CN102122952B - 一种数字式温度补偿晶体振荡器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种数字式温度补偿晶体振荡器，包括电源电路、振荡电路、数字补偿电路，所述振荡电路与电源电路和数字补偿电路相连，所述数字补偿电路包括温度感应器、模数转换模块、数据处理单元、数字信号处理单元、数模转换器和电压控制的晶体振荡电路，所述温度感应器通过模数转换模块与数据处理单元相连，所述数据处理单元通过数字信号处理单元以及数模转换器和电压控制的晶体振荡电路相连，其特征在于，所述数字补偿电路包括抖动信号产生器，所述抖动信号产生器与数据处理单元和数模转换器相连。这种新型的带数字抖动功能的电路即保留了原数字补偿方式的晶体振荡器的性能优势，又可以使用低精度的
ADC
或是
DAC
的电路达到高精度的目的，这样就可以大大降低
IC
的面积，使其成本降低。
Description
技术领域
本发明涉及一种晶体振荡器，尤其是一种数字式温度补偿晶体振荡器。
背景技术
温度补偿晶体振荡器是一种在各种电子线路中有着广泛用途的电子振荡器。它提供脉冲时钟信号作为数字信号的触发基准。无线及宽带通讯设备器材如手机、无线局域网、GPS、DSL和CABLE收发器等等，对时钟信号的精度都有非常高的要求，一般为（2~3）*10-6。对于这样高的精度，由简单的振荡晶体和反向器组成的电子振荡器在一定的温度范围内已不能达到要求。在-40℃～+85℃的温度范围内，上述简单电子振荡器的精度只能达到±50*10-6，所以必须给简单电子振荡器加上温度补偿器或温度补偿电路。
目前，晶体振荡器行业内常用的温度补偿晶体振荡器，是一种通过改变晶体振荡器压控电压来引进补偿以提高其稳定性的晶体振荡器。通用的补偿方式我、分为模拟补偿和数字补偿两种。用的最多的是在温度补偿晶体振荡器的前端加一温度补偿电阻网络，这属于一种模拟补偿方式，这种增加温度补偿电阻网络的方法，由于受热敏电阻和固定电阻值影响很大，产品在-40℃～+85℃的温度范围内频率稳定度只能达到0.5～1ppm。另外一种是间接模拟补偿系统，在这种系统中，要进行温度补偿的晶体振荡器是电压控制的晶体振荡电路（VCXO），如图1所示。为了进行温度补偿，温度传感器1检测晶体振荡器的工作温度，温度补偿电压产生电路2产生温度补偿电压，用于根据上述检测温度补偿晶体谐振器的温度特性。此时，通过对电压控制的晶体振荡电路3的电压控制端施加温度补偿电压，对其进行温度补偿。当晶体谐振器由AT切割晶体制成时，其温度特性可以由三次函数精确地近似。因此，温度补偿电路一般由具有由线性函数表示的温度特性的温度传感器和根据由温度传感器检测的温度产生三次函数的三次函数发生电路构成。
随着市场需求更加高稳定性的压控晶体，稳定度在±1～±2.5ppm的压控晶体已经不能满足需求，而且在这种模拟补偿式晶体振荡器很难集成到一颗IC中，大多使用分离式元器件组成。模拟方式集成化是可以做到的，但是最大的难度是做成较低的精度。在这种情况下，具有数字补偿方式的晶体振荡器应运而生。该种晶体振荡器能比较精确地进行电压的补偿，以保持所述电压控制晶体振荡器保持在一个较为稳定的频率范围内。然而采用数字补偿通常会使用单片机，同时采用低功耗编程技术以降低晶体振荡器的功耗，但是晶体振荡器电路为模拟电路，如果采用数字补偿手段，采用同一电源供电时，温度补偿网络会对晶体振荡器回路产生干扰，导致温度补偿晶体振荡器的相噪不良，从而影响晶体振荡器输出频率的稳定性，而且之前的数字补偿式晶体振荡器需要使用15～16位的高精度ADC或是DAC，此种ADC或是DAC的电路设计难度高，电路复杂又很庞大，所以IC成本很高。
另外一种间接数字补偿系统，除去由温度传感器1检测的温度被进行数字处理而产生温度补偿电压之外，关于这种系统的温度补偿的基本概念和上述的间接模拟系统类似。即在这种温度补偿系统中，如图2所示，由温度传感器1检测的温度由AD转换器5转成数字值。然后，读出和被转换的数字值相应的被预先在非易失存储器6的地址中存储的用于补偿晶体谐振器的温度特性的温度补偿数据。所读出的温度补偿数据由DA转换器7进行DA转换而成为模拟形式的温度补偿电压。通过对电压控制的晶体振荡电路3施加模拟形式的温度补偿电压，进行温度补偿。其中，可以使用EEPROM或者类似物作为非易失存储器6。
因此，急需一种低噪音、低功耗、高稳定、低成本的温度补偿晶体振荡器。
发明内容
本发明目的是：提供一种低噪音、低功耗、高稳定、低成本的数字式温度补偿晶体振荡器。
本发明的技术方案是：一种数字式温度补偿晶体振荡器，包括电源电路、振荡电路、数字补偿电路，所述振荡电路与电源电路和数字补偿电路相连，所述数字补偿电路包括温度感应器、模数转换模块、数据处理单元、数字信号处理单元、数模转换器和电压控制的晶体振荡电路，所述温度感应器通过模数转换模块与数据处理单元相连，所述数据处理单元通过数字信号处理单元以及数模转换器和电压控制的晶体振荡电路相连，其特征在于，所述数字补偿电路包括抖动信号产生器，所述抖动信号产生器与数据处理单元和数模转换器相连。
