度變化而在2個水晶振動子之間出現頻率差，以進行振盪頻率之溫度補償的技術，但關於頻率之經時變化的補償則未有記載。
【專利文獻】日本專利公開公報特開2001-292030號
本發明係有鑑於此等狀況而作成者，其目的在於提供一種隨著水晶振動子之動作時間的經過，補償振盪頻率之變化以得到安定之振盪頻率的振盪裝置。
一種振盪裝置，係使用水晶振動子者，具有：第1水晶振動子，係於水晶片設置第1電極而構成；第2水晶振動子，係於水晶片設置第2電極而構成；第1振盪電路及第2振盪電路，係分別連接於該等第1水晶振動子及第2水晶振動子；頻率差檢出部，係當令第1振盪電路之振盪頻率為f1、基準時之第1振盪電路之振盪頻率為f1rz、第2振盪電路之振盪頻率為f2、基準時之第2振盪電路之振盪頻率為f2rz時，求出對應於對應f2與f2rz之差分之值及對應f1與f1rz之差分之值的差分值△F之值；及經時變化補償用之補正值取得部，係根據該頻率差檢出部所檢出之對應前述差分值△F之值與經時變化之補正係數，取得根據時間已經過基準時之f1之頻率補正值，前述經時變化之補正係數係相對於自基準時之動作時間的經過，第1振盪電路之頻率之變化分與第2振盪電路之頻率之變化分的比率，振盪裝置之輸出係利用前述第1振盪電路之輸出而生成，
且前述振盪裝置係構成為根據前述補正值取得部求出之前述頻率補正值而補正前述輸出頻率之設定值。
列舉本發明之具體構成例。
第1振盪電路之振盪頻率f1為n次諧波，第2振盪電路之振盪頻率f2為基本波之頻率，且前述差分值△F為{(f2-f2rz)/f2rz}-{(f1-f1rz)/f1rz}。
又，其他具體例係前述經時變化之補正係數係基準溫度中所設定之值，且前述振盪裝置具有：溫度檢出部，係用以檢出前述第1水晶振動子及第2水晶振動子所置放之環境溫度者；及溫度補償用算出部，係根據基準時中，自基準溫度之溫度變化分與基準溫度中相對於前述差分值△F之變動量的關係、與前述溫度檢出部所求出環境溫度，求得因前述差分值△F所含之溫度變化而產生之變化量，前述補正值取得部使用從前述差分值△F扣除前述溫度補償用算出部所算出之變化量的值取得f1之頻率補正值。
又，其他具體例係具有：溫度檢出部，係用以檢出前述第1水晶振動子及第2水晶振動子所置放之環境溫度；溫度補償用之補正值取得部，係根據該對應溫度檢出部所檢出之溫度之信號、及該信號與第1振盪電路之振盪頻率f1之頻率補正值的關係，取得因環境溫度偏離
基準溫度所引起之f1之頻率補正值，且前述振盪裝置構成為，根據前述經時變化用之補正值取得部所求得之前述頻率補正值、與前述溫度補償用之補正值取得部所求得之前述頻率補正值，補正前述輸出頻率之設定值。
頻率差檢出部具有：脈衝作成部，係作成前述f1與f2之差頻之脈衝者；DDS電路部，係以因應於輸入之直流電壓之大小之頻率，輸出信號值隨時間反覆增加、減少之頻率信號者；鎖存電路，係藉前述脈衝作成部所作成之脈衝將由該DDS電路部輸出之頻率信號鎖存者；迴路濾波器，係將該鎖存電路所鎖存之信號值積分，並將該積分值輸出作為對應於前述前述差分值之值；及加算部，係擷取該迴路濾波器之輸出與對應於f1rz與f2rz之差分之值的差分，作為輸入於前述DDS電路部之輸入值者。
第1水晶振動子之水晶片與第2水晶振動子之水晶片係共通化。
本發明係令第1振盪電路之振盪頻率為f1、基準時之第1振盪電路之振盪頻率為f1rz、第2振盪電路之振盪頻率為f2、基準時之第2振盪電路之振盪頻率為f2rz時，求出對應
於對應f2與f2rz之差分之值及對應f1與f1rz之差分之值的差分值△F之值(即，就第1水晶振動子中之頻率自基準時之變化分、與就第2水晶振動子中之頻率自基準時之變化分之差分值△F)。而且對於自基準時經過時間，將第1水晶振動子之頻率之變化分與第2水晶振動子之頻率之變化分之比率相同而處理時之該比率，作為經時變化之補正係數，並且根據對應於差分值△F之值與經時變化之補正係數，就用以做出振盪裝置之輸出之水晶振動子之頻率取得補正值。因此，由於補償了伴隨水晶振動子之動作時間之經過之振盪頻率之變化，因此可得到安定之振盪頻率。
第1(a)、(b)圖係顯示本發明之實施形態之概要說明所使用之振盪頻率之經時變化的模式說明圖。
第2圖係顯示本發明之實施形態之全體構成的區塊圖。
第3圖係顯示上述實施形態所使用之控制電路部之構成的區塊圖。
第4圖係顯示頻率差檢出部之區塊圖。
第5(a)~(d)圖係頻率差檢出部之一部份之輸出的波形圖。
第6(a)~(c)圖係模式地顯示頻率差檢出部中包含DDS電路部之迴路中未鎖相之狀態之各部的波形圖。
第7(a)~(c)圖係模式地顯示頻率差檢出部中包含DDS電路部之迴路中未鎖相之狀態之各部的波形圖。
第8(a)、(b)圖係就實際之裝置，前述迴路中之迴路濾
波器之輸出波形圖。
第9圖係顯示第1~第3振盪電路之各頻率f1、f2、f3與溫度之關係之頻率溫度特性圖。
第10圖係顯示各頻率f1、f2、f3各自標準化後之值與溫度之關係之頻率溫度特性圖。
第11圖係顯示各頻率標準化後之值的差分與溫度之關係之頻率溫度特性圖。
第12圖係顯示對應於f1/3-f3之值所包含之、因溫度變化之變動分與對應於溫度檢出結果之值之關係的特性圖。
第13圖係顯示根據第12圖所示之特性圖之横軸之值用以運算求得縱軸之值之演算部之區塊圖。
第14圖係顯示歷時補正值算出部之區塊圖。
第15圖係顯示因歷時(經時變化)頻率變化之樣子的特性圖。
第16圖係顯示f1標準化後之值與溫度之關係、及f1標準化後之值與f2標準化後之值之差分與溫度之關係的頻率溫度特性圖。
