本發(fā)明屬于晶體振蕩器技術(shù)領(lǐng)域，更為具體地講，涉及一種晶體振蕩器的步進溫度補償方法。

背景技術(shù)：

溫度補償晶體振蕩器(tcxo，temperaturecompensatextal(crystal)oscillator)是一種能在較寬的溫度范圍內(nèi)工作并通過一定的補償方式而保持晶體振蕩器的輸出頻率在一定的精度范圍內(nèi)(10^-6～10^-7量級)的晶體振蕩器。它具有低功率，開機即能工作，而且具有高穩(wěn)定性等特點，廣泛應(yīng)用于各種通信、導(dǎo)航、雷達、衛(wèi)星定位系統(tǒng)、移動通信、程控電話交換機、各類電子測量儀表中。

現(xiàn)有的溫度補償晶體振蕩器，本質(zhì)上是帶有溫度補償網(wǎng)絡(luò)并由其產(chǎn)生與溫度有關(guān)的補償電壓的壓控晶體振蕩器(voltagecontrolledxtal(crystal)oscillator，vcxo)。未補償?shù)膲嚎鼐w振蕩器中的關(guān)鍵器件是采用at切石英晶體，其溫度特性曲線近似為一個三次曲線，可以表示為：

f(t)＝a3(t-t0)³+a1(t-t0)+a0(1)

其中，a3是三次系數(shù)項，a1是一次系數(shù)項，a0是溫度在參考溫度t0時的振蕩頻率。

對于現(xiàn)有的壓控晶體振蕩器的頻率線性增益特性可以近似表述如下：

f(vc)＝-g(vc-vc0)+f0(2)

其中，g是壓控晶體振蕩器的增益，vc是壓控晶體振蕩器的控制電壓，vc0是壓控晶體振蕩器壓控端的初始輸入電壓，f0是輸入為vc0時的振蕩頻率。

那么，作為補償晶振溫度特性的補償電壓vc(t)的方程式可以表述為：

vc(t)＝a3(t-t0)³+a1(t-t0)+a0(3)

此時，a3＝a3/g，a1＝a1/g，a0是溫度為t0時的補償電壓。

為了實現(xiàn)方程式(3)，需要產(chǎn)生一個溫度補償電壓加到壓控晶體振蕩器上進行溫度補償以抵消此頻率溫度特性，從而得到在較寬溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定的頻率輸出，達到溫度補償?shù)哪康摹?/p>

目前，實現(xiàn)溫度補償晶體振蕩器即tcxo的數(shù)字式溫度補償主要是由單片機對溫度傳感器進行數(shù)據(jù)采集并輸出補償電壓，目前主要也分為兩種方式：

第一種是基于微處理器的溫度補償。圖1是基于微處理器的溫度補償方式下的溫度補償晶體振蕩器結(jié)構(gòu)圖，它是一種開環(huán)式的溫度補償構(gòu)架。如圖1所示，它包括溫度傳感器及調(diào)理電路101、微處理器102、補償網(wǎng)絡(luò)103以及壓控晶體振蕩器104。溫度t由溫度傳感器及調(diào)理電路101采集并進行調(diào)理而獲得，然后送入微處理器102中根據(jù)溫度在溫度-補償電壓表進行查找，得到補償電壓值，然后補償網(wǎng)絡(luò)103將補償電壓值轉(zhuǎn)換為補償電壓，輸入到壓控晶體振蕩器104壓控電壓控制端即其中的變?nèi)萜骷?，?dāng)補償電壓改變，變?nèi)萜骷碾娙葜惦S之改變從而改變壓控晶體振蕩器的輸出頻率達到控制頻率的目的。可見，其是直接在(待補償?shù)?壓控晶體振蕩器104的壓控電壓控制端輸入一個與溫度相關(guān)的補償電壓達到溫度補償?shù)哪康?。其中，溫?補償電壓表是事先采集壓控晶體振蕩器104在不同溫度下維持頻率穩(wěn)定需要補償?shù)碾妷憾鴺?gòu)建的。詳細的描述可參見“劉海霞，楊宇，周渭.新型微機補償晶體振蕩器.儀器儀表學(xué)報.2002(s3):135-136.”

