（测试计量技术及仪器专业论文）温度补偿晶体振荡器的研制、开发及频率校准技术.pdf

摘要 本文介绍了一种新型的基于a t 切型晶体谐振器的微机补偿晶体振荡器 ( m c x o ) 。该微机补偿晶体振荡器采用了基于数字温度传感器的温度传感电路， 并且采用了更为合理的温度补偿原理，充分利用微处理器的资源和软件的优势， 通过软件和简单电路相配合的方法节约了大量在传统温度补偿晶体振荡器中的 所用到的器件。通过实验证明陔m c x o 可在4 0 c + 8 5 的温度范围内达到3 1 0 的稳定度。与传统l j ! l 体振荡器棚比，本文所介绍的微机补偿晶体振荡器在保证 稳定度的情况下，具有结构简单、体积小、成本低、开机预热时f n j 短等优辨，因 此更加能满足市场和科研的要求。另外，本文还介绍了基于g p s 定时信号灼新型 频率校准和同步技术。利用g p s 定时信号全方位、全天候、连续性、实时性和高 精度的特点，以g p s 信号为基准柬校准本地频标( 晶体振荡器和铷1 原子钟) ，可以 将g p s 信弓的长期稳定度结合本地频标的短期稳定度，从而得到高准确度的频率 源，经此方法校准的品体振荡器的频率h e 确度可达l 1 0 。o ；采用g p s 共视法可以 二i e 常准确地测得异地钟差，进而实现异地原子钟高精度的时间频率同步，通过实 验证明，采用此方法得到的异地钟差与标准钟差的均方根误差优于2 6 n s 。作为一 种无限的巨大资源，g p s 定时信号在时闻频率领域m 已经成为了一个基准，随着科 学技术和阅民经济的发展，越来越多的领域需要高性能的频率源和高精度的时问 频率同步，因此，基_ - 二g p s 定时信号的频率校准和同步技术在各个领域的应用。 i i ! 逐步扩展。 关键词：m c x o温度补偿频率校准g p s 定时信号卡尔曼滤波 a b s t r a c t t h i sp a p e r p r e s e n t s an e w t y p eo fm i c r o c o m p u t e rc r y s t a lo s c i l l a t o r ( m c x o ) b a s e d o na t c u tc r y s t a l t h i sm c x ou s e sat e m p e r a t u r es e n s o r i n gc i r c u i tb a s e do nd i g i t a l t e m p e r a t u r e s e n s o ra n dam o r es o u n dt e m p e r a t u r e c o m p e n s a t e dt h e o r y t a k e i n gf u l l a d v a n t a g eo f t h es o f t w a r ea n dt h es o u r c eo f m i c r o c o m p u t e r , t h em c x o c a ns a v eal o t o f c o m p o n e n t s w h i c ha r ei nt h ec o n v e n t i o n a l t e m p e r a t u r e c o m p e n s a t e dc r y s t a l o s c i l l a t o rw i t ht h es o f t w a r ec o m p o n i e dw i t hs i m p l eh a r d w a r ec i r c u i t i ne x p e r i m e n t ， 3 1 0 f r e q u e n c y t e m p e r a t u r es t a b i l i t yi se x p e c t e di nt h et e m p e r a t u r er a n g eo f - 4 0 ( 2 一+ 8 5 c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a lt e m p e r a t u r e - c o m p e n s a t e dc r y s t a lo s c i l l a t o r , t h e m c x oh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha s s i m p l es t r u c t u r e ，s m a l ls i z e ，l o wc o s t ，s h o r t h e a t i n gt i m ea n ds oo n s oi t c a nm o r em e e tt h en e e do ft h em a n e ta n dt h es c i e n t i f i c r e s e a r c h f u r t h e r m o r e ，t h i sp a p e rp r e s e n t s an e wt y p eo ft