（测试计量技术及仪器专业论文）新型微机补偿晶体振荡器及其开发系统.pdf

捅矍 本论文提出了一种以微处理器为核心的基于a t 切晶体谐振器的新型微机补 偿晶体振荡器( m c x o ) 。介绍了这种微机补偿晶体振荡器采用的温度补偿方案， 以及这种晶体振荡器的构成，包括各部分的硬件电路设计工作原理及微处理器 部分的软件设计和由p c 机进行的曲线拟合部分的软件设计。另外本论文还介绍了 用于开发这种m c x o 的开发系统的设计，包括要实现的功能，工作的流程以及软 件的设计等。最后通过实验结果证明了这种温度补偿方案的可行性和开发系统的 可靠性。这种m c x o 由于采用了补偿方波和曲线拟合的技术，所以充分的发挥了 软件的作用，通过软件与简单硬件的搭配，省去了数字温度补偿晶体振荡器和传 统的微机补偿晶体振荡器中使用的大量体积庞大，价格昂贵，功耗较高的器件。 这种m c x o 在4 0 + 8 5 的宽温范围内，频率温度稳定度达到了3 1 0 - 7 ：另 外，它还具有结构简单，体积小，功耗低，造价低等优点开发系统的研制成功 使得这种m c x o 更加具备市场竞争力。 关键宇：m c x o 温度补偿补偿方波曲线拟合开发系统 a b s t r a c t t h i sp a p e r p r e s e m s an e w t y p eo f m i c r o c o m p u t e rc r y s m lo s c i l l a t o r ( m c x o ) w h i c h b a s e so na t - c u tc r y s t a la n du s e sam i c r o p r o c e s s o ra si t sc m c i a lc o m p o n e n t an e w p r o j e c tu s e di nt h et e m p e r a t u r e c o m p e n s a t e dp r o c e d u r ei si n t r o d u c e d t h es t r u c t u r eo f m c x o s y s t e m ，t h ed e s i g na n d t h ep r i n c i p l eo ft h eh a r d w a r ea r eg i v e n t h es o t ￥w a r eo f t h em c x oc o n s i s t so ft w op a r t s o n ei st h es o f t w a r eo ft h em i c r o p r o c e s s o r , a n o t h e ri s t h es o f t w a r eo ft h ec u r v ef i t t i n gg e n e r a t e db yp c t h e s et w o p a r t sa r eb o t hd i s c u s s e d i n t h i sp a p e r , t h et e s ts y s t e mo f t h i sk i n do f m c x o i sa l s op r e s e n t e d ，i n c l u d i n gi t sf u n c t i o n ， w o r k i n gp r o c e d u r e ，t h ed e s i g no f i t ss o f t w a r ea n ds oo n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sp r o v e t h a tt h ep r o j e c tu s e di nt h et e m p e r a t u r ec o m p e n s a t e dp r o c e d u r ei sf e a s i b l ea n dt h e c a p a b i l i t yo f i t st e s ts y s t e mi sa l s os a t i s 所n g t h et e c h n o l o g yo fc o m p e n s a t i n gw a v e a n dc u v v ef i t t i n gu s e di nt h i sm c x om a k e st h ea c t i o no fs o f t w a r eb e c o m ev e r y i m p o r t a n t c o o p e r a t i n gw i t hs i m p l ec i r c u i t s ，t h es o f t w a r er e p l a c e s t h e p a r t so f h a r d w a r e t h a ta r eu s u a l l yb i gi ns i z e ，h i 曲i np