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东北石油大学本科生毕业设计（英文资料及中文译文）The Design of a Microcontroller TemperatureCompensated Crystal Oscillator (pCTCXO)and Automatic Compensation Line 设计一个单片机的温度补偿晶体振荡器 (pCTCXO)和自动补偿线原文摘自Institute of Science & Technology of China专业： 自动化 班级： 08-3班 姓名： 酒淳波 学号： 080601140325 二零一二年四月一日设计一个单片机的温度补偿晶体振荡器(pCTCXO)和自动补偿线Dejan HabiC, Aleksandra Pavasovik, and Dragan VasiljeviC摘要-一个全新的设计理念关于单片机温度补偿晶体振荡器(pCTCXO)中的补偿电路和相应的全自动振子校准生产线(ACL-自动补偿线)。pCTCXO通讯能力提供自动校准功能。缩短逐次逼近标定算法给出一个短的校准时间和一个基于ACL系统可靠的收敛性调整时间。pCTCXO是一种廉价装置能密封在一立方英寸的体积内。通过放置在EEPEROM中的9位A/D转换器，10位的D/A和512字节的软件在-40、+85温度范围内，可得到0.5ppm的频率准确度。除了标准的实验记频器,ACL系统,温度室和PC主机，只需要两个额外的板:一个模拟多路转换器器板和一个接口板。在生产和校准时ACL系统可以在同一温度运行时同时补偿许多振荡器,不需要组件的选择和人类的监督。 1.说明在模拟温度补偿晶体振荡器(TCXO)中,一个变抗器提供频率降低来减少振荡频率和温度漂移。温度感应补偿网络用于产生变抗器电压。补偿网络调整工作需要三到五个温度周期,这取决于频率稳定性。为了加快生产,计算机辅助方法在挑选过程中使用的补偿网络原理1、2先进的集成电路技术中引进了数字温度补偿技术(DTCXO)。相比之下模拟TCXOs为宽温度范围提供更高的精度并简化调整程序导致所需的温度循环变抗器数量较少。最初的DTCXO解决方案是基于一个保存在非易失性存储器的补偿电路3-6检查表。一个几乎线性分布的温度传感器产生施加于A/ D转换器的电压。A / D输出被用作存储器地址。选定的储存器位置内容符合变抗器电压此电压对振荡器频率漂移补偿1,2是必须的。一个D/A转换器数码储存器内容回到了模拟变抗器电压。在单片机补偿晶体振荡器(MCXO)中,单片机被添加到易失的储存器,从而改善了补偿的灵活性。A / D转换器给出温度数字形式。这些数据是用于单片机产生并可用一个小检查表插值计算的变抗器电压7。这种技术的变形是一种双向MCXO8-10 由晶体本身制成的温度传感器和基于直接数字频率合成技术的频率调整器构成,而不是随频率牵引。本文所介绍的概念是以单片机补偿晶体振荡器(pCTCX0)适合生产全自动为核心的。该振荡器补偿电路由单片机完成。它是一个小、功耗低、设备与许多资源便宜和具有沟通的能力,由一个自动补偿校正线(ACL)组成的振荡器。该概念提供了非监督性和密封中的温度补偿晶体振荡器完全自动化性，而不是在单一温度组件选择运行。许多振荡器可能同时校准生产或被用户重新调整。该补偿概念既支持数字补偿方法:双模式经典MCXO也支持依赖变抗器二极管MCXO温度电压。本文阐述了pCTCXO和ACL系统的设计。pCTCXO的设计在第二部分阐述。自动化生产线ACL在第三部分提出。最后,实验结果在第四部阐述。2. pCTCXO的设计 pCTCXO设计目标是实现已封闭单位标准组件装配的全自动温度补偿。 pCTCXO框图由图1显示。温度传感器电压是由一个数字化的A / D转换器组成。CPU接受温度数据,发现相应的查表数据中形成的校验数据，和使插值计算电压在振荡器的VCO输入来命名输出频率。电压转换回路模拟形式通过D / A转换器。 图1.pCTCXO框图温度补偿是由经典数字补偿方法和最少的组件实现的。该方法是非常灵活并允许一个宽温度传感器的选择、控制算法,成分,水晶单位等。通用的8位单片机所提供的必要的资源,为描述补偿电路的实现。CPU提供可编程计算能力。查找表保存在一个EEPROM中。