CN112234979A - 一种晶振调压调频电路和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种晶振调压调频电路和方法，通过设置第一数模转换模块、至少一个第二数模转换模块和加法电路，由控制模块控制第一数模转换模块的输出电压和第二数模转换模块的输出电压并将其通过加法电路计算后输出到待调晶振，以实现对待调晶振电压的调节。由于待调晶振频率的变化是跟随其电压的变化而变化的，因此，在控制第一数模转换模块和第二数模转换模块的输出电压时其输出频率也得到相应的调整，且经过加法电路输出到待调晶振，可以保证待调晶振频率的精度等级至少能达到第一数模转换模块和/或第二数模转换模块的频率精度等级。因而，实现了对待调晶振输入电压的调节，以及能够满足待调晶振频率调节的精度等级要求。

Description

一种晶振调压调频电路和方法
技术领域
本发明实施例涉及电子电工技术领域，尤其涉及一种晶振调压调频电路和方法。
背景技术
以恒温晶体振荡器为首的具有压控调频功能及电路已经较为成熟，已经满足大多数中低端应用，但由于受到恒温晶振振荡器的温度和老化特性带来的偏差、高位转换芯片的制作成本和难度都比较大等因素的影响，要实现高精度压控动态调频的功能且不恶化输出频率相位抖动仍然是一道难题。
发明内容
本发明提供一种晶振调压调频电路和方法，以实现对待调晶振输入电压的调节，以及能够满足待调晶振频率调节的精度等级要求。
第一方面，本发明实施例提供了一种晶振调压调频电路，该晶振调压调频电路包括：控制模块、第一数模转换模块、至少一个第二数模转换模块和加法电路；
其中，所述控制模块分别与所述第一数模转换模块和所述第二数模转换模块电连接，所述第一数模转换模块与所述加法电路的第一输入端电连接，所述第二数模转换模块与所述加法电路的第二输入端电连接，所述加法电路的第一输出端与待调晶振电连接，所述加法电路的第二输出端接地；
所述控制模块用于控制所述第一数模转换模块的输出电压和所述第二数模转换模块的输出电压，所述加法电路用于将所述第一数模转换模块输出的电压和所述第二数模转换模块输出的电压相加后输出到所述待调晶振。
第二方面，本发明实施例还提供了一种晶振调压调频方法，该方法由晶振调压调频电路执行，所述晶振调压调频电路包括控制模块、第一数模转换模块、至少一个第二数模转换模块和加法电路，其中，所述控制模块分别与所述第一数模转换模块和所述第二数模转换模块电连接，所述第一数模转换模块与所述加法电路的第一输入端电连接，所述第二数模转换模块与所述加法电路的第二输入端电连接，所述加法电路的第一输出端与待调晶振电连接，所述加法电路的第二输出端接地；
所述晶振调压调频方法包括：
所述控制模块控制所述第一数模转换模块的输出电压和所述第二数模转换模块的输出电压；
所述加法电路将所述第一数模转换模块输出的电压和所述第二数模转换模块输出的电压相加后输出到所述待调晶振；其中，所述待调晶振的频率跟随其输入电压的变化而变化。
本发明实施例提供了一种晶振调压调频电路和方法，通过设置第一数模转换模块、至少一个第二数模转换模块和加法电路，由控制模块控制第一数模转换模块的输出电压和第二数模转换模块的输出电压并将其通过加法电路计算后输出到待调晶振，以实现对待调晶振电压的调节。由于待调晶振频率的变化是跟随其电压的变化而变化的，第一数模转换模块的输出频率变化是跟随其电压的变化而变化的，第二数模转换模块的输出频率变化也是跟随其电压的变化而变化的，因此，在控制第一数模转换模块和第二数模转换模块的输出电压时其输出频率也得到相应的调整，且经过加法电路输出到待调晶振，可以保证待调晶振频率的精度等级至少能达到第一数模转换模块和/或第二数模转换模块的频率精度等级。因而，实现了对待调晶振输入电压的调节，以及能够满足待调晶振频率调节的精度等级要求。
附图说明
图1本发明实施例中的一种晶振调压调频电路的结构示意图；
图2是本发明实施例中的另一种晶振调压调频电路的结构示意图；
图3是本发明实施例中的另一种晶振调压调频电路的结构示意图；
图4是本发明实施例中的一种晶振调压调频方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
