基于数字电位器的晶体振荡器输出频率校准装置及方法与流程

本发明属于电子及通信技术领域，尤其涉及一种基于数字电位器的晶体振荡器输出频率校准装置及方法。

背景技术：

随着无线通信技术的发展，尤其是在卫星通信领域对频率准确度要求越来越高。在某些对工作频率精度要求较高的场合，需要经常对设备的工作频率进行校准，而对设备工作频率的调整最终是通过调整设备内部晶体振荡器的频率来实现的。

目前常用的方法是通过机械式电位器控制晶体振荡器压控端模拟电压的方法进行频率调节。在设备需要频率调节时，必须打开设备或单元，通过手动调节电位器的阻值来完成，之后还需对电位器涂覆固定。其抗震性能不佳、精度较差，很难实现高精度频率调整；在飞机、舰船等高湿热、振动条件下恶劣条件下，阻值变化较大，适应性差；多次调节后机械端子易磨损甚至损坏，影响设备可靠性。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于数字电位器的晶体振荡器输出频率校准装置及方法，可在不打开设备的情况下，通过其外部数据接口实现对设备工作频率的调节。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

技术方案一：

一种基于数字电位器的晶体振荡器输出频率校准装置，所述晶体振荡器输出频率校准装置包括：数字电位器和晶体振荡器；

所述数字电位器中设置有串行数据接口、eeprom(电可擦只读存储器，electricallyerasableprogrammableread-onlymemory)、游标寄存器、游标以及可变电阻；

所述串行数据接口上的第一数据i/o端与外部控制数据接口双向连接，所述串行数据接口上的第二数据i/o端分别与所述eeprom上的数据读写端、所述游标寄存器上的第一数据i/o端双向连接，所述eeprom上的数据i/o端与所述游标寄存器上的第二数据i/o端双向连接，所述游标寄存器的控制信号输出端与所述游标的一端连接，所述游标的另一端与所述可变电阻上的控制输入端连接，所述可变电阻上的控制输出端与所述晶体振荡器的电压控制端连接，所述可变电阻的一端与所述晶体振荡器的参考电压端连接，所述可变电阻的另一端接地。

本发明技术方案一的特点和进一步的改进为：

(1)所述串行数据接口，用于获取外部控制数据接口发送的频率校准指令，所述频率校准指令表示外部上位机发送的校准晶体振荡器输出频率的指令，所述频率校准指令中至少包含游标寄存器的值，所述游标寄存器的值用于指示所述游标的位置；所述串行数据接口，还用于将所述频率校准指令中游标寄存器的值发送给游标寄存器；

所述游标寄存器，用于获取所述频率校准指令中游标寄存器的值，并根据所述游标寄存器的值调整游标的位置；

所述游标，用于调整可变电阻的终端阻值；

所述可变电阻，用于将所述终端阻值的分压值输出到晶体振荡器的电压控制端；

所述晶体振荡器，用于根据电压控制端的电压得到对应的输出频率；

所述eeprom，用于存储输出频率对应的游标寄存器的值。

(2)所述数字电位器外部还设置有监控单元，所述监控单元的输入端连接数字电位器的电源电压，所述监控单元的输出端连接数字电位器的硬件覆盖预置管脚pr；

当所述电源电压高于预设电压阈值时，所述监控单元设置所述硬件覆盖预置管脚pr为高电平，允许所述数字电位器对晶体振荡器的输出频率进行调整；

当所述电源电压低于预设电压阈值时，所述监控单元设置所述硬件覆盖预置管脚pr为低电平，禁止对晶体振荡器的输出频率进行调整。

(3)所述数字电位器上设置有写保护管脚wp，通过下拉电阻使所述写保护管脚wp为低电平；

当需要在eeprom中写入数值时，将所述写保护管脚wp拉为高电平，完成数值写入之后，再将所述写保护管脚wp拉为低电平。

技术方案二：

一种基于数字电位器的晶体振荡器输出频率校准方法，所述方法应用于技术方案一所述的基于数字电位器的晶体振荡器输出频率校准装置，所述晶体振荡器输出频率校准方法包括：

步骤1，串行数据接口获取外部控制数据接口发送的频率校准指令，所述频率校准指令表示外部上位机发送的校准晶体振荡器输出频率的指令，所述频率校准指令中至少包含游标寄存器的值，所述游标寄存器的值用于指示所述游标的位置；

