CN202059371U - 一种实现时钟晶体振荡器闭环温度补偿的装置 - Google Patents

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王瑞毅
任振东
陈仲平
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本实用新型提供的时钟晶体振荡器闭环温度补偿的装置，通过定制高精准的高频石英晶体来不断校正32768Hz石英晶体的秒脉冲，直到在32768Hz石英晶体产生的时间闸门内读取的高频脉冲信号的个数和理论上精准的高频脉冲个数相同。由于可以在任意温度下对32768Hz石英晶体进行校准，因此本装置能在很宽温度范围内补偿32768Hz石英晶体由于温度不同而产生的频率偏差；由于本装置采用了闭环温度补偿方式，其过程与时钟晶体的频率温度特性曲线形状无关，因此不要求时钟晶体的一致性；由于本装置利用MCU，外加两个晶体，32768Hz石英晶体和定制高频晶体就可实现，因此成本较低，对应的体积也较小。

Description

一种实现时钟晶体振荡器闭环温度补偿的装置
技术领域
本实用新型涉及温度补偿技术领域，特别涉及一种实现时钟晶体振荡器闭环温度补偿的装置。
背景技术
目前，除了要求特别高的标准源以外，工业及日常生活中使用的高精度时钟频率主要来自石英晶体振荡器。目前，国内外时钟使用的石英晶体振荡器的频率为32768Hz。
参见图1，该图为32768Hz石英晶体振荡器的频率温度特性曲线图。32768Hz石英晶体振荡器在-30至+60℃范围内的频率偏差比ΔF/F约为(+40)ppm至(-150)ppm(ppm表示百万分之一)，这样每天产生的时钟误差可达15秒以上。
因此，如果要达到更高的时钟精度，需要对石英晶体振荡器的频率偏差进行温度补偿，目前的温度补偿包括硬补和软补两种。
硬补主要是从硬件上进行温度补偿，硬补的成本较高，并且整体的体积较大，不适合用于时钟体积小和成本低的场合。
软补的方法主要是在有MCU芯片同时出现于同一产品的场合，利用石英晶体振荡器的频率温度特性曲线一致性较好的32768Hz石英晶体作为MCU芯片内挂的独立实时时钟(RTC，Real-Time Clock)电路的外晶体，利用MCU内/外部温度测量传感器检测温度值，通过查找频率温度特性曲线表得出该温度值对应的频率温度偏差值，MCU通过修改秒脉冲分频值(32768±N，N为实时修正值)来实现补偿修正。
目前这种软补方法成本较低，但由于其是开环补偿，频率温度特性曲线一致性、温度传感器的一致性、A/D采集的参考电压的一致性、MCU内部A/D采集电路制造的一致性等任何一项出现问题，均无法保证最终的补偿结果。如果有任何一项或多项出现问题，则将导致补偿结果不准确。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种实现时钟晶体振荡器闭环温度补偿的装置，成本低，体积小，补偿结果准确。
本实用新型提供一种实现时钟晶体振荡器闭环温度补偿的装置，包括：定制高频晶体、MCU、实时时钟RTC电路、32768Hz石英晶体、AD转换器、温度传感器；所述RTC电路为MCU的内挂RTC电路或外挂RTC电路，所述AD转换器为MCU的片内电路；
温度传感器测量环境温度，将测量的温度发送给AD转换器，AD转换器将温度传感器测量的环境温度转换为数字信号发送给MCU；
所述定制高频晶体的频率温度特性曲线为分段折线，在每段折线内为直线；每段折线内单位时间内的温度T与高频脉冲个数Pt的表达式为：Pt＝(a*T+b)；其中，a、b为常数；
RTC电路产生由32768Hz石英晶体振荡产生的秒脉冲；
在温度T时，MCU读取RTC电路产生的预定时间闸门内的所述定制高频晶体产生的高频脉冲个数Pt1；在温度T时，MCU由Pt＝(a*T+b)计算所述定制高频晶体在所述预定时间闸门内的理论高频脉冲个数Pt2；所述MCU预先存储每段折线内对应的a、b；每段折线对应一组a、b值；MCU比较Pt1和Pt2；当Pt1大于Pt2，MCU调节RTC电路产生的秒脉冲的宽度变窄；反之调节RTC电路产生的秒脉冲的宽度变宽；直到读取的高频脉冲个数Pt1与理论高频脉冲个数Pt2相等。
