CN102684683A

CN102684683A - 任意项全系数高精度温度补偿晶体振荡器

Info

Publication number: CN102684683A
Application number: CN2012101493524A
Authority: CN
Inventors: 武强
Original assignee: CHANGSHU YINHAI INTEGRATED CIRCUIT Co Ltd
Current assignee: CHANGSHU YINHAI INTEGRATED CIRCUIT Co Ltd
Priority date: 2012-05-14
Filing date: 2012-05-14
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2032-05-14
Also published as: CN102684683B

Abstract

本发明公开了一种任意项全系数温度补偿晶体振荡器，包括与晶体谐振器并联的反相器、连接在晶体振荡器和地之间的压控电容器以及控制压控电容器的温度补偿器，温度补偿器包括多项式补偿函数发生器，所述多项式补偿函数发生器的输入端与温度传感器的输出端和一次性可编程存储器的多项式系数设置寄存器输出端相连，多项式补偿函数发生器的输出端与一次性可编程存储器寄存器V0经一加法器后接入反相器的输入端。本发明温度补偿晶体振荡器精度高，5阶即可达到±0.5×10^-6的精度要求，芯片架构灵活，算法简便快捷。

Description

任意项全系数高精度温度补偿晶体振荡器

技术领域

本发明属于温度补偿晶体振荡器领域，特别是一种任意项全系数高精度温度补偿晶体振荡器。

背景技术

高精度温度补偿晶体振荡器在众多行业有着广泛的应用。

在-40°C～+85°C的温度范围内，高精度温度补偿晶体振荡器产生时钟信号的精度一般应在（0.5～3）×10^-6，而简单电子振荡器的精度一般在±50×10^-6,所以必须要给简单的振荡器加上温度补偿电路。目前对石英晶体振子频率温度漂移的补偿方法主要有直接补偿和间接补偿，间接补偿又分模拟式和数字式两种。

温度补偿晶体振荡器的关键是温度补偿器的设计。温度补偿器的输入变量是温度而输出变量是电压，其间的函数关系并非线性关系。中国发明专利公开说明书“高精度温度补偿晶体振荡器”（公开号：CN1829076A,公开日2006年9月6日）公开了一种包括晶体振荡器、反相器、压控电容器及温度补偿器的高精度温度补偿晶体振荡器，以全系数三次多项式函数关系构造温度补偿器，使晶体振荡器的精度达到±1×10-6。由于受到阶数的限制，其精度难以进一步提高。该专利中，为了获得精确的补偿器的系数，校正步骤反复使用，操作复杂且无精确解，是一种线性近似。这使其无法实现高精度的温补振荡器。

总之，现有温度补偿器的设计，使温度补偿晶体振荡器在-40°C～+85°C的温度范围内，难以达到±0.5×10^-6及更高的精度要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种任意项全系数高精度温度补偿晶体振荡器，其精度能达到±0.5×10^-6，以至更高，并且可以精确、简便地求出温度补偿器的系数。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种任意项全系数温度补偿晶体振荡器，包括与晶体谐振器并联的反相器、连接在晶体振荡器和地之间的压控电容器以及控制压控电容器的温度补偿器，温度补偿器包括带有SPI接口的一次性可编程存储器、温度传感器、两个开关电容和多项式补偿函数发生器，温度补偿器的输入是温度传感器提供的温度电压，温度补偿器的输出电压被加到压控电容器上以补偿晶体谐振器的频率漂移，一次性可编程存储器的寄存器C1、C2设置数据的输出端分别与两个开关电容的控制端连接，两个开关电容分别连接在晶体谐振器的两端和地之间，一次性可编程存储器寄存器T0、B0设置数据的输出端分别经数模转换器后与温度传感器相连，所述多项式补偿函数发生器的输入端与温度传感器的输出端和一次性可编程存储器的多项式系数设置寄存器输出端相连，多项式补偿函数发生器的输出端与一次性可编程存储器寄存器V0经一加法器后接入反相器的输入端。

进一步地，所述一次性可编程存储器的多项式系数设置寄存器为N+1个，分别为An、An-1、An-2……、A0，所述多项式补偿函数发生器包括将温度传感器的输出数据和An设置数据相乘的乘法器1、将乘法器1的输出数据和An-1设置数据相加的加法器1、将温度传感器的输出数据和加法器1的输出数据相乘的乘法器2、将乘法器2的输出数据和An-2设置数据相加的加法器2……、将乘法器N的输出数据和A0设置数据相加的加法器N。