模拟量是通过A / D和D / A转换器连接到微机。最后,单片机的能力是由许多振荡器通过完全自动化的ACL线允许校正的沟通的。振荡器是获得识别由硬件键连接到单片机的数字输入口。硬件键可能pCTCX0的本身一部分,或者相对应的振子插座测量板。有两种操作模式的pCTCXO:校正模式与自主模式。自主模式是主要运作模式并且振荡器总是在正常使用时运作这个模式。在校正模式时操作该振荡器只有温度补偿嵌入在ACL线的槽内。简单的软件控制自主运行pCTCXO动作的控制包括A / D，D / A子系统和搜索插值的数据检查表。补偿精度决定于部件的质量(A/D, D / A,EEPROM大小、晶体迟滞等)。pCTCXO之间的沟通和ACL系统在校准时是实现异步串行界面ACL校准软件所控制的。为了测试试验上述概念和ACL线、三个简单p0.5 CTCXOs已建成。 目标频率稳定性是指ppm在-40 到+ 85 温度范围内。 pCTCXO的设计将被阐述为通过一个基本材料简短的描述。压控晶体振荡器(VCXO)pCTCXO的VCXO部分是一个振荡器振子在切割晶体,TCXO以前用于商业,因为它的特性已经完全适用于TCXOs。晶体单位的频率-温度曲线光滑,否则频率稳定度会由于插值而被削减。和预期的相比,整体频率稳定性(0.5 pprn)滞回足够小( 0.1 ppm)。振荡频率是8兆赫兹,输出电压HCMOS兼容、振荡器功耗在9V直流电是9.5毫安。被分离的电线数字部分(补偿电路)和VCXO部分为了降低噪声影响数字输出信号.两个供给振荡电路传感器和A / D转换电路是过滤温度传感器温度传感器应是小的,而且也不贵。温度精度并不是必需的,但是必须有重复性。所需的温度敏感性是由振子频率稳定性决定的。线性不是至关重要的。许多种商业温度传感器或多或少都满足上述要求:白金(Pt),热敏电阻器(NTC),硅(Si)和石英(Xtal)传感器。因其体积小价格低廉而选择一个硅传感器。其温度系数是0.75% /在-55到150的范围内。额定电阻R在室温(25)= 4 KOl %。线性度好,特别是在极端气温下。这传感器的灵敏度在一个电流模式电路使用中得以提高,用BJT简单的电源.虽然它目前有相同的温度依赖性的晶体管,基级向发射极电压Vbe,此温度依赖性是无关紧要的,因为任何电流在振荡器考虑温度补偿的情况下会随温度变化而变化。为了正确操作电路,唯一相关参数是重复性的电路输出与通过这条电路的温度。选择当前值是大的敏感度和小的损耗的折中，值选1毫安时，将导致电路输出电压约3.75V，同时使耗散和传感器自行发热降低（4mW传感器）。 为了保持温此传感器及晶体到最低限度的温度差别,它们将被安装并排在印刷电路板。不幸的是,温度时间常数小得多的传感器即晶体单元(10s与70s)影响了振子动态稳定性。单片机块单片机块的主要部分是pCTCXO的温度补偿网络。低成本使用单片机芯片,为了保持该振荡器价格低。在单片机块执行A / D和D / A转换、校验和它产生的依赖于变抗器电压温度。pCTCXO的频率稳定度主要取决于精密的A / D和D / A转换器。相对频率误差E是由于转换1:如下:Tm是最大温度范围85(-40)= 125C);S是晶体(1.8 ppmC)的频率-温度曲线最大斜度b,是A / D转换器的位数;bt是D / A转换器的位数;(f / f)max在操作相对晶振频率范围(50ppm）最大与最小的比值相应的pCTCXOs样品价值在括号内给出。在第一项(1)是由于A / D转换,二是由于D / A转换。宽温度范围,第一项是更大的然后第二个。因此,很大程度上错误取决于所选择的A / D转换器。为了实现理想的0.5 ppm频率稳定度,A / D转换器应至少为8位。单片机CPU的主要职责是查找表搜索和计算插值的值。虽然任何处理器都可以执行这些任务,最简单的(最便宜的)组件可以被使用,也就是说,一个8位的CPU是足够的。唯一CPU的需求是它应该有一个定时器电路和乘法搜索和索引表的能力。CPU的速度并不重要,因为其热处理是相对缓慢。EEPROM的大小取决于查找表的大小依次取决于补偿算法以及要求振荡器稳定。应对自主模式的代码运行预留足够的空间这也同样放置在EEPROM。摩托罗拉68 HC11,8位单片机应用于pCTCXOs样品,因为它最符合上述的所有要求。