优选地，所述MCU为单片机或微处理器。
优选地，所述温度传感器为MCU的片外传感器或MCU的片内传感器。
优选地，当所述温度传感器为MCU的片内传感器时，所述温度传感器为片内双PN结温度传感器。
优选地，所述MCU还按照预定时间段定时接收AD转换器发送来的温度的数字信号；判断温度的变化是否超过预定范围，当超过预定范围时，MCU调节RTC电路产生的秒脉冲宽度；当未超过预定范围时，MCU停止调节RTC电路产生的秒脉冲宽度。
优选地，所述MCU通过温度台阶表查找对应的预定范围，所述温度台阶表预先存储在MCU的存储器中；
所述MCU判断温度的变化是否超过当前温度对应的预定范围；当超过预定范围时，MCU调节RTC电路产生的秒脉冲宽度；当未超过预定范围时，MCU停止调节RTC电路产生的秒脉冲宽度。
优选地，所述温度台阶表为-10℃以下温度台阶值为0.2℃、-10～+10℃温度台阶值为0.3℃、+10～+30℃温度台阶值为0.4℃、+30～+50℃温度台阶值为0.3℃、+50℃以上温度台阶值为0.2℃。
优选地，所述定制高频晶体的频率为16MHz。
与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：
本实用新型提供的时钟晶体振荡器闭环温度补偿的装置，通过定制高精准的高频石英晶体来不断校正32768Hz石英晶体的秒脉冲，直到在32768Hz石英晶体产生的时间闸门内读取的高频脉冲信号的个数和理论上精准的高频脉冲个数相同。由于可以在任意温度下对32768Hz石英晶体进行校准，因此本装置能在很宽温度范围内补偿32768Hz石英晶体由于温度不同而产生的频率偏差；由于本装置采用了闭环温度补偿方式，其过程与时钟晶体的频率温度特性曲线形状无关，因此不要求时钟晶体的一致性；由于本装置利用MCU，外加两个晶体(32768Hz石英晶体和定制高频晶体)就可实现，因此成本较低，对应的体积也较小。
附图说明
图1是32768Hz石英晶体振荡器的频率温度特性曲线图；
图2是本实用新型提供的装置实施例一结构图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解和实施本实用新型的技术方案，下面介绍几个与本实用新型相关的技术术语。
石英晶体振荡器：是利用石英晶体(二氧化硅的结晶体)的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片(简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等)，在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶振。
32768Hz石英晶体常作为时钟晶体。
高频晶体一般泛指频率高于1MHz的晶体，本实用新型所指的定制的高频晶体是指专门制造、频率温度特性曲线为指定的多段折线、频率范围在1MHz～76MHz的石英晶体。
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。
参见图2，该图为本实用新型提供的装置实施例一结构图。
本实用新型提供的实现时钟晶体振荡器闭环温度补偿的装置，包括：定制高频晶体101、MCU102、实时时钟RTC电路103、32768Hz石英晶体104、AD转换器105、温度传感器106；
图2所示的装置，其中RTC电路103和温度传感器106均为MCU102外部的独立器件，当然，RTC电路103和温度传感器106也可以为MCU102片上自带的器件。
所述RTC电路103为MCU102的内挂RTC电路或外挂RTC电路，所述AD转换器105为MCU102的片内电路；
温度传感器106测量环境温度，将测量的温度发送给AD转换器105，AD转换器105将温度传感器106测量的环境温度转换为数字信号发送给MCU102；
