專利名稱：對振蕩頻率源進行溫度補償和頻率校正的方法及電路結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種對頻率振蕩源進行溫度補償和頻率校正的方法，還涉及根據(jù)這種方法的一種電路結構。
本發(fā)明還提供的技術方案是一種對振蕩頻率源進行溫度補償和頻率校正的方法，包括以下步驟(1)外部提供一個表達環(huán)境溫度的數(shù)字量；(2)中央處理單元(CPU)將上述數(shù)字量作為對預存了補償數(shù)據(jù)的存儲器進行讀取數(shù)據(jù)的參考值，直接讀取或進行中間插值運算，得出補償數(shù)據(jù)；(3)中央處理單元(CPU)將補償數(shù)據(jù)作為偏移頻率與基準頻率進行加法運算，得出的運算結果通過頻率緩存器送到頻率寄存器中，由頻率寄存器輸出運算結果；或將補償數(shù)據(jù)通過偏移頻率緩存器送到偏移頻率寄存器中，使用硬件加法器對預存了基準頻率的頻率寄存器的值和偏移頻率寄存器的值進行加法運算，由加法器輸出運算結果；(4)上述輸出的運算結果作為相位的步長被送到相位累加器與相位累加器的輸出進行加法運算；(5)上述相位累加器輸出的運算結果作為存儲了正弦波形采樣值的正弦波形存儲器的入口地址，將相應相位的正弦波形采樣值輸出到數(shù)模轉換器；(6)數(shù)模轉換器將上述采樣值轉換成模擬電壓信號；
本發(fā)明還提供一種對振蕩頻率源進行溫度補償和頻率校正的電路結構，包括時鐘發(fā)生電路、中央處理單元(CPU)、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、補償數(shù)據(jù)存儲器、多字節(jié)的頻率緩存器、多字節(jié)的頻率寄存器、相位累加器、正弦波形存儲器和數(shù)模轉換器。被校正的振蕩頻率源與時鐘發(fā)生電路的時鐘輸入端相連；時鐘發(fā)生電路的輸出端與中央處理單元(CPU)、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、補償數(shù)據(jù)存儲器、多字節(jié)的頻率緩存器和多字節(jié)的頻率寄存器的時鐘輸入端相連，向它們提供操作時鐘；被補償?shù)恼袷庮l率源直接與相位累加器和正弦波形存儲器的時鐘輸入端相連，向它們提供操作時鐘；中央處理單元(CPU)通過地址、數(shù)據(jù)和控制總線與時鐘發(fā)生電路、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、補償數(shù)據(jù)存儲器及多字節(jié)的頻率緩存器相連，中央處理單元(CPU)可直接或間接地對它們進行尋址和讀寫操作；多字節(jié)的頻率緩存器具有多字節(jié)的數(shù)據(jù)輸出端和指示中央處理單元對多字節(jié)的頻率緩存器的所有字節(jié)的寫入操作已完成的標志位輸出端；多字節(jié)的頻率緩存器的數(shù)據(jù)輸出端連接到多字節(jié)的頻率寄存器的數(shù)據(jù)輸入端；多字節(jié)的頻率緩存器的標志位連接到多字節(jié)的頻率寄存器的寫入控制端；多字節(jié)的頻率寄存器的數(shù)據(jù)輸出端連接到相位累加器的一個數(shù)據(jù)輸入端；相位累加器的數(shù)據(jù)輸出端連接到相位累加器的另一個數(shù)據(jù)輸入端；相位累加器的數(shù)據(jù)輸出的高端數(shù)據(jù)線連接到正弦波形存儲器的的地址線；正弦波形存儲器中存儲了正弦波形的采樣值，正弦波形存儲器的數(shù)據(jù)輸出端連接到數(shù)模轉換器的數(shù)據(jù)輸入端；數(shù)模轉換器輸出相應的模擬電壓量；地址、數(shù)據(jù)和控制總線連接到電路結構外部。
