(57)【要約】【課題】水晶振動子を振動させる発振回路の制御信号を所望の温度補償曲線に容易に近似できる、関数発生回路を提供すること。【解決手段】水晶振動子３５を振動させる発振回路３０の制御電圧Ｖｃを、ＯＳＣＯＵＴ端子から出力される発振周波数が発振回路３０の周波数温度特性により変動することを補償する温度補償曲線として、周囲温度Ｔに応じて出力する関数発生回路（温度補償回路２１）であって、周囲温度Ｔの検出電圧ＶＴを出力する温度検出回路２と、温度検出回路２から出力された周囲温度Ｔの検出電圧ＶＴに基づいて、ベジェ曲線を制御電圧Ｖｃとして生成するベジェ曲線生成回路７とを備えることを特徴とするもの。【選択図】図５
2012216963.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周囲温度に応じて、水晶振動子を振動させる発振回路の制御信号を出力する関数発生回
路であって、
周囲温度を検出する温度検出回路と、
前記温度検出回路により検出された周囲温度に基づいて、ベジェ曲線を前記制御信号として生成するベジェ曲線生成回路とを備えることを特徴とする、関数発生回路。
【請求項２】
前記ベジェ曲線生成回路は、
前記温度検出回路により検出された周囲温度に応じて、ベジェ曲線の制御点を切り替える切替部を有する、請求項１に記載の関数発生回路。
【請求項３】
前記切替部は、前記温度検出回路により検出された周囲温度に応じて、メモリから読み出すベジェ曲線の定義データを切り替える、請求項２に記載の関数発生回路。
【請求項４】
前記切替部は、前記温度検出回路により検出された周囲温度に応じて、ベジェ曲線の生成部を切り替える、請求項２に記載の関数発生回路。
【請求項５】
前記ベジェ曲線は、２次ベジェ曲線である、請求項１から４のいずれか一項に記載の関数発生回路。
【請求項６】
前記ベジェ曲線生成回路は、
制御信号発生回路の出力に第１の所定値を乗算する第１の乗算回路と、
前記第１の乗算回路の出力に第２の所定値を加算する第１の加算回路と、
前記第１の加算回路の出力の平方根を算出する平方根回路と、
前記平方根回路の出力に第３の所定値を乗算する第２の乗算回路と、
前記制御信号発生回路の出力に第４の所定値を乗算する第３の乗算回路と、
前記第２の乗算回路の出力と前記第３の乗算回路の出力と第５の所定値とを加算する第２の加算回路とを有する、請求項５に記載の関数発生回路。
【請求項７】
前記ベジェ曲線は、以下の式で近似される、請求項５に記載の関数発生回路。
【数７】
2012216963.tif 000009
【請求項８】
請求項１から７のいずれか一項に記載の関数発生回路と、前記発振回路とを備える、水晶発振回路。
【請求項９】
請求項８に記載の水晶発振回路と、前記水晶振動子とを備える、水晶発振装置。
【請求項１０】
検出された周囲温度に基づいて、ベジェ曲線を、水晶振動子を発振させる発振回路の制御信号として生成する制御信号生成方法。
【請求項１１】
検出された周囲温度に基づいて、水晶振動子を発振させる発振回路の制御信号をベジェ曲線で近似するカーブフィッテング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水晶振動子を振動させる発振回路の制御信号を出力する関数発生回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
水晶発振器は、周波数安定度が高いことが知られているが、図１の実線に示されるように、周囲温度Ｔに対して３次関数で近似される周波数温度特性を有している。これに対し、図２に例示する温度補償型水晶発振器（ＴＣＸＯ）５０は、温度検出回路２により検出された周囲温度Ｔに基づいて、水晶振動子３５を振動させる発振回路３０の制御電圧Ｖｃを生成する関数発生回路として、温度補償回路２０を備えている。温度補償回路２０は、発振回路３０の可変容量素子３１，３２に制御電圧Ｖｃを印加することにより、ＯＳＣＯＵＴ端子から出力される発振周波数（ＴＣＸＯ出力）が水晶発振器の周波数温度特性によって変動することを補償する（図１参照）。
【０００３】
