专利名称：任意项全系数高精度温度补偿晶体振荡器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于温度补偿晶体振荡器领域，特别是ー种任意项全系数高精度温度补偿晶体振荡器。
背景技术：
高精度温度补偿晶体振荡器在众多行业有着广泛的应用。在-40° C +85° C的温度范围内，高精度温度补偿晶体振荡器产生时钟信号的精度一般应在(O. 5 3) X 10_6，而简单电子振荡器的精度一般在±50X10_6，所以必须要 给简单的振荡器加上温度补偿电路。目前对石英晶体振子频率温度漂移的补偿方法主要有直接补偿和间接补偿，间接补偿又分模拟式和数字式两种。温度补偿晶体振荡器的关键是温度补偿器的设计。温度补偿器的输入变量是温度而输出变量是电压，其间的函数关系并非线性关系。中国实用新型专利公开说明书“高精度温度补偿晶体振荡器”(公开号CN1829076A，
公开日2006年9月6日)公开了ー种包括晶体振荡器、反相器、压控电容器及温度补偿器的高精度温度补偿晶体振荡器，以全系数三次多项式函数关系构造温度补偿器，使晶体振荡器的精度达到±1X10-6。由于受到阶数的限制，其精度难以进ー步提高。该专利中，为了获得精确的补偿器的系数，校正步骤反复使用，操作复杂且无精确解，是ー种线性近似。这使其无法实现高精度的温补振荡器。总之，现有温度补偿器的设计，使温度补偿晶体振荡器在-40° C +85° C的温度范围内，难以达到±0.5X 10_6及更高的精度要求。
实用新型内容本实用新型的目的在于提供ー种任意项全系数高精度温度补偿晶体振荡器，其精度能达到±0. 5X10-6,以至更高，并且可以精确、简便地求出温度补偿器的系数。实现本实用新型目的的技术解决方案为ー种任意项全系数温度补偿晶体振荡器，包括与晶体谐振器并联的反相器、连接在晶体振荡器和地之间的压控电容器以及控制压控电容器的温度补偿器，温度补偿器包括带有SPI接ロ的一次性可编程存储器、温度传感器、两个开关电容和多项式补偿函数发生器，温度补偿器的输入是温度传感器提供的温度电压，温度补偿器的输出电压被加到压控电容器上以补偿晶体谐振器的频率漂移，一次性可编程存储器的寄存器Cl、C2设置数据的输出端分别与两个开关电容的控制端连接，两个开关电容分别连接在晶体谐振器的两端和地之间，一次性可编程存储器寄存器TO、BO设置数据的输出端分别经数模转换器后与温度传感器相连，所述多项式补偿函数发生器的输入端与温度传感器的输出端和一次性可编程存储器的多项式系数设置寄存器输出端相连，多项式补偿函数发生器的输出端与一次性可编程存储器寄存器VO经ー加法器后接入反相器的输入端。进ー步地，所述一次性可编程存储器的多项式系数设置寄存器为N+1个，分别为An、An-l、An-2……、A0，所述多项式补偿函数发生器包括将温度传感器的输出数据和An设置数据相乘的乘法器I、将乘法器I的输出数据和An-ι设置数据相加的加法器I、将温度传感器的输出数据和加法器I的输出数据相乘的乘法器2、将乘法器2的输出数据和An-2设置数据相加的加法器2……、将乘法器N的输出数据和AO设置数据相加的加法器N。更进一歩地，所述乘法器和加法器个数N大于等于5。作为优选，所述乘法器或加法器个数N等于5，所述一次性可编程存储器为82位，包括Cl、C2、TO、BO、VO、A5至AO i^一种设置数据，上述设置数据Cl为4位，C2为6位，其余为8位。本实用新型与现有技术相比，其显著优点1、温度补偿晶体振荡器精度高，5阶即可达到±0.5X10_6的精度要求；2、芯片架构灵活，可以让使用者在补偿精度和芯片结构复杂度上自由选择，根据本方案构思，可实现任意的补偿精度；3、算法简便快捷。
以下结合附图对本实用新型作进ー步详细描述。
图I是N项全系数温度补偿器结构框图。图2是5项全系数温度补偿器结构框图，为模拟式间接补偿。图3是5项全系数温度补偿器结构框图，为数字式间接补偿。图中，I是晶体谐振器，2是并联的反相器，3是压控电容器，4是温度补偿器，5是ー次性可编程存储器，6是温度传感器，7、8是开关电容，9是多项式补偿函数发生器，11、12是寄存器TO、BO设置数据，13是多项式系数设置寄存器，14是与寄存器VO相连的加法器。
