CN1063889C - 石英振荡装置及其调整方法 - Google Patents
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Abstract
本发明石英振荡装置包括：石英振荡器；与该石英振荡器电连接的频率调整元件；控制加在该频率调整元件上电压的控制电路，上述控制电路具有温度传感器30、温度检测部32、与之电连接的存储器36、与该存储器和温度传感器连接的放大部31、电介入存储器与温度检测器32之间的第一D/A变换部38、和电介入存储器与放大部之间的第二D/A变换部37，存储器具有实际运作的8组以下控制电压设定数组，存储有温度检测数据、放大倍数设定数据和偏差电压数据。
Description
技术领域
本发明涉及带温度补偿功能的石英振荡装置及其调整方法。
背景技术
石英振荡装置包括石英振荡器，但该石英振荡器其振荡频率随温度变动有较大变动。
因此，现有特开平1-265708号公报记载的石英振荡装置为了减小上述石英振荡器随温度变动而产生的振荡频率变动，利用控制电路控制加在作为石英振荡器频率调整元件的变容二极管上的电压。
而且，上述现有的控制电路构成为，若是低温至高温在例如-35℃至95℃这130℃区间进行温度补偿的话，按4℃为单位分割该130℃，在存储器中分别存储各个每隔4℃的温度补偿数据。
这时上述现有例的补偿数据，由于每4℃就需要与精密斜率、温度偏置点、极性、粗略斜率、固定偏移有关的数据，因而存储器内存储了32组以这些数据作为一组的控制电压设定数组。
也就是说，构成为按照温度传感器检测出的温度从存储器当中选择输出一组控制电压设定数组，由此，不论周围温度如何变动，总是使石英振荡器的振荡频率得到稳定。
上述现有例的问题在于，存储器较大，因而由该存储器与控制电路组成的半导体集成电路其规模较大，控制电路也复杂，消耗功率也大。
具体来说，由于每隔4℃对-35℃至95℃进行温度补偿，存储器的控制电压设定数组中存储有每隔4℃的温度补偿数据，因而该存储器需要拥有32组控制电压设定数组的大容量存储器，而且，这样就要对拥有32组控制电压设定数组的大容量存储器进行控制，控制电路也就容易复杂和大型化，因此会造成该存储器和控制电路所组成的半导体集成电路其规模较大。
此外，对拥有32组控制电压设定数组的存储器进行控制的控制电路其消耗功率也容易变大。
发明概述
因此，本发明目的在于提供一种存储器与控制电路所组成的半导体集成电路容易小型化，而且消耗功率也容易减小的石英振荡装置及其调整方法。
为了达到该目的，本发明包括：石英振荡器；与该石英振荡器电连接的频率调整元件；控制加在该频率调整元件上电压的控制电路，上述控制电路具有温度传感器、与该温度传感器电连接的温度检测部、与该温度检测部电连接的存储器、与该存储器和上述温度传感器电连接的放大部、电介入上述存储器与温度检测部之间的第一D/A变换部、和电介入上述存储器与放大部之间的第二D/A变换部，上述存储器构成为拥有实际运作的8组以下的控制电压设定数组，各控制电压设定数组存储有温度检测数据、放大倍数设定根据和偏差电压数据。
如上构成的话，存储器就实际运作的来说，有八组以下以温度检测数据、放大倍数设定数据和偏差电压数据为一组的控制电压设定数组，因而存储器容量较小，而且实际运作的控制电压设定数组为8个以下的存储器其控制电路构成简单且规模小，因此，容易使具有存储器和控制电路的半导体集成电路小型化。
而且，这样不仅存储器容量减小，控制电路也简单，其消耗功率也容易减小。
附图简要说明
图1是本发明一实施例石英振荡装置的框图。
图2是采用图1石英振荡装置的便携电话的框图。
图3是图1石英振荡装置所用的TCXO的分解斜视图。
图4是图1石英振荡装置所用的电压控制石英振荡器的框图。
