DE2349749A1

DE2349749A1 - Oszillator

Info

Publication number: DE2349749A1
Application number: DE19732349749
Authority: DE
Inventors: Eugene R Keeler; Robert C Shapiro
Original assignee: Timex Corp
Current assignee: Timex Group USA Inc
Priority date: 1972-10-12
Filing date: 1973-10-03
Publication date: 1974-05-02
Also published as: JPS541356U; FR2203220A1; JPS4974866A; US3803828A; HK76576A; NL7313801A; AU6118773A; IT994400B; BE806031A; FR2203220B1; DE2349749B2; CA988614A; AU476377B2; GB1429257A

Description

DR.-IMG. DPU. INO. M. SC. Ol PC.-RHYS. DR. DIPI—-PHYS.

HÖGER - STELLRECi-JT - GRIESSBACH - HAECKER

PATENTANWÄLTE IN STUTTGART

23497Λ9

A Uo 388 b

k - 163

3, Oktober 1973

Timex Corporation Waterbury, Conn. o672o, USA

Oszillator

Die Erfindung betrifft einen Oszillator mit mindestens einem aktiven Bauelement, mit einer kapazitiven Last mit zwei in Serie geschalteten Kondensatoren als Bestandteil eines Oszillatorschwingkreises und mit Einrichtungen zum Frequenzabgleich.

.Bei Quarzoszillatoren kann der Quarzkristall während des. normalen Herstellungsverfahrens mit einer Genauigkeit von + 1 Hz geschnitten werden, was für viele Anwendungszwecke befriedigend ist. Bei speziellen Anwendungen, wie z.B. in Quarzuhren, ist es jedoch wichtig, daß die Schwingfrequenz des Quarzoszillators auf eine genau vorgegebene Frequenz abgeglichen werden kann, um eine hohe Ganggenauigkeit zu erzielen.Wenn beispielsweise bei einer handelsüblichen

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Quarzuhr eine Schwingfrequenz von 49,152 kHz vorausgesetzt würde und eine Frequenzänderung um 1 Hz vorhanden wäre, so würde dies zu einer Zeitabweichung von 2 Sekunden pro Tag führen, was bei einer Quarzuhr nicht akzeptabel ist.

Das übliche Verfahren zum Abgleichen von Quarzoszillatoren bedingt die Verwendung eines veränderlichen Kondensators im Oszillatorschwingkreis, der üblicherweise eine Pierce-Schaltung ist. Diese Art des Abgleichs verlangt jedoch ein diskretes veränderliches kapazitives Element, welches auf einem Substrat montiert werden muß. Hierdurch werden nicht nur die Kosten der Oszillatorschaltung sondern auch die Montagekosten erhöht, und es ergibt sich gleichzeitig ein erhöhter Raumbedarf im Inneren des Uhrgehäuses.

Abgleichbare Oszillatoren der vorstehend beschriebenen Art sind beispielsweise in den US-Patentschriften 3,046,460, 3, 306,030, 3,469,389, 3,430,119 und 3,566,600 beschrieben, wobei davon auszugehen ist, daß weitere einschlägige Druckschriften existieren .

Ausgehend von dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen insbesondere in Uhren verwendbaren, abgleichbaren Oszillator vorzuschlagen, welcher einfacher und billiger aufzubauen ist und welcher bei verringertem Raumbedarf eine erhöhte Zuverlässigkeit besitzt.

Diese Aufgabe wird durch einen Oszillator der eingangs beschriebenen Art gelöst, welcher gemäss der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß die Einrichtungen zum Freq.uenzabgleich einen veränderlichen Widerstand umfassen.

