CN103716042B - 一种用于模拟温度补偿晶体振荡器的温度补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于模拟温度补偿晶体振荡器的温度补偿方法，该方法包括测量未补偿的晶体振荡器的电压温度曲线；测量参考热敏电阻的电阻温度特性；根据未补偿的晶体振荡器的电压温度曲线和参考热敏电阻的电阻温度特性，计算和优化温度补偿网络参数值；根据计算和优化的温度补偿网络参数值，选取匹配的元件，组建温度补偿网络；利用温度补偿网络对晶体振荡器进行温度补偿，并测试补偿后的晶体振荡器频率温度特性。本发明所述方法有效改善了温度补偿晶体振荡器温度补偿的效果，尤其是在较宽工作温度范围内的温度补偿效果，提高了温度补偿的一次成功率和温度补偿晶体振荡器可靠性，降低了生产成本和温度补偿晶体振荡器的调试复杂度，提高了生产效率。

Description

一种用于模拟温度补偿晶体振荡器的温度补偿方法

技术领域

本发明涉及一种温度补偿方法，特别是一种用于模拟温度补偿晶体振荡器的温度补偿方法。

背景技术

模拟温度补偿晶体振荡器因其质优价廉的特性广泛应用于通信、导航、卫星等多个领域。在恶劣的环境条件下，工作温度范围超过-30℃～+60℃，而频率温度稳定性要求达到±1×10^-6时，一般首次安装温度补偿网络后，还需再经过两次到三次的补偿网络参数调节才能使晶体振荡器的频率温度稳定性满足指标要求，即造成元器件浪费，又延长生产周期。

因此，需要提供一种既能够补偿准确，又能快速补偿的一种模拟温度补偿晶体振荡器补偿方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于模拟温度补偿晶体振荡器的温度补偿方法，以解决模拟晶体振荡器温度补偿一次成功率低，温度补偿网络需要多次调节的问题，从而降低生产成本、提高生产效率。

为解决上述问题本发明提供一种用于模拟温度补偿晶体振荡器的温度补偿方法，该方法包括

测量未补偿的晶体振荡器的电压温度曲线；

测量参考热敏电阻的电阻温度特性；

根据未补偿的晶体振荡器的电压温度曲线和参考热敏电阻的电阻温度特性，计算和优化温度补偿网络参数值；

根据计算和优化的温度补偿网络参数值，选取匹配的元件，组建温度补偿网络；

利用温度补偿网络对晶体振荡器进行温度补偿，并测试补偿后的晶体振荡器频率温度特性。

优选的，所述温度补偿网络参数包括多个固定电阻和多个热敏电阻

优选的，所述电压温度曲线通过调节晶体振荡器中变容二极管的控制电压，使晶体振荡器在不同温度点下的频率达到标称值，获得未补偿的晶体振荡器的电压温度曲线。

优选的，所述电阻温度特性通过将连有参考热敏电阻的测试电路放入温箱中，通过在不同温度下测量参考热敏电阻的电阻值，获得参考热敏电阻的电阻温度特性。

优选的，所述测试电路为与温度补偿网络相同的电路结构，所述测试电路中的固定电阻在0Ω至1MΩ范围内取值。

优选的，所述温度补偿网络参数值的计算和优化方法包括

根据温度补偿网络中待优化固定电阻以及待选热敏电阻建立温度补偿网络随温度变化的电压函数；

待选热敏电阻利用模型：进行计算,其中K(R,B)为与参考热敏电阻的额定阻值R和常数B相关的比例系数，为参考热敏电阻的实测值，N为温度测试点数，R_1×N和均为N维行向量；

利用所述未补偿的晶体振荡器的电压温度曲线数据值和所述电压函数求方差，以获得目标函数Δ；

利用遗传算法，对目标函数进行多次迭代，当目标函数Δ小于允许的误差Δ^*或设定的最大迭代次数时，迭代终止；

获得待优化的固定电阻及热敏电阻的优化值。

本发明中采用非传统热敏电阻的选取方法，并且利用优化算法计算温度补偿网络中固定电阻的阻值，有效改善了温度补偿晶体振荡器温度补偿的效果，尤其是在较宽工作温度范围内的温度补偿效果，提高了温度补偿的一次成功率和温度补偿晶体振荡器可靠性，降低了生产成本和温度补偿晶体振荡器的调试复杂度，提高了生产效率，增大了经济效益。

