CN2553356Y - 高精度温度补偿晶体振荡器 - Google Patents

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程天军
李志刚
王超
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Abstract

一种高精度温度补偿晶体振荡器，包括一个用以产生基准振荡频率信号的压控晶体振荡器，一个已被编程、接收温度信号并计算补偿电压值的单片机，其特征在于：它还包括一个数字温度传感器，一个计数器和一个转换装置，所述数字温度传感器、计数器、单片机、转换装置、压控晶体振荡器依顺序单向连接。本实用新型通过使用数字温度传感器及计数器代替A/D转换器，通过使用脉宽调制PWM转换电路代替D/A转换器，从而缩小了体积、降低了成本与功耗，并且仍然能保证在宽温范围内，晶体振荡器输出精确的基准振荡信号。

Description

高精度温度补偿晶体振荡器
技术领域
本实用新型涉及用于移动通信装置中稳定工作频率的晶体振荡器，尤其涉及对晶体振荡器温度补偿电路的改进。
技术背景
通常，在移动通信装置中使用的晶体振荡器一般为系统提供稳定的参考频率信号或基准频率信号。但由于晶体振荡器的频率输出往往会随着环境温度的变化而变化，因此必须要对其进行温度补偿(TC)，以提供在宽温范围内相对平稳的频率输出而满足系统对频率的高精度要求。
传统的温度补偿晶体振荡器采用如附图1所示的结构：即由温度传感器1对环境温度进行采样，由A/D转换器2将模拟量变换成数字量，经变换的数字量在单片机3的控制指令下完成对它的处理和计算，再经过D/A转换器4变换成模拟量，得到的随温度变化的模拟电压加在压控晶体振荡器5的变容二极管上，用来控制晶体振荡器，稳定其输出频率，满足通信装置的使用要求。
采用这种结构的温度补偿晶体振荡器，虽然其补偿精度，即“温度～频率”稳定度可以达到中精度(10-7量级)，甚至高精度(10-8量级)，但是由于其电路中使用了A/D和D/A两个转换器，它们的体积和成本在整个晶体振荡器中所占的比重达80％，相当笨重，而且，庞大的体积还带来另外一个缺陷：使整个产品的功耗增高，严重影响了产品在市场上推广与使用。
发明内容
为克服上述现有技术的缺陷，本实用新型旨在提供一种可以兼顾高精度、小体积、低成本、低功耗的温度补偿晶体振荡器。
为达到上述目的，本实用新型的温度补偿晶体振荡器包括：一个用以产生基准振荡频率信号的压控晶体振荡器，一个已被编程、接收温度信号并计算补偿电压值的单片机，其特征在于：它还包括一个数字温度传感器，一个计数器和一个转换装置，所述数字温度传感器、计数器、单片机、转换装置、压控晶体振荡器依顺序单向连接。
所述的转换装置可以是一个脉宽调制转换(Pulse-Wide-Mode)电路，该电路含有两个低输入偏压的运算放大器IC2、IC3，一个四芯模拟开关IC1A、IC1B、IC1C、IC1D，其中运算放大器IC2与电容C1、电阻R1以及模拟开关IC1A连接组成一个积分器；另一个运算放大器IC3与电容C2以及模拟开关IC1B连接组成一个采样保持级；所述积分器的信号输出端通过模拟开关IC1B与运算放大器IC3的同相输入端相连接；积分器中的运算放大器IC2的反相输入端通过模拟开关IC1A与脉冲信号源连接，其同相输入端分成两路，一路通过电阻R3接电源，另一路通过电阻R4接地；采样保持级中的运算放大器IC3的同相输入端通过模拟开关IC1B与脉冲信号源连接；模拟开关IC1C的两个静触点与电容C1并联，其动触点分成两路，一路经电阻R2接电源、另一路经模拟开关IC1D接地；模拟开关IC1D的动触点与脉冲信号源连接。
与现有技术相比较，本实用新型的高精度温度补偿晶体振荡器具有如下优点：体积大大缩小，成本也大大降低，同时还降低了功耗。
附图说明
图1是传统的温度补偿晶体振荡器的原理方框图；
图2是本实用新型的温度补偿晶体振荡器采用的原理方框图；
图3是本实用新型的一种优选实施方式中使用的脉宽调制转换(Pulse-Wide-Mode)的电路图；
图4是本实用新型的另一种优选实施方式中采用的三节RC积分电路图；
图5是本实用新型PWM转换电路中的脉冲转换宽度与压控晶体振荡器VCXO输入电压的关系图；
图6是单片机在一般情况下操作软件的流程图；
图7是单片机使用的另外一种操作软件的流程框图
具体实施方式
图2示出了根据本实用新型对压控晶体振荡器进行温度补偿的原理方框图。事先将晶体振荡器的静态“温度～补偿电压”曲线存入单片机3中的EPROM，即存储器32中，当环境温度发生变化时，图中数字温度传感器11对环境温度进行采样，与数字温度传感器连接的计数器22接收采样信号后，输出表示环境温度值的计数值，该计数值送入单片机3后，由单片机的CPU，即处理器31计算成与之对应的脉冲宽度值，并发送给与其相连的转换装置6，该转换装置可以是图1中使用的D/A转换器4，也可以使用如图3所示的脉宽调制转换PWM电路或其他电路，总之，目的是将数字信号转换成模拟信号，将补偿电压加到压控晶体振荡器5的变容二极管上，改变晶体振荡器的负载电容，控制晶体振荡器的输出频率。比如，由于温度改变使晶体振荡器5频率升高的话，则该电压通过变容二极管使晶体振荡器的频率降低，如果频率升高与降低变化的值相等、符号又相反的话则晶体振荡器输出频率不随温度改变，从而修正或抵消由于温度变化而引起的晶体振荡器振荡频率的变化，最终达到补偿的目的，满足通信装置的要求。
