专利名称：温度补偿晶体振荡器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种带温度补偿装置的晶体振荡器，尤其涉及一种带基于单片 机的温度补偿装置的晶体振荡器，属于电子元件领域。
背景技术：
一般而言，晶体振荡器的频率稳定度比LC振荡器的频率稳定度高1一2个量级，因 此在移动通信领域或电子装置中使用晶体振荡器为系统提供稳定的参考频率信号或是基 准频率信号。但是，即使性能较好的AT切型晶体所组成的振荡器，在宽温范围内，其频率稳 定度也很难达到较高的水平。这是因为晶体本身具有比较明显的频率——温度特性，使得 晶体振荡器的振荡频率随着温度的变化而变化。因此，为了使晶体振荡器在宽温范围内达 到较高的频率稳定度，就必须对晶体振荡器的频率一温度特性进行补偿。传统的方法之一就是采用热敏电阻网络产生补偿电压进行模拟补偿，图1即为热 敏电阻补偿网络的结构形式。未补偿前先测出要补偿的晶体振荡器的频率温度特性和需要 进行补偿的电压温度特性曲线。当晶体振荡器的频率随温度变化时，热敏电阻网络同时产 生一个所需要的随温度而变化的补偿电压V(T)加于晶体振荡器的变容二极管上，使频率 随着温度作相反的变化，从而实现补偿。但是晶体振荡器的温度补偿电压受热敏电阻和固 定电阻值影响非常大，而且这种补偿方法对宽温度范围的补偿效果不佳，无法补偿频率跳 变点。目前广泛采用的微机控制补偿晶体振荡器，采用图2所示的方式进行补偿，温度 传感器将测量到的工作环境的温度信号经过A/D转换成数字信号送到单片机，单片机通过 查询、计算输出相应的校准PWM信号，PWM信号经过D/A转换输出得到连续变化的校准电压 信号加到晶体振荡器上，从而控制晶体管输出稳定度很高的基准频率。但是目前这种结构 对于晶体振荡器的温度无法调节，不能阻止温度累积上升，会加速晶体振荡器的老化，而且 当晶体振荡器的工作温度范围较大时，由于单片机的内存有限，可以查询的温度点的之间 间距较大，这会导致基准频率的精度下降。
实用新型内容为了克服上述现有技术的缺陷，本实用新型旨在提供一种精度高、工作温度可控 的温度补偿晶体振荡器。为达到上述目的，本实用新型的温度补偿晶体振荡器包括一个用以产生基准振 荡频率信号的压控晶体振荡器，一个已被编程的单片机，它还包括一个数字温度传感器，一 个高精度数字频率计，一个6键的键盘，一个校准电压驱动电路单元，一个桥式驱动电路单 元，一个半导体制冷制热器；所述元件中，高精度数字频率计，温度传感器，键盘并行接入单 片机，单片机后分成两条并行输出支路，一路顺次串接校准电压驱动单元和晶体振荡器；另 一路顺次串接桥式驱动单元和半导体制冷制热器。所述的校准电压驱动单元可以是一个脉宽调制转换电路，将PWM信号准换成连续变化的校准电平。单片机输出的PWM信号经过R15和C18，C19组成的RC滤波电路被转化 为连续变化的校准电平。校准电平送到运放U24-A的正向高阻输入端进行缓冲，然后经运 放和外围电路中的电阻R16，R17进行放大，经C28，R16构成的低通滤波电路进一步滤除毛 刺，最后得到连续变化的校准电平输出到晶体振荡器。所述桥式驱动单元可以是半导体制冷制热器的供电电路。供电范围-12V至+12V 连续可调。U5、TO、U7、U8、U9、U10、U11、U12分别为大功率MOS管，负责调节输出电流。三 极管U13、U14、U15、U16负责将单片机的5V电平信号转换为12V电平信号控制大功率MOS 管。U5、U6、U7、U8 为 P 沟道 MOSFET，U9、U10、Ull、U12 为 N 沟道 MOSFET，U13、U14、U15、 U16为三极管。制冷时U16和U14导通，U15和U13关闭。其中U16持续导通，U14通PWM 信号。制热时U15和U13导通，U16和U14关闭。其中U15持续导通，U13通PWM信号。电 感U23、U22与C5、C6配合桥式电路构成一个双向的BUCK电路，使桥式电路输出的PWM电流 转化成连续调节的电压供给半导体制冷制热器。U9、U10、U11、U12由于处于开关状态工作 在放大区的时间相对较长，发热较大，因此安装散热片。所述的键盘共六个按键，可以采用轻触开关，负责接收操作者发出的各种指令，不 按时输出逻辑电平为“ 1”，按下时输出的逻辑电平为“0”。与现有技术相比，本实用新型的高精度温度补偿晶体振荡器具有如下的优点晶 体振荡器的工作温度、工作频率、校准电压实时显示，系统工作模式可调，晶体振荡电路的 工作温度可控。