上述的電路結構還可使用硬件加法器，設有多字節(jié)的偏移頻率緩存器、多字節(jié)的偏移頻率寄存器和加法器。中央處理單元(CPU)通過地址、數(shù)據(jù)和控制總線與多字節(jié)的偏移頻率緩存器相連；多字節(jié)的偏移頻率緩存器具有多字節(jié)的數(shù)據(jù)輸出端和指示中央處理單元對多字節(jié)的偏移頻率緩存器的所有字節(jié)的寫入操作已完成的標志位輸出端；多字節(jié)的偏移頻率緩存器的數(shù)據(jù)輸出端連接到多字節(jié)的偏移頻率寄存器的數(shù)據(jù)輸入端；多字節(jié)的偏移頻率緩存器的標志位連接到多字節(jié)的偏移頻率寄存器的寫入控制端；多字節(jié)的偏移頻率寄存器的輸出端連接到加法器的一個數(shù)據(jù)輸入端；多字節(jié)的頻率寄存器的輸出端連接到加法器的另一個數(shù)據(jù)輸入端；加法器的數(shù)據(jù)輸出端連接到相位累加器的一個數(shù)據(jù)輸入端。
本發(fā)明具有補償精度高，頻率校正速度快的優(yōu)點，而且頻率改變時相位連續(xù)，頻率特性只與數(shù)字參數(shù)有關。本發(fā)明采用的方法和結構，對頻率輸出采取了純數(shù)字的控制，避免了在使用模擬控制時部件參數(shù)對輸出頻率的影響，減少了影響器件品質的因素，從而提高了產品的成品率。同時，可以在不改變內部硬件的情況下，可由軟件高精度地設置不同的輸出頻率，這使得在生產不同型號的產品時不須改變硬件，大大地簡化了生產流程，增加了產品的靈活性。而且，本發(fā)明所涉及的器件可完成自我校正，適于大批量生產。


圖1為本發(fā)明的電路結構框圖；圖2為本發(fā)明使用硬件加法器的電路結構框圖；圖3為本發(fā)明使用分立元件來實現(xiàn)的電路結構框圖。
或將由被進行溫度補償和頻率校正的振蕩頻率源和發(fā)明提供的電路結構組成的裝置置于環(huán)境溫度模擬室中，環(huán)境溫度模擬室的溫度以一定的變化率在標稱的溫度范圍內變化；裝置外部提供一個表達環(huán)境溫度變化的數(shù)字量；外部測試系統(tǒng)提供一個高精度的參考頻率；將該裝置的輸出頻率倍頻后再和參考頻率混頻，經(jīng)低通濾波器后得到一個差值頻率；外部測試系統(tǒng)向該裝置提供一個表達上述差頻的數(shù)字量，該裝置根據(jù)這一數(shù)字量不斷地改變頻率寄存器的值，從而改變器件的輸出頻率，以將這一差頻逐步減小到精度范圍以內；該裝置將相應的偏移值和表達溫度變化的數(shù)字量寫到補償數(shù)據(jù)存儲器中。循環(huán)執(zhí)行以上三個步驟，直至一個溫度模擬周期完成。
然后，在使用這一電路結構對振蕩頻率源進行溫度補償和頻率校正時，利用外部提供的表達溫度的數(shù)字量(例如由模數(shù)轉換器將溫度傳感器的模擬電壓量轉換成的數(shù)字量)，中央處理單元(CPU)將此數(shù)字量作為對預存了補償數(shù)據(jù)的存儲器進行讀取數(shù)據(jù)的參考值，直接讀取或進行中間插值運算，得出補償數(shù)據(jù)。中央處理單元(CPU)將這一補償數(shù)據(jù)作為偏移頻率與基準頻率進行加法運算，得出運算結果；或使用硬件加法器，對頻率寄存器的值和偏移頻率寄存器的值進行加法運算，得出運算結果；該運算結果作為相位的步長被送到相位累加器與相位累加器的輸出進行加法運算。相位累加器輸出的運算結果作為正弦波形存儲器的入口地址，將相應相位的正弦波形采樣值輸出到數(shù)模轉換器。數(shù)模轉換器再將上述采樣值轉換成模擬電壓信號。此電壓信號經(jīng)過一個相應帶寬的帶通濾波器，即可得到頻率補償后的正弦波形。
參見圖1，實現(xiàn)本發(fā)明的電路結構包括時鐘發(fā)生電路、中央處理單元(CPU)、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、補償數(shù)據(jù)存儲器、多字節(jié)的頻率緩存器、多字節(jié)的頻率寄存器、相位累加器、正弦波形存儲器和數(shù)模轉換器。