专利名称：基准振荡器的温度补偿方法
技术领域：
本发明一般涉及温度补偿，详细涉及晶体振荡电路中的温度补偿方法。
众所周知在无线电频率(RF)振荡器电路中使用压电晶体是为了提供精确的稳定的RF能量源。这种类型的电路用在很多电子电路中，通常在所有类型的电视，收音机，蜂窝电话，手表和其它电子设备中都有该电路。
采用压电晶体的一个问题是当晶体温度高于或低于其静态温度时保持振荡器频率稳定。晶体振荡器通常用于提供高度的稳定性。当这种稳定性由于晶体温度的变化或晶体特征曲线或几何形态发生一系列变化而有所下降时，将很大地抵消使用晶体振荡器的很多好处。
关于在RF振荡器电路中使用的振荡器，采用了传统的温度补偿方法以确保振荡器和无线电路满足一个温度对频率性能规范。正如本技术领域大家所熟知的那样。传统的方法是电气地调节压电晶体的共振频率以匹配由于温度变化引起的晶体的机械的或几何特征曲线的变化。通常是通过产生一个可用于控制由于量化的温度变化而引起的频率变化的程度或数量的变化晶体频率特征曲线的反曲线来实现的。以前的温度补偿的方法采用了通过两次乘以线性变化的电压来产生三次定律温度电压(cubic law temperature voltage)的电路，但这种系统非常复杂而且不能充分地或者说简单地被调节以适合补偿每个特定的晶体振荡器所要求的电压对温度的曲线。
例如，一个“AT”切割晶体，一般是温度降低时频率增大，温度升高时频率减小。由于这种晶体的这种特性，晶体制造商可以在合理范围内提供晶体共振是如何随温度的变化而变化的信息。这样，就可以由温度对频率的数据产生反曲线用在补偿方法的应用中。
如
图1所示，该信息用于补偿系统10中将串行的或并行的电抗13加给晶体15。在这个应用中，电压可变电容器13由控制电压11来控制。通过改变晶体的振动电压，这就产生在反共振模式下操作晶体15的效果，从而移动或弯曲晶体频率，使之在给定温度下也不再以静态频率共振。这种方法的困难在于晶体制造商必须给用户指明晶体频率对温度的特征曲线。通常是通过使用一些类型的条形码(bar code)来传达给用户，该条形码中编码了一系列用来定义给定温度下晶体特征曲线的多项式方程。
在大多数振荡器中，AT切割晶体通常有一个三次的频率对温度的特征曲线，在大约28摄氏度时有一个拐点。对单个AT切割晶体的确切的频率对温度的特征曲线而言，由于晶体的制造方法不同而有很大的变化。这样，为了精确地补偿使用AT切割晶体的振荡器，用于电抗的电压应有一个与使用的特定晶体非常相似的温度变化。
一旦知道了晶体的特征曲线，有一些方法可以将晶体弯曲(Warp)为所需频率。这些技术的范围从简单的在振荡器电路中加入串行或并行的电容器以近似正确的频率变化的猜测型方法到复杂的反向Beckman补偿技术。这种技术采用一种复杂的算法产生一个三次的晶体特征曲线的估计。之后采用查找数据表或类似方法生成一个晶体特征曲线的镜像用于抵消晶体温度变化引起的频率变化。
正如在美国专利3，970，966和4，254，382(该专利被引用至此作为参考)中描述的那样，另外一种部分补偿AT切割晶体振荡器的常用方法是采用热和冷温度范围网络，当高于或低于这两个预先确定的温度时使控制电压产生非线性温度变化，而在中等温度范围内使用一个恒定控制电压。而且，在晶体振荡器电路中还使用热敏电容器以使在中等温度范围内存在的晶体基本线性频率对温度变化的影响最小化。这种电路仅仅部分地补偿共振晶体。它们也不适于晶体工作在振荡器的“谐波”模式下的应用，因为在谐波模式下热敏电容器通常不能充分补偿中等温度范围内的线性变化。
