專利名稱：基于模擬—數(shù)字結(jié)合的溫補晶振的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及基本電子元件，具體地說是一種基于模擬-數(shù)字相結(jié)合的二次溫度補償晶體振蕩器，可用作標(biāo)準(zhǔn)頻率源。
背景技術(shù)：
如今，晶體振蕩器已被廣泛應(yīng)用于通信、郵電、航空航天、儀器儀表等技術(shù)領(lǐng)域。隨著科技的不斷進(jìn)步，人們對晶體振蕩器的頻率-溫度特性及體積、功耗、成本的要求越來越高?，F(xiàn)有的溫度補償晶體振蕩器有模擬補償、數(shù)字補償和微機(jī)補償不同種類，其中，采用模擬補償?shù)木w振蕩器價格便宜但精度較低，如日本，芬蘭等國采用的新的全集成化的頻率-溫度模擬補償，即在溫度補償晶體振蕩器TCXO的IC中集成一個三次函數(shù)發(fā)生器，用以補償AT切晶體本身的近似三次函數(shù)的頻率-溫度的偏移，使電路得到了簡化，便于集成化處理，并降低了成本，但這種近似的補償決定了晶振的頻率-溫度穩(wěn)定性不可能很好，一般情況下在-30℃～85℃的范圍內(nèi)頻率-溫度穩(wěn)定度為±2ppm，這一技術(shù)指標(biāo)對某些高要求的領(lǐng)域來說是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的；而采用數(shù)字和微機(jī)補償?shù)木w振蕩器精度雖高但價格不菲，目前國內(nèi)采用微機(jī)補償?shù)腁T切晶體振蕩器，在-30℃～85℃的范圍內(nèi)頻率-溫度穩(wěn)定度可以達(dá)到±0.5ppm以上，但傳統(tǒng)數(shù)字補償晶振中的電可擦除只讀存儲器E2PROM和數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器D/A以及傳統(tǒng)的微機(jī)補償晶體振蕩器中的直接數(shù)字頻率合成器DDS、混頻器Mixer、鑒相器等電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜且體積較大、功耗和成本都較高，對補償線路的精度要求也很高，難以滿足實際需求。此外國外采用的模擬和數(shù)字混合補償?shù)木w振蕩器，僅僅是將兩種補償同時應(yīng)用，即在補償?shù)倪^程中先進(jìn)行數(shù)字化分區(qū)，再在每一個小區(qū)域中采用模擬補償，以提高晶體振蕩器的短期穩(wěn)定度，但實際上還是一種模擬補償，因而，該晶振不可避免的也存在精度低的缺點。
技術(shù)內(nèi)容本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種基于模擬-數(shù)字相結(jié)合的二次溫度補償晶體振蕩器，以提高頻率-溫度穩(wěn)定性，減小體積，降低成本及功耗，降低對數(shù)字部分的精度要求，滿足實用中對晶體振蕩器的指標(biāo)要求。
實現(xiàn)本實用新型目的的技術(shù)方案是采用微機(jī)及數(shù)字補償?shù)脑?，對一次模擬補償后的集成式壓控型溫度補償晶體振蕩器VCTCXO再進(jìn)行二次微機(jī)及數(shù)字補償，使VCTCXO在全溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定在標(biāo)稱值。該晶體振蕩器包括溫度傳感電路、微處理器、二次補償電路及一次補償后的集成式壓控型溫度補償晶體振蕩器VCTCXO。溫度傳感器將當(dāng)前晶體振蕩器所處的環(huán)境溫度信號輸入給微處理器，微處理器將該溫度值轉(zhuǎn)換為周期-定、占空比可變的方波電信號或直接將數(shù)字信號輸入到二次補償電路，通過二次補償電路輸出二次補償電壓，該補償電壓再輸入到一次補償后的集成式壓控型溫度補償晶體振蕩器VCTCXO，改變其振蕩頻率，并校正到標(biāo)稱值。
