CN103905000A

CN103905000A - 频率调整的方法及终端设备

Info

Publication number: CN103905000A
Application number: CN201210587834.8A
Authority: CN
Inventors: 王哲; 弋朝伟; 郑德伟
Original assignee: Leadcore Technology Co Ltd
Current assignee: Leadcore Technology Co Ltd
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2012-12-28
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2032-12-28
Also published as: CN103905000B

Abstract

本发明实施例提供了一种频率调整的方法和终端设备，所述方法应用于包含石英晶体以及主芯片的终端设备中，所述主芯片中的振荡电路与所述石英晶体相连接，所述方法包括：构建所述石英晶体的负载电容C_L与所述振荡电路的输出频率f的对应关系；构建所述振荡电路的输出频率与数字控制码之间的对应关系，所述石英晶体的负载电容C_L与所述数字控制码的值呈线性关系；通过调整所述数字控制码来调整所述振荡电路的输出频率。本发明实施例所提供的频率调整方法和终端设备，可以实现对振荡电路输出频率的精确调整。

Description

频率调整的方法及终端设备

技术领域

本发明涉及通讯领域，尤其涉及一种频率调整的方法及终端设备。

背景技术

在通讯系统中，其时钟参考电路一般来说有TCXO（温度补偿晶体振荡器）方案和DCXO（数字控制调整电路）方案两种。其中TCXO方案与DCXO方案的基本电路都包含振荡电路与参考时基，振荡电路一般由LC（电感电容）振荡器或者皮尔斯振荡器组成；参考时基一般采用石英的晶体（即crystal）。在振荡电路一般采用可变电容（或电容阵列），通过控制单元或DAC对可变电容（或电容阵列）进行调整，从而实现调整TCXO与DCXO模块输出频率的目的。

一般TCXO方案的振荡电路与参考时基都包含在TCXO器件中，如图1所示，其内部还集成了温度补偿模块与线性补偿模块，使得其频率变化量与控制单元（或DAC）调整量呈比较理想的线性关系，因此其频率调整的方法比较简单。而DCXO方案的晶体器件只包含参考时基，振荡电路包含在主芯片中，如图2所示，对于绝大多数的终端系统来说，DCXO方案模块分布两个器件中，振荡电路一般包含在收发信机主芯片内，石英晶体为一独立元件置于主芯片之外。相对于TCXO方案来说，由于DCXO的振荡电路包含在主芯片内，故终端设计只需选择一颗价格比TCXO低的多的石英晶体，配合相应调整算法即可正常使用。

目前的终端系统中，TCXO和DCXO两种方案都在使用，对于DCXO方案来说，都采用外挂石英晶体，但有几种不同的使用方法，一种是将类似TCXO的温补电路与线性化电路放入主芯片，使用方法与TCXO基本相同，但软件侧需包含复杂的补偿算法设计；还有一种是只将温补电路放入主芯片，降低温度变化带来的较大的频率漂移。

现有的振荡电路频率调整技术存在如下缺点：

1、采用TCXO的方案，由于内部集成的元器件较多，导致终端设备的成本较高；

2、如果采用传统的DCXO方案中，由于晶体输出频率对温度变化敏感，受环境影响比TCXO大的多，且AFC调整码字与输出频率变化量为曲线关系，不利于振荡电路频率的调整。

