CN107733369A - 温度补偿晶体振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温度补偿晶体振荡器，包含两个同样切型的晶体谐振器，它们的参考点温度不同分别为T01、T02，其中T01<T02，在温度小于设定温度Ts时，用晶体谐振器A输出频率F1，温度大于设定温度Ts时，用晶体谐振器B输出频率F1。频率F1通过基于锁相环技术的频率合成器生成频率F2。基于锁相环技术的频率合成器可选择压控振荡器VCO或压控晶体振荡器VCXO。用1PPS信号对频率F1、频率F2的老化进行补偿。本发明极大提高了系统的精度和长期可靠性。

Description

温度补偿晶体振荡器

技术领域

本发明属于电子技术领域，具体来说涉及一种温度补偿晶体振荡器。

背景技术

晶体振荡器在电子产品中有着广泛的应用，它常常被称之为电子产品的心脏，它的输出频率的稳定性直接影响到电子系统的性能好坏。随着近年来通讯行业，北斗GPS卫星导航行业，信号发生器和数字频率计等仪器仪表行业的发展，都需要较高输出频率稳定度的晶体振荡器来为电子系统提供精密的标准频率和时间基准，如果作为上述设备中主要的标准频率和时间基准的晶体振荡器的频率不稳，就会直接影响通讯系统的稳定性、卫星定位的精确性、测量仪器的测量精度。自从晶体振荡器问世近百年来，人们一直在研究不断提高晶体振荡器的输出频率稳定度，由于现在晶体振荡器里使用的晶体谐振器其谐振频率随温度的变化而变化，不管是常用的AT 切型和SC切型，还是别的X、DT、CT、XY等切型，在较大的温度范围内它们的频率都随温度有较大的变化，特别是在温度T距晶体谐振器的参考点温度T0越远的温度区，晶体谐振器的谐振频率随单位温度变化的变化量就越大，因此人们使用了温度补偿等技术来提高晶体振荡器的输出频率稳定度，但是目前技术仍然满足不了电子产品系统对较宽温度范围内有较高输出频率稳定度的要求，例如，大量使用的X切型32.768 KHz时钟晶体谐振器，它的温度频率特征曲线如图1所示，参考点温度T0通常选在25℃，这样，在低温端部分和高温端部分，T-T0之差值较大，因此，每度温差内晶体谐振器振动频率f与设定频率fidea之差就会很大，从而使得在这些温度区间内，晶体振荡器的输出频率精度大大降低。当T0为25℃，在125℃和124℃间△f/fidea的变化量约为 8ppm, 在此处温补晶体振荡器要得到△f/fidea为 0.5ppm 的精度，则对温度精度的测量要达到约0.05度的精度用于温度补偿，这在实际的温补晶体振荡器中是很难实现的。因此我们需要研究新的技术来满足市场对更高精度的晶体振荡器的需求。

现在许多电子系统，例如手机，卫星导航GPS,北斗模块等都同时需要一个时间频率（通常32.768 KHz时钟晶体振荡器）和一个射频参考频率（通常是温度补偿晶体振荡器TCXO）, 他们各自独立的工作，其中TCXO由于其对相位噪声的高要求，使其很难用数字化的温度补偿晶体振荡器DTCXO补偿方式来在宽的温度范围内保持高的频率稳定性，而不得不用复杂的模拟电路补偿，导致系统成本居高不下。

手机，卫星导航GPS、北斗模块等中对时钟时频和射频参考TCXO的频率稳定度要求都高，但晶体谐振器频率老化引起的频率漂移远大于它们允许的范围，例如，对射频参考频率F2的频率变化要求是小于0.5ppm, 但晶体谐振器的频率老化漂移就会到达2ppm 至3ppm一年，由于没有老化补偿功能，导致整个系统性能的下降。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺点而提供的一种极大提高了系统的精度和长期可靠性的温度补偿晶体振荡器。

