CN103684255B - 内置晶体的温度补偿晶体振荡器的补偿校准判断控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内置晶体的温度补偿晶体振荡器的补偿校准判断控制方法，涉及晶体振荡器技术领域。利用该方法能够对未知的晶体振荡器温度频率特性曲线进行拟合，根据获得的特性曲线计算全温度范围内的晶体振荡器补偿数据；而后将选定的多个温度点的补偿数据写入所述的晶体振荡器内，进行频率精度检测，实现基于温度频率特性曲线实现两点校准或单点校准，从而大幅度简化校准的测试流程，提高测试效率，进而在全温度范围(-40℃~85℃)内可实现晶体振荡器精确校准和补偿，补偿后的计时精度可达±2.0ppm。且本发明的内置晶体的温度补偿晶体振荡器的补偿校准判断控制方法，其应用方式简便，成本低廉，应用范围也较为广泛。

Description

内置晶体的温度补偿晶体振荡器的补偿校准判断控制方法

技术领域

本发明涉及晶体振荡器技术领域，特别涉及温度补偿晶体振荡器的补偿方法技术领域，具体是指一种内置晶体的温度补偿晶体振荡器的补偿校准判断控制方法。

背景技术

晶体振荡器是使用震动的压电材料晶体的机械共振来产生具有非常精确的频率的电信号的电子电路。该频率用于不同的应用，例如记录时间或提供用于数字集成电路的稳定的时钟信号，以及稳定无线发射器的频率等等。其中一般的音叉晶体的频率相对于温度的变化曲线为如图1所示的以25℃为中心的抛物线，这意味着音叉晶体振荡器在室温下靠近其目标频率32.768khz共振，但是当温度从室温升高或降低时低于目标频率共振，其通用抛物线系数-0.04ppm/℃²，其室温下(+25℃)精度典型值为±20ppm。相当于每天慢或快1.7秒，即每年误差10.34分钟。图1所示，在高温和低温区域精度变差，精度会低于150ppm(典型值)，相当于每天误差13.0秒，每年误差1.3小时。对于要求各种外界环境下精确计时的系统如便携式计算机、手机和GPS等，如此大的误差是无法忍受的。

特定频率(f)和温度(t)的典型晶体频率偏差(△f)：

△f/f=k(t-to)2+fo

其中，f是晶体标称频率32.768kHz，k是曲率常数，t是温度，to顶点温度，fo是的顶点温度下的相对频偏。

从上式可以看出：只有三个变量控制着每个晶体的温度特性，这三个参数是：曲率常数、顶点温度、顶点温度下的相对频偏。曲率常数对全温范围内频偏的抛物线形状影响最大，但这个常数本身的偏差很小。不同的转折温度可以将抛物线左/右平移，不同的转折温度下的相对频偏可以将抛物线上下平移，顶点温度to一般为25±5℃，曲率常数k为-0.04ppm/℃²，而fo顶点温度下的相对频偏一般为±20ppm，该公式可用于温度补偿算法。

本领域中已有很多的专利或专利申请提出了温度补偿型晶体振荡器的补偿及测试方法，传统方法采用由热敏电子构成的模拟电路，该补偿方法具有速度慢，精度低和一致性不好等缺点。申请号为200880011650.9的中国专利申请公开了一种用于时基的温度补偿方法，其采用对温度具有线性频率限制的第二振荡器来对音叉石英晶体进行补偿，温度补偿算法复杂；而申请号为200810126435.5的中国专利申请公开了一种高精度温度补偿性晶体振荡器补偿测试方法，该补偿方仅仅适用于采用AT切割的晶体谐振器具有用三次曲线表征的温度频率特性，不适用于音叉型石英晶体谐振器。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种在未知晶体振荡器温度频率特性曲线的情况下实现温度曲线拟合，在已知晶体谐振器温度频率特性曲线的情况下可实现两点校准，在晶体一致性好的情况下，可实现单点校准，从而大幅度简化校准的测试流程，提高测试效率，进而在全温度范围(-40℃~85℃)内可实现晶体振荡器精确校准和补偿，补偿后的计时精度可达±2.0ppm，且应用方式简便，成本低廉，应用范围较为广泛的内置晶体的温度补偿晶体振荡器的补偿校准判断控制方法。

