CN107257240B - 一种晶体振荡器的数字温度补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种晶体振荡器的数字温度补偿方法，采用闭环反馈补偿构架。首先，确定目标频率f₀对应的二进制编码B_0i，并存入微处理器；当温度变化是，微处理器对VCXO的输出频率进行实时测量生成二进制编码B_1i，并与目标频率对应的二进制编码进行比对，得到所需补偿信息的二进制编码；最后通过数模转换器转换成补偿电压输入到VCXO的压控调节端，使其输出目标频率，实现温度补偿。本发明与现有晶体振荡器的数字温度补偿方法相比，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关系二进制编码，并将其转换为对应的补偿电压进行温度补偿，克服了现有温度补偿晶体振荡器即TCXO中由于使用温度传感器和晶体谐振器温度变化不同步引起的温度迟滞问题。

Description

一种晶体振荡器的数字温度补偿方法

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。

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，实现温度补偿晶体振荡器即TCXO的数字式温度补偿主要是由单片机对温度传感器进行数据采集并输出补偿电压，目前主要也分为两种方式：

第一种是基于微处理器的温度补偿。图1是基于微处理器的温度补偿方式下的温度补偿晶体振荡器结构图，它是一种开环式的温度补偿构架。如图1所示，它包括温度传感器及调理电路101、微处理器102、补偿网络103以及压控晶体振荡器104。温度T由温度传感器及调理电路101采集并进行调理而获得，然后送入微处理器102中根据温度在温度-补偿电压表进行查找，得到补偿电压值，然后补偿网络103将补偿电压值转换为补偿电压，输入到压控晶体振荡器104压控电压控制端即其中的变容器件，当补偿电压改变，变容器件的电容值随之改变从而改变压控晶体振荡器的输出频率达到控制频率的目的。可见，其是直接在(待补偿的)压控晶体振荡器104的压控电压控制端输入一个与温度相关的补偿电压达到温度补偿的目的。其中，温度-补偿电压表是事先采集压控晶体振荡器104在不同温度下维持频率稳定需要补偿的电压而构建的。详细的描述可参见“刘海霞，杨宇，周渭.新型微机补偿晶体振荡器.仪器仪表学报.2002(S3):135-136.”

第二种是基于混频的温度补偿。图2是基于混频的温度补偿方式下的温度补偿晶体振荡器结构图，它也是一种开环式的温度补偿构架。如图2所示，该温度补偿晶体振荡器通过温度传感器201和补偿频率发生电路202产生一个与需要补偿的石英晶体振荡器204产生的偏移频率绝对值相等符号相反的补偿频率信号，该补偿频率信号经过整波电路203整波后的信号与石英晶体振荡器204输出的未补偿频率信号在混频器205中进行混频并输出，再经过另一滤波器205后得到期望获得的已补偿后频率信号，从而达到温度补偿的目的。其中的补偿频率信号产生电路主要是由温度传感器、ADC、单片机、DAC构成。详细的描述可参见2009年03月18日授权公告的、公告号为CN 100471035B的中国发明专利：一种石英晶体振荡器温度补偿方法，发明人为黄显核、黎敏强、付玮、谭锋，申请号/授权号：CN200410022680.3”。该方式在实现高频温度补偿晶体振荡器即TCXO时在相位噪声特性上有优势，但是构成比较复杂，目前还未被广泛应用。

综上，现有的晶体振荡器温度补偿方法，都是采用开环式补偿构架，都要用到温度传感器，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即TCXO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严重，补偿精度有限。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种晶体振荡器的数字温度补偿方法，以避免温度传感器引起的温度迟滞效应即传感器采集温度与谐振晶片的实时温度不一致而带来的输出信号频谱误差问题。

为实现上述发明目的，本发明晶体振荡器的数字温度补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、确定目标频率f₀对应的二进制编码B_0i

