CN102082548A - 具有高精度的微机补偿表贴温补晶振 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种具有高精度的微机补偿表贴温补晶振，微机补偿电路中集成有数据及程序存储电路、温度测试电路和补偿电压产生电路，微机补偿电路中温度传感器通过数模转换器相连于微处理器(MCU)，温度传感器测试出VCXO的温度信号，ADC将产生的模拟温度电压信号转换成数字信号反馈给MCU，MCU将该数据与带入MCU内的多次曲线方程式中，计算出与当前温度值对应的补偿电压的数据，DAC再将计算出的电压值转换为模拟电压信号，经滤波器(LPF)滤去低频干扰信号后送入VCXO的压控调谐端，实现对VCXO输出频率的高低温补偿。本发明将整个电路集成在一个专用芯片内不仅解决了温补晶振在高低温条件下的精确补偿问题，也解决了温补晶振电路的集成化设计问题。

Description

具有高精度的微机补偿表贴温补晶振

技术领域

本发明涉及一种主要用于全球定位系统(GPS)定位、电台、雷达等通讯设备中，具有高精度的微机补偿表贴温补晶振，更具体地说，本发明涉及高稳时基的具有高精度的微机补偿表贴温补晶振。

背景技术

现有技术中，温补晶体振荡器可分为模拟温补晶振和数字温补品振。温补晶振电路主要由振荡电路和补偿电路组成。前者与晶体谐振器共同组成一个压控晶体振荡器，后者则提供准确的补偿电压值，补偿电压改变压控振荡器当前的输出频率，把输出频率随温度变化控制在一个很小的误差内。

由于AT切型品体谐振器的振荡频率在整个宽温范围内(-55℃～+85℃)频率偏移较少(频率偏移在±20ppm以内)，并且频率与温度的关系呈近似的三次函数关系，所以温补晶体振荡器(TCXO)一般均采用对AT切晶体的频率-温度特性曲线进行补偿。该补偿是用一个与晶体谐振器串联的变容二极管作调频电容，其两端受补偿电路产生的电压控制，使变容二极管电容变化，改变晶体谐振器负载电容，从而使晶体谐振器的振荡频率发生改变。由于补偿电压带来的频率偏移恰好可以抵消由温度变化所引起的频率漂移，使得振荡器频率在宽温度范围内相对稳定，达到温度补偿的目的。

现有技术温补晶振补偿通常有三种方法。

一是使用热敏电阻网络产生补偿电压对晶振频率进行补偿。选用负温度系数的热敏电阻与固定电阻一起构成电阻补偿网络(主要有Γ型、桥式网络等)，产生一个随温度变化的二次或三次曲线电压信号，实现对晶振频率-温度特性曲线的补偿。该方法的不足之处是只能实现二次或三次频率-温度特性曲线的补偿，且补偿电压曲线受补偿电路形式的限制，不能实现高精度的补偿。同时，晶振电路无法小型化、集成化，并且调试较困难，不易于批量化生产。

二是使用数字电路进行晶振频率的补偿。数字温度补偿晶体振荡器(DTCXO)，一直以来由于体积大、功耗大、成本高而使其应用范围受到了很大的限制。数字温补晶振的“频率一温度稳定度”一般在10^-7量级(-40℃～70℃)。数字温补晶振通常选用EEPROM存储器，将补偿电压值通过查表的方式，发送给数模转换器(DAC)，从而压控晶振频率，对晶振频率进行补偿。该方法虽然可以实现多次频率温度曲线的补偿，但由于受数字电路精度影响，补偿电压不连续且有抖动，对晶振的相位噪声指标恶化严重。对于传统的微机补偿晶体振荡器(MCXO)同样也存在体积大，精度不够，相位噪声指标不高等不足之处，且性能的稳定、可靠性和成品率都不高。