为了实现上述的目的，本发明的内置晶体的温度补偿晶体振荡器的补偿校准判断控制方法包括以下步骤：

（1）初始化所述的晶体振荡器的内部负载电容；

（2）确定所述的晶体振荡器的频率精度温度特性曲线；

（3）根据所述的频率精度温度特性曲线计算全温度范围内的晶体振荡器补偿数据；

（4）将选定的多个温度点的补偿数据写入所述的晶体振荡器内；

（5）检测所述的多个温度点的频率精度，并判断是否满足预设的精度要求，若是，则进入步骤（8），若否，则进入步骤（6）；

（6）重新进行所述的步骤（1）至步骤（4），并检测多个温度点的频率精度，判断是否满足预设的精度要求，若是，则进入步骤（8），若否，则进入步骤（7）；

（7）确定所述的晶体振荡器为不良品，结束本方法；

（8）确定所述的晶体振荡器为良品，结束本方法。

该内置晶体的温度补偿晶体振荡器的补偿校准判断控制方法中，所述的步骤（1）具体包括以下步骤：

（11）根据所述的晶体振荡器负载电容参数，确定内部负载电容的大小；

（12）在常温下检测晶体振荡器的频率精度，判断是否满足预设的精度要求，若是，则进入步骤（2），若否，则返回步骤（1）。

该内置晶体的温度补偿晶体振荡器的补偿校准判断控制方法中，所述的确定所述的晶体振荡器的频率精度温度特性曲线，具体为：采用相同晶体振荡器已知的频率精度温度特性曲线。

该内置晶体的温度补偿晶体振荡器的补偿校准判断控制方法中，所述的步骤（2）具体包括以下步骤：

（21）检测多个温度点的频率精度，并判断各温度点的频率精度是否满足预设的精度要求，若是，则进入步骤（22），若否，则返回步骤（1）；

（22）根据所述的各个温度点的频率精度拟合该晶体振荡器的频率精度温度特性曲线。

该内置晶体的温度补偿晶体振荡器的补偿校准判断控制方法中，所述的多个温度点至少包括一个高温温度点和一个低温温度点。

该内置晶体的温度补偿晶体振荡器的补偿校准判断控制方法中，所述的预设的精度要求为频率偏差小于2ppm。

该内置晶体的温度补偿晶体振荡器的补偿校准判断控制方法中，所述根据所述的各个温度点的频率精度拟合该晶体振荡器的频率精度温度特性曲线，具体为：根据下式获得频率精度温度特性曲线公式：

y=a(x-t)²+k

=ax²-2atx+at²+k

其中，t为温度，k为温度漂移，a为晶体振荡器系数。

采用了该发明的内置晶体的温度补偿晶体振荡器的补偿校准判断控制方法，对未知的晶体振荡器温度频率特性曲线进行拟合，根据获得的特性曲线计算全温度范围内的晶体振荡器补偿数据；而后将选定的多个温度点的补偿数据写入所述的晶体振荡器内，进行频率精度检测，实现基于温度频率特性曲线实现两点校准或单点校准，从而大幅度简化校准的测试流程，提高测试效率，进而在全温度范围(-40℃~85℃)内可实现晶体振荡器精确校准和补偿，补偿后的计时精度可达±2.0ppm，且本发明的内置晶体的温度补偿晶体振荡器的补偿校准判断控制方法，其应用方式简便，成本低廉，应用范围也较为广泛。

