专利名称：对振荡频率源进行温度补偿和频率校正的方法及电路结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种对频率振荡源进行温度补偿和频率校正的方法，还涉及根据这种方法的一种电路结构。
本发明还提供的技术方案是一种对振荡频率源进行温度补偿和频率校正的方法，包括以下步骤(1)外部提供一个表达环境温度的数字量；(2)中央处理单元(CPU)将上述数字量作为对预存了补偿数据的存储器进行读取数据的参考值，直接读取或进行中间插值运算，得出补偿数据；(3)中央处理单元(CPU)将补偿数据作为偏移频率与基准频率进行加法运算，得出的运算结果通过频率缓存器送到频率寄存器中，由频率寄存器输出运算结果；或将补偿数据通过偏移频率缓存器送到偏移频率寄存器中，使用硬件加法器对预存了基准频率的频率寄存器的值和偏移频率寄存器的值进行加法运算，由加法器输出运算结果；(4)上述输出的运算结果作为相位的步长被送到相位累加器与相位累加器的输出进行加法运算；(5)上述相位累加器输出的运算结果作为存储了正弦波形采样值的正弦波形存储器的入口地址，将相应相位的正弦波形采样值输出到数模转换器；(6)数模转换器将上述采样值转换成模拟电压信号；
本发明还提供一种对振荡频率源进行温度补偿和频率校正的电路结构，包括时钟发生电路、中央处理单元(CPU)、程序存储器、数据存储器(RAM)、补偿数据存储器、多字节的频率缓存器、多字节的频率寄存器、相位累加器、正弦波形存储器和数模转换器。被校正的振荡频率源与时钟发生电路的时钟输入端相连；时钟发生电路的输出端与中央处理单元(CPU)、程序存储器、数据存储器(RAM)、补偿数据存储器、多字节的频率缓存器和多字节的频率寄存器的时钟输入端相连，向它们提供操作时钟；被补偿的振荡频率源直接与相位累加器和正弦波形存储器的时钟输入端相连，向它们提供操作时钟；中央处理单元(CPU)通过地址、数据和控制总线与时钟发生电路、程序存储器、数据存储器(RAM)、补偿数据存储器及多字节的频率缓存器相连，中央处理单元(CPU)可直接或间接地对它们进行寻址和读写操作；多字节的频率缓存器具有多字节的数据输出端和指示中央处理单元对多字节的频率缓存器的所有字节的写入操作已完成的标志位输出端；多字节的频率缓存器的数据输出端连接到多字节的频率寄存器的数据输入端；多字节的频率缓存器的标志位连接到多字节的频率寄存器的写入控制端；多字节的频率寄存器的数据输出端连接到相位累加器的一个数据输入端；相位累加器的数据输出端连接到相位累加器的另一个数据输入端；相位累加器的数据输出的高端数据线连接到正弦波形存储器的的地址线；正弦波形存储器中存储了正弦波形的采样值，正弦波形存储器的数据输出端连接到数模转换器的数据输入端；数模转换器输出相应的模拟电压量；地址、数据和控制总线连接到电路结构外部。
上述的电路结构还可使用硬件加法器，设有多字节的偏移频率缓存器、多字节的偏移频率寄存器和加法器。中央处理单元(CPU)通过地址、数据和控制总线与多字节的偏移频率缓存器相连；多字节的偏移频率缓存器具有多字节的数据输出端和指示中央处理单元对多字节的偏移频率缓存器的所有字节的写入操作已完成的标志位输出端；多字节的偏移频率缓存器的数据输出端连接到多字节的偏移频率寄存器的数据输入端；多字节的偏移频率缓存器的标志位连接到多字节的偏移频率寄存器的写入控制端；多字节的偏移频率寄存器的输出端连接到加法器的一个数据输入端；多字节的频率寄存器的输出端连接到加法器的另一个数据输入端；加法器的数据输出端连接到相位累加器的一个数据输入端。
本发明具有补偿精度高，频率校正速度快的优点，而且频率改变时相位连续，频率特性只与数字参数有关。本发明采用的方法和结构，对频率输出采取了纯数字的控制，避免了在使用模拟控制时部件参数对输出频率的影响，减少了影响器件品质的因素，从而提高了产品的成品率。同时，可以在不改变内部硬件的情况下，可由软件高精度地设置不同的输出频率，这使得在生产不同型号的产品时不须改变硬件，大大地简化了生产流程，增加了产品的灵活性。而且，本发明所涉及的器件可完成自我校正，适于大批量生产。
