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    公开号:WO1988001810A1
    申请号:PCT/DE1987/000382
    申请日:1987-08-28
    公开日:1988-03-10
    发明作者:Franz Leitl
    申请人:Franz Leitl；
    IPC主号:H03L1-00
    专利说明:
    [0001] BESCHREIBUNG
    [0002] Kristalloszillator-Kompensationsschaltung
    [0003] TECHNISCHES GEBIET
    [0004] Die Erfindung betrifft eine Kristalloszillalor-Kompensations- Schaltung mit einem Oszillatorkristall, im folgenden kurz Kristall genannt, der von einer Kristall-Oszillatorschaltung zum Schwingen angeregt wird, und einer einstellbarfen Kapazität zum Einstellen der Frequenz des Oszillators.
    [0005] STAND DER TECHNIK
    [0006] Oszillatorkristalle sind piezoelektrische Kristalle, in der Regel Quarzkristalle. Es handelt sich meistens um quaderförmige Plättchen, die in einer bestimmten Kristallrichtung aus einem Kristall herausgeschnitten sind. Diese Plättchen werden auf zwei gegenüberliegenden Flächen mit Elektroden versehen, denen eine Wechselspannung zugeführt wird. Entspricht die anregende Frequenz der Resonanzfrequenz oder der Antiresonanzfrequenz des Kristalls, schwingt dieser mit großer Amplitude, was wiederum dazu benützt wird, die Frequenz der OszillatorSchaltung zu stabilisieren. Die Frequenz des Kristalls läßt sich mit Hilfe eines Bauteils mit einstellbarer Blindreaktanz, in der Regel e i n e r Kapazitätsdiode, in gewissen Grenzen verändern.
    [0007] Schwingt ein Kristall aufgrund vorgegebener Abmessungen, einer vorgegebenen Schnittrichtung und einer vorgegebenen Steuerspannung an der Kapazitätsdiode mit einer bestimmten Frequenz, so wird diese Frequenz nur für eine gewisse Temperatur und nur für gewisse Zeit gehalten. Ändert sich die Temperatur, ändert sich auch die Frequenz. Auch mit fortschreitender Zeit treten Frequenzänderungen auf. Das zeitabhängige Verhalten der Frequenz wird dadurch so klein wie möglich gehalten, daß Quarze verwendet werden, die bei erhöhten Temperaturen, z. B. 80 - 90 Grad Celsius für einige Zeit, z. B. für einige Monate gealtert wurden. Nach einer derartigen Behandlung ändern sich die Kri stal 1 eigen- Schäften mit fortlaufender Zeit nur noch wenig.
    [0008] Die Temperaturabhängigkeit der Frequenz versucht man dcdurch zu kompensieren, daß der Kristall in Serie und/oder in Reihe mit mindestens einem Kondensator mit temperaturabhängigem Kapazitätswert betrieben wird. Die Kondensatorschaltung wird dabei so ausgebildet, daß der durch sie bewirkte temperaturabhängige Einfluß auf die Frequenz des Kristalls gerade denjenigen Einfluß auf die Oszillatorfrequenz kompensieren soll, der durch die Temperaturänderung des Kristalls bedingt ist. Die mit solchen Schaltungen erzielte Frequenzstabilität ist allerdings nicht allzu zufriedenstellend. Erheblich bessere Ergebnisse, nämlich Stabilitäten von etwa 10 ppb werden dann erzielt, wenn ein Kristall mitsamt seiner Ansteuerschaltung in einem sehr genau geregelten Thermostaten untergebracht wird. Teilweise wird sogar mit einem Thermostat gearbeitet, der seinerseits in einem Thermostaten angeordnet ist.
    [0009] Aus dem vorstehenden ist ersichtlich, daß die Temperaturkompensation teure und raumaufwendige Maßnahmen und die Alterung langwierige und damit ebenfalls teure Maßnahmen erfordert, wenn sehr hohe Frequenzstabilität erwünscht ist.
    [0010] DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
    [0011] Eine erfindungsgemäße Kristalloszillator-Kompensationsschaltung weist außer einem Kristall, der von einer Kristall-Oszillatorschal tuny zum Schwingen angeregt wird, und einer einstellbaren Kapazität zum Einstellen der Oszillatorfrequenz noch einen Port, einen Speicher, einen Temperatursensor und eine logische Schaltung auf. Der Port dient zum Anschliessen eines Meßmittels zum Messen von Eigenschaften des Kristalles Aus den Meßdaten errechnete Kennzahlen des Kristalls werden im genannten Speicher gespeichert. Der Temperntursensor, der so angeordnet ist, daß er immer möglichst dieselbe Temperatur aufweist wie der Kristall, gibt sein Temper aturs i gna 1 an die logische Schaltung, die abhängig vom jeweiligen Temperatursignal ein Temperatur-Kompensationssignal an die einstellbare Kapazität abgibt, wobei bei einer Temperaturänderung von einer ersten Temperatur zu einer zweiten Temperatur das Temperatur-Kompensationssignal um einen solchen Betrag nach einer bekannten Gesetzmäßigkeit unter Berücksichtigung der gespeicherten Kennzahlen geändert wird, daß der dadurch bedingte Einfluß zum Verschieben der Oszillatorfrequenz gerade denjenigen Einfluß zum entgegengesetzten Verschieben aufhebt, der durch die Temperaturänderung bedingt ist.
    [0012] Mit einer solchen Kompensationsschaltung läßt sich eine Stabilität der Oszillatorfrequenz von ebenfalls 10 ppb erzielen. Es ist jedoch offensichtlich, daß dies mit sehr billigen und raumsparenden Mitteln möglich ist. Die genannten Bauteile sind nämlich wesentlich billiger und kleiner als ein Thermostat oder gar ein Doppelthermostat.
    [0013] Mit einer anderen erfindungsgemäßen Schaltung ist es durch einfache Änderungen oder Ergänzungen de r ersten Schaltung möglich, auch den Einfluß von Beschleunigungskräften zu kompensieren. Dazu weist die Schaltung, u. U. zusätzlich, einen Beschleunigungssensor auf, der ein Beschleunigungssignal an die logische Schaltung abgibt, das entsprechend dem Temperatursignal zum Kompensieren der durch eine Beschleunigungs änderung bedingten Frequenzänderungseffekte verwendet wird.
    [0014] Eine dritte erfindungsgemäße Schaltung ermöglicht es, Alterungseffekte zu kompensieren. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, Oszillatorkristalle zu verwenden, die über lange Zeit bei erhöhter Temperatur künstlich gealtert wurden, und die daher verhältnismäßig teuer sind. Vielmehr kann ein gerade erst hergestellter, billiger Oszillatorkristall Verwendung finden. Durch Alterung bedingte Frequenzeffekte ändern sich mit einer logarithmischen Funktion der Zeit. Die zugehörigen Kristall konstanten für die Funktion können durch Messung der Oszillatorfrequenz zu verschiedenen Zeitpunkten ermittelt werden. Die logische Schaltung ist dann in der Lage, aufgrund der genau festliegenden Funktion für den zugehörigen Kristall und aufgrund einer Zeitmessung zu jedem Zeitpunkt diejenige Kompensationsspannung zu ermitteln, die den durch Alterung bedingten Frequenzänderungseffekt kompensiert.