r i c ea n d h i g hi np o w e r i nd t c x oa n dc o n v e n t i o n a l m c x o t h i sk i n do fm c x oc a r l o u t p u t as t a b l e f r e q u e n c yo f10 m h z ，a n da f t e r c o m p e n s a t e d i t ss t a b i l i t yc a nb e 3 10 i th a sm a n ya d v a n t a g e sa sf o l l o w s s i m p l e i ns t r u c t u r e ，s m a l l i ns i z e ，l o wi nc o s t ，l o wi np o w e ra n ds oo n i t st e s ts y s t e mm a k e st h e m a s s p r o d u c t i o n o f t h i sk i n do f m c x o p o s s i b l e k e y w o r d ：m c x ot e m p e r a t u r ec o m p e n s a t e dc o m p e n s a t i n g w a v e c u r v e f i t t m g t e s t s y s t e m 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；也不包含为获得西安电子科技大学或其 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了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名：盔盈宝 本人承担一切相关责任。 日期：d ；，、o 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间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；学校可咀公布论文的全 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) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期： 堕：! ：! ! 日期：笪：厶坐 第一章绪论 第一章绪论 1 1 晶体振荡器的发展状况 随着信息时代的到来，晶体振荡器已经到了广泛应用的阶段。作为时间标准 和基准频率源的晶体振荡器有着十分广阔的应用领域，如长途和市话通信，地面、 航海和航空移动目标通信，卫星通信雷达导航测控，卫星地面站，广播电视系 统，全球卫星导航定位系统，均需采用各类晶体振荡器作为频率控制的标准信号 源；又如射电天文仪器，近代物理实验设备，精密时频计量仪器精密频率综合 器等电子仪器，皆有赖于高稳晶体振荡器提供精密的频标和时基；再如。作为精 密时频一级标准的地面原子钟和星载原子钟，也必须采用高性能的伺服晶体振荡 器，否则，就难以构成性能最佳的一级原子频标。总之，在现代电子系统与设备 以及精密时频计量等必需的频率控制和管理领域中，类型繁多的各种晶体振荡器 业已获得广泛应用，并素有“心脏”的地位。 伴随着科学技术的迅猛发展，晶体谐振器和晶体振荡器的性能与种类皆远非 昔日可比。本节将着重介绍目前应用广泛的两种晶体谐振器和各种晶体振荡器。 一两种重要切型的石英晶体谐振器 晶体谐振器是晶体振荡器中最重要的稳频元件，它的性能好坏直接决定了振 荡器系统的性能好坏，因此一只合适的晶体谐振器对于晶体振荡器来说是非常重 要的。 石英谐振器是根据石英晶体的正逆压电效应制造出的一种谐振器，。它的q 值 高达上百万因此它有着l c 谐振电路和r c 谐振电路难以匹敌的高频率稳定度， 而且从目前的科技发展状况来看，石英晶体谐振器的稳频地位在一百年以内是难 以被代替的。 按照与晶轴的切割角度不同，可以把石英晶体谐振器进行分类，如a t 切、b t 切，s c 切等，其中a t 切型，b t 切型属于单旋角的谐振器，s c 切型、f c 切型属 于双旋角的谐振器。目前应用最广而且性能优良的切型是a t 切和s c 切这两种石 英谐振器。 a t 切型是1 9 2 9 年由德国、日本和美国的一些研究小组提出来的。 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，因此它具有 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。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。 a t 切谐振器虽然出现较早，但其性能得到大幅度改善是在6 0 年代初期。