CN104467674A - 一种压控温度补偿晶体振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压控温度补偿晶体振荡器，将温度补偿电压和调节中心频率的压控电压作为一个整体来考虑。其方案是构建以环境温度T、压控电压V为输入，输出频率为f_s的二元函数。使用时，根据当时的环境温度T_a，以及需要的输出频率f_a，通过二元函数计算得到需要的压控电压V_a，并加装压控晶体振荡器的负载变容二极管上，则晶体振荡器输出的就是需要的输出频率。本发明中整个晶体振荡器中只需要一个变容二极管，避免了现有技术的两个变容二极管构成的负载电容相互干扰问题；同时此时这个变容二极管等效的负载电容，就是晶体振荡器需要的输出频率f_a情况下的温度补偿所需要的电容值，避免了中心频率改变后引起晶体振荡器温度下降的问题。

Description

一种压控温度补偿晶体振荡器

技术领域

本发明属于晶体振荡器技术领域，更为具体地讲，涉及一种可变中心频率的压控温度补偿晶体振荡器(Voltage Controlled Temperature Compensate X’talOscillator，VCTCXO)。

背景技术

晶体振荡器利用具有压电效应的石英晶体片制成，它在受到外加交变电场的作用时会产生机械振动。由于石英晶体振荡器具有体积小、重量轻、可靠性高、频率稳定度高等优点，被广泛应用于各种通信设备中。其中使用最多的AT切型的石英晶体谐振器，其频率随温度变化关系呈三次曲线。

压控晶体振荡器(Voltage Controlled Crystal Oscillator，VCXO)由晶体谐振器(石英晶体)、变容二极管和振荡电路组成，通过控制变容二极管的电压，来改变变容二极管的电容，从而“牵引”晶体谐振器的频率，使得压控晶体振荡器输出频率可以在中心频率上下的一个范围内移动，以达到调整压控晶体振荡器输出频率的目的。

温度补偿晶体振荡器(Temperature Compensate Crystal Oscillator，TCXO)的工作原理是利用变容二极管在不同反向电压下的电容不同的特性，用一个VCXO和温度补偿网络构成。通过调节不同温度下变容二极管的电压来改变晶体谐振器(石英晶体)的负载电容，从而晶体振荡器的输出频率，最终减少晶体振荡器输出频率在整个工作温度范围内的变化，使其达到输出频率基本不随温度而变化的目的。

压控温度补偿晶体振荡器(Voltage Controlled Temperature Compensate X’talOscillator，简称VCTCXO)是同时具有温度补偿、输出频率可电压调整的晶体振荡器。它兼具了VCXO和TCXO的优点，但是结构相比更为复杂。普通VCXO和TCXO都是在独立条件下对晶振荡器的输出频率进行调节和温度稳定性补偿的，而一般的VCTCXO也都是将振荡器的温度补偿功能和输出频率调整功能进行简单叠加，这样由于调整(补偿)的非线性特性，其频率温度稳定度将下降，而且输出频率调整范围越大，频率温度稳定度将下降越多。

为了实现压控温度补偿晶体振荡器(VCTCXO)，研究人员纷纷提出了自己的构想，其总体思路都是接入两个变容二极管，一个用来补偿晶体振荡器输出频率的温度漂移，实现TCXO，另一个受外加电压控制用来调整晶体振荡器的输出中心频率，实现VCXO。目前最常用的实现方案是用两个变容二极管并联构成，一个用来补偿频率温度飘逸实现TCXO，一个用来改变振荡器的中心频率实现VCXO。如芬兰Micro Analog Systems(MAS)公司生产的MAS6270/6279VCTCXO芯片和日本Asahi Kasei公司生产的AK2151/2152 VCTCXO芯片

晶体振荡器中接入变容二极管，其本质都是改变晶体谐振器的负载电容，其输出频率受非线性方程控制，不满足线性叠加原理。因此，这种两个变容二极管并联的方案，是存在不足的，下面对此进行说明。

晶体谐振器中石英晶体(晶体谐振器)串联负载电容C_L的等效电路，如图1所示(XH Huang,D Liu,Y Wang,Y Chen,Precise Derivation for the EquivalentCircuit Parameters of a Crystal Resonator with Series Capacitor,IEEE Transactionson Ultrasonics,ferroelectrics,and Frequency Control,Vol.59,No.6,pp.1316-1317,2012.)。石英晶体的谐振频率受下面的方程约束：

