CN107276582B - 一种基于模拟电路的温度补偿晶体振荡器 - Google Patents

一种基于模拟电路的温度补偿晶体振荡器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于模拟电路的温度补偿晶体振荡器采用闭环反馈补偿构架，将输出信号分为两路，其中一路输入频率‑电压转换电路，根据压控晶体振荡器输出频率得到当前温度点对应的电压信号，再经过电压比对电路与参考电压作差，并进行放大得到补偿电压信号，再经过滤波器对该补偿电压信号滤波后反馈到压控晶体振荡器的压控电压控制端进行补偿，使压控晶体振荡器输出期望获得的频率即所需目标频率为f0的信号。本发明不需要温度传感器，而是直接将与温度实时相关的频率，转换为与之成一一对应映射关系的补偿电压信号进行温度补偿，该方法能够克服现有温度补偿晶体振荡器即TCXO中由于使用温度传感器和压控晶体振荡器中晶片温度不同步引起的温度迟滞问题。

Description

一种基于模拟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，涉及一种基于模拟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 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初始输入电压，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到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。
目前，模拟式TCXO的温度补偿是由带有模拟温度传感器的模拟补偿电压发生电路产生补偿电压的方式来实现，主要分为两种方式进行：
第一种是基于热敏电阻补偿网络的温度补偿晶体振荡器。如图1所示，该温度补偿晶体振荡器是一种开环补偿方式，利用热敏电阻等温度敏感元件组成温度－电压变换电路即热敏电阻补偿网络，得到补偿电压，并将该补偿电压通过电阻R1、R2施加到一支与晶体谐振器T相串接的变容二极管C1上，通过晶体谐振器T串联电容量的变化，对晶体谐振器的非线性频率漂移进行补偿，其详细描述可参见“赵声衡.石英晶体振荡器[M].湖南:湖南大学出版社,1997.”。该种方式结构简单、实现也较为容易，但是为使热敏电阻和变容二极管的容抗与不同晶体谐振器的温度特性一致，必须进行选配，所以需对电阻、电容进行分类、更换，难以对温度补偿进行自动调整，不利于批量生产。另外，用该种方式实现的温度补偿晶体振荡器的频率温度稳定度一般只能做到±0.5ppm——±1ppm左右，补偿效果一般。
第二种是间接模拟温度补偿晶体振荡器。该温度补偿晶体振荡器由温度传感器、电压参考、补偿、三次电压发生器、三个系数控制器(B0CTR、B1CTR和B3CTR)累加器、存储器EEPROM、压控晶体振荡器VCXO和自动频率牵引AFC组成。详情可参见“Nemoto K,Sato K I.A2.5ppm fully integrated CMOS analog TCXO[C]//Frequency Control Symposium andPDA Exhibition,2001.Proceedings of the 2001IEEE International.IEEE,2001:740-743.”。该种方式的温度补偿晶体振荡器结构复杂，可采用大规模电路集成，成本较高。另外，该种方式所实现的模拟温度补偿晶体振荡器也是采用开环补偿方式，需要单独的温度传感器来感知外界环境温度，这样传感器与晶体之间就不可避免的存在温度差和温度迟滞效应，使得补偿精度受到影响。
综上所述，现有的模拟温度补偿晶体振荡器即TCXO都是采用开环式补偿构架，都要用到温度传感，该温度传感器在电路上尽可能的靠近晶体谐振器，而晶体谐振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明显。严重制约了高频温补晶振的频率补偿精度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于模拟电路的温度补偿晶体振荡器，以避免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以及传感器的温度与晶体当前温度不一致带来的误差问题。
为实现上述发明目的，本发明基于模拟电路的温度补偿晶体振荡器，包括：
一压控晶体振荡器，用于产生并输出所需频率为f0的信号；
其特征在于，还包括：
一功分器，用于将压控晶体振荡器当前输出频率为f＝f0+Δf的信号分为两路，其中一路作为输出，另一路输入到频率-电压转换电路；
一频率-电压转换电路，用于将当前输出频率为f＝f0+Δf的信号转换为电压信号V(T)输入至电压比对电路；
一电压比对电路，用于将输入的电压信号V(T)与参考电压Vref作差即Vref-V(T)，并进行放大得到补偿电压ΔV，然后输出到滤波器中。其中Vref是压控晶体振荡器在常温25℃，调节压控电压为
Figure BDA0001297185880000031
时，压控晶体振荡器向频率-电压转换电路输入所需目标频率为f0的信号时，转换得到的电压信号，以此电压信号作为电压比对电路的参考电压；
一滤波器，用于对补偿电压信号ΔV进行滤波，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为f0的信号。
本发明的目的是这样实现的。
本发明基于模拟电路的温度补偿晶体振荡器采用闭环反馈补偿构架，其功分器将压控晶体振荡器输出信号分为两路，一路作为振荡器输出，另一路输入频率-电压转换电路，频率-电压转换电路采用模拟方式，根据压控振荡电路输出信号频率得到当前温度对应的电压，然后经过电压比对电路与参考电压作差，并放大得到补偿电压，再经过滤波器对该补偿电压信号滤波后输入到压控晶体振荡器的压控电压控制端进行补偿，使压控晶体振荡器输出目标频率为f0的信号。
本发明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，而是直接将与温度实时相关的频率，转换为与之成一一对应映射关系的补偿电压信号进行温度补偿，该方法能够克服现有温度补偿晶体振荡器即TCXO中由于使用温度传感器和压控晶体振荡器中晶片温度不同步引起的温度迟滞问题；
2)、采用了闭环补偿构架，将输出的所需频率为f0的信号通过频率-电压转换与补偿电压建立联系，更容易实现实时高精度补偿；
3)、不需要像现有温度补偿晶体振荡器那样，需要对待补偿晶体在不同温度下的频率-电压数据进行采集，减少了工作量；
4)、本发明补偿过程简单，将输出频率转换为电压，通过与参考电压比较得到补偿电压。本发明结构也较为简单，易于集成和批量生产；
5)、本发明可以良好适用于各种频率的压控晶体振荡器，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更为明显。
附图说明
图1是现有基于热敏电阻补偿网络的温度补偿晶体振荡器结构图；
图2是本发明基于模拟电路的温度补偿晶体振荡器原理框图；
图3是图2所示基于模拟电路的温度补偿晶体振荡器一种具体实施方式结构图。
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是本发明基于模拟电路的温度补偿晶体振荡器原理框图。
在本实施例中，如图2所示，本发明基于模拟电路的温度补偿晶体振荡器包括压控晶体振荡器1、功分器2、频率-电压转换电路3、电压比对电路4以及滤波器5。功分器2将压控晶体振荡器1当前输出频率为f＝f0+Δf的信号分为两路，其中一路作为温度补偿晶体振荡器输出，另一路输入到频率-电压转换电路3中。其中，Δf为压控晶体振荡器中晶体谐振器由于温度发生改变产生的频率偏移。
频率-电压转换电路3将当前输出频率为f＝f0+Δf的信号转换为电压信号V(T)输入至电压比对电路4中。
电压比对电路4将输入的电压信号V(T)与参考电压Vref作差即Vref-V(T)，并对差值Vref-V(T)进行放大得到补偿电压信号ΔV，然后输出到滤波器5中。其中Vref是压控晶体振荡器在常温25℃，调节压控电压为
Figure BDA0001297185880000051
时，压控晶体振荡器向频率-电压转换电路输入所需目标频率为f0的信号时，转换得到的电压信号，以此电压信号作为电压比对电路4的参考电压。
滤波器5对补偿电压信号ΔV进行滤波，并输入到压控晶体振荡器1的电压控制端，使其输出稳定的所需频率为f0的信号。
图3是图2所示基于模拟电路的温度补偿晶体振荡器一种具体实施方式结构图。
在本实施例中，如图3所示，本发明基于模拟电路的温度补偿晶体振荡器还包括一个加法器6，用于将滤波后的补偿电压信号ΔV与压控电压
Figure BDA0001297185880000052
相加，得到补偿后的压控电压
Figure BDA0001297185880000053
并加载到压控晶体振荡器1的压控电压控制端，使其输出所需频率为f0的信号，实现对输出信号频率的补偿。
在具体实施过程中，首先在常温25℃下，调整压控晶体振荡器即VCXO 1的压控电压
Figure BDA0001297185880000054
使压控晶体振荡器1输出为所需频率目标频率为f0的信号。然后将压控晶体振荡器1输出的频率为f0的信号输入到频率-电压转换电路3，此时频率-电压转换电路产生一个转换电压，将此电压作为电压比对电路的参考电压Vref。
具体使用时，本发明温度补偿晶体振荡器处于温度T下，此时，压控晶体振荡器1在压控电压
Figure BDA0001297185880000055
下，受温度影响输出频率为f0+Δf的信号，即当前输出频率为f＝f0+Δf，通过功分器2将该信号分为两路，一路作为温度补偿晶体振荡器的输出，另一路输出至频率-电压转换电路3。
频率-电压转换电路3将当前输出频率为f＝f0+Δf的信号转换为电压信号V(T)输入至电压比对电路4。电压比对电路4将输入的电压信号V(T)与参考电压Vref作差即Vref-V(T)，并进行放大得到补偿电压信号ΔV，然后输出到滤波器5中。
补偿电压ΔV通过滤波器5之后，输出加法器6，将滤波后的补偿电压信号ΔV与压控电压
Figure BDA0001297185880000056
相加，得到补偿后的压控电压
Figure BDA0001297185880000057
并加载到压控晶体振荡器1的电压控制端，使其输出所需频率为f0的信号，实现对输出信号频率的补偿。
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)