所述定制高频晶体101的频率温度特性曲线为分段折线，在每段折线内为直线；每段折线内单位时间内的温度T与高频脉冲个数Pt的表达式为：Pt＝(a*T+b)；其中，a、b为常数；
RTC电路103产生由32768Hz石英晶体104振荡产生的秒脉冲；
在温度T时，MCU102读取RTC电路103产生的预定时间闸门内的所述定制高频晶体101产生的高频脉冲个数Pt1；在温度T时，MCU102由Pt＝(a*T+b)计算所述定制高频晶体101在所述预定时间闸门内的理论高频脉冲个数Pt2；所述MCU102预先存储每段折线内对应的a、b；每段折线对应一组a、b值；MCU102比较Pt1和Pt2；当Pt1大于Pt2，MCU102调节RTC电路103产生的秒脉冲的宽度变窄；反之调节RTC电路103产生的秒脉冲的宽度变宽；直到读取的高频脉冲个数Pt1与理论高频脉冲个数Pt2相等。
本实用新型提供的时钟晶体振荡器闭环温度补偿的装置，通过定制高精准的高频石英晶体来不断校正32768Hz石英晶体的秒脉冲，直到在32768Hz石英晶体产生的时间闸门内读取的高频脉冲信号的个数和理论上精准的高频脉冲个数相同。由于可以在任意温度下对32768Hz石英晶体进行校准，因此本装置能在很宽温度范围内补偿32768Hz石英晶体由于温度不同而产生的频率偏差；由于本装置采用了闭环温度补偿方式，其过程与时钟晶体的频率温度特性曲线形状无关，因此不要求时钟晶体的一致性；由于本装置利用MCU，外加两个晶体(32768Hz石英晶体和定制高频晶体)就可实现，因此成本较低，对应的体积也较小。
每段折线内a、b值的获取具体可以通过如下方法获取：
由于定制高频晶体的频率温度特性曲线为分段折线，每段折线为直线，因此可以通过两点式的直线表达式获得该定制高频晶体单位时间内的温度T与高频脉冲个数Pt的表达式，具体为：
在第一温度T1时，获得M个标准秒脉冲时间内所述定制高频晶体的高频脉冲个数为P1；在第二温度T2时，获得M个标准秒脉冲时间内所述定制高频晶体的高频脉冲个数为P2；
则该定制高频晶体单位时间内的温度T与高频脉冲个数Pt的表达式为：Pt＝(a*T+b)；其中，a＝(P1-P2)/[M*(T1-T2)]；b＝(P1T1-P2T2)/[M(T1-T2)]。
需要说明的是，由于每段折线对应的直线的斜率不同，因此，可以由温度T查找对应的折线，然后获得对应的温度T与高频脉冲个数Pt的表达式。
可以理解的是，由M个标准秒脉冲内的高频脉冲个数可以得到单位时间内的高频脉冲个数。当M数值越大时，获得的单位时间内的高频脉冲个数越准确。
需要说明的是，所述MCU为单片机或微处理器。
需要说明的是，所述温度传感器为MCU的片外传感器或MCU的片内传感器。当MCU上内嵌有温度传感器，这样就不用片外另挂温度传感器了，这样可以减小整个装置的体积。
当所述温度传感器为MCU的片内传感器时，所述温度传感器为片内双PN结温度传感器。
需要说明的是，RTC电路也可以为MCU片外挂的电路，也可以为MCU片内自带的电路。
本实用新型提供的另一个实施例中，所述MCU还按照预定时间段定时接收AD转换器发送来的温度的数字信号；判断温度的变化是否超过预定范围，当超过预定范围时，MCU调节RTC电路产生的秒脉冲宽度；当未超过预定范围时，MCU停止调节RTC电路产生的秒脉冲宽度。
本实用新型提供的另一个实施例中，所述MCU可以通过温度台阶表查找对应的预定范围，所述温度台阶表预先存储在MCU的存储器中；
所述MCU判断温度的变化是否超过当前温度对应的预定范围；当超过预定范围时，MCU调节RTC电路产生的秒脉冲宽度；当未超过预定范围时，MCU停止调节RTC电路产生的秒脉冲宽度。
本实施例中，优选地，所述温度台阶表为-10℃以下温度台阶值为0.2℃、-10～+10℃温度台阶值为0.3℃、+10～+30℃温度台阶值为0.4℃、+30～+50℃温度台阶值为0.3℃、+50℃以上温度台阶值为0.2℃。
可以理解的是，根据不同的定制高频晶体，对应的温度台阶表中的具体数值可以根据试验的经验值进行调整。
