CN104467816A - 一种晶体振荡器的温度补偿系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种晶体振荡器的温度补偿系统，采用傅里叶函数基进行拟合，实验证明，傅里叶函数基包含有更为丰富的高次信息，这样，采用傅里叶函数基拟合补偿曲线，同等参数个数下，可以含有更为丰富的高次信息，从而可以获得更高的温度补偿精度。此外，本发明晶体振荡器的温度补偿系统，在上位机(PC)和ARM控制单元实现了实时通信，这种温度补偿系统得到的控制电压V已经考虑了温度补偿振荡器电路的实际工作状态效应和温度补偿振荡器内部参考电压的精度是不够的这两种效应的影响。

Description

一种晶体振荡器的温度补偿系统

技术领域

本发明属于晶体振荡器技术领域，更为具体地讲，涉及一种晶体振荡器(Temperature Compensate Crystal Oscillator,以下简称TCXO)的温度补偿系统，用于改善温度补偿，提高晶体振荡器输出频率的稳定性。

背景技术

晶体振荡器广泛应用于电子信息产业，精密的晶体振荡器对通信、电子仪器、航空航天、国防军工等领域的技术发展有重要作用。

随着环境温度的变化，晶体振荡器输出频率会发生漂移。这种输出频率随温度变化的情况如图1所示，通常定义这种图形为频率—温度特性曲线。

为了改善振荡器的频率温度特性，人们采用了许多补偿办法，其中，微机补偿晶体振荡器(Microcomputer Compensated Crystal Oscillator,简称MCXO)就是其中之一。其思路是，在不同的温度点，加载不同电压于晶体振荡器的负载变容二极管上，以便于将晶体振荡器输出频率拉回到固定的值，通常命名此时的加载电压为补偿电压。补偿电压随温度变化的曲线，如图2所示。将补偿曲线导入MCXO，工作时，MCXO以补偿曲线为依据，根据温度传感器获取的温度信息输出相应的补偿电压，从而达到修正晶体振荡器输出频率的目的。

但是补偿曲线的采样点是有限的，如图2中，方框所示位置，就是实验获取的采样点。对于采样点之间的位置，可采用直线段插值的方法来填充(MQ Li,XH Huang,“A novel microcomputer temperature-compensating method for anovertone crystal oscillator”,IEEE transaction on ferroelectrics and frequency control,vol.52,No.11,pp.1919-1922,2005)。也可采用其他拟合插值的方法来填补采样点与采样点之间的空间，以提高精度。例如Micro Analog Systems公司出品的MAS6279、MAS6270采用多项式拟合插值来填补采样点与采样点之间的空间。即采用多项式函数基来拟合，且是5次多项式或者3次多项式。

3次多项式的形式为

f(x)＝a₀+a₁x+a₂x²+a₃x³          (1)

5次多项式的形式为

f(x)＝a₀+a₁x+a₂x²+a₃x³+a₄x⁴+a₅x⁵          (2)

其中，x为晶体振荡器的环境温度，f(x)为输出的补偿电压。多项式的次数越高其参数(系数a₀～a_m)也就越多。同时，采用更高的次数，显然其精度越高。因为如果高次项的系数为0的话，高次多项式就退化为低次多项式的形式。例如5次多项式中，如果a₄、a₅为0，就退化为3次多项式的形式。其实，5次多项式是包含3次多项式的，所以次数越高，精度越高。

然而次数越高，其参数也就越多。在将补偿系统芯片化时，希望参数越少越好。例如Micro Analog Systems公司出品的MAS6279、MAS6270甚至都忽略了2次项a₂。也就是存在参数个数与补偿精度相互竞争的矛盾，即参数越多精度越高。怎样用尽量少的参数，取得更高的精度，是本发明需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种晶体振荡器的温度补偿系统，以尽量少的参数，获得更高的温度补偿精度。

为实现上述发明目的，本发明晶体振荡器的温度补偿系统，包括压控晶体振荡器、温度传感器、ARM控制单元，其特征在于：

使用中，控制温箱到具体的温度点，PC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，同时通过频率计读出输出频率；PC通过ARM控制单元输出补偿电压到压控晶体振荡器的负载变容二极管上，使得输出频率保持在设定值；

