（检测技术与自动化装置专业论文）214mhz晶体振荡器的微机温度补偿.pdf

摘要 摘要 晶体振荡器广泛应用于现代通信、导航、测量等领域的设备中。但是，许多 设备工作在温度范围变化较大的环境中，由于石英晶体谐振器自身特殊的物理特 性，温度的变化会导致晶体振荡器的频率发生偏移。在这种情况下，晶体振荡器 就不能为设备提供稳定的时钟频率，导致设备工作异常。 本文主要针对环境温度对晶体振荡器输出频率的影响这个问题，开展了对a t 切晶体振荡器的低相噪温度补偿技术的研究。根据a t 切晶体振荡器的频率温度特 性研究，分析了传统的补偿技术，最终采取了微处理机温度补偿的方法，提高了 2 1 4 m h z 晶体振荡器的频率温度稳定度，同时降低了晶体振荡器的相位噪声。 本文首先研究了a t 切晶体振荡器的频率温度特性以及温度补偿的原理，讨论 了目前传统的补偿方式，通过对各种补偿方法的对比选择了微机温度补偿方法。 在此基础上，提出了本设计采用的方案，并且进行了硬件设计，主要包括主振电 路和补偿网络。同时，研究了降低晶体振荡器相位噪声的原理与方法，对2 1 4 m h z 的微机温度补偿晶体振荡器的相位噪声进行了优化。在软件设计中，研究了分段 温度补偿算法并选择了分段线性插值算法。最后，对2 1 4 m h z 的温度补偿晶体振 荡器进行了测试，验证频率温度稳定度达到了预期指标。 关键词：a t 切晶体振荡器，微机温度补偿，分段线性插值算法，频率精度 a b s t r a ( 了r 一 _ a b s t r a c t c r y s t a lo s c i l l a t o r sa r ew i d e l yu s e di nt h ed e v i c e so fm o d e mc o m m u n i c a t i o n s n a v i g a t i o n , m e a s u r e m e n ta n do t h e rf i e l d s h o w e v e r , m a n yd e v i c e sw o r ki nt h e e n v l r o n m e n tw h i c ht h e t e m p e r a t u r ec h a n g e si nal a r g e rr a n g e t h ec h a n g eo ft e m p e r a t u r e w i l lc a u s et h ec r y s t a lo s c i l l a t o r sf r e q u e n c ys h i f t i nt h i sc a s e ，t h ec r y s t a lo s c i l l a t o rc a n n o tp r o v i d eas t a b l ec l o c k f r e q u e n c 5w h i c hr e s u l t si nt h ea b n o r m a l i t yo ft h ed e v i c e a c c o r d i n g t ot h ep r o b l e m ，t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yc a r r i e so u to nt h ea t - c u t c r y s t a l o s c i l l a t o r sl o wp h a s en o i s et e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o nr e s e a r c h b a s e do nt h es t u d v0 f t h ef r e q u e n c y 。t e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c so fa t - c u tc r y s t a lo s c i l l a t o ra n dav a r i e t yo f c o m p e n s a t i o nt e c h n i q u e s ，t h i sd i s s e r t a t i o nf i n a l l ya d o p t sam i c r o p r o c e s s o rt e m p e r a t u r e c o m p e n s a t i o nm e t h o d ，w h i c hn o to n l yi n c r e a s e st h et e m p e r a t u r ef r e q u e n c ys t a b i l i t vo f t h e2 1 4 m h zc r y s t a lo s c i l l a t o rb u ta l s or e d u c e st h ep h a s en o i s e t h e c o n t e n to ft h e d i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w