发明内容

为解决现有技术中振荡电路输出频率调整上存在的不足，本发明实施例提供了一种频率调整的方法和终端设备。

本发明实施例提供了一种频率调整的方法，所述方法应用于包含石英晶体以及主芯片的终端设备中，所述主芯片中的振荡电路与所述石英晶体相连接，所述方法包括：

构建所述石英晶体的负载电容与所述振荡电路的输出频率的对应关系；

构建所述振荡电路的输出频率与数字控制码之间的对应关系，所述石英晶体的负载电容与所述数字控制码的值呈线性关系；

通过调整所述数字控制码来调整所述振荡电路的输出频率。

本发明实施例还提供了一种终端设备，包括石英晶体以及主芯片，所述主芯片中的振荡电路与所述石英晶体相连接，所述终端设备还包括：

第一构建单元，用于构建所述石英晶体的负载电容与所述振荡电路的输出频率的对应关系；

第二构建单元，用于构建所述振荡电路的输出频率与数字控制码之间的对应关系，所述石英晶体的负载电容与所述数字控制码的值呈线性关系；

调整单元，用于通过调整所述数字控制码来调整所述振荡电路的输出频率。

本发明实施例所提供的频率调整方法及终端设备，可以根据石英晶体的频率特性构建出输出频率的变量与数字控制码之间的对应关系，并通过调整数字控制码来调整振荡电路的输出频率，使得振荡电路的输出频率偏差较小。并且整个振荡电路所采用的结构简单，元器件较少，大大降低了终端设备的成本。

附图说明

图1是振荡电路频率调整的TCXO方案电路图；

图2是振荡电路频率调整的DCXO方案电路图；

图3是本发明实施例频率调整方法的示意图；

图4是本发明实施例所应用的终端设备的第一示意图；

图5是本发明实施例中石英晶体的内部电路图；

图6是本发明实施例中石英晶体阻抗特性曲线示意图；

图7是本发明实施例中振荡电路输出频率随负载电容C_L变化的示意图；

图8是温度变化时石英晶体的基本特性示意图；

图9是本发明实施例所提供的终端设备的第二示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例所提供的方法和装置进行详细的描述。

实施例一：

本发明实施例提供了一种频率调整的方法，如图3所示，该方法应用于包含石英晶体以及主芯片的终端设备中，所述主芯片可以接收和发送信号的芯片，该终端设备的示意图如图4所示，该主芯片中的振荡电路与所述石英晶体相连接，所述方法包括：

301、构建石英晶体的负载电容C_L与振荡电路的输出频率f的对应关系；

其中，所述石英晶体的负载电容与所述振荡电路的输出频率的对应关系是：

f = \frac{b}{x + a} + c

其中f表示所述振荡电路的输出频率，a、b、c均为恒量，x是与石英晶体的负载电容C_L成线性关系的数字控制码AFC。

在所述石英晶体的频率特性曲线上任意测量三个数字控制码AFC及对应的输出频率的值，代入上述公式中，即可求出对应a、b、c的值。

303、构建所述振荡电路的输出频率与数字控制码之间的对应关系，所述石英晶体的负载电容C_L与所述数字控制码的值呈线性关系；

其中，构建所述振荡电路的输出频率与数字控制码之间的对应关系，可以是根据所述石英晶体的负载电容C_L与所述数字控制码的值呈线性关系，以及所述构建的所述石英晶体的负载电容C_L与所述振荡电路的输出频率f的对应关系，来构建所述振荡电路的输出频率与数字控制码之间的对应关系。

所述输出频率与所述数字控制码之间的对应关系是：

Δppm = \frac{Δf}{f_{r}} = \frac{b}{ΔAFC + a} + c

其中，其中，Δppm表示为发射信号的输出频率与参考频率的偏差，△f是发射信号输出频率的变化量，f_r是发射信号的参考频率，△AFC是数字控制码的变化量。

305、通过调整所述数字控制码来调整所述振荡电路的输出频率。

其中，通过调整所述数字控制码来调整所述振荡器的输出频率，包括：

当所述石英晶体的温度恒定时，获取发射信号的输出频率与参考频率的差值Δppm，来计算对应的△AFC；

将当前的AFC值加上△AFC后就为调整后的AFC值，所述调整后的AFC所对应的频率即为振荡电路的参考频率；或者

当所述石英晶体的温度变化时，构建温度变化前所述石英晶体的负载电容C_L与所述振荡电路的输出频率f的对应关系；

根据石英晶体温度变化后的信号输入频率与输出频率的偏差，获得所述石英晶体的负载电容C_L与所述振荡电路的输出频率f的对应关系中的c值，构建温度变化后的所述石英晶体的负载电容C_L与所述振荡电路的输出频率f的对应关系；并通过调整所述数字控制码来调整所述振荡电路的输出频率。