更进一步地，所述乘法器和加法器个数N大于等于5。

作为优选，所述乘法器或加法器个数N等于5，所述一次性可编程存储器为82位，包括C1、C2、T0、B0、V0、A5至A0十一种设置数据，上述设置数据C1为4位，C2为6位，其余为8位。

本发明与现有技术相比，其显著优点：1、温度补偿晶体振荡器精度高，5阶即可达到±0.5×10^-6的精度要求；2、芯片架构灵活，可以让使用者在补偿精度和芯片结构复杂度上自由选择，根据本方案构思，可实现任意的补偿精度；3、算法简便快捷。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是N项全系数温度补偿器结构框图。

图2是5项全系数温度补偿器结构框图，为模拟式间接补偿。

图3是5项全系数温度补偿器结构框图，为数字式间接补偿。

图中，1是晶体谐振器，2是并联的反相器，3是压控电容器，4是温度补偿器，5是一次性可编程存储器，6是温度传感器，7、8是开关电容，9是多项式补偿函数发生器，11、12是寄存器T0、B0设置数据，13是多项式系数设置寄存器，14是与寄存器V0相连的加法器。

具体实施方式

如图1本发明N项全系数温度补偿器结构框图。本温度补偿晶体振荡器，包括与晶体谐振器1并联的反相器2、连接在晶体振荡器和地之间的压控电容器3以及控制压控电容器的温度补偿器，温度补偿器包括带有SPI接口的一次性可编程存储器5、温度传感器6、两个开关电容7，8和多项式补偿函数发生器9，温度补偿器的输入是温度传感器6提供的温度电压，温度补偿器的输出电压被加到压控电容器3上以补偿晶体谐振器1的频率漂移，一次性可编程存储器5的寄存器C1、C2设置数据的输出端分别与两个开关电容7，8的控制端连接，两个开关电容7，8分别连接在晶体谐振器1的两端和地之间，一次性可编程存储器5寄存器T0、B0设置数据的输出端分别经数模转换器11，12后与温度传感器6相连，所述多项式补偿函数发生器9的输入端与温度传感器6的输出端和一次性可编程存储器5的多项式系数设置寄存器输出端13相连，多项式补偿函数发生器9的输出端与一次性可编程存储器5寄存器V0经一加法器14后接入反相器2的输入端。

一次性可编程存储器的多项式系数设置寄存器为N+1个，分别为An、An-1、An-2……、A0，所述多项式补偿函数发生器包括将温度传感器的输出数据和An设置数据相乘的乘法器1、将乘法器1的输出数据和An-1设置数据相加的加法器1、将温度传感器的输出数据和加法器1的输出数据相乘的乘法器2、将乘法器2的输出数据和An-2设置数据相加的加法器2……、将乘法器N的输出数据和A0设置数据相加的加法器N。

由于差分结构有效抑制了共模电压的噪声，且这一功能在N > 5 后尤为重要。实验证实，当N等于5时，晶体振荡器的精度可以达到±0.5×10^-6。为使晶体振荡器精度更高，可使N大于5。

如图2、图3，当N等于5时，乘法器或加法器个数N 为5，一次性可编程存储器5为82位，包括C1、C2、T0、B0、V0、A5至A0十一种设置数据，上述设置数据C1为4位，C2为6位，其余为8位。

如图2，当用数字的方法来实现电路所需要的多项式的乘法器和加法器时，会有计算精度限制，但用较少的数模转换器，这种方法也可函数对照表的方式来实现。

如图3，当用模拟的方法来实现电路所需要的多项式的乘法器和加法器，没有计算精度限制，但需用较多的数模转换器。

压控振荡器由压控电容器3、反相器2、两个电容开关阵列7、8、缓冲器和晶体谐振器1构成。振荡器的频率是由晶体特征频率和电容量决定。压控振荡器中的压控电容器3由补偿器的输出电压VT加上压控电压VC决定。电容开关阵列的电容由寄存器C1和C2 来设定。压控电容器3是由MOS 压控电容构成。电容可调范围在5pF 到 10pF。

参照电压源是由MOS FET构成。它提供数模转换器(DAC) 和温度传感器的参照电压。

测试模式设置是由它来决定芯片的工作模式：测试模式或正常工作模式。

测试转换器是用来进行测试量的选择。

模拟式的多项式函数产生器是由N个模拟加法器和N个模拟乘法器组成。所有这些运算器皆为差分结构，共模电压为1.2V，其内部的线性度在1%之内。

模拟式的或数字式的多项式函数产生器中多项式的系数都是由N+1个温度的测量并通过以下算法计算出来，N是多项式的阶数。这样晶体频率温度漂移可以被补偿器的输出电压来纠正。