i n g t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e st h ef r e q u e n c y t e m p e r a t u r e c h a r a c t e r i s t i c sa sw e l la s t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o np r i n c i p l eo ft h ea t - c u tc r y s t a l o s c i l l a t o r t h r o u g ht h e c o m p a r i s o no ft h et r a d i t i o n a lc o m p e n s a t i o nm e t h o d s ，t h i sd i s s e r t a t i o nb r i n g sf o r w a r d t h en u c r o p r o c e s s o rt e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o nm e t h o d t h eo v e r a l ld e s i g ni sa d v a n c e d ， i n c l u d i n gv c x oo s c i l l a t o rc i r c u i t ，t h ec o m p e n s a t i o nn e t w o r kc i r c u i ta n ds o f t w a r e d e s i g n - a tt h es a m et i m e ，t h ep r i n c i p l e sa n dm e t h o d st or e d u c et h ep h a s en o i s ea r e s t u d i e d ；t h ep h a s en o i s eo f2 1 4 m h zm t c x oi so p t i m i z e d t h e nt h es u b t e m p e r a t u f e c o m p e n s a t i o na l g o r i t h ma n di n t e r p o l a t i o na l g o r i t h ma r er e s e a r c h e da n ds e l e c t e d a tl a s t ， t h ed e b u g g i n gi sc a r d e do u tt h r o u g he x p e r i m e n t sa n dp r o c e d u r e s o p t i m i z a t i o n a n d u l t i m a t e l yt h ed e s i g nr e a c h e st h ed e s i r e dt a r g e t k e y w o r d s ：a tc u tc r y s t a l o s c i l l a t o 、r ，m i c r o c o m p u t e rt e m p e r a t u r e c o m p e n s a t e d ， p i e c e w i s el i n e a ri n t e r p o l a t i o n ，f r e q u e n c ys t a b i l i t y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 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 确的说明并表示谢意。 签名：丝亟日期：沙i 。年上月刃日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩日或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：一些亟导师签名：垄鐾拯 日期：矽io 年箩月- u oe t 第一章绪论 1 1 本文选题的意义 第一章绪论 在现代高性能的通信、导航以及配套的测量系统中，温度补偿晶体振荡器作 为系统的基准参考频率源，一直是一个不可缺少的器件。随着现代电子及无线通 信技术的飞速发展，军民用测控通信的扩充及3 g 移动通信市场的不断扩大，使得 温度补偿晶体振荡器( t c x o ) 的需求也在不断增加。同时也要求温度补偿晶体振 荡器向小型化、低功耗、低相位噪声、低成本等方向发展。 随着科学技术的迅猛发展，物美价廉的石英晶体振荡器作为稳定的频率源有 着越来越广泛的应用。众所周知，影响石英晶体振荡器频率稳定度的因素有很多， 如环境温度变化，晶体老化，电压波动，负载变化等，而其中以环境温度的变化 影响最为严重。因此，要想得到高稳定度的晶体振荡器，必须消除环境温度对输 出频率的影响。目前减少环境温度变化对晶体振荡器的影响的方法主要有温度补 偿法和恒温法。