被校正的振蕩頻率源與時鐘發(fā)生電路的時鐘輸入端相連；時鐘發(fā)生電路的輸出端與中央處理單元(CPU)、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、補償數(shù)據(jù)存儲器、多字節(jié)的頻率緩存器和多字節(jié)的頻率寄存器的時鐘輸入端相連，向它們提供操作時鐘；被補償?shù)恼袷庮l率源直接與相位累加器和正弦波形存儲器的時鐘輸入端相連，向它們提供操作時鐘；中央處理單元(CPU)通過地址、數(shù)據(jù)和控制總線與時鐘發(fā)生電路、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、補償數(shù)據(jù)存儲器及多字節(jié)的頻率緩存器相連，中央處理單元(CPU)可直接或間接地對它們進行尋址和讀寫操作；多字節(jié)的頻率緩存器輸出多字節(jié)的數(shù)據(jù)和一個標志位，該標志位指示中央處理單元(CPU)對多字節(jié)的頻率緩存器的所有字節(jié)的寫入操作已完成；多字節(jié)的頻率緩存器的數(shù)據(jù)輸出端連接到多字節(jié)的頻率寄存器的數(shù)據(jù)輸入端；多字節(jié)的頻率緩存器的標志位連接到多字節(jié)的頻率寄存器的寫入控制端；多字節(jié)的頻率寄存器的數(shù)據(jù)輸出端連接到相位累加器的一個數(shù)據(jù)輸入端；相位累加器的數(shù)據(jù)輸出端連接到相位累加器的另一個數(shù)據(jù)輸入端；相位累加器的數(shù)據(jù)輸出的高端數(shù)據(jù)線連接到正弦波形存儲器的的地址線；正弦波形存儲器中存儲了正弦波形的采樣值，正弦波形存儲器的數(shù)據(jù)輸出端連接到數(shù)模轉換器的數(shù)據(jù)輸入端；數(shù)模轉換器輸出相應的模擬電壓量；地址、數(shù)據(jù)和控制總線連接到電路結構外部。
在本發(fā)明的較佳實例中，中央處理單元(CPU)可以通過連接到電路結構外部的地址、數(shù)據(jù)和控制總線讀取外部提供的數(shù)字量。
在本發(fā)明的較佳實例中，中央處理單元(CPU)通過地址、數(shù)據(jù)和控制總線和多字節(jié)的頻率緩存器相連，中央處理單元(CPU)可以對多字節(jié)的頻率緩存器進行寫入操作。
在本發(fā)明的較佳實例中，頻率緩存器為多字節(jié)的頻率緩存器；該多字節(jié)的頻率緩存器具有一個標志位，以指示中央處理單元(CPU)對頻率緩存器的所有字節(jié)的寫入操作已完成；該標志位連接到多字節(jié)的頻率寄存器的寫入控制端。
在本發(fā)明的較佳實例中，還可使用硬件加法器(參見圖2)，設有多字節(jié)的偏移頻率緩存器、多字節(jié)的偏移頻率寄存器和加法器。中央處理單元(CPU)通過地址、數(shù)據(jù)和控制總線與多字節(jié)的偏移頻率緩存器相連；多字節(jié)的偏移頻率緩存器輸出多字節(jié)的數(shù)據(jù)和一個標志位，該標志位指示中央處理單元(CPU)對它的所有字節(jié)的寫入操作已完成；多字節(jié)的偏移頻率緩存器的數(shù)據(jù)輸出端連接到多字節(jié)的偏移頻率寄存器的數(shù)據(jù)輸入端；多字節(jié)的偏移頻率緩存器的標志位連接到多字節(jié)的偏移頻率寄存器的寫入控制端；多字節(jié)的偏移頻率寄存器的輸出端連接到加法器的一個數(shù)據(jù)輸入端；多字節(jié)的頻率寄存器的輸出端連接到加法器的另一個數(shù)據(jù)輸入端；加法器的數(shù)據(jù)輸出端連接到相位累加器的一個數(shù)據(jù)輸入端。
在本發(fā)明的較佳實例中，中央處理單元(CPU)通過地址、數(shù)據(jù)和控制總線和多字節(jié)偏移頻率緩存器相連，中央處理單元(CPU)可以對多字節(jié)偏移頻率緩存器進行寫入操作。
在本發(fā)明的較佳實例中，偏移頻率緩存器為多字節(jié)的偏移頻率緩存器；該多字節(jié)的偏移頻率緩存器具有一個標志位，以指示對偏移頻率緩存器的所有字節(jié)的寫入操作已完成；該標志位連接到多字節(jié)的偏移頻率寄存器的寫入控制端。