图1为本发明的电路结构框图；图2为本发明使用硬件加法器的电路结构框图；图3为本发明使用分立元件来实现的电路结构框图。
或将由被进行温度补偿和频率校正的振荡频率源和发明提供的电路结构组成的装置置于环境温度模拟室中，环境温度模拟室的温度以一定的变化率在标称的温度范围内变化；装置外部提供一个表达环境温度变化的数字量；外部测试系统提供一个高精度的参考频率；将该装置的输出频率倍频后再和参考频率混频，经低通滤波器后得到一个差值频率；外部测试系统向该装置提供一个表达上述差频的数字量，该装置根据这一数字量不断地改变频率寄存器的值，从而改变器件的输出频率，以将这一差频逐步减小到精度范围以内；该装置将相应的偏移值和表达温度变化的数字量写到补偿数据存储器中。循环执行以上三个步骤，直至一个温度模拟周期完成。
然后，在使用这一电路结构对振荡频率源进行温度补偿和频率校正时，利用外部提供的表达温度的数字量(例如由模数转换器将温度传感器的模拟电压量转换成的数字量)，中央处理单元(CPU)将此数字量作为对预存了补偿数据的存储器进行读取数据的参考值，直接读取或进行中间插值运算，得出补偿数据。中央处理单元(CPU)将这一补偿数据作为偏移频率与基准频率进行加法运算，得出运算结果；或使用硬件加法器，对频率寄存器的值和偏移频率寄存器的值进行加法运算，得出运算结果；该运算结果作为相位的步长被送到相位累加器与相位累加器的输出进行加法运算。相位累加器输出的运算结果作为正弦波形存储器的入口地址，将相应相位的正弦波形采样值输出到数模转换器。数模转换器再将上述采样值转换成模拟电压信号。此电压信号经过一个相应带宽的带通滤波器，即可得到频率补偿后的正弦波形。
参见图1，实现本发明的电路结构包括时钟发生电路、中央处理单元(CPU)、程序存储器、数据存储器(RAM)、补偿数据存储器、多字节的频率缓存器、多字节的频率寄存器、相位累加器、正弦波形存储器和数模转换器。被校正的振荡频率源与时钟发生电路的时钟输入端相连；时钟发生电路的输出端与中央处理单元(CPU)、程序存储器、数据存储器(RAM)、补偿数据存储器、多字节的频率缓存器和多字节的频率寄存器的时钟输入端相连，向它们提供操作时钟；被补偿的振荡频率源直接与相位累加器和正弦波形存储器的时钟输入端相连，向它们提供操作时钟；中央处理单元(CPU)通过地址、数据和控制总线与时钟发生电路、程序存储器、数据存储器(RAM)、补偿数据存储器及多字节的频率缓存器相连，中央处理单元(CPU)可直接或间接地对它们进行寻址和读写操作；多字节的频率缓存器输出多字节的数据和一个标志位，该标志位指示中央处理单元(CPU)对多字节的频率缓存器的所有字节的写入操作已完成；多字节的频率缓存器的数据输出端连接到多字节的频率寄存器的数据输入端；多字节的频率缓存器的标志位连接到多字节的频率寄存器的写入控制端；多字节的频率寄存器的数据输出端连接到相位累加器的一个数据输入端；相位累加器的数据输出端连接到相位累加器的另一个数据输入端；相位累加器的数据输出的高端数据线连接到正弦波形存储器的的地址线；正弦波形存储器中存储了正弦波形的采样值，正弦波形存储器的数据输出端连接到数模转换器的数据输入端；数模转换器输出相应的模拟电压量；地址、数据和控制总线连接到电路结构外部。
在本发明的较佳实例中，中央处理单元(CPU)可以通过连接到电路结构外部的地址、数据和控制总线读取外部提供的数字量。
在本发明的较佳实例中，中央处理单元(CPU)通过地址、数据和控制总线和多字节的频率缓存器相连，中央处理单元(CPU)可以对多字节的频率缓存器进行写入操作。
在本发明的较佳实例中，频率缓存器为多字节的频率缓存器；该多字节的频率缓存器具有一个标志位，以指示中央处理单元(CPU)对频率缓存器的所有字节的写入操作已完成；该标志位连接到多字节的频率寄存器的写入控制端。