本实施例中的定制高频晶体可以为专门厂商提供的定制高频石英晶体振荡器，优选频率为1MHz以上的石英晶体振荡器，本实用新型选用的是16MHz的石英晶体振荡器。
需要说明的是，本实用新型提供的闭环温度补偿方法将调整后的秒脉冲输出，同时作为新的预定时间闸门的基准。例如，预定时间闸门的M值是5秒，则将调整后的5个秒脉冲作为计数高频脉冲的时间闸门。
本实用新型提供的装置可以实现较宽温度范围内高精度地对时钟实现温度补偿。
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制。虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本实用新型技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本实用新型技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种实现时钟晶体振荡器闭环温度补偿的装置，其特征在于，包括：定制高频晶体、MCU、实时时钟RTC电路、32768Hz石英晶体、AD转换器、温度传感器；所述RTC电路为MCU的内挂RTC电路或外挂RTC电路，所述AD转换器为MCU的片内电路；
温度传感器测量环境温度，将测量的温度发送给AD转换器，AD转换器将温度传感器测量的环境温度转换为数字信号发送给MCU；
所述定制高频晶体的频率温度特性曲线为分段折线，在每段折线内为直线；每段折线内单位时间内的温度T与高频脉冲个数Pt的表达式为：Pt＝(a*T+b)；其中，a、b为常数；
RTC电路产生由32768Hz石英晶体振荡产生的秒脉冲；
在温度T时，MCU读取RTC电路产生的预定时间闸门内的所述定制高频晶体产生的高频脉冲个数Pt1；在温度T时，MCU由Pt＝(a*T+b)计算所述定制高频晶体在所述预定时间闸门内的理论高频脉冲个数Pt2；所述MCU预先存储每段折线内对应的a、b；每段折线对应一组a、b值；MCU比较Pt1和Pt2；当Pt1大于Pt2，MCU调节RTC电路产生的秒脉冲的宽度变窄；反之调节RTC电路产生的秒脉冲的宽度变宽；直到读取的高频脉冲个数Pt1与理论高频脉冲个数Pt2相等。
2.根据权利要求1所述的实现时钟晶体振荡器闭环温度补偿的装置，其特征在于，所述MCU为单片机或微处理器。
3.根据权利要求1所述的实现时钟晶体振荡器闭环温度补偿的装置，其特征在于，所述温度传感器为MCU的片外传感器或MCU的片内传感器。
4.根据权利要求3所述的实现时钟晶体振荡器闭环温度补偿的装置，其特征在于，当所述温度传感器为MCU的片内传感器时，所述温度传感器为片内双PN结温度传感器。
5.根据权利要求1所述的实现时钟晶体振荡器闭环温度补偿的装置，其特征在于，所述MCU还按照预定时间段定时接收AD转换器发送来的温度的数字信号；判断温度的变化是否超过预定范围，当超过预定范围时，MCU调节RTC电路产生的秒脉冲宽度；当未超过预定范围时，MCU停止调节RTC电路产生的秒脉冲宽度。
6.根据权利要求5所述的实现时钟晶体振荡器闭环温度补偿的装置，其特征在于，其特征在于，所述MCU通过温度台阶表查找对应的预定范围，所述温度台阶表预先存储在MCU的存储器中；
所述MCU判断温度的变化是否超过当前温度对应的预定范围；当超过预定范围时，MCU调节RTC电路产生的秒脉冲宽度；当未超过预定范围时，MCU停止调节RTC电路产生的秒脉冲宽度。
7.根据权利要求6所述的基于高频晶体实现时钟晶体振荡器闭环温度补偿的装置，其特征在于，所述温度台阶表为-10℃以下温度台阶值为0.2℃、-10～+10℃温度台阶值为0.3℃、+10～+30℃温度台阶值为0.4℃、+30～+50℃温度台阶值为0.3℃、+50℃以上温度台阶值为0.2℃。
8.根据权利要求1-7任一项所述的基于高频晶体实现时钟晶体振荡器闭环温度补偿的装置，其特征在于，所述定制高频晶体的频率为16MHz。
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