附图说明

图1示为一种用于模拟温度补偿晶体振荡器的温度补偿方法流程图；

图2示为温度补偿晶体振荡器温度补偿原理框图；

21、温度补偿网络，22、振荡电路，23、变容二极管；

图3示为温度补偿网络电路原理图；

31、节点1，32、节点2，33、节点3，34、节点4，35、节点5；

图4示为本发明根据温度补偿网络构建的温度补偿网络示意图；

41、节点1，42、节点2，43、节点3，44、节点4，45、节点5；46、节点6，47、节点7；

图5示为优化算法流程图；

图6-a示为补偿前晶振的频率温度稳定性示意图；

图6-b示为利用传统方法和本发明方法进行温度补偿后晶振的频率温度稳定性实例比对图；

图7示为利用本发明方法计算的热敏电阻值、传统方法计算的热敏电阻值和测试热敏电阻值比对图。

具体实施方式

本发明提供一种用于模拟温度补偿晶体振荡器的温度补偿方法，该方法包括测量未补偿的晶体振荡器的电压温度曲线（S1）；测量参考热敏电阻的电阻温度特性（S2）；根据未补偿的晶体振荡器的电压温度曲线和参考热敏电阻的电阻温度特性，计算和优化温度补偿网络参数值（S3）；根据计算和优化的温度补偿网络参数值，选取匹配的元件，组建温度补偿网络（S4）；利用温度补偿网络对晶体振荡器进行温度补偿，并测试补偿后的晶体振荡器频率温度特性（S5）。

下面根据附图对本发明做进一步描述。

实施例1

将晶体振荡器放入温箱中，调节晶体振荡器中变容二极管（23）的控制电压，使晶体振荡器的频率在各个温度点下均达到标称值，记录各个温度点下的控制电压值，形成未补偿的晶体振荡器的电压温度曲线数据。

参考热敏电阻采用在线测试方法，参考热敏电阻测试电路采用与温度补偿网络相似的形式。如图3所示，该测试电路的输入端施加固定电压V_z，并选择低、中阻值的热敏电阻作为参考热敏电阻分别连接在温度补偿网络中R5、R7和R4的位置。在热敏电阻在线测试过程中，可以先在温度补偿网络中固定电阻和热敏电阻的允许范围内粗略选定进行在线测试。本发明所述测试电阻中R5和R7采用几百kΩ的中阻值热敏电阻，R4采用几kΩ的热敏电阻，R1选取0Ω～几百kΩ，R2、R3和R8选取几百kΩ，R6选取几kΩ～几十kΩ。将测试电路放入温箱中，在各个温度点下记录节点1（31）、节点2（32）、节点3（33）、节点4（34）和节点5（35）的电压值，利用测量得到的节点电压值，根据基尔霍夫定律计算得到参考热敏电阻的电阻温度特性，即参考热敏电阻值的电阻温度特性数据。

为了增强温度补偿网络的补偿能力，本发明在温补网络计算中使用图4所示电路，电路中R5和R7的位置再分别串联一个固定电阻。

利用未补偿的晶体振荡器的电压温度曲线数据，以及参考热敏电阻的电阻温度特性数据对温度补偿网络固定电阻和热敏电阻优化步骤如下：

第一步，选定优化参数，给定参数初始值（S6），本实施例中仅以温度补偿网络中的固定电阻为待优化变量，将热敏电阻作为半已知量（半已知量：实际补偿过程中允许选取的热敏电阻的阻值范围内随机选定一个低阻值和两个中阻值热敏电阻）。本发明中待选热敏电阻的计算模型与常规热敏电阻模型不同，常规热敏电阻选取利用一阶近似公式：其中R0为热敏电阻额定阻值，B为材料常数，本发明中利用的热敏电阻计算模型为：计算,其中K(R,B)为与参考热敏电阻的额定阻值R和常数B相关的比例系数，为参考热敏电阻的实测值，N为测量参考热敏电阻时，温度测试点数，R_1×N和均为N维行向量。利用本发明中所述计算热敏电阻模型在计算过程中可以消除一阶近似模型中的误差，提高温度补偿的一次成功率；将半已知电阻按照本发明采用的热敏电阻模型建模： $R_{1\×N}=K({R_D}_0,B_D,{R_C}_0,B_C){R_C}_{1\×N},$ 其中和B_D为初始选取热敏电阻的特性常数，R_Co和R_C为参考热敏电阻的特性常数，为与初始选取热敏电阻以及参考热敏电阻的特性常数相关的比例系数。将温度补偿网络中的固定电阻作为优化参数x，并给予初始值。