${f_s}^{\′}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_1{C}_1}}\sqrt{1+\frac{C_1}{C_0+C_L}}---\left(1\right)$

其中，C₀、C₁为石英晶体的等效并串电容、L₁为石英晶体的等效电感、L₁为石英晶体的等效电阻。

变容二极管即负载电容C_L的容值受电压V控制，也就是负载电容值是电压V的函数，则为：

${f_s}^{\′}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_1{C}_1}}\sqrt{1+\frac{C_1}{C_0+C_L\left(V\right)}}---\left(2\right)$

晶体谐振器中石英晶体(晶体谐振器)串联两个并联变容二极管即负载电容C_L1、C_L2的形式如图2所示：

其压控曲线的形式为：

${f_s}^{\′}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_1{C}_1}}\sqrt{1+\frac{C_1}{C_0+C_L\left(V_T\right)+C_{L2}\left(V_C\right)}}---\left(3\right)$

式(3)中C_L1(V_T)是晶体振荡器温度补偿(TCXO)中所需的随温度变化的等效负载电容值，C_L2(V_C)是晶体振荡器压控(VCXO)中改变晶体振荡器输出中心频率所需的随外加控制电压变化的变容二极管等效负载电容值。

式(3)是一个非线性方程，显然不满足线性叠加原理，实际上在改变晶体振荡器输出中心频率后会引起振荡器频率温度特性曲线的旋转(J.R.Vig,“Quartz crystal resonators and oscillators for frequency control and timingapplications-a tutorial”[Online].Available:http://www.ieee-uffc.org)，这样即使频率温度特性曲线发生了改变。这样晶体振荡器输出中心频率改变后，由于频率温度特性曲线已发生变化，同样的一组温度补偿数据将会引起晶体振荡器温度稳定度的下降，所以这种使用两个电容相加的方案的VCTCXO，在改变中心频率后会引起晶体振荡器温度稳定度的下降。

为了改善上述方案的不足，其他学者也提出了在一个晶片上分别实现两个晶体谐振器的方案(Y.Ueno,H.Shimizu,Voltage controlled temperaturecompensated crystal oscillator using 2-port crystal resonator,Proceedings of the45th Annual Symposium on Frequency Control,pp.418–425,1991)，但这种方案工艺复杂，而且这两个晶体谐振器之间仍然是存在相互(声)耦合的，这限制它的实际使用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术两个变容二极管控制的不足，提供一种压控温度补偿晶体振荡器(Voltage Controlled Temperature Compensate X’talOscillator，VCTCXO)，以避免中心频率改变后引起晶体振荡器温度下降的问题。

为实现上述发明目的，本发明压控温度补偿晶体振荡器，包括压控晶体振荡器、温度传感器、ARM控制单元，其特征在于，所述的压控晶体振荡器中只有一个负载变容二极管；

首先获取二元函数f_s＝g(T,V)；计算机控制温箱到不同的温度点T₁,T₂,T₃,……,T_m，计算机通过ARM控制单元读取温度传感器采集的温箱温度即压控晶体振荡器的环境温度T₁,T₂,T₃,……,T_m，在每个温度点，计算机通过ARM控制单元输出依次输出压控电压V₁,V₂,V₃,……,V_n到压控晶体振荡器的负载变容二极管上，通过频率计测得m组输出频率为f₁₁,f₁₂,f₁₃,……,f_1n；f₂₁,f₂₂,f₂₃,……,f_2n；f₃₁,f₃₂,f₃₃,……,f_3n；……；f_m1,f_m2,f_m3,……,f_mn；其中，第i个温度点，依次输出的压控电压V₁,V₂,V₃,……,V_n得到的一组输出频率为f_i1,f_i2,f_i3,……,f_in，这样得到以下数组：

(T₁,V₁,f₁₁)，(T₁,V₂,f₁₂)，(T₁,V₃,f₁₃),…,(T₁,V_n,f_1n)

(T₂,V₁,f₂₁)，(T₂,V₂,f₂₂)，(T₂,V₃,f₂₃),…,(T₂,V_n,f_2n)

(T₃,V₁,f₃₁)，(T₃,V₂,f₃₂)，(T₃,V₃,f₃₃),…,(T₃,V_n,f_3n)

                        .

                        .

                        .