一般に、温度補償回路２０によって生成される制御電圧Ｖｃは、３次成分発生回路６、１次成分発生回路５、０次成分発生回路４のそれぞれで作成された電圧を加算することにより得られ、下記の式（１）の３次関数
Ｖｃ＝α（Ｔ−Ｔ０）３＋β（Ｔ−Ｔ０）＋γ      ・・・（１）
によって表される温度補償曲線で定義される。αは３次項の係数、βは１次項の係数、γは０次項の係数、Ｔ０は３次曲線の変曲点の温度（基準中心温度）である。Ｔ０の調整は、Ｔ０調整回路３によって行われる。Ｔ０調整回路３は、式（１）内のＴ０を、水晶振動子３５を含む水晶発振器自体の温度特性によって定まる変曲点の温度に一致するように調整する。
【０００４】
なお、関数発生回路の先行技術文献として、特許文献１，２，３が挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４０７０１３９号公報
【特許文献２】特開２００７−３２５０３３号公報
【特許文献３】特開平８−１１６２１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、水晶発振器の周波数温度特性を３次関数で近似するには精度上限界がある。特に、図３，４に示されるように、高温領域（例えば、８０℃以上）と低温領域（例えば、−３０℃以下）においては、式（１）の３次関数によって、水晶振動子を振動させる発振回路の制御信号を、水晶発振器の周波数温度特性によるＴＣＸＯ出力の変動を精度良く補償可能な所望の温度補償曲線に近似させることは難しい。
【０００７】
そこで、本発明は、水晶振動子を振動させる発振回路の制御信号を所望の温度補償曲線に容易に近似できる、関数発生回路、制御信号生成方法、カーブフィッテング方法等の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明に係る関数発生回路は、
周囲温度に応じて、水晶振動子を振動させる発振回路の制御信号を出力する関数発生回
路であって、
周囲温度を検出する温度検出回路と、
前記温度検出回路により検出された周囲温度に基づいて、ベジェ曲線を前記制御信号として生成するベジェ曲線生成回路とを備えることを特徴とするものである。
【０００９】
また、上記目的を達成するため、本発明に係る制御信号生成方法は、
検出された周囲温度に基づいて、ベジェ曲線を、水晶振動子を発振させる発振回路の制御信号として生成するものである。
【００１０】
また、上記目的を達成するため、本発明に係るカーブフィッテング方法は、
検出された周囲温度に基づいて、水晶振動子を発振させる発振回路の制御信号をベジェ曲線で近似するものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、水晶振動子を振動させる発振回路の制御信号を所望の温度補償曲線に容易に近似できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】３次曲線の変曲点の温度における固有共振周波数をｆ０とするとき、温度変化に伴う固有共振周波数の周波数誤差（Δｆ／ｆ０）を表すグラフである。
【図２】従来のＴＣＸＯ５０のブロック図である。
【図３】周波数誤差の温度特性を示した図である。
【図４】周波数誤差の温度特性を示した図である。
【図５】本発明の実施形態例であるＴＣＸＯ１００のブロック図である。
【図６】２次ベジェ曲線の説明図である。
【図７】２次ベジェ曲線回路１６Ａのブロック図である。
【図８】２次ベジェ曲線回路１６Ｂのブロック図である。
【図９】平方根回路１１のブロック図である。
【図１０】２次ベジェ曲線回路を用いた温度補償回路２１のブロック図の一例である。
【図１１】制御電圧Ｖｃの温度領域が、極値点を一つずつ含む２つの領域に分割されていることを示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態の説明を行う。図５は、本発明の実施形態例であるＴＣＸＯ１００のブロック図である。ＴＣＸＯ１００は、半導体集積回路（ＩＣ）で構成されている。
【００１４】
ＴＣＸＯ１００は、温度補償回路２１と、ＡＴカットの水晶振動子３５を振動させる発振回路３０と、メモリ４０とを備えている。
【００１５】
温度補償回路２１は、周囲温度Ｔに応じて、発振回路３０の制御電圧Ｖｃを出力する関数発生回路である。