附图说明

图1为32.768khz典型音叉晶体精度随温度的变化的曲线。

图2为本发明的内置晶体的温度补偿晶体振荡器的补偿校准判断控制方法的步骤流程图。

图3为负载电容为12.5pF的晶体，当负载电容变化时其振荡频率偏差的随动特性曲线。

图4为晶振电路的结构示意图。

图5为利用本发明的方法进行补偿校准的温度补偿晶体振荡器的系统框图。

图6为利用本发明的方法进行补偿校准的不外接稳压电源的测试电路。

图7为利用本发明的方法进行补偿校准的外接稳压电源的测试电路。

图8为本发明的方法在实际应用中实现两点校准的流程示意图。

图9为本发明的方法在实际应用中实现单点校准的流程示意图。

图10为利用本发明的方法完成校准测试后的晶振精度随温度的变化的曲线与校准前的曲线的对比图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。

请参阅图1所示，为本发明的内置晶体的温度补偿晶体振荡器的补偿校准判断控制方法的步骤流程图。

在一种实施方式中，所述的方法包括以下步骤：

（1）初始化所述的晶体振荡器的内部负载电容；

（2）确定所述的晶体振荡器的频率精度温度特性曲线；

（3）根据所述的频率精度温度特性曲线计算全温度范围内的晶体振荡器补偿数据；

（4）将选定的多个温度点的补偿数据写入所述的晶体振荡器内；

（5）检测所述的多个温度点的频率精度，并判断是否满足预设的精度要求，若是，则进入步骤（8），若否，则进入步骤（6）；

（6）重新进行所述的步骤（1）至步骤（4），并检测多个温度点的频率精度，判断是否满足预设的精度要求，若是，则进入步骤（8），若否，则进入步骤（7）；

（7）确定所述的晶体振荡器为不良品，结束本方法；

（8）确定所述的晶体振荡器为良品，结束本方法。

在一种较优选的实施方式中，所述的步骤（1）具体包括以下步骤：

（11）根据所述的晶体振荡器负载电容参数，确定内部负载电容的大小；

（12）在常温下检测晶体振荡器的频率精度，判断是否满足预设的精度要求，若是，则进入步骤（2），若否，则返回步骤（1）。

在另一种较优选的实施方式中，所述的确定所述的晶体振荡器的频率精度温度特性曲线，具体为：采用相同晶体振荡器已知的频率精度温度特性曲线或者拟合未知的频率精度温度特性曲线。

所述的拟合未知的频率精度温度特性曲线具体包括以下步骤：

（21）检测多个温度点的频率精度，并判断各温度点的频率精度是否满足预设的精度要求，若是，则进入步骤（22），若否，则返回步骤（1）；

（22）根据所述的各个温度点的频率精度拟合该晶体振荡器的频率精度温度特性曲线。

在一种进一步优选的实施方式中，所述的多个温度点至少包括一个高温温度点和一个低温温度点。所述的预设的精度要求为频率偏差小于2ppm。

在一种更优选的实施方式中，所述根据所述的各个温度点的频率精度拟合该晶体振荡器的频率精度温度特性曲线，具体为：根据下式获得频率精度温度特性曲线公式：

y=a(x-t)²+k

y=ax²-2atx+at²+k

其中，t为温度，k为温度漂移，a为晶体振荡器系数。

化的影响。如下图3所示的为一个负载电容为12.5pF的晶体，当负载电容变化时其振荡频率偏差的随动特性曲线。

振荡电路匹配电容的离散性和温度漂移以及电路板的分布电容都会对振荡频率造成影响。不同类型的音叉型石英晶振具有不同的负载电容参数C_L=6.0pF或者12.5pF等，其中：晶振负载电容参数C_L与内部集成的电容C_L1和C_L2需要满足如下关系：

C_L=[(C_L1×C_L2)/(C_L1+C_L2)+C_STRAY]，

其中，C_STRAY为振荡器电路的寄生电容，需要采用版图技巧降低寄生电容的大小，一般选取内部集成电容C_L1和C_L2为负载电容的两倍。晶振电路的结构示意图如图4所示。