一个类似的方法，公开在美国专利3，970，966中。它不使用热敏电容器并产生一些更精确的结果，这种方法使用一个电路在中等温度范围内产生一个基本线性的电压温度变化并包括一个拐点，而在热和冷温度范围内产生一个基本非线性的电压对温度的变化。每个温度范围电路包括一个热敏电阻和一个用于控制工作范围和每个电路的温度变化大小的晶体管。虽然这种方法适合于很多应用，但它不适于用在那些在很大的温度变化范围内要求更精确的温度稳定性的更高要求的应用中。
因此，现有方法需要三个电流发生器使用下面的步骤提供充分的温度补偿1)顺时针方向(CW)旋转热频率/温度响应使热响应成为线性频率/温度响应的扩展。
2)顺时针方向(CW)旋转冷频率/温度响应，使冷响应成为线性冷频率/温度响应的扩展。
3)反时针方向旋转作为温度的函数的组合曲线(线性的，热的和冷的)以获得零斜率。
为了完成这个任务，需要以前的晶体频率对温度的性能数据和一个控制电路，该电路基于温度产生一个电路参数如电流或电压，它是原来晶体频率对温度的特征曲线的镜像。
简而言之，所有现有技术都要求晶体制造商确定每个晶体的工作特征曲线并以一些方式传达给用户。这就导致必须对很多的晶体类型、容许量和频率进行排序以用于所需的频率补偿的类型。正如我们可以料想到的那样，这很麻烦很费时间，它最终导致生产量的降低和生产成本的增大，因为在生产中选择和调谐晶体需要额外的技术人员。因此，需要提供一种在振荡器制造过程中容易实现的压电晶体，温度补偿方法简单地补偿晶体在高温和低温的频率变化，而不需要晶体制造商提供的重新计算的晶体温度-频率变化信息。
图1是现有技术框图，示出了补偿晶体频率的传统方法。
图2是一个表示三个典型的AT切割晶体的频率对温度的特征曲线的图。
图3表示在基准晶体中应用电抗并围绕拐点旋转工作参数引起的△F对△T基准晶体特征曲线的变化。
图4表示在改变应用于可变电抗的控制电压之后的△F对△T基准晶体特征曲线。
图5是描述依照本发明首选方法的基准振荡器温度补偿方法的流程图。
现在参看图2，以图的形式示出了三个不同的未补偿的AT切割晶体的三个频率对温度曲线120，122，124，126，128。座标图100示出了以频率对温度的形式画出的曲线。每个曲线都有一个总体上为三次(三阶)形状包括一个非线性部分在冷温度范围(大约-40摄氏度)有一个斜率极性变化，一个线性部分在中等温度范围(+10℃到+50℃)在130处有一个拐点，一个非线性部分在高温度范围(大约+50℃到+95℃)有另外一次斜率极性变化。斜率极性的变化定义为从正斜率变化为负斜率，或反之。
曲线120，122，124，126和128在同一点130大约28摄氏度时都有一个拐点，这是所有的AT切割晶体的特点。这些曲线在这个温度斜率极性发生各自的变化，这一点区别很小，但它们的线性中等范围部分的斜率的大小却相差很大。这样，从图2可以看出AT切割晶体会有差别很大的频率对温度的特征曲线。因此，现有的补偿方法可以被调整以便为具有类似于图2中任何一条曲线的特征曲线的晶体提供温度补偿。
图3表示一个典型的AT切割晶体的特征，示出了一条曲线201表示△F(频率变化量)对△T(温度变化量)。从曲线201可以看到，曲线的末端即中等或通常温度范围之外的部分将超出标为+1/-TOL的预先确定的容许量的范围。这样，当在容许范围之外工作时，基准振荡器的频率将会移动到预定参数例如+/-百万分之2.5(+/-2.5PPM)之外。
依照图5中所示的基准振荡器温度补偿方法400，基准振荡器一般工作在正常温度范围401其中晶体温度是确定的403。正如本技术领域普通技术人员所知的那样，用基准晶体的工作温度可以以多种方式确定拐点参数405，该参数将确定一个拐点130。这样，为了在更大的温度范围内实现更高程度的频率稳定性，改变基准晶体的频率曲线411。
