193387. lajstromszámú szabadalom • Kapcsolási elrendezés AT metszésű kristályt tartalmazó oszcillátor frekvenciájának beállítására
193387 A találmány tárgya kapcsolási elrendezés adott metszési szögtartományba eső AT metszésű kristályt tartalmazó oszcillátor frekvenciájának hőmérsékletkompenzálására, amely tartalmaz a kristály frekvenciáját kismértékben befolyásoló feszültségvezéreit hangoló elemet, hőmérsékletkompenzáló áramkört, amely a kristállyal termikus csatolásban van és kimenetén a hőmérséklettől függő kompenzáló feszültséget állít elő, amely kimenet a hangoló elemhez csatlakozik. A találmány tárgyát képezi ezenkívül a kapcsolási elrendezés hőmérsékletkompenzációjának beállítására vonatkozó eljárás is. Kristályoszcillátorok tulajdonságait és a rezgési frekvencia hőmérsékletkompenzálásának különböző lehetőségeit átfogóan ismerteti M.E. Frerking „Crystal Oscillator Design and Temperature Compensation" c. könyve (Van Nostard Reinhold Co. New York, 1978). A kristályok különböző metszési lehetőségei közül a legelterjedtebben az AT metszetet használják. Az azonos frekvenciára készített ilyen metszésű kristályok frekvenciája a kristály hőmérsékletével változik, és ez a változás harmadfokú függvénnyel közelíthető. A függvény alakja nagymértékben függ a metszési szög tényleges értékétől. A hivatkozott könyv 5-6. ábrája 35°05' és 35°30' szögtartományban és —60 — -j-100°C hőmérsékletek között szemlélteti a relatív frekvenciaváltozást, amely -j-100 és —100 ppm (parts per million) tartományba esik. A harmadfokú görbe inflexiós ponttal és két szélső értékkel rendelkezik, a metszési szögtől függően a görbe előjelet vált, és egy adott metszési szögnél az inflexiós pontban az érintő vízszintes. A vízszintes érintő egyúttal azt is jelenti, hogy az így metszett Kristályok viszonylag széles hőmérséklettartományon belül állandó vagy csak alig változó frekvenciájúak. A kristálygyártó cégek elsősorban ilyen metszési szögű kristályok előállítására törekszenek, de a rendelkezésre álló gyártási technológia mellett gazdaságosan csak mintegy 5' tűrési tartományon belül tudják a kristályok metszési szögét garantálni. Ilyen szórással metszett kristályoknál a frekvenciapontosság a —20°C és 4-70°C határokon belül ±10 ppm. Ennél nagyobb pontosságot a gyártott kristályok válogatásával lehet elérni, ami nemcsak nagyon időigényes, hanem gazdaságtalan is. Ez magyarázza, hogy a kristályok ára a hőmérsékletfüggés csökkenésével rohamosan növekszik. Kristályoszcillátorokat általában ott használnak, ahol nagy frekvenciapontosságra van szükség. A különböző hírközlési rendszerekben például a frekvenciapontosságot lehetőleg 1 —1,5 ppm között kell tartani, miközben a külső hőmérséklet —25°C és +80°C határok között változhat. Ilyen mértékű pontossági követelménnyel számos más felhasználási területen is találkozhatunk. 1 A kristályoszcillátorok frekvenciája hőmérsékletfüggésének csökkentésére elterjedten használnak különböző kompenzációs megoldásokat. A klasszikus megoldás a kristály termosztátba helyezése egyre inkább háttérbe szorul a termosztát nagy helyszükséglete, valamint jelentős energiafogyasztása miatt. A hivatkozott könyvből számos hőmérsékletkompenzáló módszert, kapcsolást ismerhetünk meg. Az ilyen megoldások felépítésüktől függően lehetnek analóg, illetve digitális rendszerűek, és működésűk azon az elven alapul, hogy a kristályt tartalmazó oszcillátor frekvenciáját egy reaktív elemmel a hőmérséklet függvényében a természetes frekvenciaváltoztatással ellentétes irány ban és mértékben húzzák el, ennek eredményeként a tényleges rezgési frekvencia a hőmérséklettől függetlenebb lesz. Analóg hőmérsékletkompenzálásra ad példát az US 4,051,446 számú szabadalmi leírás, ahol a harmadfokú kompenzációs görbét több különböző meredekségű hőmérsékletfüggő áramkör összegzésével állítják elő, vagy az US 4,072,912 számú szabadalmi leírás, ahol a közelítő függvényt matematikai alakban is kifejezik, és az együtthatókat az adott kapcsolás elemeivel állítják be. A beállítás nagyon időigényes, mert minden kristályt a teljes üzemi hőmérséklettartományon végigmérnek, és a kompenzáló áramkör paramétereit a kristály tényleges viselkedésétől függően állítják be. Többcsatornás URH rádiókészülékekben például 10—12 kristályoszcillátor is található, és megfelelően stabil frekvencia csak úgy biztosítható, ha minden oszcillátorhoz (kristályhoz) egy-egy hozzá illesztett kompenzáló ármkört használnak. Az itt leírtakból következik, hogy a nagy írekvenciapontosságú és széles üzemi hőmérséklettartományon belül működő oszcillátorok ára a hőmérsékletkompenzálással járó anyag- és munkaráfordítások miatt magas. A találmány feladata olyan kapcsolási elrendezés és kompenzálási eljárás létrehozása, amely az AT metszésű kristályok frekvenciájának a hőmérséklettől való függetlenítését egyszerűsíti. A találmánnyal kapcsolási elrendezést hoztunk létre adott metszési szögtartományba eső AT metszésű kristályt tartalmazó oszcillátor frekvenciájának hőmérsékletkompenzálására, amely tartalmaz a kristály frekvenciáját kismértékben befolyásoló feszültségvezérelt hangoló elemet, hőmérsékletkompenzáló áramkört, amely a kristállyal termikus csatolásban van és kimenetén a hőmérséklettől függő kompenzáló feszültséget állít elő, amely kimenet a hangoló elemhez csatlakozik, és a találmány szerint két hőmérsékletkompenzáló áramkörrel van ellátva, amelyek az említett metszési szögtartomány két szélső metszési szögéhez tartozó kristály hőmérsékletfüggésének kompenzálására alkalmas kompenzáló feszültséget állítanak elő, 2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 2