第二步，构建目标函数，根据初始化的固定参数值和热敏电阻值建立电压函数，图4中所示V₁点的电压为其中 ${\mathrm{\α}}_j=\frac{{R_4}_j+R_2}{R_1+R_3//{R_5}_j+{R_4}_j+R_2}{V}_z,$ V₂点的电压为 ${V_2}_{1\×N}=[{\mathrm{\β}}_1,{\mathrm{\β}}_2,...{\mathrm{\β}}_N],$ 其中 ${\mathrm{\β}}_j=\frac{R_6}{R_6+R_8//{R_7}_j}{V}_z,\mathrm{\Δ}{V}_{1\×N}=[{\mathrm{\μ}}_1,{\mathrm{\μ}}_2,...{\mathrm{\μ}}_N]={V_1}_{1\×N}-{V_2}_{1\×N}=[{\mathrm{\α}}_1-{\mathrm{\β}}_1,{\mathrm{\α}}_1-{\mathrm{\β}}_1,...{\mathrm{\α}}_N-{\mathrm{\β}}_N],$ 所述电压函数y的电压温度模型为：ΔV_1×N=[μ₁,μ₂,...μ_N]，利用未补偿的晶体振荡器的电压温度曲线数据的目标值Y和所述电压函数y求方差和，获得目标函数Δ（S7）；需要注意的是，由于实际补偿过程中，晶体振荡器的频率温度稳定性是要求不能超过±K的稳定度范围，因此在优化网络参数过程中需要对ΔV_1×N进行进一步的约束，ΔV_1×N小于p为晶体振荡器的压控灵敏度，以使优化后的参数满足晶体振荡器的频率温度稳定性的需要。

第三步，优化计算，优选的，利用遗传算法，对目标函数Δ进行多次迭代，当目标函数Δ小于规定的误差Δ^*或者设定的迭代次数时（S8），目标函数Δ达到收敛；为了提供补偿效果，可选取多组热敏电阻作为半已知量进行了多次优化，则从多次优化中选取误差最小的作为优化后的固定电阻值和待测热敏电阻值。热敏电阻更换的同时参数x也更新，需重新计算y值（S9），再次判断是否满足收敛条件；

第四步，优化计算结束，得到固定电阻和热敏电阻的计算结果（S10）。

根据温度补偿网络计算程序获得的温度补偿网络参数值，在模拟温度补偿晶体振荡器中安装温度补偿网络，并控制实际安装参数的误差小于1%。安装温度补偿网络后，将晶体振荡器再放入温箱中测试频率温度特性。

实施例2

将晶体振荡器放入温箱中，调节晶体振荡器中变容二极管（23）的控制电压，使晶体振荡器的频率在各个温度点下均达到标称值，记录各个温度点下的控制电压值，形成未补偿的晶体振荡器的电压温度曲线数据。

参考热敏电阻采用在线测试方法，参考热敏电阻测试电路采用与温度补偿网络相似的形式，如图3所示，该测试电路的输入端施加固定电压V_z，并选择低、中阻值的热敏电阻作为参考热敏电阻分别连接在温度补偿网络中R5、R7和R4的位置。在热敏电阻在线测试过程中，可以先在温度补偿网络中固定电阻和热敏电阻的允许范围内粗略选定进行在线测试。本发明所述测试电阻中R5和R7采用几百kΩ的中阻值热敏电阻，R4采用几kΩ的热敏电阻，R1选取0Ω～几百kΩ，R2、R3和R8选取几百kΩ，R6选取几kΩ～几十kΩ。将测试电路放入温箱中，在各个温度点下记录节点1（31）、节点2（32）、节点3（33）、节点4（34）和节点5（35）的电压值，利用测量得到的节点电压值，根据基尔霍夫定律计算得到参考热敏电阻的电阻温度特性，即参考热敏电阻值的电阻温度特性数据。