上述二次補償電路可用兩種結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。結(jié)構(gòu)之一是由方波積分電路、頻率機(jī)械微調(diào)電位器、直流疊加電路組成。其中，方波積分電路接收微處理器輸出的方波信號，經(jīng)過積分網(wǎng)絡(luò)得到直流電壓，該直流電壓與校正振蕩器長期穩(wěn)定度的頻率機(jī)械微調(diào)電位器產(chǎn)生的電壓，共同輸入到直流電壓疊加電路疊加，得到二次微機(jī)補償電壓，再輸入到集成式壓控型溫度補償晶體振蕩器VCTCXO。
上述二次補償電路的結(jié)構(gòu)之二，是由D/A轉(zhuǎn)換電路、頻率機(jī)械微調(diào)電位器、直流疊加電路組成。其中，D/A轉(zhuǎn)換電路接收微處理器輸出的數(shù)字信號，將其轉(zhuǎn)換為與之相對應(yīng)的模擬電信號，該模擬電信號與校正振蕩器長期穩(wěn)定度的頻率機(jī)械微調(diào)電位器產(chǎn)生的電壓，共同輸入到直流電壓疊加電路疊加，得到二次數(shù)字補償電壓，再輸入到集成式壓控型溫度補償晶體振蕩器VCTCXO。
上述微處理器中固化有對一次補償后的集成式壓控型溫度補償晶體振蕩器VCTCXO進(jìn)行實驗得到的溫度計數(shù)值及相應(yīng)溫度能把頻率拉回到標(biāo)稱值的脈寬值。
本實用新型由于采取了對一次模擬補償后的集成式壓控型溫度補償晶體振蕩器VCTCXO進(jìn)行二次微機(jī)與數(shù)字補償?shù)哪?shù)結(jié)合補償技術(shù)，大大改善了晶體振蕩器的頻率-溫度特性，增加了晶體振蕩器的穩(wěn)定性，提高了精度。由圖9可見，一次補償后的溫度補償晶體振蕩器的頻率-溫度特性仍有較大起伏，振蕩頻率隨溫度的變化較大，而經(jīng)過二次補償后其頻率-溫度特性得到較大的改善，振蕩頻率隨溫度的變化量由經(jīng)過一次模擬補償后的±2ppm降至二次補償后的±0.3ppm，穩(wěn)定性大大提高。其次，該技術(shù)降低了對器件、線路及電源等方面的要求，由于二次補償是在對VCTCXO經(jīng)過一次模擬補償?shù)幕A(chǔ)上進(jìn)行的，故而起點較高。此時需要再提高的頻率-溫度穩(wěn)定度已經(jīng)不象直接對晶體進(jìn)行補償時那樣多，因此無需像傳統(tǒng)的微機(jī)補償晶體振蕩器MCXO一樣把振蕩器的頻率-溫度穩(wěn)定度提高數(shù)百倍，而只需將其提高幾倍到十幾倍就可以了，這樣大幅度減小了對器件的要求，只需采用最一般的器件即可滿足要求。此外，由于充分發(fā)揮了軟件的作用，代替了部分的硬件電路，并且選用了盡可能簡單的電路及芯片，降低了成本，減小了體積，從而更適于市場的大規(guī)模生產(chǎn)。該溫補晶體振蕩器不僅頻率-溫度特性要求較高，而且又滿足了要求體積較小、成本較低的場合，擁有廣闊的市場前景。


圖1是本實用新型的原理框圖圖2是本實用新型的第一實施例框圖圖3是本實用新型的第二實施例框圖圖4是本實用新型二次補償電路的無源RC積分網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖圖5是本實用新型二次補償電路壓控電壓的疊加原理圖圖6是本實用新型二次補償電路壓控電壓的疊加電路圖圖7是微處理器軟件流程圖圖8是補償波示意圖圖9是一次補償后與二次補償后的頻率-溫度曲線比較圖具體實施方式