第17圖係顯示第16圖之縱軸標準化後之值與頻率補正值之關係之特性圖。
本實施形態之振盪裝置係若將使第1水晶振動子振盪之第1振盪電路之振盪輸出作為例如控制電路之時脈使
用，當時脈頻率因第1水晶振動子之經時變化而變化時，控制電路之動作會脫離目的動作。因此，為欲補償時脈頻率之經時變化分(歷時之頻率的變化分)的技術。在詳細說明實施形態之前，關於該補償之樣態之概要先極為模式地敘述。在該模式之說明所使用之數值係便於行事者，圖表之之斜率等亦為便宜行事者。
目前是將第1水晶振動子之3次諧波(令頻率為f1)作為時脈來使用，以t0為基準時時，3次諧波之1/3之頻率之經時變化係如第1(a)圖之下側的圖表所表示，基準時t0之f1/3為900Hz。在本實施形態所欲知曉的是，例如使用振盪裝置後(水晶振動子被驅動後)經過幾天後，f1由基準時之頻率產生了如何的變化。因此使用與第1水晶振動子不同之第2水晶振動子，並利用該水晶振動子之基本波(頻率為f2)。基本波之頻率之經時變化比諧波之頻率的經時變化大，又兩經時變化的比率為一定。
本實施形態中係著眼於此點。第1(a)圖之上側的圖表係顯示基本波之頻率f2的經時變化，基準時t0之f2為1000Hz。第1(b)圖係對照基準時t0顯示兩頻率之經時變化，各圖表之距離橫軸的高度為頻率之變化分。也就是說關於3次諧波之頻率變化分，係令基準時之諧波之頻率為f1re時，為在f1re/3之時間點與f1/3的差分(f1-f1re)/3。又基本波之頻率變化分係令基準時之頻率為f2re時，為在f2re之時間點與f2之差分(f2-f2re)。
測定對象為f1/3與f2之差頻，由於基準時之各個頻率
f1re/3、f2re為已知(本例中為900Hz、1000Hz)，因此若知道f2-f1/3之測定值，則可知(f2-f2re)-(f1-f1re)/3=△F(参照第1(b)圖)之值。接著各時間點中，係令(f1-f1re)/3對於(f2-f2re)之比率m為一定來處理，由於已預先知道該比率，因此若知△F，則可求得最終欲求得之f1之經時變化補償分之1/3的值[(f1-f1re)/3]。由於第1圖之例中，比率m為4/9，因此若時刻t1中之測定結果△F為10Hz，則可得到(f1-f1re)/3=△F．m/(1-m)=8Hz。
再者，水晶振動子製造後開始通電初期，由於經過時間與前述頻率變化分之關係為非直線，因此該關係為直線後之時序、例如從製造者出貨之前的時序為基準時。
因此，為第1水晶振動子之時脈之3次諧波的頻率f1由2700Hz增加到24Hz，且就前述控制電路之動作進行使24Hz增加分抵銷之控制，例如控制控制電壓等。附帶一提的是，以上的說明係對應於求取第1圖所示之頻率特性之環境溫度與時刻t1之環境溫度相等的情況。若欲求得之頻率特性之環境溫度為基準溫度，例25℃，時刻t1之環境溫度為27℃，則△F也會包含根據溫度變動之頻率變化分。此種情況下，則會變得無法正確求得根據f1之經時變化之變動分。
因此，在本實施形態中，第1水晶振動子及第2水晶振動子係如後述般置於相同環境溫度，並且使用測定該環境溫度之溫度檢出部。而且可預先求出在基準溫度標準化後之標準化溫度(基準溫度為零時之溫度)與基準時之△F的關
係，根據該關係與溫度檢出部所檢出之溫度檢出值，求出根據△F所含之溫度變化之頻率差變動分(經時變化補正時之溫度變動分刪除資料)。具體而言，令第1圖之特性為基準溫度中之特性，基準時中27℃時之第1水晶振動子及第2水晶振動子之頻率分別為1003Hz及901Hz時，f2之特性及f1/3之特性係相對於第1圖所示之圖表分別位於高3Hz及1Hz之位置。因此，本來基準時中，f2re與f1re/3之差分並非為零，而是2Hz，且前述△F除了根據經時變化之頻率差之外，也包含有根據溫度變化之2Hz分。因此，必須使用由測定出之△F減去2Hz後之值，適用式(1)。
(f1-f1re)/3=△F．m/(1-m)………(1)
如此所得之(f1-f1re)/3的值為f1/3所含之根據經時變化、也就是真的頻率變動分，藉由將該值之3倍值，補償第1振盪電路之輸出頻率，藉此可補償第1振盪電路之輸出頻率之根據經時變化之頻率變動分。另，置放水晶振動子之溫度環境變動時，宜藉由溫度檢出部檢出溫度，根據針對溫度(例如對基準溫度標準化後之溫度)與第1水晶振動子之頻率(例如對基準溫度中之頻率標準化後之溫度)所求得之關係及溫度檢出值，先求出根據第1水晶振動子之頻率所含之溫度變化之頻率變動分。此種情況下，藉由第1水晶振動子之頻率減去已述之根據經時變化之頻率變動分與根據溫度變化之頻率變動分(藉依據變動分之值的符號進行加算)，可安定得到為目的之輸出頻率。
此種頻率之補償不限定於對第1水晶振動子之頻率直
接補償，也包含例如在使用第1水晶振動子之頻率作為時脈之控制電路中，調整控制電壓等以刪除頻率變動分的情況。
再者，本發明中根據經時變化之頻率變動分之補償亦可適用於OCXO。
其次就本發明之實施形態之具體的電路構成、頻率特性等加以敘述。第2圖係顯示本發明之振盪裝置之實施形態之全體的區塊圖。該振盪裝置係構成為輸出所設定之頻率之頻率信號之頻率合成器，具有：使用水晶振動子之電壓控制振盪器100、該電壓控制振盪器100中構成PLL之控制電路部200、及進行輸入至該控制電路部200之基準時脈之溫度補償及經時變化補償的信號補償部。信號補償部未附有標號，但相當於第1圖中控制電路部200較左側部分。
