CN107257239B - 一种基于模拟补偿的温度补偿高频晶体振荡器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于模拟补偿的温度补偿高频晶体振荡器采用闭环反馈补偿构架，其功分器将压控晶体振荡器的输出信号分为两路，其中一路输入频率偏差计算模块，频率偏差计算模块计算得到未补偿时压控晶体振荡器的频率与期望获得的目标频率的频率偏差，频率‑电压转换模块采用模拟电路，根据频率偏差得到补偿电压，再经过滤波器对该补偿电压信号滤波后反馈到压控晶体振荡器的补偿电压信号输入端进行补偿，使压控晶体振荡器输出期望获得的目标频率。本发明不需要温度传感器，而是直接将与温度实时相关的频率偏差转换为与之成一一对应映射关系的补偿电压进行温度补偿，克服现有了温度补偿高频晶体振荡器中温度迟滞问题。
Description
技术领域
本发明属于晶体振荡器技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于模拟补偿的温度补偿晶体振荡器。
背景技术
温度补偿晶体振荡器(TCXO，Temperature Compensate Xtal(crystal)Oscillator)是一种能在较宽的温度范围内工作并通过一定的补偿方式而保持晶体振荡器的输出频率在一定的精度范围内(10-6～10-7量级)的晶体振荡器。它具有低功率，开机即能工作，而且具有高稳定性等特点，广泛应用于各种通信、导航、雷达、卫星定位系统、移动通信、程控电话交换机、各类电子测量仪表中。
现有的温度补偿晶体振荡器，本质上是带有温度补偿网络并由其产生与温度有关的补偿电压的压控晶体振荡器(Voltage Controlled Xtal(crystal)Oscillator，VCXO)。未补偿的压控晶体振荡器中的关键器件是采用AT切石英晶体，其温度特性曲线近似为一个三次曲线，可以表示为：
f(T)＝a3(T-T0)3+a1(T-T0)+a0 (1)
其中，a3是三次系数项，a1是一次系数项，a0是温度在参考温度T0时的振荡频率。
对于现有的压控晶体振荡器的频率线性增益特性可以近似表述如下：
f(VC)＝-G(VC-VC0)+f0 (2)
其中，G是压控晶体振荡器的增益，VC是压控晶体振荡器的控制电压，VC0是压控晶体振荡器的压控端的输入电压，f0是输入为VC0时的振荡频率。
那么，作为补偿晶振温度特性的补偿电压VC(T)的方程式可以表述为：
VC(T)＝A3(T-T0)3+A1(T-T0)+A0 (3)
此时，A3＝a3/G，A1＝a1/G，A0是温度为T0时的补偿电压。
为了实现方程式(3)，需要产生一个温度补偿电压加在压控晶体振荡器上进行温度补偿以抵消此频率温度特性，从而得到在较宽温度范围内的稳定的频率输出，达到温度补偿的目的。
目前，温度补偿晶体振荡器即TCXO的温度补偿是由带有模拟温度传感器的模拟补偿电压发生电路产生补偿电压的方式来实现，主要分为两种方式进行：
第一种是基于热敏电阻补偿网络的温度补偿晶体振荡器。如图1所示，该温度补偿晶体振荡器是一种开环补偿方式，利用热敏电阻等温度敏感元件组成温度－电压变换电路即热敏电阻补偿网络，得到补偿电压，并将该补偿电压通过电阻R1、R2施加到一支与晶体谐振器T相串接的变容二极管C1上，通过晶体谐振器T串联电容量的变化，对晶体谐振器的非线性频率漂移进行补偿，其详细描述可参见“赵声衡.石英晶体振荡器[M].湖南:湖南大学出版社,1997.”。该种方式结构简单、实现也较为容易，但是为使热敏电阻和变容二极管的容抗与不同晶体谐振器的温度特性一致，必须进行选配，所以需对电阻、电容进行分类、更换，难以对温度补偿进行自动调整，不利于批量生产。另外，用该种方式实现的温度补偿晶体振荡器的频率温度稳定度一般只能做到±0.5ppm——±1ppm左右，补偿效果一般。
