一种晶体振荡器自动温度补偿系统的制作方法

本发明属于晶体振荡器技术领域，更为具体地讲，涉及一种晶体振荡器自动温度补偿系统。

背景技术：

晶体振荡器(Temperature Compensate Xtal(crystal)Oscillator，TCXO)广泛应用于电子信息领域的产业，在电子系统里起着“心脏”的作用。近年来通信、电子仪器、航空航天、国防军工等技术的发展对晶体振荡器的准确度和稳定度提出越来越高的要求。

一般的晶体振荡器随着环境温度的变化，其输出频率会出现漂移，用温度-频率特性表示，可以近似为一个三次曲线，即为：

f(T)＝a₃(T-T₀)³+a₁(T-T₀)+a₀ (1)

其中，a₃是三次系数项，a₁是一次系数项，a₀是T₀时的振荡频率，T₀是参考温度。

对于常用的压控振荡器(Voltage Controlled Xtal(crystal)Oscillator，VCXO)的线性增益特性可以近似表述如下：

f(VC)＝-G(VC-VC₀)+f₀ (2)

其中，G是VCXO的增益，VC是VCXO的控制电压，VC₀是VCXO的压控端的输入电压，f₀是输入为VC₀时的振荡频率。

那么，作为补偿晶振温度特性的电压VC(T)的方程式可以表述为：

VC(T)＝A₃(T-T₀)³+A₁(T-T₀)+A₀ (3)

此时，A₃＝a₃/G，A₁＝a₁/G，A₀是温度为T₀时的补偿电压。通常定义根据这种变化绘制的曲线为频率-温度特性曲线。图1是频率-温度特性曲线示例图。

为了改善晶体振荡器的频率温度漂移特性，人们采用了很多办法。现在常用的办法几乎都是基于应用温度传感器来构建的开环补偿电路，将在不同的温度点下晶体振荡器的温度频率变化，转换为相应的电压，加载到振荡器的负载变容二极管上，以便于将振荡器的输出频率稳定在固定值，通常命名此时的加载电压为补偿电压。图2是基于开环方式的晶体振荡器温度补偿系统结构图。如图2所示，基于开环方式的晶体振荡器温度补偿系统中，通过温度传感器采集环境温度，再计算所需的补偿电压，得到温度-补偿电压的对应数据，最后利用算法拟合成一个带有高次分量的温度补偿曲线，达到温度补偿的目的。

这种开环补偿方式在频率的输出过程中存在明显的温度迟滞现象，而且补偿曲线的采样点是有限的，补偿电压随温度变化的曲线是通过函数的插值来填充，会出现实际的补偿电压与所需补偿电压不完全一致的情况，这就会造成输出频率曲线的不稳定和小幅度的晃动。而在计算过程中，现有系统的补偿电压可以通过插值函数的改善补偿电压；当然也可以采用傅立叶函数等方式，提高补偿曲线多项式函数的阶数，使拟合曲线更接近实际曲线。但是，由于计算过程比较复杂，不可避免的存在延迟，使得补偿电压的实时性受到影响，从而影响到温度补偿晶体振荡器的补偿精度。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种晶体振荡器自动温度补偿系统，解决温度迟滞问题，从而提高晶体振荡器自动温度补偿的实时性与精确性。

为实现上述发明目的，本发明晶体振荡器温度补偿系统包括高低温试验箱、频率计、直流稳压电源、可编程直流稳压电源和上位机，其中：

高低温实验箱内部放置待补偿压控晶体振荡器，高低温实验箱按照上位机的温度调节指令调节其温度；

频率计测量待补偿压控晶体振荡器的输出频率，发送给上位机；

直流稳压电源向待补偿压控晶体振荡器提供电源电压V_CC；

可编程直流稳压电源用于给待补偿压控晶体振荡器提供控制电压，可编程直流稳压电源在接收到上位机的复位信号时，其控制电压为标称控制电压V₀；在接收到上位机的控制电压调节指令时，对控制电压进行调节；在接收到上位机的查询指令后，向上位机上传当前的控制电压V(T)；

上位机根据待补偿压控晶体振荡器工作环境温度范围[T_min,T_max]向高低温实验箱发送温度调节指令，依次从最低温度T_min调节至最高温度T_max；上位机在每次发送温度调节指令同时，向可编程直流稳压电源发送复位指令，使控制电压恢复至V₀；上位机接收频率计上传的输出频率，计算与待补偿压控晶体振荡器的目标频率f₀的频率偏差Δf(T)＝f(T)-f₀并记录，然后向可编程直流稳压电源发送控制电压调节指令，监测频率计发送的输出频率，当频率计上传的输出频率等于目标频率f₀时，向可编程直流稳压电源发送查询指令，记录可编程直流稳压电源回复的控制电压V(T)，计算并记录当前对应的补偿电压ΔV(T)＝V(T)-V₀，V₀表示标称控制电压；上位机将温度范围[T_min,T_max]内的所有频率偏差Δf(T)和补偿电压ΔV(T)整合得到频率偏差-补偿电压数据表，并将其存储至待补偿压控晶体振荡器的补偿电压生成装置。