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Ein veränderlicher Widerstand ist ein zuverlässigeres Abgleichelement als ein veränderbarer Kondensator und kann außerdem auf einem Substrat hergestellt werden, so daß kein diskretes Bauelement hergestellt werden muß und so daß die Montagekosten und ein erhöhter Raumbedarf entfallen. Außerdem ergibt sich eine erhöhte Zuverlässigkeit, da keine Kontaktierungsprobleme zu befürchten sind, wie sie beim Einbau eines diskreten Bauelements auftreten.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform eines Oszillators gemäss der Erfindung ist der Oszillatorschwingkreis als Pierce-Schaltung ausgebildet, und es ist ein veränderlicher Widerstand in Serie mit einem ersten Kondensator des Oszillatorschwingkreises vorgesehen, welcher einen Quarzkristall, den ersten Kondensator und einen zweiten Kondensator umfasst. Das phasenverschobene Rückkopplungssignal wird in dieser Oszillatorschaltung durch den ersten Kondensator und den veränderlichen Widerstand bestimmt, wodurch eine entsprechende Änderung der Schwingfrequenz des Oszillators erzielt wird. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Quarzoszillatoren in Pierce-Schaltung beschränkt. Abgewandelte Ausführungsformen können somit eine komplementäre MOS-Schaltung umfassen, die der bipolaren Pierce-Schaltung äquivalent ist oder eine modifizierte Colpitts-Schaltung oder einen modifizierten Hartley-Oszillator. -

Es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß sie verbesserte Einrichtungen zum Frequenzabgleich bei Quarzoszillatoren vorschlägt.

Es ist ein weiterer Vorteil der Erfindung, daß sie einen veränderlichen Widerstand umfassende Einrichtungen zum Frequenzabgleich für einen Quarzoszillator vorschlägt, die direkt auf ein Substrat aufgebracht werden können.

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Es ist ein spezieller Vorteil der Erfindung, daß sie neue und verbesserte Einrichtungen zum Abgleichen der Frequenz eines Quarzoszillators vorschlägt, der in erster Linie für eine Verwendung in Uhren bestimmt ist, wobei ein veränderlicher Widerstand verwendet wird, um die Ausgangsfrequenz des Oszillators genau abzugleichen und wobei erhebliche Kostenersparnisse erzielt werden.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand einer Zeichnung näher erläutert und/oder sind Gegenstand der Schutzansprüche. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer typischen Quarzuhr, in welcher ein Oszillator gemäss der Erfindung verwendet werden kann, dessen Frequenz genau eingestellt werden kann;

Fig. 2 ein Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform eines abstimmbaren Quarzoszillators gemäss der Erfindung in Form einer bipolaren Pierce-Schaltung;

Fig. 3 eine abgewandelte Ausführungsform eines Quarzoszillators gemäss der Erfindung mit einer komplementären MOS-Schaltung;

Fig. ·+ eine weitere Ausführungsform eines Quarzoszillators gemäss der Erfindung in Form einer modifizierten Colpitts-Oszillatorschaltung und

Fig. 5 eine vierte Ausführungsform eines Oszillators gemäss der Erfindung in Form einer modifizierten Hartley-Os zillators chaltung.

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Fig. 1 der Zeichnung zeigt ein Blockdiagramm einer typischen Quarzuhr. Die Uhr umfasst einen mit hoher Frequenz schwingenden Oszillator Io, und zwar einen Quarzoszillator, einen Frequenzteiler 11, welcher die Frequenz am Ausgang des Oszillators Io herunterteilt und sie einem Treiber 12 zuführt, hinter dem ein Motor 13 liegt, der durch den Treiber angetrieben wird, sowie ein Uhrwerk IH, welches schematisch angedeutet ist und welches von dem Motor 13 angetrieben wird.

Gemäss der Erfindung enthält der Oszillator Io einen Quarzkristall 16 mit einer Eigenfrequenz im 50 kHz-Bereich, der im Kollektor-Basis-Kreis eines Transistors 17 liegt. Der Oszillator enthält ferner Kondensatoren 18 und 19, die mit dem Quarzkristall 16 zu einem Oszillatorschwingkreis geschaltet sind. Ein veränderlicher Widerstand 21 ist in Serie zu dem Kondensator 18 geschaltet, während ein fester Widerstand 22 parallel zum Quarzkristall 16 geschaltet ist. Der Oszillatorschaltung wird die Energie über eine Leitung 23 und einen Widerstand 2H von einer Energiequelle, wie z.B. einer üblichen Uhrbatterie (nicht dargestellt), zugeführt.

