專利名稱：任意項(xiàng)全系數(shù)高精度溫度補(bǔ)償晶體振蕩器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于溫度補(bǔ)償晶體振蕩器領(lǐng)域，特別是一種任意項(xiàng)全系數(shù)高精度溫度補(bǔ)償晶體振蕩器。
背景技術(shù)：
高精度溫度補(bǔ)償晶體振蕩器在眾多行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。在-40° C +85° C的溫度范圍內(nèi)，高精度溫度補(bǔ)償晶體振蕩器產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)的精度一般應(yīng)在(0.5 3) X 10_6，而簡(jiǎn)單電子振蕩器的精度一般在±50X10_6，所以必須要給簡(jiǎn)單的振蕩器加上溫度補(bǔ)償電路。目前對(duì)石英晶體振子頻率溫度漂移的補(bǔ)償方法主要有直接補(bǔ)償和間接補(bǔ)償，間接補(bǔ)償又分模擬式和數(shù)字式兩種。溫度補(bǔ)償晶體振蕩器的關(guān)鍵是溫度補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)。溫度補(bǔ)償器的輸入變量是溫度 而輸出變量是電壓，其間的函數(shù)關(guān)系并非線性關(guān)系。中國(guó)發(fā)明專利公開(kāi)說(shuō)明書“高精度溫度補(bǔ)償晶體振蕩器”(公開(kāi)號(hào)CN1829076A，
公開(kāi)日2006年9月6日)公開(kāi)了一種包括晶體振蕩器、反相器、壓控電容器及溫度補(bǔ)償器的高精度溫度補(bǔ)償晶體振蕩器，以全系數(shù)三次多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系構(gòu)造溫度補(bǔ)償器，使晶體振蕩器的精度達(dá)到±1X10-6。由于受到階數(shù)的限制，其精度難以進(jìn)一步提高。該專利中，為了獲得精確的補(bǔ)償器的系數(shù)，校正步驟反復(fù)使用，操作復(fù)雜且無(wú)精確解，是一種線性近似。這使其無(wú)法實(shí)現(xiàn)高精度的溫補(bǔ)振蕩器。總之，現(xiàn)有溫度補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)，使溫度補(bǔ)償晶體振蕩器在-40° C +85° C的溫度范圍內(nèi)，難以達(dá)到±0.5X 10_6及更高的精度要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種任意項(xiàng)全系數(shù)高精度溫度補(bǔ)償晶體振蕩器，其精度能達(dá)到±0. 5X IO-6,以至更高，并且可以精確、簡(jiǎn)便地求出溫度補(bǔ)償器的系數(shù)。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為一種任意項(xiàng)全系數(shù)溫度補(bǔ)償晶體振蕩器，包括與晶體諧振器并聯(lián)的反相器、連接在晶體振蕩器和地之間的壓控電容器以及控制壓控電容器的溫度補(bǔ)償器，溫度補(bǔ)償器包括帶有SPI接口的一次性可編程存儲(chǔ)器、溫度傳感器、兩個(gè)開(kāi)關(guān)電容和多項(xiàng)式補(bǔ)償函數(shù)發(fā)生器，溫度補(bǔ)償器的輸入是溫度傳感器提供的溫度電壓，溫度補(bǔ)償器的輸出電壓被加到壓控電容器上以補(bǔ)償晶體諧振器的頻率漂移，一次性可編程存儲(chǔ)器的寄存器Cl、C2設(shè)置數(shù)據(jù)的輸出端分別與兩個(gè)開(kāi)關(guān)電容的控制端連接，兩個(gè)開(kāi)關(guān)電容分別連接在晶體諧振器的兩端和地之間，一次性可編程存儲(chǔ)器寄存器TO、BO設(shè)置數(shù)據(jù)的輸出端分別經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器后與溫度傳感器相連，所述多項(xiàng)式補(bǔ)償函數(shù)發(fā)生器的輸入端與溫度傳感器的輸出端和一次性可編程存儲(chǔ)器的多項(xiàng)式系數(shù)設(shè)置寄存器輸出端相連，多項(xiàng)式補(bǔ)償函數(shù)發(fā)生器的輸出端與一次性可編程存儲(chǔ)器寄存器VO經(jīng)一加法器后接入反相器的輸入端。