下面以N为5为例说明本发明的工作过程。

多项式补偿函数发生器使用了五个加法器与五个乘法器。所有这些运算器皆为差分结构,共模电压为了1.2V,其内部的线性度在1%之内。

补偿器的输入是由芯片上的温度传感器提供的温度电压T,补偿器的输出电压VT被加到压控电压VC上，其输入变量T和输出变量VT之间的关系为：

VT = A 5 {(T - T 0)}^{5} + A 4 {(T - T 0)}^{4} + A 3 {(T - T 0)}^{3} + A 2 {(T - T 0)}^{2} + A 1 (T - T 0) + A 0

，

式中的系数：A5-0和 T0由SPI接口输入到芯片的寄存器或一次性可编程的只读储存器,存入寄存器的系数可不断修改，而系数输入到EEPROM的只读储存器则是永久不变的。

为了获得精确的补偿器系数, 最小均方差算法和范得蒙矩阵被用来计算这些多项式系数。通过用四个不同温度点测量的频率，这一算法可求出在频率误差最小均方意义下的最佳补偿系数。N阶多项式补偿函数发生器需要N+1个温度测试点，N+1多项式系数由公式1和公式2一次算出，无需叠代或多次逼近。当得到最佳补偿系数后，将其存进可编程EEPROM储存器，芯片的调试便完成。

全系数多项式补偿函数的系数测算由下列步骤完成：

步骤一：先选定六个初始参数：A0-5, 并输入到芯片的存储器；

步骤二：在六个温点上：T1=-35C, T2=-25C，T3=10C, T4=25C, T5=55C, T1=80C，从芯片的输出端“OUT”测量芯片的六个时钟频率：F10, F20, F30, F40，F50，F60；温度点的选取一般是在温度误差曲线的变化大处多选，平坦处少选；

步骤三：调整压控电容上的电压，使得TXCO的输出频率在上述的六个温度点上频率误差为零，并计录下这六点电压相量Vt；

步骤四：A=M^-1Vt，A=[A₀ A₁ A₂ A₃ A₄ A₅]，N=5；A=[A₀ A₁…A_N],任意N，

--公式1；

这里范得蒙矩阵Matrix M 有如下形式：

M = (\begin{matrix} 1 & T_{1} - T_{0} & . . . & {(T_{1} - T_{0})}^{5} \\ . & . & . & . \\ . & . & . & . \\ . & . & . & . \\ 1 & T_{6} - T_{0} & . . . & {(T_{6} - T_{0})}^{5} \end{matrix}), N = 5;

M = (\begin{matrix} 1 & T_{1} - T_{0} & . . . & {(T_{1} - T_{0})}^{N} \\ . & . & . & . \\ . & . & . & . \\ . & . & . & . \\ 1 & T_{N + 1} - T_{0} & . . . & {(T_{N + 1} - T_{0})}^{N} \end{matrix})

，任意N； --公式2；

步骤五：将以上得到的A0-A5存入一次性可编程存储器5，全系数多项式补偿函数的参数校正便完成。

上述过程不仅适用于5阶，也适用于任意阶函数系数的求解，即任意N，如公式1和公式2中所示。

温度传感器在此全系数温度补偿电路的晶体振荡芯片中，产生温度感应信号 T，其差动电压幅度在-0.5 – 0.5V之间，此电压范围对应室温范围：-40°C至+85°C，其对应关系为线性关系，线性误差小于0.5%。

EEPROM存储器与双线接口单元，此全系数温度补偿电路的晶体振荡芯片中(以五阶函数补偿为例)，含有一个82位可编程存储器。存储器的读写是由双线接口(CLK，DATA)完成。在调试阶段此存储器多次读写。调试完成后，存储器的固化可在VP管角上加一高电平完成。表1列出各数位对应的控制电量。

表1：一次性可编程存储器内容对照

数位	控制内容
		0-3	C1：粗调可变电容阵列设置
4-9	C2：微调可变电容阵列设置
		10-17	A0：常数项系数设置
18-25	A1：1次项系数设置
		26-33	A2：2次项系数设置
34-41	A3：3次项系数设置
		42-49	A4: 4次项系数设置
50-57	A5: 5次项系数设置
		58-65	T0：温度中值设置
66-73	B0：温度线性控制设置
		74-81	V0: 压控电容中值电压

存储器还包括对照单元(Mapping)，它将存储器的控制设置数据转成数模转换器(DAC)可接受的数据形式。另外，双线接口单元除了完成收发存储器的数据外，它还包括可编程存储器的控制电路。