1.一种基于模拟电路的温度补偿晶体振荡器，包括：
一压控晶体振荡器，用于产生并输出所需频率为f0的信号；
其特征在于，还包括：
一功分器，用于将压控晶体振荡器当前输出频率为f＝f0+Δf的信号分为两路，其中一路作为输出，另一路输入到频率-电压转换电路；
一频率-电压转换电路，频率-电压转换电路采用模拟方式，用于将当前输出频率为f＝f0+Δf的信号转换为电压信号V(T)输入至电压比对电路；
一电压比对电路，用于将输入的电压信号V(T)与参考电压Vref作差即Vref-V(T)，并进行放大得到补偿电压ΔV，然后输出到滤波器中，其中Vref是压控晶体振荡器在常温25℃，调节压控电压为
Figure FDA0002767536810000013
时，压控晶体振荡器向频率-电压转换电路输入所需目标频率为f0的信号时，转换得到的电压信号，以此电压信号作为电压比对电路的参考电压；
一滤波器，用于对补偿电压信号ΔV进行滤波，并反馈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为f0的信号。
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，还包括一个加法器，用于将滤波后的补偿电压信号ΔV与压控电压
Figure FDA0002767536810000011
相加，得到补偿后的压控电压
Figure FDA0002767536810000012
并加载到压控晶体振荡器的压控电压控制端，使其输出所需频率为f0的信号，实现对输出信号频率的补偿。
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