专利名称：高频率数字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通信设备中的晶体振荡器，尤其是一种高频率的、具有数字式温度补偿功能的晶体振荡器，属于通信设备技术领域。
背景技术：
通信设备中一般都具有晶体振荡器，由于晶体的振荡频率会随温度的变化而变化，因而，为稳定晶体的振荡频率，人们设计了具有温度补偿功能的温度补偿晶体振荡器。目前的温度补偿晶体振荡器一般为模拟温度补偿晶体振荡器(TCXO)，它包括温度传感器和晶体振荡器，其对晶体要求比较高，对于AT切的晶体，要求温度频差控制在70左右，对晶体生产非常不利；而且采用分段补偿方式，其精度不高，特别是在温度两个极端，变化曲线非常大，采用模拟方法完全补偿是不可能的；另一方面生产非常困难，对热敏电阻和固定电阻的选择比较困难，要经过多次的调整，特别是在晶体不一致的情况下，批量生产合格率就非常低，因此模拟温度补偿晶体振荡器只是用于温度范围比较窄，精度比较低的温度补偿晶体振荡器，一般指标为+/-1 2PPM(0°C 50°C )另外，模拟温度补偿晶体振荡器一般是由主振级和起隔离作用的放大或输出级组成。晶体振荡器的工作频率由晶体谐振器牵引，其频率稳定度与晶体谐振频率温度特性相当。目前，上述温度补偿晶体振荡器，一般工作频率都是在40MHz以下，无法达到现代高速数据通信的频率要求(现代高速数据通信网要求在100M及以上)。因此，能否设计一种新型的晶体振荡器，以克服上述缺陷，成为本领域技术人员亟待解决的技术难题。
实用新型内容为了解决上述技术问题，本实用新型旨在提供一种高频率数字温度补偿晶体振荡器，其能够实现晶体振荡器的高频和宽温补偿，且体积小、精度高。其采用的技术方案如下该高频率数字温度补偿晶体振荡器主要包括晶体振荡器、温度传感器、微处理器和频率合成器，其中所述温度传感器具有A/D转换单元，所述微处理器具有顺次连接的运算单元和D/A转换单元，所述温度传感器设置在所述晶体振荡器附近位置；所述微处理器的输入端与所述温度传感器连接，其输出端与所述晶体振荡器的输入端连接，所述晶体振荡器的输出端与所述频率合成器连接。优选地，所述晶体振荡器为压控晶体振荡器。优选地，所述温度传感器中的A/D转换单元为12位，所述D/A转换单元为12位。优选地，所述温度传感器通过热电偶来探测所述晶体振荡器的工作温度。与现有技术相比，本实用新型具有如下优点1、温度补偿范围广，可达到-40 +85摄氏度；2、晶体振荡器的工作频率范围广，从几百KHz到IOOMHz以上均可；[0014]3、由于温度传感器自带A/D转换能力，使得整体体积减小；4、精度高，可达到0. Ippm ；5、补偿平滑，没有频率跳动；6、降低晶体器件的要求，降低生产成本，批量生产更容易。
图1 本实用新型的高频率数字温度补偿晶体振荡器的结构示意图；图2 本实用新型的高频率数字温度补偿晶体振荡器的程序流程图；图3 未经补偿的AT切晶体谐振器频率-温度特性曲线；图4 频率偏移与压控电压关系对应曲线；图5 压控电压与温度传感器计数值的关系对应曲线。图中1、晶体振荡器；2、温度传感器；3、微处理器；4、频率合成器；5、运算单元； 6、D/A转换单元。
具体实施方式
