CN201571042U - 自拟合数字温补晶体振荡器及其系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了自拟合数字温补晶体振荡器，其包括稳压器、受补偿压控晶体振荡器、温度传感器、微控制器、压控合成电路以及整形电路(6)；本实用新型使用自身资源，自主完成温补拟合过程，从而保证了产品内部使用环境和生产环境的一致，极大的提高了温补数据的准确性，从而保证了温度稳定度精度；拟合测试过程摆脱计算机全程控制，提高单位时间生产效率，避免了因外设异常或人工操作失误所引起的风险；本实用新型批量试生产的产品的温度特性指标-40℃～+85℃全部达到小于±0.05×10^-6的极好特性，比同类产品高出10-20倍，超过三级时钟恒温晶体振荡器的频率温度稳定度指标，完全使得温度稳定度精度达到最佳的效果。

Description

自拟合数字温补晶体振荡器及其系统

技术领域

本实用新型涉及一种数字温补晶体振荡器及其技术，尤其涉及一种可以自主完成温补拟合过程的数字温补晶体振荡器。

背景技术

温补晶体振荡器凭借其体积小、功耗低、重量轻、开机特性快等特点被广泛应用到军、民用通信电台，卫星通信、GPS、无线通讯等领域。在我国数字同步网三级以上高稳晶体时钟领域还是普遍采用压控恒温晶体振荡器，由于压控恒温晶体振荡器的耗电大、体积大很难满足现代通信设备小型化、集成化的发展要求，近几年来国内外不少厂家在温补晶体振荡器领域做了较大的努力，开发研制出各种型式的压控温补晶体振荡器以替代压控恒温晶体振荡器，但因各种因素限制，大都很难如愿以偿。目前同行业中数字温补晶体振荡器的拟合测试多采用计算机全程控制，拟合过程数据全由计算机计算、处理及存储，测试完成后还需重新将拟合补偿数据下载到数字温补晶体振荡器的存储器中，这种方法在大批量生产时受简易通讯方法的限制，计算机不可能准确得采集到每个数字温补晶体振荡器内部的真实温度，而实际工作中数字温补晶体振荡器内置的数字温度传感器与受补偿的压控晶体振荡器间存在较大的温度滞后问题。因此计算机保存到的拟合补偿数据与受补偿的压控晶体振荡器实际需要的补偿数据偏差较大，使得频率温度稳定度精度无法达到最佳，如专利号为01273470.5的实用新型专利“一种微机温度补偿晶体振荡器”说明书中所述，其批量试生产的20只样品的主要性能参数中的频率温度特性指标仅能达到“-40℃～+85℃小于±1ppm”，满足不了三级以上高稳晶体时钟的要求。又如西安电子科技大学刘芸等发表的论文《集成式压控型温补晶体振荡器的二次补偿》中：“微机补偿晶体振荡器使用了微控制器来进行数据的处理、计算及控制等操作，具有最好的频率温度特性，但由于微机补偿晶体振荡器的造价昂贵、结构复杂，使其不能得到广泛的应用。”该论文作者将微机补偿晶体振荡器的原理与压控温补晶体振荡器相结合，运用最简单的单片机器件对其进行二次补偿，使压控温补晶体振荡器的频率温度特性由±2×10^-6提升至±0.3×10⁶。但其还是不能满足三级以上高稳晶体时钟的要求。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型提供了一种能够自主完成温补拟合过程的数字温补晶体振荡器及其系统。

本实用新型为解决其技术问题所采用的技术方案是：

自拟合数字温补晶体振荡器，包括：

稳压器，所述稳压器连接电源输入端，其输出端连接至自拟合数字温补晶体振荡器各个部分，用于向各个部分提供稳定的工作电压；

受补偿压控晶体振荡器，作为自拟合数字温补晶体振荡器的受补偿对象及压控频率源，其压控端接收压控电压，并将处理后的信号从输出端输出；

温度传感器，用于检测自拟合数字温补晶体振荡器的内部环境温度；

微控制器，分别连接受补偿压控晶体振荡器及温度传感器，并通过单总线连接外部设备进行通讯，所述微控制器作为产生温度频率补偿电压的控制中心，实时检测温度传感器的温度，并实时输出给受补偿压控晶体振荡器在当前温度下所需的温补频率校正数据；