進(jìn)一步地，所述一次性可編程存儲(chǔ)器的多項(xiàng)式系數(shù)設(shè)置寄存器為N+1個(gè)，分別為An、An-l、An-2……、A0，所述多項(xiàng)式補(bǔ)償函數(shù)發(fā)生器包括將溫度傳感器的輸出數(shù)據(jù)和An設(shè)置數(shù)據(jù)相乘的乘法器I、將乘法器I的輸出數(shù)據(jù)和An-I設(shè)置數(shù)據(jù)相加的加法器I、將溫度傳感器的輸出數(shù)據(jù)和加法器I的輸出數(shù)據(jù)相乘的乘法器2、將乘法器2的輸出數(shù)據(jù)和An-2設(shè)置數(shù)據(jù)相加的加法器2……、將乘法器N的輸出數(shù)據(jù)和AO設(shè)置數(shù)據(jù)相加的加法器N。更進(jìn)一步地，所述乘法器和加法器個(gè)數(shù)N大于等于5。作為優(yōu)選，所述乘法器或加法器個(gè)數(shù)N等于5，所述一次性可編程存儲(chǔ)器為82位，包括Cl、C2、TO、BO、VO、A5至AO i^一種設(shè)置數(shù)據(jù)，上述設(shè)置數(shù)據(jù)Cl為4位，C2為6位，其余為8位。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)1、溫度補(bǔ)償晶體振蕩器精度高，5階即可達(dá) 到±0. 5X IO-6的精度要求；2、芯片架構(gòu)靈活，可以讓使用者在補(bǔ)償精度和芯片結(jié)構(gòu)復(fù)雜度上自由選擇，根據(jù)本方案構(gòu)思，可實(shí)現(xiàn)任意的補(bǔ)償精度；3、算法簡(jiǎn)便快捷。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。


圖I是N項(xiàng)全系數(shù)溫度補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)框圖。圖2是5項(xiàng)全系數(shù)溫度補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)框圖，為模擬式間接補(bǔ)償。圖3是5項(xiàng)全系數(shù)溫度補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)框圖，為數(shù)字式間接補(bǔ)償。圖中，I是晶體諧振器，2是并聯(lián)的反相器，3是壓控電容器，4是溫度補(bǔ)償器，5是一次性可編程存儲(chǔ)器，6是溫度傳感器，7、8是開(kāi)關(guān)電容，9是多項(xiàng)式補(bǔ)償函數(shù)發(fā)生器，11、12是寄存器TO、BO設(shè)置數(shù)據(jù)，13是多項(xiàng)式系數(shù)設(shè)置寄存器，14是與寄存器VO相連的加法器。
具體實(shí)施例方式如圖I本發(fā)明N項(xiàng)全系數(shù)溫度補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)框圖。本溫度補(bǔ)償晶體振蕩器，包括與晶體諧振器I并聯(lián)的反相器2、連接在晶體振蕩器和地之間的壓控電容器3以及控制壓控電容器的溫度補(bǔ)償器，溫度補(bǔ)償器包括帶有SPI接口的一次性可編程存儲(chǔ)器5、溫度傳感器6、兩個(gè)開(kāi)關(guān)電容7,8和多項(xiàng)式補(bǔ)償函數(shù)發(fā)生器9，溫度補(bǔ)償器的輸入是溫度傳感器6提供的溫度電壓，溫度補(bǔ)償器的輸出電壓被加到壓控電容器3上以補(bǔ)償晶體諧振器I的頻率漂移，一次性可編程存儲(chǔ)器5的寄存器Cl、C2設(shè)置數(shù)據(jù)的輸出端分別與兩個(gè)開(kāi)關(guān)電容7,8的控制端連接，兩個(gè)開(kāi)關(guān)電容7，8分別連接在晶體諧振器I的兩端和地之間，一次性可編程存儲(chǔ)器5寄存器TO、BO設(shè)置數(shù)據(jù)的輸出端分別經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器11，12后與溫度傳感器6相連，所述多項(xiàng)式補(bǔ)償函數(shù)發(fā)生器9的輸入端與溫度傳感器6的輸出端和一次性可編程存儲(chǔ)器5的多項(xiàng)式系數(shù)設(shè)置寄存器輸出端13相連，多項(xiàng)式補(bǔ)償函數(shù)發(fā)生器9的輸出端與一次性可編程存儲(chǔ)器5寄存器VO經(jīng)一加法器14后接入反相器2的輸入端。