图5是图1石英振荡装置所用的放大部的电路图。
图6是图1石英振荡装置所用的加法器和取样保持电路的电路图。
图7是示意图1石英振荡装置主要部分动作状态的时序图。
图8是图1石英振荡装置所用的存储器的存储映像。
图9示出的是图1石英振荡装置所用的电压控制石英振荡器的变容二极管上所加的控制电压。
图10示出的是图1石英振荡装置所用的电压控制石英振荡器的变容二极管上所加的电压和振荡频率。
实施发明的最佳方式
以下利用附图说明本发明一实施例。
图2是便携电话的框图，1是天线，在该天线1与听筒2之间，从天线1一侧起设有天线共享器3、放大器4、带通滤波器5、混频器6、带通滤波器7、混频器8、带通滤波器9、解调器10和接收信号处理电路11。而在话筒12与天线共享器3之间，从话筒12一侧起设有发送信号处理电路13、调制器14、带通滤波器15、功率放大部16和隔离器17。而且，混频器6通过带通滤波器18连接有VCO/合成器19，该VCO/合成器19还与调制器14连接。VCO/合成器19连接有控制电路20与温度补偿型石英振荡器(以下记作TCXO)21的闭合回路。控制电路20还与接收·发送信号处理电路11、13以及键·显示屏22连接。另外，混频器8连接有石英振荡器23。
也就是说，TCXO21生成的信号经VCO/合成器19倍增，它通过带通滤波器18输出给接收***的混频器6，并直接输出给发送***的调制器14，这种框图是众所周知的。本实施例中TCXO21的构成示于图1和图3。图3中，23为基极，在该基板23上安装有石英振子24和半导体集成电路(以下记为IC)25，在此状态下靠装在该基板23上的金属制壳体26密封保持。IC25如图1所示在其Vcc端27连接有图2所示的便携电话的电池28。而且，该Vcc端子27连接有稳定电源用的电源稳压器29。
该电源稳压器29是向图1所示各部分稳定供电的部分。IC25内设置的温度传感器30与放大部31和温度检测部32连接，以便向两者提供温度检测信号。另外，温度传感器30是由半导体二极管构成的，其电阻值从低温至高温缓慢直线状下降，因此与之有关的输出电压也连续直线状下降。
放大部31由极性反相电路33、可变衰减器34和放大电路35构成。而且，极性反相电路33连接有温度传感器30。可变衰减器34连接有极性反相电路33、存储器36和第二D/A变换部37。
放大电路35连接着存储器36和可变衰减器34。而且存储器36和温度检测部32之间经过第一D/A变换部38。
放大部31的放大电路35连接有加法器39，该加法器39通过Vc端子40连接有图2所示的便携电话的控制电路20。
加法器39的输出通过取样保持电路41提供给电压控制石英振荡器42，该电压控制石英振荡器42的输出通过Vout端子43提供给图2所示的VCO/合成器19。
另外，图1中44是如后面所述使该TCXO21间歇动作用的电源控制部，45是接地端子。
尽管后面将详细说明图1所示的TCXO21的动作，但为便于理解，这里先简要说明其总体动作。
具体来说，以温度检测数据、放大倍数设定数据和偏差电压数据作为一组控制电压设定数组，存储器36内最多可存储8组。
因而，温度传感器30检测出的温度作为第一信号传送给温度检测部32的话，存储器36内存储的8组控制电压设定数组内的温度控制数据就通过第一D/A变换部38，作为第二信号顺序提供给温度检测部32，这里对第一、第二信号进行比较。
接着，通过这种比较，确定并且执行存储器36内8组当中哪一组控制电压设定数组的放大倍数设定数据和偏差电压数据该提供给放大部31、第二D/A变换部37。
接着进行的是通过上述执行抑制振动频率随温度变动而产生变动，这些在后面详细说明。
接下来，利用图4说明图1中电压控制石英振荡器42的构成。
