CN106603011A - 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，在现有的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，采用一个变容二极管，通过二元函数拟合，避免的两个变容二极管构成的负载电容相互干扰问题以及中心频率改变后引起晶体振荡器温度下降问题的基础上，通过增加调试/工作开关对用户(PC)输出频率控制的控制电压以及ARM控制单元输出的压控电压进行切换，使得压控温度补偿晶体振荡器能适应用户(PC)输出频率控制为控制电压的情形；同时，由于调试状态时，对重新采集了控制电压V₀以及环境温度T₀，并重新计算了二元函数中的频率f₀，这样减少了拟合缺陷带来的压控电压V′₀的计算误差，从而提高压控输出频率的准确度。

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。

压控石英晶体振荡器(Voltage Controlled Crystal Oscillator，VCXO)由石英晶体谐振器、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”石英晶体谐振器的频率，使得压控石英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。

温度补偿石英晶体振荡器(Temperature Compensate Crystal Oscillator，TCXO)的工作原理是采用变容二极管反向电压的温度特性控制方法，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级管的电压来改变晶体的负载电容，从而调整振荡器的输出频率。

压控温度补偿晶体振荡器(Voltage Controlled Temperature Compensate X’tal Oscillator，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。

通常采用并联(或串联)两个电容的方式来组成VCTCXO，一个电容用来温度补偿，一个电容用来做来压控端。例如芬兰Micro Analog Systems Oy(MAS)公司生产的MAS6270VCTCXO芯片。其中并联两个电容的示意图如图1所示，一个电容用来补偿温度产生的频率漂移。一个电容作为压控中心频率。

为了得到更好地温度频率曲线，研究人员纷纷提出了自己的构想。其总体思路仍然都是如图1所示的接入两个负载电容，一个用来补偿频率的温度漂移，实现TCXO，一个用来做压控端，实现VCXO(Y.Ueno,H.Shimizu,Voltage controlled temperaturecompensated crystal oscillator using 2-port crystal resonator,Proceedings ofthe 45th Annual Symposium on Frequency Control,pp.418–425,1991)。

晶体振荡器串联负载电容，其输出频率受非线性方程控制，不满足线性叠加原理。因此，这种两个电容的方案，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2所示(XHHuang,D Liu,Y Wang,Y Chen,Precise Derivation for the Equivalent CircuitParameters of a Crystal Resonator with Series Capacitor,IEEE Transactions onUltrasonics,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：

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：

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1所示：

其压控曲线的形式为：

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 crystalresonators and oscillators for frequency control and timing applications-atutorial”[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。

申请人在2014年12月29日提出了一种名称为“压控温度补偿晶体振荡器”的发明专利申请(公布号为CN104467674A)，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，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。

然而，在上述发明专利申请中，由于实际使用时，用户(PC)输出的为控制电压而非所需要的频率，因此，如何将上述方案与实际用户输出的控制电压相结合，输出所需要的频率是需要解决的问题。同时，二元函数是拟合的，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并加载到压控晶体振荡器的负载变容二极管，得到的温度补偿后的压控输出频率仍然存在较大误差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种压控温度补偿晶体振荡器(Voltage Controlled Temperature Compensate X’tal Oscillator，VCTCXO)，以适应用户(PC)输出频率控制为控制电压，同时，提高压控输出频率的准确度。

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，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)；计算机控制压控晶体振荡器的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；

其特征在于，还包括一个调试/工作开关；

在使用时，首先进入调试状态，调试/工作开关将用户(计算机)输出的控制电压一方面输入到压控晶体振荡器作为压控电压，另一方面也输入到ARM控制单元，同时，调试/工作开关断开ARM控制单元输出的压控电压；

用户连续调节控制电压，使得压控温度补偿晶体振荡器输出频率连续变化，以便于找到用户需要的频率，当达到需要频率后，进入工作模式；此时ARM控制单元分以下三步工作：

第一步：采集控制电压V₀，同时采集此时刻的环境温度T₀；

第二步：根据二元函数f_s＝g(T,V)，计算得到此时的频率为f₀＝g(T₀,V₀)；

第三步：调试/工作开关断开用户(计算机)输出，同时，将ARM控制单元输出的压控电压V′₀输入到压控晶体振荡器作为压控电压；压控电压V′₀根据二元函数f_s＝g(T,V)，依据当前的环境温度T′₀计算出来，即将第二步计算得到的频率f₀以及当前的环境温度T′₀代入公式f₀＝g(T′₀,V′₀)中，计算得到压控电压V′₀；

