CN113644908B - 一种晶体振荡器的温度补偿方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种晶体振荡器的温度补偿方法及系统，所述一种晶体振荡器的温度补偿方法包括：利用晶体振荡器的环境温度值获取环境温度数字输出值；根据所述环境温度数字输出值对晶体振荡器进行温度补偿，所述一种晶体振荡器的温度补偿系统包括：采集模块，用于利用晶体振荡器的环境温度值获取环境温度数字输出值；补偿模块，用于根据所述环境温度数字输出值对晶体振荡器进行温度补偿，采用一对一的方式控制温度补偿输出频率，提升了补偿精度，在实施方法中减少花销，同时显著降低了控制字变化过程中由于电容失配导致的非线性问题。

Description

一种晶体振荡器的温度补偿方法及系统

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种晶体振荡器的温度补偿方法及系统。

背景技术

时频产品在各行各业的时间同步系统中大量应用，涵盖了通信系统、电力系统、广播电视、物联网等终端设备系统。晶体振荡器以其可靠性和成本优势成为了各类时频产品的时钟基准，广泛应用于工业产品及消费电子领域，石英晶体受限于自身的材料特性，振荡频率会随环境温度变化，在-45℃~90℃的温度范围内，其温漂通常会达到几十甚至上百ppm，很难满足5G智能科技时代通信系统及电子设备对于高精度、稳定时钟输出的需求，通过调节晶体振荡器的负载电容可以实现对晶体振荡器输出频率的调节，但由于晶体特性的差异，要实现高精度的频率输出，需要针对每一颗晶振做出温度补偿方案。采用分立器件实现的片外温度补偿方案需要巨大的硬件开销，且受限于器件精度很难实现高精度的频率输出。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种晶体振荡器的温度补偿方法，包括：

利用晶体振荡器的环境温度值获取环境温度数字输出值；

根据所述环境温度数字输出值对晶体振荡器进行温度补偿。

优选的，所述利用晶体振荡器的环境温度值获取环境温度数字输出值包括：

利用晶体振荡器的环境温度值获取环境温度采样值；

判断所述环境温度采样值与预先设定的移动平均运算周期值的大小，若小于，则利用当前环境温度采样值作为环境温度数字输出值，否则，根据环境温度采样值基于移动平均算法得到环境温度数字输出值。

进一步的，所述预先设定的移动平均运算周期值的取值包括：

其中，M为移动平均运算周期值，

为获取环境温度的传感器分辨率，

为环境温度补偿周期，

为环境温度变化率。

优选的，所述根据环境温度数字输出值对晶体振荡器进行温度补偿包括：

根据环境温度数字输出值基于预先设定的负载电容取值库，获取温度补偿负载电容值；

利用所述温度补偿负载电容值对晶体振荡器进行温度补偿。

进一步的，所述负载电容取值库的预先设定包括：

利用环境温度数字输出值与环境温度数字输出值对应的负载电容值基于最小二乘法，得到负载电容-温度曲线；

利用环境温度数字输出值根据所述负载电容-温度曲线，得到不同环境温度数字输出值对应的负载电容取值，建立负载电容取值库。

进一步的，所述根据环境温度数字输出值基于预先设定的负载电容取值库，获取温度补偿负载电容值包括：

当环境温度数字输出值的低位取值为零时，利用环境温度数字输出值的高位取值对应的负载电容存储值作为温度补偿负载电容值；

当环境温度数字输出值的低位取值不为零时，根据环境温度数字输出值的低位取值利用环境温度数字输出值的高位取值对应的负载电容存储值与环境温度数字输出值的高位取值对应的下一级负载电容存储值计算温度补偿负载电容值。

进一步的，所述根据环境温度数字输出值的低位取值利用环境温度数字输出值的高位取值对应的负载电容存储值与环境温度数字输出值的高位取值对应的下一级负载电容存储值计算温度补偿负载电容值的计算式如下：

其中，N为温度补偿值，k为根据环境温度数字输出值的低位取值，

为环境温度数字输出值的高位对应的负载电容存储值，

为环境温度数字输出值的高位取值对应的下一级负载电容存储值，L为环境温度数字输出值的低位取值位数。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种晶体振荡器的温度补偿系统，包括：

采集模块，用于利用晶体振荡器的环境温度值获取环境温度数字输出值；

补偿模块，用于根据所述环境温度数字输出值对晶体振荡器进行温度补偿。

与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果：

利用晶体振荡器的环境温度值获取环境温度数字输出值；根据所述环境温度数字输出值对晶体振荡器进行温度补偿采集环境温度，将与温度相关的电压信号进行模数转换器输出经过数字滤波处理后，得到与当前温度信息对应的数字信号，通过对应查询的方式得到与当前温度对应的控制电容值，采用最小二乘法多项式拟合的方式预存储且具有唯一性，可以保证输出的温度补偿效果显著。