基于背景技术所述的技术问题，经发明人研究发现，到目前为止，以恒温晶体振荡器为首的具有压控调频功能及电路已经较为成熟，已经满足大多数中低端应用，但要实现高精度压控动态调频的功能且不恶化输出频率相位抖动的尚是一道难题。
以10MHz恒温晶体振荡器(OCXO)为例，其短稳在2E-13/1S，如果在不恶化其1秒稳的同时，需要对其频率准确度进行校准，那么输给其电压控制端的最小步进电压引起的频率变化值需要高一个数量级，即在-14方量级。然而在实际调试过程中，存在以下问题：
一方面，由于恒温晶振振荡器的温度和老化特性带来的偏差，恒温晶体振荡器通过压控调整频率的调整范围不易过小，以10MHz为列，一般要求电压在0～5V，相应的频率变化范围在+/-250ppb左右，有的范围甚至更大；而这样较大频率范围，在调节过程中很容易引起输出频率无法满足短稳指标。由于数模转换DAC的位数有限，一般高位的在20位，单步DAC对应的电压为：5V/220＝4.77uV/每步进；单步DAC对应的频率变化：500ppb/220＝4.77E-13/每步进；如果要对1秒稳在-13次方量级短稳的恒温晶振振荡器进行调节，至少需要高一个数量级的调节精度，而这个精度无法满足-14方量级。
另一方面，市面上存在少量最高位为24位的数模转换芯片，虽然理论上最高位越高高数量等级的计算精度越高，但是由于产品制造精度、芯片本身温漂、老化等问题其精度也很难保证，而且其制作难度大、制作成本高，价格昂贵，不能在低端产品中广为使用。
基于上述问题，本发明实施例提供了一种晶振调压调频电路，图1为本发明实施例提供的一种晶振调压调频电路的结构示意图，参考图1，该晶振调压调频电路包括：控制模块10、第一数模转换模块20、至少一个第二数模转换模块30和加法电路40；
其中，控制模块10分别与第一数模转换模块20和第二数模转换模块30电连接，第一数模转换模块20与加法电路40的第一输入端A1电连接，第二数模转换模块30与加法电路40的第二输入端A2电连接，加法电路40的第一输出端A3与待调晶振50电连接，加法电路40的第二输出端A4接地；
控制模块10用于控制第一数模转换模块20的输出电压和第二数模转换模块30的输出电压，加法电路40用于将第一数模转换模块20输出的电压和第二数模转换模块30输出的电压相加后输出到待调晶振50。
其中，控制模块10可以为单片机。待调晶振50可以为背景部分所述的10MHz恒温晶体振荡器OCXO，其最高位为20位。
通常，待调晶振50频率的变化是跟随其电压的变化而变化的，第一数模转换模块20的输出频率变化是跟随其电压的变化而变化的，第二数模转换模块30的输出频率变化也是跟随其电压的变化而变化的，因此在对待调晶振50调压的同时还可对其频率进行调节。
控制模块10控制第一数模转换模块20的输出电压，第一数模转换模块20相对其电压会有一个对应的输出频率，假设第一数模转换模块20的输出频率精度等级为-13次方量级；控制模块10控制第二数模转换模块30的输出电压，第二数模转换模块30相对其电压会有一个对应的输出频率，假设第二数模转换模块20的输出频率精度等级为-14次方量级；将第一数模转换模块20输出的电压和第二数模转换模块30输出的电压输入到加法电路40，由加法电路40相加输出到待调晶振50，经加法电路40输出的电压对应的输出频率至少可以达到-14次方量级，因而可以保证待调晶振50的频率精度等级能够满足-13次方量级的要求。
本实施例的技术方案，提供了一种晶振调压调频电路和方法，通过设置第一数模转换模块、至少一个第二数模转换模块和加法电路，由控制模块控制第一数模转换模块的输出电压和第二数模转换模块的输出电压并将其通过加法电路计算后输出到待调晶振，以实现对待调晶振电压的调节。由于待调晶振频率的变化是跟随其电压的变化而变化的，第一数模转换模块的输出频率变化是跟随其电压的变化而变化的，第二数模转换模块的输出频率变化也是跟随其电压的变化而变化的，因此，在控制第一数模转换模块和第二数模转换模块的输出电压时其输出频率也得到相应的调整，且经过加法电路输出到待调晶振，可以保证待调晶振频率的精度等级至少能达到第一数模转换模块和/或第二数模转换模块的频率精度等级。因而，实现了对待调晶振输入电压的调节，以及能够满足待调晶振频率调节的精度等级要求。
可选地，加法电路为无源加法电路。
与传统的有源加法电路相比，无源加法电路无需引入额外的电源、芯片等，因而不会出现电源、芯片等造成的纹波噪声干扰问题，进而可以进一步提高待调晶振调节的精度。