第二种是间接模拟温度补偿晶体振荡器。该温度补偿晶体振荡器由温度传感器、电压参考、补偿、三次电压发生器、三个系数控制器(B0CTR、B1CTR和B3CTR)累加器、存储器EEPROM、压控晶体振荡器VCXO和自动频率牵引AFC组成。详情可参见“Nemoto K,Sato K I.A2.5ppm fully integrated CMOS analog TCXO[C]//Frequency Control Symposium andPDA Exhibition,2001.Proceedings of the 2001IEEE International.IEEE,2001:740-743.”。该种方式的温度补偿晶体振荡器结构复杂，可采用大规模电路集成，成本较高。另外，该种方式所实现的模拟温度补偿晶体振荡器也是采用开环补偿方式，需要单独的温度传感器来感知外界环境温度，这样传感器与晶体之间就不可避免的存在温度差和温度迟滞效应，使得补偿精度受到影响。
综上所述，现有的温度补偿晶体振荡器即TCXO都是采用开环式补偿构架，都要用到温度传感，该温度传感器在电路上尽可能的靠近晶体谐振器，而晶体谐振器的谐振晶片是被单独封装在密闭空间内，这就使得温度传感器与谐振晶片之间不可避免的产生了温度迟滞，导致温度补偿晶体振荡器的频率温度特性一直未能取得突破。特别是对于输出信号为高频的晶体振荡器，这种温度迟滞问题更为明显，严重制约了温度补偿高频晶体振荡器的频率补偿精度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于模拟补偿的温度补偿高频晶体振荡器，以避免温度补偿高频晶体振荡器中由于使用温度传感器引起的温度迟滞效应以及传感器的温度与晶体当前温度不一致带来的误差，并制约温度补偿高频晶体振荡器的频率补偿精度问题。
为实现上述发明目的，本发明基于模拟补偿的温度补偿高频晶体振荡器，包括：
一压控晶体振荡器，用于产生并输出所需频率为f0的高频信号；
其特征在于，还包括：
一功分器，用于将压控晶体振荡器输出的当前频率为f(T)的高频信号分为两路，其中一路作为输出，另一路输入到频率偏差计算模块；
一低频信号发生器，用于产生频率为f0/N的低频信号，并输出给倍频电路；
一倍频电路，对频率为f0/N的低频信号进行N倍倍频，产生频率为f0的高频参考信号，并输出给频率偏差计算模块；
一频率偏差计算模块，用于计算当前频率为f(T)的高频信号与频率为f0的高频参考信号的频率差，得到频率为Δf(T)＝f(T)-f0的频率偏差信号，并将其发送给频率-电压转换模块；
一低频的频率-电压转换模块，用于将频率为Δf(T)＝f(T)-f0的频率偏差信号转换为与频率为Δf(T)对应大小的补偿电压信号ΔV(T)，并输出至滤波器；
一滤波器，用于对补偿电压信号ΔV(T)进行滤波，然后加载至压控晶体振荡器的电压控制端，使其产生并输出所需频率为f0的高频信号。
本发明的目的是这样实现的。
本发明基于模拟补偿的温度补偿高频晶体振荡器采用闭环反馈补偿构架，其功分器将压控晶体振荡器的输出信号分为两路，其中一路输入频率偏差计算模块，频率偏差计算模块计算得到未补偿时压控晶体振荡器的频率与期望获得的目标频率的频率偏差，频率-电压转换模块采用模拟电路，根据频率偏差得到补偿电压，再经过滤波器对该补偿电压信号滤波后反馈到压控晶体振荡器的电压控制端进行补偿，使压控晶体振荡器输出目标频率。