1 9 6 0 年w a r n e r w a 对a t 切高精密谐振器的制造工艺进行彻底的改进之后，a t 切谐振 器才真正成为一种高稳频率源的元件。如今，高质量的a t 切高真空玻璃壳封装的 2新型微机补偿晶体振荡器及其开发系统 谐振器其日老化率达到1 0 。o l o d l ，秒级短稳优于lx1 0 。2 【l 】，已并非难事。 s c 切谐振器除了具备a t 切谐振器的特点外，其幅频特性比a t 切的好，s c 切幅度系数比a t 切小个数量级，这意味着其激励可阻比a t 切高一个数量级。 因此s c 切可承受较强的激励在保证老化率指标的前提下可获得较好的短稳。 s c 切谐振器的频率温度系数小，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，而动态温度系数比a t 切小两个数量级，这就降低了晶体对温度的 敏感性，对提高晶体的长稳和短稳都有好处。典型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【7 1 1 8 。 - - q m - , s - - ：m h - - - - i i _ - - - - - - - - _ h - h - r 砷n p a t a l u t op c j 图1 1 典型a t 切晶体谐振器频率温度特性 。 - | j5 产m ：5s，! 汐。、 图1 2典型s c 切晶体谐振器基频和三次泛音频率温度特性 抖 曲 怯 ” 。 。 叶 一 州 啦 喝 喜爱一孙 第一章绪论 二，晶体振荡器简介 科学技术发展到了今天，晶体振荡器的类型和性能已经有了飞快的发展。从 2 0 世纪2 0 年代国外第一台石英晶体振荡器问世以来，已经发展出了普通晶振、温 度补偿型晶振、电压控制型晶振、恒温型晶振等多种类型，其频率稳定度也涵盖 了1 0 。到l o “3 的宽阔范围。 ( 1 ) 普通晶体振荡器( p x o ) ：这是最简单的晶振，它用石英晶体作为主要 稳频元件。其特点是：结构简单，而技术指标却优于精心制作的r c 、l c 振荡器i 5 1 。 它是今天民用和工业应用领域中使用最广泛的标准频率源，各类微处理机，无一 不用它产生时钟信号。全世界每天生产百万只晶体，其中绝大多数用于构成这种 形式的振荡器。 普通晶体振荡器的频率稳定度一般条件下容易达到1 0 4 1 0 一：当采用a t 切 型的石英晶体振荡器时，在合理设计下，即便工作温度在2 0 + 7 0 之间变化， 频率稳定度还可保持5 1 0 州“。由于这种晶振不加恒温措施，所以温度变化是影 响指标的主要因素。这种晶体振荡器老化引起的频率变化相对于温度引起的变化 来说很小，因此不是主要的，但这种晶振的毫秒级稳定度是很高的。 ( 2 ) 温度补偿型晶体振荡器( t c x o ) ：这是一种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。这种晶振不用恒温槽，其功耗低、体积小、重量 轻、电路简单。温度补偿晶振的三个优点是口】： a 无需加热功率； b 由于它一般工作在自然环境的温度下，而晶振在高温下老化大，在常温下 老化小，如在6 0 晶振老化比在2 0 时大一倍，所以这种晶振老化小： c 不需要预热时间。 目前，简易温补晶振达到的指标大约是2 x1 0 4 - 1 0 + 6 0 ，模拟网络温 补晶振达到的指标大约是l 1 0 4 4 0 + 7 0 ，数字温补晶振达到的指标大约 是5 1 0 8 - 4 0 c + 7 0 c 。温补晶振的老化率大多在( 1 3 ) 1 0 6 ，年范围内。使 用模拟方法补偿的温补晶振，由于体积小，广泛用于军用无线电通信、卫星通信 以及各种遥测遥控中。高频和甚高频单边带通讯机、各种移动电台，对它的要求 尤为迫切。数字式温补晶振，由于体积较大，应用尚受到限制。所姒对数字式温 补晶振而言，其主要任务是集中在保证稳定度的前提下，减小体积，降低成本。 ( 3 ) 电压控制型晶体振荡器( v c x o ) ：这是一种输出频率随所加控制电压而 改变的晶体振荡器，简称压控晶振。一般是将控制电压加到作为石英谐振器负载 电容的变容二极管的控制极上来实现的。压控晶振广泛用于晶振频率的校准、锁 相晶振、网络温补晶振、频率调制和频率捷变技术中。 ( 4 ) 恒温型晶体振荡器( o c x o ) ：这是一种把石英谐振器放在恒温器中使输 出频率有优良频率温度特性的晶体振荡器，简称恒温晶振。它通常有单层恒温和 4新型微机补偿晶体振荡器及其开发系统 双层恒温两种结构形式。恒温槽内的温度起伏通常小于0 o l ，并且温度被控制 在晶体频率温度曲线的零温度系数点。因此在晶体振荡器中，以这种型式的 晶振稳定度最好，老化率最小目前恒温晶振的老化率最好的已达l 0 0 2 天，已接 近铷原子钟的水平，短期频率稳定度的最高水平大致是：毫秒级稳定度在lx 1 0 。o m s ，秒级稳定度在3 1 0 - 1 3 s e l l 左右。但由于这种晶振采用恒温槽，大大增加 了其体积和成本以及线路的复杂度。尤其是体积问题，在小型化要求越来越高的 今天，已成为恒温晶振发展的瓶颈使其很难在军事、商业等各个领域占有更大 的市场。 