在一种实施方式中，可选地，图2是本发明实施例提供的另一种晶振调压调频电路的结构示意图，参考图2，该晶振调压调频电路还包括稳压模块60，稳压模块60的输入端接入电源V0，稳压模块60的输出端与第一数模转换模块20、第二数模转换模块20和加法电路40电连接。
其中，稳压模块60可以为(Linear Voltage Regulators，低压差线性稳压器，LDO)，用于将电源电压转换为第一数模转换模块20、第二数模转换模块20和加法电路40所需的稳定电压。
继续参考图2，加法电路40包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4，第一电阻R1的第一端与第一数模转换模块20电连接，第一电阻R1的第二端分别与稳压模块60和待调晶振50电连接，第二电阻R2的第一端与第二数模转换模块30电连接，第二电阻R2的第二端与第一电阻R1的第二端和待调晶振50电连接，第三电阻R3的第一端与稳压模块60电连接，第三电阻R3的第二端与第一电阻R1的第二端、第二电阻R2的第二端和第四电阻R4的第一端电连接，第四电阻R4的第二端接地。
其中，根据第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4，以及第一数模转换模块20输出的电压和第二数模转换模块30输出的电压可以调节待调晶振50的电压。具体调节过程为：假设第一数模转换模块20输出的电压为V1，第二数模转换模块30输出的电压为V2，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4的阻值分别为r1、r2、r3和r4，稳压模块60输出到加法电路40的电压为V，待调晶振50的电压为Vx，则Vx的计算方法为：
Figure BDA0002666638070000071
可选地，第一数模转换模块20和第二数模转换模块30为数模转换芯片。
其中，例如AD5791型数模转换芯片，其分辨率高达20位、精度达1ppm且具有合理速率的DAC的应用范围，如梯度线圈控制、测试和计量中的精密直流源、质谱测定和气谱分析中的精密定点和位置控制等。
可选地，数模转换芯片的最高位为20位。
需要说明的是，第二数模转换模块可以包含多个。图3是本发明实施例中提供的另一种晶振调压调频电路的结构示意图，参考图3，示例性的，第二数模转换模块包括第二甲数模转换模块31和第二乙数模转换模块32，加法电路40还包括第五电阻R5，第二甲数模转换模块31分别与稳压模块60、控制模块10和第二电阻R2电连接，第二乙数模转换模块32分别与稳压模块60、控制模块10和第五电阻R5电连接。控制模块10分别控制第一数模转换模块20、第二甲数模转换模块31和第二乙数模转换模块32的输出电压，经加法电路输出后得到待调晶振50的电压。此时，假设待调晶振50的电压为Vx′，第二甲数模转换模块31和第二乙数模转换模块32的输出电压分别为V2和V3，第五电阻R5的阻值为r5，则Vx′的计算方法为：
Figure BDA0002666638070000081
本实施例还提供了一种晶振调压调频方法，图4是本发明实施例提供的一种晶振调压调频方法的流程图，该晶振调压调频方法可适用于晶振调压调频的实现过程，该晶振调压调频方法由晶振调压调频电路执行，晶振调压调频电路包括控制模块、第一数模转换模块、至少一个第二数模转换模块和加法电路，其中，控制模块分别与第一数模转换模块和第二数模转换模块电连接，第一数模转换模块与加法电路的第一输入端电连接，第二数模转换模块与加法电路的第二输入端电连接，加法电路的第一输出端与待调晶振电连接，加法电路的第二输出端接地；参考图4，该方法具体包括如下步骤：
步骤110、控制模块控制第一数模转换模块的输出电压和第二数模转换模块的输出电压。
其中，第一数模转换模块的输出频率变化是跟随其电压的变化而变化的，第二数模转换模块的输出频率变化也是跟随其电压的变化而变化的，控制模块在控制第一数模转换模块的输出电压的同时也控制了其频率的变化，同理，控制模块在控制第二数模转换模块的输出电压的同时也控制了其频率的变化。
步骤120、加法电路将第一数模转换模块输出的电压和第二数模转换模块输出的电压相加后输出到待调晶振；其中，待调晶振的频率跟随其输入电压的变化而变化。