e c h n i q u eo f f r e q u e n c y c a l i b r a t i o na n ds y n c h r o n i z a t i o nw h i c hi sb a s e do ng p s t i m i n gs i g n a l m a k i n gu s eo f t h e m e r i t so fg p s t i m i n gs i g n a ls u c h a sa l lp o s i t i o n ，a l lw e a t h e r ，a l lt i m e ，r e a lt i m ea n dh i g h p r e s i c i o n ，w e c a nc a l i b r a t e u s e r s f r e q u e n c y s o u r c es u c ha s c r y s t a l o s c i l l a t o ra n d r u b i d i u ma t o m i cc l o c kt oc o m b i n et h e i rs h o r t - t i m es t a b i l i t yw i t hg p st i m i n gs i g n a l s l o n g t i m es t a b i l i t y t h u sf r e q u e n c ys o u r c ew i t hh i g ha c c u r a c yc a nb eo b t a i n e d o f a c r y s t a lo s c i l l a t o rc a l i b r a t e db y t h i sw a y 1 1 0 f r e q u e n c ya c c u r a c yi se x p e c t e d u s i n g g p sc o m m o n v i e w , t h ec l o c k sd i f f e r e n c ea tr e m o t ed i f f e r e n tp l a c e sc a nb eo b t a i n e d c o n s e q u e n t l y ，h i g h l ya c c u r a t e t i m ea n df r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o no ft h ec l o c k sa t d i f f e r e n tp l a c e sc a nb er e a l i z e d i ne x p e r i m e n t ，t h er o o tm e a ns q u a r eo ft i m ed i f f e r e n c e o ft h er e s u l to b t a i n e db yc o m m o n - v i e wb e t w e e nt h er e s u l tb yt h es t a n d a r dw a yi sb e t t e r t h a n26 n s k e y w o r d ：m c x o t e m p e r a t u r e - c o m p e n s a t i o nf r e q u e n c y c a l i b r a t i o ng p s t i m i n gs i g n a l k a l m a n f i l t e r i n g 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过得研究成果；也不包含为获待西安电子科技大学或其 它教育机构的学位或证二 i 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 i j 请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：。2 生! 整 同期：坦堡! 皇 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安i 乜子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期问论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件。允许查阅和借阅论文；学校可以公枷论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论 本人签名 导师签名 年解密后适用本授权书。 r 期：坦垒二 同期：丝： 第一章绪论 第一章绪论 1 1石英谐振器及石英晶体振荡器简介 石英谐振器问世之前，电子产品主要用l c 制作振荡器，其频率稳定度只能 达到1 0 4 量级，远不能满足人们的需要。自18 8 0 年居晕夫妇发现“压电效应” 起，揭开了人类利用“石英稳频”的序幕。