专利名称：一种模数混合温度补偿的晶体振荡电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及晶体振荡器领域，更具体地说是一种模数混合温度补偿的晶体振荡电路。
背景技术：
随着无线通信技术的日新月异，电子系统对时钟基准的温度频率稳定度的要求越来越严格，以石英晶体谐振器为基本元件的时钟基准由于其具有高频率稳定性、高品质因数、低温度漂移特性和低的价格而受到了普遍的应用。
目前常用的对石英晶体谐振器的温度补偿方案主要有两种模拟补偿型和数字补偿型。模拟补偿网络由热敏电阻或阻容元件等温度传感元件组成，当温度变化时不需温度传感器，便可生成补偿电压，将电压加到变容二极管上可对晶振频率进行补偿，模拟式补偿由于受热敏电阻和固定电阻值影响很大，产品在-40° (T85° C的温度范围内频率稳定度只能达到土 f ±2. 5ppm，如今随着电子产品的发展，对晶振的稳定性要求越来越高，稳定度在土 f±2. 5ppm的晶振已经不能满足要求。
数字式补偿，首先将温度信号转换为模拟电压信号，然后对电压信号采样，将其转换为非挥发存储器的寻址信号。非挥发存储器内存取了与补偿电压相对应的数据，通过寻址操作读取到对应的补偿电压，加到变容二极管上就可以实现对晶振频率的补偿。由此可见数字式补偿的电路复杂，需要温度传感器、ADC/DAC，大容量存储器等，但是无论数字式补偿中的存储器容量有多大，也无法对频率进行逐温度点补偿，这就导致补偿电压不连续，不连续的电压导致晶振频率出现相位跳变。
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明旨在提供一种精度高、工作温度范围宽、工艺成本低的温度补偿晶体振荡器。发明内容
针对上述背景中提到的现有的单独进行模拟补偿和数字补偿所存在的缺点，本发明于提供一种精度高、功耗低、集成度高的模数混合温度补偿的晶体振荡电路。
根据本发明实施例的模数混合温度补偿的晶体振荡电路，包括温度传感器，所述温度传感器用于感测环境温度，并将温度信号转化为电压信号同时送给模拟补偿网络和数字补偿网络；所述模拟补偿网络，所述模拟补偿电路根据所述温度传感器提供的所述电压信号产生模拟补偿电压值，并将所述模拟补偿电压值送给晶体谐振器振荡电路，以补偿谐振器的频率；所述数字补偿网络，所述数字补偿电路根据所述温度传感器提供的所述电压信号产生数字补偿电压值，并将所述数字补偿电压值送给所述晶体谐振器振荡电路，以补偿谐振器的频率；以及晶体谐振器振荡电路。
在本发明的一个实施例中，所述模拟补偿网络进一步包括三次项产生及调整电路，所述三次项产生及调整电路用于根据温度传感器提供的电压信号，自动生成与温度成三次且只含有三次项函数关系的三次项补偿电压；以及一次项调整电路，所述一次项调整电路用于根据温度传感器提供的电压信号，自动生成与温度成线性变化的一次项补偿电压。
在本发明的一个实施例中，所述数字补偿网络进一步包括模数转换电路，所述模数转换电路用于将温度传感器提供的电压信号，转换成非易失性存储器的地址信号，并对所述非易失性存储器进行访问；非易失性存储器，所述非易失性存储器用于存储有对应地址的数字补偿电压值，以及数模转换电路，所述数模转换电路用于将访问所述非易失存储器所得到的数字补偿电压值转换为所述数字补偿电压。
在本发明的一个实施例中，所述非易失性存储器为0TP、EEPR0M或flash存储器。
在本发明的一个实施例中，通过改变所述晶体谐振器振荡电路中的变容二极管的值来补偿所述晶体谐振器振荡电路的频率。
在本发明的一个实施例中，还包括第一加法器，所述第一加法器的两个输入端分别与所述三次项产生及调整电路和所述一次项调整电路相连；第二加法器，所述第二加法器的两个输入端分别与所述第一加法器和所述数字补偿网络相连，所述第二加法器的输出端与所述晶体谐振器振荡电路相连。
本发明所述的实施例中，所述各电路集成在同一芯片上。
本发明的模数混合温度补偿的晶体振荡电路至少具有如下有益效果
I、本发明采用模拟补偿和数字补偿相结合的方式使补偿结果较现有的温度补偿晶体振荡器补偿精度高，对模拟补偿网络和数字补偿网络的性能要求降低，补偿信号稳定性好。
2、本发明中经过模拟补偿后数字补偿的范围减小，所以数字补偿网络中的存储器容量较单独进行数字补偿要小很多，系统的集成度更高。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中
图I是本发明的补偿过程原理示意图2是本发明的第一实施例的结构框图；以及
