CN103684256A

CN103684256A - 内置晶振的高精度数字温度补偿振荡器电路结构

Info

Publication number: CN103684256A
Application number: CN201210337077.9A
Authority: CN
Inventors: 陈富涛; 胡燕; 邓玉清; 张明丰; 严淼; 孙丽军
Original assignee: Wuxi China Resources Semico Co Ltd
Current assignee: CRM ICBG Wuxi Co Ltd
Priority date: 2012-09-12
Filing date: 2012-09-12
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2032-09-12
Also published as: CN103684256B

Abstract

本发明涉及一种内置晶振的高精度数字温度补偿振荡器电路结构，属于电路结构技术领域。其包括石英晶体振荡器、晶体振荡器电路模块、温度传感器电路模块、模数转换器电路模块、EEPROM储存器、模拟校准电路模块、计时器电路模块、数字校准电路模块和万年历电路模块。采用模拟校准电路模块和数字校准电路模块配合进行温度补偿，大幅度提高了温度补偿精度和范围，进一步的老化寄存器补偿晶体老化造成的精度损失，从而保证在全温度范围（-40℃～85℃）内达到计时精度±0.5ppm，且本发明的内置晶振的高精度数字温度补偿振荡器电路结构的结构简单，成本低廉，应用范围较为广泛。

Description

内置晶振的高精度数字温度补偿振荡器电路结构

技术领域

本发明涉及电路结构技术领域，特别涉及温度补偿电路结构领域，具体是指一种内置晶振的高精度数字温度补偿振荡器电路结构。

背景技术

电子技术发展至今，出现众多获取频率源的方法，其中晶体振荡器（又称：石英晶体谐振器）由于具有良好的频率稳定性而一直作为主要的精确频率源而使用。同时随着便携式电子产品（如：通讯设备等）的飞速发展，对频率源的精确性日出越来越高的要求，很多嵌入式应用中实时时钟RTC是必不可少的，用RTC计时本身并没有问题，但计时精度取决于参考时钟。遗憾的是，典型的32.768khz音叉晶体不能够在宽温范围内提供较高精度，在整个温度范围内精度呈抛物线型，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7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中，晶体本身的温度特性成为制约其应用的重要因素，因此为了在较宽温度范围内获得更高稳定性的精确频率源，通常采用两种方法：温度控制和温度补偿。温度控制如恒温晶体振荡器（OCXO），将整个振荡器置于一个被维持在高于规定工作温度范围上限的恒定温度上的“烘箱”之中，从而使得环境温度的影响实际上被消除，缺点是体积较大、价格较高，无法应用在便携式电子产品中，在手持式电子设备领域，温度补偿振荡器TCXO）由于体积小、功耗低且频率稳定度高，使其广泛应用于手机、蓝牙设备、数码相机、功率计、电表、PDA、磁盘驱动器等精确频率源或精确技术装置中。而随着WLAN和GPS的普及，其应用会得到更进一步的推广，对各种不用规格的小型化TCXO需求量会进一步提高。

现有的温度补偿技术，如专利号为200420041513.9实用新型专利等，温度补偿需要定期检测温度，然后根据温度调整晶体的负载。诸如晶振厂商如Epson和集成电路厂商Maxim纷纷推出温度补偿型晶体振荡器（TCXO），这种振荡器将音叉晶体和计时电路放在同一个封装里，内置温度传感器可以定时检测器件温度，用得到的温度值在查找表内查询，查找到的参数用来计算并产生内部32.768khz晶体的负载电容，以达到低于±5ppm的计时精度。查找表置于芯片内，不需要额外的输入，这种方法的主要难点在于需要工厂校准。因为每个晶体的特征不同，因此需要对每个电路提供一个指定温度范围内的校准表，从而花费较大的人力和较长时间。把晶体供货的负担转移给了器件厂商。集成晶体解决了设计者选购晶体的难题，也降低了晶体参数符合计时器件要求的难度，同时还简化了pcb布板。

由于制造上的偏差等，晶体以及IC芯片内的振荡电路无法全部制作的完全相同，从而导致具有各自不用的温度-频率特性，因此无法通过相同的基准对所有的温度补偿RTC电路进行温度补偿。另外，校准过程并未补偿晶体的老化，可能存在±3ppm的变化，此外环境温度变化、热冲击等等也会对后续校准完成后的温度补偿型晶体振荡器（TCXO）的计时精度产生一定的影响，这种偏差在后续的客户应用中无法得到灵活的校准，从而计时精度会变差。