在常温T₀，如25℃下，调整压控晶体振荡器即VCXO压控端的控制电压

使其输出目标频率f₀，然后通过微处理器进行频率测量，并将目标频率f₀的二进制编码B_0i保存以便进行比对和运算；

(2)、确定当前时刻频率偏移Δf(T)对应的二进制编码

由于温度的变化，压控晶体振荡器即VCXO的输出频率为f(T)＝f₀±Δf(T)，其中，频率f(T)是未补偿而需要补偿的实时输出频率，f₀是期望压控晶体振荡器输出的目标频率，Δf(T)是由温度变化引起的频率偏移，它是一个函数，随温度的变化而变化，如果输出频率升高，则f(T)＝f₀+Δf(T)，如果输出频率降低，则f(T)＝f₀-Δf(T)，将压控晶体振荡器即VCXO实时输出的频率为f(T)的信号送入微处理器中进行频率测量并转换为二进制编码B_1i，然后将二进制编码B_1i与目标频率f₀对应的二进制编码B_0i进行比对，得到频率偏移Δf(T)对应的二进制编码ΔB_1i；

(3)、确定补偿电压V_C

在步骤(2)的基础上，首先确定补偿电压所对应的二进制编码：若实时输出频率f(T)＞f₀，则微处理器输出B_out＝B_0i-ΔB_1i；若实时输出频率f(T)＜f₀，则微处理器输出B_out＝B_0i+ΔB_1i，然后通过数模转换器将微处理器输出B_out转换为对应的补偿电压

(4)、调理补偿

将步骤(3)产生的补偿电压

经过信号调理电路之后，送到压控晶体振荡器即VCXO的压控电压输入端，最后得到期望获得的已补偿频率f’(T)即目标频率f₀；

(5)、重复步骤(2)-(4)就可以得到另一温度下获得补偿的频率f’(T)信号，依次类推，就可以实现对高频压控晶体振荡器的实时温度补偿。

本发明的目的是这样实现的。

本发明晶体振荡器的数字温度补偿方法采用闭环反馈补偿构架。首先，确定目标频率f₀对应的二进制编码B_0i，并存入微处理器；当温度变化是，微处理器对VCXO的输出频率进行实时测量生成二进制编码B_1i，并与目标频率对应的二进制编码进行比对，得到所需补偿信息的二进制编码；最后通过数模转换器转换成补偿电压输入到VCXO的压控调节端，使其输出目标频率，实现温度补偿。

本发明与现有晶体振荡器的数字温度补偿方法相比，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关系二进制编码，并将其转换为对应的补偿电压进行温度补偿，该方法能够克服现有温度补偿晶体振荡器即TCXO中由于使用温度传感器和晶体谐振器温度变化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，更容易实现实时高精度补偿；

3)、本发明补偿过程简单，不需要像方法的温度补偿晶体振荡器需要先采集频率温度以及补偿电压的数据，而是直接将需要的补偿信息转换为补偿电压，本发明结构也较为简单，易于集成和批量生产；

4)、本发明可以良好适用于各种频率的晶体振荡器，尤其是对于采用现有技术补偿效果较差的高频晶体振荡器，其补偿效果也较好。

附图说明

图1是现有基于微处理器的温度补偿方式下的温度补偿晶体振荡器结构图；

图2是现有基于混频的温度补偿方式下的温度补偿晶体振荡器结构图；

图3是本发明晶体振荡器的数字温度补偿方法一种具体实施流程图；

图4是根据本发明方法构建的硬件原理框图。

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3是本发明晶体振荡器的数字温度补偿方法一种具体实施流程图。

在本实施例中，如图3所示，本发明晶体振荡器的数字温度补偿方法包括以下步骤：

步骤S1：确定目标频率f₀对应的二进制编码B_0i

在常温T₀，如25℃下，调整压控晶体振荡器即VCXO压控端的控制电压

使其输出目标频率f₀，然后通过微处理器进行频率测量，并将目标频率f₀的二进制编码B_0i保存以便进行比对和运算；

步骤S2：确定当前时刻频率偏移Δf(T)对应的二进制编码

由于温度的变化，当前时刻压控晶体振荡器即VCXO的输出频率为f(T)＝f₀±Δf(T)，其中，频率f(T)是未补偿而需要补偿的实时输出频率，f₀是期望压控晶体振荡器输出的目标频率，Δf(T)是由温度变化引起的频率偏移，它是一个函数，随温度的变化而变化；将压控晶体振荡器即VCXO实时输出的频率为f(T)的信号送入微处理器中进行频率测量并转换为二进制编码B_1i，然后将二进制编码B_1i与目标频率f₀对应的二进制编码B_0i进行比对，得到频率偏移Δf(T)对应的二进制编码ΔB_1i；