1 2 温度补偿晶体振荡器 在某些需要频率稳定度高于1 矿量级的场合下，普通晶振就难以满足要求， 这时就需要较高频率稳定度的晶振比如说恒温型晶振( o c x o ) 和温度补偿型晶 振( t c x o ) 。 与恒温晶体振荡器相比温度补偿晶体振荡器输出频率稳定度较低。但是它开 机即可正常工作，不需预热时间，而且功耗低体积小温度范围宽，温度频差 比普通晶体振荡器要高1 到3 个数量级，因此能够满足很多电子设备对频率源的 要求。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，所以它的体积可以作到很 小。对于常用的l 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 0 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。 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，温度补偿晶体振荡器可以分为四类：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 0 ) ，压控型温度补 偿晶体振荡器( v c 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热敏电阻组成温度补偿网络。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。这种温补晶振由于结构简 单、体积小、功耗低、价格低而得到广泛应用。然而，这种补偿方法不能逐点精 确补偿晶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lx1 0 6 ，如在宽温范围内还要低于这个值。 模拟温度补偿晶体振荡器典型的框图如图1 3 所示。图1 4 显示了补偿前后振荡器 的频率温度特性曲线i u 。 二数字温度补偿晶体振荡器( d t c x o ) 数字温度补偿晶体振荡器一般采用外部温度传感器测量晶体谐振器内晶片的 温度，用数字技术处理温度传感信号并形成控制电压，控制压控晶体振荡器内的 第_ 章绪论 堂 著 、 f j 蓦 图1 3 模拟补偿晶振框图 u n c o m p e n s a t e d l 。 ii入，7、，i! ”、，t ”嘶c l 勰 图1 4t c x o 补偿前后频率温度特性 变容二极管，拉动晶体振荡器的振荡频率，达到补偿的目的。p - n 结或集成电路温 度传感器能将温度量转变成近似于线性的电压信号再通过a d 转换器将电压信 号转变为数字量，这个数字量在存储器p r o m 中寻址，得到与其对应的补偿电压 量然后通过d a 转换成补偿电压。在存储器p r o m 中已经事先存储了由温度实 验得到的补偿电压的数据。典型的数字温度补偿晶体振荡器的框图如图1 5 所示。 图1 5典型数字温补晶振框图 图1 6 说明了补偿前后的频率温度特性【7 1 。 d r 1 0 8 8 2 o - 2 - 4 - 6 - 8 - 1 0 三一m i n c h o r p o r r a m t o 一 = 二： ：。y 二7 卫t c 幂0 i s 一c2 6 。c1 8 0 。c 图1 6d t c x o 补偿前后频率温度特性 新型微机补偿晶体振荡器及其开发系统 在5 5 ( 2 + 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 ，优于模 拟温补晶振。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。 在信号处理过程中，模拟信号被转变成数字信号来控制晶体谐振器。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1 0 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 一1 0 一，而且很难得到秒级频率稳定度优于1 0 。9 的数字温 补晶振。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。 三集成式压控型温度补偿晶体振荡器( v c t c x o ) 这种晶振是目前较新型的一种集成式的温补晶振，它具有集成度较高，体积 很小，易于大批量生产的特点，比较适合用于移动通信的终端设备( 如移动电话) 中。 在这种t c x o 的i c 中有一个温度传感器，直接给补偿电路输送温度信号。而 由于一般而言a t 切型的晶体谐振器本身的频率温度曲线是一个近似的三次函数 曲线，所以在i c 内部集成了一个三次函数发生器作为补偿电路用来补偿输出频 率的偏移。这个三次函数的横轴不是时间而是温度，因此整个v c t c x o 的i c 完全可以实现实时的自动补偿。 