(T_m,V₁,f_m1)，(T_m,V₂,f_m2)，(T_m,V₃,f_m3),L,(T_m,V_n,f_mn)

根据上述数组即得到的m组输出频率以及对应的环境温度T、压控电压V进行二元函数拟合，得到二元函数：

f_s＝g(T,V)

其中，f_s为压控温度补偿晶体振荡器输出频率；

然后将二元函数导入ARM控制单元中；

最后，在使用时，ARM控制单元根据需要的输出频率fs以及压控晶体振荡器的环境温度T，通过二元函数f_s＝g(T,V)，计算得到需要加载的压控电压V并加装压控晶体振荡器的负载变容二极管，即可得温度补偿后的压控输出频率。

本发明的目的是这样实现的。

由于晶体谐振器串联负载电容的输出频率，是受非线性方程控制的，其不满足线性叠加原理。现有技术中采用两个变容二极管的等效电容，一个温度补偿，一个作为压控电容的方案，忽略了这种非线性关系，因而会带来误差。

为了解决这个问题，本发明压控温度补偿晶体振荡器系统将温度补偿电压和调节中心频率的压控电压作为一个整体来考虑。其方案是构建以环境温度T、压控电压V为输入，输出频率为fs的二元函数关系，即：

f_s＝g(T,V)   (4)

使用时，根据当时的环境温度T_a，以及需要的输出频率f_a，通过f_a＝g(T_a,V_a)计算得到需要的压控电压V_a并加装压控晶体振荡器的负载变容二极管上，则晶体振荡器输出的就是需要的输出频率。注意本发明中整个晶体振荡器中只需要一个变容二极管，避免了现有技术的两个变容二极管构成的负载电容相互干扰问题；同时此时这个变容二极管等效的负载电容，就是晶体振荡器需要的输出频率f_a情况下的温度补偿所需要的电容值，避免了中心频率改变后引起晶体振荡器温度下降的问题。

附图说明

图1是石英晶体串联负载电容的等效电路图；

图2是石英晶体串联两个并联的负载电容的等效电路图；

图3是本发明中二元函数f_s＝g(T,V)获取系统框图；

图4是本发明中不同温度下的压控曲线仿真图，其中一根线段是同一温度下的压控曲线；

图5是本发明中拟合后的函数f_s＝g(T,V)示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

在本发明中，压控晶体振荡器只有一个负载变容二极管，将温度补偿电压和调节中心频率的压控电压作为一个整体来考虑。其方案是构建以环境温度T、压控电压V为输入，输出频率为f_s的二元函数关系，因此，如何得到二元函数关系(4)是具体实施例的关键。本发明采用直接测量函数关系的方法，同时由于测量的点是有限的，所以采用拟合的方法来获取全部的函数信息。也就是根据测量得到多组输出频率以及每个频率测量时的环境温度T、压控电压V的数据。再通过二元函数拟合，得到二元函数f_s＝g(T,V)。

图3是本发明中二元函数f_s＝g(T,V)获取系统框图。

具体实施分两步。第一步测量有限组的输出频率f_s和环境温度T、压控电压V的数据，再通过二元函数拟合，得到二元函数f_s＝g(T,V)。第二步，将二元函数导入ARM控制单元，然后就可以正常使用了。

在本实施例中，VCXO是压控晶体振荡器，18B20是温度传感器。ARM控制单元采用的是意法半导体公司的STM32F103RCT6。虚线以内的器件即压控温度补偿晶体振荡器VCTCXO放置于温箱内，通过USB传输线与计算机实现通信。其工作时，可以通过计算机(PC)控制压控温度补偿晶体振荡器中的ARM控制单元读取18B20的温度信息，还可以控制压控晶体振荡器VCXO的压控电压即压控晶体振荡器中的负载变容二极管两端的电压，以调控输出频率f_s和温度补偿，同时也能在计算机(PC)实时读出压控电压的值。

第一步，先调控温箱到具体的温度点,如T₁点，测量此时的控制曲线，即此时的输出频率f_s和与压控电压V的关系，如图4中线段所示。这些线段就是具体温度点的负载变容二极管的电压控制曲线，一根线段是同一温度下的压控曲线。得到一组环境温度、压控电压及输出频率：

(T₁,V₁,f₁₁)，(T₁,V₂,f₁₂)，(T₁,V₃,f₁₃),…,(T₁,V_n,f_1n)；

再移动温度点，最后得到大量的不同温度下的电压控制曲线如图4所示。即得到：

(T₁,V₁,f₁₁)，(T₁,V₂,f₁₂)，(T₁,V₃,f₁₃),…,(T₁,V_n,f_1n)

(T₂,V₁,f₂₁)，(T₂,V₂,f₂₂)，(T₂,V₃,f₂₃),…,(T₂,V_n,f_2n)

(T₃,V₁,f₃₁)，(T₃,V₂,f₃₂)，(T₃,V₃,f₃₃),…,(T₃,V_n,f_3n)。

                       .