附图说明

图1是本发明提供的一种晶体振荡器的温度补偿方法流程图；

图2是本发明提供的一种晶体振荡器的温度补偿装置连接示意图；

图3是本发明提供的一种数字信号处理电路连接示意图；

图4是本发明提供的一种数字信号处理电路与可变电容阵列连接示意图；

图5是本发明提供的一种晶体振荡器的温度补偿装置电路图；

图6是本发明提供的一种晶体振荡器温度-频率关系示意图；

图7是本发明提供的一种实测数据与多项式拟合数据关系示意图；

图8是本发明提供的一种晶体振荡器的温度补偿系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

本发明提供了一种晶体振荡器的温度补偿方法，如图1所示，包括：

步骤1：利用晶体振荡器的环境温度值获取环境温度数字输出值；

步骤2：根据所述环境温度数字输出值对晶体振荡器进行温度补偿。

本实施例中，一种晶体振荡器的温度补偿方法，所述一种晶体振荡器的温度补偿具体实施的装置连接示意如图2所示。

步骤1具体包括：

1-1:利用晶体振荡器的环境温度值获取环境温度采样值；

1-2:判断所述环境温度采样值与预先设定的移动平均运算周期值的大小，若小于，则利用当前环境温度采样值作为环境温度数字输出值，否则，根据环境温度采样值基于移动平均算法得到环境温度数字输出值。

步骤1-1具体包括：

其中，M为移动平均运算周期值，

为获取环境温度的传感器分辨率，

为环境温度补偿周期，

为环境温度变化率。

步骤2具体包括：

2-1：根据环境温度数字输出值基于预先设定的负载电容取值库，获取温度补偿负载电容值；

2-2：利用所述温度补偿负载电容值对晶体振荡器进行温度补偿。

步骤2-1具体包括：

2-1-1：利用环境温度数字输出值与环境温度数字输出值对应的负载电容值基于最小二乘法，得到负载电容-温度曲线；

2-1-2利用环境温度数字输出值根据所述负载电容-温度曲线，得到不同环境温度数字输出值对应的负载电容取值，建立负载电容取值库。

2-1-3：当环境温度数字输出值的低位取值为零时，利用环境温度数字输出值的高位取值对应的负载电容存储值作为温度补偿负载电容值；

2-1-4：当环境温度数字输出值的低位取值不为零时，根据环境温度数字输出值的低位取值利用环境温度数字输出值的高位取值对应的负载电容存储值与环境温度数字输出值的高位取值对应的下一级负载电容存储值计算温度补偿负载电容值。

本实施例中，一种晶体振荡器的温度补偿方法，所述低位取值为3bits，高位取值为7bits。

步骤2-1-4具体包括：

其中，N为温度补偿值，k为根据环境温度数字输出值的低位取值，

为环境温度数字输出值的高位对应的负载电容存储值，

为环境温度数字输出值的高位取值对应的下一级负载电容存储值，L为环境温度数字输出值的低位取值位数。

本实施例中，一种晶体振荡器的温度补偿方法，如图3所示，当低3bits取值为零时，温度补偿负载电容值为环境温度数字输出值的高7bits取值对应的负载电容存储值，当环境温度数字输出值的低3bits取值为1时，环境温度数字输出值的低3bits取值利用环境温度数字输出值的高7bits对应的负载电容存储值取数值的八分之七，环境温度数字输出值的高7bits取值对应的下一级负载电容存储值计算温度补偿负载电容值取数值的八分之一，合并得到温度补偿负载电容值，以此类推。

本实施例中，一种晶体振荡器的温度补偿方法，所述方法实施的数字信号处理电路与可变电容阵列的连接示意如图4所示。

本实施例中，一种晶体振荡器的温度补偿方法，晶体振荡器与所述方法实施装置的电路连接示意如图5所示。

本实施例中，一种晶体振荡器的温度补偿方法，晶体振荡器温度-频率关系示意如图6所示。

本实施例中，一种晶体振荡器的温度补偿方法，实测数据与多项式拟合数据关系示意如图7所示。

实施例2：

如图8所示，本发明提供了一种晶体振荡器的温度补偿系统，包括：

采集模块，用于利用晶体振荡器的环境温度值获取环境温度数字输出值；

补偿模块，用于根据所述环境温度数字输出值对晶体振荡器进行温度补偿。

所述利用晶体振荡器的环境温度值获取环境温度数字输出值包括：

利用晶体振荡器的环境温度值获取环境温度采样值；

判断所述环境温度采样值与预先设定的移动平均运算周期值的大小，若小于，则利用当前环境温度采样值作为环境温度数字输出值，否则，根据环境温度采样值基于移动平均算法得到环境温度数字输出值。