这个功能是通过使用407中生成并在409中连接到基准振荡器的控制电压来实现的。如图2所示，控制电压用于控制和调节可变电抗。可变电抗以串行或并行方式连接到基准晶体。可变电抗一般是一个电压可变的电容器或类似的东西以串行或并行方式与基准晶体相连。
如图3所示，围绕拐点130旋转曲线201’使曲线的线性部分与△T轴基本平行。在这种条件下，可以容许更大的温度变化从而消除基准振荡器频率变化的大的变化，曲线201’的最末端除外。曲线201’外部的边201a和201b超出了热和冷温度范围的最大工作边缘。从曲线201’可以看到，这些范围扩展到基准振荡器的可接受频率容许限制范围之外。
在基准振荡器工作期间，基准晶体的工作温度以预定的时间间隔进行测量413。确定基准晶体的工作温度是否高于或低于一个预先确定的容许量阈值。也就是说，晶体的工作温度是否在正常温度范围之外。如果不在正常范围之外，控制电压继续应用于基准晶体，基准振荡器以正常方式工作。如果基准晶体的工作温度在正常工作范围之外，在热或冷温度带，控制电压被改变或变化417以改变可变电抗的值。
注意在图3中只有顶点(转折点)超出了设定的+/-容许范围。进一步来说，如果按反时针方向旋转整个曲线，使顶点落在设定的限制范围内而曲线的末端点将超出设定的范围。晶体拐点(即穿过0 PPM轴)左边的曲线部分的温度低于拐变温度，而晶体拐点右边的曲线部分是高于拐变温度。低温下的频率增大直至到达转折点再从该点开始频率开始降低。本技术领域的熟练技术人员将认识到转折点左边的响应的轨迹是转折点右边线性响应的负数。这意味着如果曲线的线性部分旋转为0斜率，并且斜率的位置被存储在存储器中，振荡器电路的正确校正成为可能。因此，为了在冷转折点左边保持频率恒定线性修正减去一个与原线性响应相等的量。当温度高于拐点时，所用的概念相同。
控制器(未示出)中的软件处理测得的温度并将当前温度与两个阈值比较。这些阈值大致与冷和热转折点对应。对于AT切割晶体，这些点的位置由于实际的切割不同而不同，在实践中变化范围很大。但是，如果选择线性区域使转折点接近线性区域的末端但又总在线性区域中，那么作为算法目的，在提早进行反斜率修正时只会有一些小的错误。制造处理将设定阈值的线性反转值。这些值根据原来的线性斜率来计算并设计为在低于容许量限制的一个点恢复线性响应。
如上所述，可变电抗一般是一个电压可变电容器，它的控制电压可以调节以改变该设备的电容量。从图4可以看到，这允许曲线201’以按顺时针方向围绕它的拐点旋转。这导致扩展到频率容许量之外的曲线的热和/或冷温度末端回到容许阈值之内。这允许基准晶体的频率变化一个预定的量，维持基准振荡器的一个频率容许标准。
在本发明的首选实施例中，工厂调谐算法以独特的方式完成下面的步骤以设定存储在基准振荡器补偿电路(未示出)和主控制器(未示出)中的补偿变量，其中主控制器在接到要求时使用该值更新电路1)大约在25摄氏度确定补偿电路拐点包括以下步骤a)设定拐变值为最大的冷温度对应的值。线性区域的补偿设定为存储器中存储的相应的频率点的最小和最大值。
b)设定拐变值为最大热温度对应的值，线性区域补偿设定为存储在存储器中的相应的频率点的最小和最大值。
c)确定由四个定义装入补偿电路的补偿拐变温度的最小/最大频率点确定的两条线的交叉点。补偿器拐点被假定为25摄氏度但计算结果大致为28摄氏度。
2)将统计得出的用于线性补偿的值载入一个补偿电路。这些值表示晶体角度的平均值。
3)将基准振荡器电路“弯曲”为合适的频率并验证通过注意最小弯曲值和最大弯曲值之间的值来补偿的能力。