Die Betriebsweise vorbekannter Oszillatorschaltungen lässt sich anhand der Fig. 2 erläutern, wenn man den Widerstand 21 durch einen Kurzschluß ersetzt und wenn man annimmt, daß eine Spannung e am Punkt A des Oszillators anliegt und daß der Quarzkristall 16 und die Kondensatoren 18 und 19 einen verlustfreien Oszillatorschwingkreis bilden. Da der Verbindungspunkt der Kondensatoren 18 und 19 geerdet ist und der Strom durch die Kondensatoren 18 und 19 gleich ist, erzeugt der Oszillatorschwingkreis am Punkt B eine Ausgangsspannung -e. Der Oszillatorschwingkreis besitzt also, bezogen auf Erde, eine Phasenverschiebung von 180°. Die zusätzliche Phasenverschiebung um 180° im Transistor 17 führt zu einer Schleife mit einer

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Phasenverschiebung von 360°, so daß Schwingungen möglich sind, wenn die Verstärkung des Transistors 17 hoch genug ist.

Typische Werte der Bauteile für einen Betrieb bei 50 kHz sind nachstehend angegeben:

Widerstand 2h = 150 kOhm Widerstand 22 = 2,2 MOhm Kondensator 18 = Kondensator 19 = 33 pF.

Eine geringfügige Änderung der Ausgangsfrequenz kann bei dieser Schaltung erreicht werden, indem man die Kapazität der Kondensatoren 18 und/oder 19 ändert, wodurch natürlich die Schwingfrequenz des Oszillatorschwingkreises geändert wird. Dieses Verfahren wird bei den vorbekannten Oszillatoren tatsächlich allgemein angewandt; seine Anwendung hat jedoch bei den Schaltungen für elektrische Uhren schwerwiegende Nachteile. Die Verwendung einer veränderlichen Kapazität zum Abgleichen des Quarzoszillators verlangt nämlich ein diskretes kapazitives Element, welches auf einem Substrat montiert werden muss. Es ist aber nicht nur ein zusätzliches Bauelement erforderlich, sondern es entstehen auch zusätzliche Montagekosten und außerdem ein zusätzlicher Raumbedarf im Inneren des Uhrgehäuses.

Gemäss der Erfindung ist in dem Oszillator gemäss Fig. 2 ein veränderlicher Widerstand 21 in Serie zu dem Kondensator 18 geschaltet. Der Oszillator arbeitet wie vorstehend beschrieben mit der Ausnahme, daß die Rückkopplungsspannung gleich e .· ύ ist, wobei ύ durch die Serienschaltung des Widerstands 21 und des Kondensators 18 bestimmt ist. Dieses phasenverschobene Signal verursacht eine entsprechende Änderung der Schwingfrequenz des Oszillators, so daß ein präziser Abgleich der Ausgangsfrequenz erreicht werden kann, indem man den Widerstandswert, des Widerstands 21 ändert und nicht, wie bei den vorbe-

