CN107248845A - 一种基于数字电路的温度补偿晶体振荡器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于数字电路的温度补偿晶体振荡器，采用闭环式补偿构架来实现晶体振荡器的高精度补偿。首先采用功分器将温度补偿晶体振荡器输出的所需频率信号分成两路，其中一路输出，一路送入模数转换器转换为二进制编码形式的频率值，送回微处理器中，通过事先存入的频率值‑补偿电压值二进制编码表，查表得到所需补偿电压值，然后由补偿网络将补偿电压值转换为所需补偿电压，压控晶体振荡器的压控电压控制端，使其输出稳定的所需频率信号，最终实现温度补偿，从而能够克服现有温度补偿晶体振荡器中由于使用温度传感器引起的温度迟滞效应及传感器温度与晶体实时温度不一致带来的误差问题。

Description

一种基于数字电路的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，涉及一种基于数字电路的温度补偿晶体振荡器。
背景技术
温度补偿晶体振荡器(TCXO，Temperature Compensate Xtal(crystal)Oscillator)是一种能在较宽的温度范围内工作并通过一定的补偿方式而保持晶体振荡器的输出频率在一定的精度范围内(10-6～10-7量级)的晶体振荡器。它具有低功率，开机即能工作，而且具有高稳定性等特点，广泛应用于各种通信、导航、雷达、卫星定位系统、移动通信、程控电话交换机、各类电子测量仪表中。
现有的温度补偿晶体振荡器，本质上是带有温度补偿网络并由其产生与温度有关的补偿电压的压控晶体振荡器(Voltage Controlled Xtal(crystal)Oscillator，VCXO)。未补偿的压控晶体振荡器中的关键器件是采用AT切石英晶体，其温度特性曲线近似为一个三次曲线，可以表示为：
f(T)＝a3(T-T0)3+a1(T-T0)+a0 (1)
其中，a3是三次系数项，a1是一次系数项，a0是温度在参考温度T0时的振荡频率。
对于现有的压控晶体振荡器的频率线性增益特性可以近似表述如下：
f(VC)＝-G(VC-VC0)+f0 (2)
其中，G是压控晶体振荡器的增益，VC是压控晶体振荡器的控制电压，VC0是压控晶体振荡器的压控端的输入电压，f0是输入为VC0时的振荡频率。
那么，作为补偿晶振温度特性的补偿电压VC(T)的方程式可以表述为：
VC(T)＝A3(T-T0)3+A1(T-T0)+A0 (3)
此时，A3＝a3/G，A1＝a1/G，A0是温度为T0时的补偿电压。
为了实现方程式(3)，需要产生一个温度补偿电压加在压控晶体振荡器上进行温度补偿以抵消此频率温度特性，从而得到在较宽温度范围内的稳定的频率输出，达到温度补偿的目的。
图1是现有的一种基于数字电路的温度补偿晶体振荡器，其采用的数字式温度补偿过程是一种开环式的构架。如图1所示，它包括温度传感器及调理电路101、微处理器102、补偿网络103以及压控晶体振荡器104。温度T由温度传感器及调理电路101采集并进行调理而获得，然后送入微处理器102中根据温度在温度-补偿电压表进行查找，得到补偿电压值，然后补偿网络103将补偿电压值转换为补偿电压，输入到压控晶体振荡器104压控电压控制端，使其输出稳定频率的信号。可见，其是直接在(待补偿的)压控晶体振荡器104的压控电压控制端输入一个与温度相关的补偿电压达到温度补偿的目的。
其中，温度-补偿电压表是事先采集压控晶体振荡器104在不同温度下维持频率稳定需要补偿的电压而构建的。具体可以参见参考文献：
1、Huang X,Liu D,Wang Y,et al.100-MHz Low-Phase-Noise MicroprocessorTemperature-Compensated Crystal Oscillator[J].Circuits&Systems II ExpressBriefs IEEE Transactions on,2015,62(7):636-640.；
2、“Temperature compensation for an oscillator crystal”，发明人：MarkusHammes等，美国专利公布号：US 20170085271A1，公布日期：2017年3月23日；
3、“Digitally compensated phase locked oscillator”，发明人：NichollsCharles William tremlett等，专利号：US 20160365865A1，公布日期2016年12月15日。