由于每一只a t 切晶体谐振器的频率温度特性并不完全一样，用于补偿的三次 函数曲线也会不一样，所以要根据每一只a t 切晶体谐振器来调节i c 中的三次函 数发生器的某些参数，以得到最为接近补偿要求的三次函数电压。这样一来就决 定了这种v c t c x o 的频率温度特性不可能做得很好，一般情况下在窄温范围内的 频率温度特性为1 p p m 或2 p p m 。 四微机补偿晶体振荡器( m c x o ) 微机补偿晶体振荡器( m c x o ) 是由数字温度补偿晶体振荡器( d t c x 0 ) 发 展而来的。m c x o 中使用了微处理器来进行数据处理、计算及控制等操作。软件 在m c x o 中发挥了很大的作用即利用软件的功能来替代d t c x o 中的存储器。 其频率温度稳定度在宽温范围内可以达到l o 。或1 0 4 ，优于d t c x o ，其短期 频率稳定度也优于d t c x o 。 最初的m c x o 几乎与典型的d t c x o 相同，其原理框图如图1 7 所示。而且 对晶体谐振器的切型没有任何特殊的要求。这种微机补偿晶体振荡器虽然用微处 理器替代了d t c x o 中的存储器和时序控制器，但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。 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 第一章绪论 加以补偿和校正，但是完全抛开了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，使其更符合晶体振荡器 小型化的需求。 图1 7晟初的m c x o 框图 1 3本论文的研究成果与内容安排 恒温晶体振荡器虽然是频率稳定度最高的晶体振荡器，但是由于其体积大， 功耗大，造价高，不可能得到广泛的应用。传统的温度补偿晶体振荡器也无法满 足高速发展的信息技术的要求。因此人们不得不寻求新的突破，以适应信息时代 的要求。微机补偿晶体振荡器就是在这种背景下产生的。 一本论文的研究成果 本文提出的这种新型的m c x o 是为了解决数补晶振和传统m c x 0 体积大， 成本高，功耗高，难以大批量生产的难题而提出来的。这种m c x 0 采用了表面贴 装的技术，而且用软件代替了一些庞大的集成电路，使得其体积和成本大大的减 小，最重要的一点是它还保持了在宽温范围内( - 4 0 c + 8 5 c ) 较高的频率温度特 性。 另外本文还提出了一种用于开发该m c x o 的开发系统，它可以模拟实际的环 境温度，测量m c x o 未经补偿时的频率温度特性曲线，输出用于补偿的控制 信号( 比如说补偿方波) ，以使输出的频率达到标称值，得到最后的补偿数据。将 这些补偿数据存储在微处理器中，就可以完成整个m c x o 的开发过程。由于这种 开发系统具有较高的自动化程度，因此使得这种m c x o 的大规模生产成为可能。 四本论文的内容安排 本论文的第一章主要是对晶体振荡器进行了简单的概述主要介绍了温度补 偿型晶振，并引出了本论文所讨论的这种新型微机补偿晶体振荡器。 第二章讨论了这种新型m c x o 所采用的补偿原理的基本思想和实现方案，以 及它与d t c x o 和采用了传统补偿方案的m c x o 相比，所具有的创新之处和特点， 并且主要介绍了补偿波的形成和曲线拟合等关键技术。 第三章对这种m c x o 的系统构成及软件设计进行了详细的介绍，并且对在实 际设计的过程中需要考虑或者遇到的问题进行了讨论。 第四章的主要内容是介绍了这种m c x o 的开发系统，包括它需要实现的功能， 新型微机补偿晶体振荡器及其开发系统 工作原理以及软件的设计等，最后给出了采用该开发系统开发出的这种m c x o 的 实验结果，从而证明了补偿方案的可行性。 第五章是对m c x o 的发展和运用前景作了一些展望，以及对这种m c x o 的 一些不足之处提出了改进方案。 1 4 小结 本章主要介绍了在晶体振荡器中常用的a t 切和s c 切石英晶体谐振器，以及 各种晶体振荡器，尤其着重介绍了温度补偿型晶体振荡器的种类、原理、性能和 指标，并由此引入了本文所提出的这种新型微机补偿晶体振荡器及其开发系统。 最后介绍了本论文的主要工作。 第二章温度补偿原理9 第二章温度补偿原理 2 1a t 切m c x o 的温度补偿原理 晶体振荡器实现温度补偿的一般方法是在设计振荡电路的时候就把它设计成 振荡回路中带有变容元件的压控晶振( v c x o ) 的形式，通过补偿网络实时的向压 控端输出补偿电压来修正压控晶振的输出频率，达到补偿的目的。 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振元件。a t 切晶体谐 振器的频率温度特性如图2 1 所示。 ( 栖i 自“直1 0 删z ) 1 5 舍5 置 i 一5 马一1 5 2 5 - 3 5 、 j ? 