該控制電路部200係如第3圖所示，使用相位頻率比較部205將DDS(Direct Digital Synthesizer)電路部201所輸出之參考(參照用)時脈與以分割器204將電壓控制振盪器100之輸出分割之時脈的相位比較，並且為該比較結果之相位差藉由未圖示之電荷泵而類比化。經類比化之信號輸入到迴路濾波器206，控制使PLL(Phase locked loop)安定。因此，控制電路部200亦可說為PLL部。在此，DDS電路部201係將由後述之第1振盪電路1輸出之頻率信號使用作為基準時脈，並輸入作為目的之用以輸出頻率之信號之頻率資料(數位值)。
可是由於前述基準時脈之頻率係經時變化，為了刪除
該經時變化分，使用加算部90將對應於後述之頻率補正值之信號加算到輸入至DDS電路部201之前述頻率資料。藉補正輸入到DDS電路部201之頻率資料，並刪除根據基準時脈之經時特性變動分之DDS電路部201之輸出頻率的經時變動分，結果相對於溫度變動，參照用時脈之頻率安定，而且來自電壓控制振盪器100之輸出頻率變安定。
信號補償部具有經時變化補償部與溫度補償部。第2圖中，10及20分別為第1水晶振動子、第2水晶振動子。該等水晶振動子10及20使用共通之水晶片Xb而構成。即，例如將薄長方形狀之水晶片Xb之區域朝長度方向分割為2，於各分割領域(振動領域)之表裏兩面設置激磁用電極。因此藉由第1分割區域與一對電極11、12構成第1水晶振動子10，藉由第2分割區域與一對電極11、12構成第2水晶振動子20。因此，該等水晶振動子10及20可互相熱結合。
第1水晶振動子10連接有第1振盪電路1。第1水晶振動子10係使用基本波為28.2MHz者，第1振盪電路1之輸出為例如3次諧波(高調波)。第2水晶振動子20連接有彼此絕緣之第2振盪電路2及第3振盪電路3。第2水晶振動子20使用基本波為265MHz者。該等第2振盪電路2及第3振盪電路3為了確保彼此之絕緣，於輸入線路之分歧點設置未圖示之開關部，且構成為切換到其中一接點時，第2水晶振動子20之激磁電極連接到第2振盪電路2，切換到另一接點時，第2水晶振動子20之激磁電極連接到第3振盪電路3。因此，藉由在其中一接點與另一接點間交互切換，第2水晶振動子20之基
本波(f2)由第2振盪電路2、又第2水晶振動子20之3次諧波(f3)由第3振盪電路3分別擷取作為時分割資料，可進行後段之信號處理。
第1振盪電路1及第3振盪電路3之輸出亦可為3次以外之諧波，亦可為基本波。得到諧波之輸出時，例如亦可在水晶振動子與放大器構成之振盪迴路內設置諧波之調諧電路，亦可使用諧波使振盪迴路振盪。或者亦可為就振盪迴路以基本波使之振盪，於振盪段的後段、例如為柯耳匹茲電路之一部份之放大器的後段設置C級放大器，而以該C級放大器使基本波歪斜，並且於C級放大器之後段設置與諧波同調之調諧電路，結果，由振盪電路1、2任一者皆可輸出例如3次諧波之振盪頻率。
在此，為了方便，作成由第1振盪電路1輸出頻率f1之頻率信號，由第2振盪電路2輸出頻率f2之頻率信號，由第3振盪電路3輸出頻率f3之頻率信號時，頻率f1之頻率信號作為基準時脈供給到前述控制電路部200。本發明中，頻率f1之頻率信號係利用於振盪裝置之輸出者，但所謂「利用」在本例中係指作為第2圖所示之控制電路部200之時脈使用。可是，並不限制於此種態樣，也包含例如在為一般的TCXO之水晶振動子與使該水晶振動子振盪之振盪電路組合之振盪裝置中，第1水晶振動子及第1振盪電路分別相當於該等水晶振動子及振盪電路之情況，此種情況下，頻率f1之頻率信號為輸出本身。
頻率f1及頻率f2分別對應於已述之實施形態之概要說
明中的f1、f2。因此第1水晶振動子10及第1振盪電路1與第2水晶振動子20及第2振盪電路2係用以測定頻率f1之經時變化(藉驅動第1水晶振動子10而由基準時之頻率變化之狀態)者。
另一方面，第1水晶振動子10及第1振盪電路1與第3水晶振動子30及第3振盪電路3具有溫度檢出部之一部份的角色。關於此點於後敘述，但由於對應於頻率f1與f3之差分之值與溫度之間有預定的關係，因此藉測定該差分可檢測溫度。而且該溫度之檢出結果之一的用途係如實施形態之概要說明的項目所所敘述，係用於根據該溫度檢出值檢測f2-f1/3所含之溫度變動分。又溫度檢出結果之其他用途係用於檢出第1振盪電路1所輸出之頻率信號之頻率f1所含之溫度變動分。因此該例中，由第1振盪電路1輸出之頻率信號除了作為用以驅動振盪裝置之時脈輸出部的角色之外，亦可兼用為溫度檢出的角色。
返回說明補償頻率f1之經時變化的部分，第2圖中，4為頻率差檢出部。第1振盪電路1之輸出端與頻率差檢出部4之輸入端之間設有分割比1/3之分割電路13，且來自第1振盪電路1之頻率信號之其頻率f1會分割為1/3且輸入到頻率差檢出部4。頻率差檢出部4以概略的說法來說的話，為用以擷取為f1/3與f2之差分及△fre之差分之△F=f2-f1/3-△fre的電路部。△fre在基準時中，為基準溫度例如25℃中f2(f2re)與f1/3(f1re/3)之差分。
本發明係藉由頻率差檢出部4計算△F而成立，△F係對
應於f2與f1/3之差分之值、與基準溫度例如25℃中對應於f2與f1/3之差分之值的差分。該實施形態之情況下(第4圖之情況)，更詳而言之，頻率差檢出部4所得之值為{(f2-f1/3)/(f1/3)}-{(f2re-f1re/3)/(f1re/3)}。但是，圖面中頻率差檢出部4之輸出的顯示係略記。
