CN110198155A - 一种数字式温度补偿晶体振荡器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种数字式温度补偿晶体振荡器，包括温度传感器(1)、信号处理和数模转换器(2)、压控晶体振荡器(3)、Sigma‑Delta调制PLL频率合成器(4)、频率‑温度特性校准模块(5)以及频率‑数子转换器(6)；用一个预先定义的多项式函数对频率‑温度变化进行建模。利用已知参数测量集成电路的补偿曲线和输出频率，可以对集成电路进行校准；通过这些测量可以计算出集成电路所需的设置，从而使电路与晶体参数相匹配。本发明能够提供规定的振荡性能包括输出频率偏差恒定、频率波动较小、输出波形恒定；且有利于减小尺寸、降低成本和提高精度。
Description
技术领域
本发明涉及晶体振荡器设计，特别是涉及一种数字温度补偿晶体振荡器。
背景技术
晶体振荡器(XO)作为一种高稳定、高精度的频率源，在电子领域得到了广泛的应用。晶体振荡器的频率精度受许多变量的影响，其中包括温度、老化、驱动电平、回程和振动等变量。由于对最大温度变化有严格的要求，因此开发出各种温度补偿方法。温度补偿晶体振荡器(TCXO)和电压控制温度补偿晶体振荡器(VCTCXO)通常包含温度补偿电路，以感测环境温度并控制晶体频率，以防止频率在温度范围内漂移。问题在于，目前TCXO模块的制造方法需要温度变化才能获得准确的温度补偿结果。温度变化需要昂贵的烤箱，这增加了TCXO模块的制造时间和成本。在TCXO中，温度补偿功能通过集成电路或分立元件实现，这些元件通常具有相当大的制造公差。这意味着TCXO模块必须在几个温度下进行测量，以获得理想补偿结果的正确设置。
在压控晶体振荡器(VCXO)中，振荡频率可根据电压控制输入进行调整。
实现频率稳定的一种方法是将晶体和振荡器电路与环境温度偏移热隔离。在烤箱控制的恒温控制式晶体振荡器(OCXO)中，晶体和其他温度敏感元件位于稳定的烤箱(通常是金属的、绝缘的小外壳)中，该烤箱配有加热元件和控制机构，用于调节所施加的热量，从而保持恒定的高温。然而，恒温控制式晶体振荡器也有缺点，比如烤箱所需的空间。
如果晶体是切割角约为0度的切割晶体，温度补偿可以具有固定的、预先编程的补偿功能，例如固定的3”和/或4”和/或5”阶补偿增益块，与切割晶体的特定频率温度函数相匹配。角度约为0度。因此，只有温度补偿块的温度偏移和1阶和/或3阶和/或4阶和/或5阶误差可在减少的温度点数量下测量和校准。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺陷，本发明提出了一种数字式温度补偿晶体振荡器，能够进行晶体振荡器的温度补偿，并能够产生预定频率的振荡信号。
本发明的一种数字式温度补偿晶体振荡器，包括温度传感器1、信号处理和数模转换器2、压控晶体振荡器3、Sigma-Delta调制PLL频率合成器4以及频率-数子转换器5，其中：
温度传感器1与信号处理和数模转换器2连接，将温度传感器的数字温度信号转换为模拟温度信号并输出，模拟温度信号输入到压控晶体振荡器3，实现可控的电压的施加来控制晶体振荡器的频率；晶体振荡信号输入Sigma-Delta调制的PLL频率合成器4，绘制出高分辨率的晶体振荡器频率-温度特性曲线，经频率-温度特性校准模块5进行校准计算，校准后的频率-温度特性输入频率-数字转换器6将频率-温度特性转换成数字信号，频率-温度特性数字信号再返回信号处理和数模转换器2得到频率-温度特性模拟信号。
与现有技术相比，本发明能够提供规定的振荡性能(输出频率偏差恒定，频率波动较小，输出波形恒定)；且有利于减小尺寸、降低成本和提高精度。
附图说明
图1为不同切割角度下石英晶体的温度特征示意图；
图2为晶体棒中X、Y和Z轴的方向示意图；
图3为矩形坐标系中的简单旋转切割和双重旋转切割；
图4为本发明实施例的数字式温度补偿晶体振荡器振荡器示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，为不同切割角度下石英晶体的AT切割基晶的频率-温度曲线示意图，可见正常石英晶体对于不同的切割角的情况下，温度变化很大。每条曲线代表相对于基本切割角的切割角Δθ，并遵循三次方程。温度系数对应于曲线的斜率。温度系数为零的这些点是上下转向点，它们在+20℃至+30℃范围内的某个点对称下降。因此，当通过选择晶体切割角来定位一个转向点35℃时，另一个转向点的位置也固定。不能单独设置转向点。由于将转向点一起移动会降低它们之间的斜率，因此通过选择将转向点朝向或刚好超出预期温度极限端部的晶体切割角，可以优化给定温度范围内的频率稳定性。在+20至+30℃范围内，对称的拐点轴可以实现卓越的频率稳定性，而无需补偿室温下的适度温度偏移。
由于晶体的物理性质随取向的不同而变化，因此需要一个参考取向和测量系统。但最常用的是矩形或正交坐标系来描述晶体的压电和力学性能。在直角坐标系中，Z轴与棱镜面平行。