依次改变温箱温度，并输出补偿电压进行补偿，这样得到一组温度—补偿电压数据；

其特征在于，PC根据所述的一组温度—补偿电压数据，用傅里叶函数基进行拟合，得到函数基的参数，然后送入ARM控制单元；

ARM控制单元根据函数基的参数，计算得到补偿曲线；

在使用时，ARM控制单元通过温度传感器获得温箱温度，然后以补偿曲线为依据，根据温箱温度查找补偿电压，并经补偿电压加载到压控晶体振荡器的负载变容二极管上，修正晶体振荡器输出频率。

本发明的目的是这样实现的。

本发明采用傅里叶函数基进行拟合，实验证明，傅里叶函数基包含有更为丰富的高次信息，这样，采用傅里叶函数基拟合补偿曲线，同等参数个数下，可以含有更为丰富的高次信息，从而可以获得更高的温度补偿精度。此外，本发明晶体振荡器的温度补偿系统，在上位机(PC)和ARM控制单元实现了实时通信，这种温度补偿系统得到的控制电压V已经考虑了温度补偿振荡器电路的实际工作状态效应和温度补偿振荡器内部参考电压的精度是不够的这两种效应的影响。

附图说明

图1是晶体振荡器的频率—温度特性曲线图；

图2是晶体振荡器补偿电压随温度变化的曲线示意图；

图3是本发明晶体振荡器的温度补偿系统一种具体实施方式的原理框图；

图4是本发明晶体振荡器的温度补偿系统进行验证实验的补偿效果对照曲线图。

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。

本发明设计了一种用同等参数个数，取得较高补偿精度的晶体振荡器的温度补偿系统。使用本系统，可以在采用同等参数个数情况下，提高补偿精度，从而改善晶体振荡器输出频率的温度稳定性。

正弦函数、余弦函数可以展开为如下的级数形式：

$\sin x=\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^n\frac{1}{(2n+1)!}{x}^{2n+1}=x-\frac{1}{6}{x}^3+...---\left(3\right)$

$\cos x=\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^n\frac{1}{\left(2n\right)!}{x}^{2n}=1-\frac{1}{2}{x}^2+...---\left(4\right)$

函数展开为傅里叶级数为：

$f\left(x\right)=\underset{m=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}[a_m\cos \left(\mathrm{m\ωx}\right)+b_m\sin \left(\mathrm{m\ωx}\right)]---\left(5\right)$

将(3)(4)带入(5)得到：

$f\left(x\right)=\underset{m=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}[a_m\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^n\frac{1}{\left(2n\right)!}{\left(\mathrm{m\ωx}\right)}^{2n}+b_m\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^n\frac{1}{(2n+1)!}{\left(\mathrm{m\ωx}\right)}^{2n+1}]---\left(6\right)$

整理得到：

$f\left(x\right)=\underset{m=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left\{a_m\right[1-\frac{1}{2}{\left(\mathrm{m\ωx}\right)}^2+\frac{1}{24}{\left(\mathrm{m\ωx}\right)}^4+...]+b_m[\mathrm{m\ωx}-\frac{1}{6}{\left(\mathrm{m\ωx}\right)}^3+\frac{1}{120}{\left(\mathrm{m\ωx}\right)}^5+...\left]\right\}---\left(7\right)$

进一步化简为

$f\left(x\right)=\underset{m=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{a}_m+\underset{m=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{b}_m\mathrm{m\ωx}-\frac{1}{2}\underset{m=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{a}_m{\left(\mathrm{m\ω}\right)}^2{x}^2-\frac{1}{6}\underset{m=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{b}_m{\left(\mathrm{m\ω}\right)}^3{x}^3+...---\left(8\right)$

由此可见，傅里叶函数基可以转换为多项式函数基。并且采用傅里叶函数基，即使采用较少的参数也可以包含很丰富的高次信息。因此采用傅里叶函数基拟合补偿曲线，同等参数个数下，含有更丰富的高次信息。

同时，在本实施例中，晶体振荡器的温度补偿系统通过USB连接PC，实现了PC和ARM控制单元(MCU)之间的通信。此外，ARM控制单元能实时读取温度传感器数据和并控制加载在压控晶体振荡器上的补偿电压，从而实现了微处理机温度补偿晶振的在线补偿。这样采用发明晶体振荡器的温度补偿系统，在线补偿方法得到的补偿电压(计算拟合中需要的电压V)已计入了MCXO实际电路工作状态的影响，也考虑了MCXO内部基准电压准确度不够的影响，这是温度补偿需要的更真实的电压，这对提高晶体振荡器的温度补偿精度是有利的。