4)按预定的时间加热基准振荡器一小会儿并注意频率变化。这个变化将由这个数据的后续处理记录和利用以计算阈值。
5)修改线性补偿值以设定零频率错误。这样振荡器被线性补偿。
6)使用主控制器存储线性的阈值补偿值。
这样，本发明的首选实施例一般利用一个生成器，除了它的切割例如AT切割和其频率对温度的斜率限制例如它的角度外不用其它关于晶体的先验知识，该生成器可以在超出限制的温度范围的情况下高效地工作以实现三个生成器方法的功能。而且，可以开发工厂可实现的基准振荡器调谐算法确定补偿设备的拐点。然后，测量电路及其晶体的线性的频率对温度的值。然后进行适当的设备设定以补偿线性频率对温度的变化。最后，计算修正热和冷响应所必须的“反转”修正值。
我们已经讲述和描述了本发明的首选实施例，但是显然本发明不限于此。正如在所附的权利说明书中所定义的那样，在不背离本发明的精神和范围的条件下还对本技术领域的那些技术进行很多的修改，改变，变化，替换和等价操作。
权利要求
1．一种用于调节无线电频率(RF)晶体振荡器中工作在预定温度范围内或预定温度范围外的基准晶体的频率的温度补偿方法，包括以下步骤在预定温度范围内操作RF晶体振荡器；根据最大工作温度变化的最小工作频率变化确定基准晶体的拐变参数。通过在基准晶体中使用电抗改变拐变参数使基准晶体在更大的频率范围内保持更好的频率稳定性；当基准晶体的工作温度在预定频率范围之外时改变电抗的值以使基准晶体的工作频率保持在预定的容许范围内。
2．权利要求1中所定义的温度补偿方法，其中的电容是一个电压可变电容器。
3．权利要求2中所定义的温度补偿方法，其中改变电容值的步骤包括改变电压可变电容器的电压以改变连接到基准晶体的电容。
4．一种基准振荡器温度补偿的方法用于改变用在可作用在预定的低、正常或高温度范围内的基准振荡器中的基准晶体的工作频率，包括以下步骤在正常温度范围内操作至少包含有一个工作晶体的基准振荡器；确定该晶体的拐变参数，该晶体在工作晶体温度变化时产生有限的频率变化。根据拐变参数对基准振荡器中的电压可变电抗采用控制电压改变该晶体的工作特征曲线以使基准振荡器在正常温度范围内在相当大的频率范围内保持频率的稳定性；当该晶体的工作温度升高到预定的高温度范围或下降到预定的低温度范围时改变电压可变电抗的控制电压以限制基准振荡器的补偿并保持该晶体在预定的频率容许范围内。
5．一种补偿用在可工作在冷、中等或热温度范围内的基准振荡器中的频率确定晶体的方法，包括以下步骤在频率确定晶体上连接一个电压可变电抗响应该电抗的控制电压，改变基准振荡器的频率；根据电压对温度的特征曲线产生一个控制电压，其中特征曲线在中等温度范围内是基本线性变化。当在冷或热温度范围内时改变控制电压的大小使基准振荡器的工作频率保持在预定的频率容许范围内；将控制电压连接到电抗使基准振荡器在冷、中等和热温度范围内保持一个基本不变的频率。
全文摘要
一种基准振荡器的温度补偿方法,除了具体的晶体分割和晶体的频率对温度的斜率限制外不需要其它有关晶体的先验知识。这样,这个斜率角度可有效地用在限定的温度范围内以完成典型的三个生成器晶体温度补偿方法的功能。可以开发工厂可实现的基准振荡器调谐算法来确定补偿设备的拐点。然后,测量电路及其晶体的线性的频率对温度的关系。之后进行正确地设备设定为线性频率对温度变化进行补偿。最后,计算修正冷和热响应所必须的“反转”修正。
文档编号H03B5/04GK1283893SQ9911750
公开日2001年2月14日 申请日期1999年8月6日 优先权日1999年8月6日
发明者克莱德·O·托德, 塔尼·V·迪, 弗兰克·A·波贾里, 小杰里·T·波顿 申请人:摩托罗拉公司