4 1 年后( 1 9 2 1 年) 英国人c a d y 用x 切5 0 k h z 晶体制成了【! _ ! ：界上第一台晶体振荡器，频率稳定度为1 0 5 量绂。比l c 振荡器提高了一个数量级，将其用于无线电j 1 + 播播出了当州稳定度最高的无线 电信号，引起了强烈反响。1 9 2 7 年石关钟问世，当时把它作为“一级频率标准”， 科学家依此发现了地球自转的不均匀性，结束了以地球自转为基础的“地球时钟” 之历史使命。 石英谐振器的技术水平决定了石英晶体振荡器的水平。科技工作者为提高石 英谐振器的技术性能付出了辛勤的劳动。1 9 3 4 年德国的b e c h m a n 、英幽的l a c k 和i - j 本的古贺几乎同时发现了具有优良温度频率特性的a t 、b t 切石英谐振器。 1 9 3 7 年后又相继研制出了c t 、d t 、e t 、f t 切石英谐振器。1 9 4 0 年m a s o n 发现 了g t 切小温度系数谐振器，这就为研制高稳定度的晶体振荡器打下了基础，用 它制作的晶体振荡器其频率稳定度达1 0 8 量级而成为第二代“一级时阃频率标准” 。1 9 5 2 年英国贝尔实验室w a r n e r 研制成功a t 切五次泛音的5 m h z 、2 5 m h z 商 精度石英谐振器，其q 值达( 2 5 5 ) 1 0 6 ，用它制作的高稳晶体振荡器频率f i 稳定度达1 0 “o 以上，这是晶体振荡器发展史上的又个罩程碑。1 9 6 1 年至1 9 7 4 年，l a g o s e c 、h o l l a n d 等研制出了双转角i t 、p t 、f c 、s c 切谐振器。s c 切谐振 器具有应力、温度双重补偿的优良性能，为研制高稳定度的晶体振荡器提供了可 靠的物质保障。 近年来法国b e s a n c o n 利用严密的工艺制作了无电极式谐振器( b v a 石英谐 振器) ，它不存在电极膜应力老化影晌，降低了表面损耗，故使q 值更高，用a t 切b v a 制作的高稳晶体振荡器其频率稳定度达5 4 1 0 “4 1 2 8 s 、老化率为5 1 0 0 2 d 。用s c 切b v a 制作的高稳晶体振荡器其频率稳定度会更高，这类品振的 频率秒级稳定度可达1 0 1 4 s 、老化率达5 1 0 - 1 2 d ，这个指标已非常接近原子钟的 水平。可以浣s c 切b v a 石英谐振器是当今世界上最优良的石英谐振器，它标志 着晶体振荡器发展史上的第三个里程碑。 考察晶体振荡器的发展史可以看出： ( 1 ) 石英谐振器的技术水平和性能指标决定着晶体振荡器的技术水平和性能指 标，前者的设计水平与制作工艺技术的每一突破都为后者的性能指标带来了一次 飞跃。 。 温度补偿晶体振荡器的研制、开发及频率校准技术 ( 2 ) 晶体振荡器的频率准确度大约每2 0 年提高一个数量级。例如1 9 4 0 年为 1 0 一1 0 4 ，1 9 8 0 年为1 0 1 0 。6 ，2 0 0 0 年为1 0 。6 1 0 。晶体振荡器的频率稳定度大 约每1 0 年提高一个数量级例如1 9 6 0 年研制水平为1 0 1 ”( 0 1 1 0 ) s ，少量产品 为1 0 。8 ( 0 小一1 0 ) s ，大量产品为1 0 6 ( 0 1 1 0 ) s 。1 9 8 0 年在相同抽样时间内分别 为1 0 ”、1 0 m 、1 0 一，2 0 0 0 年分别达到1 0 1 4 、1 0 。控、1 0 一伸。 ( 3 )电子技术的发展，促进了晶体振荡器的发展，反过来后者又推动了前者的 进步。 ( 4 ) 半导体技术的发展、电子元件性能的提高促进了晶体振荡器性能的提高， 为减小品体振荡器的体积、降低功耗提供了可靠的保证。 ( 5 ) 随着晶体振荡器性能的提高，要求测试计量设备的性能必须更高，这必然 会促进测试计量设备的研制与生产。反之。只有具备高性能的测试计量设备，彳 能研制、生产出高性能的晶体振荡器。 ( 6 ) 研制、生产晶体振荡器的自动化测试设备，是提高晶体振荡器生产效率， 保证其质量的必由之路。 一温度补偿晶体振荡器的主要技术指标 1 输出标称频率和频率精度 输出标称频率是指要求的标准频率。频率精度是指品振的实际工作频率与标 称频率之问的偏差，其绝对频率精度与相对频率精度分别用式( 1 - 1 ) 、( 1 - 2 ) 表 玎；： a f = f f o ( 1 一1 ) 笪：立五( 1 2 ) 凡 式中厂为实际工作频率：兀为标称频率。晶体振荡器的频率精度主要取决于石英 晶体谐振器的频率精度。 2 ，频率稳定度 频率稳定度分为频率长期稳定度、频率短期稳定度 频率长期稳定度是指在一天以上、一月、一；年等时问间隔内频率准确度的最 大变化值( 亦即频率日波动、, e l 波动、年波动等) 。通常用相对频率稳定度万表示： i f - f o l 占= _ ，。石问间隔 ( 1 3 ) 用上式表示频率长期稳定度可信度低，通常采用均方根值表示，即用在指定 的时问m 隔内铡得的各频率准确度与其平均值之差的均方根值来表示； 第一章绪论 盯。=丽 ( 1 4 ) 式中n 为测量次数：【篑 为”个测量数据的平均值。 