、 一 4 0 3 0 一2 0 一1 0o1 02 03 04 05 06 07 0 8 0 ( ) 图2 1a t 切晶体谐振器的频率温度特性 上述曲线代表了晶体谐振器频率随温度变化的漂移量，它是一个近似于三次 函数的光滑曲线i l 】，这正是一般a t 切晶体谐振器的特点。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。 一般的数补晶振或微机补偿晶振的实现方案中，都是通过做实验得到在各个 温度点下能够把晶振输出频率拉回到标称值的补偿电压值，并把这些数据经过量 化得到数字量，再将这些经过量化后的数据制作成一张补偿数据表存入到r o m 中 去。系统工作时，首先得到温度传感值，然后自动的查询出与当前温度相对应的 补偿数据，并通过d a 转换器输出补偿电压，施加在变容二极管上，从而改变晶 体振荡器的输出频率。 但是如果这样做，就需要至少每隔0 1 采集一次补偿电压才能保证补偿的精 1 0 新型微机补偿晶体振荡器及其开发系统 度。也就是说在宽温范围( - 4 0 + 8 5 ) 内就需要得到1 2 5 1 组数据，每组数据 在存储器中会占据两个或者更多的存储单元。这样一来采集数据的实验过程就会 花去很多时间，而且存储数据还需要使用一个大容量的存储器。一般来说存储器 的容量越大，它的体积就会越大，价格就会越昂贵，功耗就会越高，这就使得整 个振荡器系统的体积、成本和功耗增大。另外一个值得考虑的因素是d a 器件的 使用。对于8 位的d a 而言，它的电压输出分辨率为1 2 5 6 ，这是不能满足系统补 偿精度的要求的。如果要求输出的分辨率达到1 1 0 0 0 ，为了确保补偿精度就必须 采用1 0 位或1 0 位以上的d a 转换器。这就使得系统不得不采用1 6 位的单片机， 或者使8 位单片机分两次输出补偿数据。所以如果使用了d a 器件，不仅增加了 硬件的复杂程度，而且还使得系统的体积和成本大大的增加。 显然上述的补偿方案使得d t c x o 与传统的m c x o 不能满足小型化、低成本 的要求。基于此，本章提出了一种新型的m c x o 的补偿原理，采用这种补偿原理 可以大大的简化硬件电路，降低成本，而且还保持了较高的补偿精度。 2 2 新型补偿原理 这种新型m c x o 采用的补偿原理的思想是，不再采用存储数据表的方式来存 储数据，而是把一个能够表征补偿信息的函数曲线以多项式的形式存放在微处理 器中。这个曲线可以通过把少量的实验数据根据某种算法进行曲线拟合而得到： 而微处理器根据当时的温度传感值可以从曲线中计算出所需要的补偿数据，并根 据补偿数据输出一个用于补偿的周期不变脉宽可调的补偿方波，再通过一仑简单 的无源r c 积分网络( 即补偿电路) ，得到补偿电压。这种方案是运用软件的数据 处理功能大大的减小了数据的存储空间，并用简单而廉价的硬件电路代替了一部 分复杂、昂贵的器件。 一补偿波分析 补偿波是微处理器通过口输出的频率固定而占空比可调的方波信号。容易 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 2 所示。 卜t 卜t - 图2 2补偿波示意图 第二章温度补偿原理 若对图2 2 中所示的方波在0 t 期间内进行积分，则积分电压为 材= ；胁肛亍1p 出= 等r 出= 等l 堪瓦亿， 从上式可以看出，若保证方波信号的频率和峰峰值不变，即r 和y 。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。也就是说这个直流电压的大小是与补偿方波的脉宽宽度一一对应的。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 偿波的脉宽。这样一来，温度实验就需要只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) 。 二曲线拟合 实验证明，如果采用曲线拟合的方式，只需要每隔5 采集一次温度传感值和 对应的补偿电压值，就可以很好的表征整个宽温范围内的特性了。这样一来就可 以大大的缩短对m c x o 补偿数据的采集时间。 实际上补偿电压与温度传感值之间的关系是一条光滑的高次曲线见图1 4 。 实验证明用一个七次多项式可以很好的描述它。设这个七次多项式为： u = c 。- n ； ( 2 2 ) 上式中u 代表补偿电压值坼代表温度传感值，g 代表七次多项式的系数。 由于压控电压与补偿方波的脉宽有着一一对应的关系，所以上述多项式可以改写 成脉宽计数值与温度传感值之间的七次多项式。 3 5 ，、3 0 2 脚2 涮 兰1 ，l i ， ， 、 一4 02 002 04 06 08 0 温度( ) 图2 3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。 新型微机补偿晶体振荡器及其开发系统 多项式系数的取得是对数据进行曲线拟合实现的，这一步可以由p c 机来完 成。对于曲线拟合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严，取) 。