总之，现有的基于数字电路的温度补偿晶体振荡器采用的是开环式补偿构架，要用到温度传感器，该温度传感器在电路上需要尽可能的靠近压控晶体振荡器，而压控晶体振荡器的谐振晶片是被单独封装在密闭空间内，这就使得温度传感器与谐振晶片之间不可避免的产生了温度迟滞，导致温度补偿晶体振荡器即TCXO的频率温度特性一直未能取得突破。特别是对于输出信号为高频的晶体振荡器，这种温度迟滞问题更为严重。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于数字电路的温度补偿晶体振荡器，以避免温度传感器引起的温度迟滞效应即传感器采集温度与谐振晶片的实时温度不一致而带来的输出信号频谱误差问题。
为实现上述发明目的，本发明基于数字电路的温度补偿晶体振荡器，包括：
一压控晶体振荡器，用于产生所需频率的信号；
一补偿网络，用于根据补偿电压值产生所需的补偿电压，并输入到压控晶体振荡器的压控电压控制端，使其输出稳定的所需频率信号；
其特征在于，还包括：
一功分器，用于将压控晶体振荡器输出的所需频率信号分为两路，其中一路作为输出，另一路输入到模数转换器；
一模数转换器，用于将输出的所需频率信号转换成对应的二进制编码形式的频率值；
一微处理器，用于存储频率值-补偿电压值二进制编码表，并根据输入的频率值，在频率值-补偿电压值二进制编码表中进行查找，得到补偿电压值，并输入到补偿网络。
本发明的目的是这样实现的。
本发明基于数字电路的温度补偿晶体振荡器，采用闭环式补偿构架来实现晶体振荡器的高精度补偿。首先采用功分器将温度补偿晶体振荡器输出的所需频率信号分成两路，其中一路输出，一路送入模数转换器转换为二进制编码形式的频率值，送回微处理器中，通过事先存入的频率值-补偿电压值二进制编码表，查表得到所需补偿电压值，然后由补偿网络将补偿电压值转换为所需补偿电压，压控晶体振荡器的压控电压控制端，使其输出稳定的所需频率信号，最终实现温度补偿，从而能够克服现有温度补偿晶体振荡器中由于使用温度传感器引起的温度迟滞效应及传感器温度与晶体实时温度不一致带来的误差问题。
本发明基于数字电路的温度补偿晶体振荡器与现有温度补偿晶体振荡器相比，具有以下技术优点：
1)、不需要温度传感器，而是实时的将待补偿晶体振荡器的输出频率信息与补偿电压直接建立联系进行温度补偿，该方法能够克服现有TCXO中由于使用温度传感器和晶体谐振器晶片温度变化不同步引起的温度迟滞问题；
2)、本发明采用了闭环反馈补偿构架方式，更容易实现实时高精度补偿；
3)、本发明补偿过程简单，直接通过查表得到需要的补偿电压，结构也较为简单，易于集成和批量生产；
4)、本发明可以良好适用于各种频率的晶体振荡器，尤其是对于采用现有技术补偿效果较差的高频晶体振荡器也能达到较好的补偿效果
附图说明
图1是现有的一种基于数字电路的温度补偿晶体振荡器；
图2是本发明基于数字电路的温度补偿晶体振荡器一种具体实施方式原理框图；
图3是获取频率值-补偿电压值二进制编码表的采集系统框图。
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。
图2是本发明基于数字电路的温度补偿晶体振荡器一种具体实施方式原理框图。
在本实施例中，如图1所示，本发明基于数字电路的温度补偿晶体振荡器包括压控晶体振荡器VCXO 1、补偿网络2、功分器3、模数转换器4、微处理器5。
压控晶体振荡器VCXO 1产生所需频率的信号，功分器3用于将压控晶体振荡器VCXO 1输出的所需频率信号分为两路，其中一路作为输出即温度补偿晶体振荡器的正常输出，另一路输入到模数转换器4。模数转换器4将压控晶体振荡器VCXO 1输出的所需频率为f(T)的信号转换为一组二进制编码形式的频率值送入微处理器5中，微处理器5中存储有一频率值-补偿电压值二进制编码表，根据输入的频率值，在频率值-补偿电压值二进制编码表中进行查找，得到补偿电压值，并输入到补偿网络2中。补偿网络2根据补偿电压值产生所需的补偿电压，并输入到压控晶体振荡器VCXO 1的压控电压控制端，使其输出稳定的所需频率信号。
在本实施例中，补偿网络2包括数模转换器201、信号调理电路202以及滤波器203。数模转换器201将补偿电压值转换为对应的模拟电压信号，信号调理电路202对模拟电压信号进行调理产生补偿电压Vc(T)；滤波器203对补偿电压Vc(T)进行滤波，然后输入到压控晶体振荡器VCXO 1的压控电压控制端，使其输出稳定的所需频率信号。