本发明晶体振荡器温度补偿系统，包括高低温试验箱、频率计、直流稳压电源、可编程直流稳压电源、上位机，高低温实验箱内部放置待补偿压控晶体振荡器，频率计测量待补偿压控晶体振荡器的输出频率，直流稳压电源向待补偿压控晶体振荡器提供电源电压，上位机控制高低温实验箱进行温度调节，在当前温度下控制可编程直流稳压电压向待补偿压控晶体振荡器提供适当电压使补偿电压待补偿压控晶体振荡器的输出频率等于目标频率，从而获取不同温度下对应的频率偏差和补偿电压，得到频率偏差-补偿电压数据表并将其存储至压控晶体振荡器的补偿电压生成装置，从而实现对压控晶体振荡器的自动温度补偿控制。

本发明与现有的基于开环方式的晶体振荡器温度补偿系统相比，具有以下技术优点：

1)不需要使用温度传感器，有效改善了产生补偿电压改变输出频率过程中迟滞的现象，更容易实现实时高精度补偿，；

2)采用的是闭环反馈补偿构架方式,频率偏差-补偿电压数据表是直接采集出来的，从原理上减小了补偿电压的误差，使输出频率在更宽的温度范围内，更稳定更精确。

附图说明

图1是频率-温度特性曲线示例图；

图2是基于开环方式的晶体振荡器温度补偿系统结构图；

图3是本发明晶体振荡器温度补偿系统的结构图；

图4是本实施例中补偿电压生成装置结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图3是本发明晶体振荡器温度补偿系统的结构图。如图3所示，本发明晶体振荡器温度补偿系统包括高低温试验箱1、频率计2、直流稳压电源3、可编程直流稳压电源4、上位机5。

高低温实验箱1内部放置待补偿压控晶体振荡器，高低温实验箱1按照上位机5的温度调节指令调节其温度。

频率计2用于对待补偿压控晶体振荡器的输出频率进行实时监测，测量待补偿压控晶体振荡器的输出频率，发送给上位机5。

直流稳压电源3向待补偿压控晶体振荡器提供电源电压V_CC。

可编程直流稳压电源4用于给待补偿压控晶体振荡器提供控制电压，可编程直流稳压电源4在接收到上位机5的复位信号时，其控制电压为标称控制电压V₀；在接收到上位机5的控制电压调节指令时，对控制电压进行调节；在接收到上位机5的查询指令后，向上位机5上传当前的控制电压V(T)。

上位机5根据待补偿压控晶体振荡器工作环境温度范围[T_min,T_max]向高低温实验箱1发送温度调节指令，依次从最低温度T_min调节至最高温度T_max；上位机5在每次发送温度调节指令同时，向可编程直流稳压电源4发送复位指令，使控制电压恢复至V₀；上位机5接收频率计2上传的输出频率，计算与待补偿压控晶体振荡器的目标频率f₀的频率偏差Δf(T)＝f(T)-f₀并记录，然后向可编程直流稳压电源4发送控制电压调节指令，监测频率计2发送的输出频率，当频率计2上传的输出频率等于目标频率f₀时，向可编程直流稳压电源4发送查询指令，记录可编程直流稳压电源4回复的控制电压V(T)，计算并记录当前对应的补偿电压ΔV(T)＝V(T)-V₀，V₀表示标称控制电压；上位机5将温度范围[T_min,T_max]内的所有频率偏差Δf(T)和补偿电压ΔV(T)整合得到频率偏差-补偿电压数据表，存储至待补偿压控晶体振荡器的补偿电压生成装置。

本发明晶体振荡器温度补偿系统的工作流程可以概括如下：先对高低温实验箱1进行温度设置，然后在待补偿压控晶体振荡器的控制电压为标称控制电压V₀的情况下，得到当前温度下频率偏差Δf(T)，然后通过控制可编程直流稳压电源4调节控制电压，使待补偿压控晶体振荡器的输出频率为目标频率f₀，即频率偏差为0，记录此时控制电压偏差，即为补偿电压。从而通过闭环反馈回路来得到需要补偿的频率偏差Δf(T)和对应补偿电压ΔV(T)，通过不断改变温度，得到一个频率偏差-补偿电压相互对应的数据表，以此作为压控晶体振荡器实际应用过程中的补偿依据。

图4是本实施例中补偿电压生成装置结构图。如图4所示，本实施例中压控晶体振荡器的补偿电压生成装置包括频率偏差计算模块、频率-电压转换模块和滤波器。频率偏差计算模块用于计算频率偏差。频率偏差计算模块具有两个工作状态：监测状态和补偿状态，在监测状态下，当频率偏差绝对值大于δ时，频率偏差计算模块向频率-电压转换模块发送复位信号，然后转换至补偿状态，否则不作任何操作。在补偿状态下，直接将频率偏差发送给频率-电压转换模块，然后转换至监测状态。频率-电压转换模块用于生成补偿电压，当接收到复位信号时，则令补偿电压为0，当接收到频率偏差时，则在频率偏差-补偿电压数据表中查找得到对应的补偿电压，然后生成补偿电压信号。滤波器对补偿电压信号进行滤波，得到最终的补偿电压信号。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。