频率短期稳定度是指时间间隔在一天之内的频率准确度的最大变化值( 即波 动值) ，此值可用式( 1 3 ) 计算。同理，其统计值可用式( 1 - 4 ) 计算。 3 温度频差 温度频差是指在给定的温度变化范围内频率准确度的最大变化值( ! 【j 频率波 动) ，通常用相对温度频差巧，表示 l ，一兀k 占y = ，。屈度变化范围( 1 - 5 ) 上式表征的只是在最坏情况下的温度频差，应采用均方根值表示，即用在指定的 温度范围内、按指定的温度洲隔测得的各频率准确度与频率准确度的平均值之差 的均方根值来表示，其式与式( 1 - 4 ) 相同，区别在于将时间间隔换为温度间隔。 4 二次谐波抑制 二：次谐波抑制可用下式表示： l ，( 加) = 2 0 1 9 挚 ( 1 - 6 ) 式中u 。，为输出之二次谐波电压；。为输出之基波电压。 一般要求二次谐波抑制大于3 0 d b 。当要求输出为良好之正弦波时，应尽可能 提高电路的二次谐波抑制能力。 5 功耗 温度补偿晶体振荡器的总功耗为： p ：憎 ( 1 7 ) 式中，为直流电源供给的总电源，单位为安；e 为直流电源端电压，单位为伏。 6 体积和重量 7 可靠性 二a t 切和s c 切石英品体谐振器 晶体振荡器的频率温度特性主要由晶体谐振器的频率温度特性决定的。而晶 体谐振器的频率温度特性与晶体的切型关系很大。要想制造出一只高性能的晶振， 首先要选择一只合适切型的晶体谐振器。 温度补偿品体振荡器的研制、开发及频率校准技术 按照与晶轴的切割角度不同，石英谐振器可分为a t 切、b t 切、f c 切、g t 切、s c 切等。其中性能优良而且得到广泛应用的是a t 切和s c 切这两种切型的石 英谐振器。 a t 切型的显著特点是谐振器的振荡频率与温度的关系呈近似的三次函数关 系，因而它具有零温度系数点，且零温度系数点大致落在大气环境温度的范围内。 因此，用a t 切谐振器作成的振荡器具有较好的频率温度特性。但是存在较大的频 率热过冲现象和较大的幅频效应是a t 切谐振器的缺点。图1 1 示出了不同切角的 a t 切型谐振器的频率温度特性曲线。根据振荡器的不同要求，可选用不同切角的 谐振器。如今，高质量的a t 切高真空玻璃壳封装的谐振器，其同老化率达到 1 0 - 1 01 0 。“，秒级短温优于1 1 0 m 【2 1 。 图1 1典7 鹏a t 切品体谐振器频率温堂特性 s c 切具有以下优点：丌机特性好；老化小；幅频特性好( 比a t 切小一个数量 级) ，可以承受较大的激励；具有热瞬变补偿的特点，因此短期稳定度好；温频系 数小，在零温度系数点附近其静态温度系数比a t 切小一个数量级，动态温度系 数比a t 切小两个数量级，降低了晶体对温度的敏感性，可以提高晶体的长稳和短 稳；高温性能好等。s c 切的缺点有：频谱比较复杂，除了有单转角切型的频谱之 外，还存在a 、b 、c 三种振动模式，在工作时必须将不需要的模式加以抑制：定 向困难；成品率低等。s c 切谐振器的基频和三次泛音的频率温度特性如图1 2 所 示f 3 】“。 第一章绪论 图1 2典型s c 切晶体谐振器基频雨i 二次泛音频率温度特性 1 2 温度补偿晶体振荡器 温度补偿品体振荡器( t c x o ) 是一利，靠内部温度补偿网络改善输出频率温度 特性的晶体振荡器。山于改变晶体谐振器支路串联电抗元件的电抗值就可以改变 品体振荡器的振荡频率，故可在晶体谐振器支路串接变容管，根据温度的变化改 变其电容值，就可以改变振荡频率。如果原来的振荡频率是随着温度升高而降低 的，只要使变容管的电容量随着温度的升高而相应的减小，就可以使振荡频率随 着温度的升高而升高，从而减小其温度频差；反之亦然。为了使变容管的电容量 随着温度的变化而相应的变化，就要在变容管两端施加反向控制电压u 。，u , - t 曲 线的变化趋势要与卜t 相反。按照上述思想。温度补偿晶体振荡器的基本组成” 如下图： 图1 3 温度补偿晶体振荡器的基本组成 温度敏感元件( 温度传感器、热敏电阻等) 将感知的晶体谐振器附近的温度 信息送到控制电压形成分机。控制电压形成分机按照给定的误差要求依照一定的 6 温度补偿晶体振荡器的研制、开发及频率校准技术 数学模型产生所需要的控制电压。控制电压形成分机产生的控制电压u 。送到晶体 振荡器分机，反向加于串接在晶体谐振器支路的变容管两端，使变容管的电容量 向着减小温度频差的方向变化。只要控制电压形成分机产生的控制电压合适，在 理想情况下就可以使振荡频率f ：f o 。 温度补偿品体振荡器的频率短期稳定度与长期稳定度比恒温晶体振荡器低， 但温度补偿晶体振荡器与恒温晶体振荡器相比，具有【5 j 体积小、功耗低、价格廉、 开机即可正常工作等优点，而温度频差比普通晶体振荡器要高l 3 个数量级，根 据工作温度范围的不同，其频率温度稳定度从l p p m 到0 1 p p m 或者更高。由于 采用了表面贴装的小型元件和微组装技术，所以它的体积可以做到很小。对于常 用的i p p m 的温度补偿晶体振荡器，都已经做成表面贴装形式，大约o 5 平方英 寸面积乘十分之几英寸厚其功耗一般都是几毫瓦。因此t c x o 可以满足很多电 子设备对频率源的要求。 