本发明与现有温度补偿高频晶体振荡器相比，具有以下技术优点：
1)、不需要温度传感器，而是直接将与温度实时相关的频率偏差转换为与之成一一对应映射关系的补偿电压进行温度补偿，该方法能够克服现有温度补偿高频晶体振荡器中由于使用温度传感器和晶体谐振器晶片温度不同步引起的温度迟滞问题；
2)、本发明采用了闭环补偿构架，直接将频率偏差与补偿电压建立联系，更容易实现实时高精度补偿；
3)、本发明中采用模拟电路构建低频的频率-电压转换模块，可以有效提高温度补偿的反应速率；
4)、本发明补偿过程简单，直接将需要补偿的频率量转换为补偿电压。本发明结构也较为简单，易于集成和批量生产；
5)、本发明可以良好适用于各种频率的温度补偿高频晶体振荡器，尤其是对于采用现有技术补偿效果较差的温度补偿高频晶体振荡器，其补偿效果也较好；
6)、低频温补晶振倍频后，只把其频率用作参考信号进行频率比对，它倍频后的相位噪声并不进入到待补偿温度补偿高频晶体振荡器的补偿回路中；电路输出信号的相位噪声只由待补偿压控晶振决定，所以对温度补偿高频晶体振荡器而言，容易得到更低的相位噪声。
附图说明
图1是现有基于热敏电阻补偿网络的温度补偿晶体振荡器结构图；
图2是本发明基于模拟补偿的温度补偿高频晶体振荡器原理框图；
图3是图2所示基于模拟电路的温度补偿晶体振荡器一种具体实施方式结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
图2是本发明基于模拟补偿的温度补偿高频晶体振荡器原理框图。
在本实施例中，如图2所示，本发明基于模拟补偿的温度补偿高频晶体振荡器包括压控晶体振荡器1、功分器2、低频信号发生器3、倍频电路4、频率偏差计算模块5、低频的频率-电压转换模块6、滤波器7。
功分器2将压控晶体振荡器即VCXO 1输出的当前频率为f(T)的高频信号分为两路，其中一路作为输出，另一路输入到频率偏差计算模块5。低频信号发生器3产生频率为f0/N的低频信号，并输出给倍频电路4进行N倍倍频，产生频率为f0的高频参考信号，并也输出给频率偏差计算模块5。
在本发明中，频率为f0的高频参考信号通过倍频得到，由于低频信号N倍频之后相位噪声会恶化20lgN个分贝，所以不能用倍频得到的信号作为电路输出信号，低频信号的温度频率稳定度可以做到很高，倍频不影响其温度频率稳定度，由此将倍频后的信号作为比对信号，温度补偿高频晶体振荡器输出信号的温度频率稳定度就可以得到显著提升。
频率偏差计算模块5计算当前频率为f(T)的高频信号与频率为f0的高频参考信号的频率差，得到频率为Δf(T)＝f(T)-f0的频率偏差信号，并将其发送给低频的频率-电压转换模块6。
频率-电压转换模块6将频率为Δf(T)＝f(T)-f0的频率偏差信号转换为与频率为Δf(T)对应大小的补偿电压信号ΔV(T)，由于Δf(T)是f(T)与f0作差得到的频率，Δf(T)的取值一般是在0～几kHz，所以采用低频的频率-电压转换电路6，并将补偿电压信号ΔV(T)输出至滤波器7。
滤波器7对补偿电压信号ΔV(T)进行滤波，然后加载至压控晶体振荡器1的电压控制端，使其产生并输出频率为f0的高频信号。
图3是图2所示基于模拟电路的温度补偿晶体振荡器一种具体实施方式结构图。
在本实施例中，如图3所示，本发明基于模拟电路的温度补偿晶体振荡器还包括一个加法器8，用于将滤波后的补偿电压信号ΔV与压控电压
相加，得到补偿后的压控电压
并加载到压控晶体振荡器即VCXO 1的压控电压控制端，使其输出所需频率为f0的信号，实现对输出信号频率的补偿；其中，压控电压
是没有温度变化，如初始温度为25℃时，压控晶体振荡器VCXO 1的压控电压控制端输入电压，并使其输出频率为f0的高频信号。