三是使用国外进口集成温度晶振专用芯片。目前，为适应晶体振荡器小型化、数字化、集成化的发展趋势，国外已实现由传统的裸金属外壳向覆塑料金属和陶瓷封装转变，采用SMD封装形式的温补品振，其外形尺寸大大地缩小。这种集成芯片采用了数模混合电路的温度补偿技术。该补偿技术虽然可以实现晶振小型化设计，降低了产品功耗，但由于其补偿电压仍然由模拟电路产生，补偿电压曲线受模拟电路形式和工艺的限制，一般只能产生3次方的补偿电压曲线，晶振的频率-温度稳定度指标不高(一般在±0.5×10^-6～±1×10^-6)，温度范围最宽在-30℃～85℃。

发明内容

本发明的任务是提出一种小型化，功耗低，基于集成化微机补偿电路可以产生多次方补偿电压曲线，在宽温范围内有很高频率-温度稳定度的微机补偿表贴温补晶振。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，本发明提供的一种具有高精度的微机补偿表贴温补晶振，至少包括，被集成在一个芯片内的微机补偿电路、压控晶体振荡电路和微机补偿程序部件，其特征在于：在所述微机补偿电路中集成有一个用于与调试系统进行数据传输的串口通讯电路、数据及程序存储电路、温度测试电路和补偿电压产生电路，该微机补偿电路连接在压控晶体振荡器(VCXO)的压控调谐端，温度传感器通过数模转换器(ADC)相连于微处理器(MCU)，温度传感器测试出VCXO的温度信号，ADC将产生的模拟温度电压信号转换成数字信号反馈给MCU，MCU将该数据带入MCU内的多次曲线方程式中，计算出与当前温度值对应的补偿电压的数据，DAC再将计算出的电压值转换为模拟电压信号，MCU再把转换成的补偿电压发送至模数转换器(DAC)，经滤波器(LPF)滤去低频干扰信号后送入VCXO的压控调谐端，实现对VCXO输出频率的高低温补偿。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

本发明在压控晶体振荡器(VCXO)的压控调谐端接入高精度的微机补偿电路，在晶振补偿电路中使用微处理器MCU对晶振补偿参数进行处理，通过MCU控制高精度的ADC采集当前温度值，并通过MCU计算出当前的补偿电压值，MCU将补偿电压至发送至高精度的DAC以控制压控晶体振荡器的输出频率，实现对晶振频率在高低温下精确补偿，实现的温补晶振补偿精度高、线性度高、一致性及稳定性好。

本发明通过MCU可以对晶振的高低数据进行精确拟合，拟合次数不仅限于3次曲线，也可以实现4次、5次、6次、7次曲线的拟合，调试系统通过对调试数据进行分析找出最佳的曲线次数，并将最佳的温度特性参数发送至晶振的微机补偿电路并存储在EEPROM中，解决了传统补偿电路补偿曲线次数不易更改的问题，使得曲线拟合灵活多变。实验证明，精确的曲线拟合可以大大提高晶振在高低温下的补偿精度。

本发明通过整个微机补偿电路和晶体振荡电路的集成化设计和软件与简单硬件电路的配合，将微机补偿电路和压控晶体振荡电路集成在一个专用芯片内，节约了系统所需的大量硬件电路。集成后的专用高精度微机补偿晶振芯片的面积约为2.0mm×2.0mm。因此能够在7.0mm×5.0mm×2.0mm的小体积内，实现高精度微机补偿晶振的小型化和表贴化设计，解决了传统的微机补偿晶振体积大的问题。在不影响晶体振荡器相位噪声的基础上，可将晶振的频率-温度稳定度控制在±0.28×10^-6(-40℃～+85℃)的范围内，部分产品补偿后的频率-温度稳定度可优于±0.1×10^-7。同时，集成化设计也极大地降低了晶振的功耗。与传统微机补偿晶体振荡器(MCXO)相比，本发明具有集成化程度高，体积小，功耗低，造价低，开机预热时间短等优点。

通过微机补偿电路中的串口通讯电路实现了对晶振的在线自动化调试，调试系统对晶振频率的调试精度可以达到10^-9～10^-10量级，同时采用多路晶振信号切换技术可以同时完成500只左右的高精度微机补偿晶振的高低温在线调试。