【００１６】
発振回路３０は、水晶振動子３５を共振器として使用して、ＯＳＣＯＵＴ端子から出力される一定の発振周波数の発振出力を生成する。発振回路３０に接続される水晶振動子３５は、入力側のＸＴ１端子と出力側のＸＴ２端子を介してＴＣＸＯ１００に外付けされている。
【００１７】
発振回路３０は、例えば図２に示されるように、水晶振動子３５が入出力部間に並列接続されたＣＭＯＳインバータ３３と、ＣＭＯＳインバータ３５の入力部とグランドとの間に接続された可変容量素子３１と、ＣＭＯＳインバータ３５の出力部とグランドとの間に接続された可変容量素子３２と、ＣＭＯＳインバータ３５の入出力部間に並列接続された帰還抵抗３４とを備えている。可変容量素子の具体例として、可変容量ダイオード（バリキャップ）が挙げられる。発振回路３０は、可変容量素子のそれぞれの両端に印加される制御電圧Ｖｃに応じて、一定の発振周波数の発振出力をＯＳＣＯＵＴ端子に出力する。なお、発振回路３０は、この構成に限られるものではない。
【００１８】
図５において、メモリ４０は、温度補償回路２１のベジェ曲線生成回路７がベジェ曲線を生成するために必要なデータ（例えば、後述の、ベジェ曲線の制御点の座標データ又は定数ａ〜ｅ）を記憶する装置である。メモリ４０内のデータは、ＣＬＫ端子とＤＡＴＡ端子を介して、ＴＣＸＯ１００の外部から書き換え可能である。メモリ４０には、製品出荷前の個々の製品毎に調整されたデータが記憶される。
【００１９】
また、温度補償回路２１は、温度検出回路２とベジェ曲線生成回路７とを備える関数発生回路である。
【００２０】
温度検出回路２は、発振回路３０を含むＴＣＸＯ１００及び／又は水晶振動子３５の温度を周囲温度Ｔとして検出し、検出された周囲温度Ｔに応じた電圧を周囲温度Ｔの検出電圧ＶＴとして１次の温度特性（例えば、１次の負の温度特性）で出力するものである。温度検出回路２は、例えば、周囲温度Ｔの増加に対して単調減少する１次の負の温度特性で変化する電圧を周囲温度Ｔの検出電圧ＶＴとして出力する。
【００２１】
ベジェ曲線生成回路７は、温度検出回路２により検出された周囲温度Ｔに応じて、ベジェ曲線を制御電圧Ｖｃとして生成する。
【００２２】
ベジェ曲線とは、m個の制御点を用いて描かれるm-1次曲線である。制御点をB0,B1,…,Bm-1とすると、ベジェ曲線は、
【００２３】
【数１】
2012216963.tif 000003
と表現される。J(m-1)i(t)は、バーンスタイン基底関数のブレンディング関数である。式（２）において、パラメータtが０から１まで変化することで、B0とBm-1を両端とするベジェ曲線が得られる。
【００２４】
次に、m=3とし、制御点をP0=(x0,y0)，P1=(x1,y1)，P2=(x2,y2)としたときの２次ベジェ曲線について図６を参照しながら説明する。ただし、x0≦x1≦x2とする。
【００２５】
２次ベジェ曲線上の任意の点PB(t)=(Px(t),Py(t))は、式（３）（４）に示すtの関数（ただし、0≦t≦1）で表される。
【００２６】
【数２】
2012216963.tif 000004
PB(t)は、t=0のときにP0、t=1のときにP2となる。制御点P1の座標を変更することで、ベジェ曲線の曲がり度合いを調整することができる。式（３）をtについて整理すると、tについての２次方程式（５）となる。したがって、0≦t≦1であることから、tはPx(t)を用いて式（６）で表される。
【００２７】
【数３】
2012216963.tif 000005
式（６）を式（４）に代入すると、式（７）となる。すなわち、Py(t)は、Px(t)の関数となる。Py(t)が、制御電圧Ｖｃに相当する。
【００２８】
【数４】
2012216963.tif 000006
式（７）のa,b,c,d,eは、式（８）〜（１２）に示されるように制御点P0,P1,P2で決まる定数であり、この３点の座標から容易に求めることができる。
【００２９】