    [0015] Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird die Alterungsfunktion jedoch nicht durch die logische Schaltung sondern durch eine besondere Alterungsschaltung nachgebildet. Eine solche Alterungsschaltung kann so aufgebaut sein, daß sie nur sehr wenig Strom verbraucht, z. B. nur einige μA, während eine logische Schaltung, z. B. ein Mikroprozessor einen Stromverbrauch von etwa 50 mA hat. Angesichts dieser geringen Stromaufnähme reicht eine Batterie sehr geringer Kapazität, vorzugsweise eine Li-Batterie, dazu, die Alterungsschaltung über einige Jahre hinweg zu betreiben, wodurch in dieser Zeit das Alterungsverhalten, auch unter Berücksichtigung von Temperaturschwankungen, jederzeit genau nachgebildet wird, also auch dann, wenn das Gerät, in dem der Kristall angeordnet ist, und damit auch die logische Schaltung innerhalb der Kristalloszillator-Kompensationsschaltung für längere Zeit nicht betrieben wird.
    [0016] In anfänglichen Versuchen hat sich herausgestellt, daß bei Verwendung herkömmlicher Oszillatorschaltungen die Temperaturkompensation mit einer erfindungsgemäßen KristalloszillatorKompensationsschaltung zwar besser als bei herkömmlichen Kompensationsschaltungen erfolgte, jedoch noch nicht völlig zufriedenstellend. Es ergab sich, daß der Grund darin lag, daß bei herkömmlichen Oszillatorschaltungen der Temperaturgang des Oszillatortransistors einen Effekt auf die Kapazitätsdiode ausübt, der durch die erfindungsgemäße Kompensationsschaltung nicht berücksichtigt werden kann. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist eine Oszillatorschaltung innerhalb einer erfindunαsαemäßen Kristalloszillator-Kompensations schal- tung einen Oszillatortransistor auf, zwischen dessen Basis und Kollektor der Kristall, ein Entkoppelungskondensator und die Kapazitätsdiode in der genannten Reihenfolge liegen. Dabei liegt die Versorgungsspannung am Kollektor an und die aus der Versorgungsspannung unter Berücksichtigung der Kompensationssignale gewonnene Steuerspannung für die Kapazitätsdiode wird zwischen dieser und dem Entkoppelungskondensator zugeführt. Damit liegt die Kapazitätsdiode zwischen zwei Spannungen, die auf eine einzige Spannung bezogen sind, die zudem hin kaum temperaturabhängig ist. Daher ist nur noch der Temperaturgang des Kristalles , nicht aber auch ein Temperaturgang der anregenden Schaltung zu kompensieren.
    [0017] Weitere Vorteile und Wirkungen der Erfindung sowie andere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen werden im folgenden anhand von Figuren näher veranschaulicht.
    [0018] KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
    [0019] Fig. 1 schematische Darstellung zum Erläutern von Schnittrichtungen von Oszillatorkrisallen aus einem Quarz-Einkristal 1;
    [0020] Fig. 2 Diagramm zum Erläutern des temperaturabhängigen Frequenzganges eines Schwingquarzes;
    [0021] F i g . 3 D i agramm des alterungsbedingten Frequenzganges eines Schwingquarzes;
    [0022] Fig. 4 Blockdiagramm einer Kristalloszillator-Kompensationsschaltung;
    [0023] Fig. 5 schematisches Blockdiagramm zum Erläutern des
    [0024] Kalibriervorganges für die Schaltung gemäß Fig. 4;
    [0025] Fig. 6 Schaltbild für die Ansteuerung einer Kapazitätsdiode innerhalb einer Oszillatorschaltung, die Teil der Schaltung gemäß Fig. 4 ist; Fig. 7 schematisches B l ock d i agr amm zum Erläutern der Funktion eines Beschleunigungssensors;
    [0026] Fig. 8 schematische perspektivische Darstellung zum Erläutern der Ausrichtung eines Beschleunigungssensors in bezug auf einen Schwingquarz;
    [0027] Fig. 9 Blockdiagramme einer Alterungsschaltung;
    [0028] Fig. 10 Schaltbild einer Alterungsschaltung gemäß dem Blockdiagramm von Fig. 9; und
    [0029] Fig. 11a, b
    [0030] Schaltbilder der Oszillatoren im Schaltbild gemäß
    [0031] Fig. 10 zum Bestimmen von Temperaturabhängigkeit bzw. des Zeitablaufs.
    [0032] BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
    [0033] Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, die weiter unten anhand der Figuren 4 bis 6 näher erläutert wird, basiert auf Gesetzmäßigkeiten des Verhaltens von Schwingquarzen, wie sie nun anhand der Figuren 1 bis 3 näher beschrieben werden.
    [0034] Im Schnitt gemäß Fig. 1 durch einen Quarz-Einkristall 11 in der y-z-Ebene sind Schnittrichtungen für übliche Schnitte ein- getragen, wobei hier insbesondere auf den AT-Schnitt hingewiesen wird, übliche Schwingquarze 12 sind in etwa parallel zu dieser Richtung AT aus dem Quarz-Einkristall 11 in Form quaderförmiger Stäbe ausgeschnitten. Die Frequenz, in der solche Quarze betrieben werden schwankt in weiten Grenzen, von denen Schwinger im Bereich zwischen 1-20 MHz am häufigsten verwendet werde n , ü b l i c h s i n d Sc hw i n g e r m i t 5 MHz o de r 10 MH z . A n de re Frequenzen werden in der Regel durch Teilung der genannten Frequenzen gewonnen.
    [0035] Die Resonanzfrequenz (oder die Antiresonanzfrequenz) eines Quarzoszillators ist temperaturabhängig, was in Fig. 2 dargestellt ist, zeitabhängig, was in Fig. 3 dargestellt ist, und beschleunigungsabhängig, was nicht näher dargestellt ist, da dieser Effekt in der Regel von untergeordneter Bedeutung ist. Der Frequenzgang in Abhängigkeit von der Temperatur genügt be stimmten Gesetzmäßigkeiten. Bei einem Quarz in AT-Schnittrich tung ist die Gesetzmäßigkeit eine kubische Parabel, für die gilt:
    [0036] Δf/f = ka(T-To) + kb(T-To)3
    [0037] Dabei ist f die Schwingungsfrequenz, T ist die Temperatur des
    [0038] Quarzes und ka , kb und To sind Konstanten, die für jeden Quarz individuell zu bestimmen sind und insbesondere von der Abweichung der Schnittrichtung von der AT-Richtung abhängen.
    [0039] In Fig. 2 ist auch dargestellt, daß der genannte Frequenzgang einem Hystereseeffekt unterworfen ist, was allerdings übertrieben gezeichnet ist. So hat die relative Frequenzänderung bei einer Temperatur T1 beim Erwärmen des Kristalls einen kleineren Wert (Δf/f)1U. als beim Abkühlen, wo der Wert (Δf/f)10, beträgt. Entsprechendes gilt bei einer höheren Temperatur T2. In Fig. 2 ist die Temperatur, bei der von Erwärmer auf Abkühlen umgekehrt wird mit T3 bezeichnet.