如果实验观测得到y i ) ，i = 1 ，2 ，“j 确实满足y i 啡j ) 的关系，我们可以采用插值法进行多项式拟合【3 1 。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 * 专肛。) 的关系式会存在误差。如果要求曲线通过所有的o ，j ，) ，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0 。y ，) ， 而使用一些方法画出一条近似于y = f i x ) 的光滑曲线y 可口) ，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口】。由于温度实验不可避免的存在误差， 因此我们选用了最小二乘法作为曲线拟合的算法。 三最小二乘原理 假设我们得到了一组数据( 如y i ) i ：1 ，z ，j h ，一般情况下数据拟合曲线的形式都 可以表示成 y = f ( x ，f i ，c 2 ，c 。) = c l z ( x ) - i - c 2 ( z ) + _ + c 。l ( 工) ( 2 3 ) 其中y 与常数c l ，c ：，c 。的关系是线性的，即常数总是作为系数而不是作为自变 量的一部分出现在，( 工) ( i = 1 , 2 ，h ) 的函数关系中，0 ) 可以是x 的任意函数形 式。令 三 = 乞q 以( x ，) 一y ， ( 2 4 ) 当( f - 1 , 2 ，刀) 全为零时称为完全拟合。当。不全为零时，要求各误差的平方 和为最小，既要求 ( ) 2 = a “。 ( 2 _ 5 ) ， l 其中a 。代表误差的平方和最小值。这就是最小二乘法原理。 从极值的观点看，也就是要求 上式等价于 它的矩阵形式为 7 毒- - 陲( r , ) 2 = 。”艟，棚 协s ， 喜t 鲁= 。 舻地，m ， 沼， 第二章温度补偿原理 阢，r 2 ，一_ 】 钆 a c 矾 ， o r o c 机 a c 2 奶 加2 饥 2 机 加。 钆 如。 o r 却， = 【0 ，o ，0 】 ( 2 _ 8 ) 由于，堕= ( t ) 所以式( 2 8 ) 也可写成 a c , 【1 ，r 2 ，1 f ： 0 ，0 ，0 】 其中 f = ( x 1 ) ，；( x 2 ) ( 一) 正( x ：) ： 厶( 一) 厶( x ：) ( 矗) ( x 。) 厶( ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 这是一个h 行，m 列的矩阵。 用符号r 表示行矩阵 ，_ ，】，并取方程( 2 9 ) 的转置，得 月f 7 = 【0 ，o ，o 】7 ( 2 1 1 ) 由于【尺用7 = f 7 r 7 ，故上式变为 其中 f 7 = ，1 三 a ( x 。) z ( x ：) z ( h ) l ( x ) 正( x 2 ) 五( x 。) ；iji 厶( z 。) 厶( x ：) 厂m ( x 。) 是一个n q 行订列的矩阵。 将式( 2 4 ) 写成矩阵形式为 c 。l ( x 。) q l ( x ：) q l ( x 。) y l y 2 _ ： y ” ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 新型微机补偿晶体振荡器及其开发系统 将上式代入式( 2 - 1 2 ) 得 又因为 则式( 2 - 1 5 ) 可写成以下形式 ( x ) ( x 2 ) o l ( x 。) c 。f a x 。) 巾巨 = f 7 儿 y 2 ： y m - f e 巨 ( 2 1 5 ) 或更简单一些，写成 f 7 f c = f 7 y( 2 1 6 ) 本矩阵方程中，由式( 2 1 3 ) 决定，f 由式( 2 1 0 ) 决定，r 为已知实验数据，未 知的只是列矩阵c 。显然由式( 2 7 ) 可求出c 。将求出的c 代入式( 2 3 ) ，即得 到用最小二乘法对, r 对实验数据所拟合出的曲线。 2 3 小结 本章简要的介绍了传统的a t 切m c x o 的补偿原理并着重介绍了本文所论 述的这种新型m c x o 补偿原理的思想与方法，尤其对补偿方波和用最小二乘法进 行曲线拟合进行了详细的分析。 第三章微机补偿晶体振荡器的设计 第三章微机补偿晶体振荡器的设计 3 1m c x o 系统的总体设计 一系统构成框图 本m c x o 系统主要由温度传感电路、振荡电路、补偿电路、微处理器等四个 部分构成，包括主振级电路、温度传感器、微处理器、输出补偿电路等几个关键 部件。在后面几节中，将对各个部分作出详细的介绍。 补 图3 1m c x o 原理框图 二系统工作原理 在温度传感电路中，本系统使用了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，由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 劬e i 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 + 1 2 5 。