步骤S3：确定补偿电压V_C

在步骤S2的基础上，首先确定补偿电压所对应的二进制编码：若实时输出频率f(T)＞f₀，则微处理器输出B_out＝B_0i-ΔB_1i；若实时输出频率f(T)＜f₀，则微处理器输出B_out＝B_0i+ΔB_1i，然后通过数模转换器将B_out转换为对应的补偿电压

其中，若实时输出频率f(T)＜f₀，则补偿电压

若实时输出频率f(T)＞f₀，则补偿电压

ΔV(T)为频率偏移Δf(T)对应的电压量；

步骤S4：调理补偿

将步骤S3产生的补偿电压

经过信号调理电路之后，送到压控晶体振荡器即VCXO的压控电压输入端，最后得到期望获得的已补偿频率f’(T)即目标频率f₀；

步骤S5：重复步骤S2-S4就可以得到另一温度下获得补偿的频率f’(T)信号，依次类推，就可以实现对高频压控晶体振荡器的实时温度补偿。

在本实施例中，依据按照本发明方法组建的硬件原理框图如图4所示，它包括：压控晶体振荡器即VCXO 301、功分器302、微处理器303、数模转换器304、信号调理电路305。压控晶体振荡器即VCXO 301主要由石英谐振器、变容二极管和振荡电路组成，其工作原理是通过控制电压来改变变容二极管的电容，从而“牵引”石英谐振器的频率，以达到频率调制的目的；功分器302是将压控晶体振荡器即VCXO 301的输出信号分为两路，其中一路正常输出，另一路输入至微处理器303；微处理器303对输入信号的信号进行频率测量并对频率对应的二进制编码进行比对与计算，得到输出二进制编码B_out；数模转换器304将二进制B_out转换为补偿电压V_C，经过信号调理电路305调整输出输入到压控晶体振荡器301的压控电压控制端进行补偿。

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 (1)

1.一种晶体振荡器的数字温度补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、确定目标频率f₀对应的二进制编码B_0i

在常温T₀，调整压控晶体振荡器即VCXO压控端的控制电压V_C0，使其输出目标频率f₀，然后通过微处理器进行频率测量，并将目标频率f₀的二进制编码B_0i保存以便进行比对和运算；

(2)、确定当前时刻频率偏移Δf(T)对应的二进制编码

由于温度的变化，压控晶体振荡器即VCXO的输出频率为f(T)＝f₀±Δf(T)，其中，频率f(T)是未补偿而需要补偿的实时输出频率，f₀是期望压控晶体振荡器输出的目标频率，Δf(T)是由温度变化引起的频率偏移，它是一个函数，随温度的变化而变化，如果输出频率升高，则f(T)＝f₀+Δf(T)，如果输出频率降低，则f(T)＝f₀-Δf(T)，将压控晶体振荡器即VCXO实时输出的频率为f(T)的信号送入微处理器中进行频率测量并转换为二进制编码B_1i，然后将二进制编码B_1i与目标频率f₀对应的二进制编码B_0i进行比对，得到频率偏移Δf(T)对应的二进制编码ΔB_1i；

(3)、确定补偿电压V_C

在步骤(2)的基础上，首先确定补偿电压所对应的二进制编码：若实时输出频率f(T)＞f₀，则微处理器输出B_out＝B_0i-ΔB_1i；若实时输出频率f(T)＜f₀，则微处理器输出B_out＝B_0i+ΔB_1i，然后通过数模转换器将微处理器输出B_out转换为对应的补偿电压

(4)、调理补偿

将步骤(3)产生的补偿电压

经过信号调理电路之后，送到压控晶体振荡器即VCXO的压控电压输入端，最后得到期望获得的已补偿频率f’(T)即目标频率f₀；

(5)、重复步骤(2)-(4)就可以得到另一温度下获得补偿的频率f’(T)信号，依次类推，就可以实现对高频压控晶体振荡器的实时温度补偿。

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