1 3 其它类型的晶体振荡器 除了温度补偿晶体振荡器外，常用的品体振荡器还有： 一压控品体振荡器( v c x 0 ) 卫星通信、数字传输系统要求在较宽的线性调频范围内有良好的频率稳定度。 山于压控振荡器具有频率稳定度高、单边带噪声谱小、调频范围宽、线性小、失 真小，因此直接 、m 调制采用v c x 0 最为适宜。正因为如此，国内外对v c x 0 的研制 与生产也是很重视的。 二抗振动晶体振荡器 导弹、卫星等空洲飞行器上用的晶体振荡器需经受强烈的振动、冲击、离心 加速度等机械力的作用，为了适应这种特殊环境，就必须采用抗振动晶体振荡器。 抗振动晶体振荡器的性能，主要取决于晶体谐振器的抗振性能，因为晶体谐振器 具有压 乜效应，因此外界机械振动必会影响其振动频率，使晶体振荡器的振荡频 率受到机械振动频率的调制。 三速预热晶体振荡器 有些晶体振荡器采用了恒温方式，所以加电后要经过一段预热时间才能达到 稳定工作，且要求稳定度愈高，预热时间就应愈长。但有些工程应用不允许预热 时间过长，于是快速预热晶体振荡器便引起了国内外研制单位的重视。一般s c 切 晶体的这一特性优于a t 切晶体，故快速预热晶体振荡器选用s e 切晶体比较合适。 四钟用晶体振荡器 钟用品体振荡器主要用于电子手表、电子钟、彩色电视机、录象枫、计算器、 按钮电话等。它用量很大。由于采用集成电路组成，要求的技术指标又不太高， 第一章绪论 所以装配、调试十分简单。钟用晶体振荡器因其应用广泛而很有发展前途，倍受 生产厂家之重视。 五声表面波振荡器 声体波的振动是整体振动，能量分布在整个石英晶片上。前述晶体振荡器 是声体波晶体振荡。声表面波( s a w ) 则不是整体振动，而是在固体介质的表面形 成表面声波，从而制成表面声波振荡器。声表面波振荡器分为谐振型声表i 百i 波振 荡器和延迟线型声表面波振荡器两种。它的工作频率一般可达数百兆赫兹到数千 兆赫兹，且体积很小，在微波段具有广阔f 狐景。 1 4 本论文的研究成果与内窑安# - t 如今，晶体振荡器已经成为电子设备中的关键部件，在现代电予系统与设备 以及精密时频计量等必需的频率控制和管理领域中素有心脏的地位。随着科技的 进步，对品振的要求越米越高，尤其在小型化、低功耗及低成本方耐已经受到市 场和科研工作者越来越商的重视。然而传统的品体振荡器在这些指标上已处于落 后地位并且难以大批量生产，无法满足科技高速发展的要求。基于此背景，水文 提出了新的晶体振荡器设汁方法以及新的校频技术。 一本论文的研究成果 本文介绍了种新型的微机补偿晶体振荡器。它采用了微处理器及数字温度 传感器等数字器件，在以往温度补偿晶体振荡器的基础上，通过软件以及软件与 简单电路相结合的方法，节约了大量硬件电路，并采用了表面贴装的技术，大大 降低了晶体振荡器的体积和成本，而且还保持了在宽温度范围内( 4 0 一+ 8 5 ) 较高的频率温度特性，其性能已能满足企业和科研的要求。 在后面的部分本文还提出了基于g p s 定时信号的频率校准系统。以高精度的 g p s 定时信号为时间基准来校准本地频标( 晶体振荡器、铷原子钟) 的输出频率， 可以消除其频率漂移并获得1 0 。o 的准确度。这样就可以将g p s 信号优良的长期稳 定度和本地频标的短期稳定度结合起来从而得到高准确度的频率源。针对接收机 中g p s 信号的噪声，还设计了卡尔曼滤波算法。它可以对g p s 信号与本地频标的 时差数据在大噪声中进行平滑，在较短时间内估计出高精度的时差数据，而且还 避免使用昂贵的高分辨率计数器。正是在此基础上，频率校准系统才能获得很高 的校频精度。另外这一部分还介绍了基于g p s 共视法的时间频率同步技术。利 用此技术可以实现异地原子钟钟差的精确测量，然后根据测量结果校准两地原子 钟，从而达到异地钟的时问频率同步。经实验证明，利用共视法测得的异地钟差 与标准钟差的均方根误差优于2 6 n s 。 二论文的组织和安排 温度补偿晶体振荡器的研制、开发及频率校准技术 第一章首先简单介绍了石英谐振器和石英晶体振荡器，还介绍衡量石英晶体 振荡器常用的技术指标：然后又着重介绍了温度补偿晶体振荡器的原理和构成。 第二章详细地介绍了一种新型的微机补偿晶体振荡器的系统设计。从设计原 理和总体结构开始，到每一部分的具体实现，逐一地进行了叙述。并且通过实验 证明了其优良的性能。该型微机补偿晶体振荡器与传统的温度补偿晶体振荡器相 比拥有更多的优点，因此更具竞争力。 第三章详细介绍了基于g p s 定时信号的频率校准系统。首先介绍了设计原理 和总体结构；然后又对各部分进行了介绍，着熏介绍了对测量数据的卡尔曼滤波 算法的实现。 第四章介绍了基于g p s 共视法的时间频率同步技术。着重介绍了用共视法测 量高精度异地原予n o i 差的原理和实现；其中也较详细地介绍了对麸视数据的卡 尔曼滤波的实现。在此基础上实现异地原子钟的频率同步。 本章简单的介绍了石英谐振器和石英晶体振荡器，其中包括温度补偿品体振 荡器的主要技术指标、常用到的a t 切和s c 切型石英谐振器。然后还介绍了温度 补偿晶体振荡器的原理、性能。在此基础上提出了新的、高指标的温度补偿晶体 振荡器以及基于g p s 定时信号的频率校准技术。 