專利名稱：高頻率數(shù)字溫度補償晶體振蕩器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種通信設(shè)備中的晶體振蕩器，尤其是一種高頻率的、具有數(shù)字式溫度補償功能的晶體振蕩器，屬于通信設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
通信設(shè)備中一般都具有晶體振蕩器，由于晶體的振蕩頻率會隨溫度的變化而變化，因而，為穩(wěn)定晶體的振蕩頻率，人們設(shè)計了具有溫度補償功能的溫度補償晶體振蕩器。目前的溫度補償晶體振蕩器一般為模擬溫度補償晶體振蕩器(TCXO)，它包括溫度傳感器和晶體振蕩器，其對晶體要求比較高，對于AT切的晶體，要求溫度頻差控制在70左右，對晶體生產(chǎn)非常不利；而且采用分段補償方式，其精度不高，特別是在溫度兩個極端，變化曲線非常大，采用模擬方法完全補償是不可能的；另一方面生產(chǎn)非常困難，對熱敏電阻和固定電阻的選擇比較困難，要經(jīng)過多次的調(diào)整，特別是在晶體不一致的情況下，批量生產(chǎn)合格率就非常低，因此模擬溫度補償晶體振蕩器只是用于溫度范圍比較窄，精度比較低的溫度補償晶體振蕩器，一般指標為+/-1 2PPM(0°C 50°C )另外，模擬溫度補償晶體振蕩器一般是由主振級和起隔離作用的放大或輸出級組成。晶體振蕩器的工作頻率由晶體諧振器牽引，其頻率穩(wěn)定度與晶體諧振頻率溫度特性相當。目前，上述溫度補償晶體振蕩器，一般工作頻率都是在40MHz以下，無法達到現(xiàn)代高速數(shù)據(jù)通信的頻率要求(現(xiàn)代高速數(shù)據(jù)通信網(wǎng)要求在100M及以上)。因此，能否設(shè)計一種新型的晶體振蕩器，以克服上述缺陷，成為本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的技術(shù)難題。

實用新型內(nèi)容為了解決上述技術(shù)問題，本實用新型旨在提供一種高頻率數(shù)字溫度補償晶體振蕩器，其能夠?qū)崿F(xiàn)晶體振蕩器的高頻和寬溫補償，且體積小、精度高。其采用的技術(shù)方案如下該高頻率數(shù)字溫度補償晶體振蕩器主要包括晶體振蕩器、溫度傳感器、微處理器和頻率合成器，其中所述溫度傳感器具有A/D轉(zhuǎn)換單元，所述微處理器具有順次連接的運算單元和D/A轉(zhuǎn)換單元，所述溫度傳感器設(shè)置在所述晶體振蕩器附近位置；所述微處理器的輸入端與所述溫度傳感器連接，其輸出端與所述晶體振蕩器的輸入端連接，所述晶體振蕩器的輸出端與所述頻率合成器連接。優(yōu)選地，所述晶體振蕩器為壓控晶體振蕩器。優(yōu)選地，所述溫度傳感器中的A/D轉(zhuǎn)換單元為12位，所述D/A轉(zhuǎn)換單元為12位。優(yōu)選地，所述溫度傳感器通過熱電偶來探測所述晶體振蕩器的工作溫度。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有如下優(yōu)點1、溫度補償范圍廣，可達到-40 +85攝氏度；2、晶體振蕩器的工作頻率范圍廣，從幾百KHz到IOOMHz以上均可；[0014]3、由于溫度傳感器自帶A/D轉(zhuǎn)換能力，使得整體體積減小；4、精度高，可達到0. Ippm ；5、補償平滑，沒有頻率跳動；6、降低晶體器件的要求，降低生產(chǎn)成本，批量生產(chǎn)更容易。
圖1 本實用新型的高頻率數(shù)字溫度補償晶體振蕩器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2 本實用新型的高頻率數(shù)字溫度補償晶體振蕩器的程序流程圖；圖3 未經(jīng)補償?shù)腁T切晶體諧振器頻率-溫度特性曲線；圖4 頻率偏移與壓控電壓關(guān)系對應(yīng)曲線；圖5 壓控電壓與溫度傳感器計數(shù)值的關(guān)系對應(yīng)曲線。圖中1、晶體振蕩器；2、溫度傳感器；3、微處理器；4、頻率合成器；5、運算單元； 6、D/A轉(zhuǎn)換單元。