CN107819464A - 一种混合型恒温‑温补晶体振荡器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种混合型恒温‑温补晶体振荡器。该恒温‑温补晶体振荡器由温补芯片、恒温槽、供电电路和控温电路组成，其中，温补芯片上集成晶体振荡器电路、一阶函数发生电路与模拟温度传感器，并位于恒温槽内；模拟温度传感器产生温度一阶函数电压并分别输出到一阶函数发生电路与控温电路，一阶函数发生电路产生用于控制晶体振荡器电路频率的电压，输出到晶体振荡器电路的电压通过调整晶体振荡器电路的频率，来补偿晶体振荡器电路中频率偏移随温度变化函数中的一次项，使得本发明切割晶体对温度的精度要求大大降低；同时，模拟温度传感器与晶体振荡器电路集成在同一个芯片上，有利于实现温度的高精度。
Description
技术领域
本发明涉及晶体振荡器技术领域， 尤其是一种混合型恒温-温补晶体振荡器。
背景技术
恒温晶体振荡器是一种利用恒温设备使晶体振荡器的温度保持恒定，将由周围温度变化导致的振荡器输出频率变化量减小到最小的晶体振荡器。
由于SC晶体的频率偏移在高温拐点附近随温度的变化非常小，故常用的恒温晶体振荡器为了保持温度的恒定，如图1所示，为现有的恒温晶体振荡器电路结构图；该恒温晶体振荡器由恒温槽、供电电路和恒温电路组成，其中，振荡电路、加热元件和温度传感器组成恒温槽，振荡电路位于恒温槽内的内部电路板上，通过加热元件保证恒温槽的稳定以此来消除振荡器电路随外部工作温度的偏移。工作时，由于加热元件不能实现制冷功能，需要通过加热元件将恒温槽加热到远高于使用温度范围的温度点，以获得稳定的温度。恒温槽内的温度传感器监控恒温槽内温度并转换成电信号输出至控温电路，方便控温电路对加热元件进行控制。常用高精度电阻作为加热元件使用，由于加热电阻本身受工艺制约，电阻参数的离散性较大且阻值随温度变化会产生一些非线性变化，所以需要复杂的控温电路进行控制，通常采用PLD电路进行控制。
考虑到恒温晶体振荡器中对频率精度有很高的要求，通常采用SC型切割的晶体作为振荡电路中的晶体，因为它的频率－温度曲线随温度的偏移比较小，如图2所示，为现有的SC切割晶体频率－温度曲线图。该晶体频率－温度曲线中，从70℃到95℃的范围内，它的频率偏移均小于0.2ppm，这使得对恒温晶体振荡器的温度控制要求比较宽松，适于制作高精度的时钟振荡电路。但是由于SC切割的晶体需要进行双转角切型工艺，使得工艺难度大大增加，增加了使用的成本；另一方面，因为SC切割的晶体频率－温度曲线的拐点在80℃以上，正如图2所示，晶体与电路不得不长期工作在80℃以上的高温，增加了电路设计的难度，同时也使得老化速度大大加快，减少了振荡器的使用寿命。
制作振荡电路，常用的替代晶体是AT切割的晶体。AT切割的晶体的频率偏移量在常温附近变化比SC切割晶体在高温下的变化大，所以通常的设计需要给AT切割晶体提供非常准确的温度，增加了设计的难度。AT切割的晶体频率偏移的温度函数是一个带有一次项的三次温度函数，它的三次函数拐点T0在常温附近，但由于频率偏移随温度的变化比SC晶体要大得多，如图3所示，为现有的AT切割晶体频率－温度曲线图，为使得制作高精度的设计需要非常准确的温度，这无疑提高了温度控制的精度要求。而通常的设计中，振荡器与温度传感器均由分立元件构成，即使在恒温槽内，温度仍然可能存在一定的梯度变化，这使得对温度精度要求很高时，温度传感器未必能反映出振荡器电路的温度，这使无疑降低了恒温晶体振荡器的频率精度。