利用本发明的方法进行补偿校准的温度补偿晶体振荡器的系统框图如图5所示。在利用本发明的方法进行补偿校准时，可以采用如图6所示的不外接稳压电源的测试电路，也可以采用图7所示的外接稳压电源的检测电路。

音叉型的晶体振荡频率随温度变化的曲线，它可以用抛物线方程描述为：特定频率(f)和温度(t)的典型晶体频率偏差(△f)：

△f/f=k(t-to)²+△fo

其中，f是晶体标称频率32.768kHz，k是曲率常数，t是温度，to顶点温度，△fo是的顶点温度下的相对频偏。

由以上分析可见，对于一个晶体振荡电路，影响其振荡频率误差的因素有：负载电容、晶体在转折温度点的频率偏差△fo和温度偏移k。因此，要使晶体振荡器精确计时，必须消除以上因素带来的误差。负载电容可以通过振荡电路元器件的选择来保证。而频率偏差△fo和温度偏移k则必须通过其它办法来校准和补偿。

提高计时精度的方法之一是要求供应商提供室温精度处于指定范围的晶体。这需要供应商在发货前对每个晶体室温下的频偏进行分析，显然，这种方法将大大增加成本。另外，这种方法不会影响晶体精度的抛物线特征。

通过筛选，晶体生产厂商可以提供室温下±20ppm至±10ppm，甚至±5ppm的频率精度。但是，这些精度得到提升的晶体并没有改善高温和低温区域的精度。

如前所述，晶体的频率偏差可以用抛物线方程来描述，如果可以确定抛物线方程，则可通过温度（温度的测量可以用集成温度传感器或NTC电阻来完成）来确定出频率偏差从而对其进行补偿。比较常用的一种方法就是测出一些点然后用最小二乘法拟合。简要描述如下：

由一些已知点拟合抛物线方程表述为：

已知点：(X1,Y1)、(X2,Y2)、(X3,Y3)…(Xn,Yn)。采用最小二乘法，确定抛物线方程y=ax2+bx+c的系数。

$a{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{x}_i^4+b{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{x}_i^3+c{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{x}_i^2={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{x}_i^2{y}_i---\left(1\right)$

$a{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{x}_i^3+b{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{x}_i^2+c{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{x}_i={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{x}_i{y}_i---\left(2\right)$

$a{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{x}_i^2+b{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{x}_i+\mathrm{nc}={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{y}_i---\left(3\right)$

至少需要三个点来确定此抛物线。

晶振典型温度漂移曲线形式如下：

y=a(x-t)²+k=ax²-2atx+at²+k

对于同一个型号的晶体，假定抛物线二次系数不变，可由公式（2）和（3）求得b和c，然后得出t和k。从而实现两点校正。由于抛物线越远离顶点变化率越大，所以在抛物线的两端进行校正可以得到更好的补偿精度。

t=-b/2a，

k=c-b²/4a。

如果晶体的一致性比较好，系数a和t偏差不大，可以只对系数k进行标定。即单点校正。

如果所选择的晶体未知频率精度温度特性曲线，需要先测试几个温度点的频率精度数据，根据上述数据拟合出频率精度温度特性曲线，然后计算出温度补偿输入，写入相应的补偿电路中，具体的流程如图8所示，包括以下步骤：

步骤一、根据晶振负载电容参数，选取合适的内部负载电容的大小；

步骤二、测量常温下的频率精度，如果精度不能满足规范，返回步骤一重新调整负载电容的大小直至满足规范；

步骤三、测试几个温度点的频率精度数据（低温、高温至少各一点），根据上述数据拟合出频率精度温度特性曲线；

步骤四、根据频率精度温度特性曲线计算晶振全温度范围内晶振补偿数据；

步骤五、写入对应各个温度点的晶振补偿数据；

步骤六、复测温度点的频率精度数据（低温、高温至少各一点），如果精度不能满足规范，返回步骤一重新调整全温度范围内晶振补偿数据；如果重新调整仍然不满足，则进入良品和不良品判断程序，然后测试程序结束。

