一种压控温度补偿晶体振荡器制造技术

本发明专利技术公开了一种压控温度补偿晶体振荡器，在现有的将温度补偿电压和调节中心频率的压控电压作为一个整体来考虑，采用一个变容二极管，通过二元函数拟合，避免的两个变容二极管构成的负载电容相互干扰问题以及中心频率改变后引起晶体振荡器温度下降问题的基础上，通过增加调试/工作开关对用户(PC)输出频率控制的控制电压以及ARM控制单元输出的压控电压进行切换，使得压控温度补偿晶体振荡器能适应用户(PC)输出频率控制为控制电压的情形；同时，由于调试状态时，对重新采集了控制电压V0以及环境温度T0，并重新计算了二元函数中的频率f0，这样减少了拟合缺陷带来的压控电压V′0的计算误差，从而提高压控输出频率的准确度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于晶体振荡器
，更为具体地讲，涉及一种可变中心频率的压控温度补偿晶体振荡器(VoltageControlledTemperatureCompensateX’talOscillator，VCTCXO)。
技术介绍
晶体振荡器利用具有压电效应的石英晶体片制成，它在受到外加交变电场的作用时会产生机械振动。由于石英晶体振荡器具有体积小、重量轻、可靠性高、频率稳定度高等优点，被广泛应用于各种通信设备中。其中使用最多的AT切型的石英晶体谐振器，其频率随温度变化关系呈三次曲线。压控石英晶体振荡器(VoltageControlledCrystalOscillator，VCXO)由石英晶体谐振器、变容二极管和振荡电路组成，通过控制变容二极管的电压，来改变变容二极管的电容，从而“牵引”石英晶体谐振器的频率，使得压控石英晶体振荡器输出频率可以在中心频率上下的一个范围内移动，以达到调整压控晶体振荡器输出频率的目的。温度补偿石英晶体振荡器(TemperatureCompensateCrystalOscillator，TCXO)的工作原理是采用变容二极管反向电压的温度特性控制方法，用一个VCXO和温度补偿网络构成，通过调节不同温度下变容二级管的电压来改变晶体的负载电容，从而调整振荡器的输出频率。压控温度补偿晶体振荡器(VoltageControlledTemperatureCompensateX’talOscillator，简称VCTCXO)是同时具有温度补偿、输出频率可电压调整的晶体振荡器。它兼具了VCXO和TCXO的优点，但是结构相比更为复杂。通常采用并联(或串联)两个电容的方式来组成VCTCXO，一个电容用来温度补偿，一个电容用来做来压控端。例如芬兰MicroAnalogSystemsOy(MAS)公司生产的MAS6270VCTCXO芯片。其中并联两个电容的示意图如图1所示，一个电容用来补偿温度产生的频率漂移。一个电容作为压控中心频率。为了得到更好地温度频率曲线，研究人员纷纷提出了自己的构想。其总体思路仍然都是如图1所示的接入两个负载电容，一个用来补偿频率的温度漂移，实现TCXO，一个用来做压控端，实现VCXO(Y.Ueno,H.Shimizu,Voltagecontrolledtemperaturecompensatedcrystaloscillatorusing2-portcrystalresonator,Proceedingsofthe45thAnnualSymposiumonFrequencyControl,pp.418–425,1991)。晶体振荡器串联负载电容，其输出频率受非线性方程控制，不满足线性叠加原理。因此，这种两个电容的方案，是存在不足的，下面对此进行说明。晶体谐振器中石英晶体(晶体谐振器)串联负载电容CL的等效电路，如图2所示(XHHuang,DLiu,YWang,YChen,PreciseDerivationfortheEquivalentCircuitParametersofaCrystalResonatorwithSeriesCapacitor,IEEETransactionsonUltrasonics,ferroelectrics,andFrequencyControl,Vol.59,No.6,pp.1316-1317,2012.)。石英晶体的谐振频率受下面的方程约束：其中，C0、C1为石英晶体的等效并串电容、L1为石英晶体的等效电感、L1为石英晶体的等效电阻。变容二极管即负载电容CL的容值受电压V控制，也就是负载电容值是电压V的函数，则为：晶体谐振器中石英晶体(晶体谐振器)串联两个并联变容二极管即负载电容CL1、CL2的形式如图1所示：其压控曲线的形式为：式(3)中CL1(VT)是晶体振荡器温度补偿(TCXO)中所需的随温度变化的等效负载电容值，CL2(VC)是晶体振荡器压控(VCXO)中改变晶体振荡器输出中心频率所需的随外加控制电压变化的变容二极管等效负载电容值。