专利名称：高精度软同步微机补偿晶体振荡器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及晶体振荡器(以下简称晶振)，特别涉及高精度软同步微机补偿晶体振荡器(以下简称新型MCX0)。
技术背景现有技术中晶振的频率-温度特性如下没有采用任何补偿措施的晶振，其频率-温度特性主要由石英晶体谐振器(以下简称晶体)本身的频率-温度特性决定。晶体的谐振频率随环境温度变化的特性方程可写为△f/f0=(f-f0)/ fO二aO(T-T0)+ bO(T-T0)2+ bO(T-TO)3 ， 式中T为任一温度，T0为参考温度，f0为T0时的频率，f为T时的频率a0、 b0、 C0为参考温度T0时的一级、二级和三级频率温度系数，它与石英晶片的方 位及震动形式有关。由此可见，频率-温度特性是晶体的固有特性，呈现三次曲 线关系，在相同的环境温度下，晶体具有的固有谐振频率是可以重复出现的， 频率重现性误差很小。现有技术中的温度补偿式晶振(以下简称TCX0)， 一般由 晶体封装、温度补偿电路、外部端子、温度补偿元件、用于覆盖板表面的树脂 模铸部分等。但是现有的TCXO由于受所采用的温度补偿电路本身的限制，其补 偿精度不高。目前也出现了软件补偿式晶振，例如一种通过采集晶体的当前温 度的测量和记录与真实频率偏移的测量数据，然后以该数据为依据用来产生一 个九阶多项式，再依据其描述晶体随温度的频率漂移，在本地参考振荡器未锁定 时的接收机初始化期间，测量环境温度并用来索引该九阶多项式以估算实际的 晶体频率。但是这种方法对于设备及程序的要求均较高，体积大，算法也较为落后，并不能解决温度传感器与晶体片感应的温度变化在速度和精度上不完全 一致的问题。实用新型内容本实用新型目的是解决了现有温度传感器与晶片感应的温度变化在速度和精度上不完全一致的技术不足；提供一种内置有高速的频率自动采集电路、使 晶体和传感器的温度变化能够同步的新型MCX0。本实用新型实现上述目的，所提供的技术方案是一种高精度软同步微机补偿晶体振荡器，包括一晶体振荡器，其频率输出 端连接一频率输出电路，其特征在于设有一测温电路、 一单片机、 一温度电 压数据存储模块、 一数模转换器、 一电压变换电路；所述温度电压数据存储模 块、测温电路分别与单片机输入端连接；单片机包含PWM方波模块，单片机用 于采用同步算法控制测温电路与晶体振荡器的温度在变化速度和精度上保持一致，单片机的PWM方波输出端经数模转换器、电压变换电路与晶体震荡器的温度补偿输入端连接。所述温度电压数据存储模块为预先测试好并存储的温度电压对应数据的EEPROM存储器。所述晶体振荡器为压控晶体振荡器(以下简称VCX0)，由反相器、三极管或 专用振荡芯片构成。所述在频率输出电路中包含放大电路、整形输出电路，单片机频率输出端 经放大电路连接整形输出电路。所述设一通讯输入线及接口 ，其连接单片机的通讯端口与测试设备。 所述电压输入线经另一电压变换器与晶体振荡器的电压输入端连接。 所述MCX0依据的原理如下由于频率-温度特性是晶体的固有特性，在相 同的环境温度下，晶体具有的固有谐振频率是可以重复出现的，频率重现性误 差很小，设计优良的电路， 一般可以达到士0.01ppm。新型MCX0工作时，在任 一个温度点上都给出一个固定的补偿值，就可以将MCX0的输出频率校准到中心 频率，获得优良的频率-温度特性。根据晶体的上述特性，我们可以模拟新型MCX0 的实际工作环境温度，在不同的温度点下测试出需要的补偿电压，然后计下这 一对温度电压数据。通过计算和实践经验，在全温度范围内我们一般以1 5'C 做为一个测试温度间隔，在低温和高温段间隔较密，采集20 40对温度-电压 数据，形成补偿数据表，测试结束后将数据表写入存储器内即为新型MCXO成品。 