图3是本发明的第二实施例的结构框图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、 “厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底” “内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下” 可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
本发明的补偿网络主要针对AT切型石英晶体谐振器，AT切型的石英晶体谐振器的频率-温度特性可用三次函数来表示，本发明将模拟及数字补偿方式相结合，当温度变化时，通过调整晶体谐振器振荡电路中加到变容二极管的电压值，就可实现晶体频率的调节，调节过程示意图见图1，当环境温度变化时，只要产生与补偿曲线呈相反趋势变化的曲线，就可以反补偿频率的变化，使频率趋向稳定。
根据本发明实施例的模数混合温度补偿的晶体振荡电路，包括温度传感器1，模拟补偿网络2，数字补偿网络3，以及晶体谐振器振荡电路4。
其中，温度传感器I用于感测环境温度，并将温度信号转化为电压信号同时送给模拟补偿网络2和数字补偿网络3。
其中，模拟补偿网络2进一步包括三次项产生及调整电路21和一次项调整电路 22。三次项产生及调整电路21用于根据温度传感器I提供的电压信号，自动生成与温度成三次且只含有三次项函数关系的三次项补偿电压；一次项调整电路22用于根据温度传感器I提供的电压信号，自动生成与温度成线性变化的一次项补偿电压。三次项补偿电压和三次项补偿电压均送给晶体谐振器振荡电路4，以补偿谐振器的频率。
其中，数字补偿网络3进一步包括模数转换电路31，非易失性存储器32，以及数模转换电路33。模数转换电路31将温度传感器提供的电压信号转换成非易失性存储器32 的地址信号，并对非易失性存储器32进行访问；非易失性存储器32存储有对应地址的数字补偿电压值；数模转换电路33用于将访问非易失存储器32所得到的数字补偿电压值转换为数字补偿电压。优选地，非易失性存储器32可为OTP、EEPROM或flash存储器，体积小、集成度高。
在本发明的一个实施例中，补偿电压补偿晶体谐振器振荡电路的频率，是通过改变晶体谐振器振荡电路中的变容二极管的值来补偿晶体谐振器振荡电路的频率来实现的。
在本发明的一个实施例中，还包括第一加法器51，第一加法器51的两个输入端分别与三次项产生及调整电路21和一次项调整电路22相连；以及第二加法器52，第二加法器52的两个输入端分别与第一加法器51和数字补偿网络3相连，第二加法器52的输出端与晶体谐振器振荡电路4相连。通过增加加法器，可以进一步简化晶体谐振器振荡电路中用于补偿频率的电容阵列。
为使本领域技术人员更好地理解本发明，现结合图2和图3做进一步介绍。
本发明的第一实施例如图2所示，主要包括，温度传感器、模拟补偿网络、数字补偿网络和晶体谐振器振荡电路，其中模拟补偿网络中的核心模块是三次项产生及调整电路和一次项调整电路，数字补偿网络中的核心模块包括，数模转换电路、非易失性存储器和数模转换电路，非易失性存储器可以使用OTP、EEPROM或flash存储器。系统工作时，首先由温度传感器感测环境温度，并将温度信号转化为电压信号同时送给模拟补偿网络和数字补偿网络，模拟补偿网络中三次项产生及调整电路根据转换来的电压，自动生成与温度成三次且只含有三次项函数关系的初补偿电压，模拟补偿网络中一次项调整电路根据转换来的电压自动生成与温度成线性变化的电压，将这两部分电压值送给晶体谐振器振荡电路，通过改变其中的变容二极管的值来初补偿谐振器的频率。与此同时，送入到数字补偿网络中随温度变化的电压信号经过模数转换电路转换成非易失性存储器的地址信号，访问非易失性存储器得到存储器中对应地址的数字补偿电压值，再经过数模转换电路转换成模拟电压同样送入到晶体谐振器振荡电路中改变变容二极管的值。