在本发明的较佳实例中，还可使用硬件加法器(参见图2)，设有多字节的偏移频率缓存器、多字节的偏移频率寄存器和加法器。中央处理单元(CPU)通过地址、数据和控制总线与多字节的偏移频率缓存器相连；多字节的偏移频率缓存器输出多字节的数据和一个标志位，该标志位指示中央处理单元(CPU)对它的所有字节的写入操作已完成；多字节的偏移频率缓存器的数据输出端连接到多字节的偏移频率寄存器的数据输入端；多字节的偏移频率缓存器的标志位连接到多字节的偏移频率寄存器的写入控制端；多字节的偏移频率寄存器的输出端连接到加法器的一个数据输入端；多字节的频率寄存器的输出端连接到加法器的另一个数据输入端；加法器的数据输出端连接到相位累加器的一个数据输入端。
在本发明的较佳实例中，中央处理单元(CPU)通过地址、数据和控制总线和多字节偏移频率缓存器相连，中央处理单元(CPU)可以对多字节偏移频率缓存器进行写入操作。
在本发明的较佳实例中，偏移频率缓存器为多字节的偏移频率缓存器；该多字节的偏移频率缓存器具有一个标志位，以指示对偏移频率缓存器的所有字节的写入操作已完成；该标志位连接到多字节的偏移频率寄存器的写入控制端。
为实现和验证本发明，可用市场上现成的分立元件组成本发明的电路结构，参见图3，包括一个温度补偿晶体振荡器(TCXO)，一个电阻和一个热敏电阻组成的温度传感器，一个8位的单片机，其内带有模数转换器、定时器、计数器、串行接口及程序内存(FLASH)和变量内存(RAM)，一个数字直接频率合成器(DDS)。这里采用的温度补偿晶体振荡器(TCXO)的长期稳定度为0.2PPM，8位单片机为ATMEL的89C5115，其包括10位模数转换器、16K字节程序内存(FLASH)、256字节变量内存(RAM)、2K字节EEPROM、UART串行接口、一个定时器和一个计数器。89C5115的计数器输入端和UART串行接口引出到该电路结构的外部，89C5115与一个普通石英晶体相连以产生单片机的主频时钟。DDS采用ANALOG的AD9832，其包括32位的相位频率寄存器和累加器，12位的正弦波形存储器和10位的数模转换器。
将上述组成的装置置于环境温度模拟室中，环境温度模拟室的温度以一定的变化率在标称的温度范围内变化；外部测试设备提供一个高精度的参考频率；8位单片机通过数据和时钟线设置数字直接频率合成器(DDS)的频率寄存器，由数字直接频率合成器输出相应得频率(根据莱奎斯特理论，这一频率不能超过温度补偿晶体振荡器(TCXO)的振荡频率的50％，在实际应用中最好不要超过40％)；将上述组成的装置的输出频率倍频后再和参考频率混频，经低通滤波器后得到一个差值频率；将上述差频送到该装置的8位单片机的计数器的输入端，8位单片机通过定时器和计数器得到一个表达上述差频的数字量，并根据这一数字量设置数字直接频率合成器(DDS)的频率寄存器的值，从而改变器件的输出频率，以将这一差频逐步减小到精度范围以内；8位单片机将相应的偏移值和温度模数转换值写到FLASH或EEPROM中。
在完成上述补偿数据采集后，当应用该装置的环境温度变化时，8位单片机可根据温度传感器和模数转换器所提供的随温度变化的数字量，在补偿数据存储器中找到相应的频率补偿数据，并将这一补偿数据作为偏移频率和基准频率作加法运算，然后通过数据和时钟线将这一运算结果写入到数字直接频率合成器(DDS)的频率寄存器中，DDS的数模转换器输出一个相应的正弦波形采样模拟电压，经一个带通滤波器即可得到一个具有温度补偿和频率校正的稳定频率。本装置的主要技术性能指标如下被补偿的TCXO频率20MHz被补偿的TCXO精度0.2ppm补偿温度范围-40C-+80C最小频率调整步长0.0047Hz补偿数据存储器尺寸800字节补偿后输出频率0.0047Hz-8MHz补偿后输出频率精度小於2ppb@8MHz