    [0040] In Fig. 3 sind zwei AIterungsverläufe für einen einzigen Quarz dargestellt, nämlich einmal der Verlauf, den der Quarz bei einer Temperatur T1 aufweist, und zum anderen der Verlauf, den der Quarz bei einer höheren Temperatur T2 aufweisen würde (zu einem bestimmten Zeitpunkt t kann der Quarz jedoch immer nur eine einzige Temperatur aufweisen). In der halblogarithmi sehen Darstellung gemäß Fig. 3 ergeben sich für jede Temperatur zwei lineare Kurvenabschnitte. Der erste Abschnitt erstreckt sich vom Herstellungszeitpunkt bis zwei Tage nach der Herstellung. In dieser Zeit altern Quarze sehr schnell. Danach erfolgt eine erheblich geringere Alterung, die jedoch mit zunehmender Temperatur nach der Gesetzmäßigkeit exp (-kd/T) erfolgt. Die zeitbedingte Änderung erfolgt logarithmisch. Damit gilt für den Frequenzgang der Alterung:
    [0041] Δ f/f = kce-kd/Tlnt Dabei sind kc und kd Konstanten, die für jeden Oszillator individuell zu bestimmen sind.
    [0042] Die Kristalloszillator-Kompensationsschaltung 13 weist den bereits erwähnten Quarz 12, eine Kapazitätsdiode 14, einen I/OPort 15, einen Speicher (PROM) 16, einen Temperatursensor 17, eine logische Schaltung 18 und eine Kristall-Oszillatorschaltung 19 mit einer automatischen Verstärkungsregelungsschaltung 20 (AGC = automatic gain control) auf.
    [0043] Die Kapazitätsdiode 14 und der Quarz 12 sind über einen Entkoppelungskondensator 23 in Feihe geschaltet. Der Kapazitätsdiode 14 wird vom D/A-Konverter 21 eine analoge Kompensationsspannung Uκ zugeführt. Diese entspricht einem Digitalwert, der dem D/A-Konverter 21 über einen Bus 24 von der logischen Schaltung 18 zugeführt wird. Die logische Schaltung 18 errechnet den genannten digitalen Wert aufgrund der oben angegebenen Gesetzmäßigkeit für den temperaturabhängigen Frequenzgang abhängig von der vom Temperatursensor 17 gemeldeten Temperatur. Dieser Temperatursensor ist, wie auch die Kapazitätsdiode 14 in gutem Wärmekontakt mit dem Quarz 12 angeordnet, was durch die gestrichelte Linie angedeutet ist, die die genannten Bauteile einschließt. Der Temperatursensor 17 gibt ein analoges Signal an den Analog/Digital-Wandler 22, das dieser nach dem Umwandeln in ein digitales Signal über den Bus 24 an die logische Schaltung 18 weiterleitet. Der Bus ist in Fig. 4 nach unten offen dargestellt, um anzudeuten, daß an ihn noch weitere Bauteile angeschlossen sein können. Beispiele werden unten aufgeführt.
    [0044] Das Speichern der oben erwähnten Gleichungskonstanten ka , kb und To erfolgt auf eine Art und Weise, wie sie nun anhand von Fig. 5 näher erläutert wird.
    [0045] Die beschriebene Kristalloszillator-Kompensationsschaltung 13 wird in einem Thermostaten 25 angeordnet, der durch eine Heizung 26 auf eine Temperatur geheizt wird, die von einer Kalibrierschaltung 27 geregelt wird. Die Kalibrierschaltung 27 überwacht gleichzeitig das Signal vom Temperatursensor 17, wie es ihr über den I/O-Port 15 zugeführt wird. Bleibt das Temperatursignal über einige Zeit unverändert, was anzeigt, daß sich konstante Temperaturverhältnisse eingestellt haben, mißt die Kalibrierschaltung 27 die Frequenz f, wie sie von der Kristall-Oszillatorschaltung 19 ausgegeben wird. Diese Frequenz wird mit der Frequenz eines Frequenznormals 28, z. B. einer Atomuhr, verglichen. Das Frequenznormal ist auf eine Frequenz eingestellt, auf der auch die Oszillatorschaltung 19 dauernd schwingen soll. Wird eine Abweichung der Fre quenzen festgestellt, verändert die Kalibrierschaltung die a die Kapazitätsdiode 14 geleitete Kompensationsspannung Uκ so lange, bis Übereinstimmung der Frequenzen vorliegt. Das Signal zum Einstellen der Kompensationsspannung wird der Kristalloszillator-Kompensationsschaltung 13 über den I/O-Port 15 zugeführt.
    [0046] Dieser Vorgang wird für mehrere Temperaturen durchgeführt, wo- bei die Kalibrierschaltung 27 zu jeder Temperatur, bei der der Abgleichvorgang erfolgt, den zugehörigen Wert für das Sig nal zum Einstellen der Kompensationsspannung speichert. Aus z. B. fünf Meßpunkten innerhalb eines Temperaturbereiches zwi schen -10 Grad Celsius und +60 Grad Celsius lassen sich die temperaturabhängigen Kennzahlen des vorliegenden Quarzes, also die Konstanten ka, kb und To sehr genau bestimmen. Diese Konstanten werden von der Kalibrierschaltung 27 über den 1/0Port 15 an den Speicher gegeben, der in der Kristalloszillator-Kompensationsschaltung 13 gemäß Fig. 5 nicht mehr als PROM 16, sondern als EEPROM 16.1 ausgebildet ist. Die Verwendung eines EEPROM hat den Vorteil, daß die Konstanten zu einem späteren Zeitpunkt wieder verändert werden können, z. B., wenn nach längerer Zeit ein Nachkalibrieren erfolgt. Dies ist auch möglich, wenn statt des PROM 16 ein NOVRAM verwendet wird.
    [0047] Nach diesem Kalibriervorgang wird die Kristalloszillator-Kompensationsschaltung 13 von der Kalibrierschaltung 27 getrennt und steht danach zur Verwendung in einer größeren Schaltung, die sehr genau frequenzstabilisiert sein muß, zur Verfügung. Nach dem Kalibrieren funktioniert die Kristalloszillator-Komp e n s a t i o n s s c h a l t u n g 13 so, daß auf ein jeweiliges Signal vom Temperatursensor 17 hin die logische Schaltung 18 unter Ausnutzung der im EEPROM 16.1 gespeicherten Werte, der dort gespeicherten Gesetzmäßigkeit und eines dort gespeicherten Programmes errechnet, welche Kompensationsspannung U,. der Kapazitätsdiode 14 zugeführt werden muß, um den Frequenzänderungseffekt zu kompensieren, der durch eine Temperaturänderung in bezug auf einen früheren Zeitpunkt hervorgerufen ist. So wird die Frequenz f der Oszillatorschaltung 19 dauernd mit sehr hoher Genauigkeit, nämlich einer Genauigkeit von etwa 10 ppb in einem realisierten Ausführungsbeispiel konstant gehalten.