本发明目的及解决其主要技术问题是采用以下技术方案来实现的：

本发明的一种温度补偿晶体振荡器，包含两个同样切型的晶体谐振器，它们的参考点温度不同分别为T01、T02，其中T01<T02，在温度小于设定温度Ts时，用晶体谐振器A输出频率F1，温度大于设定温度Ts时，用晶体谐振器B输出频率F1。

上述的温度补偿晶体振荡器，其中：频率F1通过基于锁相环技术的频率合成器生成频率F2。

上述的温度补偿晶体振荡器，其中：基于锁相环技术的频率合成器可选择压控振荡器VCO或压控晶体振荡器VCXO。

上述的温度补偿晶体振荡器，其中：用1PPS信号对频率F1、频率F2的老化进行补偿。

上述的温度补偿晶体振荡器，其中：包含三个同样切型的晶体谐振器，它们的参考点温度不同分别为T01、T02、T03，T01<T02<T03，在温度小于较低设定温度Ts1时，用晶体谐振器A输出频率F1，在Ts1<T<Ts2用晶体谐振器B输出频率F1，在较高设定温度Ts2<T用晶体谐振器C输出频率F1（参见图7）。

本发明同现有技术相比具有明显的优点和有益效果，由以上技术方案可知，本发明在一个温度补偿晶体振荡器中使用两个或两个以上同样切型的晶体谐振器，使得该晶体振荡器在宽的温度范围内仍然有好的输出频率F1随温度变化的稳定性，再用F1作为参考频率，通过基于锁相环技术的频率合成器就可输出频率稳定度和F1稳定度相当的另外一个频率F2，而由于F1的电容变化所引起的相位噪声可以通过频率合成器中的滤波电路大大降低，从而F2具有高的频率稳定度，低的相位噪声。本发明的一个晶体振荡器提供了F1和F2，可广泛替代现在手机里北斗模块中使用的一个射频RF电路中所需要的温度补偿晶体振荡器TCXO和时频晶体振荡器，提高了集成度，提高了性能，降低了成本。同时使用了lpps老化补偿电路对F1进行老化补偿， F2因为用F1为参考，其自然也随之得到频率的老化补偿，从而使系统的长期可靠性有了极大提高。

以下通过具体实施方式来进一步说明本发明的有益效果。

附图说明

图1为X切型时钟晶体谐振器的温度频率特征曲线。

图2为实施例1的温度频率特征曲线。

图3为实施例1的结构示意图。

图4 为实施例2的结构示意图。

图5为实施例3的结构示意图。

图6为实施例4的结构示意图。

图7为本发明含三个同样切型的晶体谐振器的结构示意图。

图中标记：

1、晶体谐振器A，2、晶体谐振器B，3、集成电路芯片, 4、选择开关A，5、振荡电路，6、温度传感器，7、频率F1输出引脚，8、控制电路、9、温度补偿电容阵列，10、基于锁相环技术的频率合成器，11、基于锁相环技术的频率合成器的输出频率F2引脚，12、1pps 脉冲输入引脚，13、选择开关B，14、闸门电路，15、计数器，16、晶体谐振器老化补偿电容阵列，17、分频器。

具体实施方式

以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的温度补偿晶体振荡器具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

实施例1：

参见图3，本发明的温度补偿晶体振荡器，包括了晶体谐振器A1、晶体谐振器B2和集成电路芯片3，其中：集成电路芯片3包括选择开关A4、振荡电路5、温度传感器6、频率F1输出引脚7和控制电路8，选择开关A4分别与振荡电路5、控制电路8相连，温度传感器6与控制电路8相连，控制电路8与振荡电路5相连，振荡电路5与频率F1输出引脚7相连；晶体谐振器A1和晶体谐振器B2与集成电路芯片3中的选择开关A4相连。晶体谐振器A1和晶体谐振器B2为同样切型的晶体谐振器，它们的参考点温度不同分别为T01、TO2。