如圖1，本實用新型包括溫度傳感電路、微處理器、補償電路及一次補償后的集成式壓控型溫度補償晶體振蕩器VCTCXO。該集成式壓控型溫度補償晶體振蕩器VCTCXO采用常規(guī)的模擬補償，該補償電路為二次補償電路。溫度傳感器與微處理器相連接，微處理器的輸出與補償電路的輸入端相連接，補償電路的輸出與一次補償后的集成式壓控型溫度補償晶體振蕩器VCTCXO相連接。溫度傳感電路將當(dāng)前晶體振蕩器所處的環(huán)境溫度信號輸入給微處理器，微處理器將該溫度值轉(zhuǎn)換為周期一定、占空比可變的方波電信號或直接將數(shù)字信號輸入到二次補償電路，通過二次補償電路得到補償電壓，再輸入到一次補償后的集成式壓控型溫度補償晶體振蕩器VCTCXO，改變其振蕩頻率，并校正到標(biāo)稱值。該二次補償電路有圖2和圖3所示的兩種實施結(jié)構(gòu)。
參照圖2，本實用新型的第一實施例，主要由溫度傳感電路、單片機(jī)、方波積分電路、頻率機(jī)械微調(diào)電位器、直流疊加電路、集成式壓控型溫度補償晶體振蕩器VCTCXO組成，其中方波積分電路、頻率機(jī)械微調(diào)電位器、直流疊加電路組成二次補償電路。溫度傳感器測量當(dāng)前振蕩器所處的環(huán)境溫度，近似為當(dāng)前晶體振蕩器本身的溫度輸入給單片機(jī)，單片機(jī)發(fā)出控制信號，讀取溫度傳感器的溫度信號，并根據(jù)溫度值計算輸出相應(yīng)的周期不變、占空比隨溫度變化的方波信號，該方波信號輸入到方波積分電路積分后得到直流電壓，該直流電壓輸入到直流疊加電路與輸出的頻率機(jī)械微調(diào)電位器電壓相疊加，得到二次補償電壓，再輸入到一次補償后的集成式壓控型溫度補償晶體振蕩器VCTCXO，改變其振蕩頻率，并校正到標(biāo)稱值。該頻率機(jī)械微調(diào)電位器連接在振蕩器的電源端Vcc，以避免補償好的晶體振蕩器長期漂移，校正振蕩器的長期穩(wěn)定度，用戶調(diào)節(jié)該可調(diào)電位器產(chǎn)生的電壓，與經(jīng)過方波積分電路得到的直流電壓一起輸入直流電壓疊加電路，共同構(gòu)成晶體振蕩器的補償電壓，輸出給VCTCXO的壓控端Vc，從而使振蕩器的輸出穩(wěn)定在標(biāo)稱值。
參照圖3，本實用新型的第二實施例，主要由溫度傳感電路、單片機(jī)、D/A轉(zhuǎn)換電路、頻率機(jī)械微調(diào)電位器、直流疊加電路、集成式壓控型溫度補償晶體振蕩器VCTCXO組成，其中D/A轉(zhuǎn)換電路、頻率機(jī)械微調(diào)電位器、直流疊加電路構(gòu)成二次補償電路。單片機(jī)將讀取的溫度傳感器測量的溫度值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，直接將數(shù)字信號輸入到D/A轉(zhuǎn)換電路得到直流電壓，該直流電壓輸入到直流疊加電路與輸出的頻率機(jī)械微調(diào)電位器電壓相疊加，再輸入到一次補償后的集成式壓控型溫度補償晶體振蕩器VCTCXO，輸出二次補償后的標(biāo)稱值。
參照圖4，本實用新型二次補償電路中的方波積分電路采用簡單無源RC積分網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成以輸出補償電路，其中電阻R和電解電容C1構(gòu)成RC積分電路，微處理器(單片機(jī))輸出的數(shù)字量通過簡單積分得到壓控電壓，電容器C2用于濾波，以降低波紋電壓。