本发明的实施过程如下：
步骤1：采集输出频率f(T)—补偿电压Vc(T)对应的数据
在常温下，输入补偿电压到压控晶体振荡器VCXO 1的压控电压控制端，使其的输出频率为目标频率f0；在此基础上，采集温度为T时压控晶体振荡器VCXO 1的输出频率f(T)，调整补偿电压Vc(T)，使压控晶体振荡器VCXO 1输出频率为目标频率f0，记录此时补偿电压Vc(T)的值；不断改变环境温度T，重复本步骤，得到频率f(T)-补偿电压Vc(T)对应的数据；
步骤2：构建频率值-补偿电压值二进制编码表
将步骤1所得的输出频率f(T)的值和补偿电压Vc(T)的值分别转换成二进制编码，构建出频率值-补偿电压值二进制编码表并存入微处理器5中；
步骤3：获得补偿电压值并转换为对应的模拟电压信号
实际工作时，根据输入的频率值，查询频率值-补偿电压值二进制编码表，得所需补偿电压Vc(T)的二进制编码，即补偿电压值，将其输出到数模转换器201转换为对应的模拟电压信号；
步骤4：将步骤3产生的模拟电压信号经过信号调理电路202和滤波器203后，得到的补偿电压Vc(T)送到压控晶体振荡器VCXO 1的压控电压控制端，使其输出稳定的所需频率信号f0。
图3是获取频率值-补偿电压值二进制编码表的采集系统框图。
在本实施例中，采用如图3所示的采集系统，来获取获取频率值-补偿电压值二进制编码表。
具体的实施过程采用如下步骤来实现数字式温度补偿晶体振荡器：
第一步：采用如图3所示采集系统进行采集并构造温度补偿晶体振荡器的频率值-补偿电压值二进制编码表。
将本发明中的基于数字电路的温度补偿晶体振荡器置于高低温试验箱中，当高低温实验箱为某一温度T时，温度补偿晶体振荡器的输出频率f(T)经过频率计送到上位机转换成二进制码；然后，上位机控制可编程直流稳压电源改变温度补偿晶体振荡器的控制端电压使其输出目标频率f0，记录当前补偿电压值并转换成二进制编码；然后再改变环境温度，重复上述步骤，即可得到输出频率与补偿电压的二进制编码对应表，并存入微处理器5中。
第二步：断开第一步中的采集系统，只将温度补偿晶体振荡器置于高低温试验箱中，将其输出的所需频率信号通过功分器将分为两路，一路正常输出，另一路输出至模数转换器，将该路频率信号转换为一组二进制编码形式的频率值送入微处理器中，微处理器通过查找第一步所得的频率值-补偿电压值二进制编码表，得所需补偿电压Vc(T)的二进制编码，即补偿电压值，将其输出到数模转换器转换为对应的模拟电压信号，然后，经过信号调理电路和滤波器后，得到的补偿电压Vc(T)送到压控晶体振荡器VCXO 1的压控电压控制端，使其输出稳定的所需频率信号f0。
第三步：改变高低温试验箱温度，重复步骤二，就可以实现不同温度下TCXO的实时温度补偿，根据测试本发明可以对温度进行很好的补偿
根据以上描述可知，本发明的实质是直接实时的将待补偿的晶体振荡器的输出频率f(T)与补偿电压Vc(T)建立联系，并以闭环方式将补偿电压反馈到待补偿晶体振荡器的压控电压控制端进行补偿，使补偿后的输出频率等于目标频率信号f0，从而达到温度补偿的目的。
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)

1.一种基于数字电路的温度补偿晶体振荡器，包括：
一压控晶体振荡器，用于产生所需频率的信号；
一补偿网络，用于根据补偿电压值产生所需的补偿电压，并输入到压控晶体振荡器的压控电压控制端，使其输出稳定的所需频率信号；
其特征在于，还包括：
一功分器，用于将压控晶体振荡器输出的所需频率信号分为两路，其中一路作为输出，另一路输入到模数转换器；
一模数转换器，用于将输出的所需频率信号转换成对应的二进制编码形式的频率；
一微处理器，用于存储频率值-补偿电压值二进制编码表，并根据输入的频率值，在频率值-补偿电压值二进制编码表中进行查找，得到补偿电压值，并输入到补偿网络。
2.根据权利要求1所述的温度补偿晶体振荡器，其特征在于，所述的补偿网络2包括数模转换器201、信号调理电路202以及滤波器203。数模转换器201将补偿电压值转换为对应的模拟电压信号，信号调理电路202对模拟电压信号进行调理产生补偿电压Vc(T)；滤波器203对补偿电压Vc(T)进行滤波，然后输入到压控晶体振荡器VCXO 1的压控电压控制端，使其输出稳定的所需频率信号。
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