实例
在本实施例中，以输出信号频率f0为100MHz为例。现在市面上的100MHz温补晶振的频率稳定度为1ppm左右，现在用10MHz温度补偿晶体振荡器(市面上的10MHz温补晶振温度频率稳定度可以做到0.28ppm左右)倍频得到频率100MHz的比对信号，可以将输出的频率为100MHz的信号温度频率稳定度提高到0.28ppm左右，而不影响其相位噪声。
结合图2，功分器2将压控晶体振荡器即VCXO 1输出的f(T)＝100MHz信号分为两路，一路正常输出，一路输出至频率偏差计算模块5。
频率偏差计算模块5将功分器2输入的f(T)与标准f0通过作差，进行比对得到输入信号与参考信号即频率为f0的高频信号的频率偏差Δf＝f(T)-f0，在本实施例中，频率偏差Δf是0～几kHz，其中标准信号f0是频率为10MHz的低频温度补偿晶体振荡器通过倍频产生。并将频率为Δf(T)＝f(T)-f0的频率偏差信号输出至低频的频率-电压转换模块6。
频率为Δf(T)＝f(T)-f0的频率偏差信号对低频的频率-电压转换模块6中的积分电容CINT进行充电，充电时间由其中的单稳态电路电容COS决定，tOS＝COS×6.8×103sec/F+3.0×10-7sec。单稳态电路进入稳态后，控制开关把电流源电路与输出接通，因为输出阻抗很小，此时电流源电流对电路没有影响，积分电容CINT通过电阻开始放电过程。整个充放电过程的平均输出电压VAVG＝tOS×(R1+R3)×α×Δf,即为补偿电压信号ΔV(T)，其中α是积分器中运算放大器的放大倍数。频率-电压转换是现有技术，在此不再赘述。
滤波器7对补偿电压信号ΔV(T)进行滤波，然后加载至压控晶体振荡器的电压控制端，使其产生并输出所需频率为f0的高频信号，实现对压控晶体振荡器VCXO输出信号的频率调整。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (2)
1.一种基于模拟补偿的温度补偿高频晶体振荡器，包括：
一压控晶体振荡器，用于产生并输出所需频率为f0的高频信号；
其特征在于，还包括：
一功分器，用于将压控晶体振荡器输出的当前频率为f(T)的高频信号分为两路，其中一路作为输出，另一路输入到频率偏差计算模块；
一低频信号发生器，用于产生频率为f0/N的低频信号，并输出给倍频电路；
一倍频电路，对频率为f0/N的低频信号进行N倍倍频，产生频率为f0的高频参考信号，并输出给频率偏差计算模块；
一频率偏差计算模块，用于计算当前频率为f(T)的高频信号与频率为f0的高频参考信号的频率差，得到频率为Δf(T)＝f(T)-f0的频率偏差信号，并将其发送给频率-电压转换模块；
一低频的频率-电压转换模块，用于将频率为Δf(T)＝f(T)-f0的频率偏差信号转换为与频率为Δf(T)对应大小的补偿电压信号ΔV(T)，并输出至滤波器；
一滤波器，用于对补偿电压信号ΔV(T)进行滤波，然后加载至压控晶体振荡器的补偿电压信号输入端，使其产生并输出所需频率为f0的高频信号。
2.根据权利要求1所述的基于模拟补偿的温度补偿高频晶体振荡器，其特征在于还包括一个加法器，用于将滤波后的补偿电压信号ΔV与压控电压
相加，得到补偿后的压控电压
并加载到压控晶体振荡器即VCXO的压控电压控制端，使其输出所需频率为f0的信号，实现对输出信号频率的补偿；其中，压控电压
是没有温度变化，即初始温度为25℃时，压控晶体振荡器VCXO的压控电压控制端输入电压，并使其输出频率为f0的高频信号。
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