时钟晶体振荡器闭环温度补偿装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种时钟晶体振荡器闭环温度补偿装置，包括：一MCU，与该MCU相连接的高频晶体、A/D转换器、32768Hz石英晶体和RTC电路;还包括一与所述A/D转换器相连接的温度传感器。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。本发明的时钟晶体振荡器闭环温度补偿装置，成本低，体积小，补偿结果准确。
【专利说明】时钟晶体振荡器闭环温度补偿装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及温度补偿【技术领域】，特别是涉及一种时钟晶体振荡器闭环温度补偿装 置。
【背景技术】
[0002] 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。并且，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°〇至+601：范围内的频率偏差比八？/^约为（+40)--111至（-150)--111(--111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。现有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 (微控制单兀)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 土N，N为实时修正值）来实现补偿修正。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。
【发明内容】
[0003] 本发明要解决的技术问题是提供一种时钟晶体振荡器闭环温度补偿装置，它成本 低，体积小，补偿结果准确。
[0004] 为解决上述技术问题，本发明的时钟晶体振荡器闭环温度补偿装置，包括：一 MCU，与该MCU相连接的高频晶体、A/D转换器、32768Hz石英晶体和RTC电路；还包括一与所 述A/D转换器相连接的温度传感器；
[0005] 所述32768Hz石英晶体，用于产生32768Hz基准时钟信号；
[0006] 所述高频晶体，其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， 表不乘号；
[0007] 所述温度传感器，用于测量环境温度；
[0008] 所述A/D转换器，为MCU的片内电路，用于将温度传感器测量的环境温度转换为数 字信号并发送给MCU;
[0009] 所述RTC电路，基于所述32768Hz基准时钟信号产生秒脉冲；
[0010] 在温度T时，MCU读取RTC电路产生的预定时间闸门内的所述高频晶体产生的高 频脉冲个数Ptl ;并且，在温度T时，MCU由Pt= (a*T+b)计算所述高频晶体在所述预定时间 闸门内的理论高频脉冲个数Pt2 ;
[0011] 所述MCU预先存储每段折线内对应的常数a，b ;每段折线对应一组常数a，b值； MCU比较高频脉冲个数Ptl和高频脉冲个数Pt2 ;当高频脉冲个数Ptl大于高频脉冲个数 Pt2时，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Ptl与理论高频脉冲个数Pt2相等。
[0012] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0013] 本发明的时钟晶体振荡器闭环温度补偿装置，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。
[0014] 由于可以在任意温度下对32768Hz石英晶体进行校准，因此本发明能在很宽温度 范围内补偿32768Hz石英晶体由于温度不同而产生的频率偏差。
[0015] 由于本发明采用了闭环温度补偿方式，其补偿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。
[0016] 由于本发明利用MCU，外加两个晶体（32768Hz石英晶体和定制商频晶体）就可实 现，因此成本较低,对应的体积也较小。
【专利附图】
【附图说明】
[0017] 下面结合附图与【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明：
[0018] 图1是32768Hz石英晶体振荡器的频率温度特性曲线图；
[0019] 图2是所述时钟晶体振荡器闭环温度补偿装置一实施例结构图。
【具体实施方式】
[0020] 参见图2所示，所述时钟晶体振荡器闭环温度补偿装置，包括：一定制高频晶体、 一 MCU、一 RTC电路、一 32768Hz石英晶体、一 A/D转换器和一温度传感器。
[0021] 所述定制高频晶体、RTC电路、32768Hz石英晶体和A/D转换器分别与所述MCU相 连接，所述温度传感器与A/D转换器相连接。
[0022] 所述MCU为单片机或微处理器。
[0023] 所述32768Hz石英晶体，用于产生32768Hz基准时钟信号。
[0024] 所述定制高频晶体，其频率为16MHz，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，表示乘号。
[0025] 所述温度传感器，为MCU的片外温度传感器或MCU的片内温度传感器，用于测量环 境温度。当采用MCU的片内温度传感器时，所述温度传感器为片内双PN结温度传感器。
[0026] 所述A/D转换器为MCU的片内电路，用于将温度传感器测量的环境温度转换为数 字信号并发送给MCU。