    [0048] Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die logische Schaltung 18 durch eine CPU und einen RAM gebildet. Die CPU wird mit einer aus de r Frequenz f und der Kristall-Oszillatorschaltung 19 abgeleiteten Frequenz betrieben. Dadurch wird ein gesonderter Taktoszillator für die logische Schaltung eingespart.
    [0049] Die Ansteuerung der Kapazitätsdiode 14 ist in der KristallOszillatorschaltung gemäß Fig. 6 näher dargestellt. Die Oszillatorschaltung verfügt über einen Oszillatortransistor 29, dessen Emitter über einen Widerstand geerdet ist. Die Basis erhält unter Zwischenschaltung eines kapazitiven Spannungsteilers Spannung von der AGC 20. Der kapazitive Spannungsteiler weist einerseits einen zwischen Basis und Erde liegenden Kondensator 30 und andererseits eine Kondensatoranordnung auf, die aus dem Quarz 12, dem Entkoppelungskondensator 23 und der Kapazitätsdiode 14 besteht. Die Kapazitätsdiode 14 ist mit ihrem anderen Anschluß mit dem Kollektor des Oszillatortransistors 29 sowie über eine Induktivität 53 mit einer Spannungsquelle zum Zuführen einer Versorgungsspannung Uv verbunden. Zwischen der Kapazitätsdiode 14 und dem Entkoppelungskondensator 23 liegt der Anschlußpunkt für die Steuerspannung zum Steuern der Kapazitätsdiode 14 und damit der Resonanzfrequenz des Quarzoszillators 12. Die Steuerspannung ist die oben erwähnte Kompensationsspannung UK . Diese wird aufgrund der oben beschriebenen Gesetzmäßigkeit mit Hilfe des oben be schriebenen Verfahrens aus der Versorgungs Spannung UV gewonnen.
    [0050] Aufgrund dieser Anordnung, bei der die Kapazitätsdiode 14 zwisehen den Zuführpunkten für die weitgehend temperaturabhängfge Versorgungsspannung UV und der aus dieser abgeleiteten Kompensationsspannung Uκ angeordnet ist, ist der Einfluß des Temperaturgangs des Oszillatortransistors 29 auf die Resonanzfrequenz des Quarzes 12 ausgeschaltet. Dadurch ist sichergestellt, daß der temperaturabhängige Frequenzgang des Quarzes 12 genau nach der oben angegebenen Gesetzmäßigkeit kompensierbar ist.
    [0051] Die Kapazität des Entkoppelunskondensators 23 (die Entkoppelung bezieht sich auf die Gleichspannung; für die auftretende Wechselspannung wirkt der Kondensator rückkoppelnd) beträgt 30 pF, die der Kapazitätsdiode einstellbar zwischen etwa 15 und 300 pF. Der Entkoppelungskondensator 23 weist hohe Güte auf.
    [0052] Das Frequenzsignal f wird am Kollektor des Oszillatortransistors 29 über einen Trennverstärker 51 abgegriffen, der dafür sorgt, daß Laständerungen am Ausgang keine Rückwirkung auf das Schwingverhalten der Quarzoszillatorschaltung 19 ausüben. Am Kollektor ist außerdem noch ein Schwingkondensator 52 gegen Masse angeschlossen, der zusammen mit der ebenfalls am Kollektor angeschlossenen Induktivität 53 einen LC-Resonanzkreis bildet, der auf die erwünschte Frequenz f abgestimmt ist. Dieser besonders vorteilhafte Schaltungsaufbau führt dazu, daß unerwünschte Harmonische zur Frequenz f und auch Rauschsignale ausgefiltert werden, die außerhalb der Bandbreite des LC-Resonanzkrei ses liegen. Dadurch erhält der Trennverstärker 51 als starkes Signal nur das mit der erwünschten Frequenz f zugeführt.
    [0053] Wie erwähnt, erhält der Oszillatortransistor 29 ein Signal von der automatischen Verstärkungsregelungsschaltung AGC 20. Es handelt sich um eine übliche AGC zum Einstellen der Verlustleistung des Quarzoszillators 12. Durch die AGC 20 wird der Quarz 12 bei einer solchen Leistung betrieben, bei der. er keine Änderung der Oszillatoreigenschaften gegenüber dem nicht schwingenden Zustand des Quarzes besteht. Ein typischer Leistungswert liegt bei etwa 0,5 mW. Würde der Quarz 12 bei höheren Leistungen betrieben werden, würden sich-die o. g.. Konstanten in der Gesetzmäßigkeit für den temperaturabhängigen Frequenzgang ändern. Auch andere Kenngrößen des Kristalles, z. B. in der Gesetzmäßigkeit für den alterungsbedingten Frequenzgang würden sich ändern. Besonders in bezug auf den alterungsbedingten Frequenzgang, auf den im folgenden näher eingegangen wird, ist zu beachten, daß es längere Zeitspannen geben kann, möglicherweise über die Dauer von Jahren, in denen ein Quarz 12 nicht betrieben wird, während ein anderer Quarz unter Umständen dauernd betrieben wird. Würde ein Unterschied der Konstanten für die Fälle des schwingenden und des nicht schwingenden Zustandes bestehen, müßten diese Unterschiede beim Berechnen von Kompensationsspannungen mit berücksichtigt werden, was sehr aufwendig wäre. Daher ist es in einer erfindungsgemäßen Schaltung von besonderem Vorteil, die Verlustleistung wie oben ausgeführt zu begrenzen.
    [0054] Bei der Realisierung des bevorzugten Ausführungsbeispiels werden nicht ein D/A-Konverter 21 und ein davon getrennter A/DKonverter 22 verwendet, sondern der A/D-Konverter wird mit Hilfe des D/A-Konverters gebildet, vorzugsweise mit einer nach dem Wägeverfahren (one digit at a time) arbeitenden Schaltung. Dies gilt auch für die weiter unten beschriebenen Fälle, bei denen ein Meßsignal einem A/D-Konverter zugeführt wird. Dies ist billiger und platzsparender, als einen getrennten A/D-Konverter zu verwenden.
    [0055] WEITERBILDUNGEN UND ABWANDLUNGEN DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
    [0056] Diei Kristalloszillator-Kompensationsschaltung 13 gemäß dem bisher beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel kann in verschiedenen Richtungen abgewandelt, weitergebildet oder ausgestal tet sein. Eine erste Weiterbildung geht dahin, daß zusätzlich zum Tempe- ratursensor 17 noch ein Beschleunigungssensor 31 vorhanden ist, dessen Gehäuse 32, wie in Fig. 8 schematisch dargestellt, mit dem Gehäuse 33 des Quarzes 12 über eine gerne insame Grundplatte 34, z. B. eine Leiterplatte, mechanisch fest verbunden ist, so daß der Beschleunigungssensor 31 nach Richtung und Betrag dieselbe Beschleunigung erfährt wie der Quarz 12. In Fig. 8 ist dargestellt, daß d e r Beschleunigungssensor 31 drei Sensorkristalle 35.1 bis 35.3 in drei rechtwinklig a u f e i n a n d e r s t e h e n d e n Raumrichtungen aufweist, die mit a1, a2 bzw. a, bezeichnet sind. Diese Sensorkristalle 35.1 bis 35.3 sind mit ihren Achsen so in bezug auf den quader förmigen Quarz 12 ausgerichtet, daß die genannten Richtungen parallel zu den Quaderkanten verlaufen. Diese Quaderkantenrichtungen stellen die Richtungen dar, in denen die Oszillatorfrequenz in bezug auf Beschleunigungsänderungen reagiert. Es ist allerdings zu beachten, daß es von der Schnittrichtung des Quarzes 12 abhängt, ob er in allen drei Kantenrichtungen beschleunigungsempfindlich ist oder nicht. Ein Quarz 12, der genau in AT-Richtung geschnitten ist, ist im wesentlichen nur in Längsrichtung beschleunigungsempfindlich. Bei Verwendung eines solchen Schnittes könnten daher die Sensorkristalle 35.1 und 35.2 eingespart werden, deren Richtungen parallel zu den kurzen Kanten des Quarzes 12 liegen.