所述预先设定的移动平均运算周期值的取值包括：

其中，M为移动平均运算周期值，

为获取环境温度的传感器分辨率，

为环境温度补偿周期，

为环境温度变化率。

所述根据环境温度数字输出值对晶体振荡器进行温度补偿包括：

根据环境温度数字输出值基于预先设定的负载电容取值库，获取温度补偿负载电容值；

利用所述温度补偿负载电容值对晶体振荡器进行温度补偿。

所述负载电容取值库的预先设定包括：

利用环境温度数字输出值与环境温度数字输出值对应的负载电容值基于最小二乘法，得到负载电容-温度曲线；

利用环境温度数字输出值根据所述负载电容-温度曲线，得到不同环境温度数字输出值对应的负载电容取值，建立负载电容取值库。

所述根据环境温度数字输出值基于预先设定的负载电容取值库，获取温度补偿负载电容值包括：

当环境温度数字输出值的低位取值为零时，利用环境温度数字输出值的高位取值对应的负载电容存储值作为温度补偿负载电容值；

当环境温度数字输出值的低位取值不为零时，根据环境温度数字输出值的低位取值利用环境温度数字输出值的高位取值对应的负载电容存储值与环境温度数字输出值的高位取值对应的下一级负载电容存储值计算温度补偿负载电容值。

所述根据环境温度数字输出值的低位取值利用环境温度数字输出值的高位取值对应的负载电容存储值与环境温度数字输出值的高位取值对应的下一级负载电容存储值计算温度补偿负载电容值的计算式如下：

其中，N为温度补偿值，k为根据环境温度数字输出值的低位取值，

为环境温度数字输出值的高位对应的负载电容存储值，

为环境温度数字输出值的高位取值对应的下一级负载电容存储值，L为环境温度数字输出值的低位取值位数。

实施例3：

给出了一种晶体振荡器温度补偿系统的SoC方案。

温度传感器利用PN结的温度特性产生与温度成比例的输出电压。具体来说，其结构包括镜像电流源、成比例的双极型晶体管和电阻。精确匹配的电流源将同样大小的电流送入不同比例的双极型晶体管，产生与温度成正比的基极集电极电压差，该电压差即可作为温度传感器的输出电压V _TS 。在良好匹配的电路中，双极型晶体管的饱和电流只与其基极发射极结面积正相关，上述电路结构可以产生线性度很高的正温度系数（PTAT）电压。

模数转换器将温度传感器输出的正温度系数电压V _TS 转换为N bits数字信号D _TS ，本实施例采用10 bits逐次逼近型模数转换器，每个时钟周期的数模转换采用了电阻串分压实现的Flash结构，通过中心对称等版图布局布线方法确保转换结果的线性度和单调性，从而实现在全温度区间内查表及插值操作的准确性。由于本实施例对模数转换器的采样率要求不高，可以通过牺牲速度的方式提高精度。逐次逼近电路中的数模转换器可以根据具体工艺的失配水平，兼顾性能与成本选择电流舵、权电容、分段电阻等结构。模数转换器22也可以采用流水线、过采样（Σ-Δ）等结构实现。

考虑到电路热噪声的影响，即使在温度恒定的环境下，温度传感器输出的电压值V _TS 也会存在一定程度的波动；从而影响D _TS 的稳定性，导致晶体振荡器输出频率的短期稳定度较差。鉴于环境温度是缓变量，可以通过低通滤波的方式降低温度传感器输出端的噪声干扰，采用移动平均数字滤波的形式实现，数字信号处理电路包含数字滤波器和线性插值模块，移动平均运算的周期值M依据环境温度的变化率合理设定，在滤除环境噪声的同时保证对温度变化的适时反应，对移动平均滤波器做了边界处理，在采样值小于M时，只取当前值作为数字滤波器的输出，确保不会因为错误的寄存器预设值影响滤波器输出结果的可靠性。

经移动平均滤波器输出后的模数转换器输出结果

的高7bits

用于非易失存储器寻址，低3bits

用于线性插值。

由于

的分辨率为0.125℃，本实施例中在1℃温度区间内，对晶体振荡器的补偿采用线性插值的方式实现，而在更大的温度区间，则采用多项式拟合的方式得到不同温度对应的补偿电容控制字。既保证了温度补偿后晶体振荡器的频率精度，又节省了温补系统对于非易失存储器的开销。

非易失存储器采用128个双字节结构，对应于数字信号处理电路给出的7bits地址信号。每个双字节对应一个电容阵列控制字，其中低六位采用二进制编码，高十位采用温度计编码，有效抑制了电容失配导致的非线性。