发明内容
针对上述现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种混合型恒温-温补晶体振荡器，通过对温度传感器输出的电压进行处理，得到一个电压值是温度一次函数的电压，使得获得的振荡器电路的温度信息更加准确。
为了达到上述技术目的，本发明所采用的技术方案是：
一种混合型恒温-温补晶体振荡器，其特征在于，所述恒温-温补晶体振荡器由温补芯片、恒温槽、供电电路和控温电路组成，其中，温补芯片上集成晶体振荡器电路、一阶函数发生电路与模拟温度传感器，并位于恒温槽内；恒温槽内集成加热元件与制冷元件，以稳定晶体振荡器电路的温度；模拟温度传感器的输出同样输出到控温电路，用于对加热元件与制冷元件进行控制，以实现精确的温度控制；供电电路对恒温-温补晶体振荡器进行供电；控温电路对恒温槽内加热元件与制冷元件进行控制，以得到合适的温度；模拟温度传感器产生温度一阶函数电压并分别输出到一阶函数发生电路与控温电路，一阶函数发生电路通过调整温度一阶函数电压的斜率，产生用于控制晶体振荡器电路频率的电压并输出到晶体振荡器电路，输出到晶体振荡器电路的电压通过调整晶体振荡器电路的频率，来补偿晶体振荡器电路中频率偏移随温度变化函数中的一次项。
本发明通过对模拟温度传感器输出的电压进行处理，得到一个电压值是温度一次函数的电压，通过调节这个电压补偿掉晶体振荡器频率函数的一次项，并且，利用切割晶体频率偏移随温度的变化在拐点附近主要是由它的一次项贡献的这一特性，结合温补晶体振荡器的温补方法，利用模拟温度传感器输出是温度的一次函数，补偿切割晶体的一次函数，所获得有益效果是，AT切割晶体使得对温度的精度要求大大降低，直接利用常用的AT切割方式的晶体进行设计成为可能，大大降低了对晶体的要求，同时工作在常温环境确保了晶体振荡器的使用寿命，也减小了电路设计的难度。同时，模拟温度传感器与晶体振荡器电路集成在同一个芯片上，也使得模拟温度传感器能更好地监控芯片上温度的变化，有利于温度高精度的实现。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
附图说明
图1是现有的恒温晶体振荡器电路结构图。
图2是现有的SC切割晶体频率—温度曲线图。
图3是现有的AT切割晶体频率—温度曲线图。
图4是本发明具体实施的恒温-温补晶体振荡器结构图。
图5是本发明具体实施的恒温-温补晶体振荡器频率—温度曲线图。
图6是本发明具体实施的适用于温度拐点附近AT切割晶体频率—温度曲线图。
具体实施方式
如图4所示，为本发明具体实施的恒温-温补晶体振荡器结构图。该恒温-温补晶体振荡器由温补芯片、恒温槽、供电电路和控温电路组成，其中，温补芯片上集成晶体振荡器电路、一阶函数发生电路与模拟温度传感器，并位于恒温槽内；恒温槽内集成加热元件与制冷元件，以稳定晶体振荡器电路的温度；模拟温度传感器的输出同样输出到控温电路，用于对加热元件与制冷元件进行控制，以实现精确的温度控制；供电电路对恒温-温补晶体振荡器进行供电；控温电路对恒温槽内加热元件与制冷元件进行控制，以得到合适的温度。
所述恒温-温补晶体振荡器中，恒温槽内温补芯片上的模拟温度传感器电路产生一个是温度一阶函数的电压VT并分别输出到一阶函数发生电路与温度控制电路；一阶函数发生电路通过调整VT的斜率，产生用于控制晶体振荡器电路频率的电压V1C，并输出到晶体频率振荡电路，输出到晶体频率振荡电路的电压V1C通过调整晶体振荡器的频率，补偿晶体振荡器电路中频率偏移随温度变化函数中的一次项；模拟温度传感器的输出同样输出到温控电路，用于对加热元件与制冷元件进行控制，以实现精确的温度控制。