此值對應於第1圖所示之△F。即，如在發明之實施形態之概要的項目中模式地說明，△F係用以求取用以補償f1之經時變化之補償值的值。而且使用{(f2-f1/3)/(f1/3)}-{(f2re-f1re/3)/(f1re/3)}的值取代△F，例如如使用第1(b)圖之圖表所述者，即使進行(f1-f1re)/3=△F．m/(1-m)之演算取得補償值，亦可補償f1之經時變化。由頻率檢出部4所得之值為例如34位元之值，藉由該數位值補正DDS電路部201之頻率資料，可得到與已述之模式地說明相同之補償作用。
再者，即使頻率差檢出部4係作為算出△F=f2-f1/3-△fre之電路部，本發明可得之效果仍然不改變。
第4圖係顯示頻率差檢出部4之具體例。41為正反電路(F/F電路)，該正反電路41之其中一輸入端輸入有來自第1振盪電路1之頻率f/3的頻率信號，另一輸入端由第2振盪電路2輸入頻率f2的頻率信號，藉由來自第1振盪電路1之頻率f1/3的頻率信號，將來自第2振盪電路2之頻率f2之頻率信號鎖存。以下為了避免記載冗長，f1、f2係表示為頻率或者頻率信號本身來處理。正反電路41輸出具有為對應於f1/3與f2之頻率差之值之(f2-f1/3)/(f1/3)之頻率的信號。
正反電路41之後段設有單發電路42，單發電路42中，由正反電路41所得之脈衝信號中的上升，輸出單發的脈衝。第5(a)~(d)圖係顯示到目前為止之一連串的信號之時間圖。
單發電路42之後段設有PLL(Phase Locked Loop)，該PLL由鎖存電路43、具有積分機能之迴路濾波器44、加算部45及DDS電路部46所構成。鎖存電路43係用以藉由單發電路42輸出之脈衝，將由DDS電路部46輸出之鋸波鎖存，鎖存電路43之輸出為前述脈衝輸出之時序中之前述鋸波之信號位準。迴路濾波器44將作為該信號位準之直流電壓進行積分，加算部45將該直流電壓加算至對應於△fre之直流電壓對應於對應△fre之直流電壓之資料儲存於第2圖所示之記憶體30。
本例中，加算部45之標號係對應於△fre之直流電壓的輸入側為「+」，迴路濾波器44之輸出電壓的輸入側為「-」。DDS電路部46輸入有由經加算部45演算出之直流電壓、即對應於△fre之直流電壓減去迴路濾波器44之輸出電壓的電壓，並出入因應於該電壓值之頻率的鋸波。為了容易理解PLL之動作，第6圖係極為模式地顯示各部之輸出的樣態。裝置增加時，對應於△fre之直流電壓通過加算部45輸入到DDS電路部46，例如△fre為5MHz時，因應於該頻率之頻率之鋸波由DDL36輸出。
前述鋸波係被鎖存電路43以對應於(f2-f1/3)之頻率的脈衝鎖存，但(f2-f1/3)為例如5.1MHz時，相較於鋸波，鎖
存用脈衝之周期較短，因此鋸波之鎖存點係如第6(a)圖所示漸漸下降，鎖存電路43之輸出及迴路濾波器44之輸出係如第6(b)、(c)圖所示，於一側漸漸下降。由於加算部45中之迴路濾波器44之輸出側的標號為「-」，因此由加算部45輸入到DDS電路部46之直流電壓上昇。因此，由DDS電路部46輸出之鋸波的頻率變高，對應於5.1MHz之直流電壓輸入至DDS電路部46時，鋸波之頻率成為5.1MHz，且如第7圖(a)~(c)所示，PLL被鎖存。此時由迴路濾波器44輸出之直流電壓為對應於△fre-(f2-f1/3)=-O.1MHz之值。也就是說迴路濾波器44之積分值可說是相當於鋸波由5MHz往5.1MHz變化時之0.1MHz之變化分的積分值。再者，5MHz及5.1MHz為了方便說明之數值。
在此，頻率差檢出部除了頻率差檢出部4之外，也設有頻率差檢出部5作為用以進行溫度補償之一部份的機能，因此由補充頻率差檢出部之動作說明的観點來看，先就△fre比(f2-f1/3)大之情況的動作合併說明。此種情況下，例如△fre係5.1MHz，(f2-f1/3)為5MHz。由於相較於鋸波，鎖存用之脈衝的周期較長，因此第6(a)圖所示之鎖存點漸漸變高，伴隨於此，鎖存電路43之輸出及迴路濾波器44的輸出上昇。因此，加算部45減去之值變大，因此鋸波之頻率漸漸下降，最後與(f2-f1/3)同樣成為5MHz時，PLL被鎖相。此時由迴路濾波器44輸出之直流電壓成為對應於△fre-(f2-f1/3)=0.1MHz之值。
第8圖為實測資料，該例中在時刻t0PLL係被鎖存的。
實際上頻率差檢出部4之輸出、即第4圖所示之平均化電路47之輸出係以34位元之數位值表示{(f2-f1/3)/(f1/3)}-{(f2re-f1re/3)/(f1re/3)}之值的值。
又正反器41中，f2被f1/3鎖存之動作非同步，因此可能產生如介穩定狀態(在時脈的邊緣鎖存輸入資料時，鎖存之邊緣的前後一定時間必須保持輸入資料，但因時脈與輸入資料幾乎同時變化而輸出變得不安定的狀態)等不定區間，迴路濾波器44之輸出具有含有瞬間誤差之可能性。上述之PLL中，由於將迴路濾波器44之輸出作為對應於溫度之值之△fre與(f2-f1/3)之差分來處理，因此於迴路濾波器44之輸出側設置予先設定之時間中之輸入值之移動平均之平均化電路47，即使產生前述瞬間誤差亦可消除。藉設置平均化電路47，最終可高精確度地取得頻率偏移情報。由PLL之迴路濾波器44經由平均化電路47而擷取之情報輸入到經時變化補正值演算部6。
其次，說明關於來自第1振盪電路1之頻率信號之頻率f1與來自第3振盪電路3之頻率信號之頻率f3的處理。再者關於來自第3振盪電路3之頻率信號及該頻率之任一者亦可以f3來表示。第2圖中，5為頻率差檢出部，頻率差檢出部5以概略的說法言之，係用以擷取f1與f3之差分及△frt之差分之△F'