当温度传感器6测得的温度低于设定的温度Ts,控制电路8命令选择开关4将晶体谐振器A1与振荡电路5连通（与晶体谐振器B2断开），这样在整个低温区，本发明利用了晶体谐振器A1的温度频率变化部分在此温度区间较小的特点。当温度大于Ts后，控制电路8命令选择开关A1将晶体谐振器B2与振荡电路5连通（与晶体谐振器A1断开）。这样在整个高温区，本发明利用了晶体谐振器B2的温度频率变化部分在此温度区间较小的特点。因此，在低温区和高温区相加的这么一个较宽的温度范围内，本发明的输出频率F1随温度的变化都相对平缓，从而提高了本发明输出频率的稳定性。

参见图2把一个X 切型的晶体谐振器的温度参考点T01设定到-10℃，另一个晶体谐振器的温度参考点T02设定到55℃，则在-40度到90度的温度范围内，通过在低温区选用晶体谐振器A的输出频率为晶体振荡器的输出频率，在晶体高温区选用谐振器B的输出频率为晶体振荡器的输出频率，则该晶体振荡器输出频率在-40℃到90℃的温度范围内随温度的变化小于50ppm，在最坏的-39℃至-40℃的温度情况下，温度一度的范围内晶体谐振器A频率的变化量也小于2.5ppm，从而理论上温度达到0.1度的分辨率，就对应达到0.25ppm 的本发明输出频率的稳定度。如果使用AT切的晶体谐振器，在此温度范围内本发明的输出频率稳定度还有很大提升。

实施例2：

参见图4，本发明的温度补偿晶体振荡器，包括了晶体谐振器A1、晶体谐振器B2，温度补偿电容阵列9和集成电路芯片3，其中：温度补偿电容阵列9分别与振荡电路5、控制电路8相连，其余同实施例1。

根据温度传感器6测得的温度值，控制电路8控制温度补偿电容阵列9中的与振荡电路5相连的电容值，从而实现温度补偿晶体振荡器的输出频率稳定度,进一步提高了输出频率F1的精确性。

实施例3：

参见图5，本发明的温度补偿晶体振荡器，包括了晶体谐振器A1、晶体谐振器B2，温度补偿电容阵列9、基于锁相环技术的频率合成器10和集成电路芯片3，其中：基于锁相环技术的频率合成器10与控制电路8相连，基于锁相环技术的频率合成器10的输入端与振荡电路5相连，基于锁相环技术的频率合成器10与基于锁相环技术的频率合成器的输出频率F2引脚12相连，其余同实施例2。

用F1作为参考频率，使基于锁相环技术的频率合成器10输出频率F2，作为射频电路中需要的频率信号。由于一般的基于锁相环技术的频率合成器10中使用压控振荡器VCO,而VCO中使用的集成电感的Q值远小于压控晶体振荡器VCXO的晶体谐振器的Q值，导致其相位噪声大于后者，因此，本发明中的基于锁相环技术的频率合成器10还可以采用压控晶体振荡器VCXO，由此基于锁相环技术的频率合成器输出频率F2作为射频收发电路的本地频率源使用，它可在此取代现在外接的TCXO，降低了产品的价格。

由于本发明在一个输出频率上用了两个晶体谐振器，在较高的温度范围内和较低的温度范围内都有较平稳的频率温度曲线，特别适合设计为宽温度区内有高精确度输出频率的数字化温度补偿晶体振荡器DTCXO或MCXO。以这个DTCXO或MCXO 的输出频率为参考频率，通过基于锁相环技术的频率合成器就可输出频率稳定度和此DTCXO的频率稳定度相当的另外一个频率F2，而由于DTCXO数字化的电容变化所引起的相位噪声可以通过基于锁相环技术的频率合成器中的滤波电路大大降低，从而具有高的频率稳定度，低的相位噪声，可广泛替代于射频RF电路中所需要的温度补偿晶体振荡器TCXO，用于通讯和卫星导航设备。