当前的环境温度T′₀变化时，通过公式f₀＝g(T′₀,V′₀)，计算得到需要加载的压控电压V′₀，同时将压控电压V′₀加载在压控晶体振荡器上，从而实现温度补偿。

本发明的目的是这样实现的。

本发明压控温度补偿晶体振荡器，在现有的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，采用一个变容二极管，通过二元函数拟合，避免的两个变容二极管构成的负载电容相互干扰问题以及中心频率改变后引起晶体振荡器温度下降问题的基础上，通过增加调试/工作开关对用户(PC)输出频率控制的控制电压以及ARM控制单元输出的压控电压进行切换，使得压控温度补偿晶体振荡器能适应用户(PC)输出频率控制为控制电压的情形；同时，由于调试状态时，对重新采集了控制电压V₀以及环境温度T₀，并重新计算了二元函数中的频率f₀，这样减少了拟合缺陷带来的压控电压V′₀的计算误差，从而提高压控输出频率的准确度。

附图说明

图1是石英晶体串联两个并联的负载电容的电路图；

图2是石英晶体串联负载电容的等效电路图；

图3是二元函数f_s＝g(T,V)获取系统框图；

图4是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；

图6是补偿后效果示意图

图7是本发明压控温度补偿晶体振荡器一种具体实施方式原理框图。

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，首先需要二元函数f_s＝g(T,V)。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：

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，通过拟合，由多组三维点，得到了一个曲面，这个曲面就是二元函数f_s＝g(T,V)。补偿后的效果如图6所示。

第二步，将二元函数，导入ARM控制单元，储存待用。

为了适应用户(PC)输出频率控制为控制电压，并使频率连续受控变化，有两种实施方案。两种实施方案均由工作模式开关决定。在工作模式2下，还分为调试态和工作态，并由调试/工作开关选定；

1、工作模式1

如图7所示，工作模式开关5使开关k1接通，用户(计算机)输出的控制电压直接输入到ARM控制单元1，使开关k2断开，截断用户(计算机)输出的控制电压到压控晶体振荡器2，使开关k3接通，使ARM控制单元1输出的压控电压输入到压控晶体振荡器2；

先建立一个控制电压V₀与输出频率f₀的对应函数关系，一般采用线性关系。假设此关系为f₀＝h(V₀)，则使用时，先根据f₀＝h(V₀)计算得到需要输出频率为f₀，再通过温度传感器3获取当前环境温度T₀。然后将f₀作为f_s，T₀作为T代入二元函数f_s＝g(T,V)中，通过函数f₀＝g(T₀,V₀)计算出V，即得到需要加载在压控晶体振荡器2压控端上的压控电压V′₀，在将压控电压V′₀加载在压控晶体振荡器2压控端上压控端，则得到需要输出的频率。由于f₀＝h(V₀)是连续的，则输出频率也是连续的，可以控制电压V₀的大小来需找需要的频率；

2、工作模式2

如图7所示，工作模式开关5使能调试/工作开关4。在工作模式2下，先进入调试态，调试/工作开关4使开关k1断开，使开关k2接通，将用户(计算机)输出的控制电压V₀方面输入到压控晶体振荡器2作为压控电压，另一方面也输入到ARM控制单元1，同时，调试/工作开关4使开关k3断开，从而断开ARM控制单元1输出的压控电压V′₀；

用户连续调节控制电压V₀，使得压控温度补偿晶体振荡器输出频率连续变化，以便于找到用户需要的频率，当达到需要频率后，进入工作模式；此时ARM控制单元分1以下三步工作：

第一步：采集控制电压V₀，同时采集此时刻的环境温度T₀；

第二步：根据二元函数f_s＝g(T,V)，计算得到此时的频率为f₀＝g(T₀,V₀)，即将T₀,V₀作为T、V代入得到频率f_s，即f₀；

第三步：调试/工作开关4使开关k1、k2断开，从而断开用户(计算机)输出，同时，调试/工作开关4使开关k3接通，将ARM控制单元1输出的压控电压V′₀输入到压控晶体振荡器作为压控电压；压控电压V′₀根据二元函数f_s＝g(T,V)，依据当前的环境温度T′₀计算出来，即将第二步计算得到的频率f₀以及当前的环境温度T′₀代入公式f₀＝g(T′₀,V′₀)中，计算得到压控电压V′₀；

当前的环境温度T′₀变化时，通过公式f₀＝g(T′₀,V′₀)，计算得到需要加载的压控电压V′₀，同时将压控电压V′₀加载在压控晶体振荡器上，输出频率为f_out即用户需要的频率，从而实现温度补偿。