压控合成电路，其输入端分别连接外部压控电压及微控制器的输出端，输出端连接受补偿压控晶体振荡器的压控端，所述压控合成电路用于合成外部压控输入电压与微控制器提供的数字温补电压，并将合成后的压控电压输出至受补偿压控晶体振荡器的压控端；

以及整形电路，所述整形电路连接受补偿压控温补晶体振荡器的输出端，用于将受补偿压控温补晶体振荡器的输出信号提纯整形为正弦波或方波信号。

数字温补晶体振荡器的自拟合系统，采用上述的自拟合数字温补晶体振荡器，包括：

电源装置，用于向系统各部分供电；

计算机管理中心，用于对系统的工作进行控制；

程控高低温箱，连接计算机管理中心，并通过计算机管理中心的命令对工作环境温度进行控制；

若干生产测试单元，所述生产测试单元安装于可程控高低温箱内，每个生产测试单元配设有若干自拟合数字温补晶体振荡器。

本实用新型的有益效果是：本实用新型选用普通的压控温补晶体振荡器做压控频率源，再经过自拟合数字温补后，不仅可以保持现有晶体振荡器体积小、功耗低、重量轻、开机特性快等特点，并且是可以将频率温度特性指标提高到在全温度范围内(-40℃～+85℃)的频率温度特性小于±0.05×10^-6，达到甚至超过三级高稳晶体时钟的要求，同时具有良好的压控特性，实现工艺简单，便于大批量生产。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明：

图1是数字温补晶体振荡器的原理结构框图；

图2是压控合成电路的原理图；

图3数字温补晶体振荡器的自拟合系统结构框图；

图4是自拟合成果实测数据图表结果图。

具体实施方式

本实用新型是一种以自拟合测试的数字补偿压控温补晶体振荡器，其原理框图如图1所示，自拟合数字补偿压控温补晶体振荡器(sDCXO)包含稳压器1、受补偿压控晶体振荡器2、温度传感器3、微控制器4、压控合成电路5及整形电路6，其中：

所述稳压器1是整个产品中的稳压电路，自拟合数字温补晶体振荡器的外接电源通过电源输入端VCC经稳压器1为受补偿压控温补晶体振荡器2、温度传感器3、微控制器4、压控合成电路5提供稳定的直流工作电压或直流偏置工作点；优选的，所述稳压器1为低压差线性稳压器，其稳压电压为3.3V。

所述受补偿压控晶体振荡器2作为自拟合数字温补晶体振荡器的受补偿对象及压控频率源，其压控端Vc’接收压控电压，并将受控制的频率信号从输出端Out输出；受补偿压控晶体振荡器2可采用商品化的表面贴装器件，即SMD器件，只要求其压控频率牵引范围足够宽，线性好，而对频率温度特性无严格要求；受补偿压控晶体振荡器2的输出频率随其压控输入端Vc’的输入电压变化而变化，因而当环境温度变化而引起受补偿压控晶体振荡器2的输出频率变化时，只要改变其压控输入端Vc’的输入电压，就可将变化的频率拉回到标称频率，从而达到补偿目的。

所述温度传感器3用于检测自拟合数字温补晶体振荡器的内部环境温度；

所述微控制器4，即MCU，分别连接受补偿压控晶体振荡器2及温度传感器3，并通过单总线连接外部设备进行通讯，所述微控制器4作为产生温度频率补偿电压的控制中心，实时检测温度传感器3的温度，并实时输出给受补偿压控晶体振荡器2在当前温度下所需的温补频率校正数据。