其中，第一数模转换模块的输出频率变化是跟随其电压的变化而变化的，第二数模转换模块的输出频率变化也是跟随其电压的变化而变化的，待调晶振的频率跟随其输入电压的变化而变化，而待调晶振的电压是由第一数模转换模块的输出电压、第二数模转换模块的输出电压和加法电路共同调节的，因此通过控制第一数模转换模块的输出电压、第二数模转换模块的输出电压以及加法电路的作用可以调节待调晶振的电压和频率。
在本实施的技术方案中，提供了一种晶振调压调频方法，通过控制模块控制第一数模转换模块的输出电压和第二数模转换模块的输出电压并将其通过加法电路计算后输出到待调晶振，以实现对待调晶振电压的调节。由于待调晶振频率的变化是跟随其电压的变化而变化的，第一数模转换模块的输出频率变化是跟随其电压的变化而变化的，第二数模转换模块的输出频率变化也是跟随其电压的变化而变化的，因此，在控制第一数模转换模块和第二数模转换模块的输出电压时其输出频率也得到相应的调整，且经过加法电路输出到待调晶振，可以保证待调晶振频率的精度等级至少能达到第一数模转换模块和/或第二数模转换模块的频率精度等级。因而，实现了对待调晶振输入电压的调节，以及能够满足待调晶振频率调节的精度等级要求。
可选地，控制模块控制第一数模转换模块的输出电压和第二数模转换模块的输出电压，包括：
控制模块按照预设电压分配比例和预设步进值控制第一数模转换模块的输出电压和第二数模转换模块的输出电压；其中，第一数模转换模块的单步进频率变化跟随第一数模转换模块的单步进电压变化而变化，第二数模转换模块的单步进频率变化跟随第二数模转换模块的单步进电压变化而变化。
其中，预设电压分配比例可以为任意比例，但是第一数模转换模块所占的比例要大于第二数模转换模块所占的比例。预设步进值可以以每一步进为单位。
其中，第一数模转换模块所占的比例要大于第二数模转换模块所占的比例，则第二数模转换模块的频率精度等级要比第一数模转换模块的频率精度等级高一个数量级，例如，假设第一数模转换模块的频率精度数量级为-13方，则第二数模转换模块的频率精度数量级为-14方。
具体的，以第一数模转换模块和第二数模转换模块为最高位是20位的数模转换芯片为例，设待调晶振的压控电压范围为0V-5V，其所述引起的频率变化范围为-250ppb～+250ppb，假设控制模块按照4:1的电压分配比例对第一数模转换模块的输出电压和第二数模转换模块的输出电压进行分配，并按最小步进制分别对第一数模转换模块进行粗调，对第二数模转换模块进行精调，则
粗调段：第一数模转换模块单步进的频率变化为：
＝(500ppb*4/5)/220＝3.8E-13/每步
第一数模转换模块单步进的电压变化为：
＝(5V*4/5)/220＝3.8uV/每步
精调段：第二数模转换模块单步进的频率变化为：
＝(500ppb*1/5)/220＝9.5E-14/每步
第二数模转换模块单步进电压率变化为：
＝(5V*1/5)/220＝0.95uV/每步
然后，第一数模转换模块输出的电压和第二数模转换模块输出的电压输出到加法电路，经加法电路计算后，得到待调晶振的电压和频率，由于第一数模转换模块单步进的频率变化为3.8E-13/每步，第二数模转换模块单步进的频率变化为9.5E-14/每步为，经加法电路相加后其结果为-14方量级的数值，因此，待调晶振的频率精度等级可以满足-13方量级的要求。
由此，控制模块按照电压分配比例控制第一数模转换模块和第二数模转换模块的输出电压，只要保证第一数模转换模块所占的比例要大于第二数模转换模块所占的比例，就可以保证第二数模转换模块的频率变化的精度等级高于第一数模转换模块一个数量级，且经加法电路的加法作用后其输出的频率精度等级至少可以保证在第二数模转换模块的频率精度数量级，从而可以保证待调晶振的频率精度等级可以满足其数量级的要求
可选地，加法电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻，根据第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一数模转换模块输出的电压以及第二数模转换模块输出的电压确定输出到待调晶振的电压。