图1是传统热敏电阻补偿网络的结构形式。图2是微机控制补偿晶体振荡原理图。图3是压控晶体振荡器补偿实验器的原理方框图。图4是校准电压驱动单元电路图。图5是待补偿电路晶体振荡器的电路图。图6是高精度频率计的内部原理图。图7是桥式驱动单元的电路图。图8是半导体制冷制热器的结构示意图。图9是温补晶振校准之后的结果。
具体实施方式
图3表示了根据本实用新型对压控晶体振荡器进行温度补偿的原理方框图。本实用新型的温度补偿晶体振荡器包括一个用以产生基准振荡频率信号的压控 晶体振荡器107，一个已被编程的单片机104，它还包括一个数字温度传感器108，一个高精 度数字频率计103，一个6键的键盘102，一个校准电压驱动电路单元105，一个桥式驱动电 路单元106，一个半导体制冷制热器109 ；所述元件中，高精度数字频率计103，温度传感器 108，键盘102并行接入单片机104，单片机104后分成两条并行输出支路，一路顺次串接校 准电压驱动单元105和晶体振荡器107 ；另一路顺次串接桥式驱动单元106和半导体制冷 制热器109。下面对各个部分进行具体介绍[0024]单片机104作为核心，可采用Atmel公司的ATmegal6单片机，它主要负责响应键 盘；接收从频率计发来的频率值；读取温度传感器温度值；控制半导体制冷制热器的制冷 和制热；提供石英晶振的补偿电压。当仪器开始工作时，单片机104通过温度传感器108读取石英晶体振荡器的温度， 同时也通过高精度频率计103读取石英晶体振荡器的频率。温度传感器108在紧挨着半导 体制冷片，而半导体制冷片又和石英晶体振荡器相连，见图8的半导体制冷制热内部结构 图。作为感应晶体振荡器的模块，温度传感器108对温度进行采样，采样得到的模拟温度信 号转化成数字方式的二进制数据，送入单片机中。单片机对晶体振荡器进行两个循环补偿晶振频率，一个是单片机-校准电压驱动 器-石英晶体振荡器循环；一个是单片机-桥式驱动单元-半导体制冷制热器-石英晶体 振荡器循环。首先说明单片机-校准电压驱动器-石英晶体振荡器循环校准电压驱动单元负 责将单片机OCl 口输出的PWM信号转换成连续变化的校准电平。校准电压驱动单元105如 图4所示，图4中运算放大器Al的同相输入端分成两路，一路通过电阻Rl与PWM方波信 号连接，另一路通过并联电容Cl和C2接地；其反相输入端也分成两路，一路通过电阻R3 接地，另一路通过并联电阻R2和电容C3与其输出端连接，输出端和压控石英晶体振荡器 107的CRY_ADJ_1_5端口相连。单片机输出的PWM信号经过Rl和Cl、C2组成的RC滤波 电路被转化为连续变化的校准电平。校准电平被送到运算放大器。运算放大器的正相输入 端为高阻输入，因此校准电平在此得到缓冲。校准电平通过运放和外围的电阻R2、R3放大 后输出到晶体振荡器。其中C3和R2构成的低通滤波电路进一步滤除PWM信号的产生的毛 刺。这样将脉冲方波信号转换成了连续变化的模拟补偿电压信号，将这个信号连到压控石 英晶体振荡器107的CRY_ADJ_1_5端口，作为石英晶振的补偿电压。未补偿前先测出要补偿的晶体振荡器的频率-温度特性和需要进行补偿的电 压-温度曲线，并将补偿的电压-温度曲线存入单片机的存储器中。当由数字温度传感器 108转化成的二进制温度数据送入单片机时，温度信号可以在单片机中的IXD模块中显示。 此时单片机根据收到的石英晶振温度查询内存中的电压-温度曲线，查询到此时需要输出 的控制电压，将这个电压信号通过单片机的OCl端口输出PWM信号到校准电压驱动单元，进 行电压控制的频率补偿。同时单片机的OCO和0C2端口输出PWM信号控制桥式驱动单元106，由桥式电压驱 动单元106驱动半导体制冷制热器109。这就构成了晶体振荡器的另一路补偿循环。图7所示为桥式驱动单元，负责为半导体制冷制热器供电。桥式驱动电路由完全 对称的四端组成。现描述一端的电路为例。型号为2n9013的三极管U16与电阻Rl和R2构 成放大电路，负责将单片机的5V电平信号转换为12V电平信号。其中三极管射级接地，Rl 接三极管的基极，电阻R2用作负载接在12V电源和三极管集电极之间，放大器的输出端点 接两个并联大功率MOS管TO和U7的栅极，因而可以调节输出电流。