以下结合附图和实例对本实用新型作进一步说明本实用新型的一个实施例如图1所示，该高频率数字温度补偿晶体振荡器主要包括晶体振荡器1、温度传感器2、微处理器3和频率合成器4，其中温度传感器2具有A/D转换单元，微处理器3具有顺次连接的运算单元5和D/A转换单元6，温度传感器2设置在晶体振荡器1附近位置；微处理器3的输入端与温度传感器2连接，输出端与晶体振荡器1的输入端连接，晶体振荡器1的输出端与频率合成器4连接。晶体振荡器1采用压控晶体振荡器，温度传感器2中的A/D转换单元为12位，D/ A转换单元6为12位，微处理器3还可以带有12位A/D，温度传感器2通过热电偶用以探测晶体振荡器1的工作温度。温度传感器2选用MAXIM公司的DS18B20，其具有较好的线性度(士0. 5% )，测温范围宽(_55°C +125°C )，能够保证补偿精度，也同时提供了测温的精度。微处理器3采用C8051F007，其封装小(LQFP3》，能够满足小型封装的要求；通过程序，使D/A转换为12位，提供了控温的精度。本实施例在电路方面运用的是数字式温度传感器2和微处理器3相结合，温度传感器2可以直接把温度信号转换成电压数字信号输出，基于微处理器3来产生一个数字补偿系统的功能，利用温度传感器2的自带12位A/D功能，把这个数字信号直接输给微处理器3，由运算单元5进行运算，通过微处理器3将运算结果经D/A转换单元6后输出模拟电压信号，通过微处理器外部调节，拉动频率使之达到所需要的值，对其进行存储，得到与其对应的补偿电压量，在另一方面可以通过对微处理器的程序，控制由微处理器运行时产生的量化噪声，并优化计算方法，使频率稳定的达到更好的等级。本实用新型的温度补偿的补偿精度很大程度上和运算单元5中程序的设计有关。 本实用新型补偿运算采用的是七次多项式。七次多项式的系数以常数的形式存在微处理器中。微处理器所要进行的工作就是要对各部分电路的正常工作加以协调。它主要完成以下 3方面的工作读取温度传感值、计算七次多项、输出信号。程序流程如图2所示。[0031]由于以往的方面很难做到工作频率在IOOMHz以上，为了克服这个困难，本实用新型还采用了现在常用的具有低噪声的频率合成技术，振荡器产生的频率Fin进入频率合成器，然后通过内部频率合成后输出，使相位噪声能够达到如下指标lOOMHzilOOHz _125db/HzIOOMHzilKHz _135db/HzIOOMHzilOKHz _140db/Hz下面简要剖析本实用新型的温度补偿原理本实用新型采用温度传感器测量晶体谐振器内部晶片的温度，其使用的晶体谐振器一般为AT切的石英晶体谐振器，其频率-温度特性在宽温度范围内近似一条三次曲线 (如图3所示)，因此可用数字技术来处理温度传感信号并形成控制电压，通过控制电压来控制晶体振荡器内的变容二极管，拉动晶体振荡器的振荡频率从而达到补偿的最终目的。对于AT切晶体谐振器，即对特定的晶体，本实施例得到未经补偿的频率-温度特性曲线，如图3所示。图3中的曲线可以用频率f与温度t之间的函数关系G来表示，记为F = G(T)(1)对晶振进行温度补偿就是要晶振的输出频率随温度的变化量，改善晶体的频率-温度特性，使其在整个温度范围内频率偏移达到最小，即输出一个稳定的频率信号。对本例所述的MCXO而言是使其在-40 +85°C的温度范围内输出稳定的100MHz的信号。由式(4)可得，晶体的频率偏移量 Af = f-fo = G (T) -f ο = H (T)(2)即晶体的频率偏移量与T之间可以用函数关系H来表示，fo是晶体谐振器的标称频率。晶体振荡器频率的改变是通过改变加在与晶体一端相连的变容二极管上的电压称为压控电压V，压控电压V与其引起的晶体输出频率变化量之间存在近似线性的关系，如图4所示。记为Δ f = L (T) (3)由此可知，某一温度下的压控电压V就代表了这个温度下晶体的频率偏移量Af。