図７，８は、式（７）に基づいて２次ベジェ曲線を生成する回路例を示したブロック図である。図７，８の２次ベジェ曲線回路は、式（３）のPx(t)を出力する制御信号発生回路８と、Px(t)に定数dを乗算した値を出力する第１の乗算回路９と、第１の乗算回路９から出力された乗算値に定数cを加算した値を出力する第１の加算回路１０と、第１の加算回路１０から出力された加算値の平方根を算出して出力する平方根回路１１と、平方根回路１１の出力値に定数bを乗算した値を出力する第２の乗算回路１２と、Px(t)に定数eを乗算した値を出力する第３の乗算回路１４と、第２の乗算回路１２の出力値と第３の乗算回路１４の出力値と定数aとを加算した値をPy(t)として出力する第２の加算回路１５とから構成されている。
【００３０】
図７に示した第１の回路例である２次ベジェ曲線回路１６Ａは、メモリ４０（図１参照）内のＲＯＭ４１に予め記憶された３点P0=(x0,y0)，P1=(x1,y1)，P2=(x2,y2)の座標データに基づいて、定数a,b,c,d,eをそれぞれ式（８）〜（１２）に従って演算するデジタル演算回路１３を備えたものである。２次ベジェ曲線回路１６Ａは、デジタル演算回路１３により演算された定数a,b,c,d,eを用いて、式（７）に従ってPy(t)を算出する。一方、図８に示した第２の回路例である２次ベジェ曲線回路１６Ｂは、式（８）〜（１２）に従って予め演算された定数a,b,c,d,eを格納するＲＯＭ４１を備えるものである。２次ベジェ曲線１６Ｂは、ＲＯＭ４１から読み出した定数a,b,c,d,eを用いて、式（７）に従ってPy(t)を算出する。
【００３１】
図７，８に例示される加算回路１０，１５、積算回路９，１２，１４、平方根回路１１は、アナログ回路で構成できる。具体的には、加算回路１０，１５及び積算回路９，１２，１４は、演算増幅器を用いて構成可能である。平方根回路１１は、その一例として、トランスリニア原理を用いた図９の回路が挙げられる。平方根回路は、周知であり、図９の構成に限られるものではない。
【００３２】
図１０は、２次ベジェ曲線回路を用いた温度補償回路２１のブロック図の一例である。ベジェ曲線生成回路７は、温度検出回路２によって検出された周囲温度Ｔの検出電圧ＶＴに応じて、ベジェ曲線の制御点を切り替える切替部として、スイッチ１８を備えている。スイッチ１８は、温度検出回路２によって検出された周囲温度Ｔの検出電圧ＶＴに応じて、制御電圧Ｖｃを生成するための２次ベジェ曲線の生成部を，複数のベジェ曲線生成部のうちのいずれかに切り替える。ベジェ曲線生成回路７は、２次ベジェ曲線の生成部として、生成するベジェ曲線の温度範囲が互いに異なる２つの２次ベジェ曲線回路１７Ａ，１７Ｂを備えている。図１１に示されるように、生成すべき制御電圧Ｖｃの温度特性は、水晶発振器の周波数温度特性に対応するように２つの極値点が存在する。そのため、図１０において、２次ベジェ曲線回路１７Ａは、変曲点温度Ｔ０に対して低温側の温度領域における制御電圧Ｖｃを生成し、２次ベジェ曲線回路１７Ｂは、変曲点温度Ｔ０に対して高温側の温度領域における制御電圧Ｖｃを生成する。所望の温度補償曲線への制御電圧Ｖｃのカーブフィッテングは、それぞれの温度領域の制御点P0,P1,P2の座標データの調整によって行われる。
【００３３】
ベジェ曲線生成回路７は、温度検出回路２によって検出された周囲温度Ｔの検出電圧ＶＴに応じて、スイッチ１８を切り替えることにより、その検出された周囲温度Ｔにおける制御電圧Ｖｃを生成する回路として、２次ベジェ曲線回路１７Ａと１７Ｂのいずれかを選択する。
【００３４】
また、ベジェ曲線の制御点を切り替える切替部としてのスイッチ１８は、温度検出回路２によって検出された周囲温度Ｔの検出電圧ＶＴに応じて、メモリ４０内のＲＯＭ４１から読み出すベジェ曲線の定義データを切り替えるものでもよい。ベジェ曲線の定義データとは、例えば、上述の、各制御点Pの座標データ又は定数a,b,c,d,eである。温度範囲毎の定義データがメモリに格納されている。ベジェ曲線生成回路７は、検出された周囲温度Ｔに対応する温度範囲のベジェ曲線の定義データを、図７又は８に例示される一つの２次ベジェ曲線回路に反映する。この構成により、複数のベジェ曲線生成回路を備える場合に比べて、回路規模を縮小できる。
【００３５】