一次性可編程存儲(chǔ)器的多項(xiàng)式系數(shù)設(shè)置寄存器為N+1個(gè)，分別為An、An-l、An-2……、A0，所述多項(xiàng)式補(bǔ)償函數(shù)發(fā)生器包括將溫度傳感器的輸出數(shù)據(jù)和An設(shè)置數(shù)據(jù)相乘的乘法器I、將乘法器I的輸出數(shù)據(jù)和An-I設(shè)置數(shù)據(jù)相加的加法器I、將溫度傳感器的輸出數(shù)據(jù)和加法器I的輸出數(shù)據(jù)相乘的乘法器2、將乘法器2的輸出數(shù)據(jù)和An-2設(shè)置數(shù)據(jù)相加的加法器2……、將乘法器N的輸出數(shù)據(jù)和AO設(shè)置數(shù)據(jù)相加的加法器N。由于差分結(jié)構(gòu)有效抑制了共模電壓的噪聲，且這一功能在N > 5后尤為重要。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，當(dāng)N等于5時(shí)，晶體振蕩器的精度可以達(dá)到±0.5X10_6。為使晶體振蕩器精度更高，可使N大于5。如圖2、圖3，當(dāng)N等于5時(shí)，乘法器或加法器個(gè)數(shù)N為5，一次性可編程存儲(chǔ)器5為82位，包括C1、C2、T0、B0、V0、A5至AO i^一種設(shè)置數(shù)據(jù)，上述設(shè)置數(shù)據(jù)Cl為4位，C2為6位，其余為8位。如圖2，當(dāng)用數(shù)字的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)電路所需要的多項(xiàng)式的乘法器和加法器時(shí)，會(huì)有計(jì)算精度限制，但用較少的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，這種方法也可函數(shù)對(duì)照表的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖3，當(dāng)用模擬的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)電路所需要的多項(xiàng)式的乘法器和加法器，沒(méi)有計(jì)算精度限制，但需用較多的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。壓控振蕩器由壓控電容器3、反相器2、兩個(gè)電容開(kāi)關(guān)陣列7、8、緩沖器和晶體諧振器I構(gòu)成。振蕩器的頻率是由晶體特征頻率和電容量決定。壓控振蕩器中的壓控電容器3由補(bǔ)償器的輸出電壓VT加上壓控電壓VC決定。電容開(kāi)關(guān)陣列的電容由寄存器Cl和C2來(lái)設(shè)定。壓控電容器3是由MOS壓控電容構(gòu)成。電容可調(diào)范圍在5pF到10pF。參照電壓源是由MOS FET構(gòu)成。它提供數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)和溫度傳感器的參照電壓。測(cè)試模式設(shè)置是由它來(lái)決定芯片的工作模式測(cè)試模式或正常工作模式。測(cè)試轉(zhuǎn)換器是用來(lái)進(jìn)行測(cè)試量的選擇。模擬式的多項(xiàng)式函數(shù)產(chǎn)生器是由N個(gè)模擬加法器和N個(gè)模擬乘法器組成。所有這些運(yùn)算器皆為差分結(jié)構(gòu)，共模電壓為I. 2V，其內(nèi)部的線性度在1%之內(nèi)。模擬式的或數(shù)字式的多項(xiàng)式函數(shù)產(chǎn)生器中多項(xiàng)式的系數(shù)都是由N+1個(gè)溫度的測(cè)量并通過(guò)以下算法計(jì)算出來(lái)，N是多項(xiàng)式的階數(shù)。這樣晶體頻率溫度漂移可以被補(bǔ)償器的輸出電壓來(lái)糾正。下面以N為5為例說(shuō)明本發(fā)明的工作過(guò)程。多項(xiàng)式補(bǔ)償函數(shù)發(fā)生器使用了五個(gè)加法器與五個(gè)乘法器。所有這些運(yùn)算器皆為差分結(jié)構(gòu)，共模電壓為了 1.2V，其內(nèi)部的線性度在1%之內(nèi)。