该电压控制石英振荡器42中，由图1的电源稳压器29向放大电路46、47提供稳定的直流电压。
众所周知，由与放大电路46并联连接的电阻48形成振荡电路，石英振子24由该振荡电路产生振荡。
接着，该振荡输出通过放大电路47、Vout端子43输出给图2的VCO/合成器19。
图4中调整振荡频率的是作为频率调整元件设置在石英振子24输入端与输出端的多个变容二极管49。具体来说，根据通过图1中取样保持电路41加在变容二极管49阴极上的直流电压电平，调整这些变容二极管49的电容，由此调整振荡频率。
另外，本实施例中，使设于石英振子24输入端的多个变容二极管49的总电容等于或大于输出端变容二极管49的总电容。其原因是为了使消耗功率减小，如果输出端加大电容，就容易流过较大电流，消耗功率就会变大。
接下来对放大部31加以说明。该放大部31如上所述，由极性反相电路33、可变衰减器34和放大电路35的串联连接体构成，其详细内容示于图5。
具体来说，极性反相电路33由放大电路50和2个开关元件51、52构成。这当中开关元件51、52进行相反的开关动作，而且放大电路50的放大倍数为1倍，而且温度传感器30的输出输入至放大电路50的反相输入端。
而且，上述开关元件51、52的通断由存储器36输出的数字数据确定。
具体来说，根据上述存储器36输出的数字数据，开关元件51通、52断时，温度传感器30的输出使放大电路50旁路，使开关元件51导通，仍然输出至可变衰减器34。
反之，开关元件51断、52通时，温度传感器30的输出由放大电路50反相，输出至可变衰减器34。
接收到这种极性反相电路33输出的可变衰减器34，是考虑作为最终接收放大电路35放大的结果所获得的斜率，生成当前斜率用的器件。
具体来说，可变衰减器34具有串联连接的16个电阻54，和将所选择的电阻54的两端电压送至放大电路55、56用的2个一组的多组开关元件57、58，所选择的开关元件57、58是同时导通的。
对这些2个一组的开关元件57、58的选择是按照存储器36输出的数字数据，由选择多组中哪个NAND(与非)元件59来确定的。
根据所选择开关元件57、58的导通，所选定电阻54的两端电压其一端输出给放大电路55，另一端输出给放大电路56。
放大电路55、56的输出之间串联连接有16个电阻60，选择哪一个电阻60的上端是根据存储器36输出的数字数据，由选择多个当中某一个NAND元件61来确定。所选择电阻60的上端电压输出至放大电路62。
具体来说，在可变衰减器34的图5前级部分进行第一次电压选择，例如选择(8/16)V和(7/16)V，接下来在图5后级部分进行第二次电压选择，也就是说，(8/16)V与(7/16)V之间某一电压值的设定是通过16个电阻60的选择来确定的。
因此，例如选择(7.5/16)V的话，它接下来便通过放大电路62提供给放大电路53。
放大电路53其放大倍数例如固定为20倍，因为上述放大电路62的输出输入至反相输入端子，因而输出的是-20倍。因此，由上述极性反相电路33极性设定后的斜率是由该放大电路53设定的。
提供给该放大电路53同相输入端子的是第二D/A变换器37输出的模拟电压，该模拟电压才是偏移电压。
象这样由放大部31设定为极性、斜率和偏移的电压接下来便输出给加法器39，加法器39的构成如图6所示。
具体来说，图5放大部31的输出便提供给放大倍数为1倍的放大电路63、64的反相输入端子，但因经历长时期而发生变化等原因引起振荡频率偏移时，便有图2所示便携电话控制电路20输出的直流电压提供给Vc端子40。
在上述振荡频率偏移至较低一侧时提供给该Vc端子40的直流电压是比规定值高的直流电压，而偏移至较高一侧时提供的是比规定值低的直流电压。