    [0057] Statt dreier Sensorkristalle 35.1 bis 35.3, die in drei rechtwinklig aufeinanderstehenden Raumrichtungen ausgerichtet sind, ist es auch möglich, nur einen einzigen Sensorkristall zu verwenden, der in bezug auf Beschleunigungen in allen drei Raumrichtungen einen Meßeffekt zeigt.
    [0058] Der Beschleunigungssensor 31 gibt über einen Analog/Digital Wandler 36 ein Beschleunigungssignal an den Bus 24. Dieses Beschleunigungssignal wird entsprechend wie das Temperatursignal vom Temperatursensor 17 verarbeitet. D. h., daß die Kristalloszillator-Kompensationsschaltung 13 zunächst für verschiedene Beschleunigungen kalibriert wird, was dadurch erfolgt, daß die Kristailoszillator-Kompensationsschaltung 13 auf einem Rütteltisch angeordnet wird, der mit verschiedenen Frequenzen betrieben wird. Die Kalibrierschaltung 27 nimmt dann bei verschiedenen Rüttel frequenzen Messungen vor und gibt wiederum solange eine Kompensationsspannung aus, bis trotz der Beschleunigungseffekte wiederum kein Unterschied zwischen der Frequenz von der Oszillatorschaltung 19 und der Frequenz des Frequenznormals 28 besteht. Bei diesem Kalibriervorgang ermittelte Kenngrößen werden im EEPROM 16.1 abgespeichert. Ist die Kristalloszillator-Kompensationsschaltung 13 auf diese Weise in bezug auf Beschleunigungsänderungen kalibriert, erfolgt beim späteren Betrieb ein Kompensieren von
    [0059] Frequenzverschiebungseffekten aufgrund von Beschleunigungsänderungen, entsprechend wie dies oben anhand der Kompensation in bezug auf Temperatureffekte beschrieben ist.
    [0060] Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der bevorzugten Ausführungsform wird nun anhand der Figuren 9 und 10 näher beschrieben. Sie betrifft eine Alterungsschaltung 37. Diese weist ein temperaturempfindliches Bauteil 38, eine Oszillatorschaltung 39, einen logarithmisehen Zähler 40, eine Batterie 41, eine Mikrosicherung 42 und einen Kurzschlußtransistor 43 auf.
    [0061] Das temperaturempfindliche Bauteil 38 wirkt so auf die Oszillatorschaltung 39 ein, daß diese eine Frequenz fa ausgibt, die folgender Gleichung genügt: fa = kge-kf/T, wobei ke und kf Konstanten sind, die zu den
    [0062] Konstanten kc und kd derjenigen Gleichung proportional sind, wie sie anhand von Fig. 3 erläutert wurde. Der logarithmische
    [0063] Zähler 40 zählt die Takte von der Oszillatorschaltung 39 so, daß sein Zählwert N nicht proportional mit der Zahl der Takte an seinem Eingang zunimmt, sondern nur logarithmisch mit der
    [0064] Zahl de r Eingangstakte. Damit nimmt der Zählwert aber auch nur logarithmisch und nicht linear mit der Zeit t zu, so daß für den Zähl wert N gilt: N = kge-kf/Tlnt
    [0065] Dabei ist die Konstante kg der Konstanten kc proportional, die in der anhand von Fig. 3 erläuterten Gleichung betreffend die AIterungsanhängigkeit des Frequenzganges betrifft. Der Zählwert N wird über den Bus 24 der (in Fig. 9 nicht dargestellten) logischen Schaltung 18 zugeführt. Diese berechnet aufgrund im EEPROM 16.1 abgespeicherter Kennzahlen ein Alterungs-Kompensationssignal, das der Kapazitätsdiode 14 zugeführt wird. Dabei ändert die logische Schaltung das AlterungsKompensationssignal zwischen einem ersten Zeitpunkt und einem zweiten Zeitpunkt um einen solchen Betrag, daß der dadurch bedingte Einfluß zum Verschieben der Frequenz des Oszillators gerade denjenigen Einfluß zum entgegengesetzten Verschieben aufhebt, der durch die Alterung zwischen den beiden Zeitpunkten bedingt ist.
    [0066] Die Ermittlung der Kennzahlen für das Berechnen des AlterungsKompensationssignales erfolgt wieder durch einen Kalibriervorgang, der dem Kalibriervorgang zum Ermitteln der Kennzahlen für die Temperaturabhängigkeit des Frequenzganges entspricht. Es wird also zu einem ersten Zeitpunkt die von der Oszillatorschaltung 1-9 abgegebene Frequenz f solange durch Abgeben eines Signales von der Kalibrierschaltung 27 an den I/O-Port 15 verändert, bis sie mit der Frequenz vom Frequenznormal 28 übereinstimmt. Derselbe Vorgang wird für mehrere weitere Zeitpunkte wiederholt und aus den jeweils erforderlichen Kompensationssignalen werden die Kenngrößen errechnet.
    [0067] Anhand von Fig. 10 wird nun der Aufbau der Alterungsschaltung 37 genauer erläutert. Die Oszillatorschaltung 39 weist zwei Oszillatoren auf, nämlich einen als T-Oszillator bezeichneten Oszillator 45 zum Ermitteln der Temperaturabhängigkeit der Alterung und einen als t-Oszillator bezeichneten Oszillator 46 zum Messen des Zeitablaufs seit dem Starten der Alterungsschaltung. Der T-Oszillator 45 ist aufgebaut, wie in Fig. 11a dargestellt. Er verfügt über einen rückgekoppelten Operationsverstärker 44a, an dessen einem Eingang das temperaturempf indl iche Bauteil 38 in Form zweier gegeneinander geschalteter Dioden liegt. Der t-Oszillator 46 ist entsprechend aufgebaut, mit einem rückgekoppelten Operationsverstärker 44b, an dessen einem Eingang statt der Dioden ein Widerstand 54 liegt.