专利号为200420041513.9实用新型专利包括多种电路（温度传感器电路、微处理器、补偿电路以及VCTCXO等）的配合才能完成压控型温度补偿晶体振荡器的补偿，成本较高、温度补偿程序复杂。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种采用模拟校准和数字校准结合的温度补偿的方法可大幅度提高温度补偿精度和范围，进一步采用老化寄存器提供负载电容和温度补偿晶体老化造成的精度损失，且数字校准寄存器和老化寄存器可通过串口访问，以便客户灵活地补偿由于外界环境温度变化、热冲击和老化等对计时精度产生的影响，从而在全温度范围（-40℃～85℃）内计时精度达到±0.5ppm，且结构简单，成本低廉，应用范围较为广泛的内置晶振的高精度数字温度补偿振荡器电路结构。

为了实现上述的目的，本发明的内置晶振的高精度数字温度补偿振荡器电路结构具有如下构成：

该电路结构包括：石英晶体振荡器、晶体振荡器电路模块、温度传感器电路模块、模数转换器电路模块、EEPROM储存器、模拟校准电路模块、计时器电路模块、数字校准电路模块和万年历电路模块。

其中，晶体振荡器电路模块连接于所述的石英晶体振荡器，产生时钟信号；温度传感器电路模块检测环境温度，产生相应的电压信号；模数转换器电路模块连接于所述的温度传感器电路模块，将所述的温度传感器电路模块产生的电压信号转换为数字信号输出；EEPROM储存器连接于所述的模数转换器电路模块的数字信号输出端，用以存储该石英晶体振荡器的频率校准信息，并根据温度检测的结果自动选择频率校准信息；模拟校准电路模块连接于所述的EEPROM储存器的输出端，并连接所述的晶体振荡器电路模块的输入端，根据EEPROM储存器输出的频率校准信息对所述的晶体振荡器电路模块进行模拟校准；计时器电路模块连接所述的晶体振荡器电路模块的输出端，根据所述的晶体振荡器电路模块输出的时钟信号进行分频将产生秒脉冲信号；数字校准电路模块连接于所述的EEPROM储存器的输出端，并连接于所述的计时器电路模块的输入端，根据EEPROM储存器输出的频率校准信息对所述的计时器进行数字校准；万年历电路模块则连接于所述的计时器的输出端。

该内置晶振的高精度数字温度补偿振荡器电路结构中，所述的电路结构还包括寄存器电路模块，所述的寄存器电路模块分别连接所述的EEPROM储存器和所述的数字校准电路模块。

该内置晶振的高精度数字温度补偿振荡器电路结构中，所述的寄存器电路模块包括数字校准寄存器和老化校准寄存器，所述的数字校准寄存器和老化校准寄存器均分别连接所述的EEPROM储存器和所述的数字校准电路模块。

该内置晶振的高精度数字温度补偿振荡器电路结构中，所述的电路结构还包括串行接口，所述的串行接口分别连接所述的模数转换器电路模块、EEPROM储存器、万年历电路模块和寄存器电路模块。

该内置晶振的高精度数字温度补偿振荡器电路结构中，所述的石英晶体振荡器为音叉型32.768kHz石英晶体振荡器。

该内置晶振的高精度数字温度补偿振荡器电路结构中，所述的电路结构还包括设置于所述的晶体振荡器电路模块输出端的32.768kHz时钟信号输出引脚以及设置于所述的计时器电路模块输出端的1Hz时钟信号输出引脚。

该内置晶振的高精度数字温度补偿振荡器电路结构中，所述的温度传感器电路模块为负温度特性温度传感器，该负温度特性温度传感器包括固定工作电流偏置的二极管和PNP晶体管，所述的二极管连接于所述的PNP晶体管的Vbe结电压。