比较器65监测控制电路20是否提供了比如上所述规定值低或高的直流电压，在将它提供给反相输入端子时处于截止状态。这样开关元件66便导通，67便断开。因此，提供给Vc端子40、比上述规定值低或高的直流电压就提供给放大电路64的同相输入端子，这里，若提供的是上述较低电压，则提供给图4中变容二极管49阴极的电压变低，其电容增大，振荡频率变低。
反之，若提供给Vc端子40的直流电压较高的话，变容二极管49的电容就因上述原因而减少，振荡频率变高。这样加法器39便防止因长期变动等所造成的振荡频率偏移。
接下来，该加法器39的输出如图6所示提供给取样保持电路41。
该取样保持电路41由放大电路68、与其同相输入端子连接的电容器69和设于其输入端的开关元件70等构成。
开关元件70由图1所示的电源控制部44间歇地重复开闭，如图7所示，闭合时间为10μsec，断开时间为310μsec。
闭合时电容器69由在此之前各条件所设定的直流电压电平充电，由该充电电平确定提供给变容二极管49阴极的直流电压值。
但开关元件70断开后，其充电电压由于自身放电而下降，因而如上所述，在310μsec后得再次使开关元件70闭合进行充电。
而且，该开关元件70断开时，根据电源控制部44来的指令，停止对放大部31的全部、加法器39以及第一、第二D/A变换部39、37的供电，达到节能意图。
另外，对它们停止供电是通过如图7所示在取样保持电路41断开之后必然进行，确保对电容器69进行可靠充电的。
另一方面，存储器36是重复执行规定程序的，但该存储器36的通电也由电源控制部44间歇进行，以达到节能意图。
另外，对存储器36的通电时间因程序一周期时间需要2.56msec，故而将它设定为通电时间，中止时间设定为10sec。
存储器36由EEPROM形成，可更新数据。
具体来说，如图8所示，存储器36内设有8组4字节一组的控制电压设定数组。
各控制电压设定数组第一字节存储温度检测数据，第二字节存储斜率设定数据，第三字节存储斜率设定数据，第四字节存储偏差电压数据。
第一控制电压设定数组形成从低温至高温一侧的第一号直线控制电压(具有极性、斜率、偏差电压)，第二控制电压设定数组形成比其高的高温一侧的第二号，第三控制电压设定数组形成比其高的高温一侧的第三号，第四控制电压设定数组形成比其高的高温一侧的第四号，第五控制电压设定数组形成比其高的高温一侧的第五号，第六控制电压设定数组形成比其高的高温一侧的第六号，第七控制电压设定数组形成比其高的高温一侧的第七号，第八控制电压设定数组形成比其高的高温一侧的第八号直线控制电压，即使因石英振子24的特性，未用到第八控制电压设定数组，也能执行低温至高温的温度补偿。
本实施例中，最大特征在于，利用最多八根直线控制电压对低温至高温的温度补偿进行直线拟合。
本实施例中，先将图3所示壳体26装在基板23上，将IC25和石英振子24密封后，置于恒温槽内，从向存储器36写入数据起开始。这时使图6中开关元件70保持断开的状态。
恒温槽先从-30℃慢慢升温至80℃，这中间每隔10℃通过图6电容器69、放大电路68在变容二极管49上加直流电压。
接着每隔10℃标记电压控制石英振荡器42振荡频率为一定时例如基频12.8MHz时的控制电压，将它连接得到图9中的M线。
接下来，同样每隔10℃标记电压控制石英振荡器42振荡频率为基频12.8MHz+1PPM时的控制电压，将它连接得到Y线。
接下来，同样每隔10℃标记电压控制石英振荡器42振荡频率为基频12.8MHz-1PPM时的控制电压，将它连接得到K线。
而且，在Y线和K线所夹的控制电压带内，从-30℃连接至80℃，便可得到图10的5根直线控制电压(T线)。
观察该直线控制电压T线，从低温开始的第一根是-30℃至-12℃、3.45V至2.54V的直线控制电压。
第二根是-12℃至+9℃、2.54V至2.33V的直线控制电压。