第二章微机补偿晶体振荡器的系统设计 第二章微机补偿晶体振荡器的系统设计 2 1 微机补偿晶体振荡器 温度补偿晶体振荡器中，对晶体谐振器的频率温度特性有很多种补偿方法， 根据补偿方法的不同，可以分为三类：普通的模拟温度补偿晶体振荡器( t c x o ) ， 数字温度补偿晶体振荡器( d t c x o ) ，以及微机补偿晶体振荡器( m c x o ) 。 一模拟补偿晶体振荡器( t c x o ) 模拟温度补偿晶体振荡器由晶体振荡器和热敏电阻温度补偿网络组成。其中 热敏电阻补偿刚络产生合适的补偿电压控制晶体谐振器的频率，使其输出稳定的 频率信号。这种温补品振由于结构简单、体积小、功耗低、价格低而得到j “泛应 刚。然而，这种补偿方法不能逐点精确补偿品体谐振器的频率温度误差，而且其 补偿的精度也不是很高。模拟温度补偿晶体振荡器的频率温度稳定度约为1 1 0 一， 如在宽温范内还要低 ：这个值。模拟温度补偿晶体振荡器典型的框图如图2 1 所 示。图2 2 显示了补偿胁后振荡器的频率温度特性曲线“。 l 铀 休 热敏 振 立 电阻 荡 补偿 网络 器 幽2 1t c x o 的基本组成 u 日c o m p c n 5 a t c d f t q u e n c y c o m p m 强t , c d 商r q p c n c y o r t c x 0 幽2 2t c x o 补偿前后频率温度特性 _5一oa、分8目_誊 里二一立垦壅! ! 丝曼堡錾些坚塑塑型：墅垄墨塑垩丝垄垫查 二数字温度补偿晶体振荡器( d t c x o ) d t c x o 出温度传感器、a d 变换器、p r o m 存储器、o a 变换器、v c x o 压控晶体 振荡器等组成，如图2 3 所示。躅中，温度传感器测量出晶体振荡器附近的温度， 经a d 变换器转换为数字码，作为从p r o m 中读取温度补偿数据的地址码。p r o m 完 成温度 偿数据变换的任务。在各个温度点保持振荡频率为标称频率f 。所需要的 温度补偿数据已预先写进p r o m 中。依不同温度的地址码读出p r o m 中相应的温度 补偿数据，送到d a 转换器。d a 转换器将温度补偿数据转换成对应的模拟电压量， 再加到v c x o 的频率控制器件上，以控制v c x o 的振荡频率趋近于 。图2 4 说明了 补偿前后的频率温度特性川。 4 f 1 0 8 b 4 2 o - 2 4 - 6 - 8 1 0 幽2 3 她型数字温补品振挺幽 ；一a | n c o r p o r a m t 一： = ：? ；。f 二二：丁 _ 卫t c 苓o i s e - 3 0 c+ 2 6 。c - 1 - 8 0 c 目2 4d t c x 0 补偿前后频率温度特性 在一5 5 。c + 8 5 的宽温范围内，d t c x o 的频率稳定度可以达到1 0 一，优于模 拟温补品振。但是，对于数字温补晶振而言，并不是所有的指标都能够被提高。 经信号处理过程中，模拟信号被转变成数字信号柬控制龉体谐振器。模拟信号在 被转变为数字信号时，会产生量化噪声，这使得振荡器的短期频率稳定度变差。 一般情况下，秒级频率稳定度为l o 。9 1 0 。o 的晶体谐振器，做成数字温补晶振后， 秒级频率稳定度只有1 0 1 1 0 一。而且很难得到秒级频率稳定度优于1 0 母的数字温 补品振。量化误差可以通过增加a d 器件和d a 器件的位数来减小。但是，这就 势必要使振荡器的成本增加。 三微机补偿晶体振荡器( m c x o ) 微机补偿晶体振荡器是由数字温度补偿晶体振荡器发展而来。它由温度传感 器、a d 、微处理器、e p r o m 、d a 、基准电源及v c x o 等组成，如图2 5 所示。 温度传感器测出晶体谐振器附近的温度t ，经a d 变换后转换为代表温度的数字 第二章微机补偿品体振荡器的系统设计 量n t ，用n t 作为地址，依微处理器从e p r o m 中读出该地址所存储的温度补偿控 制电压数据n k 、经微处理器处理与校正后送入d a 转换器，变为相对应的模拟温 度补偿控制电压u k ，加到v c x o 的变容管两端，以控制v c x o 的振荡频率按给 定误差趋近标称频率。软件在m c x o 中发挥了很大的作用，其频率温度稳定 度在宽温范围内可以达到1 0 7 或l o 一，优于d t c x o ，其短期频率稳定度也优于 d t c x o 。但是，早期的m c x o 在系统中由于仍然采用了a d 和d a 器件，使得 其体积较大，功耗较高，成本也比较高。 l 渝度传感器 1 叫a d 卜拦叫微处理卜叫d ，a u 叫v c x oi 幽2 5 m c x o 的基本组成 本文所述的微机补偿晶体振荡器就是在d t c x o 和最初的m c x o 基础上发展 而来的一种新型的微机补偿晶体振荡器。这种微机补偿晶体振荡器虽然采用了与 d t c x o 和传统的m c x o 同样的补偿方法，也是靠形成压控电压对谐振器的频率 ：f j 【| 以补偿和校正，但是完全抛丌了d t c x o 和传统的m c x o 对温度信号的处理方 法以及压控电压的形成方法。