第二種是基于混頻的溫度補償。圖2是基于混頻的溫度補償方式下的溫度補償晶體振蕩器結(jié)構(gòu)圖，它也是一種開環(huán)式的溫度補償構(gòu)架。如圖2所示，該溫度補償晶體振蕩器通過溫度傳感器201和補償頻率發(fā)生電路202產(chǎn)生一個與需要補償?shù)氖⒕w振蕩器204產(chǎn)生的偏移頻率絕對值相等符號相反的補償頻率信號，該補償頻率信號經(jīng)過整波電路203整波后的信號與石英晶體振蕩器204輸出的未補償頻率信號在混頻器205中進行混頻并輸出，再經(jīng)過另一濾波器205后得到期望獲得的已補償后頻率信號，從而達到溫度補償?shù)哪康摹Ｆ渲械难a償頻率信號產(chǎn)生電路主要是由溫度傳感器、adc、單片機、dac構(gòu)成。詳細的描述可參見2009年03月18日授權(quán)公告的、公告號為cn100471035b的中國發(fā)明專利：一種石英晶體振蕩器溫度補償方法，發(fā)明人為黃顯核、黎敏強、付瑋、譚鋒，申請?zhí)?授權(quán)號：cn200410022680.3”。該方式在實現(xiàn)高頻溫度補償晶體振蕩器即tcxo時在相位噪聲特性上有優(yōu)勢，但是構(gòu)成比較復(fù)雜，目前還未被廣泛應(yīng)用。

綜上，現(xiàn)有的晶體振蕩器溫度補償方法，都是采用開環(huán)式補償構(gòu)架，都要用到溫度傳感器，該溫度傳感器在電路上盡可能的靠近晶體諧振器，而晶體諧振器的諧振晶片是被單獨封裝在密閉空間內(nèi)，這就使得溫度傳感器與諧振晶片之間不可避免的產(chǎn)生了溫度遲滯，導(dǎo)致溫度補償晶體振蕩器即tcxo的頻率溫度特性一直未能取得突破。特別是對于輸出信號為高頻的晶體振蕩器，這種溫度遲滯問題更為嚴(yán)重，補償精度有限。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種晶體振蕩器的步進溫度補償方法，以避免溫度傳感器引起的溫度遲滯效應(yīng)即傳感器采集溫度與諧振晶片的實時溫度不一致而帶來的輸出頻率誤差問題。

為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明晶體振蕩器的步進溫度補償方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)、確定目標(biāo)頻率f0對應(yīng)的二進制編碼b0i

在常溫t0，如25℃下，調(diào)整壓控晶體振蕩器即vcxo壓控端的控制電壓使其輸出目標(biāo)頻率f0的信號，然后經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的二進制編碼b0i，輸入到單片機中，并將二進制編碼b0i保存，以便進行比對和運算；

(2)、確定當(dāng)前時刻頻率偏移δf(t)對應(yīng)的二進制編碼

由于溫度的變化，壓控晶體振蕩器即vcxo的輸出頻率為f(t)＝f0±δf(t)，其中，頻率f(t)是未補償而需要補償?shù)膶崟r輸出頻率，f0是期望壓控晶體振蕩器輸出的目標(biāo)頻率，δf(t)是由溫度變化引起的頻率偏移，它是一個函數(shù)，隨溫度的變化而變化，如果輸出頻率升高，則f(t)＝f0+δf(t)，如果輸出頻率降低，則f(t)＝f0-δf(t)，將壓控晶體振蕩器即vcxo實時輸出的頻率信號f(t)送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的二進制編碼b1i，送入單片機中與b0i進行比對和計算，初始化步進次數(shù)n＝0

(3)、判斷比對結(jié)果b0i-b1i是否在閾值范圍δb內(nèi)

在單片機中設(shè)定閾值范圍δb，將二進制編碼b0i和二進制編碼b1i進行比對之后，判斷比對結(jié)果b0i-b1i是否在閾值范圍δb內(nèi)，如果不在，則n＝n+1，轉(zhuǎn)到步驟(4)；如果在，則輸出當(dāng)前f(t)對應(yīng)的二進制編碼，即f(t)＝f0，實現(xiàn)了壓控晶體振蕩器即vcxo的溫度補償；

(4)、步進輸出補償電壓

當(dāng)b0i-b1i大于閾值范圍，則輸出補償電壓值對應(yīng)的二進制編碼bv＝b0i+n×b2i；當(dāng)b0i-b1i小于閾值范圍，則輸出補償電壓值對應(yīng)的二進制編碼bv＝b0i-n×b2i，其中，b2i為步進二進制編碼；

單片機輸出補償電壓的二進制編碼b0i+n×b2i或b0i-n×b2i，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為補償電壓或并經(jīng)過信號調(diào)理電路調(diào)理后輸出至壓控晶體振蕩器即vcxo壓控端，然后返回步驟(3)，其中，δv(t)是補償電壓變化量。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的。

