CN107276581B - 一种晶体振荡器的步进温度补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种晶体振荡器的步进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，并存入单片机中；当温度变化是，模频率为f(T)的信号送入模数转换器中转换为对应的二进制编码B_1i，并输入到单片机中与目标频率f₀的二进制编码B_0i进行比对，在单片机中设定阈值范围ΔB，将B_0i和B_1i进行比对之后，判断比对结果B_0i‑B_1i是否在阈值范围之内。若B_0i‑B_1i不在阈值范围内，则以步进二进制编码B_2i进行补偿，补偿之后再次送入单片机中与B_0i进行比对，如此进行循环补偿，直到比对结果B_0i‑B_1i在阈值范围内，最终实现温度补偿。本发明与现有温度补偿晶体振荡器相比，不需要温度传感器，因而克服现有TCXO中由于使用温度传感器和晶体谐振器晶片温度变化不同步引起的温度迟滞问题。

Description

一种晶体振荡器的步进温度补偿方法

技术领域

本发明属于晶体振荡器技术领域，更为具体地讲，涉及一种晶体振荡器的步进温度补偿方法。

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***、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(V_C)＝-G(V_C-V_C0)+f₀ (2)

其中，G是压控晶体振荡器的增益，V_C是压控晶体振荡器的控制电压，V_C0是压控晶体振荡器压控端的初始输入电压，f₀是输入为V_C0时的振荡频率。

那么，作为补偿晶振温度特性的补偿电压V_C(T)的方程式可以表述为：

V_C(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到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步进温度补偿方法，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频率误差问题。

为实现上述发明目的，本发明晶体振荡器的步进温度补偿方法，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的信号，然后经过模数转换器转换为对应的二进制编码B_0i，输入到单片机中，并将二进制编码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实时输出的频率信号f(T)送入模数转换器中转换为对应的二进制编码B_1i，送入单片机中与B_0i进行比对和计算，初始化步进次数n＝0

(3)、判断比对结果B_0i-B_1i是否在阈值范围ΔB内

在单片机中设定阈值范围ΔB，将二进制编码B_0i和二进制编码B_1i进行比对之后，判断比对结果B_0i-B_1i是否在阈值范围ΔB内，如果不在，则n＝n+1，转到步骤(4)；如果在，则输出当前f(T)对应的二进制编码，即f(T)＝f₀，实现了压控晶体振荡器即VCXO的温度补偿；

(4)、步进输出补偿电压

当B_0i-B_1i大于阈值范围，则输出补偿电压值对应的二进制编码B_v＝B_0i+n×B_2i；当B_0i-B_1i小于阈值范围，则输出补偿电压值对应的二进制编码B_v＝B_0i-n×B_2i，其中，B_2i为步进二进制编码；

单片机输出补偿电压的二进制编码B_0i+n×B_2i或B_0i-n×B_2i，经过数模转换器转换为补偿电压

或

并经过信号调理电路调理后输出至压控晶体振荡器即VCXO压控端，然后返回步骤(3)，其中，ΔV(T)是补偿电压变化量。

本发明的目的是这样实现的。

本发明晶体振荡器的步进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，并存入单片机中；其次，当温度变化时，将频率信号f(T)送入模数转换器中转换为对应的二进制编码B_1i，然后送至单片机中与目标频率f₀的二进制编码B_0i进行比对，同时，根据单片机中设定的阈值范围ΔB，判断比对结果B_0i-B_1i是否在阈值范围之内。若B_0i-B_1i不在阈值范围内，则以步进二进制编码B_2i进行补偿，补偿之后再次送入单片机中与B_0i进行比对，如此进行循环补偿，直到比对结果B_0i-B_1i在阈值范围内，最终实现温度补偿。

本发明与现有温度补偿晶体振荡器相比，具有以下技术优点：

1)不需要温度传感器，而是实时的将待补偿VCXO的频率变化信息直接通过模数转换器和单片机得到补偿信息，以最小步进补偿电压对应的二进制编码的方式来逼近目标频率。该方法能够克服现有TCXO中由于使用温度传感器和晶体谐振器晶片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，不需要像原理传统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，而是直接将需要补偿的信息对应的二进制编码转换为补偿电压，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即温度补偿晶体振荡器的原理框图；

图5是图4所示的温度补偿晶体振荡器的工作流程图。

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步进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步进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，然后通过模数转换器将其转换为对应的二进制编码B_0i，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)时对应的二进制编码

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实时输出的频率信号f(T)送入模数转换器中转换为对应的二进制编码B_1i，然后输入至单片机中与B_0i进行比对和计算，初始化步进次数n＝0。

步骤S3：判断比对结果B_0i-B_1i是否在阈值范围ΔB内

在单片机中设定阈值范围ΔB，将二进制编码B_0i和二进制编码B_1i进行比对之后，判断比对结果B_0i-B_1i是否在阈值范围ΔB内，如果不在，则n＝n+1，转到步骤(4)；如果在，则输出当前f(T)对应的二进制编码，即f(T)＝f₀，实现了压控晶体振荡器即VCXO的温度补偿；