由于调试状态时，对重新采集了控制电压V₀以及环境温度T₀，并重新计算了二元函数中的频率f₀，这样减少了拟合缺陷带来的压控电压V′₀的计算误差，从而提高压控输出频率f_out的准确度，即与用户需要的频率偏差缩小。

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 (2)

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，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)；计算机控制压控晶体振荡器的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；

其特征在于，还包括一个调试/工作开关；

在使用时，首先进入调试状态，调试/工作开关将用户(计算机)输出的控制电压一方面输入到压控晶体振荡器作为压控电压，另一方面也输入到ARM控制单元，同时，调试/工作开关断开ARM控制单元输出的压控电压；

用户连续调节控制电压，使得压控温度补偿晶体振荡器输出频率连续变化，以便于找到用户需要的频率，当达到需要频率后，进入工作模式；此时ARM控制单元分以下三步工作：

第一步：采集控制电压V₀，同时采集此时刻的环境温度T₀；

第二步：根据二元函数f_s＝g(T,V)，计算得到此时的频率为f₀＝g(T₀,V₀)；

第三步：调试/工作开关断开用户(计算机)输出，同时，将ARM控制单元输出的压控电压V₀′输入到压控晶体振荡器作为压控电压；压控电压V₀′根据二元函数f_s＝g(T,V)，依据当前的环境温度T₀′计算出来，即将第二步计算得到的频率f₀以及当前的环境温度T₀′代入公式f₀＝g(T₀′,V₀′)中，计算得到压控电压V₀′；

当前的环境温度T₀′变化时，通过公式f₀＝g(T₀′,V₀′)，计算得到需要加载的压控电压V₀′，同时将压控电压V₀′加载在压控晶体振荡器上，从而实现温度补偿。

2.根据权利要求1所述的晶体振荡器，其特征在于，还包括一工作模式开关以及开关k1、k2、k3，具有两种工作模式：

(1)、工作模式1

工作模式开关使开关k1接通，用户(计算机)输出的控制电压直接输入到ARM控制单元，使开关k2断开，截断用户(计算机)输出的控制电压到压控晶体振荡器，使开关k3接通，使ARM控制单元输出的压控电压输入到压控晶体振荡器；

先建立一个控制电压V₀与输出频率f₀的对应函数关系，一般采用线性关系。假设此关系为f₀＝h(V₀)，则使用时，先根据f₀＝h(V₀)计算得到需要输出频率为f₀，再通过温度传感器获取当前环境温度T₀。然后将f₀作为f_s，T₀作为T代入二元函数f_s＝g(T,V)中，通过函数f₀＝g(T₀,V₀)计算出V，即得到需要加载在压控晶体振荡器控端上的压控电压V₀′，在将压控电压V₀′加载在压控晶体振荡器压控端上压控端，则得到需要输出的频率。由于f₀＝h(V₀)是连续的，则输出频率也是连续的，可以控制电压V₀的大小来需找需要的频率；

(2)、工作模式2

工作模式开关使能调试/工作开关。在工作模式2下，先进入调试态，调试/工作开关使开关k1断开，使开关k2接通，将用户(计算机)输出的控制电压V₀方面输入到压控晶体振荡器作为压控电压，另一方面也输入到ARM控制单元，同时，调试/工作开关使开关k3断开，从而断开ARM控制单元输出的压控电压V₀′；

用户连续调节控制电压V₀，使得压控温度补偿晶体振荡器输出频率连续变化，以便于找到用户需要的频率，当达到需要频率后，进入工作模式；此时ARM控制单元分以下三步工作：

第一步：采集控制电压V₀，同时采集此时刻的环境温度T₀；

第二步：根据二元函数f_s＝g(T,V)，计算得到此时的频率为f₀＝g(T₀,V₀)，即将T₀,V₀作为T、V代入得到频率f_s，即f₀；

第三步：调试/工作开关使开关k1、k2断开，从而断开用户(计算机)输出，同时，调试/工作开关使开关k3接通，将ARM控制单元输出的压控电压V₀′输入到压控晶体振荡器作为压控电压；压控电压V₀′根据二元函数f_s＝g(T,V)，依据当前的环境温度T₀′计算出来，即将第二步计算得到的频率f₀以及当前的环境温度T₀′代入公式f₀＝g(T₀′,V₀′)中，计算得到压控电压V₀′；

当前的环境温度T₀′变化时，通过公式f₀＝g(T₀′,V₀′)，计算得到需要加载的压控电压V₀′，同时将压控电压V₀′加载在压控晶体振荡器上，输出频率为f_out即用户需要的频率，从而实现温度补偿。