图3是本发明晶体振荡器的温度补偿系统一种具体实施方式的原理框图。

在本实施例中，如图3所示，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ARM控制单元、压控晶体振荡器以及温度传感器放置于温箱内，ARM控制单元通过USB传输线与PC(个人计算机)实现通信。

本发明晶体振荡器的温度补偿系统工作时，可以通过PC控制控制ARM单元读取温度传感器18B20的温度信息，同时还可以控制VCXO的补偿电压，以调控输出频率f_out，同时也能在PC端实时读出控制电压值，这样我们的温度补偿方案具有实时的特点。先调控温箱到具体的温度点，在此温度点，通过频率计读出输出频率，调控VCXO的压控电压值，使得输出频率为设定值，这些数据即对应温度点的补偿电压值。改变温箱温度，即得到一组温度——补偿电压数据。

对这些数据，用傅里叶函数基进行拟合，计算得到函数基的参数。最后，将参数信息输入ARM控制单元。ARM控制单元以参数为基础，通过计算得到补偿曲线。使用时，通过温度传感器18B20获得温度信息，ARM控制单以补偿曲线为依据，根据温度查找补偿电压，将补偿电压加载在压控晶体振荡器VCXO变容二极管上，从而实现补偿输出频率的目的。

图4是本发明晶体振荡器的温度补偿系统进行验证实验的补偿效果对照曲线图。

在本实施例中，补偿的效果如图4所示。图4中，傅里叶函数基拟合采用的是6参数，即：

f(x)＝a₀+a₁cos(ωx)+b₁sin(ωx)+a₂cos(2ωx)+b₂sin(2ωx)      (9)

其中，x为压控晶体振荡器的环境温度，f(x)为输出的补偿电压，ω、a₀、a₁、a₂、b₁、b₂为需要拟合的参数。

多项式拟合采用的5次多项式，也是6参数，即

f(x)＝a₀+a₁x+a₂x²+a₃x³+a₄x⁴+a₅x⁵      (10)

其中，a₀、a₁、a₂、a₃、a₄、a₅为需要拟合的参数。

实际实验结果表明：同样6参数的情况下，在-30—+60℃温度范围内，采用傅里叶函数基拟合的频率温度偏移量为±0.2799ppm，而采用5次多项式拟合的频率温度偏移量为±0.5249ppm。显然采用傅里叶函数基拟合的本发明晶体振荡器的温度补偿系统，其补偿精度更高。

在具体实施过程，压控晶体振荡器的工作泛音次数可为基频,也可为3次和5次等高次泛音。

压控晶体振荡器中采用的谐振器可以是石英，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)

1.一种晶体振荡器的温度补偿系统，包括压控晶体振荡器、温度传感器、ARM控制单元，其特征在于：

使用中，控制温箱到具体的温度点，PC(个人计算机)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，同时通过频率计读出输出频率；PC通过ARM控制单元输出补偿电压到压控晶体振荡器的负载变容二极管上，使得输出频率保持在设定值；

依次改变温箱温度，并输出补偿电压进行补偿，这样得到一组温度—补偿电压数据；

其特征在于，PC根据所述的一组温度—补偿电压数据，用傅里叶函数基进行拟合，得到函数基的参数，然后送入ARM控制单元；

ARM控制单元根据函数基的参数，计算得到补偿曲线；

在使用时，ARM控制单元通过温度传感器获得温箱温度，然后以补偿曲线为依据，根据温箱温度查找补偿电压，并经补偿电压加载到控晶体振荡器的负载变容二极管上，修正晶体振荡器输出频率。

2.根据权利要求1所述的补偿系统，其特征在于，所述拟合函数基采用傅立叶函数基，在本例中所述傅里叶函数基拟合采用的是6参数，即：

f(x)＝a₀+a₁cos(ωx)+b₁sin(ωx)+a₂cos(2ωx)+b₂sin(2ωx)

其中，x为压控晶体振荡器的环境温度，f(x)为输出的补偿电压，ω、a₀、a₁、a₂、b₁、b₂为需要拟合的参数。

3.根据权利要求2所述的补偿系统，其特征在于，所述压控晶体振荡器的工作泛音次数可为基频,也可为3次和5次等高次泛音。