                       .

                       .

(T_m,V₁,f_m1)，(T_m,V₂,f_m2)，(T_m,V₃,f_m3),L,(T_m,V_n,f_mn)

然后将这些数据进行二元函数拟合，则得到二元函数f_s＝g(T,V)，如图5所示。

第二步，将二元函数，导入ARM控制单元，储存待用。压控温度补偿晶体振荡器框图如图3所示。

使用时，根据ARM控制单元根据需要的输出频率f_s以及压控晶体振荡器的环境温度T，通过二元函数f_s＝g(T,V)，计算得到需要加载的压控电压V并加装压控晶体振荡器的负载变容二极管，即可得温度补偿后的压控输出频率。例如，在T_a温度，需要输出频率为f_a，根据函数f_s＝g(T,V)，计算得到此时的压控电压值V_a，压控电压值V_a是本发明压控温度补偿晶体振荡器输出需要的频率f_a情况下的温度补偿所需要的控制电压。将此电压值加载在压控端，则输出频率为f_a。

在本实施例中，压控温度补偿晶体振荡器(VCTCXO)，其标称频率可以是1-250MHz范围。

在本实施例中，压控温度补偿晶体振荡器中的晶体谐振器可以是石英，也可以是鉭酸锂、铌酸锂和镓镧系(LGX)及MEMS等多种谐振器。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种压控温度补偿晶体振荡器，包括压控晶体振荡器、温度传感器、ARM控制单元，其特征在于，所述的晶体振荡器中只有一个负载变容二极管；

首先获取二元函数f_s＝g(T,V)；计算机控制温箱到不同的温度点T₁,T₂,T₃,……,T_m，计算机通过ARM控制单元读取温度传感采集的温箱温度即压控晶体振荡器的环境温度T₁,T₂,T₃,……,T_m，在每个温度点，计算机通过ARM控制单元输出依次输出压控电压V₁,V₂,V₃,……,V_n到压控晶体振荡器的负载变容二极管上，通过频率计测得m组输出频率为f₁₁,f₁₂,f₁₃,……,f_1n；f₂₁,f₂₂,f₂₃,……,f_2n；f₃₁,f₃₂,f₃₃,……,f_3n；……；f_m1,f_m2,f_m3,……,f_mn；其中，第i个温度点，依次输出的压控电压V₁,V₂,V₃,……,V_n得到的一组输出频率为f_i1,f_i2,f_i3,……,f_in，这样得到以下数组：

$\begin{array}{c}(T_1,V_1,f_{11}),(T_1,V_2,f_{12}),(T_1,V_3,f_{13}),\·\·\·,(T_1,V_n,f_{1n})\\ (T_2,V_1,f_{21}),(T_2,V_2,f_{22}),(T_2,V_3,f_{23}),\·\·\·,(T_2,V_n,f_{2n})\\ (T_3,V_1,f_{31}),(T_3,V_2,f_{32}),(T_3,V_3,f_{33}),\·\·\·,(T_3,V_n,f_{3n})\\ \·\\ \·\\ \·\\ (T_m,T_1,f_{m1}),(T_m,V_2,f_{m2}),(T_m,V_3,f_{m3}),L,(T_m,V_n,f_{\mathrm{mn}})\end{array}$

根据上述数组即得到的m组输出频率以及对应的环境温度T、压控电压V进行二元函数拟合，得到二元函数：

f_s＝g(T,V)

其中，f_s为压控温度补偿晶体振荡器输出频率；

然后将二元函数导入ARM控制单元中；

最后，在使用时，ARM控制单元根据需要的输出频率f_s以及压控晶体振荡器的环境温度T，通过二元函数f_s＝g(T,V)，计算得到需要加载的压控电压V并加装压控晶体振荡器的负载变容二极管，即可得温度补偿后的压控输出频率。

2.根据权利要求1所述的晶体振荡器，其特征在于，压控温度补偿晶体振荡器(VCTCXO)的标称频率可以是1-250MHz范围。

3.根据权利要求1所述的晶体振荡器，其特征在于压控温度补偿晶体振荡器中的晶体谐振器可以是石英，也可以是鉭酸锂、铌酸锂和镓镧系(LGX)及MEMS等多种谐振器。