補(bǔ)償器的輸入是由芯片上的溫度傳感器提供的溫度電壓T，補(bǔ)償器的輸出電壓VT被加到壓控電壓VC上，其輸入變量T和輸出變量VT之間的關(guān)系為VT =(T — TOf + A4(T — TO)4 + A3(T — TOf + ^2(11 — TOf + 尊—TO) + AO，式中的系數(shù)A5-0和TO由SPI接口輸入到芯片的寄存器或一次性可編程的只讀儲(chǔ)存器，存入寄存器的系數(shù)可不斷修改，而系數(shù)輸入到EEPROM的只讀儲(chǔ)存器則是永久不變的。為了獲得精確的補(bǔ)償器系數(shù)，最小均方差算法和范得蒙矩陣被用來(lái)計(jì)算這些多項(xiàng)式系數(shù)。通過(guò)用四個(gè)不同溫度點(diǎn)測(cè)量的頻率，這一算法可求出在頻率誤差最小均方意義下的最佳補(bǔ)償系數(shù)。N階多項(xiàng)式補(bǔ)償函數(shù)發(fā)生器需要N+1個(gè)溫度測(cè)試點(diǎn)，N+1多項(xiàng)式系數(shù)由公式I和公式2 —次算出，無(wú)需疊代或多次逼近。當(dāng)?shù)玫阶罴蜒a(bǔ)償系數(shù)后，將其存進(jìn)可編程EEPROM儲(chǔ)存器，芯片的調(diào)試便完成。全系數(shù)多項(xiàng)式補(bǔ)償函數(shù)的系數(shù)測(cè)算由下列步驟完成步驟一先選定六個(gè)初始參數(shù):A0_5，并輸入到芯片的存儲(chǔ)器；步驟二在六個(gè)溫點(diǎn)上T1=-35C, T2=-25C，T3=10C, T4=25C, T5=55C, T1=80C，從芯片的輸出端“OUT”測(cè)量芯片的六個(gè)時(shí)鐘頻率F10，F(xiàn)20, F30, F40，F(xiàn)50，F(xiàn)60 ;溫度點(diǎn)的選取一般是在溫度誤差曲線的變化大處多選，平坦處少選；步驟三調(diào)整壓控電容上的電壓，使得TXCO的輸出頻率在上述的六個(gè)溫度點(diǎn)上頻率誤差為零，并計(jì)錄下這六點(diǎn)電壓相量Vt ；步驟四A=M^1Vt,A= [A0 A1 A2 A3 A4 A5], N=5 ；A= [A0 A1... An],任意 N,—公式I ;這里范得蒙矩陣Matrix M有如下形式
權(quán)利要求
1.ー種任意項(xiàng)全系數(shù)溫度補(bǔ)償晶體振蕩器，包括與晶體諧振器(I)并聯(lián)的反相器(2)、連接在晶體振蕩器和地之間的壓控電容器(3)以及控制壓控電容器的溫度補(bǔ)償器(4)，溫度補(bǔ)償器(4)包括帶有SPI接ロ的一次性可編程存儲(chǔ)器(5)、溫度傳感器(6)、兩個(gè)開(kāi)關(guān)電容(7，8)和多項(xiàng)式補(bǔ)償函數(shù)發(fā)生器(9)，溫度補(bǔ)償器的輸入是溫度傳感器(6)提供的溫度電壓，溫度補(bǔ)償器的輸出電壓被加到壓控電容器(3)上以補(bǔ)償晶體諧振器(I)的頻率漂移，一次性可編程存儲(chǔ)器(5)的寄存器C1、C2設(shè)置數(shù)據(jù)的輸出端分別與兩個(gè)開(kāi)關(guān)電容(7，8)的控制端連接，兩個(gè)開(kāi)關(guān)電容(7，8)分別連接在晶體諧振器(I)的兩端和地之間，其特征在于 一次性可編程存儲(chǔ)器(5)寄存器TO、BO設(shè)置數(shù)據(jù)的輸出端分別經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(11，12)后與溫度傳感器(6)相連，所述多項(xiàng)式補(bǔ)償函數(shù)發(fā)生器(9)的輸入端與溫度傳感器(6)的輸出端和一次性可編程存儲(chǔ)器(5)的多項(xiàng)式系數(shù)設(shè)置寄存器輸出端(13)相連，多項(xiàng)式補(bǔ)償函數(shù)發(fā)生器(9)的輸出端與一次性可編程存儲(chǔ)器(5)寄存器VO經(jīng)ー加法器(14)后接入反相器(2)的輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的任意項(xiàng)全系數(shù)溫度補(bǔ)償晶體振蕩器，其特征在于所述一次性可編程存儲(chǔ)器(5)的多項(xiàng)式系數(shù)設(shè)置寄存器為N+1個(gè)，分別為An、An-l、An-2……、A0，所述多項(xiàng)式補(bǔ)償函數(shù)發(fā)生器(9)包括將溫度傳感器(6)的輸出數(shù)據(jù)和An設(shè)置數(shù)據(jù)相乘的乘法器I、將乘法器I的輸出數(shù)據(jù)和An-I設(shè)置數(shù)據(jù)相加的加法器I、將溫度傳感器的輸出數(shù)據(jù)和加法器I的輸出數(shù)據(jù)相乘的乘法器2、將乘法器2的輸出數(shù)據(jù)和An-2設(shè)置數(shù)據(jù)相加的加法器2……、將乘法器N的輸出數(shù)據(jù)和AO設(shè)置數(shù)據(jù)相加的加法器N。