為實現(xiàn)和驗證本發(fā)明，可用市場上現(xiàn)成的分立元件組成本發(fā)明的電路結構，參見圖3，包括一個溫度補償晶體振蕩器(TCXO)，一個電阻和一個熱敏電阻組成的溫度傳感器，一個8位的單片機，其內帶有模數(shù)轉換器、定時器、計數(shù)器、串行接口及程序內存(FLASH)和變量內存(RAM)，一個數(shù)字直接頻率合成器(DDS)。這里采用的溫度補償晶體振蕩器(TCXO)的長期穩(wěn)定度為0.2PPM，8位單片機為ATMEL的89C5115，其包括10位模數(shù)轉換器、16K字節(jié)程序內存(FLASH)、256字節(jié)變量內存(RAM)、2K字節(jié)EEPROM、UART串行接口、一個定時器和一個計數(shù)器。89C5115的計數(shù)器輸入端和UART串行接口引出到該電路結構的外部，89C5115與一個普通石英晶體相連以產生單片機的主頻時鐘。DDS采用ANALOG的AD9832，其包括32位的相位頻率寄存器和累加器，12位的正弦波形存儲器和10位的數(shù)模轉換器。
將上述組成的裝置置于環(huán)境溫度模擬室中，環(huán)境溫度模擬室的溫度以一定的變化率在標稱的溫度范圍內變化；外部測試設備提供一個高精度的參考頻率；8位單片機通過數(shù)據(jù)和時鐘線設置數(shù)字直接頻率合成器(DDS)的頻率寄存器，由數(shù)字直接頻率合成器輸出相應得頻率(根據(jù)萊奎斯特理論，這一頻率不能超過溫度補償晶體振蕩器(TCXO)的振蕩頻率的50％，在實際應用中最好不要超過40％)；將上述組成的裝置的輸出頻率倍頻后再和參考頻率混頻，經(jīng)低通濾波器后得到一個差值頻率；將上述差頻送到該裝置的8位單片機的計數(shù)器的輸入端，8位單片機通過定時器和計數(shù)器得到一個表達上述差頻的數(shù)字量，并根據(jù)這一數(shù)字量設置數(shù)字直接頻率合成器(DDS)的頻率寄存器的值，從而改變器件的輸出頻率，以將這一差頻逐步減小到精度范圍以內；8位單片機將相應的偏移值和溫度模數(shù)轉換值寫到FLASH或EEPROM中。
在完成上述補償數(shù)據(jù)采集后，當應用該裝置的環(huán)境溫度變化時，8位單片機可根據(jù)溫度傳感器和模數(shù)轉換器所提供的隨溫度變化的數(shù)字量，在補償數(shù)據(jù)存儲器中找到相應的頻率補償數(shù)據(jù)，并將這一補償數(shù)據(jù)作為偏移頻率和基準頻率作加法運算，然后通過數(shù)據(jù)和時鐘線將這一運算結果寫入到數(shù)字直接頻率合成器(DDS)的頻率寄存器中，DDS的數(shù)模轉換器輸出一個相應的正弦波形采樣模擬電壓，經(jīng)一個帶通濾波器即可得到一個具有溫度補償和頻率校正的穩(wěn)定頻率。本裝置的主要技術性能指標如下被補償?shù)腡CXO頻率20MHz被補償?shù)腡CXO精度0.2ppm補償溫度范圍-40C-+80C最小頻率調整步長0.0047Hz補償數(shù)據(jù)存儲器尺寸800字節(jié)補償后輸出頻率0.0047Hz-8MHz補償后輸出頻率精度小於2ppb@8MHz
權利要求
1.一種對振蕩頻率源的溫度補償和頻率校正的方法，包括以下步驟(1)外部提供一個表達環(huán)境溫度的數(shù)字量；(2)中央處理單元將上述數(shù)字量作為對預存了補償數(shù)據(jù)的存儲器進行讀取數(shù)據(jù)的參考值，直接讀取或進行中間插值運算，得出補償數(shù)據(jù)；(3)中央處理單元將補償數(shù)據(jù)作為偏移頻率與基準頻率進行加法運算，得出的運算結果通過頻率緩存器送到頻率寄存器中，由頻率寄存器輸出運算結果；或將補償數(shù)據(jù)通過偏移頻率緩存器送到偏移頻率寄存器中，使用硬件加法器對預存了基準頻率的頻率寄存器的值和偏移頻率寄存器的值進行加法運算，由加法器輸出運算結果；(4)上述輸出的運算結果作為相位的步長被送到相位累加器與相位累加器的輸出進行加法運算；(5)上述相位累加器輸出的運算結果作為存儲了正弦波形采樣值的正弦波形存儲器的入口地址，將相應相位的正弦波形采樣值輸出到數(shù)模轉換器；(6)數(shù)模轉換器將上述采樣值轉換成模擬電壓信號。