数模转换器(DAC)由9个以上数模转换器构成。它的输入参照电压为1.2V。

5阶多项式函数产生器以5个加法器与5个乘法器相连，温度传感器输出的数据与A5与通过乘法器相乘后，经过加法器与A4相加；输出的数据再与温度传感器经过乘法器相乘后，与A3经过加法器相加；输出的数据与温度传感器经过乘法器相乘后，与A2经过加法器相加；输出的数据与温度传感器经过乘法器相乘后，与A1经过加法器相加；输出的数据与温度传感器经过乘法器相乘后，与A0经过加法器相加；最后接到反相器的输入端。

以这种新型结构设计的温度补偿晶体振荡器芯片，在-40°C 至 +85°C 范围内，其频率精度可以控制在0.1×10^-6以下，简单而可靠的温度补偿器结构，补偿器的非线性函数涵盖温补通路中的所有非线性关系，温度补偿器采用全系数任意阶多项式函数，根据精度要求阶数可以增减，温度补偿精度不受压控电容和温度传感器初始值和偏差的影响，频率范围的高精度：±0.2 ×10^-6；宽广的频率范围: 5兆赫至 50兆赫，取决于晶体的频率，可选的压控振荡器灵敏度，SPI 接口，可编程的(OTP、EEPROM) 修正，核芯的尺寸小于1.5小于平方毫米，芯片系统简单。

如图2所示，5阶多项式函数产生器以5个加法器与5个乘法器相连，温度传感器输出的数据与A5与通过乘法器相乘后，经过加法器与A4相加；输出的数据再与温度传感器经过乘法器相乘后，与A3经过加法器相加；输出的数据与温度传感器经过乘法器相乘后，与A2经过加法器相加；输出的数据与温度传感器经过乘法器相乘后，与A1经过加法器相加；输出的数据与温度传感器经过乘法器相乘后，与A0经过加法器相加；最后接到反相器的输入端。此种方法中，乘法器和加法器是用模拟电路来实现的。如图2所示的实施电路二（N=5）, 乘法器和加法器可为数字的。

Claims

1.一种任意项全系数温度补偿晶体振荡器，包括与晶体谐振器（1）并联的反相器（2）、连接在晶体振荡器和地之间的压控电容器（3）以及控制压控电容器的温度补偿器（4），温度补偿器（4）包括带有SPI接口的一次性可编程存储器（5）、温度传感器（6）、两个开关电容（7，8）和多项式补偿函数发生器（9），温度补偿器的输入是温度传感器（6）提供的温度电压，温度补偿器的输出电压被加到压控电容器（3）上以补偿晶体谐振器（1）的频率漂移，一次性可编程存储器（5）的寄存器C1、C2设置数据的输出端分别与两个开关电容（7，8）的控制端连接，两个开关电容（7，8）分别连接在晶体谐振器（1）的两端和地之间，其特征在于：

一次性可编程存储器（5）寄存器T0、B0设置数据的输出端分别经数模转换器（11，12）后与温度传感器（6）相连，所述多项式补偿函数发生器（9）的输入端与温度传感器（6）的输出端和一次性可编程存储器（5）的多项式系数设置寄存器输出端（13）相连，多项式补偿函数发生器（9）的输出端与一次性可编程存储器（5）寄存器V0经一加法器（14）后接入反相器（2）的输入端。

2.根据权利要求1所述的任意项全系数温度补偿晶体振荡器，其特征在于：所述一次性可编程存储器（5）的多项式系数设置寄存器为N+1个，分别为An、An-1、An-2……、A0，所述多项式补偿函数发生器（9）包括将温度传感器（6）的输出数据和An设置数据相乘的乘法器1、将乘法器1的输出数据和An-1设置数据相加的加法器1、将温度传感器的输出数据和加法器1的输出数据相乘的乘法器2、将乘法器2的输出数据和An-2设置数据相加的加法器2……、将乘法器N的输出数据和A0设置数据相加的加法器N。

3.根据权利要求2所述的任意项全系数温度补偿晶体振荡器，其特征在于：所述乘法器或加法器个数N大于等于5。

4.根据权利要求3所述的任意项全系数温度补偿晶体振荡器，其特征在于：所述全系数多项式补偿函数的系数由下列步骤确定：

步骤一：先选定N+1个初始参数：A0--An, 并输入到所述一次性可编程存储器（5）的多项式系数设置寄存器；

步骤二：在-40°C～+85°C的温度范围内选取N+1个温点，从芯片的输出端“OUT”测量芯片的N+1个时钟频率；

步骤三：调整压控电容上的电压，使得TXCO的输出频率在上述的N+1个温点上频率误差为零，并计录电压相量Vt；

步骤四：