在本发明的另外一个实施例中，构建温度变化后的所述石英晶体的负载电容C_L与所述振荡电路的输出频率f的对应关系后，重新构建所述振荡电路的输出频率与数字控制码之间的对应关系，所述石英晶体的负载电容C_L与所述数字控制码的值呈线性关系。

本发明实施例所提供的频率调整方法，可以根据石英晶体的频率特性构建出输出频率的变量与数字控制码之间的对应关系，并通过调整数字控制码来调整振荡电路的输出频率，使得振荡电路的输出频率偏差较小。并且整个振荡电路所采用的结构简单，元器件较少，大大降低了终端设备的成本。

实施例二：

本发明实施例提供的频率调整方法，应用在主芯片内只包含最基本的振荡电路的系统中，所述主芯片内不包含温补电路，也不包含线性化电路，主芯片中的振荡电路与石英晶体相连接，所述主芯片是接收和发送信号的芯片，该方法包括：

401、构建石英晶体的负载电容C_L与振荡电路的输出频率f的对应关系；

石英晶体是一种可将电能和机械能相互转化的压电器件，能量转变发生在共振频率点上，其电路模型如图5所示，其中：

C₀是等效电路中与串联臂并接的电容，C₀的大小一般仅与晶体的尺寸有关，当晶体一定的时候，C₀的值也一定。

L_m是动态等效电感，其代表晶振机械振动的惯性；

C_m是动态等效电容，其代表晶振的弹性；

R_m实动态等效电阻，其代表电路的损耗。

当R_m忽略不计时，石英晶体的阻抗可用公式一表示，所述石英晶体的阻抗特性如图6所示：

Z = \frac{j}{ω} \times \frac{ω^{2} L_{m} C_{m} - 1}{(C_{0} + C_{m}) - ω^{2} L_{m} C_{m} C_{0}}

（公式一）

在公式一中，ω为角频率,单位为rad/s;j为虚数单位。

f_s是当电抗Z=0时的串联谐振频率，同时f_s也是L_m、C_m和R_m支路的谐振频率，其表达式如公式二所示：

f_{s} = \frac{1}{2 π \sqrt{L_{m} C_{m}}}

（公式二）

f_a是当电抗Z趋于无穷大时的并联谐振频率，同时f_a也是整个等效电路的谐振频率，其表达式如公式三所示：

f_{a} = f_{s} \sqrt{1 + \frac{C_{m}}{C_{0}}}

（公式三）

在f_s到f_a的区域称为并联谐振区，如图6所示，在这一区域晶振工作在并联谐振状态，因此该区域就是晶振的正常工作区域，f_a-f_s就是晶振的带宽，带宽越窄，晶振品质因素越高，振荡频率越稳定。在此区域晶振呈电感特性，从而带来了相当于180°的相移。其负载频率f_p（或者f_L）的表达式如公式四所示：

f_{p} = f_{s} (1 + \frac{C_{m}}{2 (C_{0} + C_{L})})

（公式四）

在公式四中，f_s是当电抗Z=0时的串联谐振频率，是一个已知的定量，C₀是石英晶体等效电路中与串联臂并接的电容，是一个已知的定量，C_m是石英晶体动态等效电容，也是一个已知的定量，因此在公式四中，只有两个变量：f_p和C_L。

通过调整负载电容C_L就能调整振荡电路的输出频率，这就是晶体制造商在其产品说明书中会指定外部负载电容C_L值的原因。通过指定外部负载电容C_L值，可以使晶体振荡时达到其标称频率。

将公式四中的定量分别用a、b、c表示，将变量分别用x和f表示，即得到晶体在某一个温度下的频率特性，该频率特性满足公式五：

f = \frac{b}{x + a} + c

（公式五）

公式五即为构建到的石英晶体的负载电容C_L与所述振荡电路的输出频率f的对应关系。当温度恒定时，a、b、c基本不变；当温度变化后，参数c会发生变化，a、b基本不变。变量x是与晶体的负载电容C_L呈线性关系的数字控制码AFC。