其中，可结合图2，假设第一数模转换模块20输出的电压为V1，第二数模转换模块30输出的电压为V2，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4的阻值分别为r1、r2、r3和r4，稳压模块60输出到加法电路40的电压为V，待调晶振50的电压为Vx，则Vx的计算方法为：
Figure BDA0002666638070000111
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种晶振调压调频电路，其特征在于，包括：控制模块、第一数模转换模块、至少一个第二数模转换模块和加法电路；
其中，所述控制模块分别与所述第一数模转换模块和所述第二数模转换模块电连接，所述第一数模转换模块与所述加法电路的第一输入端电连接，所述第二数模转换模块与所述加法电路的第二输入端电连接，所述加法电路的第一输出端与待调晶振电连接，所述加法电路的第二输出端接地；
所述控制模块用于控制所述第一数模转换模块的输出电压和所述第二数模转换模块的输出电压，所述加法电路用于将所述第一数模转换模块输出的电压和所述第二数模转换模块输出的电压相加后输出到所述待调晶振。
2.根据权利要求1所述的晶振调压调频电路，其特征在于，所述加法电路为无源加法电路。
3.根据权利要求1所述的晶振调压调频电路，其特征在于，还包括稳压模块，所述稳压模块的输入端接入电源，所述稳压模块的输出端与所述第一数模转换模块、所述第二数模转换模块和所述加法电路电连接。
4.根据权利要求3所述的晶振调压调频电路，其特征在于，所述加法电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻，所述第一电阻的第一端与所述第一数模转换模块电连接，所述第一电阻的第二端分别与所述稳压模块和所述待调晶振电连接，所述第二电阻的第一端与所述第二数模转换模块电连接，所述第二电阻的第二端与所述第一电阻的第二端和所述待调晶振电连接，所述第三电阻的第一端与所述稳压模块电连接，所述第三电阻的第二端与所述第一电阻的第二端、所述第二电阻的第二端和所述第四电阻的第一端电连接，所述第四电阻的第二端接地。
5.根据权利要求1所述的晶振调压调频电路，其特征在于，所述第一数模转换模块和所述第二数模转换模块为数模转换芯片。
6.根据权利要求5所述的晶振调压调频电路，其特征在于，所述数模转换芯片的最高位为20位。
7.一种晶振调压调频方法，其特征在于，由晶振调压调频电路执行，所述晶振调压调频电路包括控制模块、第一数模转换模块、至少一个第二数模转换模块和加法电路，其中，所述控制模块分别与所述第一数模转换模块和所述第二数模转换模块电连接，所述第一数模转换模块与所述加法电路的第一输入端电连接，所述第二数模转换模块与所述加法电路的第二输入端电连接，所述加法电路的第一输出端与待调晶振电连接，所述加法电路的第二输出端接地；
所述晶振调压调频方法包括：
所述控制模块控制所述第一数模转换模块的输出电压和所述第二数模转换模块的输出电压；
所述加法电路将所述第一数模转换模块输出的电压和所述第二数模转换模块输出的电压相加后输出到所述待调晶振；其中，所述待调晶振的频率跟随其输入电压的变化而变化。
8.根据权利要求7所述的晶振调压调频方法，其特征在于，所述控制模块控制所述第一数模转换模块的输出电压和所述第二数模转换模块的输出电压，包括：
所述控制模块按照预设电压分配比例和预设步进值控制所述第一数模转换模块的输出电压和所述第二数模转换模块的输出电压；
其中，所述第一数模转换模块的单步进频率变化跟随所述第一数模转换模块的单步进电压变化而变化，所述第二数模转换模块的单步进频率变化跟随所述第二数模转换模块的单步进电压变化而变化。
9.根据权利要求8所述的晶振调压调频方法，其特征在于，在所述预设电压分配比例中，所述第一数模转换模块所占的比例大于所述第二数模转换模块所占的比例。
10.根据权利要求7所述的晶振调压调频方法，其特征在于，所述加法电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻，根据所述第一电阻、所述第二电阻、所述第三电阻、所述第四电阻、所述第一数模转换模块输出的电压以及所述第二数模转换模块输出的电压确定输出到所述待调晶振的电压。
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