したがって、上述の実施形態によれば、制御電圧Ｖｃを、水晶発振器の周波数温度特性によるＴＣＸＯ出力の変動を精度良く補償可能な所望の温度補償曲線に容易に近似できる。すなわち、ベジェ曲線生成回路７によれば、所望の温度補償曲線の始点と終点の両端にベジェ曲線の制御点を設定し、その始点と終点との間に設定した制御点の座標データを変更することにより、その所望の温度補償曲線に精度良くカーブフィッテングする制御電圧Ｖｃを生成することができる。
【００３６】
このため、ベジェ曲線生成回路７を用いた温度補償回路２１によれば、ＴＣＸＯの温度補償範囲を例えば−３０℃以下の低温領域と８０℃以上の高温領域に広げても、その広げた温度領域において、制御電圧Ｖｃを所望の温度補償曲線に柔軟にフィッテングすることができる。
【００３７】
また、その広げた温度領域を精度良く補償するために、温度補償回路に４次以上の高次成分発生回路を設ける必要がないため、回路規模も抑えることができる。
【００３８】
また、式（７）には２次以上の高次項は存在せず、さらに、平方根の項ではPx(t)に含まれる雑音も１／２乗に圧縮される。このため、低雑音な温度補償回路を構成できる。
【００３９】
以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形、改良及び置換を加えることができる。
【００４０】
例えば、式（７）を１次の項を含まない式（１３）に変形することにより、さらに低雑音な回路を構成できる。
【００４１】
【数５】
2012216963.tif 000007
また、式（７）の√を含む項について着目し、式（１４）のように変形する。
【００４２】
【数６】
2012216963.tif 000008
式（１４）では、kの値を変更することで、b’,c’,d’を変えられることから、bとc,dの間でゲイン配分してもよいことがわかる。k=1/|b|とした場合には、|b’|=1となる。したがって、図７，８の回路で、乗算回路１２（b倍アンプ）を省略できる。k=√|d|とした場合には、|d’|=1となる。したがって、図７，８の回路で、乗算回路９（d倍アンプ）を省略できる。
【００４３】
また、２次ベジェ曲線回路を用いた温度補償回路の場合、温度領域分割数を増やすにつれて高精度な制御電圧Ｖｃを生成できる。
【００４４】
また、m=4以上の高次ベジェ曲線についても、上述と同様に、Py(t)をPx(t)の関数として表し、定数の演算をＲＯＭ等のメモリやデジタル演算回路で行い、残りの演算をアナログ演算回路で行うことができる。また、m=4以上の高次ベジェ曲線は２個以上の極値点を有するため、制御電圧Ｖｃが定義される温度範囲を分割しなくても、所望の補償温度曲線への近似精度の高い温度補償回路を構成できる。
【００４５】
また、上述の本発明の実施形態例では、検出された周囲温度に応じてベジェ曲線の制御点を切り替える切替部として、スイッチ１８を例示した。スイッチ１８は、トランジスタ等で構成されるハードウェアによって実現されてもよいが、中央演算処理装置（ＣＰＵ）で処理されるプログラムによってソフトウェア上で実現されてもよい。
【符号の説明】
【００４６】
２  温度検出回路
３  Ｔ０調整回路
４  ０次成分発生回路
５  １次成分発生回路
６  ３次成分発生回路
７  ベジェ曲線生成回路
８  信号発生回路
９，１２，１４  乗算回路
１０，１５  加算回路
１１  平方根回路
１３  デジタル演算回路
１６Ａ，１６Ｂ，１７Ａ，１７Ｂ  ２次ベジェ曲線回路
１８  スイッチ
２０，２１  温度補償回路
３０  発振回路
３５  水晶振動子
４０  メモリ
４１  ＲＯＭ
５０，１００  ＴＣＸＯ
【図１】
2012216963.tif 000010
【図２】
2012216963.tif 000011
【図３】
2012216963.tif 000012
【図４】
2012216963.tif 000013
【図５】
2012216963.tif 000014
【図６】
2012216963.tif 000015
【図７】
2012216963.tif 000016
【図８】
2012216963.tif 000017
【図９】
2012216963.tif 000018
【図１０】
2012216963.tif 000019
【図１１】
2012216963.tif 000020