对于N bits二进制权电容阵列，假设单位电容的容值为C，失配为

，在极端情况下，系统最大失配发生在

到

转换过程中，最大失配为

。当N较大时，无法保证系统的单调性，进而影响温度补偿过程中的收敛过程。

其中，16 bits的电容阵列采用10+6的结构，低六位为二进制权电容阵列；高十位为温度计编码形式，每bit变化仅有1个单位电容变化，通过中心对称的版图布局，实现整体电容阵列的线性调整过程。

数字信号处理电路依据数模转换器的输出并结合非易失存储器中的数据给出合适的负载电容值，确保晶体振荡器频率精度。

晶体振荡器的串联谐振频率可以表示为

，其中L为晶体的等效电感，C _S 为晶体的等效串联电容。当考虑到晶体的封装电容等并联电容C _P 及负载电容C _L 后，晶体振荡频率可以表示为式（1）；通过调整C _L 值可以调节晶体振荡器输出频率，当负载电容为C _L +Δ C _L 时，晶体振荡器频率表示为式（2）。

（1）

（2）

负载电容变化ΔC _L 引起的频率变化Δω如式（3）所示，考虑到ΔC _L 为相对小量，式（3）可以简化为

，频率的变化与负载电容的变化呈线性关系，因此在晶体振荡器的温度补偿过程中，可以依照晶体本身频率的温度特性曲线直接拟合负载电容的温度曲线，将不同温度值带入拟合曲线，即可得到该温度对应的补偿电容值。

（3）

本实施例中，晶体振荡器的频率-温度曲线，如图6所示，为了保证拟合曲线的精度，将全温度范围内的晶体频率-温度特性曲线分为三段分别拟合：低温段（-45℃~0℃），常温段（0℃~50℃），高温段（50℃~90℃）。以低温段为例，如图7所示，经过最小二乘法拟合得到的四次多项式基本与实测数据吻合。同样的道理，常温段和高温段分别通过最小二乘算法拟合得到晶体振荡器的频率-温度曲线。

本实施例中

的低3 bits用于线性插值，高7bits用于晶体振荡器预设补偿电容值的寻址，因此将

分别带入上述多项式拟合得到的相应曲线段，即可得到非易失存储器中各地址对应的预设温度补偿电容值。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (3)

1.一种晶体振荡器的温度补偿方法，其特征在于，包括：

利用晶体振荡器的环境温度值获取环境温度数字输出值；

根据所述环境温度数字输出值对晶体振荡器进行温度补偿；

根据环境温度数字输出值对晶体振荡器进行温度补偿包括：

根据环境温度数字输出值基于预先设定的负载电容取值库，获取温度补偿负载电容值；

利用所述温度补偿负载电容值对晶体振荡器进行温度补偿；

所述负载电容取值库的预先设定包括：

利用环境温度数字输出值与环境温度数字输出值对应的负载电容值基于最小二乘法，得到负载电容-温度曲线；

利用环境温度数字输出值根据所述负载电容-温度曲线，得到不同环境温度数字输出值对应的负载电容取值，建立负载电容取值库；

所述根据环境温度数字输出值基于预先设定的负载电容取值库，获取温度补偿负载电容值包括：

当环境温度数字输出值的低位取值为零时，利用环境温度数字输出值的高位取值对应的负载电容存储值作为温度补偿负载电容值；

当环境温度数字输出值的低位取值不为零时，根据环境温度数字输出值的低位取值利用环境温度数字输出值的高位取值对应的负载电容存储值与环境温度数字输出值的高位取值对应的下一级负载电容存储值计算温度补偿负载电容值；

所述根据环境温度数字输出值的低位取值利用环境温度数字输出值的高位取值对应的负载电容存储值与环境温度数字输出值的高位取值对应的下一级负载电容存储值计算温度补偿负载电容值的计算式如下：

其中，N为温度补偿值，k为根据环境温度数字输出值的低位取值，

为环境温度数字输出值的高位对应的负载电容存储值，

为环境温度数字输出值的高位取值对应的下一级负载电容存储值，L为环境温度数字输出值的低位取值位数。

2.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述利用晶体振荡器的环境温度值获取环境温度数字输出值包括：

利用晶体振荡器的环境温度值获取环境温度采样值；

判断所述环境温度采样值与预先设定的移动平均运算周期值的大小，若小于，则利用当前环境温度采样值作为环境温度数字输出值，否则，根据环境温度采样值基于移动平均算法得到环境温度数字输出值。

3.如权利要求2所述方法，其特征在于，所述预先设定的移动平均运算周期值的取值包括：

其中，

为移动平均运算周期值，

为获取环境温度的传感器分辨率，

为环境温度补偿周期，

为环境温度变化率。

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