    [0068] Der logarithmische Zähler 40 verfügt über einen ersten Zähler, der im folgenden als Zeitzähler 47 bezeichnet wird, einen vore i nste l l baren Zäh l er 48 und e i nen Zwe i tzäh l er , der im folgenden als Alterungszähler 49 bezeichnet wird. Der Zeitzähler zählt die Impulse, die vom t-Oszillator 46 an ihn geliefert werden. Der voreinstellbare Zähler 48 zählt die Impulse, die vom T-Oszillator 45 an ihn geliefert werden. Dabei zählt er von einem voreingestellten Wert nach unten. Sobald er den Zählwert Null erreicht hat, gibt er einen Impuls an den Alterungszähler 49 weiter. Gleichzeitig wird er auf einen neuen Wert gesetzt, und zwar den aktuellen Zählwert des Zeitzählers 47.
    [0069] Um die Funktion der so aufgebauten Alterungsschaltung zu erläutern, wird zunächst davon ausgegangen, die Temperatur sei konstant und sowohl der Zeitzähler 47 wie auch der voreinstellbare Zähler 48 seien zu einem Anfangszeitpunkt über einen Reset-Eingang auf einen vorgegebenen Wert gesetzt, der ein Anlaufen der Schaltung ermöglicht, z.B. auf den Wert 2. Es sei weiter angenommen, bei der angenommenen konstanten Temperatur würden beide Oszillatoren 45 und 46 mit gleicher Frequenz schwingen. Dies hat zur Folge, daß dann, wenn der voreinstellbare Zähler 48 vom Anfangswert 2 auf 0 heruntergezählt hat, der Zeitzähler 47 von 2 auf 4 hochgezählt hat. Der voreinstellbare Zähler 48 gibt nun einen ersten Impuls an den Alterungszähler 49 und er wird gleichzeitig auf den Zählwert des Zeitzählers 47 eingestellt, also den Wert 4. Sobald er wieder auf 0 heruntergezählt hat, gibt er einen zweiten Impuls an den Alterungszähler 49 und wird gleichzeitig auf den aktuellen Zählwert des Zeitzählers 47, nun den Wert 8 voreingestellt. Das selbe Spiel wiederholt sich dann immer wieder von Neuem, wobei die zeitlichen Abstände zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen vom voreinstellbaren Zähler 48 an den Alterungszähler 49 linear mit der Zeit zunehmen. Diese lineare Zunahme der Abstände mit der Zeit bedeutet eine Zunahme des Zählwertes des Alterungszählers 49, die proportional zum Logarithmus der Zeitspanne seit dem Zeitpunkt des Startens der Schaltung ist.
    [0070] Im nächsten Schritt wird angenommen, die Temperatur an den Dioden 38 erhöhe sich gegenüber dem zunächst angenommenen Wert, bei dem die beiden Oszillatoren 45 und 46 mit gleicher Frequenz schwingen. Die Frequenz des T-Oszillators 45 erhöht sich dann entsprechend dem oben angegebenen exponentiellen Gesetz. Der voreinstellbare Zähler 48 zählt dann schneller nach unten als der Zeitzähler 47 nach oben zählt. Dadurch gelangt entsprechend der exponentiellen Abhängigkeit der Frequenz des T-Oszillators 45 von der Temperatur ein Impuls bereits früher nach einem vorhergehenden Impuls an den Alterungszähler 48, als dies bei niedrigerer Temperatur der Fall war. Der Zählwert des Alterungszählers 49 erhöht sich somit proportional zum Produkt aus dem Logarithmus der seit dem Starten der Schaltung verstrichenen Zeit und dem negativeRneziprokwert der Temperatur, entsprechend der
    [0071] Alterung des überwachten Schwingquarzes.
    [0072] Wie bereits oben erläutert, sind der T-Oszillator 45 und der t-Oszillator 46 im wesentlichen gleich aufgebaut. Dies hat zur Folge, daß sich Alterungseffekte dieser beiden Oszillatorschaltungen 45 und 46 im logarithmischen Zähler 40 gegeneinander aufheben. Außerdem ist es dadurch möglich, Temperatureffekte höherer Ordnung an den beiden Oszillatoren gegeneinander zu kompensieren, wenn diese beide in guten thermi sehen Kontakt mit dem überwachten Schwingquarz gebracht werden. Nicht kompensiert werden dabei lediglich die Effekte der voneinander abweichenden Komponenten, d.h. das stark abhängige Temperaturverhalten der Dioden 38 wird nicht durch das schwach temperaturabhängige Verhalten des Widerstandes 54 kompensiert. Genau dies ist aber der Zweck der Anordnung, nämlich nur die Temperaturabhängigkeit der Diodeneigenschaften unbeeinflußt von temperaturabhängigen Eigenschaften der anderen Schaltungskomponenten zur Nachbildung des temperaturabhängigen Verhaltens des überwachten Schwingquarzes auszunutzen.
    [0073] Wie bereits oben erläutert, geht in die das Alterungsverhalten eines Schwingquarzes beschreibende Gleichung ein für jedes Schwingquarzexemplar zu bestimmender Koeffizient kg ein. Ein entsprechender Koeffizient ist für die Alterungs¬
    [0074] Schaltung durch Kalibrieren zu bestimmen,
    [0075] Bei optimaler Auslegung der Schaltung wird bei niedriger Betriebstemperatur des überwachten Schwingquarzes zuerst der Zeitzähler überlaufen, bei andauernd hoher Temperatur der Alterungszähler. Ab einem Überlauf eines dieser beiden Zähler würde der Alterungszähler 49 ein Signal abgeben, das in bezug auf die gewünschte Nachbildung der Alterungsabhängigkeit der Quarzeigenschaften fehlerhaft wäre. Um dies zu vermeiden, sind die Überlaufausgänge der beiden Zähler mit der Basis eines Kurzschlußtransistors 43 verbunden, der dann, wenn das Überlauf Signal an ihm anliegt, eine Sicherung 42 gegenüber der Batterie 41 kurzschließt, so daß die Sicherung durchbrennt. Dies wird über eine Signalleitung 50 ermittelt und das über diese Leitung abgegebene Signal sorgt dafür, daß die Kompensationsschaltung auf dem letzten ermittelten Wert für die Alterungseigenschaften stehenbleibt. Außerdem trennt die Sicherung die Betriebsspannung UB von den aktiven Komponenten der Alterungsschaltung ab.
    [0076] Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel wurden vor dem Zeitzähler 47 und dem Alterungszähler 49 noch Teiler angeordnet, um trotz relativ hoher Schwingfrequenzen der Oszillatoren 45 und 46 mit 12-bit-Zählern auszukommen. Die Frequenz, die Teilerverhältnisse und die Zählerkapazitäten sind so aufeinan- der abgestimmt, daß der Zeitzähler 47 nach etwa 10 Jahren überläuft. Der Al- terungszähler 49 läuft bei 80 Grad Celsius Dauerbetriebstemperatur nach etwa 7 Jahren, bei 40 Grad Celsius Dauerbetriebstemperatur nach etwa 7 Jahren über. Zweckmäßigerweise wird als Batterie 41 eine Li-Batterie verwendet, die bei dauerndem Betreiben der Alterungsschaltung 37 eine deutlich höhere Lebensdauer als 2 1/4 Jahre aufweist, damit gewährleistet ist, daß die Alterungsschaltung bis zum Auftreten des geänderten Signales an der Signalleitung 50 in vorgesehener Weise betrieben wird. Eine ausreichende Lebensdauer von z.B. fünf Jahren weist bereits eine, sehr kleine Batterie mit etwa 2 Ah auf, da die angegebene Alterungsschaltung 37 einen Stromverbrauch von nur etwa 5 μA aufweist.