所述压控合成电路5是将外部压控输入电压与微控制器4提供的数字温补电压的共同作用，经运算放大器合成输出，作用于受补偿压控晶体振荡器2的压控端Vc’，实现自拟合数字补偿压控温补晶体振荡器sDCXO频率温度补偿和满足压控频率牵引的双重功能。其输入端分别连接外部压控电压及微控制器4的PWM输出端，输出端连接受补偿压控晶体振荡器2的压控端Vc’。参照图2，作为优选方案，所述压控合成电路5包括RC滤波器51和运算放大器52，RC滤波器51输入端连接微控制器4的PWM输出端，其输出端连接运算放大器52的负端，所述运算放大器52的正端连接外部压控电压输入端Vc，其输出端连接受补偿压控晶体振荡器2的压控端Vc’。

所述整形电路6连接受补偿压控温补晶体振荡器2的输出端Out，用于将受补偿压控温补晶体振荡器2的输出信号提纯整形为正弦波或方波信号。

进一步，作为本实用新型的优选实施方式，所述微控制器4包括有通信模块、温补数据存储单元、温度测量模块、脉宽调制模块、补偿拟合控制逻辑模块，其中：

所述通信模块连接微控制器4的I/O接口，其功能是控制单总线与自拟合数字温补晶体振荡器外部设备通讯。

所述温补数据储存单元为微控制器4的EEPROM，用于数据储存。

所述温度测量模块，所述温度测量模块通过微控制器4的I/O接口连接温度传感器3，并通过单总线控制及读取温度传感器3的检测温度。

所述脉宽调制模块，即PWM模块，其作用是产生补偿压控晶体振荡器2需要的温度补偿电压；脉宽调制模块在补偿拟合控制逻辑模块的控制下，产生一定的占空比方波，方波由压控合成电路5滤波为直流电压，再经运放合成而后产生可程控的温度补偿电压输出至受补偿压控晶体振荡器2。

所述补偿拟合控制逻辑模块分别连接通讯模块、温补数据储存单元及温度测量模块；补偿拟合控制逻辑模块在自拟合数字温补晶体振荡器正常使用时的功能是：通过温补数据存储单元的数据计算出对应的温度补偿数据，并控制脉宽调制模块产生相应的温度补偿电压；在自拟合数字温补晶体振荡器为拟合状态时，其功能是：通过通讯模块从外部设备获得当前频率，通过温度测量模块测量自拟合数字温补晶体振荡器的温度，并计算频率偏差及温补校正数据，然后将温度数据及温补电压写入温补数据存储单元进行存储，实现自拟合数字温补晶体振荡器自拟合。

本实用新型充分利用自拟合数字温补晶体振荡器内部的微控制器4，在自拟合数字温补晶体振荡器温度拟合测试的每个温度点，自拟合数字温补晶体振荡器自测其内部晶体的实时温度，自行通过频率偏差计算压控校正电压，并自行产生校正电压控制自拟合数字温补晶体振荡器内部的频率输出，以验证压控补偿后的频率是否正确。因此，除了当前频率值需要自拟合数字温补晶体振荡器外部设备传入外，所有计算、环境采集、压控电压产生均完全使用自拟合数字温补晶体振荡器内部器件，所以对每个自拟合数字温补晶体振荡器来讲，拟合环境即为实际使用环境，尽可能的消除了拟合过程与产品使用过程中的环境差别。从而保证了自拟合数字温补晶体振荡器在全温度范围内(-40℃～+85℃)的温度稳定度小于±0.05×10^-6。

本实用新型还提供了数字温补晶体振荡器的自拟合系统，其采用上述的自拟合数字温补晶体振荡器，参照图3，其包括有：电源装置7、计算机管理中心8、程控高低温箱9、生产测试单元10及待测的自拟合数字温补晶体振荡器11，其中：