=f3-f1-△frt之電路部。再者，更正確地說，與頻率差檢出部4同樣△F'
為{(f1-f1rt)/f1rt}-{(f3-f3rt)/f3rt}。
△frt係基準溫度例如25℃中f3與f1之差分。頻率差檢出部5係如第4圖所示，為與前述頻率差檢出部4相同的構成，
符號51~57所示者分別相當於符號41~47所示之部位。再者，在求取已述之△F與△F'
時，亦可使用共通之頻率差檢出部(4或者5)，切換信號進行演算。
頻率差檢出部5所得之頻率偏移情報、在該例中△frt-(f3-f1)係對應於溫度檢出值。即，△frt一(f3-f1)因應於溫度而變化，又，頻率差檢出部4所求出之△fre-(f2-f1/3)也因應溫度而變化。因此頻率差檢出部4、5個別所得之△F與△F'
之間有一定的關係。也就是說，△F係相對溫度而以預定之關係變動，因此將△F'
判斷為溫度檢出值，且以予先溫度作為媒體，求出△F、與△F'
的關係，如實施形態之概要中所述，係欲求出從△F'
之值△F所包含之溫度變動分。進行該演算之部分為溫度變動分算出部7。
在敘述關於溫度變動分算出部7之前，參照第9圖到第12圖，說明△F'
與△F中所含之溫度變動分加以說明。第9圖係顯示f1、f2及f3在基準溫度進行標準化，溫度與頻率之關係的特性圖。在此所謂的標準化，係意味著例如以25℃為基準溫度，關於溫度與頻率的關係，係以基準溫度中之頻率為零，求取從基準溫度中之頻率之頻率的偏移分與溫度之關係。令25℃中之第1~3之振盪電路1~3之頻率分別為f1r、f2r及f3r時，也就是說令25℃中之f1、f2、f3之值分別為f1r、f2r、f3r時，第9圖之縱軸的值為(f1-f1r)、(f2-f2r)及(f3-f3r)。
又，第10圖係顯示就第9圖所示之各溫度的頻率，對於基準溫度(25℃)中之頻率變化率。因此，第10圖之縱軸的值
為(f1-f1r)/f1r、(f2-f2r)/f2r及(f3-f3r)/f3r，且該等值分別以OSC1、OSC2及OSC3來表示。再者第10圖之縱軸之值的單位為ppm。
以下回到頻率差檢出部4之說明，如已述者，在本實施形態中，頻率差檢出部4非為(f2-f2re)一(f1/3-f1re/3)=f2-f1/3-△fr本身之值，而是將{(f2-f1/3)/(f1/3)}-{(f2re-f1re/3)/(f1re/3)}作為演算值。而且以34位元表示該演算值之數位值與溫度之關係之特性曲線與顯示OSC2-0SC1與溫度之關係之特性曲線實質相同。因此頻率差檢出部4可進行求取OSC2-OSC1之演算。也就是說，關於顯示各頻率從基準溫度以多少的比率偏離之比率的值，係求取f2之比率與f1之比率的差分。鎖存電路43係輸入對應於(f2-f1/3)之頻率信號，但由於PLL迴路之中進來鋸波，因此可組電路以進行此種計算。頻率差檢出部4之輸出係以34位元之數位值時，係分攤例如每1位元0.058(ppb)之值，且OSC2-0SC1之值得到在0.058(ppb)之精度。再者，每1位元可設定為0.058(ppb)之值的根據係依據後述之(2)~(4)式。
第11圖係顯示(OSC2-0SC1)與溫度之關係、及(OSC3-0SC1)與溫度之關係。(OSC2-0SC1)係相對於溫度偏離直線，換言之，直線性較差，但(OSC3-0SC1)相對於溫度，直線性較佳。該理由是f3、f1任一者皆為諧波，申請人掌握了該差分與溫度在良好的比例關係。因此，(0SC3-oSC1)利用作為溫度檢出值。第12圖係横軸為溫度檢出值之(OSC3-0SC1)之值，縱軸為(OSC2-0SC1)之值。再者，更
詳而言之，為了抑制溫度檢出值之位元數，横軸係將溫度檢出值標準化之值。例如振盪裝置實際使用時，先訂定上限溫度及下限溫度，令上限溫度時之(OSC3-0SC1)之值為+1，下限溫度時之(OSC3-0SC1)之值為-1來處理。
本例中，第12圖之圖表為曲線，利用最小二乘法導出9次之多項近似式係數。而且將多項近似式係數預先記憶於予先溫度變動分算出部7所含之記憶體，溫度變動分算出部7使用該等多項近似式係數進行式(2)之演算處理。
Y=P1．X9
+P2．X8
+P3．X7
+P4．X6
+P5．X5
+P6．X4
+P7．X3
+P8．X2
+P9．X………(2)
式(1)中X為頻率差檢出情報、Y為補正資料、P1~P9為多項近似式係數。
在此，X為由第1圖所示之頻率差檢出部5所得之值、即由第4圖所示之平均化電路57所得之值(OSC3-OSC1)。
第13圖顯示用以在溫度差變動分算出部7執行演算之區塊圖的一例。第13圖中，401~409為進行式(2)之各項演算之演算部、400為加算部、410為進行捨入處理之電路。再者，溫度變動分算出部7係使用例如1個乘法部，並使用該乘法部求取9乘冪之值，其此以該乘法部求取8乘冪之值時，亦可使用該乘法部，最後將各乘冪之值加總。又補正值之演算式不限定於9次之多項近似式，亦可使用因應於所要求之精度之次數的近似式。
如以上，頻率差檢出部4所得之頻率差情報與溫度差變動分算出部7所得之情報輸入到第2圖所示之經時變化補正
值算出部6。第14圖係顯示經時變化補正值算出部6之詳細圖，61為加算部。由於溫度差變動分算出部7所得之情報係如已述者，為對應於頻率差檢出部4所求出之經時變化補正用頻率差情報之△F=△fre一(f2-f1/3)所含之溫度變動分之值者，因此可為經時變化補正時溫度變動分刪除資料。加算部61將△F減去前述刪除資料，如此則可求出如之前之第1(b)圖所示之根據驅動水晶振動子造成之經時變化(歷時特性)之真的△F。