具体实施方式
如图I本实用新型N项全系数温度补偿器结构框图。本温度补偿晶体振荡器，包括与晶体谐振器I并联的反相器2、连接在晶体振荡器和地之间的压控电容器3以及控制压控电容器的温度补偿器，温度补偿器包括带有SPI接ロ的一次性可编程存储器5、温度传感器6、两个开关电容7,8和多项式补偿函数发生器9，温度补偿器的输入是温度传感器6提供的温度电压，温度补偿器的输出电压被加到压控电容器3上以补偿晶体谐振器I的频率漂移，一次性可编程存储器5的寄存器C1、C2设置数据的输出端分别与两个开关电容7，8的控制端连接，两个开关电容7，8分别连接在晶体谐振器I的两端和地之间，一次性可编程存储器5寄存器Τ0、Β0设置数据的输出端分别经数模转换器11，12后与温度传感器6相连，所述多项式补偿函数发生器9的输入端与温度传感器6的输出端和一次性可编程存储器5的多项式系数设置寄存器输出端13相连，多项式补偿函数发生器9的输出端与一次性可编程存储器5寄存器VO经ー加法器14后接入反相器2的输入端。一次性可编程存储器的多项式系数设置寄存器为N+1个，分别为An、An-l、An-2……、A0，所述多项式补偿函数发生器包括将温度传感器的输出数据和An设置数据相乘的乘法器I、将乘法器I的输出数据和An-I设置数据相加的加法器I、将温度传感器的输出数据和加法器I的输出数据相乘的乘法器2、将乘法器2的输出数据和An-2设置数据相加的加法器2……、将乘法器N的输出数据和AO设置数据相加的加法器N。由于差分结构有效抑制了共模电压的噪声，且这一功能在N > 5后尤为重要。实验证实，当N等于5吋，晶体振荡器的精度可以达到±0.5X10_6。为使晶体振荡器精度更高，可使N大于5。如图2、图3，当N等于5吋，乘法器或加法器个数N为5，一次性可编程存储器5为82位，包括Cl、C2、TO、BO、VO、A5至AO i^一种设置数据，上述设置数据Cl为4位，C2为6位，其余为8位。如图2，当用数字的方法来实现电路所需要的多项式的乘法器和加法器时，会有计算精度限制，但用较少的数模转换器，这种方法也可函数对照表的方式来实现。如图3，当用模拟的方法来实现电路所需要的多项式的乘法器和加法器，没有计算精度限制，但需用较多的数模转换器。压控振荡器由压控电容器3、反相器2、两个电容开关阵列7、8、缓冲器和晶体谐振 器I构成。振荡器的频率是由晶体特征频率和电容量決定。压控振荡器中的压控电容器3由补偿器的输出电压VT加上压控电压VC決定。电容开关阵列的电容由寄存器Cl和C2来设定。压控电容器3是由MOS压控电容构成。电容可调范围在5pF到10pF。參照电压源是由MOS FET构成。它提供数模转换器(DAC)和温度传感器的參照电压。测试模式设置是由它来决定芯片的工作模式测试模式或正常工作模式。测试转换器是用来进行测试量的选择。模拟式的多项式函数产生器是由N个模拟加法器和N个模拟乘法器组成。所有这些运算器皆为差分结构，共模电压为I. 2V，其内部的线性度在1%之内。模拟式的或数字式的多项式函数产生器中多项式的系数都是由N+1个温度的测量并通过以下算法计算出来，N是多项式的阶数。这样晶体频率温度漂移可以被补偿器的输出电压来纠正。下面以N为5为例说明本实用新型的工作过程。多项式补偿函数发生器使用了五个加法器与五个乘法器。所有这些运算器皆为差分结构，共模电压为了 1.2V，其内部的线性度在1%之内。补偿器的输入是由芯片上的温度传感器提供的温度电压T，补偿器的输出电压VT被加到压控电压VC上，其输入变量T和输出变量VT之间的关系为VT = A5{T - TOY + Α4{Τ - I O) +A3{T-T0f + A2{T -TQ)2 + A\{1 - TO) +AO ,式中的系数A5-0和TO由SPI接ロ输入到芯片的寄存器或一次性可编程的只读储存器，存入寄存器的系数可不断修改，而系数输入到EEPROM的只读储存器则是永久不变的。