所述电源装置7采用工业用电，并设开关电源，用于向计算机管理中心8、程控高低温箱9及生产测试单元10供电。

所述计算机管理中心8，即PC管理中心，其储存了系统的软件程序，用于对系统的工作进行控制。

所述程控高低温箱9，连接计算机管理中心8，并通过计算机管理中心8的命令对其内部的工作环境温度进行控制。

所述生产测试单元10安装于可程控高低温箱9内，每个生产测试单元10配设有若干自拟合数字温补晶体振荡器11，并且，待测自拟合数字温补晶体振荡器-11的工作电源是由生产测试单元10转化后提供。

系统工作时，当计算机管理中心8发启进入拟合测试的命令，所有的自拟合数字温补晶体振荡器即同时进入自拟合状态，直至自拟合测试完成。

本实用新型的拟合测试过程中只要计算机管理中心8的计算机发启进入拟合测试命令，多个自拟合数字温补晶体振荡器即同时进入自拟合状态，计算机不必再介入每个自拟合数字温补晶体振荡器的拟合测试过程中，提高了单位时间生产效率。

理论上，按115200波特的通讯速率，拟合时以每只产品20byte/s的通讯量进行计算，传统的拟合方法1秒内极限情况下可完成115200/11/20≈520只产品的拟合测试，众所周知，这种极限不间断的通讯是不存在的。实际情况去掉一些通讯间隔及其它时间开销，1秒钟最多只能完成200只左右产品。本实用新型的自拟合测试进入拟合状态后已不再受计算机通讯速率的限制，理论上单位时间可以实现任意数量只产品同时进行拟合，实际情况受高低温箱等设备容积限制实现5000～10000只产品的测试是完全可能的。

目前，国内几家大型通信设备制造商对三级高稳晶体时钟的频率温度特性要求如下：

1.工作温度：0℃～60℃，频率温度特性优于±5×10^-8；

2.工作温度：-20℃～70℃，频率温度特性优于±1×10^-7；

参照图4为自拟合成果实测数据图表，是批量试生产任意20只产品的温度特性指标示意图，图中横坐标表示40℃～+85℃温度范围，纵坐标表示自拟合成果，当前温度Tn对应的实时频率Fn与常温Fo(25℃)的相对频偏(×10^-6)，全部达到小于±0.05×10^-6的极好特性。

由于温度拟合测试过程中，温度拟合补偿数据实时保存到自拟合数字温补晶体振荡器内部的微控制器4的EEPROM内，完全实现自行拟合、自行保存数据，整个测试过程中只要保证自拟合数字温补晶体振荡器自身不出现异常，其它任何环节出现异常都不会对整个测试过程造成任何影响，完全摆脱了由计算机操控全程可能引起的弊端，更尽量可能的避免了人为介入，避免了人为操作失误将引起的不必要的风险。

本实用新型的自拟合数字温补晶体振荡器使用自有资源，自主完成温补拟合过程，在提高温度特性指标的同时兼顾了压控特性。拟合测试过程摆脱计算机全程控制，避免了因外设异常或人工操作失误所引起的风险。

通过批量试生产，本实用新型批量(1280只)试生产的温度特性指标在-40℃～+85℃全温度范围内全部达到小于±0.05×10^-6的极好特性，比现行同类产品高出10-20倍，完全达到甚至超过三级高稳晶体时钟的指标要求，实现了频率温度稳定度达到最佳的效果。

本实用新型的自拟合数字温补晶体振荡器使用自身资源，自主完成温补拟合过程，从而保证了产品内部使用环境和生产环境的一致，极大的提高了温补数据的准确性，从而保证了频率温度稳定度精度；拟合测试过程摆脱计算机全程控制，提高单位时间生产效率，避免了因外设异常或人工操作失误所引起的风险；本实用新型批量试生产的产品的温度特性指标-40℃～+85℃全部达到小于±0.05×10^-6的极好特性，比同类产品高出10-20倍，超过三级时钟恒温晶体振荡器的频率温度稳定度指标，完全使得频率温度稳定度精度达到最佳的效果。