403、构建所述振荡电路的输出频率与数字控制码之间的对应关系，所述石英晶体的负载电容C_L与所述数字控制码的值呈线性关系；

DCXO的输出频率与振荡电路的负载电容C_L关系如图7所示，其中横轴为与AFC（数字控制码）成正比的负载电容C_L的值，纵轴为时钟模块输出的绝对频率误差（单位为ppm），则相对频率变化与电容关系代入公式五中可以得到公式六，其中公式六的表达式为：

Δppm = \frac{Δf}{f_{r}} = \frac{b}{C_{L} + a} + c

（公式六）

在附图7的曲线中，任意测量三个点，即测量三个数字控制码所对应的振荡电路的输出频率，并代入公式六中，即可求出a、b、c的值，其中公式六中f_r是振荡电路的工作频率，是个固定的值。

需要说明的是：在终端设备中，由于振荡电路的外部负载电容C_L与AFC呈一次函数关系，因此振荡电路电容C_L一般通过AFC进行调整。则可以用AFC替代公式六中的C_L。在进行AFC控制字调整的过程中，一般将AFC控制字设定在AFC控制范围的中值AFC0处，使得时钟模块的输出频偏为0ppm，则：

Δppm = \frac{Δf}{f_{r}} = \frac{b}{ΔAFC + a} + c

（公式七）

根据公式七，通过三次调整AFC值，分别测试出三次相应的频率变化量Δppm，可以获得参量a、b、c的值。

其中，调整AFC的值，每调整一次记录一下输出频率的值，然后记录三次频率的变化量，再代入公式七中即可求得相应的参数a、b、c的值。

405、通过调整所述数字控制码来调整所述振荡电路的输出频率。

（1）温度恒定时，对振荡电路输出频率的调整

某一极短时间内,可以认为石英晶体的环境温度变化量可以忽略不计，终端设备接收信号频率和发送信号频率的偏差为Δppm时，此时使用的AFC控制码字为初始AFC1，则将公式七变形后即可得到公式八，其表达式为：

ΔAFC = \frac{b}{Δppm - c} - a

（公式八）

因此，在计算出Δppm的前提下，根据公式八，即可求得△AFC的值。在计算出ΔAFC后，在现有AFC₁码字的基础上增加△AFC，就能使得振荡电路的输出频率偏差基本上就为零。

（2）温度变化时，对振荡电路输出频率的调整

石英晶体振荡电路的输出频率对环境温度变化比较敏感，典型的石英晶体的指标如表1所示，根据表1可以看出温度变化对石英晶体振荡电路的输出频率变化范围为20ppm，因此，在石英晶体的温度变化时，为保证振荡电路的输出频偏为0，就需要对AFC进行调整。

表1

根据测试可知，石英晶体的AFC特性如图8所示，其中，最上面的一根曲线代表低温AFC特性，中间的曲线代表常温的AFC特性，最下面的曲线则代表高温AFC特性。其中横轴为与负载电容成正比的AFC控制字，纵轴为频偏变化量（单位ppm）。

以A点作为测试校准点，A点发射频偏在+-200hz以内，根据A点对应的曲线上任意选择三个点，即可得到公式七中的a、b、c的值。

图8的A点为AFC中值点，认为此点为0频偏，当温度降低至-15度左右时，晶体的特性曲线为图8中最上面的曲线，，此时中间常温下曲线整体偏移至-15度绿色线上方，频率偏移为Δppm。根据公式八可知，Δppm即为温度变化时，参数c的变化量，因此根据Δppm即可求得温度变化后参数c的值。因此温度变化后的特性曲线的所有参数即可求得，也可以得到温度变化后的特性曲线公式：

y=b/(x+a)+c，通过计算可得到图8中最上面的曲线0频偏附近的AFC控制码字，其它温度调整过程相同，首先得到温度变化后振荡电路输出频率的特性曲线的特性曲线，根据新的特性曲线调整数字控制码来达到控制振荡电路输出频率的目的。变温下的特性曲线后就可以按照过程(2)调整需要的控制字。

实施例三

本发明实施例还提供了一种终端设备，包括：石英晶体901以及主芯片902，所述主芯片中的振荡电路9021与所述石英晶体901相连接，如图9所示，所述终端设备还包括：