为了增强温度补偿网络的补偿能力，本发明在温补网络计算中使用图4所示电路，电路中R5和R7的位置再分别串联一个固定电阻。

利用未补偿的晶体振荡器的电压温度曲线数据，以及参考热敏电阻的电阻温度特性数据对温度补偿网络固定电阻和热敏电阻优化步骤如下：

第一步，选定优化参数，给定参数初始值（S6），本实施例中将温度补偿网络中的固定电阻和热敏电阻一同作为待优化参数。本发明中待选热敏电阻的计算模型与常规热敏电阻模型不同，常规热敏电阻选取利用一阶近似公式：其中R0为热敏电阻额定阻值，B为材料常数，本发明中利用的热敏电阻计算模型为：计算,其中K(R,B)为与参考热敏电阻的额定阻值R和常数B相关的比例系数，为参考热敏电阻的实测值，N为测量参考热敏电阻时，温度测试点数，R_1×N和均为N维行向量。利用本发明中所述计算热敏电阻模型在计算过程中可以消除一阶近似模型中的误差，提高温度补偿的一次成功率；将热敏电阻按照本发明采用的热敏电阻模型建模：其中R_Bo和B_B为待优化热敏电阻的特性常数，R_Co和R_C为参考热敏电阻的特性常数，为待优化热敏电阻以及参考热敏电阻的特性常数相关的比例系数。将温度补偿网络中的固定电阻及待优化热敏电阻同时作为优化参数x，并给予初始值。

第二步，构建目标函数，根据初始化的固定参数值和热敏电阻值建立电压函数，图3中所示V₁点的电压为其中 ${\mathrm{\α}}_j=\frac{{R_4}_j+R_2}{R_1+R_3//{R_5}_j+{R_4}_j+R_2}{V}_z,$ V₂点的电压为 ${V_2}_{1\×N}=[{\mathrm{\β}}_1,{\mathrm{\β}}_2,...{\mathrm{\β}}_N],$ 其中 ${\mathrm{\β}}_j=\frac{R_6}{R_6+R_8//{R_7}_j}{V}_z,$ $\mathrm{\Δ}{V}_{1\×N}=[{\mathrm{\μ}}_1,{\mathrm{\μ}}_2,...{\mathrm{\μ}}_N]={V_1}_{1\×N}-{V_2}_{1\×N}=[{\mathrm{\α}}_1-{\mathrm{\β}}_1,{\mathrm{\α}}_1-{\mathrm{\β}}_1,...{\mathrm{\α}}_N-{\mathrm{\β}}_N]$ ，所述电压函数y的电压温度模型为：ΔV_1×N=[μ₁,μ₂,...μ_N]，利用未补偿的晶体振荡器的电压温度曲线数据的目标值Y和所述电压函数y求方差和，获得目标函数Δ（S7）；需要注意的是，由于实际补偿过程中，晶体振荡器的频率温度稳定性是要求不能超过±K的稳定度范围，因此在优化网络参数过程中需要对ΔV_1×N进行进一步的约束，ΔV_1×N小于p为晶体振荡器的压控灵敏度，以使优化后的参数满足晶体振荡器的频率温度稳定性的需要。

第三步，优化计算，优选的，利用遗传算法，对目标函数Δ进行多次迭代，当目标函数Δ小于规定的误差Δ^*或者设定的迭代次数时（S8），目标函数Δ达到收敛；如未达到收敛，则更新参数x，重新计算y值（S9），再次判断是否满足收敛条件。

第四步，优化计算结束，得到优化后的固定电阻值和热敏电阻值（S10）。

根据温度补偿网络计算程序获得的温度补偿网络参数值，在模拟温度补偿晶体振荡器中安装温度补偿网络，并控制实际安装参数的误差小于1%。由于实际生产的热敏电阻是按照阻值分若干档，离散的，且热敏电阻有两个特性参量R₀和B。所以在实际使用时，不可能获得任意理想需要的值。因此，需要在热敏电阻允许的范围内选取与优化结果最接近的个体，将其和优化得到的固定电阻值作为已知量计算电压函数y和目标函数Δ，验证是否满足目标函数要求，并可对网络元件值进行适当微调。安装温度补偿网络后，将晶体振荡器再放入温箱中测试频率温度特性。