恒温法可以使晶体振荡器达到较高的频率精度，但是体积、功耗 和成本都比较大。而温度补偿法不需要恒温槽，补偿精度也相对较高，功耗低， 体积小，电路简单，稳定可靠且易实现。 由于温度补偿石英晶体振荡器( t c x o ) 具有较高的频率稳定度，所以作为一种 高精度频率源被广泛地应用于通讯系统、雷达导航系统及精密测控系统等。温度 补偿晶体振荡器主要由主振电路和补偿网络两部分组成。主振电路是压控晶体振 荡器的振荡电路。补偿网络主要是为了得到适当的补偿电压，从而改善温补晶体 振荡器的频率偏移，提高振荡器的频率精度。 目前，在现代的通信、导航等系统中，越来越需要频率源具有开机工作、小 体积、低功耗、频率温度特性及相位噪声特性良好等特点，而微机补偿方法能够 很好的满足这样的需求。通过硬件电路的设计和芯片的选型，以及软件的开发， 可以达到很好的频率温度稳定度，并能实现小体积、低功耗和低成本，以及较好 的相位噪声特性。 总之，由于各类通信系统的不断开发，目前对温度补偿晶体振荡器的需求量 比以往任何时候的都要大。而且这些新的应用往往是在已有系统基础上的性能优 化，因此，几乎每项新的应用中都要求提高温度补偿晶体振荡器的性能指标，尤 电子科技大学硕士学位论文 其是频率温度稳定度的提高。到目前为止，国内外已经研究了很多关于晶体振荡 器的温度补偿方法。然而，现代测控、通信技术对温度补偿晶体振荡器的高精度 补偿及低噪声特性等提出了更高的要求， 发展的要求。基于此，研究一种高效的， 器的温度补偿方法是十分有意义的。 1 2 温度补偿晶体振荡器概述 传统的补偿方法已经逐渐不能适应现代 具有低相位噪声和高稳定度的晶体振荡 温度补偿晶体振荡器( t c x o ) 是除高稳定度晶体振荡器之外的第二大类晶体 振荡器。它不仅具有功耗低，体积小，重量轻，开机即能正常工作等优点，而且 其频率稳定度及温度频差虽比高稳定度晶体振荡器低1 - 3 个数量级，但比普通晶 体振荡器高1 3 个数量级【1 l 。因此，在通信电台、微波通信设备、程控电话交换 机、无线电综合测试仪、航空航天、移动电话发射台等通信系统、导航、通用仪 器等军用、民用电子设备中应用十分之泛。 温度补偿晶体振荡器经历了从模拟温度补偿( t c x o ) 到数字温度补偿 ( d t c x o ) ，再到微机温度补偿( m t c x o ) 的发展历程。微机温度补偿晶体振荡 器目前有两种型式：第一种m t c x o 可以称为“传统型 ，它是直接从数字温度 补偿晶体振荡器升级而来的。近年来，随着i c 工艺的迅速发展，这种类型的 m t c x o 在综合指标上有了很大的发展，在体积、功耗、成本这几方面不比模拟温 补晶体振荡器差，而在频率稳定度方面比模拟温补晶体振荡器高很多，特别适合 取代模拟温度补偿晶体振荡器。第二种m t c x o 可以称为“先进型 。这类 m t c x o 为了消除石英晶体谐振器热滞后的影响，目前普遍采用双c 模自温敏温 度传感器，l a t e r a lf i e l ds c 切晶体谐振器，d d s 频率综合器等新技术，成为较少 的能将频率稳定度提高到1 0 。8 量级的温度补偿晶体振荡器【2 】。但是它在体积和功耗 方面比模拟温度补偿晶体振荡器略差，而且成本比较高，是温度补偿晶体振荡器 的高端产品。目前，我国在温度补偿晶体振荡器的研究与生产方面与国外相比还 有很大差距，微机补偿晶体振荡器的实用产品也很稀少。 1 2 1 温度补偿晶振的主要性能指标 ( 1 ) 输出标称频率 输出标称频率是指要求达到的标准频率，通常用厶表示。 ( 2 ) 频率精度 2 第一章绪论 频率精度是指晶体振荡器的输出的实际频率和标称频率之间的偏差，分为绝 对频率精度和相对频率精度，分别用式( 1 4 ) 和( 1 2 ) 表示。 = f f o ( 1 - 1 ) 一a f ：丘五 ( 1 2 ) 一= 一 i 一， 氏 晶体振荡器的频率精度主要取决于谐振器的频率精度。目前，通常采用1 2 式，与特定频率相比的偏移的百万分之几( p p m ) 来表示。 ( 3 ) 频率稳定度 频率稳定度分为三种，包括频率长期稳定度、频率短期稳定度和瞬时频率稳 定度。 频率长期和短期稳定度 长期稳定度是指在一天、一月、一年等时间间隔内频率的最大变化值，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，通常都用相对频率 稳定度6 来表示，如式( 1 3 ) 所示： f 厂一f o i 。 6 ；f o t( 1 3 ) 式中，t 为时间间隔。 频率瞬时稳定度 频率瞬时稳定度是指秒或毫秒内频率的随机变化，它是由晶体振荡器的“相 位噪声”引起的【3 1 。通常用阿仑方差来计算秒级频率瞬时稳定度，公式如( 1 4 ) 所 示： 们= l i m1 茅砉砉( 砜瑚 ( 1 - 4 ) ( 4 ) 温度频差 温度频差是指在给定温度范围内频率准确度的最大变化值，一般用式( 1 5 ) 给 出的相对温度频差表示： 如；匕弓掣亏变化范围 如= 五名度变化范围 ( 1 5 ) 电子科技大学硕士学位论文 上式表示的是最坏情况下的温度频差计算，因为这一指标是建立在大量观测 基础上的统计值来表征的，任何一个突发干扰都会使这个指标变得很差。