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實例對本實用新型作進一步說明本實用新型的一個實施例如圖1所示，該高頻率數(shù)字溫度補償晶體振蕩器主要包括晶體振蕩器1、溫度傳感器2、微處理器3和頻率合成器4，其中溫度傳感器2具有A/D轉(zhuǎn)換單元，微處理器3具有順次連接的運算單元5和D/A轉(zhuǎn)換單元6，溫度傳感器2設(shè)置在晶體振蕩器1附近位置；微處理器3的輸入端與溫度傳感器2連接，輸出端與晶體振蕩器1的輸入端連接，晶體振蕩器1的輸出端與頻率合成器4連接。晶體振蕩器1采用壓控晶體振蕩器，溫度傳感器2中的A/D轉(zhuǎn)換單元為12位，D/ A轉(zhuǎn)換單元6為12位，微處理器3還可以帶有12位A/D，溫度傳感器2通過熱電偶用以探測晶體振蕩器1的工作溫度。溫度傳感器2選用MAXIM公司的DS18B20，其具有較好的線性度(士0. 5% )，測溫范圍寬(_55°C +125°C )，能夠保證補償精度，也同時提供了測溫的精度。微處理器3采用C8051F007，其封裝小(LQFP3》，能夠滿足小型封裝的要求；通過程序，使D/A轉(zhuǎn)換為12位，提供了控溫的精度。本實施例在電路方面運用的是數(shù)字式溫度傳感器2和微處理器3相結(jié)合，溫度傳感器2可以直接把溫度信號轉(zhuǎn)換成電壓數(shù)字信號輸出，基于微處理器3來產(chǎn)生一個數(shù)字補償系統(tǒng)的功能，利用溫度傳感器2的自帶12位A/D功能，把這個數(shù)字信號直接輸給微處理器3，由運算單元5進行運算，通過微處理器3將運算結(jié)果經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換單元6后輸出模擬電壓信號，通過微處理器外部調(diào)節(jié)，拉動頻率使之達到所需要的值，對其進行存儲，得到與其對應(yīng)的補償電壓量，在另一方面可以通過對微處理器的程序，控制由微處理器運行時產(chǎn)生的量化噪聲，并優(yōu)化計算方法，使頻率穩(wěn)定的達到更好的等級。本實用新型的溫度補償?shù)难a償精度很大程度上和運算單元5中程序的設(shè)計有關(guān)。 本實用新型補償運算采用的是七次多項式。七次多項式的系數(shù)以常數(shù)的形式存在微處理器中。微處理器所要進行的工作就是要對各部分電路的正常工作加以協(xié)調(diào)。它主要完成以下 3方面的工作讀取溫度傳感值、計算七次多項、輸出信號。程序流程如圖2所示。[0031]由于以往的方面很難做到工作頻率在IOOMHz以上，為了克服這個困難，本實用新型還采用了現(xiàn)在常用的具有低噪聲的頻率合成技術(shù)，振蕩器產(chǎn)生的頻率Fin進入頻率合成器，然后通過內(nèi)部頻率合成后輸出，使相位噪聲能夠達到如下指標lOOMHzilOOHz _125db/HzIOOMHzilKHz _135db/HzIOOMHzilOKHz _140db/Hz下面簡要剖析本實用新型的溫度補償原理本實用新型采用溫度傳感器測量晶體諧振器內(nèi)部晶片的溫度，其使用的晶體諧振器一般為AT切的石英晶體諧振器，其頻率-溫度特性在寬溫度范圍內(nèi)近似一條三次曲線 (如圖3所示)，因此可用數(shù)字技術(shù)來處理溫度傳感信號并形成控制電壓，通過控制電壓來控制晶體振蕩器內(nèi)的變?nèi)荻O管，拉動晶體振蕩器的振蕩頻率從而達到補償?shù)淖罱K目的。對于AT切晶體諧振器，即對特定的晶體，本實施例得到未經(jīng)補償?shù)念l率-溫度特性曲線，如圖3所示。圖3中的曲線可以用頻率f與溫度t之間的函數(shù)關(guān)系G來表示，記為F = G(T)(1)對晶振進行溫度補償就是要晶振的輸出頻率隨溫度的變化量，改善晶體的頻率-溫度特性，使其在整個溫度范圍內(nèi)頻率偏移達到最小，即輸出一個穩(wěn)定的頻率信號。對本例所述的MCXO而言是使其在-40 +85°C的溫度范圍內(nèi)輸出穩(wěn)定的100MHz的信號。由式(4)可得，晶體的頻率偏移量 Af = f-fo = G (T) -f ο = H (T)(2)即晶體的頻率偏移量與T之間可以用函數(shù)關(guān)系H來表示，fo是晶體諧振器的標稱頻率。晶體振蕩器頻率的改變是通過改變加在與晶體一端相連的變?nèi)荻O管上的電壓稱為壓控電壓V，壓控電壓V與其引起的晶體輸出頻率變化量之間存在近似線性的關(guān)系，如圖4所示。記為Δ f = L (T) (3)由此可知，某一溫度下的壓控電壓V就代表了這個溫度下晶體的頻率偏移量Af。因此可以得到壓控電壓V與溫度T的關(guān)系，記為F。