如图2所示，为晶体棒中X、Y和Z轴的方向示意图，从X轴向左倾斜的线表示AT板的锯切位置，向右倾斜的线表示BT切割。将一块主要表面垂直于x轴的石英切割板即x切割板围绕Z轴旋转切割90度，得到Y轴垂直于主表面的Y切割板。因为石英晶体有六个棱镜面，所以X轴和Y轴有三种选择，选择是任意的；并且各向同性。压电效应决定了X轴和Y轴的正负方向。应力作用下的X切割板在板的一侧产生正电荷，在另一侧产生相等的负电荷。按照IEEE标准，正应变在正x面上产生正电荷。正应变被定义为张力引起的延伸；另一方面，压缩会产生负应变，因此X形切割板在压缩时的正方向面带负电荷。向错误方向施加的力不会产生电荷。Y形切割板不响应Y轴压缩或拉伸，但响应施加到其边缘的剪切应力。Y形切割板的剪应力在X方向转化为张力。
切口相对于晶轴的方向不仅决定了晶体物理性质的值，还决定了它们的温度系数。改变晶体取向90度，频率温度系数由负变为正。在x切割板和y切割板方向之间，系数通过零。同样，Y形切割板绕X轴的部分旋转产生两个零频率温度系数点，方向分别是旋转角度约为+35度和49度的AT和BT切割。
如图3所示，通过将锯片与晶体x-z平面(y-cut)对齐，然后将锯片绕x轴旋转至所需角度θ，形成单独旋转的切割。在X轴旋转θ之前，围绕Z轴旋转Φ会产生一个双旋转切割。然而，制造的大多数晶体都是在切割处，双旋转切割，特别是SC切割，在中等和高精度应用中越来越流行。
本发明的目的是实现对数字温度补偿晶体振荡器(DTCXO)系统的数字控制系统或电路的改进。
如图4所示，为本发明实施例的数字式温度补偿晶体振荡器振荡器示意图。包括温度传感器1、信号处理和数模转换器(DAC)2、压控晶体振荡器(VCXO)3、Sigma-Delta调制PLL频率合成器(SDPLL)4以及频率-数子转换器(FDC)5，其中：温度传感器1与信号处理和数模转换器2连接，将温度传感器的数字温度信号转换为模拟温度信号并输出，模拟温度信号输入到压控晶体振荡器3，压控晶体振荡器可选择带有变容二极管31的Pierce或Colpitts晶体振荡，通过变容二极管实现可控的电压的施加来控制晶体振荡器的频率；晶体振荡信号输入Sigma-Delta调制的PLL频率合成器(SDPLL)4，绘制出高分辨率的晶体振荡器频率-温度特性曲线，经频率-温度特性校准模块进行校准计算，校准后的频率-温度特性输入频率-数字转换器(FDC)5将频率-温度特性转换成数字信号，频率-温度特性数字信号再返回信号处理和数模转换器(DAC)2得到频率-温度特性模拟信号。工作过程描述如下：
温度传感器感测振荡器的晶体单元(XTAL)的环境温度，并将模拟温度信息(模拟电压或电流)发送到A/D转换器，该转换器是一个10位或更高精度的A/D转换器；结果与数字化的温度信息一起在数字域中进行处理，并存储(或编程)在存储器(如ROM)中。根据周围环境的感测温度，从存储的数据中确定控制电压，并在数模转换(DAC)后应用于VCXO以保持输出频率，频率常数。
对于集成电路，通常必须校准生产变化，否则生产产量太低。该校准可在部件测试或TCXO模块测试中进行。该电路内置高精度温度传感器，输出与温度有关。在标定过程中，用一个预先定义的多项式函数对频率-温度变化进行建模。利用已知参数测量集成电路的补偿曲线和输出频率，可以对集成电路进行校准。计算出集成电路所需的设置，从而使电路与晶体参数相匹配。计算公式如下：
其中，Δf为频率稳定性，a1、a3、a4和a5为切角相关温度系数，f0为拐点频率，T0为拐点温度，T为实际温度。
已知所需温度补偿功能的晶体用作TCXO的晶体。例如某些具有足够小制造公差的晶体，或在温度下测量的晶体。有利的是，可以使用切割角度约为0度或在约+/-1度范围内的切割晶体。
振荡器可以作为一个集成电路来实现，非常适合各种应用，例如移动和电信系统。可能只需要晶体x1作为额外的外部组件。
Claims (2)
1.一种数字式温度补偿晶体振荡器，其特征在于，该数字式温度补偿晶体振荡器包括温度传感器(1)、信号处理和数模转换器(2)、压控晶体振荡器(3)、Sigma-Delta调制PLL频率合成器(4)、频率-温度特性校准模块(5)以及频率-数子转换器(6)；其中：
温度传感器(1)与信号处理和数模转换器(2)连接，将温度传感器的数字温度信号转换为模拟温度信号并输出，模拟温度信号输入到压控晶体振荡器(3，实现可控的电压的施加来控制晶体振荡器的频率；晶体振荡信号输入Sigma-Delta调制的PLL频率合成器(4)，绘制出高分辨率的晶体振荡器频率-温度特性曲线，经频率-温度特性校准模块(5)进行校准计算，校准后的频率-温度特性输入频率-数字转换器(6)将频率-温度特性转换成数字信号，频率-温度特性数字信号再返回信号处理和数模转换器(2)得到频率-温度特性模拟信号。
2.如权利要求1所述的一种数字式温度补偿晶体振荡器，其特征在于，所述频率-温度特性校准模块(5)的校准以及设置过程及公式如下：
其中，Δf为频率稳定性，a1、a3、a4和a5为切角相关温度系数，f0为拐点频率，T0为拐点温度，T为实际温度。
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