本发明不仅解决了温补晶振在高低温条件下的精确补偿问题，也解决了高精度微机补偿晶振电路的集成化设计问题。集成芯片采用了0.25um工艺，内部集成了MCU、EEPROM、ROM、RAM、ADC、DAC、温度传感器、VCXO振荡电路、时钟电路、线性稳压电路。由于芯片内部集成了性能优良的线性稳压电路，晶振的可以在DC+2.8V～DC+5.5V的电压范围内正常工作。芯片内部微机补偿电路和VCXO电路的“电源”和“地”在设计工艺上进行了隔离设计，极大地降低了数字和模拟系统相互之间的干扰，同时芯片对DAC输出的补偿电压也做了滤波处理，使得晶振的相位噪声指标可以达到-135dBc/Hz@1kHz(以10MHz晶振为例)。

附图说明

图1是本发明具有高精度的微机补偿表贴温补晶振的电路原理框图。

图2是本发明的微机补偿程序流程图。

图3是本发明的高精度微机补偿表贴温补晶体振荡器自动调试系统框图。

图4是本发明精度微机补偿表贴温补晶体振荡器的外形示意图。

图5是图4的仰视图。

具体实施方式

本发明的实施方式可用图1、图2进一步说明。

在图1中，一种具有高精度的微机补偿表贴温补晶振，包括，被集成在一个芯片内的微机补偿电路、压控晶体振荡电路和微机补偿程序部件。晶振内部电路由压控晶体振荡电路(VCXO)和微机补偿电路组成。在所述微机补偿电路中集成有用于与调试系统进行数据传输的串口通讯电路、数据及程序存储电路、温度测试电路和补偿电压产生电路。集成在微机补偿电路中的补偿电压产生电路，包括，MCU输出端通过模数转换器(DAC)连接的低通滤波器(LPF)和压控晶体振荡器(VCXO)，模数转换器将模拟温度信号转换成数字信号并发送至MCU，模数转换器将数字补偿电压信号转换成模拟电压信号，模拟信号经滤波器(LPF)滤去低频干扰信号后送入VCXO的压控调谐端。整个晶振电路集成在一个面积为2.0mm×2.0mm的芯片内，高精度微机补偿温补晶振的体积为7.0mm×5.0mm×2.0mm，晶振为表面贴装元件，

上述的微机补偿电路，包括，微处理器(MCU)、温度测试电路以及补偿电压产生电路。其中，温度测试电路通过热偶合感应晶体谐振器的温度，产生反应温度变化的数字信号；补偿电压产生电路，包括，与MCU相连的数模转换器(DAC)，与DAC和VCXO连接的低通滤波器(LPF)，数模转换器(DAC)将数字补偿电压信号转换成模拟电压信号，低通滤波器将DAC发送过来的电压信号滤去低频干扰信号后送入VCXO的压控调谐端，实现对VCXO输出频率的高低温补偿。

上述的微机补偿电路连接在压控晶体振荡器(VCXO)的压控调谐端，温度传感器通过A/D转换器相连于微处理器(MCU)。在MCU的控制下，模拟温度传感器测试出晶体谐振器的温度V_T，然后将温度信号通过A/D转换器转换成数字信号D_T反馈给MCU。MCU将该数据带入MCU内的多次曲线方程式，方程的系数预先存放在EEPROM中，计算出补偿电压的数据。补偿电压的数字信号D_C由MCU根据当前温度经过计算得出，并通过D/A转换器转换成模拟电压信号V_C，经过LPF滤波后接入VCXO的压控调谐端。通过控制压控振荡器的频率，使其在温度范围内按约定误差趋近于标称频率，实现对VCXO输出频率f_out在高低温下的精确补偿。

上述的数据及程序存储电路，包括，一个可擦除的64字节程序存储器(EEPROM)、一个4k字节程序存储器(ROM)和一个256字节的数据存储器(RAM)。EEPROM存储器用于存储VCXO的频率温度特性参数，ROM存储器用于存储MCU运行的程序，RAM存储器用于存储MCU运行程序时处理的临时数据。