目前温 度补偿晶体振荡器的温度频差在1 0 - 6 1 0 。8 量级，正向1 0 。9 量级这个方向发展。 ( 5 ) 输出电压幅度稳定度 温度补偿晶体振荡器的输出电压幅度稳定度与电源电压稳定度、温度变化范 围等有关。输出电压幅度相对稳定度用在给定的温度变化范围内输出电压的最大 变化值与室温( 2 5 ) 时的输出电压值之比来表示。温度补偿晶体振荡器输出电压 的有效值一般为0 3 v 2 5 v 。该稳定度经常采用p p m 来表示。 ( 6 ) 功耗 温度补偿晶体振荡器的功耗等于直流电源端供给的电流，乘以电压u ，依不同 的温度补偿方式、电路类型和选用器件的不同而差别较大，常见的功耗指标大约 在2 5 m 5 0 0 m w 范围内。 ( 7 ) 重量和体积 随着频率器件的小型化，目前希望温度补偿晶体振荡器的体积越小越好，重 量越轻越好。目前最小的温补晶振的体积可以达到大约2 4 m m 3 ，重量在l o g 1 4 0 9 左右【4 】。 1 3 国内外温度补偿晶体振荡器的研究现状 目前，温度补偿晶体振荡器主要分为模拟温度补偿晶体振荡器和数字温度补 偿晶体振荡器。温度补偿晶体振荡器的研究主要在于其稳定度、老化率、工作温 度范围、体积、重量、开机性能等性能指标的研究。目前，温度补偿晶体振荡器 的发展方向越来越向高稳定化、小型化、低功耗、低相位噪声的方向发展。 目前，国外在晶体振荡器的温度补偿方面已经取得了长足的进展。针对国外 晶体振荡器的发展状况，本文主要查阅了国外一些新出现的产品手册。表1 1 列出 了目前国外的几种温补晶振的性能指标。 4 第一章绪论 表1 - 1 目前国外的几种温补晶振的性能指标 型号 t x 5 0 8w t c 7 0 5 at c f 4 频率 1 0 - i o o m h z 2 m h z 5 0 m h z1 0 5 2 m h z 稳定度 2 xl o 7 ( 0 2 p p m ) 2 x 1 0 7 ( 0 2 p p m )+ _ 5 x 1 0 。7 ( 0 5 p p m ) 温度范围 4 0 + 8 5 5 5 + 8 5 4 0 + 8 5 老化率 1 0p p m y e a r l x l o 8 d a y 1 0p p m y e a r 输出类型h c m o s h c m o s 厂】_ r l 0 8 - 1 1 v p _ ps i n e 电源电压 3 3 v3 0 5 0 v1 7 v 3 5 v 体积 5 9 m m ( h e i g h t )s m d ( 7 0 x 5 0 x 2 0 m m ) 2 0 x 2 5 m m 重量 8 0 9 0 1 3 9 生产公司 v e c t o ri n t e r n a t i o n a lw i n t r o nt e c h n o l o g yp l e t r o n i c s 从表1 - 1 的指标可以看出，目前各种温补晶振的总体发展趋势为向高精度化、 小型化、低功耗化等方面发展。 从频率稳定度方面来看，w i n t r o nt e c h n o l o g y 生产的w t c 7 0 5 a 系列t c x o ， 频率精度可达到2 x l o 。7 ( 0 2 p p m ) 一5 5 - 一8 5 。c 。频率的稳定度是考察t c x o 最主要的性能指标，大约每1 0 年就能提高一个数量级【5 1 。目前国外的温度补偿晶 体振荡器的频率温度稳定度大多为1 0 7 量级，已经达到一个相当先进的水平，完 全可以工作在各种温度变化范围大但要求高精度的场合。 从功耗方面来讲，目前大部分的温补晶振的功耗在5 0 - 1 5 0 m w 范围内，微机 温补晶振的功耗可以达到很小4 0 r o w 甚至更小，这与目前采用的各种芯片的低功 耗有很大关系。 在体积方面，目前国外的市面上已经有很多s m d 封装的产品，可以达到很小 的体积，w i n t r o nt e c h n o l o g y 的w t c 7 0 5 a 系列的体积为7 0 x 5 o x 2 o m m 丑引。 p l e t r o n i c s 的t c f 4 系列芯片实现了2 0 x 2 5 m m 的l c c 陶瓷封装。2 0 0 9 年日本京瓷 株式会社已开始批量生产用于g p s 系统的t c x o 系列，其尺寸为 2 0 n - a m x l 6 m m 0 7 5 m m ，这是世界上最小、最薄的t c x 0 1 7 1 。美国、欧洲及日本 晶体振荡器供货商采用专属的t c x o 振荡器i c 晶粒，大大减小了t c x o 的体积。 在t c x o 的发展过程中，体积已经缩小到1 0 0 倍，可见t c x o 的发展很大程度体 现在其体积上。 5 电子科技大学硕士学位论文 日本作为在晶体振荡器行业发展最快的国家，在精密t c x o 的研究开发与生 产方面的发展更是居于世界前列。在日本业内，有多家公司掌握了先进的晶振补 偿技术。日本京陶瓷公司掌握了独特的回流焊接技术，他们生产的表面贴装t c x o 的厚度由4 m m 降到了2 m m 。