本發(fā)明晶體振蕩器的步進溫度補償方法采用閉環(huán)反饋補償構(gòu)架。首先，確定目標(biāo)頻率f0對應(yīng)的二進制編碼b0i，并存入單片機中；其次，當(dāng)溫度變化時，將頻率信號f(t)送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的二進制編碼b1i，然后送至單片機中與目標(biāo)頻率f0的二進制編碼b0i進行比對，同時，根據(jù)單片機中設(shè)定的閾值范圍δb，判斷比對結(jié)果b0i-b1i是否在閾值范圍之內(nèi)。若b0i-b1i不在閾值范圍內(nèi)，則以步進二進制編碼b2i進行補償，補償之后再次送入單片機中與b0i進行比對，如此進行循環(huán)補償，直到比對結(jié)果b0i-b1i在閾值范圍內(nèi)，最終實現(xiàn)溫度補償。

本發(fā)明與現(xiàn)有溫度補償晶體振蕩器相比，具有以下技術(shù)優(yōu)點：

1)不需要溫度傳感器，而是實時的將待補償vcxo的頻率變化信息直接通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器和單片機得到補償信息，以最小步進補償電壓對應(yīng)的二進制編碼的方式來逼近目標(biāo)頻率。該方法能夠克服現(xiàn)有tcxo中由于使用溫度傳感器和晶體諧振器晶片溫度變化不同步引起的溫度遲滯問題；

2)本發(fā)明采用了閉環(huán)補償構(gòu)架，更容易實現(xiàn)實時高精度補償；

3)本發(fā)明補償過程簡單，不需要像原理傳統(tǒng)的溫度補償晶體振蕩器需要先采集頻率溫度以及補償電壓的數(shù)據(jù)，而是直接將需要補償?shù)男畔?yīng)的二進制編碼轉(zhuǎn)換為補償電壓，本發(fā)明結(jié)構(gòu)也較為簡單，易于集成和批量生產(chǎn)；

4)本發(fā)明可以良好適用于各種頻率的晶體振蕩器，尤其是對于采用現(xiàn)有技術(shù)補償效果較差的高頻晶體振蕩器，其補償效果也較好。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有基于微處理器的溫度補償方式下的溫度補償晶體振蕩器結(jié)構(gòu)圖；

圖2是現(xiàn)有基于混頻的溫度補償方式下的溫度補償晶體振蕩器結(jié)構(gòu)圖；

圖3是本發(fā)明晶體振蕩器的數(shù)字溫度補償方法一種具體實施流程圖；

圖4是根據(jù)本發(fā)明方法構(gòu)建的硬件即溫度補償晶體振蕩器的原理框圖；

圖5是圖4所示的溫度補償晶體振蕩器的工作流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行描述，以便本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明。需要特別提醒注意的是，在以下的描述中，當(dāng)已知功能和設(shè)計的詳細描述也許會淡化本發(fā)明的主要內(nèi)容時，這些描述在這里將被忽略。

圖3是本發(fā)明晶體振蕩器的步進溫度補償方法一種具體實施流程圖。

在本實施例中，如圖3所示，本發(fā)明晶體振蕩器的步進溫度補償方法包括以下步驟：

步驟s1：確定目標(biāo)頻率f0對應(yīng)的二進制編碼b0i

在常溫t0，如25℃下，調(diào)整壓控晶體振蕩器即vcxo壓控端的控制電壓使其輸出目標(biāo)頻率f0，然后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的二進制編碼b0i，并將目標(biāo)頻率f0的二進制編碼b0i保存以便進行比對和運算；

步驟s2：確定當(dāng)前時刻頻率偏移δf(t)時對應(yīng)的二進制編碼

由于溫度的變化，壓控晶體振蕩器即vcxo的輸出頻率為f(t)＝f0±δf(t)，其中，頻率f(t)是未補償而需要補償?shù)膶崟r輸出頻率，f0是期望壓控晶體振蕩器輸出的目標(biāo)頻率，δf(t)是由溫度變化引起的頻率偏移，它是一個函數(shù)，隨溫度的變化而變化，如果輸出頻率升高，則f(t)＝f0+δf(t)，如果輸出頻率降低，則f(t)＝f0-δf(t)，將壓控晶體振蕩器即vcxo實時輸出的頻率信號f(t)送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的二進制編碼b1i，然后輸入至單片機中與b0i進行比對和計算，初始化步進次數(shù)n＝0。

步驟s3：判斷比對結(jié)果b0i-b1i是否在閾值范圍δb內(nèi)