上述的补偿电压成生电路，包括，一个与MCU连接的精度为13bit的数模转换器(DAC)，一个与DAC和VCXO压控调谐端相连的时间常数约为0.4s的低通滤波。该补偿电压产生电路产生的补偿电压精度约为0.2mV。

上述的温度测试电路由一个精度为13bit的ADC和一个模拟温度传感器组成。该电路的温度测试精度约为0.05℃，温度测试准确度为±2.0℃(-25℃～+85℃)和±3.0℃(-55℃～+100℃)。模拟温度传感器随着环境温度的变化产生一个近似线性的连续电压信号(温度越高时电压越高，温度越低时电压越低)，不同的电压值表示不同的环境温度。模拟温度传感器的电压输出端与ADC的输入端相连，ADC将反映温度变化的电压值转换为数字信号，ADC再通过并口与MCU相连，并根据需要实时地发送当前温度值信号。

本发明所述的微机补偿程序部件包括调试部分和工作部分，两个程序部分通过一个标志位进行切换。调试部分的程序为一个串口通讯代码识别程序，通过接受到的调试指令代码实现发送当前温度、发送当前补偿电压值、接收并改变补偿电压值、接收温度特性参数、接收内部开关状态参数。工作部分的程序为补偿电压产生程序，实现当前温度值读取，通过温度特性参数计算当前温度下的补偿电压值，发送电压值至DAC转换器。

高精度的微机补偿表贴温补晶振电路包括压控晶体振荡电路和微机补偿电路。在压控晶体振荡器(VCXO)的压控调谐端接入高精度的微机补偿电路。微机补偿集成电路中，微处理器为16bit的基于51核的微处理器；集成电路中内置时钟和线性稳压电路，内部工作电压为DC+2.8V。

压控晶体振荡集成电路中，采用门振荡电路形式，压控晶体振荡器的振荡频率范围为10MHz～38MHz，压控调谐范围为±20ppm，调谐灵敏度为20ppm/V，工作温度范围为-55℃～+85℃，相位噪声指标优于-135dBc/Hz@1kHz(以10MHz晶振为列)。电路匹配的晶体主要参数为：AT切晶体；负载电容为7.8pF；温度频差≤±15ppm；工作温度范围-55℃～+90℃；牵引灵敏度15～25ppm/pF；高温拐点60℃～70℃。

微机补偿集成电路可以实现1次～7次曲线的温度特性补偿，晶振的频率温度特性参数(C₀、C₁、C₂、C₃、C₄、C₅、C₆、C₇)存储在EEPROM中，MCU获得当前晶振温度(T)后通过计算得到当前的补偿电压值。曲线特性参数以浮点数方式存放在EEPROM中(对应7次曲线系数)，最多存放8个浮点数。以7次方曲线为例，7次温度特性参数(C₀、C₁、C₂、C₃、C₄、C₅、C₆、C₇)对应的补偿电压值的函数关系式是：

V_C＝C₀+C₁·T+C₂·T²+C₃·T³+C₄·T⁴+C₅·T⁵+C₆·T⁶+C₇·T⁷

高精度的微机补偿温补晶振程序在集成芯片制作时一次性烧录在内部的ROM中，晶振调试系统通过晶振内部的串口通讯电路对晶振进行在线调试，调试内容包括：读取温度值；读取补偿电压值；设置补偿电压值；设置补偿电压曲线特性参数；设置工作状态；其它辅助功能设置。

在图2中，微机补偿程序分为两个部分：调试部分和工作部分，两部分程序通过一个状态码来识别。调试部分的程序为一个串口通讯代码识别程序，通过接受到的调试指令代码实现发送当前温度、发送当前补偿电压值、接收并改变补偿电压值、接收温度特性参数、接收内部开关状态参数；工作部分的程序为补偿电压产生程序，实现当前温度值读取，通过温度特性参数计算当前温度下的补偿电压值，发送电压值至D/A转换器。