日本东泽通信公司生产的t c o - - 9 3 5 9 3 7 片式直接温 补型晶体振荡器，频率温度特性为- , 1 p p m 一2 0 0 c + 7 0 。c ，重量仅为1 9 【8 】。由此 可见，国外温度补偿晶体振荡器正在朝小型化，低功耗，高频率稳定度方向飞速 发展。 目前国内在晶体振荡器的温度补偿方面也做了很多研究。针对国内的研究和 发展现状，主要查阅了国内一些公司生产的t c x o 的数据手册。其中表1 2 列出 了目前国内典型的温度补偿晶体振荡器的性能指标。 表1 2 国内的几种温补晶振的性能指标 型号c t $ 5 7 5t f 3 2 2 5s m d 5 0 3 2 频率 1 0 - 3 6 m h z1 2 - 5 0m h z 1 0 2 6 m h z 稳定度 0 5 - 5 0 p p m0 5 - - + 2 5 p p m o 5 p p m 温度范围 4 0 + 8 5 一4 0 + 8 5 4 0 + 1 0 5 老化率 - + l p p m y e a r = 1 0 p p m y e a r 输出类型 s d 忸 0 8 v p - pm i n0 8 v p _ p s i n e 电源电压 2 8 - 5 v3 3 v d c _ 5 + 3 3 v d c - + 5 工作电流1 5 m a = 2 m a 生产公司亿豪c t s锦天同业科技博亚电子 从表1 2 中可以看出，目前国内1 0 6 量级的温度补偿晶体振荡器也已经达到了 大规模生产的阶段。中国厂商虽然拥有的产能较大，但产品多偏向中低端，在s m d 化、小型化、低噪声化、高精度、高稳定度、高频化等特性的研发和生产上仍较 为落后。与日本等其它国家相比，国内高端产品较少，体积，重量和功耗这些指 标都远不如国外的产品。主要原因在于国内的半导体工艺技术与国外差距较大， 不能为晶体振荡器的温度补偿提供专用的集成芯片。并且由于国内表面安装技术 ( s m t ) 起步较晚，尚未成熟。而且目前国内温度补偿晶体振荡器的设计主要是采用 传统的模拟温度补偿法，补偿精度较低，而且对各温度段电阻的调节非常复杂， 不能达到高精度，低功耗，小体积。但是，国外t c x o 的技术水平的提高并没达 第一章绪论 到极限，创新的内容和潜力仍然较大。由此看来，高精度、低功耗和小型化，仍 然是国内t c x o 的研究课题。 1 4 本文的研究目标和主要内容 本文主要针对环境温度对晶体振荡器输出频率的影响这个问题，开展了对a t 切晶体振荡器的低相位噪声温度补偿技术的研究。由于目前国内温度补偿晶体振 荡器的温度稳定度大都只能达到2 5 x 1 0 巧( 2 5 p p m ) 左右，这个指标对于一些应 用在环境温度范围变动较大而且对频率精度要求较高的通信导航仪器和设备仍然 不能完全满足。鉴于此，本文的研究目标是要求将晶体振荡器的温度频率稳定度 达到2 5 x 1 0 。( 0 2 5 p p m ) ，而且要求达到较好的相位噪声指标，在满足以上要求 的同时，本文的目标尽可能将功耗和体积减小。本系统的主要性能指标设计要求 如表1 3 所示： 表1 - 3 性能指标要求表 指标名称指标要求 标称频率五 2 1 4 m h z 频率温度稳定度 - - + 0 2 5 p p m 输出波形正弦波 电源电压 5 v 功耗电流 = 2 0 m a 输出阻抗5 0 0 二次谐波抑制 3 0 d b 相位噪声 一1 4 0 d b c h z 1 k h z 工作温度范围4 0 + 8 5 根据以上提出的性能指标要求，本文研究了a t 切晶体振荡器的频率温度特 性，分析并比较了各种补偿技术，最终采取了微处理机温度补偿的方法。通过对 主振电路和补偿网络的软硬件设计，不仅提高了2 1 4 m h z 晶体振荡器的温度频率 稳定度，而且降低了晶体振荡器相位噪声。本文的主要研究内容有： ( 1 ) 研究了a t 切晶体振荡器的频率温度特性以及温度补偿的原理； ( 2 ) 讨论了目前传统的补偿方式，并对各种补偿方法的优劣进行比较； 7 电子科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 提出了本设计采用的方案，并详细分析了本设计采用的v c x o 主振电路和 补偿网络电路； ( 4 ) 研究并选择了分段温度插值算法，并设计了微机温度补偿晶体振荡器的软 件； ( 5 ) 本设计通过多次实验对2 1 4 m h z 的温度补偿晶体振荡器进行了测试，通过 程序优化，最终使频率温度稳定度达到了o 2 5 p p m 一4 0 + 8 5 ； ( 6 ) 本设计研究了降低晶体振荡器相位噪声的原理与方法，并通过滤波电路的 设计及其它方法使2 1 4 m h z 的m t c x o 的相位噪声指标达到1 4 7 d b c i - i z 1 k h z 。 8 第二章晶体振荡器的温度补偿原理和方案选择 第二章晶体振荡器的温度补偿原理和方案选择 本章主要介绍了晶体振荡器的温度补偿原理以及传统的补偿方法，并比较了 传统补偿方法的优势和劣势。根据指标要求和实现的难易程度，选择了晶体振荡 器的微机温度补偿。 