EEPROM和ROM都是512宽字节。EEPROM编程软件控制和使用它储存的查找表和自主模式的代码。一个内含的A / D转换器也是选择单片机的一部分。定时器函数是用来产生真正的时间中断信号、D / A转换脉冲脉宽调制。整个补偿电路耗散为在10毫安5伏直流电。图2 ACL系统方框图通信资源在单片机串行通讯接口(SCI),一个全双异步系统能够装好并接如一个网络,作为“pCTCXO的通讯接口。串口设有独立的CPU可以设置中断或设置模式。通信速率和其他通信参数受软件控制。串口使许多振荡器连接到一个简单的标定串行总线,因此许多振荡器可同时进行。该振荡器地址设置的输入端口的其中一个是(端口C)利用单片机的端口。地址在范围从0到255,使254振荡器连接到总线(图2)。在每个控制器和振荡器之间的数据交换之前，地址也改变。这与接收振荡器地址数据相一致,另一个振荡器等待下一个地址。A / D转换器A / D转换器是一个与连续近似算法进行转换的比特率转换器。调整和操作A / D转换是软件控制。转换器也可以打开和关闭,这也可以降低功率消耗。为了减少由于A / D转换的频率误差将E = 0.43 ppm根据(1)为一个8位的转换器,额外的位转换加上一半的的转换电压用一个电阻分压器和模拟多路转换器。9位A / D值的最高位被送给模拟多路复用器控制信号的价。因为A / D输入电压的范围是3.75 V、由于A / D转换频率误差是E = 0.3 ppm。D / A转换器PWM(脉宽调制)D / A转换器使用两个定时器设置接入时间(ton)和关闭时间(toff)。给出了结果的直流电压公式:一个十位D / A转换器是通过把16位计数器编成十位计数器来实现的。相应的频率误差(1)是E = 0.02 ppm。这个周期被设为T =ton+toff=2毫秒来使筛选更容易。PWM技术D / A转换器的输出是连通一个带有1Hz截止频率和衰减频率为-40dB/decade的二阶滤波器。筛选是通过一个电阻提供一条通向接地过滤电容器通路来中断的。转换器的最大输出电压是4 V和最低电压是0 V。D/A输出电压值不依据CPU频率的他的参数调整。检查表检查表有一对温度-电压值。在一个特定的温度情况下温度是温度传感器的数字化输出(电压或频率,这取决于传感器类型)。电压是数位字,当给予D / A转换器输入时,变抗器电压的结果需要在那个温度点上把振荡器频率回到标称值。为了节约单片机的非易失存储器和校准时间检查表应尽可能小,大到足以保持足够小的推论错误而有效地降低了振荡频率的稳定性。考虑到由于转化(0.32 ppm)和目标频率稳定度(0.5 ppm)的误差,为其它来源的频率留下空间,最大插补误差max不会比0.1ppm更大1，7。如果插值是线性的的并且晶体单元的频率-温度曲线被假定为三阶最大的插补误差是1 1:其中T1和T2是插补完成时的温度，T=T2-T1，b2和b3是分别是晶体单位频率-温度曲线的二次和三次方系数。利用上述方程的最坏情况在常用的晶族中晶体系数和设置max 0.1 ppm,一系列25温度值如下-40，-36，-32，-28，-24，-20，-15，-10，-5,1,9,21,30,37,43,48,53，58，62，66，70，74，78，82，85 。应该值得注意的是T在中间温度范围内最终是较小的因为温度值观是9位长的,电压值有10位长,温度-电压是三个字节长(8位+ 8位+ 3位),导致在一个75字节检查表。应该指出的是,上述的分析是真的只有当晶体单位的频率-温度曲线是理想的(无迟滞,无间断,没有活动下降)。在我们的试验中使用晶体单位是高质量的。为了精密TCXOs制作,必须复合的不必要的偏差低于0.1 ppm的频率-温度曲线。 如果使用质量较差的晶体单位,或者是使用更高的稳定性振荡器,必须用一个高阶的A/ D转换器,例如一个10位A / D转换器代替8位转换器。用于pCTCXOs中的单片机族现在也可使用十位A / D转换器。如果这个选项使用,与前面所说的那样,转换引起的误差会下降到0.l ppm。pCTCX0软件为了使pCTCXOs正常工作,软件必须得到足够的发展。该软件可根据其功能分为两部分:1)自主运营软件,2)校正模式软件,也就是说,在校准过程中软件能和ACL进行通讯。自主模式软件因为程序与检查表都存在于EEPROM,该程序本身可达到437个字节长(512 - 75)。 