PMOS管的源极接12V 电源(NM0S管源极接地)，漏极为上下两端电路的公共节点。两桥之间由电感U23、U22与C5、 C6构成一个双向的BUCK电路及处于中间位置的跳线连接，目的是使桥式电路输出的PWM电 流转化成连续调节的电压供给半导体制冷制热器。Rl和R7作为PWM信号输入的一个端点，R5和R3作为另一个端点。当U16和U14导通，U15和U13关闭(其中U16持续导通，U14通PWM信号)，向半导体制冷制热器中的半导 体制冷片输出正向电流，达到制冷的效果；当U15和U13导通，U16和U14关闭(其中U15 持续导通，U13通PWM信号)，向半导体制冷制热器中的半导体制冷片输出反向电流，达到制 冷的效果。电路还有一个很人性化的地方，就是在MOS管TO U12上预留了散热片安装位 置。在工作时⑴5 U8始终处于导通或关闭状态，长时间工作温度正常，无需安装散热片。 U9 U12由于处于开关状态工作在放大区的时间较长，发热较大，因此安装了散热片。半导体制冷制热器109是本设计的一个亮点，毕竟通过压控温度循环不能够应对 突然地极大温度的改变，那么这时就需要用这个半导体制冷制热器将温度稳定在设定温度 的附近不会有大的变动。半导体制冷制热器就是负责大范围的调节半导体振荡器的温度， 它的内部结构如图8所示，半导体制冷制热器109基于TEC12705半导体制冷片设计，包括 金属内胆，在所述金属内胆里面，振荡电路、石英晶体、温度传感器、导热铝板及半导体制冷 片依次紧密排列；保温泡沫将金属内胆包围，在金属内胆外面有露水排放管穿过保温泡沫； 在保温泡沫外面有散热片及风扇。调节范围_6°C至100°C，当温度高于80°C单片机会自动 将系统置于保护状态。半导体制冷制热器109中，温度传感器置于金属内胆内部，便于其准确地感应振 荡电路的温度变化，将温度发送到单片机。其中电路中的核心是TEC12705半导体制冷片， 通过改变半导体制冷片的电流方向达到冷却和加热的目的。由图8的半导体制冷制热器内 部结构图可以看出，石英晶体振荡器是紧挨着半导体制冷片的，这样半导体制冷制热器就 能够直接的对晶振进行温度的调节。图9为整个晶振温度补偿实验器的校准结果。晶体振荡器107如图5所示，它由两部分组成，一部分是基本振荡电路，由负载电 容C20、C22，74HC04非门U25-A和石英晶体产生振荡信号，信号通过匹配电阻R25消除过冲 后再通过非门U25-B进行缓冲最后输出信号。另一部分是由两个变容二极管U27，^9并联 作为调整部分。调整部分通过隔直电容C21接入基本振荡电路作为负载电容的一部分。校 准电压输入时，先通过去耦电容C23，滤除校准电压的噪声，再通过似6进行缓冲，到达调整 部分，根据加在变容二极管两端校准电压的大小，改变U27和U29的电容，进而改变电路的 频率，得到校准的石英晶体振荡器频率，这个频率由端口 CRYSTAL_0_S输出到高精度频率 计103上进行读取。高精度频率计103如图6所示，负责测试石英晶体振荡电路输出的信号频率值。其 中Yl为IOMHz的温度补偿晶振，用于为计数器U20提供基准时钟。U21为三端稳压集成电路 LM7805，专门为Yl供电以保证Yl时钟输出稳定。U20为ATmega8单片机。U18为74HC393 分频器。Rll和R12为匹配电阻，用于消除过冲。R13为滑动变阻器。当石英晶体振荡器的 输出信号通过U18分频输出到U20的计数器输入端，计数器开始计数。同时定时器开始计 时，约7秒钟刷新一次测量结果。当定时器发生中断时计数停止，并进行换算将计数得到 的频率值通过UART以异步方式发送到单片机104，同时CLK_CLR使能，使分频器U18清零。 计数器重新开始计数，定时器开始计时，反复进行上述计时-中断-发送-清零-计时的过 程。此时可将频率发送到IXD中显示出来。键盘如图3中的102所示。有6个键，它们分别对应着“mode” "enter" "temp up，，"temp down” “left” “right”。6个按键分别与单片机的6个端口 PC0 PC5相连接。 实验箱开机之后IXD上就会依次显示温度、频率、TEC档位、TEC工作模式、校准电压。按下