步骤2，串行数据接口将所述频率校准指令中游标寄存器的值发送给游标寄存器；

步骤3，游标寄存器获取所述频率校准指令中游标寄存器的值，并根据所述游标寄存器的值调整游标的位置；从而调整可变电阻的终端阻值；

步骤4，可变电阻的终端阻值的分压值输出到晶体振荡器的电压控制端，从而所述晶体振荡器根据电压控制端的电压得到对应的输出频率；

步骤5，当所述输出频率满足预设频率精度时，将当前所述输出频率对应的游标寄存器的值写入eeprom；

否则，调整外部上位机发送的校准晶体振荡器输出频率的指令中游标寄存器的值，直到晶体振荡器的输出频率满足预设频率精度。

本发明技术方案可实现在不打开设备的情况下完成对设备的频率调节功能，操作性好方便、快捷，便于外场维护，无需返厂，节约人力、降低维护成本；同时由于数字电位器为集成电路工艺，调节精度高；防湿热、抗振、抗冲击性能好，环境适用性强；不存在滑片磨损，可进行大于100万次调节，能有效提高设备的可靠性，对于校准精度高或要求快速上电工作的设备，效果十分明显。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于数字电位器的晶体振荡器输出频率校准装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于数字电位器的晶体振荡器输出频率校准方法的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的数字电位器的电路原理示意图；

图4为本发明实施例提供的一种基于数字电位器的晶体振荡器输出频率校准方法的软件流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种基于数字电位器的晶体振荡器输出频率校准装置，如图1所示，所述晶体振荡器输出频率校准装置包括：数字电位器和晶体振荡器；

所述数字电位器中设置有串行数据接口、eeprom、游标寄存器、游标以及可变电阻；

所述串行数据接口上的第一数据i/o端与外部控制数据接口双向连接，所述串行数据接口上的第二数据i/o端分别与所述eeprom上的数据读写端、所述游标寄存器上的第一数据i/o端双向连接，所述eeprom上的数据i/o端与所述游标寄存器上的第二数据i/o端双向连接，所述游标寄存器的控制信号输出端与所述游标的一端连接，所述游标的另一端与所述可变电阻上的控制输入端连接，所述可变电阻上的控制输出端与所述晶体振荡器的电压控制端连接，所述可变电阻的一端与所述晶体振荡器的参考电压端连接，所述可变电阻的另一端接地。

其中，

所述串行数据接口，用于获取外部控制数据接口发送的频率校准指令，所述频率校准指令表示外部上位机发送的校准晶体振荡器输出频率的指令，所述频率校准指令中至少包含游标寄存器的值，所述游标寄存器的值用于指示所述游标的位置；所述串行数据接口，还用于将所述频率校准指令中游标寄存器的值发送给游标寄存器；

所述游标寄存器，用于获取所述频率校准指令中游标寄存器的值，并根据所述游标寄存器的值调整游标的位置；

所述游标，用于调整可变电阻的终端阻值；

所述可变电阻，用于将所述终端阻值的分压值输出到晶体振荡器的电压控制端；

所述晶体振荡器，用于根据电压控制端的电压得到对应的输出频率；

所述eeprom，用于存储输出频率对应的游标寄存器的值。

进一步的，所述数字电位器外部还设置有监控单元，所述监控单元的输入端连接数字电位器的电源电压，所述监控单元的输出端连接数字电位器的硬件覆盖预置管脚pr；

当所述电源电压高于预设电压阈值时，所述监控单元设置所述硬件覆盖预置管脚pr为高电平，允许所述数字电位器对晶体振荡器的输出频率进行调整；

当所述电源电压低于预设电压阈值时，所述监控单元设置所述硬件覆盖预置管脚pr为低电平，禁止对晶体振荡器的输出频率进行调整。

更进一步的，所述数字电位器上设置有写保护管脚wp，通过下拉电阻使所述写保护管脚wp为低电平；

当需要在eeprom中写入数值时，将所述写保护管脚wp拉为高电平，完成数值写入之后，再将所述写保护管脚wp拉为低电平。

本发明实施例还提供一种基于数字电位器的晶体振荡器输出频率校准方法，所述方法应用于上述实施例所述的基于数字电位器的晶体振荡器输出频率校准装置，如2所示，所述晶体振荡器输出频率校准方法包括：

步骤1，串行数据接口获取外部控制数据接口发送的频率校准指令，所述频率校准指令表示外部上位机发送的校准晶体振荡器输出频率的指令，所述频率校准指令中至少包含游标寄存器的值，所述游标寄存器的值用于指示所述游标的位置；