2 1 石英晶体振荡器的物理电气特性 晶体振荡器振荡电路的主要作用就是把直流电能转换成稳定的具有特定频率 与幅度的交流电能，这种转换是在石英晶体谐振器的参与下进行的。晶体振荡器 的原理图如图2 - 1 所示。 图2 - 1 晶体振荡器的原理图 由图2 1 中可以看出，晶体振荡器是一个闭环系统，它是由一个含有晶体的选 频网络和一个放大器组成的正反馈放大电路。它的振幅不断增大直到器件的非线 性作用使环路的增益减小到1 为止。同时，振荡频率会自动调整使环路的总相移 等于0 或3 6 0 。 9 1 。 振荡器的输出频率由晶体谐振器组成的选频网络来决定。因此，晶体振荡器 的频率温度特性基本上取决于石英晶体谐振器的频率温度特性。 晶体谐振器的主要由石英晶体构成。石英晶体的主要成份是s 0 2 ，晶格排列整 齐，每个晶体单元有三个硅离子和六个氧离子，正负离子分布为正六边形的形状，。 在没有作用力的情况下，正负电荷相互平衡，故没有外部带电现象【1 0 】。 石英晶体具有一种特殊的物理性能，即具有正、反压电效应。沿晶体的x 轴 9 电子科技大学硕士学位论文 或y 轴施加以拉力，则在垂直于轴的两个面上会产生异号电荷q 。而施加以压力， 则电荷的符号发生改变，电荷量的值基本均与所施加的力引起的形变成正比。这 种效应被称为正压电效应。与此相反，在垂直于电轴的两个面上加以交变电压， 则沿x 轴和y 轴方向石英会产生正比于电场强度的形变，这种效应叫做反压电效 应【1 1 】。 石英晶体的电气特性可用图2 2 所示的等效电路来表示。图中r d ，l 。，c 。的 串联谐振电路表示石英。静电容c 0 为石英晶体谐振器的分路电容，它由两个电极 间的电容和支架电容并联构成，主要决定于石英晶体片的尺寸和电极面积。等效 电感l 。相当于晶体的质量，主要取决于晶片的尺寸。等效电容c 。相当于晶体的等 效弹性模数，与晶片尺寸及泛音次数有关。等效串联电阻r a 相当于机械振动中的摩 擦损耗。 l qc q r q j 、 厂一v v vl i r 一 l c o 图2 - 2 石英晶体等效电路 由图2 2 可以看出，该电路有两个谐振角频率，包括串联谐振频率和并联谐振 频率。其中石英晶体的串联谐振频率，即石英晶体片本身的自然角频率： = 1 上q c g ( 2 - 1 ) 石英晶体谐振器的并联谐振角频率： 2 1 式中，c 为c 0 和q 串联后的电容。 得到a b 间的阻抗为： l o 1 2 丽 ( 2 - 2 ) 第二章晶体振荡器的温度补偿原理和方案选择 ( 2 3 ) 乙一叫击，五1 - t o 万；w 2 ( 2 - 4 ) 由式( 2 4 ) 可得，当c o ，或 时，电抗为容性；当在p 和之 间时，电抗为感性【1 2 1 。石英晶体谐振器的阻抗和电抗特性曲线如图2 - 3 所示。 f e 0阢卿掣 喜艘昏 讹目 每性区 7 l 图2 3 石英晶体谐振器的阻抗特性与电抗特性 由图可知，在串联谐振频率处石英晶体的阻抗最小，约等于等效电阻r q ， 而在并联谐振频率，处石英晶体的阻抗最大。石英晶体振荡器工作在晶体谐振器 呈现感性的角频率，和之间的频带内，故对频率变化具有极灵敏的补偿能力， 因此具有非常高的频率稳定度。 2 2a t 切石英晶体的频率温度特性 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。晶体谐 振器的频率温度特性与晶体的切形有很大的关系，而对于同一切型，其频率随温 度变化的幅度大小主要取决于切角的方位。 晶体振荡器中所使用的石英晶体都是按一定方位切割出来的。垂直于x 轴而 沿y 轴切割的，称为x 切型，垂直于y 轴而沿x 轴切割的，称为y 切型。目前 电子科技大学硕士学位论文 使用最多的是按方位角0 ；3 5 。1 0 切割出来的石英片，称为a t 切型石英晶体【1 3 】。 用a t 切石英谐振器制作的晶体振荡器，其频率随温度的变化关系在宽温度范 围为三次曲线，如图2 4 所示。 一 劂孵黟 毛 卜i 理想的频率温度特恺 图2 4a t 切晶体谐振器的频率温厦特性 目前已经证明由a t 切晶体谐振器构成的晶体振荡器，其振荡频率可由式( 2 5 ) 的频率温度特性方程表示。 f = 五【1 + 口0 仃一毛) + b o ( r 一毛) 2 + c o ( t - t o ) 3 】( 2 - 5 ) 式( 2 - 5 ) 中t 为任意温度；死为参考温度( 通常为2 5 c ) ；石为在参考温度t o 时的频率；a o 、b o 和c o 分别为在参考温度为t o 时的一级、二级和三级温度系数。 根据a o 、b o 和的数值大小，频率温度特性曲线可分为三种类型。a t 切的晶体基 本上是一种高频晶体，它通常用于1 1 5 0 m h z 频率范围的谐振器。当然上式是频 率温度特性曲线的理想情况，实际中测得的频率温度特性曲线中有可能存在跳变， 也有可能不存在拐点或为不规则的曲线。因此，本设计是建立在理想的a t 切频率 温度特性曲线的理论基础上。对式( 2 5 ) 求偏导，可得式( 2 6 ) 。 弓= 熹= a o + 2 6 0 ( i 一t o ) + 3 c o ( t 一瓦) 2 ( 2 6 ) ，0 u 式中，l 为任意温度t 时的频率温度系数。 