    [0077] Es ist zu beachten, daß nach einem Zeitablauf von etwa 2 1/4 Jahren alterungsbedingte Frequenzänderungen bei Quarzoszillatoren 12 nur noch sehr gering ausfallen. Die logische Schaltung 18 geht dann, da das Signal auf der Signalleitung 50 keinen hohen Pegel mehr einnimmt, dauernd vom höchsten Zählwert des Alterungszählers 49 beim Berechnen des Alterungs¬
    [0078] Kompensationssignales aus. Der überlaufwert des LN-Zählers 40 und die Lebensdauer der Batterie 41 werden grundsätzlich so ausgelegt, daß für die jeweilige Spezifikation die Restalterung nach dem Durchbrennen der Sicherung 42 vernachlässigbar ist. In Sonderfällen kann eine neue Sicherung eingesetzt werden und die Schaltung 13 neu kalibriert werden.
    [0079] Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde auf einen Quarzoszillator mit AT-Schnitt Bezug genommen. Die Erfindung ist jedoch bei jedem beliebigen Oszillatorkristall, unabhängig vom verwendeten Material und unabhängig vom verwendeten Schnittwinkel anwendbar.
    [0080] Darüber hinaus ist die Erfindung nicht nur bei jedem beliebigen Oszillatorkristall, sondern auch bei jedem anderen Bauteil oder bei Schaltungen anwendbar, vorausgesetzt, daß das
    [0081] Alterungsverhalten proportional zum Logarithmus der Zeit und einer Exponentialfunktion ist, mit demnegativenReziprokwertderTemperaturealsExponenten. Dies gilt praktisch für alle Bauteile mit kristallinem Aufbau und für Schaltungen, deren Eigenschaften maßgeblich durch derartige Bauteile bestimmt werden. Die Frequenz eines Kristalloszillators kann durch Verändern einer beliebigen Blindreaktanz in gewissen Grenzen gesteuert werden. In der Praxis ist bisher nur das Steuern mit Hilfe einstellbarer Kapazitäten, insbesondere mit Kapazitätsdioden sinnvoll, weswegen nur auf eine derartige Ansteuerung bezug genommen wurde. Bei den Ausführungsbeispiel en liegt die Kapazitätsdiode in Serie zum Quarz. Es ist jedoch auch möglich, die Diode parallel zum Quarz anzuordnen, was in der Praxis aber nur dann mit wenig Aufwand realisierbar ist, wenn ein KristallosziIlator in seiner Grundfrequenz angeregt wird. Jedoch hat sich auf für diesen Fall die Serienschaltung als zweckmäßiger erwiesen.
    [0082] Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Speicher zum Speichern der Kristalloszillator-Kennzahlen ein EEPROM oder ein NOVRAM, was, wie beschrieben, den Vorteil hat, daß bei einem Nachkalibriervorgang neue Kennzahlen auf einfache Art und Weise eingegeben werden können. Kann auf ein Nachkalibrieren verzichtet werden, reicht es aus, einen einmalig programmierbaren ROM zu verwenden, z. B. einen EPROM. Außer den elektrisch programmierbaren Speichern können auch anders, z. B. optisch programmierbare verwendet werden, wie sie in jüngster Zeit in der Forschung entwickelt werden. In den Ausführungsbeispielen ist die logische Schaltung 18 durch eine CPU und einen RAM gebildet. Es ist jedoch auch möglich, die Berechnungen durch eine Gate-Anordnung vorzunehmen. Dabei bestehen zwei Möglichkeiten. Die eine ist die, daß die Gate-Anordnung so aufgebaut ist, daß sie Kompensationssignale genau nach der vorbekannten Gesetzmäßigkeit unter Berücksichtigung der gespeicherten Kennzahlen und der gemessenen Temperatur, einer gemessenen Beschleunigung oder eines gemessenen Zeitablaufes berechnet. Die andere Möglichkeit ist die, daß im PROM 16 beim Kalibrieren ausführliche Tabellen angelegt werden, in denen einer Vielzahl von Temperaturen jeweils ein Temperatur-Kompensationssignal und einer Vielzahl von Zeitpunkten jeweils ein AI terungs-Kompensati onss ignal zugeordnet wird, was entsprechend auch für Beschleunigungen oder andere Einflußgrößen erfolgen kann. Die Gate-Anordnung dient dann nur dazu, abhängig von z. B. einer gemessen Temperatur den PROM zu adressieren und ausgehend vom nachgeschlagenen Tabellenwert für das Kompensationssignal den genauen Spannungswert des Signales zu berechnen. Ein derartiger Aufbau erfordert jedoch einen sehr aufwendigen Kalibriervorgang.
    [0083] Zum Berechnen eines AIterungs-Kompensationssignales ist nicht notwendigerweise eine Alterungsschaltung 37 erforderl ich. Vielmehr besteht auch die Möglichkeit, durch eine Uhr den Zeitablauf darzustellen und über die logische Schaltung 18 dauernd unter gleichzeitiger Berücksichtigung des Temperatürsignales vom Temperatursensor 17 die Alterung zu berechnen. Dies erfordert jedoch ein ununterbrochenes Betreiben der logischen Schaltung 18 und damit einen Stromverbrauch, der um mehrere Größenordnungen über dem der Alterungsschaltung 37 liegt. Ein Mikroprozessor hat nämlich z. B. einen Stromverbrauch von etwa 50 mA , im Gegensatz zum genannten Stromverbrauch der auf extrem niedrigen Stromverbrauch konstruierten AIterungsschaltung 37 gemäß Fig. 10 mit einem Wert von etwa 5 uA. Es ist also nur dann sinnvoll, die Alterungskompensation über die logische Schaltung 18 vorzunehmen, wenn es sich um ein Gerät handelt, das nicht auf Batteriebetrieb angewiesen ist oder ohne Unterbrechung betrieben wird. Wird eine Alterungsschaltung mit einem Zähler verwendet, so kann statt einer Mikrosicherung 42 auch eine beliebige andere Speichereinrichtung verwendet werden, die das Auftreten des überl aufsignales registriert, z. B. kann beim Auftreten des überl aufsignal es die gesamte Kristalloszillator-Kompensationsschaltung 13 für kurze Zeit eingeschaltet werden, nämlich so lange, bis an einer Speicherstelle des EEPROM 16.1 die Tatsache des Überlaufs abgespeichert ist,
    [0084] Entsprechend dem im Speicher 16 gespeicherten Programm können auch Effekte zweiter Ordnung berücksichtigt werden, z. B. der Hystereseeffekt, wie er anhand von Fig. 2 erläutert wurde. Eine andere Möglichkeit liegt darin, eine Temperaturabhängigkeit des beschleunigungsbedingten Frequenzganges zu berücksichtigen.