在單片機中設(shè)定閾值范圍δb，將二進制編碼b0i和二進制編碼b1i進行比對之后，判斷比對結(jié)果b0i-b1i是否在閾值范圍δb內(nèi)，如果不在，則n＝n+1，轉(zhuǎn)到步驟(4)；如果在，則輸出當(dāng)前f(t)對應(yīng)的二進制編碼，即f(t)＝f0，實現(xiàn)了壓控晶體振蕩器即vcxo的溫度補償；

步驟s4：步進輸出補償電壓

當(dāng)b0i-b1i大于閾值范圍，則輸出補償電壓值對應(yīng)的二進制編碼bv＝b0i+n×b2i；當(dāng)b0i-b1i小于閾值范圍，則輸出補償電壓值對應(yīng)的二進制編碼bv＝b0i-n×b2i，其中，b2i為步進二進制編碼；

單片機輸出補償電壓的二進制編碼b0i+n×b2i或b0i-n×b2i，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為補償電壓或并經(jīng)過信號調(diào)理電路調(diào)理后輸出至壓控晶體振蕩器即vcxo的電壓控制端，然后返回步驟(3)，其中，δv(t)是補償電壓變化量。

在本實施例中，按照本發(fā)明方法構(gòu)建的硬件即溫度補償晶體振蕩器的原理框圖如圖4所示，它包括：壓控晶體振蕩器即vcxo301、功分器302、模數(shù)轉(zhuǎn)換器303、單片機304、數(shù)模轉(zhuǎn)換器305、信號調(diào)理電路306。壓控晶體振蕩器即vcxo301主要由石英諧振器、變?nèi)荻O管和振蕩電路組成，其工作原理是通過控制電壓來改變變?nèi)荻O管的電容，從而“牽引”石英諧振器的頻率，以達到頻率調(diào)整的目的。功分器302是將壓控晶體振蕩器即vcxo301的輸出頻率信號分為兩路，其中一路正常輸出，另一路輸入至模數(shù)轉(zhuǎn)換器303；模數(shù)轉(zhuǎn)換器303是將壓控晶體振蕩器即vcxo301的輸出頻率信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的二進制編碼。單片機304進行二進制編碼存儲、頻率比對與計算，得到補償電壓的二進制編碼b0i+n×b2i或b0i-n×b2i，數(shù)模轉(zhuǎn)換器305將補償電壓的二進制編碼b0i+n×b2i或b0i-n×b2i轉(zhuǎn)換為補償電壓或并經(jīng)過信號調(diào)理電路306調(diào)理后輸出至壓控晶體振蕩器即vcxo301的電壓控制端，實現(xiàn)了壓控晶體振蕩器即vcxo的溫度補償。

圖5是圖4所示的溫度補償晶體振蕩器的工作流程圖。在本實施例中，其包括以下步驟：

第一步：在常溫下給vcxo輸入控制電壓使其輸出目標(biāo)頻率f0，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的二進制編碼，輸入到單片機中并將f0的二進制編碼b0i保存以便進行比對和運算；

第二步：vcxo的輸出信號f(t)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入到單片機中，與f0對應(yīng)的二進制編碼b1i進行計算，并判斷結(jié)果是否在閾值電壓范圍之內(nèi)，當(dāng)b0i-b1i大于閾值范圍，則輸出補償電壓值對應(yīng)的二進制編碼b0i+n×b2i；當(dāng)b0i-b1i小于閾值范圍，則輸出補償電壓值對應(yīng)的二進制編碼b0i-n×b2i。反之，當(dāng)比對結(jié)果b0i-b1i在閾值范圍內(nèi)，則輸出當(dāng)前f(t)對應(yīng)的二進制編碼b1i。以上過程的程序均存儲在單片機中；

第三步：單片機輸出補償電壓的二進制編碼b0i±n×b2i，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為補償電壓

第四步：數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出的電壓信號需要經(jīng)過信號調(diào)理電路的處理，輸出至vcxo的電壓控制端，最終當(dāng)f(t)＝f0時，實現(xiàn)了vcxo的溫度補償。

根據(jù)以上描述可知，本發(fā)明的實質(zhì)是將待補償vcxo的頻率變化信息直接通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器和單片機得到補償信息的二進制編碼，以最小步進補償電壓對應(yīng)的二進制編碼的方式來逼近目標(biāo)頻率，循環(huán)進行頻率比對，使補償后的壓控晶體振蕩器輸出等于期望獲得的目標(biāo)頻率信號f0，從而達到溫度補償?shù)哪康摹?/p>

盡管上面對本發(fā)明說明性的具體實施方式進行了描述，以便于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員理解本發(fā)明，但應(yīng)該清楚，本發(fā)明不限于具體實施方式的范圍，對本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，只要各種變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變化是顯而易見的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護之列。