从这个公式可以看出，a t 切石英晶体谐振器的振荡频率不仅与温度呈近似三 次函数的关系，而且具有零温度系数，并且零温度系数点瓦落在大气环境温度的 范围内。因此，a t 切谐振器制成的振荡器的频率温度特性对于温度特性的补偿是 1 2 第二章晶体振荡器的温度补偿原理和方案选择 良好的基础。 2 3 温度补偿的基本原理 由晶体谐振器的谐振模型可以看出，晶体谐振器串联一个电抗器会引起晶体 谐振频率的偏移。如果采用一个可变的电抗器，而且在温度变化的情况下电抗值 的变化与谐振器的频率偏移相反的话，就可以减小频率偏移，并可大大改善温度 系数。因此，可以采用在晶体谐振器支路串接变容管的方法，根据温度的变化改 变其电抗值来调节振荡频率。 由石英谐振器的频率温度特性方程加上补偿电压后方程如式( 2 7 ) 所示。 厂= 厶1 1 + ( 丁一t o ) + 6 0 ( r t o ) 2 + c o ( t t o ) 3 + 口_ i e l i l + k v u x ( 2 - 7 ) lj 式中r o 、t 、a o 、b o 、c o 、五在公式( 2 - 5 ) 己作介绍，万为动态温度系数，万= 1 0 。5 s 。c ； 以为变容管的压控系数，单位为h z v ；u r 为加于变容管两端的控制电压。 由a t 切晶体谐振器的频率温度特性图可以看出，在一1 5 - - - + 5 0 的温度范围 内，随着温度的升高谐振器的振荡频率降低。因此，在这个温度段，随着温度的 升高只要将变容管的电抗值相应的调小，就可以使振荡频率相对变高，从而减小 频率偏移。因此，这个方法的关键问题是使变容管的电抗值随着温度的变化而发 生适当的变化，从而刚好可以降低频差。由于变容管是压控元件，所以可以采用 调节其两端电压的方法来改变电抗值。应用于本设计中，这个调节电压是一个反 向控制电压u r ，并要使u r 的变化规律也为三次曲线，而且它的u r 一丁曲线要与 厂一t 曲线与的变化呈相反趋势，如图2 5 所示。理想的补偿结果是j ( r ) = f o 。实 际的补偿结果只能将振荡频率补偿到接近于五，设此时的f = 兀，代入( 2 7 ) 式中， g l j - - j 求出在给定误差( a f = f o 一五) 要求下的控制电压。此时的表达式如式 ( 2 8 ) 所示： u k 譬一乏陋一t o ) b o ( t - t o ) 2 + c o 口粕3 瓶鲁1 ( 2 - 8 ) 1 3 电子科技大学硕士学位论文 l 图2 - 5 控制电压与温度的关系特性曲线 补偿网络的最主要作用是生成相应的控制电压，进而对频率随温度变化的 频移减小，甚至完全消除。本设计的微机温度补偿晶体振荡器的组成如图2 - 6 所示。 图2 - 6 温度补偿晶体振荡器的基本组成 温度传感器将感知的晶体谐振器周围的环境温度信息通过a d 转换成数字 量，然后送到控制电压存储器。在控制电压存储器内，事先保存有采用特定逼近 算法得到的各温度范围内的补偿电压值。在收到数字温度量后，控制电压发生器 将产生的控制电压u r 通过d a 转换成模拟量送入晶体振荡器，反向加在串接于晶 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。 只要产生的控制电压合适，在理想情况下就可以使频率温度特性趋于理想曲线 f ( t ) = 磊，从而晶体振荡器的温度特性就得到了补偿。 1 4 第二章晶体振荡器的温度补偿原理和方案选择 2 4 温度补偿方案选择 根据温度补偿的原理，目前的补偿方法主要包括模拟温度补偿方法和数字温 度补偿方法以及一些模数混合的补偿法。 对于模拟温度补偿方法，各种补偿电路最主要的区别在于补偿电压获取方式 的不同。目前，最主要的补偿电压获取包括热敏电阻补偿网络和三次电压发生器 补偿法。 对于数字温度补偿晶体振荡器，按温度补偿技术的不同，通常可分为数字式 温度补偿晶体振荡器( d t c x o ) 和微处理器温度补偿晶体振荡器( m t c x 0 ) 两 大类。d t c x o 主要适用于温度频差减小1 0 0 倍左右的场合，m t c x o 适用于温度 频差减小1 0 0 0 倍左右的场创1 4 】，其温度变化范围均在4 0 , - - - , + 7 0 。c ，甚至更宽。 下面主要对以上几种类型的温度补偿法进行介绍和对比，并选出本设计采用 的补偿方法。 2 4 1 热敏电阻补偿法 热敏电阻补偿网络主要由热敏电阻器和固定电阻器组成。由前面已知a t 切 晶体谐振器在宽温度范围内具有一条近似为三次曲线的频率温度特性曲线，频率 稳定度在1 酽1 0 。5 量级范围内。为补偿这种由温度变化引起的频移，t c x o 利用 热敏电阻补偿网络产生随温度变化的电压施加于变容二极管两端，使变容二极管 的电容量产生变化从而保持晶体振荡器的输出频率基本不变。该方法的结构原理 图如图2 7 所示。 热敏电阻 补偿网络 晶 j | i 帆 i 体 振 荡 器 图2 7 热敏电阻补偿网络法结构原理图 热敏电阻目前可以分为三类，分为正温度系数热敏电阻，负温度系数热敏电 阻和临界热敏电阻【1 5 】。