因此可以得到压控电压V与温度T的关系，记为F。即V = L"1 ( Δ f) = Γ1 [H(T)] =F = G (T) (4)此曲线形状恰似图3中的曲线以水平坐标为轴线的镜像，这也正好说明了加在晶体振荡器上的压控电压对晶体振荡频率随温度的变化起的相反方向的作用，即当温度发生变化时，晶体的振荡频率朝着增大或减小的方向变化，而压控电压的变化均势却是与晶体振荡频率变化趋势相反，这样就拉动晶体振荡的频率，使其向相反的方向变化，这样晶体的振荡频率就无法按照原来的趋势变化。当温度与压控电压两种作用同时加在晶体上，且两种作用对晶体振荡频率的影响相当的时候，就使晶体的振荡频率稳定在标称频率上。在设计系统中，温度信号是通过计数值体现出来的，因晶体温度传感器输出的信号的周期随温度变化有近似线性的性质，所以由传感器调理电路得到的计数值N与温度T 之间存在一一对应的关系，记为N = ρ (T) (5)[0051]因此计数值N就代表了温度传感器所处的环境T，将式(5)中的T用计数值N替换，这样就得到压控电压V与计数值N的关系，记为B，则T = F(T) = F[p_1(N)] = B(N) (6)其曲线如图5所示。只要将图5中的曲线用计算机按拟合出来，即确定压控电压与计数值之间的函数关系，就可以得到任意温度点上所需的压控电压。该高频率数字温度补偿晶体振荡器结构简单、体积小、精度高、功耗小、造价低，开机预热时间短，具有很好的发展前景，在军事、商用、民有等领域都有广泛的市场。上面以举例方式对本实用新型进行了说明，但本实用新型不限于上述具体实施例，凡基于本实用新型所做的任何改动或变型均属于本实用新型要求保护的范围。
权利要求1.一种高频率数字温度补偿晶体振荡器，其特征在于，包括晶体振荡器(1)、温度传感器O)、微处理器C3)和频率合成器G)，其中所述温度传感器( 具有A/D转换单元，所述微处理器C3)具有顺次连接的运算单元( 和D/A转换单元(6)，所述温度传感器(2)设置在所述晶体振荡器(1)附近位置；所述微处理器(3)的输入端与所述温度传感器(2)连接，其输出端与所述晶体振荡器(1)的输入端连接，所述晶体振荡器(1)的输出端与所述频率合成器(4)连接。
2.根据权利要求1所述的高频率数字温度补偿晶体振荡器，其特征在于，所述晶体振荡器(1)为压控晶体振荡器。
3.根据权利要求1所述的高频率数字温度补偿晶体振荡器，其特征在于，所述温度传感器⑵中的A/D转换单元为12位，所述D/A转换单元(6)为12位。
4.根据权利要求1所述的高频率数字温度补偿晶体振荡器，其特征在于，所述温度传感器(2)通过热电偶来探测所述晶体振荡器(1)的工作温度。
专利摘要本实用新型涉及一种通信设备中的晶体振荡器，属于通信设备技术领域，特指一种高频率的、具有数字式温度补偿功能的晶体振荡器，其主要包括自带12位A/D的温度传感器、晶体振荡器、带有12位A/D和D/A的微处理器以及频率合成器，温度传感器输出的数字信号直接输入微处理器，微处理器的D/A输出端与压控晶体振荡器的输入端连接，压控晶体振荡器输出的频率信号经频率合成器输出；其可进行全温度范围的补偿，精度高，工作频率范围广，改善了传统的微机补偿晶体振荡器在体积和精度上存在的不足。
文档编号H03B5/32GK201976070SQ20112001410
公开日2011年9月14日 申请日期2011年1月17日 优先权日2011年1月17日
发明者周慧, 梁伟光, 蒙政先, 高旭 申请人:武汉博畅通信设备有限责任公司