所有的计算变量和结果的存放在RAM中。这种软件通过一个9位A / D转换器，插值,由十位电压PWM D / A转换器模拟电压的形式使温度测量成为可能。程序以初始化所有的单片机资源和所有的变量为开始。初始化后,程序通过无限期的循环周期来使下列操作达成:A / D转换器打开时,获得输出并且从检查表中寻找两个最近的温度-电压值。相应温度测量的电压是通过线性插值方法获得的。A / D转换器关闭时。在周期里最后的操作是把计算的电压值送到PWM(脉宽调制)D / A转换器的输入。PWM发生器的控制是通过两个定时器中断程序控制T1和T2完成的。常规的开始是T1在PWM发生器输出设定一个高电平和调整定时器T2的内容。常规开始是T2在PWM发生器输出设定一个低电平。定时器T3是用来为温度测量和计算适当的电压值启动中断处理程序的。T3的内容是不变的,因此采取在固定的时间间隔读取温度。校正模式软件校准模式软件能够使温度测量成为可能,控制电压的模拟值能通过SCI总线和EEPROM编程来和ACL进行通讯这个程序包含四个中断程序。T1和T2定时器控制程序与相应的常规自主模式的软件。常规定时器T3的常规控制是有点改变的:当读取的温度是9位的时候,它只是按要求放入RAM通过SCI送到ACL总线。相应的变抗器电压在程序详细描述之后可使用一个电压的逐次逼近方法得到。第四中断处理程序是用来和ACL通信并且调整和校准振子的。中断请求被放置在通过SCI总线获得数据的pCTCXO中。如果第一位9位字符是0,字符收到的是数据,否则它是一个地址。如果收到一个地址，就和端口C的值进行比较,如果该数值符合,初始化的所有的变量都完成了,一个字符的回复就会发送出去。如果收到的是数据字符数据，进行检查以确定其是否已解决振荡器问题,如果有的话,自上一个初始化的变量(即自上一个收到数据)有多少字节的数据已经收到。如果数据字符问题是第一个字节,就作为第一个字节的变抗器电压值接受和处理并通过SCI总线把第一字节的温度值发送到ACL。如果数据字符问题是第二个字节,就作为第二个字节的变抗器电压值接受和处理并且pCTCXO通过SCI总线把第二字节的温度值发送到ACL。如果数据字符问题是第三个字节,则可收到的校验和控制字节pCTCXO检查收到的值与之前收到的校验和字节。如果该数值符合,振荡器结果发送到温度校验和控制字节通过SCI总线到ACL,否则它将发送错误的字符。在这两种情况下,删除所有以下变量。另一个分支的第四个中断程序处理EEPROM编程。 如果接收到的字节在振荡器内是一个包含所有元素（FF）的地址的编址,然后pCTCXO CPU开始EEPROM编程，每一个连续收到的字节被写进了EEPROM。3. 自定义生产线ACL的设计 一个为大规模生产精密晶体振荡器自动生产线应该提供: 1）消除在补偿过程中的人为影响(降低和消除可能出现错误); 2）同时补偿许多振荡器的可能性； 3）在各振荡器赔偿之前组件的选择和调整； 4）灵活性 5）增加聚集到数据库作为未来参考的可能性 6）补偿电路振荡器没有重新开始他们所造成的偏差(由于老化改变频率偏移等)的可能性; 7）处理低成本振荡器的能力。 如图2.所示的例子。低成本的振荡器是在I1章节已部分阐述了的振荡器和ACL设计是在他们的生产工艺使用的。主计算机通过一个标准的操作频率平台IEEE 488总线控制温度室和记频器操作。接口板作为PC计算机ISA总线和异步串行总线的一个配置器。三线串行总线允许简单处理大量的pCTCXOs。 智能模拟多路复用器连接到总线是提供相同的连接振荡器信号输出频率。 在主计算机执行的ACL校准软件控制着通讯，校准和编程过程。 主计算机下载校准软件到所有pCTCXO装置的同时ACL操作也开始了。 校准过程本身开始于主计算机中把温度室的温度设置到通过IEEE488总线的第一温度点。温度室的温度保持相对不变,直到振荡器的频率稳定，各振荡器先后调节程序由以下程序执行: 主机和pCTCXO交换识别地址。输出信号的寻址振荡器通过模拟多路器连接到记频器。主机从pCTCXO的A / D转换器接收温度传感器信息和发送回变抗器电压值计算振子频率对标称值(第一次迭代)。当振荡器频率稳定,主机与目标的频率相比较。如果区别是很小的,调整就完成了。如果不是,主机将改变D / A转换器电压值并