第15圖係對應於第1(b)圖者，如發明之實施形態之概要中舉出式(1)所述者，使用已知△F則預先求得之(f1-f1re)/3對(f2-f2re)之比率m，求出△fb=(f1-f1re)/3。進行該演算之部位為第14圖所示之乘法部62。又於乘法部62之後段有鎖存電路部63，藉由經時變化補正觸發信號，△fb被鎖存而由經時變化補正值算出部6輸出。該觸發信號可選擇由控制之未圖示控制部發送或者藉由使用者輸出觸發信號。
以上的說明係就為供給到振盪裝置之控制電路部200之時脈之f1求取經時變化之頻率變動分的手法，但不適用於OCXO時，宜也補償f1之溫度變動分。因此，藉溫度檢出部檢出溫度，根據溫度檢出值與f1之關係、詳而言之是根據相對於基準溫度已標準化之溫度與相對於基準溫度中之頻率之頻率變化分的關係，求取為f1之溫度變動分之溫度補正資料△fa，必須將△fa加到前述△fb。第2圖之標號9所示之部分為進行該演算之加算部。
該實施形態中，溫度檢出部係使用作為時脈使用之第1
水晶振動子10、第1振盪電路1、第3水晶振動子30、第3振盪電路3、頻率差檢出部5及溫度補正值算出部8構成之部分。在求出為頻率差檢出部5之輸出之相當於溫度檢出值之△F'
=f3-f1-△frt之作業之前，與之前之溫度補正資料△fa之算出作業相同，但在溫度補正值算出部8使用△F'
求取f1之溫度變動分之點不同。
第16圖係顯示(OSC3-0SC1)與溫度之關係、及OSC1與溫度之關係，第17圖係根據第16圖，於横軸取為溫度檢出值之(0SC3-0SC1)值，縱軸取-OSC1之值o再者，更詳而言之，如前所述，横軸係作為將溫度檢出值進行標準化之值。本例中，係對第17圖之圖表以最小二乘法導出9次之多項近似式係數。而且將多項近似式係數預先記憶於溫度補正值算出部所含之記憶體，溫度變動分算出部8係使用該等多項近似式係數來進行演算處理。再者，該演算處理係例如除了改變係數之外，使用式(2)進行。
如此所得之溫度補正資料△fa與經時變化補正資料△fb係在加算部9(參照第2圖)加算而得到補正值。第2圖所示之DDS201係將第1振盪電路1~所輸出之頻率信號f1作為動作時脈而輸出參照時脈信號，並且藉頻率信號f1之經時變化及溫度變化而參照時脈信號之頻率變動。另一方面，第2圖所示之控制部200輸入有由對應於用以設定電壓控制振盪器100之輸出頻率之設定值之數位值構成之頻率資料，藉由前述加算部9所得之補正值補正前述頻率資料。具體而言，藉由例如設置於加算部9之後段之加算部90，將該補正值加
上頻率資料，並將該加算值輸入到DDS201。如此，藉補正頻率資料，DDS201之動作時脈f1之經時變化分及溫度變化分會被補償。結果，為本實施形態之振盪裝置1之輸出之電壓控制振盪器100之輸出頻率不論根據水晶振動子中之經時變化之頻率變動及根據溫度變化之頻率變動皆安定。因此，可實現高安定、高精度之振盪裝置。再者，關於輸入到第2圖之加算部9之外部補正資料係作為本實施形態之變形例，因此後述。
該實施形態中，如第2圖所示，第1~3之水晶振動子10~30係使用共通之水晶片b而構成，並且互相熱結合，因此振盪電路1~3之頻率差係可極為正確地對應於環境溫度之值，因此可高精度地進行已述之溫度補償、經時變化補償。再者，第1~3之水晶振動子10~30分別由水晶片構成，並且亦可將該等配置於共通的容器內，統一環境溫度。
進一步，該實施形態中，利用水晶振動子之基本波中之經時變化比諧波大，使用基本波與諧波之差分補正第1振盪電路之輸出頻率。又，對於溫度變化，諧波之變動量較大，利用諧波之間之特性差比溫度變化大，關於溫度補償使用諧波。因此，具有以高精度進行對應於水晶振動子之經時變化、溫度變化之頻率補償的優點。
又，為了求取頻率差情報，例如作成f2與f1/3之差頻之脈衝，並且藉前述脈衝在鎖存電路43將由DDS電路部46輸出之鋸波信號鎖存，並且將業經鎖存之信號值積分，將該積分值作為前述頻率差而輸出，並且截取該輸出與對應f2r與f1r/3之差分之值的差分，輸入到前述DDS電路部46而構成PLL。計數頻率差取得該差分時，計數時間會直接影響檢出精度，但在上述之構成中，由於沒有此種問題，因此具有檢出精度高之優點。頻率差檢出部3之DDS電路部46之輸出信號不限於鋸波，只要是可與時間共同重覆增加減少信號值之頻率信號即可，例如亦可為正弦波。再者，要求取頻率差，亦可準備頻率計數電路，求取各計數值之差分的手法。又，亦可構成為可選擇將第2水晶振動子20連接於第2振盪電路2之狀態、連接於第3振盪電路3之狀態之任一者。此種例可舉將振盪電路構成為可將第2振盪電路2與第3振盪電路3共通化，並且將業經共通化之振盪電路之一部份在基本波振盪用之電路要素與3次諧波用之電路要素之間切換。在該例中，將第2水晶振動子20連接於第2振盪電路2之狀態係使用基本波振盪用之電路要素的狀態，將第2水晶振動子20連接於第3振盪電路3之狀態係使用3次諧波用之電路要素的狀態。
此種例中，常時係選擇將第2水晶振動子20連接於第3振盪電路3之狀態，並藉由來自溫度補正值算出部8之輸出，進行對f1之溫度補償。而且，可僅定期地例如1月1次、或者6個月1次，短時間將第2水晶振動子20連接於第2振盪電路2之狀態。將第2水晶振動子20切換為第2振盪電路2時，選擇由第3振盪電路3切換成第2振盪電路2之前的溫度補正資料△fa由溫度補正值算出部8輸出。又，將第2水晶振動子20切換為第3振盪電路3時，選擇由第2振盪電路2切換