Claims (5)

1.自拟合数字温补晶体振荡器，其特征在于包括：

稳压器(1)，所述稳压器(1)连接电源输入端(VCC)，其输出端连接至自拟合数字温补晶体振荡器各个部分，用于向各个部分提供稳定的工作电压；

受补偿压控晶体振荡器(2)，作为自拟合数字温补晶体振荡器的受补偿对象及压控频率源，其压控端(Vc’)接收压控电压，并将处理后的信号从输出端(Out)输出；

温度传感器(3)，用于检测自拟合数字温补晶体振荡器的内部环境温度；

微控制器(4)，分别通过压控合成电路(5)连接受补偿压控晶体振荡器(2)及温度传感器(3)，并通过单总线连接外部设备进行通讯，所述微控制器(4)作为产生温度频率补偿电压的控制中心，实时检测温度传感器(3)的温度，并实时输出给受补偿压控晶体振荡器(2)在当前温度下所需的温补频率校正数据；

压控合成电路(5)，其输入端分别连接外部压控电压及微控制器(4)的PWM输出端，其输出端连接受补偿压控晶体振荡器(2)的压控端(Vc’)，所述压控合成电路(5)用于合成外部压控输入电压与微控制器(4)提供的数字温补电压，并将合成后的压控电压输出至受补偿压控晶体振荡器(2)的压控端(Vc’)；

以及整形电路(6)，所述整形电路(6)连接受补偿压控温补晶体振荡器(2)的输出端(Out)，用于将受补偿压控温补晶体振荡器(2)的输出信号提纯整形为正弦波或方波信号。

2.根据权利要求1所述的自拟合数字温补晶体振荡器，其特征在于所述微控制器(4)包括：

通信模块，所述通信模块连接微控制器(4)的I/O接口，用于控制单总线与自拟合数字温补晶体振荡器的外部设备通讯；

温补数据储存单元，所述温补数据储存单元为微控制器(4)内部的EEPROM，用于数据储存；

温度测量模块，所述温度测量模块通过微控制器(4)的I/O接口连接温度传感器(3)，并通过单总线通讯控制及读取温度传感器(3)的检测温度；

脉宽调制模块，所述脉宽调制模块用于产生需要的温度补偿电压，即产生一定的占空比方波，并输出至压控合成电路(5)，经压控合成电路(5)滤波为直流电压再经运放处理成可程控的温度补偿电压；

补偿拟合控制逻辑模块，所述补偿拟合控制逻辑模块分别连接通讯模块、温补数据储存单元及温度测量模块。

3.根据权利要求1所述的自拟合数字温补晶体振荡器，其特征在于，所述压控合成电路(5)包括RC滤波器(51)和运算放大器(52)，RC滤波器(51)输入端连接微控制器(4)的输出端，其输出端连接运算放大器(52)的负端，所述运算放大器(52)的正端连接外部压控电压输入端(Vc)，其输出端连接受补偿压控晶体振荡器(2)的压控端(Vc’)。

4.根据权利要求1所述的自拟合数字温补晶体振荡器，其特征在于，所述稳压器(1)为低压差线性稳压器，其稳压电压为3.3V。

5.数字温补晶体振荡器的自拟合系统，采用权利要求1所述的自拟合数字温补晶体振荡器，其特征在于包括：

电源装置(7)，用于向系统各部分供电；

计算机管理中心(8)，用于对系统的工作进行控制；

程控高低温箱(9)，连接计算机管理中心(8)，并通过计算机管理中心(8)的命令对工作环境温度进行控制；

若干生产测试单元(10)，所述生产测试单元(10)安装于可程控高低温箱(9)内，每个生产测试单元(10)配设有若干自拟合数字温补晶体振荡器(11)。

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