式(3)是一个非线性方程，显然不满足线性叠加原理，实际上在改变晶体振荡器输出中心频率后会引起振荡器频率温度特性曲线的旋转(J.R.Vig,“Quartzcrystalresonatorsandoscillatorsforfrequencycontrolandtimingapplications-atutorial”[Online].Available:http://www.ieee-uffc.org)，这样即使频率温度特性曲线发生了改变。这样晶体振荡器输出中心频率改变后，由于频率温度特性曲线已发生变化，同样的一组温度补偿数据将会引起晶体振荡器温度稳定度的下降，所以这种使用两个电容相加的方案的VCTCXO，在改变中心频率后会引起晶体振荡器温度稳定度的下降。申请人在2014年12月29日提出了一种名称为“压控温度补偿晶体振荡器”的专利技术专利申请(公布号为CN104467674A)，将温度补偿电压和调节中心频率的压控电压作为一个整体来考虑。其方案是构建以环境温度T、压控电压V为输入，输出频率为fs的二元函数关系，即：fs＝g(T,V)(4)使用时，根据当时的环境温度Ta，以及需要的输出频率fa，通过fa＝g(Ta,Va)计算得到需要的压控电压Va并加装压控晶体振荡器的负载变容二极管上，则晶体振荡器输出的就是需要的输出频率。注意本专利技术中整个晶体振荡器中只需要一个变容二极管，避免了现有技术的两个变容二极管构成的负载电容相互干扰问题；同时此时这个变容二极管等效的负载电容，就是晶体振荡器需要的输出频率fa情况下的温度补偿所需要的电容值，避免了中心频率改变后引起晶体振荡器温度下降的问题。然而，在上述专利技术专利申请中，由于实际使用时，用户(PC)输出的为控制电压而非所需要的频率，因此，如何将上述方案与实际用户输出的控制电压相结合，输出所需要的频率是需要解决的问题。同时，二元函数是拟合的，ARM控制单元根据需要的输出频率fs以及压控晶体振荡器的环境温度T，通过二元函数fs＝g(T,V)，计算得到需要加载的压控电压V并加载到压控晶体振荡器的负载变容二极管，得到的温度补偿后的压控输出频率仍然存在较大误差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种压控温度补偿晶体振荡器(VoltageControlledTemperatureCompensateX’talOscillator，VCTCXO)，以适应用户(PC)输出频率控制为控制电压，同时，提高压控输出频率的准确度。为实现上述专利技术目的，本专利技术压控温度补偿晶体振荡器，包括压控晶体振荡器、温度传感器、ARM控制单元，所述的压控晶体振荡器中只有一个负载变容二极管；首先获取二元函数fs＝g(T,V)；计算机控制压控晶体振荡器的温箱到不同的温度点T1,T2,T3,……,Tm，计算机通过ARM控制单元读取温度传感器采集的温箱温度即压控晶体振荡器的环境温度T1,T2,T3,……,Tm，在每个温度点，计算机通过ARM控制单元输出依次输出压控电压V1,V2,V3,……,Vn到压控晶体振荡器的负载变容二极管上，通过频率计测得m组输出频率为f11,f12,f13,……,f1n；f21,本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压控温度补偿晶体振荡器，包括压控晶体振荡器、温度传感器、ARM控制单元，所述的压控晶体振荡器中只有一个负载变容二极管；首先获取二元函数fs＝g(T,V)；计算机控制压控晶体振荡器的温箱到不同的温度点T1,T2,T3,……,Tm，计算机通过ARM控制单元读取温度传感器采集的温箱温度即压控晶体振荡器的环境温度T1,T2,T3,……,Tm，在每个温度点，计算机通过ARM控制单元输出依次输出压控电压V1,V2,V3,……,Vn到压控晶体振荡器的负载变容二极管上，通过频率计测得m组输出频率为f11,f12,f13,……,f1n；f21,f22,f23,……,f2n；f31,f32,f33,……,f3n；……；fm1,fm2,fm3,……,fmn；其中，第i个温度点，依次输出的压控电压V1,V2,V3,……,Vn得到的一组输出频率为fi1,fi2,fi3,……,fin，这样得到以下数组：(T1,V1,f11)，(T1,V2,f12)，(T1,V3,f13),…,(T1,Vn,f1n)(T2,V1,f21)，(T2,V2,f22)，(T2,V3,f23),…,(T