本发明的第二实施例如图3所示，其中，模拟补偿网络由三次项产生及调整电路和一次项调整电路以及加法器I组成，温度传感器将温度信号转换为电压信号同时送给三次项产生及调整电路和一次项调整电路，三次项产生及调整电路输出与温度成三次函数关系的电压信号，一次项调整电路输出与温度成线性关系的电压信号，加法器I将两种电压信号相加从而产生完整的模拟补偿电压信号，与此同时，送入到数字补偿网络中随温度变化的电压信号经过模数转换电路转换成非易失性存储器的地址信号，访问非易失性存储器得到存储器中对应地址的数字补偿电压值，再经过数模转换电路转换成模拟电压输出，加法器2将模拟出补偿电压信号和数字补偿电压信号相加从而产生完整的温度补偿信号，输出给晶体谐振器振荡电路达到补偿频率的目的。第二实施例中较第一实施例中多用了两个加法器，这在实现过程中可以进一步简化晶体谐振器振荡电路中电容阵列的结构。因为AT 切型的石英晶体谐振器的频率-温度特性曲线的系数也会随着切角的不同而不同，所以在图2和图3两种实施方案中模拟补偿网络的三次项系数和一次项系数是可调的，并且能得到正确的补偿曲线，同时根据模拟补偿结果将正确的数字补偿电压写入到非易失性存储器中。
本发明的模数混合温度补偿的晶体振荡电路至少具有如下有益效果
I、本发明采用模拟补偿和数字补偿相结合的方式使补偿结果较现有的温度补偿晶体振荡器补偿精度高，对模拟补偿网络和数字补偿网络的性能要求降低，补偿信号稳定性好。
2、本发明中经过模拟补偿后数字补偿的范围减小，所以数字补偿网络中的存储器容量较单独进行数字补偿要小很多，系统的集成度更高。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特6点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
权利要求
1.一种模数混合温度补偿的晶体振荡电路，其特征在于，包括 温度传感器，所述温度传感器用于感测环境温度，并将温度信号转化为电压信号同时送给模拟补偿网络和数字补偿网络； 所述模拟补偿网络，所述模拟补偿电路根据所述温度传感器提供的所述电压信号产生模拟补偿电压值，并将所述模拟补偿电压值送给晶体谐振器振荡电路，以补偿谐振器的频率； 所述数字补偿网络，所述数字补偿电路根据所述温度传感器提供的所述电压信号产生数字补偿电压值，并将所述数字补偿电压值送给所述晶体谐振器振荡电路，以补偿谐振器的频率；以及 晶体谐振器振荡电路。
2.如权利要求I所述的模数混合温度补偿的晶体振荡电路，其特征在于，所述模拟补偿网络进一步包括 三次项产生及调整电路，所述三次项产生及调整电路用于根据温度传感器提供的电压信号，自动生成与温度成三次且只含有三次项函数关系的三次项补偿电压；以及 一次项调整电路，所述一次项调整电路用于根据温度传感器提供的电压信号，自动生成与温度成线性变化的一次项补偿电压。
3.如权利要求I和2所述的模数混合温度补偿的晶体振荡电路，其特征在于，所述数字补偿网络进一步包括 模数转换电路，所述模数转换电路用于将温度传感器提供的电压信号，转换成非易失性存储器的地址信号，并对所述非易失性存储器进行访问； 非易失性存储器，所述非易失性存储器用于存储有对应地址的数字补偿电压值，以及数模转换电路，所述数模转换电路用于将访问所述非易失存储器所得到的数字补偿电压值转换为所述数字补偿电压。
4.如权利要求4所述的模数混合温度补偿的晶体振荡电路，其特征在于，所述非易失性存储器为OTP、EEPROM或flash存储器。
5.如权利要求1-4所述的模数混合温度补偿的晶体振荡电路，其特征在于，通过改变所述晶体谐振器振荡电路中的变容二极管的值来补偿所述晶体谐振器振荡电路的频率。
6.如权利要求1-4所述的模数混合温度补偿的晶体振荡电路，其特征在于，还包括 第一加法器，所述第一加法器的两个输入端分别与所述三次项产生及调整电路和所述一次项调整电路相连； 第二加法器，所述第二加法器的两个输入端分别与所述第一加法器和所述数字补偿网络相连，所述第二加法器的输出端与所述晶体谐振器振荡电路相连。
7.根据权利要求I所述的模数混合晶体振荡器电路，其特征在于，所述各电路集成在同一芯片上。
全文摘要
本发明提出一种模数混合温度补偿的晶体振荡电路，包括温度传感器，温度传感器用于感测环境温度，并将温度信号转化为电压信号同时送给模拟补偿网络和数字补偿网络；模拟补偿网络，模拟补偿电路根据温度传感器提供的电压信号产生模拟补偿电压值，并将模拟补偿电压值送给晶体谐振器振荡电路，以补偿谐振器的频率；数字补偿网络，数字补偿电路根据温度传感器提供的电压信号产生数字补偿电压值，并将数字补偿电压值送给晶体谐振器振荡电路，以补偿谐振器的频率；以及晶体谐振器振荡电路。本发明具有精度高、功耗低、集成度高的优点。
文档编号H03B5/04GK102931916SQ20121046156
公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月15日 优先权日2012年11月15日
发明者潘立阳, 伍冬, 李树龙, 王立业 申请人:清华大学