第一构建单元903，用于构建所述石英晶体901的负载电容C_L与所述振荡电路9021的输出频率f的对应关系；

第二构建单元904，用于构建所述振荡电路9021的输出频率与数字控制码之间的对应关系，所述石英晶体901的负载电容C_L与所述数字控制码的值呈线性关系；

调整单元905，用于通过调整所述数字控制码来调整所述振荡电路9021的输出频率。

在本发明的另外一个实施例中，第一构建单元903构建的石英晶体的负载电容与所述振荡电路的输出频率的对应关系是：

f = \frac{b}{x + a} + c

其中f表示所述振荡电路的输出频率，a、b、c均为恒量，x是与石英晶体的负载电容C_L成线性关系的数字控制码。

其中，在所述石英晶体的频率特性曲线上测量三个数字控制码的输出频率，计算a、b、c的值。

在本发明的另外一个实施例中，第二构建单元904，具体用于根据所述石英晶体的负载电容C_L与所述数字控制码的值呈线性关系，以及所述构建的所述石英晶体的负载电容C_L与所述振荡电路的输出频率f的对应关系，来构建所述振荡电路的输出频率与数字控制码之间的对应关系。

在本发明的另外一个实施例中，第二构建单元904构建的所述输出频率与所述数字控制码之间的对应关系是：

Δppm = \frac{Δf}{f_{r}} = \frac{b}{ΔAFC + a} + c

其中，Δppm表示为发射信号输出频率与参考频率的偏差，△f是发射信号输出频率的变化量，f_r是发射信号的参考频率，△AFC是数字控制码的变化量。

在本发明另外一个实施例中，调整单元905具体用于：

当所述石英晶体的温度恒定时，获取发射信号的输出频率与参考频率的偏差Δppm，计算对应的△AFC；

将当前的AFC值加上ΔAFC后即为调整后的AFC值，所述调整后的AFC所对应的频率即为振荡电路的参考频率。

在本发明另外一个实施例中，调整单元905具体用于：

当所述石英晶体的温度变化时，构建温度变化前的所述石英晶体的负载电容C_L与所述振荡电路的输出频率f的对应关系；

根据所述石英晶体温度变化后的信号输出频率的变化量，获得所述石英晶体的负载电容C_L与所述振荡电路的输出频率f的对应关系中的c值，重新构建温度变化后的所述石英晶体的负载电容C_L与所述振荡电路的输出频率f的对应关系；并通过调整所述数字控制码来调整所述振荡电路的输出频率。

本发明实施例所提供的终端设备，可以根据石英晶体的频率特性构建出输出频率的变量与数字控制码之间的对应关系，并通过调整数字控制码来调整振荡电路的输出频率，使得振荡电路的输出频率偏差较小。并且整个振荡电路所采用的结构简单，元器件较少，大大降低了终端设备的成本。

以上是本发明实施例一些较佳的实施方式而已，任何人在熟悉本领域技术的前提下，在不背离本发明的精神和不超出本发明涉及的技术范围的前提下，可以对本发明描述的细节作各种补充和修改。本发明的保护范围不限于实施例所列举的范围，本发明的保护范围以权利要求为准。

Claims

1.一种频率调整的方法，其特征在于,所述方法应用于包含石英晶体以及主芯片的终端设备中，所述主芯片中的振荡电路与所述石英晶体相连接，所述方法包括：

构建所述石英晶体的负载电容C_L与所述振荡电路的输出频率f的对应关系；

构建所述振荡电路的输出频率f与数字控制码AFC之间的对应关系，所述石英晶体的负载电容C_L与所述数字控制码AFC的值呈线性关系；

通过调整所述数字控制码AFC来调整所述振荡电路的输出频率f。

2.根据权利要求1所述的频率调整方法，其特征在于：所述石英晶体的负载电容C与所述振荡电路的输出频率f的对应关系是：

f = \frac{b}{x + a} + c

3.根据权利要求2所述频率调整方法，其特征在于，在所述石英晶体的频率特性曲线上测量三个数字控制码AFC的输出频率，计算a、b、c的值。

4.根据权利要求2或3所述的频率调整方法，其特征在于，所述构建所述振荡电路的输出频率f与数字控制码AFC之间的对应关系，包括：

根据所述石英晶体的负载电容C_L与所述数字控制码AFC的值呈线性关系，以及所述构建的所述石英晶体的负载电容C_L与所述振荡电路的输出频率f的对应关系，构建所述振荡电路的输出频率f与数字控制码AFC之间的对应关系。