该内置晶振的高精度数字温度补偿振荡器电路结构中，所述的模数转换器电路模块为逐次逼近型模数转换器电路模块。

采用了该发明的内置晶振的高精度数字温度补偿振荡器电路结构，其包括石英晶体振荡器、晶体振荡器电路模块、温度传感器电路模块、模数转换器电路模块、EEPROM储存器、模拟校准电路模块、计时器电路模块、数字校准电路模块和万年历电路模块，其中采用模拟校准电路模块和数字校准电路模块配合进行温度补偿，大幅度提高了温度补偿精度和范围，进一步的还包括可通过串口访问的数字校准寄存器和老化寄存器，提供负载电容和温度补偿晶体老化造成的精度损失，实现对于由外界环境温度变化、热冲击或老化等对计时精度产生的影响进行灵活补偿，从而保证在全温度范围（-40℃～85℃）内达到计时精度±0.5ppm，且本发明的内置晶振的高精度数字温度补偿振荡器电路结构的结构简单，成本低廉，应用范围较为广泛。

附图说明

图1为本发明的内置晶振的高精度数字温度补偿振荡器电路结构的系统框图。

图2为负载电容与晶振振荡频率特性示意图。

图3为本发明的内置晶振的高精度数字温度补偿振荡器电路结构中的晶振电路的结构示意图。

图4为本发明的内置晶振的高精度数字温度补偿振荡器电路结构中的负载电容阵列结构示意图。

图5为本发明的内置晶振的高精度数字温度补偿振荡器电路结构中的温度传感器电压温度特性示意图。

图6为本发明的内置晶振的高精度数字温度补偿振荡器电路结构中数字补偿后的秒脉冲输出示意图。

图7为采用本发明的内置晶振的高精度数字温度补偿振荡器电路结构进行校准前后晶振精度对比曲线示意图。

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，为本发明的内置晶振的高精度数字温度补偿振荡器电路结构的系统框图。

在一种实施方式中，该电路结构包括：石英晶体振荡器、晶体振荡器电路模块、温度传感器电路模块、模数转换器电路模块、EEPROM储存器、模拟校准电路模块、计时器电路模块、数字校准电路模块和万年历电路模块。

在一种较优选的实施方式中，所述的电路结构还包括寄存器电路模块，所述的寄存器电路模块包括数字校准寄存器和老化校准寄存器，所述的数字校准寄存器和老化校准寄存器均分别连接所述的EEPROM储存器和所述的数字校准电路模块。

在一种进一步优选的实施方式中，所述的电路结构还包括串行接口，所述的串行接口分别连接所述的模数转换器电路模块、EEPROM储存器、万年历电路模块和寄存器电路模块。所述的模数转换器电路模块为逐次逼近型模数转换器电路模块。

在另一种较优选的实施方式中，所述的石英晶体振荡器为音叉型32.768kHz石英晶体振荡器。所述的电路结构还包括设置于所述的晶体振荡器电路模块输出端的32.768kHz时钟信号输出引脚以及设置于所述的计时器电路模块输出端的1Hz时钟信号输出引脚。

在一种更优选的实施方式中，所述的温度传感器电路模块为负温度特性温度传感器，该负温度特性温度传感器包括固定工作电流偏置的二极管和PNP晶体管，所述的二极管连接于所述的PNP晶体管的Vbe结电压。

在本发明的应用中，首先利用集成电路制造工艺将石英晶体振荡器与RTC电路集成封装与同一个管壳内，RTC电路内置晶体振荡器电路、串行接口（I²C、3线或SPI）、温度传感器、模拟和数字校准电路、内置EEPROM存储修调数据，由于芯片具有集成度高、面积小、补偿温度范围宽和低功耗等特点，可作为数字网络、通讯和各种便携式电子产品等的精确频率源使用。这样的集成电路的有点在于：

·保证RTC和晶体良好地工作（合适的负载电容及ESR）；

·省去了晶体采购问题；

·不必考虑晶体的布板问题（PCB）；

·不会象通孔式晶体那样额外增加生产步骤。

此外由于减小了寄生电容、PCB上杂质引起的泄漏，并且避免了不恰当的晶体负载电容，使得计时精度有所改善。

晶振电路结构示意图如图3所示。不同类型的音叉型石英晶振具有不同的负载电容参数如C_L=6.0pF或者12.5pF等等，其中：晶振负载电容参数与内部集成的电容需要满足如下关系：

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。C_L1和C_L2设计为电容阵列的形式，包括粗调和细调两种电容阵列。负载电容与晶振振荡频率特性示意图，如图2所示。粗调的负载电容步进较大，用于振荡频率的粗调，而粗调的负载电容步进较小，用于振荡频率的细调；两者结合起模拟补偿电路具有0.5ppm到4000ppm的补偿能力。