本实用新型的工作原理是本实用新型提供的新型MCX0采用微处理器作为核心控制器件，对晶振的频率-温度特性进行补偿。工作时高精度数字温度传感器能够精确感应环境温度，微处理器读取该数字温度值，在预先测试好并存储于EEPROM中的温度-电压数 据表中査找相应的数字电压数据，通过拟合算法，经过D/A转换和电压变换后 输出模拟电压，控制MCXO的输出频率，并通过单片机软件的同步算法控制数字 温度传感器与晶体片的温度在变化速度和精度上保持一致，从而使MCX0具有优 良的频率温度特性，能更广泛地适应环境温度以及开机即用的要求。通过配套 开发的新型MCXO测试仪器，与MCXO通信接口配合，可以使其实现规模化生产。本实用新型与现有技术相比具有如下优点和有益效果由于本实用新型采用高速的频率自动采集电路对MCXO开机2分钟内的开机 特性曲线进行描绘，经过分段算法，然后在拟合数据表的特定区域内存储拟合 信息对其开机2分钟内的频差进行针对性补偿，解决了温度传感器与晶片感应 的温度变化在速度和精度上不完全一致的问题。本实用新型还通过优良的补偿 算法突破了以往学术界普遍公认的温度补偿极限，可以大幅度提高补偿精度， 比TCX0的补偿精度提高1 2个数量级(TCX0其理论极限为土lppm),可以达到 ±0. lppm 土0.03ppm。 MCXO的工作电压可以达到3. 3V甚至更低，而对其补偿 精度不会有大的影响。只要选择宽温的数字器件，补偿温度范围达-55 125"C。
图1是高精度软同步数字温度晶体振荡器的原理框图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型 的实施方式不限于此。如图1所示的实施例，本实用新型包括一压控晶体振荡器，其频率输出端 连接一频率输出电路，设有一测温电路、 一单片机、 一温度电压数据存储模块、 一数模转换器、 一电压变换电路。所述温度电压数据存储模块、测温电路分别 与单片机输入端连接。单片机用于采用同步算法控制测温电路与压控晶体振荡 器的温度在变化速度和精度上保持一致。单片机包含PWM方波模块。温度电压 数据存储模块为预先测试好并存储的温度电压对应数据的EEPROM存储器。单片机的PWM方波输出端经数模转换器、电压变换电路与压控晶体震荡器的温度补 偿输入端连接。在频率输出电路中包含放大电路、整形输出电路，单片机频率 输出端经放大电路连接整形输出电路。电压输入线要经另一电压变换器与压控 晶体振荡器的电压输入端连接。设一通讯输入线及接口，其连接单片机的通讯 端口与测试设备。本实施例提供的高精度、软同步微机温度补偿晶体振荡器，由依次相连的 测温电路、8位或8位以上的单片机、滤波电路和VCXO组成，单片机向滤波电 路输出PWM方波，滤波电路向压控晶体振荡器输出直流控制电压。测温电路可 采用数字温度传感器，VCX0可以由反相器、三极管或专用振荡芯片构成。本项 目产品生产成品率高、可生产性好、有外部通信接口；能够实现全自动调试和 校准；生产成本低；产品可靠性良好。还可使用批量在线编程方式对MCXO进行 频率和参数微调，全自动、大批量、高速地校准MCXO。正常工作时，MCX0通过循环采集环境温度，在数据表中查找相应的温度电 压数据，通过拟合算法，算出应该数据的补偿电压，由于晶体温度曲线的固有 重现性，MCX0就可以在全温度范围内将其输出频率校准在中心频率上，达到良 好的频率温度特性。我们选用高速的频率自动采集系统对MCX0开机2分钟内的开机特性曲线进 行描绘，经过分段算法，然后在在拟合数据表的特定区域内存储拟合信息对其 开机2分钟内的频差进行针对性补偿，达到问题的解决。