5.根据权利要求4所述的频率调整方法，所述输出频率f与所述数字控制码AFC之间的对应关系是：

Δppm = \frac{Δf}{f_{r}} = \frac{b}{ΔAFC + a} + c

其中，Δppm是发射信号输出频率与参考频率的偏差，△f是发射信号输出频率的变化量，f_r是发射信号的参考频率，△AFC是数字控制码的变化量。

6.根据权利要求5所述的频率调整方法，其特征在于，所述通过调整所述数字控制码AFC来调整所述振荡电路的输出频率f，包括：

将当前的AFC值加上△AFC后即为调整后的AFC值，所述调整后的AFC所对应的频率即为振荡电路的参考频率。

7.根据权利要求5所述的频率调整方法，其特征在于，所述通过调整所述数字控制码AFC来调整所述振荡电路的输出频率f，包括：

根据所述石英晶体温度变化后的信号输出频率的变化量，获得所述石英晶体的负载电容C_L与所述振荡电路的输出频率f的对应关系中的c值，重新构建温度变化后的所述石英晶体的负载电容C_L与所述振荡电路的输出频率f的对应关系，并通过调整所述数字控制码来调整所述振荡电路的输出频率。

8.一种终端设备，其特征在于，包括石英晶体以及主芯片，所述主芯片中的振荡电路与所述石英晶体相连接，所述终端设备还包括：

第一构建单元，用于构建所述石英晶体的负载电容C_L与所述振荡电路的输出频率f的对应关系；

第二构建单元，用于构建所述振荡电路的输出频率f与数字控制码AFC之间的对应关系，所述石英晶体的负载电容C_L与所述数字控制码AFC的值呈线性关系；

调整单元，用于通过调整所述数字控制码AFC来调整所述振荡电路的输出频率f。

9.根据权利要求8所述的终端设备，其特征在于：所述第一构建单元构建的石英晶体的负载电容C_L与所述振荡电路的输出频率f的对应关系是：

f = \frac{b}{x + a} + c

10.根据权利要求9终端设备，其特征在于，在所述石英晶体的频率特性曲线上测量三个数字控制码AFC的输出频率，计算a、b、c的值。

11.根据权利要求9或10所述的终端设备，其特征在于，所述第二构建单元，具体用于根据所述石英晶体的负载电容C_L与所述数字控制码AFC的值呈线性关系，以及所述构建的所述石英晶体的负载电容C_L与所述振荡电路的输出频率f的对应关系，构建所述振荡电路的输出频率f与数字控制码AFC之间的对应关系。

12.根据权利要求11所述的终端设备，所述第二构建单元构建的所述输出频率f与所述数字控制码AFC之间的对应关系是：

Δppm = \frac{Δf}{f_{r}} = \frac{b}{ΔAFC + a} + c

其中，Δppm表示为发射信号输出频率与参考频率的偏差，△f是发射信号输出频率的变化量，f_r是发射信号的参考频率，ΔAFC是数字控制码的变化量。

13.根据权利要求12所述的终端设备，其特征在于，所述调整单元具体用于：

当所述石英晶体的温度恒定时，获取发射信号的输出频率f与参考频率的偏差Δppm，计算对应的ΔAFC；

将当前的AFC值加上△AFC后即为调整后的AFC值，所述调整后的AFC所对应的频率即为振荡电路的参考频率f。

14.根据权利要求12所述的终端设备，其特征在于，所述调整单元具体用于：

根据所述石英晶体温度变化后的信号输出频率的变化量，获得所述石英晶体的负载电容C_L与所述振荡电路的输出频率f的对应关系中的c值，重新构建温度变化后的所述石英晶体的负载电容C_L与所述振荡电路的输出频率f的对应关系；并通过调整所述数字控制码来调整所述振荡电路的输出频率f。