正温度系数热敏电阻的阻值会随温度上升而增加；负温度 系数热敏电阻的电阻值随温度上升而呈指数减小；临界热敏电阻器的电阻值在某 1 5 电子科技大学硕士学位论文 一特定温度附近随温度上升而急剧减小。基于热敏电阻的这个特性，热敏电阻补 偿网络会产生随温度变化的补偿电压。补偿电压的获取首先要固定晶体振荡器的 输出频率保持不变，然后改变晶体振荡器的环境温度，重新调节施加于变容二极 管两端的反向偏压至到保证晶体振荡器的输出频率基本不变再记下当时的电压 值。 热敏电阻补偿网络的设计主要包括补偿网络型式的选取和补偿网络参数的优 化计算。热敏电阻补偿网络型式的选取主要取决于t c x o 的频率稳定度和所使用 的晶体谐振器的频率温度特性。不同型式的热敏电阻补偿网络具有各自不同的补 偿特点。网络参数的计算结果直接影响到补偿网络的补偿效果。 热敏电阻补偿网络型式有多种，比较常用的有：简单r 型网络，单r 型网络， 复杂r 型网络，桥式网络。常用补偿网络型式图如图2 8 所示。 ( a ) 简单r 型网络；( b ) 单r 型网络； ( c ) 复杂r 型网络；( d ) 双r 型网络。 图2 8 常用补偿网络型式 要求提供给变容二极管的电压包括：一次直线型、二次曲线型和三次曲线型。 图2 8 所示的三种补偿网路型式正是为了提供这三种曲线型式而设置的。由于a t 1 6 第二章晶体振荡器的温度补偿原理和方案选择 切石英晶体谐振器具有三次频率温度特性曲线，故要采用双r 型网络也即三次电压 补偿网络。三次电压补偿网络的输出电压如公式( 2 - 9 ) 所示。 以；e 鲤姿盟_ ( 2 9 ) 。 五( 丁) 六( 丁) + 石( 丁) 【厶( r ) + 六仃) 】 式中， 胴哪者貉 胛m + 等貉 五( 丁) = 恐+ r 。( r ) 从上面的公式可以看出，补偿网络瓯是一个随温度变化的量，且表达式比较 复杂，通常要采用计算机来求解补偿电压。而且，计算网络参数也即确定电阻的 阻值，进一步确定随温度变化的电压矾。对于补偿网络参数的确定，首先需选择 合适的网络参数计算方法，计算方法确定后，就可编制网络参数计算程序，优化 计算出补偿网络参数。 热敏电阻网络补偿法的优点在于能够很好地补偿具有各种频率温度特性曲线 的谐振器。而且模拟补偿网络可以很好地改善相位噪声。 热敏电阻补偿法的主要缺点在于精度不够高，通常只能达到5 p p m 左右【圳。而 且补偿网络的设计比较复杂，补偿网络的参数计算需耗费大量的工作量。虽然可 以通过计算机程序实现计算复杂的补偿参数，但是由于热敏电阻元件本身参数存 在误差，所以在补偿网络设计出来后还需进行繁琐的微调过程，从而制约了这个 方法的广泛应用。对于本文的研究目标，这个方法不能适用。 2 4 2 三次电压补偿法 目前的温度补偿晶体振荡器被广泛用在通信设备中，对它的要求主要是高稳 定度和短的开机运行时间。而对于环境温度迅速变化的情况下的稳定性关注较少。 而且，由于晶体振荡器的质量较小且缺乏绝缘性，在温度变化的情况下平滑作用 很弱。在这种情况下，晶体振荡器、热敏元件和振荡器的其它元件受温度变化影 响造成恶化的温度补偿效果。因此，为了实现高稳定的t c x o ，只在缓慢温度变 化的情况下实现温度准确度是不够的。必须采取措施来降低温度震动和强烈的温 1 7 电子科技大学硕士学位论文 度变化造成的影响。为此，出现了三次电压补偿方法，其原理图如图2 - 9 所示。 图2 9 三次电压发生器温度补偿晶体振荡器原理图 使用三次电压发生器的模拟t c x o 可达到一个比热敏电阻网络温度补偿方法 更准确的理论值。这种模拟温度补偿晶体振荡器主要包括温度传感器、三次补偿 电压发生器和压控晶体振荡器( v c x o ) 三个部分【1 7 1 。温度传感器部分采集环境温度 值并转化为相应的模拟电压信号；补偿电压发生器是产生补偿电压信号的装置。 它的工作过程为：将温度传感器输出的随温度变化的模拟电压信号输入补偿电压 发生器，补偿电压发生器输出温度补偿电压信号；v c x o 在温度补偿电压的作用 下输出所期望的稳定频率信号。 该补偿电路的主要组成部分是三次电压发生器。三次电压发生器包括高温段 电压转换电路，低温段电压转换电路，线性部分电压转换电路和电压求和电路。 高温部分、低温部分和线性部分电路分别将温度传感器输出电压转换成高温段补 偿电压、低温段补偿电压和中间线性段的补偿电压；最后将这三个电压信号经电 压累加电路叠加成为整个v c x o 的温度补偿电压。对于该补偿电路的高温和低温 段的区分，由a t 切石英晶振的拐点温度作为一个边界点，通过一个转换电路开关 进行转换。 三次电压发生器的温度补偿方法的优点在于调节简单，只需微调高温部分、 低温部分和线性部分各自的微调电阻，就可以调整各自区间的电压温度曲线斜率， 使其与实际的晶体振荡器所需的压控补偿电压的特性接近一致。所以，这种方法 1 8 r i li i i i i，i i i 一 第二章晶体振荡器的温度补偿原理和方案选择 被应用于集成温度补偿晶体振荡器的制作上。 该方法的缺点在于补偿的精度不够高。每个温度段都只有一个用于微调的电 阻用于调整斜率，因此，没有该方面工程经验会产生较大的补偿误差。典型的补 偿结果为l - 5 p p m ，