所述恒温-温补晶体振荡器具体工作原理如下：
晶体振荡器电路是一个频率随所加电压线性变化的电路，通常定义频率随电压的变化为KVCXO；
则晶体振荡器电路由输入电压的变化ΔV产生的频率变化ΔfVC为：
ΔfVC=KVCXO×ΔV，
定义晶体振荡器电路的频率随温度的变化为Δf，则晶体振荡器电路频率偏移的温度函数为：
Δf/f=A3(T-T0)3+A1(T-T0)+A0，
其中T0是AT切割晶体频率偏移函数拐点所在的温度点，A3、A1、A0分别是晶体振荡器的频率偏移函数的三次项系数、一次项系数与常数项。
利用模拟温度传感器输出VT是温度的一次函数的特性，将它输入至一次函数发生电路，通过调节VT的斜率与T0时对应的电压中间值，生成一个用于补偿AT切割的晶体的频率随温度偏移的一次函数电压V1C，这个电路通过简单的比例放大器即可以实现，其中V1C在温度TW时，
KVCXO×（V1C（TW）-V1C（T0））= - A1(T-T0) ×f，
得到此方法可以通过扩展到二次项及以上多次项以应用于其他类型的晶体上，从而实现了补偿晶体振荡器电路中频率偏移随温度变化函数中的一次项。
AT切割晶体的频率偏移，及通过补偿后所得结果的一个示例如图5所示，该晶体的频率的温度拐点在25℃左右；AT切割的晶体温度曲线为带有一阶分量的三阶函数电路，由于三阶函数的拐点在常温T0附近，同时三次项的系数的典型值为1×10-4ppm/℃3，而一次系数的典型值为0.2 ppm/℃，故只要将温度稳定在常温±5℃以内并进行简单的一阶补偿消除频率随温度的一次项函数，即可以达到15ppb左右的高精度。由于需要补偿的只用一阶分量，故只需要利用简单的温度传感器电路生成相关的一阶函数即可实现一阶补偿的要求。
如图6所示，为本发明具体实施的适用于温度拐点附近AT切割晶体频率—温度曲线图，最终所得的结果在拐点温度附近的频率偏移的结果。
本发明并不限于上文讨论的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在于为了描述和说明本发明涉及的技术方案。基于本发明启示的显而易见的变换或替代也应当被认为落入本发明的保护范围；以上的具体实施方式用来揭示本发明的最佳实施方法，以使得本领域的普通技术人员能够应用本发明的多种实施方式以及多种替代方式来达到本发明的目的。
Claims (1)
1.一种混合型恒温-温补晶体振荡器，其特征在于，所述恒温-温补晶体振荡器由温补芯片、恒温槽、供电电路和控温电路组成，其中，温补芯片上集成晶体振荡器电路、一阶函数发生电路与模拟温度传感器，并位于恒温槽内；恒温槽内集成加热元件与制冷元件，以稳定晶体振荡器电路的温度；模拟温度传感器的输出同样输出到控温电路，用于对加热元件与制冷元件进行控制，以实现精确的温度控制；供电电路对恒温-温补晶体振荡器进行供电；控温电路对恒温槽内加热元件与制冷元件进行控制，以得到合适的温度；
模拟温度传感器产生温度一阶函数电压并分别输出到一阶函数发生电路与控温电路，一阶函数发生电路通过调整温度一阶函数电压的斜率，产生用于控制晶体振荡器电路频率的电压并输出到晶体振荡器电路，输出到晶体振荡器电路的电压通过调整晶体振荡器电路的频率，来补偿晶体振荡器电路中频率偏移随温度变化函数中的一次项。
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