為第3振盪電路3之前之經時變化補正資料△fb由經時變化補正值算出部6輸出。因此該例中，經時變化補正資料△fb會定期的更新。
又，亦可構成為，第2水晶振動子20與第2振盪電路2與第3振盪電路3之間設有開關部，藉切換開關部，可選擇前述2個狀態。
雖然為反覆的說明，但該實施形態中，所謂對應於f2與f2re之差分之值為{(f2-f2re)/f2re}(=OSC2)，所謂對應於f1/3與f1re/3之差分之值為{(f1-f1re)/f1re}(=OSC1)，所謂對應於該等值之差分值的值為OSC2-OSC1。然而，頻率差檢出部3係作為對應於對應f2與f2re之差分之值、與對應於f1/3與f1re/3之差分之值之差分值的值。由第1圖之說明，當然亦可使用f2-f2re與、f1/3-f1re/3之差分值本身。
上述之實施形態中，由第10圖到第12圖之說明中，頻率之變化分「ppm」單位來表示，但在實際之數位電路中，係成為全部2進數的處理，因此DDS電路46之頻率設定精度係以構成位元數來計算，例如34位元。舉例來說，將10MHz之時賣供給於第1圖所示之控制電路部200所包含之DDS電路部201時，該時脈之變動頻率為100Hz時，
100Hz/10MHz=0.00001
〔ppm換算〕
0.00001＊
1e6=10〔ppm〕
〔DDS設定精度換算〕
0.00001＊
2^34≒171,799〔ratio-34bit(暫稱)〕。
上述之構成的情況，前述頻率設定精度係以下式(2)來表示。
1×〔rati0-34bit〕=10M〔Hz〕/2^34≒0.58m〔Hz/bit〕………(2)
因此，100〔Hz〕/0.58m〔Hz/bit〕≒171,799〔bit(ratio-34bit)〕。
又，0.58mHz相對於10MHz，係可如下式(3)計算。
0.58m〔Hz〕/10M〔Hz〕＊
1e9≒0.058〔ppb〕………(3)
因此，從式(2)、(3)，式(4)的關係成立。
1e9/2^34=0.058〔ppb/ratio-34bit〕………(4)
即，在DDS電路46所處理之頻率消失，成為僅位元數之關係。
進而，又，在上述例中，第1水晶振動子10及第2水晶振動子20係使用共通的水晶片Xb，但即使水晶片Xb未共通化亦可。此種情況下，可舉例如共通之筐體中配置第1水晶振動子10及第2水晶振動子20之例。又，亦可由第2水晶振動子20使用諧波之信號作為溫度補償用，第1水晶振動子10及第2水晶振動子20係另外設置第3水晶振動子，由第3水晶振動子得到溫度補償用之頻率信號f3。
加算部9所得之補正值並不限定於如上述之實施形態所使用者，若為振盪裝置之輸出頻率因經時變化或溫度變動時，可使用補正值抵銷輸出頻率之變動分以補償之構成，亦可以其他手法進行補正。
本發明係以利用前述第1振盪電路1之輸出生成振盪裝
置之輸出為前提，該態樣係在上述之實施形態中，使用第1振盪電路1所得之頻率信號f1作為第1圖所示之控制電路部200(詳而言之為DDS電路部201)之基準時脈。可是利用第1振盪電路1之輸出生成振盪裝置之輸出之態樣係如一般之TCXO，亦可為第1振盪電路1之輸出原封不動地利用作為振盪裝置之輸出的態樣。TCXO之一有使對應於基準溫度中之水晶振動子之頻率之基準電壓發生，並且在該基準電壓加算因應於在溫度檢出器檢出之溫度值之補償電壓的裝置，但此種情況下之補償電壓，亦可使用加算部9所得之補正值。
以上，關於輸入到第2圖之加算部9之「外部補正資料」先行敘述。毫微微蜂巢式基地台等所使用之時脈之頻率安定度要求在±30ppb以下之極高安定度。因此，GPS接收機機或NTP伺服器等所得到之高精度、高安定之時脈信號與由本發明之振盪裝置輸出之頻率信號相比較，係使用擷取如兩者之相位差之PLL等的電路部，並求取對應於該差分之補正值，將該補正值作為「外部補正資料」而輸入至加算器9。因此，由加算器9輸出之補正資料為前述溫度補正資料1fa與經時變化補正資料1fb與外部補正資料與之加算值。
更具體地說明，前述電路部具備在求得對應於前述兩者之相位差之值後，將該值置換成，輸入到第2圖之控制電路部200之控制電壓與由VCXO100輸出之頻率之變化率的關係中，因應於頻率之變化率之補正量之控制電壓之補正量的機能。該控制電壓之補正量成為外部補正資料。
如此，由振盪裝置所得之頻率信號成為更高精度、高安定者。又，若進行此種使用方法，振盪裝置使用TCXO等等可說是安定度較低者，並且可生成高精度、高安定之時脈，可適用於在毫微微蜂巢式基地台等對時脈進行高要求之系統。而且根據本發明，及使係由外部斷絕例如來自NTP伺服器等之高品質時脈，亦可在振盪裝置之上位裝置中，常時將時脈資料在一定期間內循環地記憶於記憶體內，並在時脈斷絕前之時脈資料由記憶體讀出，藉此可進行根據外部補正資料之類似的補正，並且可進行溫度補償、經時變化補償。因此，就振盪裝置之輸出可維持某種程度之之精確度，並可迴避陷入系統超限。
1~3‧‧‧第1~第3之振盪電路
13‧‧‧分割電路
10~30‧‧‧第1~第3之水晶振動子
4,5‧‧‧頻率差檢出部
41‧‧‧正反電路
42‧‧‧單發電路
43‧‧‧鎖存電路
44‧‧‧迴路濾波器
45‧‧‧加算部
46‧‧‧DDS電路部
47‧‧‧平均化電路
5‧‧‧頻率差檢出部
51‧‧‧正反電路
52‧‧‧單發電路
53‧‧‧鎖存電路
54‧‧‧迴路濾波器
55‧‧‧加算部
56‧‧‧DDS電路部
57‧‧‧平均化電路