提供了一个数字校准寄存器，可以定时调整时间。这种方法并不改变晶体的任何特性，但可以上下调整32.768khz抛物线，在指定温度使精度达到0.0ppm。这是通过在振荡器分频链上加、减时钟脉冲实现的。需要减去的时钟脉冲（负校准减时钟），或需要插入的时钟（正校准加时钟）由寄存器的数值设置。加时钟脉冲，时间加快;减时钟脉冲，时间减慢。数字校准寄存器包括补偿的时间间隔（compensation interval）和补偿值（compensation value）。补偿电路根据配置在固定的时间间隔内（compensation interval）增加或减少振荡周期。补偿间隔（compensation interval）是无符号整数，取值范围是1-255秒；补偿值（compensation value）的取值范围是-128至127。增加或减少一个振荡周期将会产生±30.5ppm（1/32768）的频率偏移，所以此补偿电路具有0.119ppm（interval=255，value=1）到3906ppm（interval=1，value=-128）的补偿能力。如果补偿间隔（compensation interval）或补偿值（compensation value）之一设置为0将禁止补偿功能。

在没有启动补偿的情况下，每个秒脉冲的周期都是T（包含32768个时钟振荡）。如果启动补偿并设置补偿间隔为M，补偿值为V，那么在每个补偿周期（M秒内），第一个秒脉冲周期会增加或减少V个时钟振荡，变为32768±V个时钟振荡。第一个秒脉冲的长度与其它秒脉冲长度不同。在图7中，补偿间隔为M，补偿值为V。

其内部器件老化寄存器可以通过串行接口访问，可以提供进一步的负载电容和温度补偿，补偿晶体老化造成的精度损失。

内置温度传感器采用固定电流偏置的PNP管来测试温度，即Vbe的负温度特性。其温度特征如图5所示。采用二极管连接的PNP管Vbe结电压随着温度以斜率-2mV/℃线性下降，温度传感器的输出电压采用AD转换器（为了取得低功耗，该AD转换器一般采用逐次逼近型（SAR）AD转换器，分辨率选择位10～12位）数字化后指向内置的EEPROM存储器中的一个地址，存储器中的内容编程为振荡器的频率补偿信息，模拟校准模式为所需的晶体振荡器电路的负载电容的大小，数字校准模式则为相应的补偿间隔和补偿值，两者均可以自动加载到电路中，从而使得输出稳定的频率输出。

如图1所示，实际应用中，本发明的内置晶振的高精度数字温度补偿振荡器电路包括石英晶振，晶体振荡器电路，温度传感器，AD转换器，EEPROM电路、计时和万年历电路以及模拟校准和数字校准电路。

石英晶振（音叉型32.768kHz石英晶振）和振荡器电路输出32.768kHz的时钟信号，经过计时器链分频产生1Hz的秒脉冲信号，该信号作为计时和万年历电路的基准信号，同时32.768kHz和1Hz的时钟信号可经过FOUT0和FOUT1引脚输出，用于频率校验。

温度传感器电路采用固定工作电流偏置的二极管连接的PNP管的Vbe结电压的负温度特性检测环境温度的变换，转换为相应的电压信号。

AD转换器模块为了取得低功耗，一般采用逐次逼近型（SAR）AD转换器，分辨率选择位10～12位，将温度传感器的电压转换为数字信号，该数字信号作为EEPROM电路的地址信号进行查表，在不同的温度点下，根据FOUT0输出频率与标准的32.768kHz的频率偏差值，结合晶振负载与振荡频率关系曲线选取相应的负载电容阵列大小进行模拟补偿，负载电容阵列结构如图4所示。通过调整负载电容的大小加快或减慢振荡器时钟频率，在数字校准模式下则根据频率偏差值在计时器链中选取合适的补偿间隔和补偿值进行补偿，使得计时器链的输出为精确地1Hz。