图3是本实用新型的一种优选实施方式中使用的脉宽调制转换(Pulse-Wide-Mode)的电路图，该电路可以作为图2中的转换装置使用，该电路含有两个低输入偏压的运算放大器IC2、IC3，一个四芯模拟开关IC1A、IC1B、IC1C、IC1D，其中运算放大器IC2与电容C1、电阻R1以及模拟开关IC1A连接组成一个积分器；另一个运算放大器IC3与电容C2以及模拟开关IC1B连接组成一个采样保持级；所述积分器的信号输出端通过模拟开关IC1B与运算放大器IC3的同相输入端相连接；积分器中的运算放大器IC2的反相输入端通过模拟开关IC1A与脉冲信号源连接，其同相输入端分成两路，一路通过电阻R3接电源VCC，另一路通过电阻R4接地；采样保持级中的运算放大器IC3的同相输入端通过模拟开关IC1B与脉冲信号源连接；模拟开关IC1C的两个静触点与电容C1并联，其动触点分成两路，一路经电阻R2接电源VCC、另一路经模拟开关IC1D接地；模拟开关IC1D的动触点与脉冲信号源连接；电阻R5一端接电源VCC，另一端与脉冲信号源相连接；电阻R2、R3、R4、R5则构成四芯模拟开关和运算放大器的偏置电路。它可以在一个输入脉冲结束时，把脉冲信号转换成纯净的直流电压，尤其是输入脉冲为小占空比的脉冲信号，如脉冲宽度为1～2ms，周期为20ms这样的输入脉冲信号，利用该电路进行转换，可获得相当快的响应速度。一个输入脉冲信号可对积分器进行启动、停止和复位操作，并可控制采样保持级的输入。在完成复位操作之后，一个正脉冲可以对由R1、C1、IC1A和IC2组成的积分器进行电平触发，当输入脉冲处于高电平时，由IC1B、C2和IC3组成的采样保持级处于采样工作状态；而当输入脉冲变为低电平时，该电路将断开采样保持级的输入端，从而使其处于保持状态。
此后，积分器处于复位状态，直到下一个脉冲到来为止。在复位过程中，模拟开关IC1A断开，切断积分器的输入端；模拟开关IC1C则闭合，使积分电容C1复位；模拟开关IC1B断开，切断采样保持级的输入端，使采样保持级处于保持状态。模拟开关IC1D可以将模拟开关IC1C的开或关的状态颠倒过来。电阻R2、R3、R4、R5则构成四芯模拟开关和运算放大器的偏置电路。
在该PWM转换电路中，积分电容C1和电阻R1决定了转换增益。根据图5的输入脉冲宽度T与输出电压V之间的转换关系，可以很方便地对图3电路中积分电容C1和电阻R1的具体规格进行合适的选择，从而改变该关系图的高度或斜率，使之在输入脉冲宽度不同时，电路本身有合适的转换增益并产生合适的输出电压以及变化范围，使产品可以适应不同的工作条件。
采用上述PWM转换电路代替D/A转换器，不仅可以进一步降低整个产品的体积、成本和功耗，而且由IC1B、C2和IC3组成的采样保持级本身还是一个隔离器，它可以将晶体振荡器的高频振荡信号与温度补偿脉冲信号有效地加以隔离，避免两种信号的相互干扰，与使用D/A转换器相比，也可以充分保证晶体振荡器的频率输出稳定性，使产品的整体性能得到提高。
在本实用新型的另一种优选实施方式中，也可以采用本行业通用的RC积分电路作为图2中的转换装置，一般情况下，该电路选择如附图4所示的三节RC积分电路，即可以基本满足要求，图中66、67分别为电阻、电容。采用这种结构的晶体振荡器，当输入脉冲为小占空比的脉冲信号时，虽然在隔离度和响应速度方面性能稍差，但其成本更低，体积、功耗也很低，在对补偿精度要求不苛刻的场合，产品可被广泛使用。
图6给出单片机在一般情况下操作软件的流程图，事先将温度～补偿电压曲线的数据存入单片机中，使用时采用线性插值查表法对晶体振荡器进行逐点数字温度补偿，这样既可以针对振荡器频率随温度变化的特性实现精确的补偿；同时，由于量化处理的误差取决于所采用元器件的性能及测试系统的精度，因此，具体的温度补偿精度可以根据实际需要而采用不同精度的元器件，此外采用线性插值查表法还可以避免由于晶体元件的频率温度曲线不光滑时而可能造成的软件限制。
由于采用了线性插值技术，其计算量较大，如果用汇编语言来处理和计算，就会涉及到单片机的可靠性问题，而且还要求单片机有足够的内存。所以在整个晶体振荡器的电路中就会增加外部程序存贮器(ROM)和外部数据存贮器(RAM)。因此就会增加晶体振荡器的体积、成本和功耗等。为了避免上述问题，本实用新型采用另外一种操作软件，其工作流程图如图7所示。即用高级语言实现数据转换，用低级语言进行曲线拟合，这样既可提高产品的可靠性和程序的可读性，同时也节省了单片机的内存，避免增加外存及相关电路，进一步减小体积、降低成本。在图7的程序流程中，计算拟合程序对计数初值、线性插值进行计算和处理，经处理的值通过汇编程序的对话窗口读入计数值，再经过编译处理程序产生OBJ文件，由通信口写入单片机的存储器即可正常运行。采用本实用新型的技术方案，晶体振荡器的性能得到显著的提高：体积可小到18.5×12×10(mm)，功耗可与模拟温补晶振相比拟，为移动通信装置以及特殊条件下的其它通信装置稳定系统频率发挥明显的作用，甚至可以取代中精度的恒温晶振。
实际上，图2中所使用的计数器22，现有的集成技术已经可以将其直接内置于单片机3中，显然，这样的改变与本实用新型并没有不同，此外，象在PWM转换电路中的两个低输入偏压的运算放大器IC2、IC3，也可以用一个低输入偏压的双运算放大器代替等等，这些利用本实用新型的原理而进行的元器件再集成，应当认为仍在本实用新型要求保护的范围之内。
下面是本实用新型的上述优选实施例中使用的元器件清单：
 符号 名称 规格型号  符号 名称 规格型号
 C1 电容 0.01uF  IC1A 模拟开关 LTC202
 C2 电容 0.01uF  IC1B 模拟开关 LTC202
 R1 电阻 50K  IC1C 模拟开关 LTC202
 R2 电阻 10K  IC1D 模拟开关 LTC202
 R3 电阻 20k  66 电阻 100K
 R4 电阻 100K  67 电容 1uF
 R5 电阻 100K  3 单片机 PIC12F629
 IC2 运算放大器 LM258  11 数字温度传感器 AD7814
 IC3 运算放大器 LM258  22 计数器 E3007