第三根是9℃至43℃、2.33V至2.55V的直线控制电压。
第四根是43℃至63℃、2.55V至2.35V的直线控制电压。
第五根是63℃至80℃、2.35V至1.65V的直线控制电压。
这五根直线控制电压中每一根上述数据在存储器36的第一至第五控制电压设定数组中分别按温度检测数据、斜率设定数据和偏差电压数据存储。
这样向存储器36存储数据结束的话，使图6中的开关元件70返回常态，处于如上所由电源控制部44开闭控制的状态。
在这种状态下，再次使恒温槽从-30℃慢慢升温至80℃，根据此时的温度，按照存储器36输出的数据在变容二极管49的阴极上加图10所示的控制电压(T线)，因而可提供一种电压控制石英振荡器42的振荡频率可如图10H线所示保持在±1PPM内的极高精度的石英振荡装置。
另外，图10中的L线示出的是不加上述那种控制电压时的振荡频率变动，从该L线与本实施例H线比较，可以理解即便是5根直线控制电压的直线拟合，其精度也是极高的。
另外，存储器36各组控制电压设定数组的温度检测数据由图1的第一D/A变换部38变换为直流电压，传送给温度检测部32，与温度传感器30输出的当前时刻检测温度相比较。另外，温度传感器30是采用半导体二极管的，因而温度越高，其输出电压就线性下降。
通过这种温度比较，如果第一D/A变换部38输出的电压较高的话，则对存储器36中其次的控制电压设定数组执行数据读取程序。
通过这种重复，温度传感器30输出的直流电压比第一D/A变换部38的直流电压高的话，就读出存储器36中该控制电压设定数组中的斜率设定数据和偏差电压数据。这当中斜率设定数据如上所述提供给图5放大部31的极性反相电路33和可变衰减器34。偏差电压数据通过第二D/A变换部37如上所述提供给图5可变衰减器34和放大电路35。
如上所述本实施例是按8根以内的直线控制电压进行直线拟合的，但这是基于这样一种事实，就电压控制石英振荡器来说，确认每一个有图9所示控制电压带形状完全不同情况的限度内，即便如此，八根直线控制电压就可以实现±1PPM高精度控制。
这种情况下存储器36可以设定8组实际运作的控制电压设定数组，在大容量存储器小型化，因这种小型化使控制电路小型化简化，以及随之而来的节能方面可以扩大效果。
工业实用性
综上所述，本发明包括：石英振荡器；与该石英振荡器电连接的频率调整元件；控制加在该频率调整元件上电压的控制电路，上述控制电路具有温度传感器、与该温度传感器电连接的温度检测部、与该温度检测部电连接的存储器、与该存储器和上述温度传感器电连接的放大部、电介入上述存储器与温度检测部之间的第一D/A变换部、和电介入上述存储器与放大部之间的第二D/A变换部，上述存储器构成为具有实际运作的8组以下的控制电压设定数组，各控制电压设定数组存储有温度检测数组，放大倍数设定数据和偏差电压数据。
如上所述，存储器就实际运作的来说有8组以下以温度检测数据、放大倍数设定数据和偏差电压数据为一组的控制电压设定数组，因而存储器容量较小，而且实际运作的控制电压设定数组为8个以下的存储器其控制电路构成简单且规模小，因此，容易使具有存储器和控制电路的半导体集成电路小型化。
而且，这样不仅存储器容量减小，控制电路也简单，其消耗功率也容易减小。
Claims (14)
1．一种石英振荡装置，其特征在于，包括：具有石英振荡器(24)和与该石英振荡器电连接的频率调整元件(49)的石英振荡电路(42)；以及控制加在所述频率调整元件上电压的控制电路，其中所述控制电路包括：
温度传感器(30)；
配置成根据所述温度传感器的输出和输入其的控制数据，输出一补偿信号的放大部(31)，该控制数据规定补偿放大倍数和偏差电压数值；
其中根据各组所适用的温度范围仅存储有8组所述控制数据和温度数据的存储器(36)；