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kannten Schaltungen, die Kapazität der Kondensatoren 18 und/ oder 19. Der veränderliche Widerstand 21 ist ein zuverlässigeres Abgleichelement, welches darüber hinaus - was einen zusätzlichen Vorteil bedeutet - auf dem Substrat ausgebildet werden kann.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf bipolare Quarzoszillatoren in Pierce-Schaltung beschränkt, wie sie Fig. 2 zeigt. Beispielsweise zeigt Fig. 3 eine zu der bipolaren Oszillatorschaltung gemäss Fig. 2 äquivalente Oszillatorschaltung 26 mit komplementären MOS-Transistoren. Fig. H zeigt eine Oszillatorschaltung 27 in einer modifizierten Colpitts-Schaltung und Fig. 5 zeigt eine Oszillatorschaltung 28 in einer modifizierten Hartley-Schaltung. Bei sämtlichen Ausführungsformen ist ein veränderlicher Widerstand 21 vorgesehen, um die Oszillatorfrequenz durch diesen Widerstand abzugleichen. Da die Betriebsweise der oszxllatorschaltungen 26-, 27 und 28 allgemein bekannt ist,, soll hier auf eine nähere Beschreibung der Oszillatorschaltungen verzichtet werden. Die Wirkung der Einfügung des veränderlichen Widerstandes 21 ist jedenfalls ähnlich wie bei der Oszillatorschaltung gemäss Fig. 2, und es ergeben sich ähnliche Vorteile. Durch die Erfindung wird also die Möglichkeit für einen genauen Abgleich der Ausgangsfrequenz einer Oszillatorschaltung durch Verändern des Widerstandswertes in einem Zweig der Schaltung geschaffen.

Abschliessend sei darauf hingewiesen, daß vorstehend lediglich bevorzugte Ausführungsbexspiele beschrieben wurden. Dem Fachmann stehen zahlreiche Möglichkeiten zur Verfügung, den Grundgedanken der Erfindung in abgewandelten Oszillatorschaltungen zu verwirklichen.

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Claims

Patentansprüche :

^lj) Oszillator mit mindestens einem aktiven Bauelement, mit einer kapazitiven Last mit zwei in Serie geschalteten Kondensatoren als Bestandteile eines Oszillatorschwingkreises und mit Einrichtungen zum Frequenzabgleich, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Frequenzabgleich einen veränderlichen Widerstand (21) umfassen.
2. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch .gekennzeichnet, daß der veränderliche Widerstand (21) in Serie zu einem der Kondensatoren (18,19) geschaltet ist.

und 2,
3. Oszillator nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß

er einen Quarzkristall (16) enthält, daß die Kondensatoren (18,19) eine feste Kapazität besitzen und daß mit dem Quarzkristall (16) eine Halbleiteranordnung (Transistor 17) verbunden ist, welches die für den'SchwingVorgang erforderliche Verstärkung und Phasenverschiebung liefert.
4. Oszillator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiteranordnung ein Transistor (17) ist, dessen Emitter auf Bezugspotential liegt und dessen Kollektor-Basis-Strecke der Quarzkristall (16) parallel geschaltet ist.
5. Oszillator nach Anspruch 3_} dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiteranordnung eine komplementäre MOS-Schaltung ist und daß der Quarzkristall (16) zwischen dem Verbindungspunkt der Gate-Anschlüsse und dem Verbindungspunkt der Drain-Anschlüsse der MOS-Schaltung liegt (Fig. 3).

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6. Oszillator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein zwischen den in Serie geschalteten Kondensatoren liegender Punkt (C) mit Bezugspotential verbunden ist und daß der veränderliche Widerstand (21) zum Frequenzabgleich in einem der kapazitiven Zweige liegt.
7. Oszillator nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillatorschwingkreis als modifizierte Colpitts-Schaltung ausgebildet ist (Fig. H),
8. Oszillator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillatorschwingkreis nach Art einer modifizierten Hartley-Schaltung ausgebildet ist (Fig. 5).
9. Oszillator nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der veränderliche Widerstand (21) ein temperaturempfindlicher Widerstand ist und temperaturabhängige Änderungen des Quarzkristalls (16) zumindest teilweise kompensiert.
10. Verwendung eines Oszillators nach einem der mehreren der" Ansprüche 1 bis 9 in einer Uhr mit einer elektrischen Energiequelle, mit einem dem Oszillator nachgeschalteten Frequenzteiler (11) und mit dem Frequenzteiler (11) nachges.chalteten Einrichtungen (12,13) zum Antreiben eines Uhrwerks

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