调试部分程序用于配合调试系统对晶振的高低温补偿数据进行采集，同时对晶振内部进行设置。通过串口通讯电路使得晶振与调试系统相连，调试系统通过发送指令代码控制晶振发送或接受所需要的数据。调试部分程序的具体内容包括：发送当前晶振的内部温度值至调试系统；发送当前晶振的补偿电压值至调试系统；接收调试系统发出的补偿电压值并对当前补偿电压值进行重置(用于晶振频率校准)；接受调试系统发出的曲线特性参数(补偿电压-温度特性曲线参数)并保存至EEPROM；接受调试系统发出的对晶振内部状态的设置，工作状态设置、内部状态设置包括振荡电路激励设置、补偿灵敏度设置、压控功能设置等。工作程序是晶振通过测得的温度，适时地计算出当前所需要的补偿电压值，并将电压信号通过DAC控制到压控晶振的压控调谐端，从而实现晶振的高低温补偿。

在图3中，在所述微机补偿电路中集成有一个串口通讯电路用于与调试系统进行数据传输；MCU通过一个串口与自动调试系统连接，用于晶振的在高低温下的在线调试。微机补偿表贴温补晶振的自动调试系统，是由多路晶振信号自动切换设备、频率计数器、程控电源、计算机、高低温箱及相关的程序部件组成的，通过晶振内部集成的串口通讯电路，调试系统可以实现10^-9～10^-10量级精度的频率自动校准，并同时完成对500只晶振的在线高低温调试。

微机补偿温补晶振调试系统用于温补晶振在高低温下的自动调试。自动调试系统为一个计算机、频率计、晶振组成的闭环回路，环路中晶振与计算机以及频率计与计算机之间采用串口连接控制。通过自动调试系统，系统对每路晶振在检测温度点下逐一进行调试，校准晶振频率获取当前的补偿电压值，并记录每路晶振当前温度。计算机通过对每路晶振在高低温下的不同采样点的数据采集信息进行分析，计算出每路晶振的补偿电压-温度特性参数并将每路晶振的补偿电压曲线特性参数发送并存储到其内部EEPROM中。

自动调试系统自动地调谐晶振的频率输出，同时校准频率，记录校准后的补偿电压值。晶振将输出频率信号传给频率计；频率计通过串口将实时采集的频率信号传给计算机；计算机对频率计传输过来的频率信号进行分析；如果测得输出与标称频率误差没有达到±0.01ppm以内的要求，则通过串口调整晶振的补偿电压从而改变晶振的输出频率，如果频率满足要求，计算机就记录下当前补偿电压值。对于-40℃～85℃的温度范围，可以取-40℃、-30℃、-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃为采样温度点，每个温度点的保温时间为15min～20min，整个调试过程总共可以有14个采样点。调试系统软件利用最小二乘法对14个离散信号进行曲线拟合，得到的曲线参数最后发送给每个晶振电路并存储在EEPROM中。

在图4中，具有高精度的微机补偿表贴温补晶振由集成微机补偿晶振芯片、陶瓷基座、晶体谐振器、2个滤波电容、1个耦合电容组成。专用微机补偿晶振芯片内集成了微机补偿电路与压控晶振电路，芯片的面积为2.0mm×2.0mm。高精度的微机补偿温补晶振的体积为7.0mm×5.0mm×2.0mm，晶振为表面贴装元件。晶振共有10个引脚，其中4个为晶振的功能脚，分别为电源、地、压控、输出，其余6个引脚为调试用引脚，用于晶振在线调试时使用。

Claims (10)