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 一5 1 产品兼容，能够满足系统功能上的要求。 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。在单片机从温度 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，计算出 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。 1 6新型微机补偿晶体振荡器及其开发系统 3 2 晶体谐振器 一晶体谐振器选型 在温度补偿晶体振荡器中，常常使用a t 切晶体谐振器因为和其它切型的晶 体谐振器相比，在宽温度范围内其频差较小，易于制作，且价格低廉，而它的振 荡电路也比较简单。 本m c x o 系统中晶体谐振器采用美国生产的a t 切小公差晶体，其标称频率 为1 0 m h z 。经过温度实验，得到其频率温度特性曲线如图2 1 所示。 二谐振器的谐振频率分析 图3 2 是晶体谐振器的等效电路。其中动态电感厶表示晶体谐振器的振动质 量，动态电容g 表示晶体谐振器的机械弹性，动态电阻如表示谐振器振动时的能 量损耗，静态电容g 是以水晶为介质，由两个电极形成的电容。 l q c q r q j x e ( a ) 石英谐振器等效电路 ( b ) 等效串联电路 图3 2 石英谐振器等效电路 由图3 2 ( a ) 得晶体谐振器的阻抗为 。 z 日=m 鸣一划上j a , c o p ，b 一击 + 志 令回路自然谐振频率为( - 9 0 = 相对于c o o 的失谐量为m = 0 3 一，晶体的特征阻抗p 2c o l q 接入系数p = 石三丢* 鲁且因实际工作频率甜。，故有 ( 3 1 ) 1 = ，晶体的 a , c q 8 8 ”。 0l(ul 10，l 第三章微机补偿晶体振荡器的设计 1 7 呼去一去咖等 吁击咖( 等+ p 又因c o c v ，串联支路的谐振频率也近似为甜o ，故有 去；p 百c q = 即 将( 3 2 ) ，( 3 - 3 ) ，( 3 - 4 ) 代入式( 3 1 ) 得 z a b = 竺丛竺：迷：塑兰：迷竺 r + j 2 p 业 。 甜 l + j 2 0 a c ” ( 3 - 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) 式中谐振器的品质因数q = 鲁= 丽1 。将上式有理化后，谐振器的阻抗就 可以表示为 其中 z 8 = r e + j x 。 r e = p 2 艘 l + 4 q 2 ( a c o t c o ) 2 ( 3 - 6 ) z 。一p p 1 + 4 q 2 ( a c o ，e o ) 2 + 2 q 2 ，p ( a c o ) ( 3 7 ) 。 1 + 4 q 2r a o s w ) 2 则谐振器谐振的条件是五= o 【1 1 ，即 由此解得 川q 2 ( 爿+ 2 幽( 丝6 9 ) = 。l 珊， a 0 31 。 i i p f1 。2 1 、话p 一万 上式取正号和负号得串联谐振频率国，和并联谐振频率出。分别为 0 9 r2 _ 1 p 十、1 f 1 ：丢1 ( 3 8 ) ( 3 9 ) 1 8新型微机补偿晶体振荡器及其开发系统 旷丐蕃磊 ( 3 - 1 0 ) 3 _ 3 振荡电路的设计 一振荡电路概述 振荡电路包括主振级电路、选频放大电路和自动增益控制电路。主振级电路 参照了柯尔匹兹振荡电路的形式，并针对实际要求进行了改进。选频放大电路只 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 载隔离，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 衡状态，使振荡电路更加稳定。振荡部分的框图如图3 3 所示。 圈3 - 3 振荡电路框图 二主振级电路形式 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，补偿精度设计的多么高，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，呈感性，和回路其它元件一起参与 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晶振又可分 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 一端接地，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 以本系统采用这种电路，并对实际要求进行了改进。改进后的电路仍可参照柯尔 匹兹电路的分析方法。 第三章微机补偿晶体振荡器的设计1 9 柯尔匹兹电路是一种共集并联振荡电路，其基本形式及等效电路如图3 4 所 示。 图3 4 中，也是晶体管