EEPROM电路存储晶振的频率补偿信息，根据温度检测的结果自动选择合适的频率校准信息，在模拟校准模式下，根据温度检测结果，自动选取电容阵列中负载电容的大小，调整振荡器的震荡频率使其为准确的32.768kHz。在数字校准模式下，自动选取数字校准寄存器中的时间间隔（compensation interval）和补偿值（compensation value）相应寄存器的值，使得计时器链分频后的输出为精准的1Hz。在没有启动补偿的情况下，每个秒脉冲的周期都是T（包含32768个时钟振荡）。如果启动补偿并设置补偿间隔为M，补偿值为V，那么在每个补偿周期（M秒内），第一个秒脉冲周期会增加或减少V个时钟振荡，变为32768±V个时钟振荡。第一个秒脉冲的长度与其它秒脉冲长度不同。进行数字补偿后的秒脉冲信号输出如图6所示。

老化寄存器可以补偿可以提供进一步的负载电容和温度补偿晶体老化造成的精度损失，数字校准寄存器和老化寄存器可通过串口访问，以便客户灵活地补偿由于外界环境温度变化、热冲击和老化等对计时精度产生的影响。

图7为采用本发明进行校准前后的频率偏差温度曲线对比图。

串行接口可以让客户访问内部的数字校准寄存器和老化寄存器，对后续的电路应用进行灵活的配置和补偿，此外还可以通过串口读出计时信息（秒、分和时）和万年历信息（日、星期、月、年和世纪等）。进一步的，该发明可以作为独立的电路应用，也可以作为一个温补RTC模块集成到MCU或SOC中。

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

1.一种内置晶振的高精度数字温度补偿振荡器电路结构，其特征在于，该电路结构包括：

石英晶体振荡器；

晶体振荡器电路模块，连接于所述的石英晶体振荡器，产生时钟信号；

温度传感器电路模块，检测环境温度，产生相应的电压信号；

模数转换器电路模块，连接于所述的温度传感器电路模块，将所述的温度传感器电路模块产生的电压信号转换为数字信号输出；

EEPROM储存器，连接于所述的模数转换器电路模块的数字信号输出端，用以存储该石英晶体振荡器的频率校准信息，并根据温度检测的结果自动选择频率校准信息；

模拟校准电路模块，连接于所述的EEPROM储存器的输出端，并连接所述的晶体振荡器电路模块的输入端，根据EEPROM储存器输出的频率校准信息对所述的晶体振荡器电路模块进行模拟校准；

计时器电路模块，连接所述的晶体振荡器电路模块的输出端，根据所述的晶体振荡器电路模块输出的时钟信号进行分频将产生秒脉冲信号；

数字校准电路模块，连接于所述的EEPROM储存器的输出端，并连接于所述的计时器电路模块的输入端，根据EEPROM储存器输出的频率校准信息对所述的计时器进行数字校准；

万年历电路模块，连接于所述的计时器的输出端。

2.根据权利要求1所述的内置晶振的高精度数字温度补偿振荡器电路结构，其特征在于，所述的电路结构还包括寄存器电路模块，所述的寄存器电路模块分别连接所述的EEPROM储存器和所述的数字校准电路模块。

3.根据权利要求2所述的内置晶振的高精度数字温度补偿振荡器电路结构，其特征在于，所述的寄存器电路模块包括数字校准寄存器和老化校准寄存器，所述的数字校准寄存器和老化校准寄存器均分别连接所述的EEPROM储存器和所述的数字校准电路模块。

4.根据权利要求2所述的内置晶振的高精度数字温度补偿振荡器电路结构，其特征在于，所述的电路结构还包括串行接口，所述的串行接口分别连接所述的模数转换器电路模块、EEPROM储存器、万年历电路模块和寄存器电路模块。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的内置晶振的高精度数字温度补偿振荡器电路结构，其特征在于，所述的石英晶体振荡器为音叉型32.768kHz石英晶体振荡器。

6.根据权利要求5所述的内置晶振的高精度数字温度补偿振荡器电路结构，其特征在于，所述的电路结构还包括设置于所述的晶体振荡器电路模块输出端的32.768kHz时钟信号输出引脚以及设置于所述的计时器电路模块输出端的1Hz时钟信号输出引脚。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的内置晶振的高精度数字温度补偿振荡器电路结构，其特征在于，所述的温度传感器电路模块为负温度特性温度传感器，该负温度特性温度传感器包括固定工作电流偏置的二极管和PNP晶体管，所述的二极管连接于所述的PNP晶体管的Vbe结电压。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的内置晶振的高精度数字温度补偿振荡器电路结构，其特征在于，所述的模数转换器电路模块为逐次逼近型模数转换器电路模块。