6‧‧‧經時變化補正值算出部
61‧‧‧加算部
62‧‧‧乘法部
63‧‧‧鎖存電路部
7‧‧‧溫度變動分算出部
8‧‧‧溫度補正值算出部
90‧‧‧加算部
100‧‧‧電壓控制振盪器
200‧‧‧控制電路部
201‧‧‧DDS電路部
205‧‧‧相位頻率比較部
206‧‧‧迴路濾波器
400‧‧‧加算部
401‧‧‧9乘冪算出電路
402‧‧‧8乘冪算出電路
403‧‧‧7乘冪算出電路
404‧‧‧6乘冪算出電路
405‧‧‧5乘冪算出電路
406‧‧‧4乘冪算出電路
407‧‧‧3乘冪算出電路
408‧‧‧2乘冪算出電路
409‧‧‧1乘冪算出電路
410‧‧‧進行捨入處理之電路
Xb‧‧‧水晶片
第1(a)、(b)圖係顯示本發明之實施形態之概要說明所使用之振盪頻率之經時變化的模式說明圖。
第2圖係顯示本發明之實施形態之全體構成的區塊圖。
第3圖係顯示上述實施形態所使用之控制電路部之構成的區塊圖。
第4圖係顯示頻率差檢出部之區塊圖。
第5(a)~(d)圖係頻率差檢出部之一部份之輸出的波形圖。
第6(a)~(c)圖係模式地顯示頻率差檢出部中包含DDS電路部之迴路中未鎖相之狀態之各部的波形圖。
第7(a)~(c)圖係模式地顯示頻率差檢出部中包含DDS電路部之迴路中未鎖相之狀態之各部的波形圖。
第8(a)、(b)圖係就實際之裝置，前述迴路中之迴路濾波器之輸出波形圖。
第9圖係顯示第1~第3振盪電路之各頻率f1、f2、f3與溫度之關係之頻率溫度特性圖。
第10圖係顯示各頻率f1、f2、f3各自標準化後之值與溫度之關係之頻率溫度特性圖。
第11圖係顯示各頻率標準化後之值的差分與溫度之關係之頻率溫度特性圖。
第12圖係顯示對應於f1/3-f3之值所包含之、因溫度變化之變動分與對應於溫度檢出結果之值之關係的特性圖。
第13圖係顯示根據第12圖所示之特性圖之横軸之值用以運算求得縱軸之值之演算部之區塊圖。
第14圖係顯示歷時補正值算出部之區塊圖。
第15圖係顯示因歷時(經時變化)頻率變化之樣子的特性圖。
第16圖係顯示f1標準化後之值與溫度之關係、及f1標準化後之值與f2標準化後之值之差分與溫度之關係的頻率溫度特性圖。
第17圖係顯示第16圖之縱軸標準化後之值與頻率補正值之關係之特性圖。
Claims (6)
- 一種振盪裝置，係使用水晶振動子者，具有：第1水晶振動子，係於水晶片設置第1電極而構成；第2水晶振動子，係於水晶片設置第2電極而構成；第1振盪電路及第2振盪電路，係分別連接於該等第1水晶振動子及第2水晶振動子；頻率差檢出部，係當令第1振盪電路之振盪頻率為f1、基準時之第1振盪電路之振盪頻率為f1rz、第2振盪電路之振盪頻率為f2、基準時之第2振盪電路之振盪頻率為f2rz時，求出對應於對應f2與f2rz之差分之值及對應f1與f1rz之差分之值的差分值△F之值；及經時變化補償用之補正值取得部，係根據該頻率差檢出部所檢出之對應前述差分值△F之值與經時變化之補正係數，取得根據時間已經過基準時之f1之頻率補正值，前述經時變化之補正係數係相對於自基準時之動作時間的經過，第1振盪電路之頻率之變化分與第2振盪電路之頻率之變化分的比率，振盪裝置之輸出係利用前述第1振盪電路之輸出而生成，且前述振盪裝置係構成為根據前述補正值取得部求出之前述頻率補正值而補正前述輸出頻率之設定值。
- 如申請專利範圍第1項之振盪裝置，其中第1振盪電路之振盪頻率f1為n次諧波，第2振盪電路之振盪頻率f2為基 本波之頻率，且前述差分值△F為{(f2-f2rz)/f2rz}-{(f1-f1rz)/f1rz}。
- 如申請專利範圍第1項之振盪裝置，其中前述經時變化之補正係數係基準溫度中所設定之值，且前述振盪裝置具有：溫度檢出部，係用以檢出前述第1水晶振動子及第2水晶振動子所置放之環境溫度者；及溫度補償用算出部，係根據基準時中，自基準溫度之溫度變化分與基準溫度中相對於前述差分值△F之變動量的關係、與前述溫度檢出部所求出環境溫度，求得因前述差分值△F所含之溫度變化而產生之變化量，前述補正值取得部使用從前述差分值△F扣除前述溫度補償用算出部所算出之變化量的值取得f1之頻率補正值。
- 如申請專利範圍第1項之振盪裝置，具有：溫度檢出部，係用以檢出前述第1水晶振動子及第2水晶振動子所置放之環境溫度；溫度補償用之補正值取得部，係根據該對應溫度檢出部所檢出之溫度之信號、及該信號與第1振盪電路之振盪頻率f1之頻率補正值的關係，取得因環境溫度偏離基準溫度所引起之f1之頻率補正值，且前述振盪裝置構成為，根據前述經時變化用之補正值取得部所求得之前述頻率補正值、與前述溫度補償 用之補正值取得部所求得之前述頻率補正值，補正前述輸出頻率之設定值。
- 如申請專利範圍第1項之振盪裝置，其中前述頻率差檢出部具有：脈衝作成部，係作成前述f1與f2之差頻之脈衝者；DDS電路部，係以因應於輸入之直流電壓之大小之頻率，輸出信號值隨時間反覆增加、減少之頻率信號者；鎖存電路，係藉前述脈衝作成部所作成之脈衝將由該DDS電路部輸出之頻率信號鎖存者；迴路濾波器，係將該鎖存電路所鎖存之信號值積分，並將該積分值輸出作為對應於前述差分值之值；及加算部，係擷取該迴路濾波器之輸出及對應於f1rz與f2rz之差分之值的差分，作為輸入於前述DDS電路部之輸入值者。
- 如申請專利範圍第1項之振盪裝置，其中前述第1水晶振動子之水晶片與第2水晶振動子之水晶片係共通化。
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