权利要求
1.一种对振荡频率源的温度补偿和频率校正的方法，包括以下步骤(1)外部提供一个表达环境温度的数字量；(2)中央处理单元将上述数字量作为对预存了补偿数据的存储器进行读取数据的参考值，直接读取或进行中间插值运算，得出补偿数据；(3)中央处理单元将补偿数据作为偏移频率与基准频率进行加法运算，得出的运算结果通过频率缓存器送到频率寄存器中，由频率寄存器输出运算结果；或将补偿数据通过偏移频率缓存器送到偏移频率寄存器中，使用硬件加法器对预存了基准频率的频率寄存器的值和偏移频率寄存器的值进行加法运算，由加法器输出运算结果；(4)上述输出的运算结果作为相位的步长被送到相位累加器与相位累加器的输出进行加法运算；(5)上述相位累加器输出的运算结果作为存储了正弦波形采样值的正弦波形存储器的入口地址，将相应相位的正弦波形采样值输出到数模转换器；(6)数模转换器将上述采样值转换成模拟电压信号。
2.一种对振荡频率源进行温度补偿和频率校正的电路结构，包括时钟发生电路、中央处理单元、程序存储器、数据存储器、补偿数据存储器、多字节的频率缓存器、多字节的频率寄存器、相位累加器、正弦波形存储器和数模转换器；被校正的振荡频率源与时钟发生电路的时钟输入端相连；时钟发生电路的输出端与中央处理单元、程序存储器、数据存储器、补偿数据存储器、多字节的频率缓存器和多字节的频率寄存器的时钟输入端相连；被补偿的振荡频率源与相位累加器和正弦波形存储器的时钟输入端相连；中央处理单元通过地址、数据和控制总线与时钟发生电路、程序存储器、数据存储器、补偿数据存储器及多字节的频率缓存器相连；多字节的频率缓存器具有多字节的数据输出端和指示中央处理单元对多字节的频率缓存器的所有字节的写入操作已完成的标志位输出端；多字节的频率缓存器的数据输出端连接到多字节的频率寄存器的数据输入端；多字节的频率缓存器的标志位输出端连接到多字节的频率寄存器的写入控制端；多字节的频率寄存器的数据输出端连接到相位累加器的一个数据输入端；相位累加器的数据输出端连接到相位累加器的另一个数据输入端；相位累加器的数据输出的高端数据线连接到正弦波形存储器的地址线；正弦波形存储器的数据输出端连接到数模转换器的数据输入端；数模转换器输出相应的模拟电压量；地址、数据和控制总线连接到电路结构外部。
3.根据权利要求2所述的电路结构，其特征在于设有多字节的偏移频率缓存器、多字节的偏移频率寄存器和加法器；中央处理单元通过地址、数据和控制总线与多字节的偏移频率缓存器相连；多字节的偏移频率缓存器具有多字节的数据输出端和指示中央处理单元对多字节的偏移频率缓存器的所有字节的写入操作已完成的标志位输出端；多字节的偏移频率缓存器的数据输出端连接到多字节的偏移频率寄存器的数据输入端；多字节的偏移频率缓存器的标志位输出端连接到多字节的偏移频率寄存器的写入控制端；多字节的偏移频率寄存器的输出端连接到加法器的一个数据输入端；多字节的频率寄存器的输出端连接到加法器的另一个数据输入端；加法器的数据输出端连接到相位累加器的一个数据输入端。
全文摘要
本发明涉及一种对振荡频率源进行温度补偿和频率校正的方法及电路结构。中央处理单元将一个表达环境温度的数字量作为对预存了补偿数据的存储器进行读取数据的参考值，直接读取或进行中间插值运算，并将得出的补偿数据和基准频率进行加法运算；得出的运算结果送到相位累加器与相位累加器的输出进行加法运算。运算结果作为正弦波形存储器的入口地址，将相应相位的正弦波形采样值输出到数模转换器。数模转换器再将采样值转换成模拟电压信号。然后经过带通滤波器，即可输出得到温度补偿和频率校正后的正弦波形。本发明具有补偿精度高，频率校正速度快，产品的成品率高等优点。
文档编号H03B5/00GK1472882SQ03128198
公开日2004年2月4日 申请日期2003年6月24日 优先权日2003年6月24日
发明者黄斌, 黄 斌 申请人:深圳市东方汉华软件技术有限公司