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的任意項(xiàng)全系數(shù)溫度補(bǔ)償晶體振蕩器，其特征在于所述乘法器或加法器個(gè)數(shù)N大于等于5。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的任意項(xiàng)全系數(shù)溫度補(bǔ)償晶體振蕩器，其特征在于所述全系數(shù)多項(xiàng)式補(bǔ)償函數(shù)的系數(shù)由下列步驟確定 步驟ー先選定N+1個(gè)初始參數(shù)A0-An，并輸入到所述一次性可編程存儲(chǔ)器(5)的多項(xiàng)式系數(shù)設(shè)置寄存器； 步驟ニ在-40° C +85° C的溫度范圍內(nèi)選取N+1個(gè)溫點(diǎn)，從芯片的輸出端“ OUT”測(cè)量芯片的N+1個(gè)時(shí)鐘頻率； 步驟三調(diào)整壓控電容上的電壓，使得TXCO的輸出頻率在上述的N+1個(gè)溫點(diǎn)上頻率誤差為零，并計(jì)錄電壓相量Vt; 步驟四
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的任意項(xiàng)全系數(shù)溫度補(bǔ)償晶體振蕩器，其特征在于所述乘法器或加法器個(gè)數(shù)N為5，所述全系數(shù)多項(xiàng)式補(bǔ)償函數(shù)的系數(shù)由下列步驟確定 步驟ー先選定六個(gè)初始參數(shù):A0—A5，并輸入到所述一次性可編程存儲(chǔ)器(5)的多項(xiàng)式系數(shù)設(shè)置寄存器； 步驟ニ在六個(gè)溫點(diǎn)上T1=-35C，T2=-25C, T3=10C, T4=25C, T5=55C, T1=80C，從芯片的輸出端“ OUT”測(cè)量芯片的六個(gè)時(shí)鐘頻率F10，F(xiàn)20, F30, F40, F50, F60 ； 步驟三調(diào)整壓控電容上的電壓，使得TXCO的輸出頻率在上述的六個(gè)溫度點(diǎn)上頻率誤差為零，并計(jì)錄這六點(diǎn)電壓相量Vt ； 步驟四A =M tVt, メ=[為為為為為]， 其中，
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的任意項(xiàng)全系數(shù)溫度補(bǔ)償晶體振蕩器，其特征在于所述一次性可編程存儲(chǔ)器(5)為82位，包括Cl、C2、TO、BO、VO、A5至AO i^一種設(shè)置數(shù)據(jù)，上述設(shè)置數(shù)據(jù)Cl為4位，C2為6位，其余為8位。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種任意項(xiàng)全系數(shù)溫度補(bǔ)償晶體振蕩器，包括與晶體諧振器并聯(lián)的反相器、連接在晶體振蕩器和地之間的壓控電容器以及控制壓控電容器的溫度補(bǔ)償器，溫度補(bǔ)償器包括多項(xiàng)式補(bǔ)償函數(shù)發(fā)生器，所述多項(xiàng)式補(bǔ)償函數(shù)發(fā)生器的輸入端與溫度傳感器的輸出端和一次性可編程存儲(chǔ)器的多項(xiàng)式系數(shù)設(shè)置寄存器輸出端相連，多項(xiàng)式補(bǔ)償函數(shù)發(fā)生器的輸出端與一次性可編程存儲(chǔ)器寄存器V0經(jīng)一加法器后接入反相器的輸入端。本發(fā)明溫度補(bǔ)償晶體振蕩器精度高，5階即可達(dá)到±0.5×10-6的精度要求，芯片架構(gòu)靈活，算法簡(jiǎn)便快捷。
文檔編號(hào)H03L1/02GK102684683SQ20121014935
公開(kāi)日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月14日
發(fā)明者武強(qiáng) 申請(qǐng)人:常熟銀海集成電路有限公司