为了获得精确的补偿器系数，最小均方差算法和范得蒙矩阵被用来计算这些多项式系数。通过用四个不同温度点测量的频率，这ー算法可求出在频率误差最小均方意义下的最佳补偿系数。N阶多项式补偿函数发生器需要N+1个温度测试点，N+1多项式系数由公式I和公式2 —次算出，无需叠代或多次逼近。当得到最佳补偿系数后，将其存进可编程EEPROM储存器，芯片的调试便完成。全系数多项式补偿函数的系数测算由下列步骤完成步骤ー先选定六个初始參数:A0-5，并输入到芯片的存储器；步骤ニ在六个温点上T1=-35C, T2=-25C，T3=10C, T4=25C, T5=55C, T1=80C，从芯片的输出端“ OUT”测量芯片的六个时钟频率F10，F20, F30, F40，F50，F60 ;温度点的选取一般是在温度误差曲线的变化大处多选，平坦处少选；步骤三调整压控电容上的电压，使得TXCO的输出频率在上述的六个温度点上频率误差为零，并计录下这六点电压相量Vt ；步骤四=A=M-1Vt,A= [A0 A1 A2 A3 A4 A5], N=5; A= [A0 A1-An],任意 N，—公式I ;这里范得蒙矩阵Matrix M有如下形式
权利要求1.ー种任意项全系数温度补偿晶体振荡器，包括与晶体谐振器(I)并联的反相器(2)、连接在晶体振荡器和地之间的压控电容器(3)以及控制压控电容器的温度补偿器(4)，温度补偿器(4)包括带有SPI接ロ的一次性可编程存储器(5)、温度传感器(6)、两个开关电容(7，8)和多项式补偿函数发生器(9)，温度补偿器的输入是温度传感器(6)提供的温度电压，温度补偿器的输出电压被加到压控电容器(3)上以补偿晶体谐振器(I)的频率漂移，一次性可编程存储器(5)的寄存器C1、C2设置数据的输出端分别与两个开关电容(7，8)的控制端连接，两个开关电容(7，8)分别连接在晶体谐振器(I)的两端和地之间，其特征在于 一次性可编程存储器(5)寄存器TO、BO设置数据的输出端分别经数模转换器(11，12)后与温度传感器(6)相连，所述多项式补偿函数发生器(9)的输入端与温度传感器(6)的输出端和一次性可编程存储器(5)的多项式系数设置寄存器输出端(13)相连，多项式补偿函数发生器(9)的输出端与一次性可编程存储器(5)寄存器VO经ー加法器(14)后接入反相器(2)的输入端。
2.根据权利要求I所述的任意项全系数温度补偿晶体振荡器，其特征在于所述一次性可编程存储器(5)的多项式系数设置寄存器为N+1个，分别为An、An-l、An-2……、A0，所述多项式补偿函数发生器(9)包括将温度传感器(6)的输出数据和An设置数据相乘的乘法器I、将乘法器I的输出数据和An-I设置数据相加的加法器I、将温度传感器的输出数据和加法器I的输出数据相乘的乘法器2、将乘法器2的输出数据和An-2设置数据相加的加法器2……、将乘法器N的输出数据和AO设置数据相加的加法器N。
3.根据权利要求2所述的任意项全系数温度补偿晶体振荡器，其特征在于所述乘法器或加法器个数N大于等于5。
专利摘要本实用新型公开了一种任意项全系数温度补偿晶体振荡器，包括与晶体谐振器并联的反相器、连接在晶体振荡器和地之间的压控电容器以及控制压控电容器的温度补偿器，温度补偿器包括多项式补偿函数发生器，所述多项式补偿函数发生器的输入端与温度传感器的输出端和一次性可编程存储器的多项式系数设置寄存器输出端相连，多项式补偿函数发生器的输出端与一次性可编程存储器寄存器V0经一加法器后接入反相器的输入端。本实用新型温度补偿晶体振荡器精度高，5阶即可达到±0.5×10-6的精度要求，芯片架构灵活，算法简便快捷。
文档编号H03B5/32GK202634362SQ20122021559
公开日2012年12月26日 申请日期2012年5月14日 优先权日2012年5月14日
发明者武强 申请人:常熟银海集成电路有限公司