新型MCX0在理论上突破了以往学术界普遍公认的温度补偿极限，按照通常 的理论，采用模拟器件补偿方案制造的TCX0，其理论极限为士lppm，而且其工 作温度范围最高一般不超出75°C，工作电压一般要大于8V，这些极限主要受制 于补偿曲线的拟合误差、晶片与感温器件的温度一致性以及模拟器件的重复精 度。当我们采用了数字补偿及软同步的方案以后，可以克服模拟补偿的缺点， 大幅度提高补偿精度，比TCX0的补偿精度提高1 2个数量级，可以达到土 0.1ppm 士0.03ppm。由于MCX0采用数字补偿原理，可以选用低压、低功耗的 器件，因此新型MCX0的工作电压可以达到3. 3V甚至更低，而对其补偿精度不 会有大的影响。只要选择宽温的数字器件，其补偿温度范围可达-55 125'C。通常TCXO都是采用全温度范围的整体拟合算法，只用一个拟合方程进行拟合，拟合的曲线都是规则的，拟合无误差点只有少数的几个交点，不可能完全重合，其余点都会存在误差，如图2所示，补偿精度必然受到限制，如果受补 偿的MCX0的原始频率-温度特性是不规则曲线，则TCX0根本无法进行补偿。上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不 受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作 的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用 新型的保护范围之内。
权利要求1、一种高精度软同步微机补偿晶体振荡器，包括一晶体振荡器，其频率输出端连接一频率输出电路，其特征在于设有一测温电路、一单片机、一温度电压数据存储模块、一数模转换器、一电压变换电路；所述温度电压数据存储模块、所述测温电路分别与单片机输入端连接；所述的单片机包含方波模块，单片机用于采用同步算法控制测温电路与所述晶体振荡器的温度在变化速度和精度上保持一致，单片机的方波输出端经数模转换器、所述电压变换电路与晶体震荡器的温度补偿输入端连接。
2、 根据权利要求1所述的高精度软同步微机补偿晶体振荡器，其特征为 所述温度电压数据存储模块为预先测试好并存储的温度电压对应数据的EEPR0M 存储器。
3、 根据权利要求1所述的高精度软同步微机补偿晶体振荡器，其特征为 所述晶体振荡器为压控晶体振荡器，由反相器、三极管或专用振荡芯片构成。
4、 根据权利要求1所述的高精度软同步微机补偿晶体振荡器，其特征为在所述频率输出电路中包含放大电路、整形输出电路，单片机频率输出端经放 大电路连接整形输出电路。
5、 根据权利要求1所述的高精度软同步微机补偿晶体振荡器，其特征为设一通讯输入线及接口，其连接所述单片机的通讯端口与测试设备。
6、 根据权利要求1所述的高精度软同步微机补偿晶体振荡器，其特征为 电压输入线经另一电压变换器与所述晶体振荡器的电压输入端连接。
7、 根据权利要求1所述的高精度软同步微机补偿晶体振荡器，其特征为.-所述方波模块为PWM方波模块。
专利摘要本实用新型公开了一种高精度软同步微机补偿晶体振荡器，包括一晶体振荡器，其连接频率输出电路，设有测温电路、单片机、温度电压数据存储模块、数模转换器、电压变换电路；温度电压数据存储模块、测温电路分别与单片机输入端连接；单片机包含方波模块，单片机用于采用同步算法控制测温电路与晶体振荡器的温度在变化速度和精度上保持一致，单片机的方波输出端经数模转换器、电压变换电路与晶体震荡器的温度补偿输入端连接。本实用新型解决温度传感器与晶体感应的温度变化在速度和精度上不完全一致的问题。
文档编号H03B5/04GK201113921SQ200720178259
公开日2008年9月10日 申请日期2007年9月26日 优先权日2007年9月26日
发明者廖启华 申请人:东莞市金振电子有限公司