下面根据本发明所述方法和传统方法的实验数据对本发明与传统方法作进一步对比：

表1所示为采用本发明所述方法和传统方法对晶振进行温度补偿的3组实例数据对比。从表中可以看出，利用本发明所述方法明显提高了一次温度补偿的成功率。

表1传统方法与本发明方法补偿结果对比

图6-a示为未补偿前的晶振的频率温度稳定性曲线，采用传统方法补偿后和采用本发明所述方法补偿后的晶振频率温度稳定性对比曲线如图6-b所示，从图6-b可以看出，采用本发明进行一次补偿的频率温度稳定性曲线明显优于传统方法补偿后的频率温度稳定性曲线。

图7以温度补偿网络中热敏电阻R4的传统方法计算阻值、发明方法阻值和实测阻值的对比，图中R4_27T为热敏电阻实测值，R4_27P为本发明中热敏电阻计算值，R4_27C为传统一阶近似公式得到的计算值，由图7可以看出，本发明采用的热敏电阻计算公式明显优于传统一阶近似公式计算得到的热敏电阻值，本发明中计算热敏电阻模型计算得到的热敏电阻值与实测值更为接近，说明了本发明所述方法优于传统方法。

综上所述，本发明中采用非传统热敏电阻的计算方法，并且利用优化算法计算温度补偿网络中固定电阻的阻值，有效改善了温度补偿晶体振荡器温度补偿的效果，尤其是在较宽工作温度范围内的温度补偿效果，提高了温度补偿的一次成功率和温度补偿晶体振荡器可靠性，降低了生产成本和温度补偿晶体振荡器的调试复杂度，提高了生产效率，增大了经济效益。

可以理解为，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于模拟温度补偿晶体振荡器的温度补偿方法，其特征在于：该方法包括

S1、测量未补偿的晶体振荡器的电压温度曲线；

S2、测量参考热敏电阻的电阻温度特性；

S3、根据未补偿的晶体振荡器的电压温度曲线和参考热敏电阻的电阻温度特性，计算和优化温度补偿网络参数值；所述温度补偿网络参数值的计算和优化包括：

S31、根据温度补偿网络中待优化固定电阻以及待选热敏电阻建立温度补偿网络随温度变化的电压函数；

S32、待选热敏电阻利用模型：进行计算,其中K(R,B)为与参考热敏电阻的额定阻值R和常数B相关的比例系数，为参考热敏电阻的实测值，N为温度测试点数，R_1×N和均为N维行向量；

S33、利用所述未补偿的晶体振荡器的电压温度曲线数据值和所述电压函数求方差，以获得目标函数Δ；

S34、利用遗传算法，对目标函数进行多次迭代，当目标函数Δ小于允许的误差Δ^*或设定的最大迭代次数时，迭代终止；

S35、获得待优化的固定电阻及热敏电阻的优化值；

S4、根据计算和优化的温度补偿网络参数值，选取匹配的元件，组建温度补偿网络；

S5、利用温度补偿网络对晶体振荡器进行温度补偿，并测试补偿后的晶体振荡器频率温度特性。

2.根据权利要求1所述的一种用于模拟温度补偿晶体振荡器的温度补偿方法，其特征在于：所述温度补偿网络参数包括多个固定电阻和多个热敏电阻。

3.根据权利要求1所述的一种用于模拟温度补偿晶体振荡器的温度补偿方法，其特征在于：所述电压温度曲线通过调节晶体振荡器中变容二极管的控制电压，使晶体振荡器在不同温度点下的频率达到标称值，获得未补偿的晶体振荡器的电压温度曲线。

4.根据权利要求1所述的一种用于模拟温度补偿晶体振荡器的温度补偿方法，其特征在于：所述电阻温度特性通过将连有参考热敏电阻的测试电路放入温箱中，通过在不同温度下测量参考热敏电阻的电阻值，获得参考热敏电阻的电阻温度特性。

5.根据权利要求4所述的一种用于模拟温度补偿晶体振荡器的温度补偿方法，其特征在于：所述测试电路为与温度补偿网络相同的电路结构，所述测试电路中的固定电阻在0Ω至1MΩ范围内取值。