[0027] 所述RTC电路为MCU的内挂（即片内）RTC电路或外挂（即片外）RTC电路，基于所 述32768Hz基准时钟信号产生秒脉冲。
[0028] 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Ptl ;并且在温度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常数a、b ; 每段折线对应一组常数a、b值。MCU比较高频脉冲个数Ptl和高频脉冲个数Pt2 ;当高频脉 冲个数Ptl大于高频脉冲个数Pt2时，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Ptl与理论高频脉冲个数 Pt2相等。
[0029] 优选地，所述MCU还按照预定时间段定时接收A/D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。
[0030] 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。
[0031] 优选地，所述温度台阶表为-10°C以下温度台阶值为0. 2°c、-10?+10°C温度台阶 值为0· 3°C、+10?+30°C温度台阶值为0· 4°C、+30?+50°C温度台阶值为0· 3°C、+50°C以 上温度台阶值为0.2 °C。
[0032] 虽然本发明利用具体的实施例进行说明，但是对实施例的说明并不限制本发明的 范围。本领域内的熟练技术人员通过参考本发明的说明，在不背离本发明的精神和范围的 情况下，容易进行各种修改或者可以对实施例进行组合，这些同样属于本发明的保护范围。
【权利要求】
1. 一种时钟晶体振荡器闭环温度补偿装置，其特征在于，包括：一微控制单元MCU，与 该微控制单元MCU相连接的高频晶体、A/D转换器、32768Hz石英晶体和实时时钟RTC电路； 还包括一与所述A/D转换器相连接的温度传感器； 所述32768Hz石英晶体，用于产生32768Hz基准时钟信号； 所述高频晶体，其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，表 示乘号； 所述温度传感器，用于测量环境温度； 所述A/D转换器，为微控制单元MCU的片内电路，用于将温度传感器测量的环境温度转 换为数字信号并发送给微控制单元MCU ; 所述实时时钟RTC电路，基于所述32768Hz基准时钟信号产生秒脉冲； 在温度T时，微控制单元MCU读取实时时钟RTC电路产生的预定时间闸门内的所述高 频晶体产生的高频脉冲个数Ptl ;并且在温度T时，微控制单元MCU由Pt= (a*T+b)计算所 述高频晶体在所述预定时间闸门内的理论高频脉冲个数Pt2 ; 所述微控制单元MCU预先存储每段折线内对应的常数a，b ;每段折线对应一组常数a，b 值；微控制单元MCU比较高频脉冲个数Ptl和理论高频脉冲个数Pt2 ;当高频脉冲个数Ptl 大于理论高频脉冲个数Pt2时，微控制单元MCU调节实时时钟RTC电路产生的秒脉冲的宽 度变窄；反之调节实时时钟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 Ptl与理论高频脉冲个数Pt2相等。
2. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述微控制单元MCU为单片机或微处理 器。
3. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述温度传感器为微控制单元MCU的片 外传感器或微控制单元MCU的片内传感器。
4. 根据权利要求3所述的装置，其特征在于：当所述温度传感器为微控制单元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所述的装置，其特征在于：所述微控制单元MCU按照预定时间段定 时接收A/D转换器发送来的温度数字信号；判断温度的变化是否超过预定范围，当超过预 定范围时，微控制单元MCU调节实时时钟RTC电路产生的秒脉冲宽度；当未超过预定范围 时，微控制单元MCU停止调节实时时钟RTC电路产生的秒脉冲宽度。
6. 根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述微控制单元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微控制单元MCU的存储器中。
7. 根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述温度台阶表为-10°C以下温度台阶值 为0· 2°C、_10?+10°C温度台阶值为0· 3°C、+10?+30°C温度台阶值为0· 4°C、+30?+50°C 温度台阶值为〇. 3°C、+50°C以上温度台阶值为0. 2°C。
8. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述实时时钟RTC电路为MCU的片内实 时时钟RTC电路或片外实时时钟RTC电路。
9. 根据权利要求1-8任一所述的装置，其特征在于：所述高频晶体的频率为16MHz。
【文档编号】H03B5/04GK104218891SQ201310221880
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2013年6月5日 优先权日:2013年6月5日
【发明者】葛佳乐 申请人:上海华虹集成电路有限责任公司