2,Vn,f2n)(T3,V1,f31)，(T3,V2,f32)，(T3,V3,f33),…,(T3,Vn,f3n)(Tm,V1,fm1)，(Tm,V2,fm2)，(Tm,V3,fm3),L,(Tm,Vn,fmn)根据上述数组即得到的m组输出频率以及对应的环境温度T、压控电压V进行二元函数拟合，得到二元函数：fs＝g(T,V)其中，fs为压控温度补偿晶体振荡器输出频率；然后将二元函数导入ARM控制单元中；其特征在于，还包括一个调试/工作开关；在使用时，首先进入调试状态，调试/工作开关将用户(计算机)输出的控制电压一方面输入到压控晶体振荡器作为压控电压，另一方面也输入到ARM控制单元，同时，调试/工作开关断开ARM控制单元输出的压控电压；用户连续调节控制电压，使得压控温度补偿晶体振荡器输出频率连续变化，以便于找到用户需要的频率，当达到需要频率后，进入工作模式；此时ARM控制单元分以下三步工作：第一步：采集控制电压V0，同时采集此时刻的环境温度T0；第二步：根据二元函数fs＝g(T,V)，计算得到此时的频率为f0＝g(T0,V0)；第三步：调试/工作开关断开用户(计算机)输出，同时，将ARM控制单元输出的压控电压V0′输入到压控晶体振荡器作为压控电压；压控电压V0′根据二元函数fs＝g(T,V)，依据当前的环境温度T0′计算出来，即将第二步计算得到的频率f0以及当前的环境温度T0′代入公式f0＝g(T0′,V0′)中，计算得到压控电压V0′；当前的环境温度T0′变化时，通过公式f0＝g(T0′,V0′)，计算得到需要加载的压控电压V0′，同时将压控电压V0′加载在压控晶体振荡器上，从而实现温度补偿。...

【技术特征摘要】
1.一种压控温度补偿晶体振荡器，包括压控晶体振荡器、温度传感器、ARM控制单元，所述的压控晶体振荡器中只有一个负载变容二极管；首先获取二元函数fs＝g(T,V)；计算机控制压控晶体振荡器的温箱到不同的温度点T1,T2,T3,……,Tm，计算机通过ARM控制单元读取温度传感器采集的温箱温度即压控晶体振荡器的环境温度T1,T2,T3,……,Tm，在每个温度点，计算机通过ARM控制单元输出依次输出压控电压V1,V2,V3,……,Vn到压控晶体振荡器的负载变容二极管上，通过频率计测得m组输出频率为f11,f12,f13,……,f1n；f21,f22,f23,……,f2n；f31,f32,f33,……,f3n；……；fm1,fm2,fm3,……,fmn；其中，第i个温度点，依次输出的压控电压V1,V2,V3,……,Vn得到的一组输出频率为fi1,fi2,fi3,……,fin，这样得到以下数组：(T1,V1,f11)，(T1,V2,f12)，(T1,V3,f13),…,(T1,Vn,f1n)(T2,V1,f21)，(T2,V2,f22)，(T2,V3,f23),…,(T2,Vn,f2n)(T3,V1,f31)，(T3,V2,f32)，(T3,V3,f33),…,(T3,Vn,f3n)(Tm,V1,fm1)，(Tm,V2,fm2)，(Tm,V3,fm3),L,(Tm,Vn,fmn)根据上述数组即得到的m组输出频率以及对应的环境温度T、压控电压V进行二元函数拟合，得到二元函数：fs＝g(T,V)其中，fs为压控温度补偿晶体振荡器输出频率；然后将二元函数导入ARM控制单元中；其特征在于，还包括一个调试/工作开关；在使用时，首先进入调试状态，调试/工作开关将用户(计算机)输出的控制电压一方面输入到压控晶体振荡器作为压控电压，另一方面也输入到ARM控制单元，同时，调试/工作开关断开ARM控制单元输出的压控电压；用户连续调节控制电压，使得压控温度补偿晶体振荡器输出频率连续变化，以便于找到用户需要的频率，当达到需要频率后，进入工作模式；此时ARM控制单元分以下三步工作：第一步：采集控制电压V0，同时采集此时刻的环境温度T0；第二步：根据二元函数fs＝g(T,V)，计算得到此时的频率为f0＝g(T0,V0)；第三步：调试/工作开关断开用户(计算机)输出，同时，将ARM控制单元输出的压控电压V0′输入到压控晶体振荡器作为压控电压；压控电压V0′根据二元函数fs＝g(T,V)，依据当前的环境温度T0′计算出来，即将第二步计算得到的频率f0以及当前的环境温度T0′代入公式f0＝g(T0′,V0′)中，计算得到压控电压V0′；当前的环境温度T...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄显核，刘东，付玮，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51