如圖5和圖6所示，本實用新型二次補償電路中的直流疊加電路由運算放大器與外圍元件R1、R2、R3、R4、R5及可調(diào)電位器W構(gòu)成的同相加法器構(gòu)成，其中R1一端接地，一端接運算放大器的“-”端，R2一端與運放的“-”端相連，一端接運放的輸出端，R3與R4并聯(lián)后接于運放的“+”端，R5一端接地，一端接運放的“+”端，Vcc為振蕩器的電源電壓，它經(jīng)過可調(diào)電位器W輸入給二輸入運放加法器中的一個輸入端A，另一個輸入端B輸入方波積分電壓，經(jīng)過運放加法器疊加，使得輸出端電壓u0為方波積分電壓和頻率機(jī)械微調(diào)電位器電壓的疊加。該運算放大器采用LM358N作為二輸入的同相加法器，其“+”端不必經(jīng)過一個電阻接地。經(jīng)實驗驗證，此電路的準(zhǔn)確率優(yōu)于0.01V。但同相輸入會引入共模分量，故必須選用共模抑制比和開環(huán)增益高的運算放大器，才能減小誤差。
如圖7所示，利用微處理器(單片機(jī))的定時中斷功能，在定時器計數(shù)時順序執(zhí)行程序，當(dāng)定時器溢出時自動進(jìn)入中斷處理子程序，其工作過程如下先對單片機(jī)進(jìn)行初始化，清空寄存器單元中內(nèi)容并開啟中斷。設(shè)定方波脈沖寬度初始值，同時定時器開始計數(shù)。然后從溫度傳感器中讀入溫度信號，判定溫度值屬于哪一個溫度段，在單片機(jī)數(shù)據(jù)存儲器中查表得出相應(yīng)的脈寬值，該脈寬值是利用單片機(jī)的指令周期對方波的高電平進(jìn)行填充而得到的計數(shù)值。計數(shù)器順序計數(shù)，并連續(xù)將溫度傳感器輸入的溫度信號轉(zhuǎn)換為方波信號輸出。定時器計數(shù)滿時，單片機(jī)中斷上述過程，繼而進(jìn)行高低電平的反轉(zhuǎn)及計數(shù)器的重新置數(shù)，而后跳出中斷并從斷點處接著執(zhí)行被中斷的工作。
單片機(jī)數(shù)據(jù)存儲器存儲的表中數(shù)據(jù)是對一次補償后的VCTCXO進(jìn)行實驗得到的溫度計數(shù)值及相應(yīng)溫度能把頻率拉回到標(biāo)稱值的脈寬值。由于表中存儲的實驗數(shù)據(jù)是離散的，因此查表時屬于同一溫度段的溫度計數(shù)值都輸出同一脈寬值，這樣溫度和脈寬的對應(yīng)關(guān)系就變成連續(xù)的了。此外為進(jìn)一步提高補償精度，也可采用折線法進(jìn)行擬合，這時需要浮點數(shù)的四則運算，相對復(fù)雜一些。
一次模擬補償后，VCTCXO的頻率-溫度穩(wěn)定度已達(dá)到±2ppm，故二次補償時溫度傳感器的分辨率為0.5℃的測溫精度就可滿足要求。對微處理器，最簡單的8位微處理器即可滿足要求，其中最小的8腳封裝微處理器為首選。
如圖8所示，微處理器輸出的方波周期為T，在一個周期內(nèi)，方波為高電平的時間為Th，而為低電平的時間為T1，方波高度為Vpp。由于方波的有效值與其占空比有一定的線性關(guān)系，而設(shè)計恰當(dāng)?shù)姆讲ǚe分電路可使輸出的直流電壓u與占空比也有線性關(guān)系。對方波在一個周期內(nèi)進(jìn)行積分，可得到積分電壓u為Th·Vpp/T。對于補償方波周期T的選取非常重要單片機(jī)輸出方波的最小分辨率為一個周期，如果補償波的周期太小，一個機(jī)器周期在補償波的周期中所占比例比較大，會使壓控電壓的分辨率降低；但如果補償波的周期過大，會造成積分后壓控電壓的波紋比較大，同樣會降低VCTCXO的頻率-溫度穩(wěn)定性。一般來說，小于0.01V的波紋電壓對VCTCXO的頻率-溫度穩(wěn)定性的影響很小，可以忽略不計。
如圖9所示，二次補償技術(shù)與一次補償技術(shù)相比，大大改善了晶體振蕩器的頻率-溫度特性，增加晶體振蕩器的穩(wěn)定性，提高了精度。圖中一次補償后的溫度補償晶體振蕩器的頻率-溫度特性不夠穩(wěn)定，仍有較大起伏，其振蕩頻率隨溫度的變化量為±2ppm，如曲線a所示，而經(jīng)過二次補償后其頻率-溫度特性得到較大的改善，頻率波動明顯減小，其振蕩頻率隨溫度的變化量降至±0.3ppm，穩(wěn)定性大大提高，如曲線b所示。