实施例4：

参见图6，本发明的温度补偿晶体振荡器，包括了晶体谐振器A1、晶体谐振器B2，集成电路芯片3、温度补偿电容阵列9、基于锁相环技术的频率合成器10、1pps 脉冲输入引脚12、选择开关B13、闸门电路14，计数器15、晶体谐振器老化补偿电容阵列16和分频器17，其中：集成进选择开关B13与控制电路8相连，闸门电路14与基于锁相环技术的频率合成器的输出频率F2引脚11和选择开关B13的输出相连，计数器15和闸门电路14的输出相连，计数器15和控制电路8相连，1pps 信号输入引脚12和选择开关B13相连，分频器17的输入与频率F1输出引脚7相连，分频器17的输出和选择开关B13相连，晶体老化补偿电容阵列16和控制电路8相连，其余同实施例3。

在需要作晶体谐振器老化补偿时，先让1pps 脉冲串通过选择开关B13去控制闸门电路的开启和关闭，用基于锁相环技术的频率合成器输出频率F2脉冲串作为待测频率通过闸门进入计数器，在m个1pps脉冲串的时间内,有N1个脉冲数。然后，把F1，经分频器17也得到周期为1秒的脉冲串，经选择开关B13选它来控制闸门电路14的开启和关闭，同样用基于锁相环技术的频率合成器输出频率F2脉冲串作为待测频率通过闸门进入计数器，在m个经分频器的周期为1秒的脉冲串的时间内,有N2个脉冲数。根据N1和N2的差别，控制电路8增加或减少接入振荡电路5的晶体谐振器老化补偿电容阵列16的电容值，对晶体谐振器老化引起的频率漂移进行补偿。

在许多通讯电子产品中，如北斗，GPS，手机等，能接收到从外部输入的高精度1pps信号，即周期为1秒的脉冲信号，用这个1pps脉冲信号作为时基信号，控制闸门电路14，通过计数器15来计数频率合成器输出频率F2信号在1秒内计数得的平均脉冲数N1，然后，把DTCXO产生的32.768KHz脉冲，经分频器，输出脉冲周期是1秒的脉冲串，用这个脉冲串取代1pps信号脉冲串，作为时基信号，控制闸门，通过计数器来计数频率合成器输出频率F2信号在1秒内计数得的平均脉冲数N2，由于N1和N2是在很短的时间内完成，晶体谐振器频率随温度的变化在这么短的时间内可以忽略不计，此时，N1和N2的误差，主要是由于晶体谐振器的老化（aging）所导致，因此，可以用用晶体老化补偿电容阵列16进行补偿。如此，DTCXO中由于晶体谐振器老化所引起的频率漂移得到了修正，同时也解决了替代于射频RF电路中所需要的温度补偿晶体振荡器TCXO的由于晶体谐振器老化所引起的频率漂移难题。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，任何未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种温度补偿晶体振荡器，包含两个同样切型的晶体谐振器，它们的参考点温度不同分别为T01、T02，其中T01<T02，在温度小于设定温度Ts时，用晶体谐振器A输出频率F1，温度大于设定温度Ts时，用晶体谐振器B输出频率F1。

2.如权利要求1所述的温度补偿晶体振荡器，其中：频率F1通过基于锁相环技术的频率合成器生成频率F2。

3.如权利要求1或2所述的温度补偿晶体振荡器，其中：基于锁相环技术的频率合成器可选择压控振荡器VCO或压控晶体振荡器VCXO。

4.如权利要求3所述的温度补偿晶体振荡器，其中：用1PPS信号对频率F1、频率F2的老化进行补偿。

5.如权利要求1所述的温度补偿晶体振荡器，其中：包含三个同样切型的晶体谐振器，它们的参考点温度不同分别为T01、T02、T03，T01<T02<T03，在温度小于较低设定温度Ts1时，用晶体谐振器A输出频率F1，在Ts1<T<Ts2用晶体谐振器B输出频率F1，在较高设定温度Ts2<T用晶体谐振器C输出频率F1。