    [0085] Von besonderem Vorteil ist es, die erfindungsgemäße Sc h a l tu n g in SMD-Technik (surface mounted device) aufzubauen, da sich dabei ein Volumen von nur wenigen ccm erzielen läßt, also um Größenordnungen weniger als bei herkömmlichen sehr gut kompensierten Kristalloszillatoren. Wird die Schaltung mit einem gut wärmeleitenden Harz vergossen, ist gewährleistet, daß alle Bauteile diejenige Temperatur aufweisen, die vom Temperatursensor gemessen wird.
    [0086] Als bevorzugtes Ausführungsbeispiel für die Beschreibung wurde das einer Kompensationsschaltung zum Kompensieren von Temperatureffekten ausgewählt. Schaltungen zum Kompensieren von Beschleunigungs- oder Alterungseffekten wurden lediglich als Abwandlungen oder Weiterbildungen dargestellt. Diese Rangfolge erfolgte, da die Temperaturkompensation für praktische Anwendungen die wichtigste Kompensation ist. Es ist jedoch durchaus möglich, die Temperaturkompensation wegzulassen, wenn z. B. ein herkömmlicher A u fb a u in einem Thermostaten verwendet wird. Dann ist aber immer noch die Alterungskompensation sinnvoll, falls kein vorgealteter Kristall verwendet wird, und/oder es ist Beschleunigungskompensation sinnvoll, falls die Schaltung starken Beschleunigungen, z. B. in Flugkörpern ausgesetzt ist.
    权利要求:
    Claims ANSPRÜCHE
    1. Kristalloszillator-Kompensationsschaltung mit a) einem Oszillatorkristall, der von einer Kristalloszillatorschaltung zum Schwingen angeregt wird, und b) einer einstellbaren Kapazität zum Einstellen der Frequenz des Kristalls, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h c) einen Port (15) zum Anschließen eines Meßmittels (27) zum Messen von Eigenschaften des Kristalls (12), d) einen Speicher (16; 16.1) zum Speichern von aus den Meßdaten errechneten Kennzahlen des Kristalls, e) eine logische Schaltung (18), und - einen Temperatursensor (17), der so angeordnet ist, daß er immer möglichst dieselbe Temperatur aufweist wie der Kristall, wobei der Schaltung (18) das Temperatursignal vom Temperatursensor zgeführt wird,: und diese abhängig vom jeweiligen Temperatursignal ein Temperatur-Kompensationssignal (Uk) an die einstellbare Kapazität (14) abgibt, und -- wobei bei einer Temperaturänderung von einer ersten Temperatur (T1) zu einer zweiten Temperatur (T2) das Temperatur-Kompensationssignal von der logischen Schaltung um einen solchen Betrag nach einer bekannten Gesetzmäßigkeit unter Berücksichtigung der gespeicherten Kennzahlen geändert wird, daß der dadurch bedingte Einfluß zum Verschieben der Oszillatorfrequenz (f) gerade denjenigen Einfluß zum entgegengesetzten Verschieben aufhebt, der durch die Temperatur änderung bedingt ist.
    2. Schaltung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die logische Schaltung (18) den Hystereseeffekt des Temperatur änderungs/Frequenzänderungs-Verhaltens berücksichtigt.
    3. Schaltung mit den Merkmalen a-e von Anspruch 1 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß
    - sie einen Beschleunigungssensor (31) aufweist, der ein Beschleunigungssignal an die logische Schaltung (18) abgibt, und
    - die logische Schaltung abhängig vom jeweiligen Beschleunigungssignal ein Beschleunigungs-Kompensationssignal an die einstellbare Kapazität (14) abgibt,
    -- wobei bei einer Beschleunigungsänderung von einer ersten Beschleunigung zu einer zweiten Beschleunigung das Beschleunigungs-Kompensationssignal von der logischen Schaltung um einen solchen Betrag nach einer bekannten Gesetzmäßigkeit unter Berücksichtigung der gespeicherten Kennzahlen geändert wird, daß der dadurch bedingte Einfluß zum Verschieben der Oszillatorfrequenz (f) gerade denjenigen Einfluß zum entgegengesetzten Verschieben aufhebt, der durch die Beschleunigungsänderung bedingt ist.
    4. Schaltung mit den Merkmalen a-e von Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß
    - sie eine Alterungsschaltung (37) aufweist, die ein Alterungssignal an die logische Schaltung (18) abgibt, und - die logische Schaltung abhängig vom jeweiligen Alterungssignal ein AIterungs-Kompensationssignal an die einstellbare Kapazität (14) abgibt, -- wobei das AIterungs-Kompensationssignal zwischen einem ersten Zeitpunkt (t ) und einem zweiten Zeitpunkt (t ) nach einer bekannten Gesetzmäßigkeit unter Berücksichtigung der gespeicherten Kennzahlen um einen solchen Betrag geändert wird, daß der dadurch bedingte Einfluß zum Verschieben der Oszillatorfrequenz (f) gerade denjenigen Einfluß zum entgegengesetzten Verschieben aufhebt, der durch die Alterung zwischen den beiden Zeitpunkten bedingt ist.
    5. Schaltung, insbesondere Schaltung nach Anspruch 4, g e k e n n z e i c h n e t als
    Alterungsschaltung (37) mit einer Oszillatorschaltung (39) und einem logarithmischen Zähler (40), aus dessen Zähϊwert (N) ein Alterungs-Kompensationssignal errechenbar ist.
    6. Schaltung nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Oszillatorschaltung (39) mindestens ein in seinen
    Eigenschaften temperaturabhängiges Bauteil (38) aufweist, das so geschaltet ist, daß sich die Taktfrequenz des
    Oszillators nach dem Gesetz f=ke x e-k f/T mit der Temperatur T ändert.
    7. Schaltung nach Anspruch 6, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine Speichereinrichtung (42), die mit dem Zähler (40) verbunden ist und eine Überlauf-Information speichert, wenn der Zähler ein überlaufsignal abgibt.
    8. Schaltung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Speichereinrichtung eine Mikrosicherung (42) ist, die durchbrennt, wenn sie das überlaufsignal erhält.
    9. Schaltung nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine automatische Verstärkungsregelungsschaltung (20) innerhalb der Kristalloszillatorschaltung (19) die den Kristall (12) bei einer solchen Leistung betreibt, bei der keine Änderung der Oszillatoreigenschaften gegenüber dem nichtschwingenden Zustand des Kristalls besteht.
    10. Schaltung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die KristallosziIlatorschaltung (19) einen Oszillatortransistor (29) aufweist, zwischen dessen Basis und Kol (23) und die Kapazitätsdiode (14) in der genannten Reihenfolge angeschlossen sind, daß dabei die Versorgungsspannung (Uv) am Kollektor anliegt und die aus der Versorgungsspannung gewonnene Kompensations-Steuerspannung (Uκ) für die Kapazitätsdidde zwischen dieser und dem Entkoppelungskondensator zugeührt wird.
    11. Schaltung nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß am Kollektor des Oszillatortransistors (29) ein Schwingkondensator (52) und eine Induktivität (53) angeschlossen sind, die einen LC-Resonanzkreis bilden, der auf die erwünschte Frequenz (f) der Kristalloszillatorschaltung (19) abgestimmt ist.
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    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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