配置成将所述温度数据变换为模拟信号的第一数字模拟变换部(38)；
配置成将所述温度传感器(30)的输出与所述第一数字模拟变换部(38)的输出作比较以选择所述各组控制数据中与所述温度传感器(30)输出相对应一组的温度检测部(32)；以及
配置成将所述选定的控制数据变换为一模拟信号送给所述放大部的第二数字模拟变换部(37)。
2．如权利要求1所述的石英振荡装置，其特征在于，放大部、第一、第二数字模拟变换部、温度检测部和存储器其中至少之一是间歇工作的。
3．如权利要求2所述的石英振荡装置，其特征在于，放大部、第一、第二数字模拟变换部和温度检测部其中至少之一间歇工作中的中止时间比存储器间歇工作中的中止时间短。
4．如权利要求1所述的石英振荡装置，其特征在于，放大部(31)由可变衰减器(34)和放大电路(35)构成。
5．如权利要求4所述的石英振荡装置，其特征在于，可变衰减器的下位输出电平设定为比0高的电压。
6．如权利要求1所述的石英振荡装置，其特征在于，第一、第二数字模拟变换部由可变衰减器构成。
7．如权利要求6所述的石英振荡装置，其特征在于，可变衰崐减器的下位输出电平设定为比0高的电压。
8．如权利要求1所述的石英振荡装置，其特征在于，频率调整元件由多个变容二极管构成，这些变容二极管电连接在石英振荡器的输入端和输出端。
9．如权利要求8所述的石英振荡装置，其特征在于，输入端变容二极管的电容大于或等于输出端变容二极管的电容。
10．如权利要求8所述的石英振荡装置，其特征在于，石英振荡器(24)输入端、输出端电连接的变容二极管个数根据石英振荡电路(42)的振荡频率选择。
11．如权利要求1所述的石英振荡装置，其特征在于，放大部(31)与频率调整元件(49)之间设置开路用开关，而且该开路用开关(66,67)与频率调整元件之间电连接了外部电压输入端子(40)。
12．如权利要求1所述的石英振荡装置，其特征在于，频率调整元件和控制电路构成在单个半导体器件(25)内。
13．如权利要求1-3中任一项所述的石英振荡装置，其特征在于，还包括：
在所述频率调整元件和放大部之间的取样保持电路(41)。
14．一种石英振荡装置调整方法，其特征在于，该石英振荡装置包括：具有石英振荡器(24)和与该石英振荡器电连接的频率调整元件(49)的石英振荡电路；以及控制加在所述频率调整元件上电压的控制电路，其中所述控制电路包括：
温度传感器(30)；
配置成根据所述温度传感器的输出和输入其的控制数据，输出一补偿信号的放大部(31)，该控制数据规定补偿放大倍数和偏差电压数值；
其中根据各组所适用的温度范围仅存储有8组所述控制数据和温度数据的存储器(36)；
配置成将所述温度数据变换为模拟信号的第一数字模拟变换部(38)；
配置成将所述温度传感器(30)的输出与所述第一数字模拟变换部(38)的输出作比较以选择所述各组控制数据中与所述温度传感器(30)输出相对应一组的温度检测部(32)；以及
配置成将所述选定的控制数据变换为一模拟信号送给所述放大部的第二数字模拟变换部(37)，
所述调整方法包括下列步骤：
(1)在放大部和频率调整元件之间电路开路的状态下将石英振荡装置置于恒温槽内，
(2)从低温至高温改变恒温槽温度，用以通过在各个规定温度区内向所述频率调整元件加上控制电压，检测石英振荡电路振荡频率落在规定误差范围内的控制电压带的上下幅值，
(3)在所述低温至高温由8根以内的直线连接，以便落在上述步骤(2)检测求得的从所述低温至高温的控制电压带内，并将由这8根以内的各根直线所求出的数据和温度传感器从所述低温至高温的检测输出，作为与各直线对应的温度检测数据、放大倍数设定数据和偏差电压数据写入存储器。
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