在系统中不再采用a d 和d a 这类既昂贵体积又大 的器件，而是更加充分发挥软件的功效，以软件代替部分硬件，软硬件结合，从 而大大减小了振荡器的体积和功耗，其造价也随之降低，并扫保持了晶振的稳定 度，使其更符合品体振荡器小型化的需求。 2 5 1 5 5 基 e - , i 一5 n 一1 5 2 5 3 5 ( 朽韵值1 0 m h z ) 一4 0 - 3 0 - 2 0 1 00 1 02 03 04 05 06 07 08 0 ( ) 幽2 6a t 切晶体谐振器的频率温度特性 正如前面所介绍的，a t 切晶体谐振器在较宽的温度范围内具有较好的频率温 度特性，由于其频率校准比较容易，使得它成为温度补偿晶体振荡器中理想的谐 温度补偿晶体振荡器的研制、开发及频率校准技术 振元件。a t 切晶体谐振器的频率温度特性如图2 6 所示。 本文所介绍的m c x o 采用就是基于a t 切型的谐振器。温度补偿的目的就是 要把上述的曲线变成一个较为平坦的直线，也就是说把晶体的频率偏移量补偿到 最小。这就需要加在振荡回路中变容元件( 变容二极管) 上的电压作用是按照晶 体随温度变化的相反方向，把晶振的输出频率拉回到标称值上。 2 2 新型m c x o 系统的总体设计 系统框图 本文所要介绍的是一种新型的微机补偿晶体振荡器，它的结构框图如图2 7 所 示。和普通的m c x o 一样，本系统具有振荡电路、微处理器、温度传感电路这几 部分，而不同的是山于采用了集成的数字温度传感器和新颖的补偿电路，不再需 要用于存储温度补偿控制电压数据的e p r o m 以及a d 、d a 电路。这样使其在保 证高稳定度、精度的前提下，大大的减小了电路的硬件复杂度、缩小了体积，降 低了成本。 补 剀2 7m c x o 原理框图 二系统工：作原理 在温度传感电路中，本系统使 日了d s l 6 2 4 这种数字式的温度传感器，它的温 度传感值是数字量，可以直接被微处理器读出，从而省去了采用模拟温度传感器 时必须使用的a d 器件。微处理器得到的这个温度传感值就反映了当前晶体所处 环境的温度，出于温度是一个缓慢变化的信号，所以这个值也就反映了当前晶体 本身的温度。 微处理器采用a t m e l 公司的a t 8 9 c 2 0 5 1 ，该微处理器的工作温度为一5 5 c + 1 2 5 。c 。它有2 0 个管脚，不仅内带2 k 字节可编程闪速存储器，而且与m c s - 5 l 产品兼容，能够满足系统功能上的要求。 第二章微机补偿晶体振荡器的系统设计1 3 在微处理器的e 2 p r o m 中已事先存储了七次多项式的系数。在单j t 机从温度 传感器处获得温度传感信号后，把所获得的温度传感值代入七次多项式，计算 h 应该输出的补偿波的脉宽计数值；然后根据这个脉宽计数值，单片机输出一个频 率不变，脉宽随温度传感信号变化的方波信号；这个方波信号再通过积分电路输 出一个直流电压，直接作用于变容二极管上。一旦环境温度发生变化，温度传感 器送出的温度传感值也发生变化，单片机经计算输出的方波信号的脉宽也相应地 变化，作用于变容二极管上的直流电压相应改变，从而使振荡电路输出的信号稳 定在1 0 m h z 上。这样就实现了温度补偿的目的，改善了晶体的频率温度特性， 而且并不破坏晶体谐振器的短期稳定度。 2 3 振荡电路的设计 一振荡电路概述 振荡电路包括主振缎电路、选频放大电路和自动增益控制电路。主振级 乜路 ：参j c 了柯尔匹兹振荡f b 路的形式，并针对实际要求进行了改进。选频放大f 乜路只 选择晶体的工作频率进行放大而对于其它的杂波信号有抑制作用并增加了负 绒隔离，有利于电路的稳定性而且可以使输出的信号更加纯净。在振荡电路中 采用自动增益控制电路可以提高振荡电路的有载q 值，且反馈回路使电路处于平 衡状念，使振荡咆路更加稳定。振荡部分的框图如图2 8 所示。 幽2 8 振荡也路枢幽 二实际电路 1 主振级电路及自动增益控制电路 在温度补偿晶体振荡器的设计中，主振级电路的设计是个关键。因为只有性 能良好的主振电路，才能保证整个振荡器稳定的工作。否则，无论其它部分工作 得怎样好补偿精度设计得多么高，都没有什么意义。只有在保证主振电路工作 稳定的基础上，对其频率温度特性进行的补偿才能取得良好的效果。 主振电路一般分为负阻型和反馈型两大类。在晶体振荡器中，一般都采用反 馈型电路。按晶体在振荡电路中的作用原理，反馈型振荡电路又分为两大类：串 联振荡型和并联振荡型。本系统采用的是并联振荡型。 在并联振荡型中，晶体置于反馈网络中，里感性，和回路其它元件一起参与 温度补偿晶体振荡器的研制、开发及频率使准技术 振荡并决定工作频率。按晶体与晶体管三个电极的不同连接，并联型品振又可分 为c b 电路、c e 电路和e - b 电路。c - b 电路又可分为皮尔斯电路、柯尔匹兹电路等。 皮尔斯电路具有良好的频率稳定性，但因其谐振器不接地，致使频率微调电容无 一端按地，安装和使用不方便。而柯尔匹兹电路具有谐振器一端接地的优点，所 以本系统采用这种f 乜路，并对实际要求进行了改进。改进后的电路仍可参照柯尔 匹鳆电路的分析方法，如图2 9 所示。 幽2 9 主振级屯路及口动增黼控制电路 在实际的主振级电路中增加了c 7 和l l 组成的并联谐振回路，有利于电路的起 振和稳定度的改善。