如果选择晶体已知频率精度温度特性曲线，也可按照图8所示的方法简化校准测试流程，可以实现两点校准；如果选择晶体已知频率精度温度特性曲线且为同一批次产品，温度漂移系数k一致的情况下，则按照图9所示的方法可以实现单点校准，大幅度优化校准流程，增加测试效率，降低测试成本。

利用本发明的方法完成校准测试后的晶振精度随温度的变化的曲线与校准前的曲线对比如图10所示。

采用了该发明的内置晶体的温度补偿晶体振荡器的补偿校准判断控制方法，对未知的晶体振荡器温度频率特性曲线进行拟合，根据获得的特性曲线计算全温度范围内的晶体振荡器补偿数据；而后将选定的多个温度点的补偿数据写入所述的晶体振荡器内，进行频率精度检测，实现基于温度频率特性曲线实现两点校准或单点校准，从而大幅度简化校准的测试流程，提高测试效率，进而在全温度范围(-40℃~85℃)内可实现晶体振荡器精确校准和补偿，补偿后的计时精度可达±2.0ppm，且本发明的内置晶体的温度补偿晶体振荡器的补偿校准判断控制方法，其应用方式简便，成本低廉，应用范围也较为广泛。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (4)

1.一种内置晶体的温度补偿晶体振荡器的补偿校准判断控制方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

(1)初始化所述的晶体振荡器的内部负载电容；

(2)确定所述的晶体振荡器的频率精度温度特性曲线；

(3)根据所述的频率精度温度特性曲线计算全温度范围内的晶体振荡器补偿数据；

(4)将选定的多个温度点的补偿数据写入所述的晶体振荡器内；

(5)检测所述的多个温度点的频率精度，并判断是否满足预设的精度要求，若是，则进入步骤(8)，若否，则进入步骤(6)；

(6)重新进行所述的步骤(1)至步骤(4)，并检测多个温度点的频率精度，判断是否满足预设的精度要求，若是，则进入步骤(8)，若否，则进入步骤(7)；

(7)确定所述的晶体振荡器为不良品，结束本方法；

(8)确定所述的晶体振荡器为良品，结束本方法；

所述的步骤(1)具体包括以下步骤：

(11)根据所述的晶体振荡器负载电容参数，确定内部负载电容的大小；

(12)在常温下检测晶体振荡器的频率精度，判断是否满足预设的精度要求，若是，则进入步骤(2)，若否，则返回步骤(1)；

所述的步骤(2)具体包括以下步骤：

(21)检测多个温度点的频率精度，并判断各温度点的频率精度是否满足预设的精度要求，若是，则进入步骤(22)，若否，则返回步骤(1)；

(22)根据所述的各个温度点的频率精度拟合该晶体振荡器的频率精度温度特性曲线；

所述根据所述的各个温度点的频率精度拟合该晶体振荡器的频率精度温度特性曲线，具体为：根据下式获得频率精度温度特性曲线公式：

y＝a(x-t)²+k

＝ax²-2atx+at²+k

其中，t为温度，k为温度漂移，a为晶体振荡器系数。

2.根据权利要求1所述的内置晶体的温度补偿晶体振荡器的补偿校准判断控制方法，其特征在于，所述的确定所述的晶体振荡器的频率精度温度特性曲线，具体为：

采用相同晶体振荡器已知的频率精度温度特性曲线。

3.根据权利要求1所述的内置晶体的温度补偿晶体振荡器的补偿校准判断控制方法，其特征在于，所述的多个温度点至少包括一个高温温度点和一个低温温度点。

4.根据权利要求1所述的内置晶体的温度补偿晶体振荡器的补偿校准判断控制方法，其特征在于，所述的预设的精度要求为频率偏差小于2ppm。