Claims (5)

1.一种高精度温度补偿晶体振荡器，包括一个用以产生基准振荡频率信号的压控晶体振荡器，一个已被编程、接收温度信号并计算补偿电压值的单片机，其特征在于：它还包括一个数字温度传感器，一个计数器和一个转换装置，所述数字温度传感器、计数器、单片机、转换装置、压控晶体振荡器依顺序单向连接。
2.根据权利要求1所述的高精度温度补偿晶体振荡器，其特征在于：所述的转换装置是D/A转换器。
3.根据权利要求1所述的高精度温度补偿晶体振荡器，其特征在于：所述的转换装置是一个脉宽调制转换电路，该电路含有两个低输入偏压的运算放大器IC2、IC3，一个四芯模拟开关IC1A、IC1B、IC1C、IC1D，其中运算放大器IC2与电容C1、电阻R1以及模拟开关IC1A连接组成一个积分器；另一个运算放大器IC3与电容C2以及模拟开关IC1B连接组成一个采样保持级；所述积分器的信号输出端通过模拟开关IC1B与运算放大器IC3的同相输入端相连接；积分器中的运算放大器IC2的反相输入端通过模拟开关IC1A与脉冲信号源连接，其同相输入端分成两路，一路通过电阻R3接电源，另一路通过电阻R4接地；采样保持级中的运算放大器IC3的同相输入端通过模拟开关IC1B与脉冲信号源连接；模拟开关IC1C的两个静触点与电容C1并联，其动触点分成两路，一路经电阻R2接电源、另一路经模拟开关IC1D接地；模拟开关IC1D的动触点与脉冲信号源连接。
4.根据权利要求1所述的高精度温度补偿晶体振荡器，其特征在于：所述的转换装置是RC积分电路。
5.根据权利要求4所述的高精度温度补偿晶体振荡器，其特征在于：所述的RC积分电路是三节RC积分电路。
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