经实验表明，选取并联谐振频率为晶体固有频率的0 8 倍庄右 摄为理想。 c ，和l l 组成的并联谐振回路的阻抗为 y 一丝! ：! 丝：坐l ( 2 。1 ) j c o l i + l j 岜2 脚 2 衽 1 1 一一压控电压温度曲线i e ? ， 1 l - 、一7 4 02 002 04 06 08 0 温度( ) 到2 1 2压控电压温度曲线 这样就只需要在微处理器中存放七次多项式的系数。多项式系数的取得是对 数据进行曲线拟合实现的，这一步可以出p c 机来完成。对于曲线拟含可以根据测 试点的不同，采用两种方法解决这个问题。假设需要拟合的曲线为函数y = x x ) 。如 果实验观测得到0 。y i ) ，i = l ，2 ， ，确实满足y , = j i x ，) 的关系，我们可以采用插值法 进行多项式拟合【7 】。但实际上，由于测试误差的存在，致使测试点会出现较为分散 的情况，也就是说不是所有的数据点都严格的满足儿亏触j 的关系式，会存在误差。 如果要求曲线通过所有的0 ，) ，就会使曲线保留了一切测量误差，如果多项式的 次数较高计算出的误差就会很大，显然这不是我们所希望的结果。我们想要进 行的曲线拟合，并不要求曲线通过所有的点j ，) ，而使用一些方法画出一条近似 于y = ，( x ) 的光滑曲线y = f ( x ) ，并使它能够反映曲线的一般趋势，尽量使曲线没有 局部的波动i ”。由于温度实验不可避免的存在误差，因此我们选用了最d - - - 乘法作 为曲线拟合的算法。丁f 交化方法求解最小二乘近似问题的分析过程见附录。 二补偿方波 补偿波是微处理器通过i o 口输出的频率固定而占空比可调的方波信号。容易 l 温度补偿晶体振荡器的研制、开发及频率校准技术 知道，方波的有效值与其占空比有一定的线性关系。如果积分电路设计的恰当， 则积分输出的直流电压与占空比也有线性关系。补偿波示意图如图2 1 3 所示。若 对方波在o t 期问内进行积分，则积分电压为 舻手胁肛rf v ，a t = f a , = 笠t 瓦罐瓦协s ， 从上式可以看出，若保证方波信号的频率和峰峰值不变，即7 和v 。固定，而占空 比可变，即瓦可变，则对方波积分后的直流电压可调且与方波的占空比成线性关 系。也就是晓这个直流电压的大小是与补偿方波的脉宽宽度一对应的。我们使 用了微处理器得到了补偿波，因此我们可以用微处理器机器周期的个数来确定补 偿波 c _ i 脉宽。这样一束，温度实验就只需要采集各个温度点下确定补偿波脉宽的 机器周期的个数( 脉宽计数值) 即可。 酗2 1 3 补偿方2 ! f ，下愚凼 补偿波是一个通过单片机a t 8 9 c 2 0 5 l 的p 3 4 口输出的方波信号，它的频率固 定，而其占空比可以由单片机的软件来实现调节。用单片机米产生上述的补偿波 非常容易。单j 机的i o 口可以用指令进行疑位或清零从而可以产生该波形的 高低电平。剩下的问题就是确定方波周期7 和高电平保持时问瓦的值。如果把方 波的周期r 作为一个常数，瓦由七次多项式算出，那么低电平时i n 正= t 一瓦就可 以算出。实际应用中，因为单片机要不停地通过p 3 。4 口输出补偿波，同时还要读 墩计数值和计算七次多项式，所以补偿波的产生只能用中断的方式来实现。 a t 8 9 c 2 0 5 l 订硒个1 6 位的定时器计数器t o 和t l ，我们采用了t 0 的工作方 式l 来产生补偿波。方式l 是1 6 位的定时器计数器，且其内部计数器是加1 计 数器。在这种方式下，t l 0 溢出时向t h 0 进位而t h 0 溢出时使t f 0 置位，请求 中断。进入中断服务程序后t f 0 被硬件自动清除。当t o 用作定时器时，其定时时 f j l 可用下式计算州 ( 2 一j ) 瓦= 弓 ( 2 7 ) 其巾，咒为单片机的机器周期，它等于1 2 个时钟周期，j 为定时器的初始值。 因为定时器的定时时间可以用它所包含的机器周期数表示，所以实际上，在 单片机中存储的并不是补偿波的周期值r 。而是一个整数值n 。，满足t = n o t s 的 关系。由七次多项式计算出来的也不是高电平时间瓦，而是瓦相对应的机器周期 第二章微机补偿晶体振荡器的系统设计 的个数。，瓦和n ，之问也有瓦= n 。瓦的关系，同理可得7 j = n ，瓦。由此可以算 出m = n 。一瓦。 单片机计算出n 和f 后，就可以根据式( 2 - 7 ) 分别算出定时器的初值巧和正。 把巧和乃循环交替作为t 0 的初值，那么在t 0 定时结束时将产生中断，在中断处 理程序中加入对p 3 4 口的清零和置位指令，就可以输出所需要的补偿波。 四积分电路 系统中的积分电路采用无源r c 网络，如图2 1 4 所示 蠢 c l 宁宁c ： 2 7 0 ，扩。_ t _ 一o 0 i 旷 幽2 1 4r c 积分网络 积分常数的选取会影响补偿的效果。积分常数太小则积分电压波纹较大，对 振荡器的短期频率稳定度不利。积分常数太大则u ，变化缓慢，跟随特性差。实际 情况r p ，温度变化一般棚当缓慢。在实际的r 乜路调试过程中，我们选取的时常数 为r 。、= l s ，