步骤2，串行数据接口将所述频率校准指令中游标寄存器的值发送给游标寄存器；

步骤3，游标寄存器获取所述频率校准指令中游标寄存器的值，并根据所述游标寄存器的值调整游标的位置；从而调整可变电阻的终端阻值；

步骤4，可变电阻的终端阻值的分压值输出到晶体振荡器的电压控制端，从而所述晶体振荡器根据电压控制端的电压得到对应的输出频率；

步骤5，当所述输出频率满足预设频率精度时，将当前所述输出频率对应的游标寄存器的值写入eeprom；

否则，调整外部上位机发送的校准晶体振荡器输出频率的指令中游标寄存器的值，直到晶体振荡器的输出频率满足预设频率精度。

示例性的，在实际工程应用中，本方案在设备内部采用一种非易失性高精度的数字电位器替代机械式电位器，通过数字电位器的电阻分压后的电压，供给晶振的电压控制管脚。然后通过软件改变数字电位器游标位置来改变电位器输出阻值，随着电位器输出阻值的变化来改变晶体振荡器的控制电压，从而改变晶体振荡器输出的频率值，达到频率调节的目的。校准指令通过设备的外部程序加载或升级接口，将串行数据发送至数字电位器的串行数据接口，即可完成晶体振荡器的输出频率的调整，从而实现在不打开设备的情况下完成对设备的频率调节功能，其方框图如图1所示。

首先为硬件电路的设计，其电路原理图如图3所示。数字电位器供电、数据控制接口按其要求连接对应连接，只需注意数据控制线需上拉以防止干扰即可。

晶体振荡器的电压控制脚电压通过电位器内部电阻raw、rwb分压实现，其决定了振荡器频率调节范围，而无需外加电阻，因为数字电位器的电阻误差、电阻温度系数特性比较差，外加电阻后反而影响其调节范围。

振荡器的控制电压范围vctl的电压通过公式计算：

其中rab＝raw+rwb，rwb为电位器的终端阻值。

振荡器频率的调节精度需通过公式计算，振荡器的控制电压vctl是一个范围，最小为vmin，最大为vmax；其出厂频率稳定度β1、回流焊稳定度β2以及年老化率β3合起来为最大偏移范围，要保证振荡器出现最大频率偏移时，通过电位器证实现调整，需按需求选择合适的电位器分辨率，即电位器调整位数。

电位器分辨率选择方法是：

电位器分辨率＝振荡器最大偏移范围/设备要求的最小频率误差要求；

但由于电位器存在的一定的误差，因此在选择电位器分辨率时，一般按上述计算结果，选择2倍分辨率的电位器，这样就能保证设备最小频率误差要求。

通过电位器控制接口，由软件控制其内部游标寄存器调整游标至合适位置后，再将其数据写入内部eeprom中。再次加电时，电位器内部游标寄存器从eeprom中读取已存数据，设置电位器游标恢复至预编程的位置。

当需要重新进行频率调节时，可通过电位器控制口，先读取电位器内部游标寄存器中的数据，再在当前游标数据进行加减处理，直至达合适位置后，通过写命令将当前修改值存入eeprom中。软件流程框图如图4所示。

其次，为了避免设备使用过程中对电位器eeprom中值进行误操作，还需对硬件及软件进行优化处理。

软件方面，数字电位器具有写保护功能，只有当写保护管脚wp变高后，电位器内部eeprom才允许对其程序进行更改操作。因此正常情况下，通过下拉电阻使wp管脚为低电平，而当需要刷新电位器eeprom中的数值时，才通过软件拉高wp管脚进行操作，操作完成后，通过软件将wp管脚拉低。

硬件方面，数字电位器具有硬件覆盖预置脚pr，即pr为高电平时，刷新电位器内部游标寄存器与eeprom当前数据控制脚。通过监控电路对电源进行监测后接入该管脚。防止设备欠电压时，对电位器内部游标寄存器与eeprom当前数据的刷新，即设备欠压时，禁止对晶体振荡器频率的调整，因为设备欠压，某些单元工作已经出现异常，设备工作频率有可能已完全不准确，校准可能会出现偏差。

设备一般都具有外部程序加载或升级接口，当设备需要频率调节时，只需借助仪器观察当前设备发射频率准确度，通过程序加载或升级接口，将校准命令发送至数字电位器串行数据口即可调整晶体振荡器的输出频率，从而实现在不打开设备的情况下完成对设备的频率调节功能。

本方案中，只需将设备中晶体振荡器的压控管脚的分压电阻或机械式电位器换成满足设备要求的非易失性数字电位器，再按照电路原理图完成其外围硬件电路设计，最后按软件原理框图完成数字电位器的软件配置即可。同时，需注意设备对外接口与数字电位器的串行控制口的数据通信协议必需相同，若不同，可选择相应芯片进行协议转换。

在操作过程中，还需注意数字电位器及电源监测芯片为对防静电要求比较高，须用镊子夹取而不能用手直接接触。同时，须戴上防静电手腕以免器件被击穿。在进行回流焊时，须严格按照器件提供的焊接温度曲线进行温度的设置，以防造成不必要的损坏，在补焊时，烙铁温度不能太高，烙铁停留在器件管脚的时间也不能太长。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：rom、ram、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。