6"temp down”键，调节TEC档位，将温度调节到1(Γ 5度之间，等待晶体振荡器频率漂移到 15，999，065Hz以上。为了保护晶体振荡器免于温度冲击的影响。系统每隔30秒将TEC档 位增加1或减小1。TEC档位为15时，桥式驱动单元不再向TEC供电。TEC档位小于15时 系统向TEC提供正向电流，半导体制冷制热单元开始制冷，8卩“cool”工作模式。TEC档位大 于15时系统向TEC提供反向电流，半导体制冷制热单元开始制热，Srheat”工作模式。为 避免TEC损坏，TEC从cool模式切换到heat模式或从heat切换到cool模式时，必须先将 TEC档位调节到15，然后等待。直到温度恢复到室温为止，建议和实际室温的差距不要大于 2度。然后再将“mode”键将系统工作模式调节到“compensate”，再按“enter”。此时系统 会根据温度对晶体振荡器进行补偿。校准电压会下降。频率会恢复到15，999，037Hz附近。 最后按“temp up”键，将TEC档位调节到15。等待温度恢复到室温，然后关机。 图3中101所示的IXD显示模块是本实用新型的进一步优选，IXD可采用128*64 蓝白膜点阵，驱动芯片用KS0108，单片机104的8位PA 口等端口连接IXD，就可以直接将 LCD显示模块与单片机104相连，这样单片机104从高精度频率计读入的频率数据和从测温 电路读入的温度数据就可以直接在IXD模块中显示。
权利要求1.一种温度补偿晶体振荡器，包括一个用以产生基准振荡频率信号的压控晶体振荡 器(107)，一个已被编程的单片机(104)，其特征在于还包括一个数字温度传感器(108)， 一个高精度数字频率计(103)，一个6键的键盘(102)，一个校准电压驱动电路单元(105)， 一个桥式驱动电路单元(106)，一个半导体制冷制热器(109)；所述元件中，高精度数字频 率计(103)，温度传感器(108)，键盘(102)并行接入单片机(104)，单片机(104)后分成两 条并行输出支路，一路顺次串接校准电压驱动单元(10 和晶体振荡器(107)；另一路顺 次串接桥式驱动单元(106)和半导体制冷制热器(109)。
2.根据权利要求1所述的温度补偿晶体振荡器，其特征在于校准电压驱动单元(105)中运算放大器Al的同相输入端分成两路，一路通过电阻Rl与PWM方波信号连接，另 一路通过并联电容Cl和C2接地；其反相输入端也分成两路，一路通过电阻R3接地，另一路 通过并联电阻R2和电容C3与其输出端连接，输出端和压控石英晶体振荡器(107)的CRY_ ADJ_1_5端口相连。
3.根据权利要求1或2所述的温度补偿晶体振荡器，其特征在于桥式驱动单元电路(106)中电感U23、U22与C5、C6配合桥式电路构成一个双向的BUCK电路，使桥式电路输出 的PWM电流转化成连续调节的电压供给半导体制冷制热器(109)。
4.根据权利要求3所述的温度补偿晶体振荡器，其特征在于桥式驱动单元电路(106) 中，]\ )3管冊、讥0、讥1、讥2安装散热片。
5.根据权利要求1或2所述的温度补偿晶体振荡器，其特征在于所述半导体制冷制热 器(109)包括金属内胆，在所述金属内胆里面，振荡电路、石英晶体、温度传感器、导热铝板 及半导体制冷片依次紧密排列；保温泡沫将金属内胆包围，在金属内胆外面有露水排放管 穿过保温泡沫；在保温泡沫外面有散热片及风扇。
6.根据权利要求1或2所述的温度补偿晶体振荡器，其特征在于键盘(10 采用轻触 开关，共六个按键，分别与单片机的6个端口相连接。
7.根据权利要求1或2所述的温度补偿晶体振荡器，其特征在于还包括IXD显示模块 (101)，和单片机(104)相连。
专利摘要本实用新型的温度补偿晶体振荡器包括一个用以产生基准振荡频率信号的压控晶体振荡器，一个已被编程的单片机，它还包括一个数字温度传感器，一个高精度数字频率计，一个6键的键盘，一个校准电压驱动电路单元，一个桥式驱动电路单元，一个半导体制冷制热器；所述元件中，高精度数字频率计，温度传感器，键盘并行接入单片机，单片机后分成两条并行输出支路，一路顺次串接校准电压驱动单元和晶体振荡电路；另一路顺次串接桥式驱动单元和半导体制冷制热器。本实用新型通过已编程的单片机能够实现自动调试和校准，保证晶体振荡器输出精确的频率，而且它还具有成本低、功耗小和产品可靠性良好等优点。
文档编号H03B5/04GK201878093SQ20102053214
公开日2011年6月22日 申请日期2010年9月17日 优先权日2010年9月17日
发明者李姗姗, 李青云, 江金光 申请人:武汉大学