进一步的，用数字补偿晶体振荡器替代所述的数模转换器和电压控制的晶体振荡电路，所述数字补偿晶体振荡器和所述抖动信号产生器相连。
进一步的，所述数据处理单元为EEPROM。
进一步的，所述抖动信号产生器包括：
振荡电路，产生锯齿波信号；
译码电路，所述振荡频率信号输入译码电路，并控制所述译码电路产生若干脉冲信号；
电平选择电路，所述脉冲信号控制电平选择电路，产生随脉冲输出信号变动的输出电平信号；
比较器电路，比较所述振荡频率锯齿波信号和输出电平信号，产生频率抖动信号。
进一步的，所述数字补偿晶体振荡器为带独立电容矩阵的数字补偿晶体振荡器。
进一步的，所述各电路可以集成在一块芯片上。
本发明的优点是：
本发明的数字式温度补偿晶体振荡器保留了原数字补偿方式的晶体振荡器的性能优势，又可以使用低精度的ADC或是DAC的电路达到高精度的目的，这样就可以大大降低IC的面积，使其成本降低。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为传统的模拟TCXO示意图；
图2为传统的数字TCXO示意图；
图3为本发明的TCXO示意图；
图4为发明的TCXO另一种示意图；
图5为带独立电容矩阵的DCXO示意图；
图6为抖动电路示意图。
具体实施方式
实施例1：如图3所示的数字式温度补偿晶体振荡器，包括电源电路、振荡电路、数字补偿电路，所述振荡电路与电源电路和数字补偿电路相连，所述数字补偿电路包括温度感应器、模数转换模块、EEPROM、DSP单元、数模转换器和电压控制的晶体振荡电路，所述温度感应器通过模数转换模块与数据处理单元相连，所述EEPROM通过DSP单元、数模转换器和电压控制的晶体振荡电路相连，所述数字补偿电路包括抖动信号产生器，所述抖动信号产生器与数据EEPROM和数模转换器相连。如图6所示的抖动信号产生器包括：振荡电路，产生锯齿波信号；译码电路，所述振荡频率信号输入译码电路，并控制所述译码电路产生若干脉冲信号；电平选择电路，所述脉冲信号控制电平选择电路，产生随脉冲输出信号变动的输出电平信号；比较器电路，比较所述振荡频率锯齿波信号和输出电平信号，产生频率抖动信号。目前模拟式温度补偿晶体振荡器芯片可以设计的比较小，但是精度低，只能达到0.5 ～ 1ppm，不能适应高精度产品的需求，而数字式温度补偿晶体振荡器芯片需要用到15位的ADC或是DAC电路，设计困难，IC面积大，成本较高。本实施例结合了数字式的高精度的优点有克服了其缺点，独特创新的发明了带数字抖动的数字式温度补偿晶体振荡器芯片，在EEPROM和DAC之间增加了一个抖动信号发生器的电路模块，使得电路对DAC精度要求大大降低，正因为使用这种新型的电路模块设计芯片，所以只需要8位的DAC就能实现原先使用15位DAC所需要达到的0.01ppm的精度。
实施例2：如图4所示，将实施例1直接去除DAC和VCXO电路，由DCXO（数字补偿晶体振荡器）代替。把EEPROM中的数字数据信号经由DSP单元和抖动信号发生器的电路模块直接加载到DCXO中。此DCXO必须是数字式的，如图5为DCXO的电路模型。原先为了达到0.01ppm的精度需要15位的电容矩阵，此电容矩阵设计难度高，设计面积大，而且生产中的一致性较差，良率很低，但是使用了抖动信号发生器的电路模块对于电容矩阵的位数的要求大大降低。
这种新型的带数字抖动功能的电路即保留了原数字补偿方式的晶体振荡器的性能优势，又可以使用低精度的ADC或是DAC的电路达到高精度的目的，这样就可以大大降低IC的面积，使其成本降低。
Claims (5)
1.一种数字式温度补偿晶体振荡器，包括电源电路、振荡电路、数字补偿电路，所述振荡电路与电源电路和数字补偿电路相连，所述数字补偿电路包括温度感应器、模数转换模块、数据处理单元、数字信号处理单元、数模转换器和电压控制的晶体振荡电路，所述温度感应器通过模数转换模块与数据处理单元相连，所述数据处理单元通过数字信号处理单元以及数模转换器和电压控制的晶体振荡电路相连，其特征在于，所述数字补偿电路包括抖动信号产生器，所述抖动信号产生器与数据处理单元和数模转换器相连，所述抖动信号产生器包括：
振荡电路，产生锯齿波信号；
译码电路，将振荡频率信号输入译码电路，并控制所述译码电路产生若干脉冲信号；
电平选择电路，所述脉冲信号控制电平选择电路，产生随脉冲信号变动的输出电平信号；
比较器电路，比较振荡频率锯齿波信号和输出电平信号，产生频率抖动信号。
2.根据权利要求1所述的数字式温度补偿晶体振荡器，其特征在于，用数字补偿晶体振荡器替代所述的数模转换器和电压控制的晶体振荡电路，所述数字补偿晶体振荡器和所述抖动信号产生器相连。
3.根据权利要求1或2所述的数字式温度补偿晶体振荡器，其特征在于，所述数据处理单元为EEPROM。
4.根据权利要求2所述的数字式温度补偿晶体振荡器，其特征在于，所述数字补偿晶体振荡器为带独立电容矩阵的数字补偿晶体振荡器。
5.根据权利要求1所述的数字式温度补偿晶体振荡器，其特征在于，各电路能够集成在一块芯片上。
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