2.一種對振蕩頻率源進行溫度補償和頻率校正的電路結構，包括時鐘發(fā)生電路、中央處理單元、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、補償數(shù)據(jù)存儲器、多字節(jié)的頻率緩存器、多字節(jié)的頻率寄存器、相位累加器、正弦波形存儲器和數(shù)模轉換器；被校正的振蕩頻率源與時鐘發(fā)生電路的時鐘輸入端相連；時鐘發(fā)生電路的輸出端與中央處理單元、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、補償數(shù)據(jù)存儲器、多字節(jié)的頻率緩存器和多字節(jié)的頻率寄存器的時鐘輸入端相連；被補償?shù)恼袷庮l率源與相位累加器和正弦波形存儲器的時鐘輸入端相連；中央處理單元通過地址、數(shù)據(jù)和控制總線與時鐘發(fā)生電路、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、補償數(shù)據(jù)存儲器及多字節(jié)的頻率緩存器相連；多字節(jié)的頻率緩存器具有多字節(jié)的數(shù)據(jù)輸出端和指示中央處理單元對多字節(jié)的頻率緩存器的所有字節(jié)的寫入操作已完成的標志位輸出端；多字節(jié)的頻率緩存器的數(shù)據(jù)輸出端連接到多字節(jié)的頻率寄存器的數(shù)據(jù)輸入端；多字節(jié)的頻率緩存器的標志位輸出端連接到多字節(jié)的頻率寄存器的寫入控制端；多字節(jié)的頻率寄存器的數(shù)據(jù)輸出端連接到相位累加器的一個數(shù)據(jù)輸入端；相位累加器的數(shù)據(jù)輸出端連接到相位累加器的另一個數(shù)據(jù)輸入端；相位累加器的數(shù)據(jù)輸出的高端數(shù)據(jù)線連接到正弦波形存儲器的地址線；正弦波形存儲器的數(shù)據(jù)輸出端連接到數(shù)模轉換器的數(shù)據(jù)輸入端；數(shù)模轉換器輸出相應的模擬電壓量；地址、數(shù)據(jù)和控制總線連接到電路結構外部。
3.根據(jù)權利要求2所述的電路結構，其特征在于設有多字節(jié)的偏移頻率緩存器、多字節(jié)的偏移頻率寄存器和加法器；中央處理單元通過地址、數(shù)據(jù)和控制總線與多字節(jié)的偏移頻率緩存器相連；多字節(jié)的偏移頻率緩存器具有多字節(jié)的數(shù)據(jù)輸出端和指示中央處理單元對多字節(jié)的偏移頻率緩存器的所有字節(jié)的寫入操作已完成的標志位輸出端；多字節(jié)的偏移頻率緩存器的數(shù)據(jù)輸出端連接到多字節(jié)的偏移頻率寄存器的數(shù)據(jù)輸入端；多字節(jié)的偏移頻率緩存器的標志位輸出端連接到多字節(jié)的偏移頻率寄存器的寫入控制端；多字節(jié)的偏移頻率寄存器的輸出端連接到加法器的一個數(shù)據(jù)輸入端；多字節(jié)的頻率寄存器的輸出端連接到加法器的另一個數(shù)據(jù)輸入端；加法器的數(shù)據(jù)輸出端連接到相位累加器的一個數(shù)據(jù)輸入端。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種對振蕩頻率源進行溫度補償和頻率校正的方法及電路結構。中央處理單元將一個表達環(huán)境溫度的數(shù)字量作為對預存了補償數(shù)據(jù)的存儲器進行讀取數(shù)據(jù)的參考值，直接讀取或進行中間插值運算，并將得出的補償數(shù)據(jù)和基準頻率進行加法運算；得出的運算結果送到相位累加器與相位累加器的輸出進行加法運算。運算結果作為正弦波形存儲器的入口地址，將相應相位的正弦波形采樣值輸出到數(shù)模轉換器。數(shù)模轉換器再將采樣值轉換成模擬電壓信號。然后經(jīng)過帶通濾波器，即可輸出得到溫度補償和頻率校正后的正弦波形。本發(fā)明具有補償精度高，頻率校正速度快，產品的成品率高等優(yōu)點。
文檔編號H03B5/00GK1472882SQ03128198
公開日2004年2月4日 申請日期2003年6月24日 優(yōu)先權日2003年6月24日
發(fā)明者黃斌, 黃 斌 申請人:深圳市東方漢華軟件技術有限公司