權(quán)利要求1.一種基于模擬—數(shù)字相結(jié)合的二次溫度補償晶體振蕩器，其特征在于，該晶體振蕩器包括溫度傳感電路、微處理器、二次補償電路及一次補償后的集成式壓控型溫度補償晶體振蕩器(VCTCXO)，溫度傳感器將當(dāng)前晶體振蕩器所處的環(huán)境溫度信號輸入給微處理器，微處理器將該溫度值轉(zhuǎn)換為周期一定、占空比可變的方波電信號或直接將數(shù)字信號輸入到二次補償電路，通過二次補償電路輸出二次補償電壓，該補償電壓再輸入到一次補償后的集成式壓控型溫度補償晶體振蕩器(VCTCXO)，改變其振蕩頻率，并校正到標(biāo)稱值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度補償晶體振蕩器，其特征在于二次補償電路可由方波積分電路、頻率機(jī)械微調(diào)電位器、直流疊加電路組成，方波積分電路接收微處理器輸出的方波信號，經(jīng)過積分網(wǎng)絡(luò)得到直流電壓，該直流電壓與校正振蕩器長期穩(wěn)定度的頻率機(jī)械微調(diào)電位器產(chǎn)生的電壓，共同輸入到直流電壓疊加電路疊加，得到二次微機(jī)補償電壓，再輸入到集成式壓控型溫度補償晶體振蕩器(VCTCXO)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度補償晶體振蕩器，其特征在于二次補償電路還可由D/A轉(zhuǎn)換電路、頻率機(jī)械微調(diào)電位器、直流疊加電路組成，D/A轉(zhuǎn)換電路接收微處理器輸出的數(shù)字信號，將其轉(zhuǎn)換為與之相對應(yīng)的模擬電信號，該模擬電信號與校正振蕩器長期穩(wěn)定度的頻率機(jī)械微調(diào)電位器產(chǎn)生的電壓，共同輸入到直流電壓疊加電路疊加，得到二次數(shù)字補償電壓，再輸入到集成式壓控型溫度補償晶體振蕩器(VCTCXO)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度補償晶體振蕩器，其特征在于微處理器中固化有對一次補償后的集成式壓控型溫度補償晶體振蕩器VCTCXO進(jìn)行實驗得到的溫度計數(shù)值及相應(yīng)溫度能把頻率拉回到標(biāo)稱值的脈寬值。
專利摘要本實用新型涉及一種基于模擬—數(shù)字相結(jié)合的二次溫度補償晶體振蕩器。該振蕩器包括溫度傳感電路、微處理器、二次補償電路及一次補償后的集成式壓控型溫度補償晶體振蕩器VCTCXO。二次補償電路用于對一次補償后的集成式壓控型溫度補償晶體振蕩器再進(jìn)行二次微機(jī)及數(shù)字補償，溫度傳感器將當(dāng)前晶體振蕩器所處的環(huán)境溫度信號輸入給微處理器，微處理器將該溫度值轉(zhuǎn)換為周期一定、占空比可變的方波電信號或直接將數(shù)字信號輸入到二次補償電路，通過二次補償電路輸出二次補償電壓，該補償電壓再輸入到一次補償后的集成式壓控型溫度補償晶體振蕩器VCTCXO，以校正其振蕩頻率。該晶振具有良好的頻率－溫度特性、成本及功耗低、精度高、體積小，可用作標(biāo)準(zhǔn)頻率源。
文檔編號H03B5/00GK2686209SQ20042004151
公開日2005年3月16日 申請日期2004年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月10日
發(fā)明者周渭, 劉蕓, 黃國定, 蔡豐常, 高建寧, 白麗娜 申請人:西安電子科技大學(xué), 象山恒州電子有限公司