步骤S4：步进输出补偿电压

当B_0i-B_1i大于阈值范围，则输出补偿电压值对应的二进制编码B_v＝B_0i+n×B_2i；当B_0i-B_1i小于阈值范围，则输出补偿电压值对应的二进制编码B_v＝B_0i-n×B_2i，其中，B_2i为步进二进制编码；

单片机输出补偿电压的二进制编码B_0i+n×B_2i或B_0i-n×B_2i，经过数模转换器转换为补偿电压

或

并经过信号调理电路调理后输出至压控晶体振荡器即VCXO的电压控制端，然后返回步骤(3)，其中，ΔV(T)是补偿电压变化量。

在本实施例中，按照本发明方法构建的硬件即温度补偿晶体振荡器的原理框图如图4所示，它包括：压控晶体振荡器即VCXO 301、功分器302、模数转换器303、单片机304、数模转换器305、信号调理电路306。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，以达到频率调整的目的。功分器302是将压控晶体振荡器即VCXO 301的输出频率信号分为两路，其中一路正常输出，另一路输入至模数转换器303；模数转换器303是将压控晶体振荡器即VCXO 301的输出频率信号转换为对应的二进制编码。单片机304进行二进制编码存储、频率比对与计算，得到补偿电压的二进制编码B_0i+n×B_2i或B_0i-n×B_2i，数模转换器305将补偿电压的二进制编码B_0i+n×B_2i或B_0i-n×B_2i转换为补偿电压

或

并经过信号调理电路306调理后输出至压控晶体振荡器即VCXO 301的电压控制端，实现了压控晶体振荡器即VCXO的温度补偿。

图5是图4所示的温度补偿晶体振荡器的工作流程图。在本实施例中，其包括以下步骤：

第一步：在常温下给VCXO输入控制电压

使其输出目标频率f₀，通过模数转换器将其转换为对应的二进制编码，输入到单片机中并将f₀的二进制编码B_0i保存以便进行比对和运算；

第二步：VCXO的输出信号f(T)经过模数转换器输入到单片机中，与f₀对应的二进制编码B_1i进行计算，并判断结果是否在阈值电压范围之内，当B_0i-B_1i大于阈值范围，则输出补偿电压值对应的二进制编码B_0i+n×B_2i；当B_0i-B_1i小于阈值范围，则输出补偿电压值对应的二进制编码B_0i-n×B_2i。反之，当比对结果B_0i-B_1i在阈值范围内，则输出当前f(T)对应的二进制编码B_1i。以上过程的程序均存储在单片机中；

第三步：单片机输出补偿电压的二进制编码B_0i±n×B_2i，经过数模转换器转换为补偿电压

第四步：数模转换器输出的电压信号

需要经过信号调理电路的处理，输出至VCXO的电压控制端，最终当f(T)＝f₀时，实现了VCXO的温度补偿。

根据以上描述可知，本发明的实质是将待补偿VCXO的频率变化信息直接通过模数转换器和单片机得到补偿信息的二进制编码，以最小步进补偿电压对应的二进制编码的方式来逼近目标频率，循环进行频率比对，使补偿后的压控晶体振荡器输出等于期望获得的目标频率信号f₀，从而达到温度补偿的目的。

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步进温度补偿方法，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

使其输出目标频率f₀的信号，然后经过模数转换器转换为对应的二进制编码B_0i，输入到单片机中，并将二进制编码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)时对应的二进制编码

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)的信号送入模数转换器中转换为对应的二进制编码B_1i，输入到单片机中，送入单片机中与B_0i进行比对和计算，初始化步进次数n＝0；

(3)、判断比对结果B_0i-B_1i是否在阈值范围ΔB内

在单片机中设定阈值范围ΔB，将保存的二进制编码B_0i和二进制编码B_1i进行比对之后，判断比对结果B_0i-B_1i是否在阈值范围ΔB内，如果不在，则n＝n+1，转到步骤(4)，如果在，则结束补偿，f(T)＝f₀时，实现了压控晶体振荡器即VCXO的温度补偿；

(4)、步进输出补偿电压

当B_0i-B_1i大于阈值范围，则输出补偿电压值对应的二进制编码B_v＝B_0i+n×B_2i；当B_0i-B_1i小于阈值范围，则输出补偿电压值对应的二进制编码B_v＝B_0i-n×B_2i，其中，B_2i为步进二进制编码；

单片机输出补偿电压的二进制编码B_0i+n×B_2i或B_0i-n×B_2i，经过数模转换器转换为补偿电压

或

并经过信号调理电路调理后输出至压控晶体振荡器即VCXO压控端，然后返回步骤(3)，其中，ΔV(T)是补偿电压增加值。

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