即V = L"1 ( Δ f) = Γ1 [H(T)] =F = G (T) (4)此曲線形狀恰似圖3中的曲線以水平坐標為軸線的鏡像，這也正好說明了加在晶體振蕩器上的壓控電壓對晶體振蕩頻率隨溫度的變化起的相反方向的作用，即當溫度發(fā)生變化時，晶體的振蕩頻率朝著增大或減小的方向變化，而壓控電壓的變化均勢卻是與晶體振蕩頻率變化趨勢相反，這樣就拉動晶體振蕩的頻率，使其向相反的方向變化，這樣晶體的振蕩頻率就無法按照原來的趨勢變化。當溫度與壓控電壓兩種作用同時加在晶體上，且兩種作用對晶體振蕩頻率的影響相當?shù)臅r候，就使晶體的振蕩頻率穩(wěn)定在標稱頻率上。在設(shè)計系統(tǒng)中，溫度信號是通過計數(shù)值體現(xiàn)出來的，因晶體溫度傳感器輸出的信號的周期隨溫度變化有近似線性的性質(zhì)，所以由傳感器調(diào)理電路得到的計數(shù)值N與溫度T 之間存在一一對應(yīng)的關(guān)系，記為N = ρ (T) (5)[0051]因此計數(shù)值N就代表了溫度傳感器所處的環(huán)境T，將式(5)中的T用計數(shù)值N替換，這樣就得到壓控電壓V與計數(shù)值N的關(guān)系，記為B，則T = F(T) = F[p_1(N)] = B(N) (6)其曲線如圖5所示。只要將圖5中的曲線用計算機按擬合出來，即確定壓控電壓與計數(shù)值之間的函數(shù)關(guān)系，就可以得到任意溫度點上所需的壓控電壓。該高頻率數(shù)字溫度補償晶體振蕩器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、精度高、功耗小、造價低，開機預(yù)熱時間短，具有很好的發(fā)展前景，在軍事、商用、民有等領(lǐng)域都有廣泛的市場。上面以舉例方式對本實用新型進行了說明，但本實用新型不限于上述具體實施例，凡基于本實用新型所做的任何改動或變型均屬于本實用新型要求保護的范圍。
權(quán)利要求1.一種高頻率數(shù)字溫度補償晶體振蕩器，其特征在于，包括晶體振蕩器(1)、溫度傳感器O)、微處理器C3)和頻率合成器G)，其中所述溫度傳感器( 具有A/D轉(zhuǎn)換單元，所述微處理器C3)具有順次連接的運算單元( 和D/A轉(zhuǎn)換單元(6)，所述溫度傳感器(2)設(shè)置在所述晶體振蕩器(1)附近位置；所述微處理器(3)的輸入端與所述溫度傳感器(2)連接，其輸出端與所述晶體振蕩器(1)的輸入端連接，所述晶體振蕩器(1)的輸出端與所述頻率合成器(4)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻率數(shù)字溫度補償晶體振蕩器，其特征在于，所述晶體振蕩器(1)為壓控晶體振蕩器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻率數(shù)字溫度補償晶體振蕩器，其特征在于，所述溫度傳感器⑵中的A/D轉(zhuǎn)換單元為12位，所述D/A轉(zhuǎn)換單元(6)為12位。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻率數(shù)字溫度補償晶體振蕩器，其特征在于，所述溫度傳感器(2)通過熱電偶來探測所述晶體振蕩器(1)的工作溫度。
專利摘要本實用新型涉及一種通信設(shè)備中的晶體振蕩器，屬于通信設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，特指一種高頻率的、具有數(shù)字式溫度補償功能的晶體振蕩器，其主要包括自帶12位A/D的溫度傳感器、晶體振蕩器、帶有12位A/D和D/A的微處理器以及頻率合成器，溫度傳感器輸出的數(shù)字信號直接輸入微處理器，微處理器的D/A輸出端與壓控晶體振蕩器的輸入端連接，壓控晶體振蕩器輸出的頻率信號經(jīng)頻率合成器輸出；其可進行全溫度范圍的補償，精度高，工作頻率范圍廣，改善了傳統(tǒng)的微機補償晶體振蕩器在體積和精度上存在的不足。
文檔編號H03B5/32GK201976070SQ20112001410
公開日2011年9月14日 申請日期2011年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月17日
發(fā)明者周慧, 梁偉光, 蒙政先, 高旭 申請人:武漢博暢通信設(shè)備有限責(zé)任公司