1.一种具有高精度的微机补偿表贴温补晶振，至少包括，被集成在一个芯片内的微机补偿电路、压控晶体振荡电路和微机补偿程序部件，其特征在于：在所述微机补偿电路中集成有一个用于与调试系统进行数据传输的串口通讯电路、数据及程序存储电路、温度测试电路和补偿电压产生电路，该微机补偿电路连接在压控晶体振荡器(VCXO)的压控调谐端，温度传感器通过数模转换器(ADC)相连于微处理器(MCU)，温度传感器测试出VCXO的温度信号，ADC将产生的模拟温度电压信号转换成数字信号反馈给MCU，MCU将该数据带入MCU内的多次曲线方程式中，计算出与当前温度值对应的补偿电压的数据，MCU再把转换成的补偿电压发送至模数转换器(DAC)，DAC再将计算出的电压值转换为模拟电压信号，经滤波器(LPF)滤去低频干扰信号后送入VCXO的压控调谐端，实现对VCXO输出频率的高低温补偿。

2.根据权利要求1所述的具有高精度的微机补偿表贴温补晶振，其特征在于，所述数据及程序存储电路，包括，一个可擦除的程序存储器(EEPROM)、一个程序存储器(ROM)和一个数据存储器(RAM)，其中，EEPROM存储器，用于存储VCXO的频率温度特性参数，ROM存储器用于存储MCU运行的程序，RAM存储器，用于MCU运行程序时处理的临时数据。

3.根据权利要求1所述的具有高精度的微机补偿表贴温补晶振，其特征在于，所述微机补偿电路，包括，微处理器(MCU)和通过数模转换器(ADC)连接MCU的模拟温度传感器，以及集成在微机补偿电路中的补偿电压产生电路，其中，模拟温度传感器通过热偶合感应晶体谐振器的温度，产生反应温度变化的模拟电压信号。

4.根据权利要求3所述的具有高精度的微机补偿表贴温补晶振，其特征在于，集成在微机补偿电路中的补偿电压产生电路，包括，MCU输出端通过模数转换器(DAC)连接的低通滤波器(LPF)和压控晶体振荡器(VCXO)，模数转换器将模拟温度信号转换成数字信号并发送至MCU，模数转换器将数字补偿电压信号转换成模拟电压信号，模拟信号经滤波器(LPF)滤去低频干扰信号后送入VCXO的压控调谐端。

5.根据权利要求1所述的具有高精度的微机补偿表贴温补晶振，其特征在于，所述的微机补偿程序部件，包括调试部分和工作部分，两个程序部分通过一个标志位进行切换。

6.根据权利要求5所述的具有高精度的微机补偿表贴温补晶振，其特征在于，调试部分的程序为一个串口通讯代码识别程序，通过接受到的调试指令代码实现发送当前温度、发送当前补偿电压值、接收并改变补偿电压值、接收温度特性参数、接收内部开关状态参数；工作部分的程序为补偿电压产生程序，实现当前温度值读取，通过温度特性参数计算当前温度下的补偿电压值，发送电压值至DAC转换器。

7.根据权利要求1所述的具有高精度的微机补偿表贴温补晶振，其特征在于，所述的补偿电压值与测得的温度值有如下函数关系：

V_C＝C₀+C₁·T+C₂·T²+C₃·T³+C₄·T⁴+C₅·T⁵+C₆·T⁶+C₇·T⁷。

8.根据权利要求1所述的具有高精度的微机补偿表贴温补晶振，其特征在于，整个晶振电路集成在一个面积为2.0mm×2.0mm的芯片内，高精度微机补偿温补晶振的体积为7.0mm×5.0mm×2.0mm，晶振为表面贴装元件。

9.一种使用权利要求1～8任意一项所述的具有高精度的微机补偿表贴温补晶振，其特征在于，微机补偿表贴温补晶振的自动调试系统，是由多路晶振信号自动切换设备、频率计数器、程控电源、计算机、高低温箱及相关的程序部件组成的。

10.根据权利要求8所述的具有高精度的微机补偿表贴温补晶振，其特征在于，通过自动调试系统，系统对每路晶振在检测温度点下逐一进行调试，校准晶振频率获取当前的补偿电压值，并记录每路晶振当前温度。计算机通过对每路晶振在高低温下的不同采样点的数据采集信息进行分析，计算出每路晶振的频率温度特性参数并通过串口通讯电路将每路晶振的频率温度特性参数发送并存储到晶振内部的EEPROM中。

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