石英晶體振蕩器的微處理器溫度補償技術(shù)研究

摘要：為改善石英晶體振蕩器的頻率特性，減小溫度影響，通過對石英晶體振蕩器的頻率一溫度特性的研究，提出了以微處理器(STC89C52 RC)為核心的基于AT切晶體諧振器的溫度補償技術(shù)，并介紹了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、補償原理及硬件電路，給出了補償結(jié)果。本設(shè)計具有結(jié)構(gòu)簡單、功耗低等優(yōu)點。
關(guān)鍵詞：石英晶體振蕩器；溫度補償；微處理器

引言
    隨著科技的飛速發(fā)展，石英晶體振蕩器作為重要的頻率器件，廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)、雷達導(dǎo)航測控系統(tǒng)、GPS等設(shè)備中。在其應(yīng)用方面，影響其頻率特性的主要因素是溫度；而通過溫度補償?shù)姆椒梢詼p小溫度的影響，從而提高晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度。AT切石英晶體振蕩器是一種切角為35°10’且具有較好頻率溫度特性的石英晶體振蕩器。

1 基本原理
    本系統(tǒng)由微處理器、溫度傳感器、A／D轉(zhuǎn)換器、D／A轉(zhuǎn)換器、壓控晶體振蕩器(Voltage Controlled CrystalOscillator，VCXO)等組成。其中溫度傳感器與VCXO中的石英晶體振蕩器之間通過導(dǎo)熱硅膠緊密粘合在一起，以達到很好的熱耦合，其原理框圖如圖1所示。

    在各個不同溫度點上，保持輸出振蕩頻率為標(biāo)稱頻率f0時所需要的溫度補償數(shù)據(jù)并寫進微處理器的數(shù)據(jù)段中。溫度傳感器測出石英晶體諧振器的溫度T，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的數(shù)字量NT，再以NT作為地址，由微處理器從數(shù)據(jù)段中讀出該地址所存儲的溫度補償控制電壓數(shù)據(jù)NK，送到D／A轉(zhuǎn)換器；經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為相對應(yīng)的模擬溫度補償控制電壓UK，并加到VCXO中變?nèi)荻O管兩端，以控制VCXO的振蕩頻率，按給定誤差趨近于標(biāo)稱頻率f0。

2 硬件電路設(shè)計
2．1 微處理器
    微處理器相當(dāng)于整個系統(tǒng)的“大腦”，起著舉足輕重的作用，控制協(xié)調(diào)著其他各部分的工作，尤其是補償電壓Uk形成電路的核心部分。微處理器采用深圳宏晶公司的STC89C52RC。該微處理器是新一代高速、低功耗、超強抗干擾的單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機，工作溫度范圍為-40～+85℃，工作電壓范圍為3．3～5．5 V；支持在系統(tǒng)可編程(In-System Programming，ISP)，無需專用編程器和專用仿真器。
2．2 主振電路
    主振電路采用了集成芯片SM5073。SMS073是Nippon Precision Circuits公司的一款8引腳SOP封裝、內(nèi)置變?nèi)荻O管的壓控晶體振蕩器集成芯片。內(nèi)部使用了負(fù)阻開關(guān)振蕩電路，從而在振蕩器啟動和正常工作時都能獲得很好的開機特性和較寬牽引范圍；另外利用CMOS工藝變?nèi)荻O管，在單芯片上集成了VCXO所有必需的元件，只要外接相應(yīng)的石英晶體諧振器即可啟動工作，從而減小了系統(tǒng)體積，降低了功耗。工作電壓范圍為3．0～3．6 V，工作溫度范圍為-40～+85℃。

    圖2為VCXO的晶體振蕩電路，石英晶體諧振器接在SM5073的1引腳XTN和8引腳XT之間，2引腳VC為振蕩器頻率控制電壓輸入端，3引腳INHN為輸出狀態(tài)控制電壓輸人端，內(nèi)置上拉電阻，在實際應(yīng)用中懸空以達到高阻狀態(tài)。4引腳VSS是振蕩器接地端，5引腳Q是振蕩器頻率輸出端，6引腳NC懸空，7引腳VDD是振蕩器工作電壓輸入端。
2．3 溫度采集電路
    溫度采集電路采用Maxim公司的智能數(shù)字化溫度傳感器DS18B20，它是一款可通過編程來控制測量精度，而且是單總線的數(shù)字溫度傳感器。采用小體積的3引腳TO-92封裝，工作電壓范圍為3．0～5．5 V，測量溫度范圍為-55～125℃；可編程9～12位A／D轉(zhuǎn)換精度，在測溫范圍內(nèi)分辨率可達0．062 5℃，精度為±0．5℃；采用單總線接口方式，輸出數(shù)字信號；與微處理器實現(xiàn)通信只需要一條線即可，占用微處理器的端口少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。在本設(shè)計中，溫度傳感所測得的值是當(dāng)前晶體所處環(huán)境的溫度，由于溫度是一個緩慢變化的信號，從而這個值也就反映了當(dāng)前晶體本身的溫度。溫度采集電路如圖3所示。

2．4 D／A轉(zhuǎn)換電路
    D／A轉(zhuǎn)換器選用了ADI公司的10位D／A轉(zhuǎn)換器AD5310BRT。AD5310BRT是具有電壓緩沖輸出的CMOS單電源串行10位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。采用6引腳SOT23封裝，具有體積小、功耗低、接口簡單、工作電壓范圍寬等優(yōu)點。工作溫度范圍為-40～+105℃，單電源供電，電源電壓范圍為2．7～5．5 V。電源采用5 V電壓，此時AD5310BRT的典型工作電流為140μA，可見該芯片達到了低功耗的要求。AD5310BRT的使用也比較簡單，只需將待轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號按照一定的時序，采用同步串行輸入的方式送入內(nèi)部移位寄存器即可，其轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。

3 軟件設(shè)計
    程序設(shè)計是石英晶體振蕩器的微處理器溫度補償系統(tǒng)設(shè)計的主要工作之一。良好的程序設(shè)計可以有效地發(fā)揮微處理器的功能優(yōu)勢，提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性能；而且通過軟件代替部分硬件電路，能簡化電路，節(jié)省成本，降低功耗，提高晶體振蕩器的穩(wěn)定度。溫度補償?shù)难a償精度很大程度上和程序設(shè)計有關(guān)，本系統(tǒng)調(diào)試采用的是在線實時測量方案，此方案可以充分發(fā)揮微處理器的軟件控制作用，使得整個測量過程處于完全數(shù)字化的控制模式。程序設(shè)計流程圖如圖5所示。

4 補償原理
    石英晶體振蕩器自身的頻率變化曲線如圖6所示。圖中實曲線形象地表示了石英晶體振蕩器輸出頻率與溫度的關(guān)系(即晶振自身頻率變化曲線)，同時勾畫了一條與實曲線變化趨勢相反的虛曲線，這樣將虛實兩條曲線疊加，得到的就是一條較平滑的直線。
    圖7所示是補償電壓UK引起的頻率變化曲線。它與圖6中虛曲線的變化趨勢一致，此時石英晶振自身振蕩的頻率變化趨勢與補償電壓引起的頻率變化趨勢相反，起到了補償作用；這樣，經(jīng)過UK補償電壓補償后的振蕩輸出頻率就會穩(wěn)定在一個固定頻率值附近，可得到較理想的
輸出頻率。通過對石英晶體振蕩器輸出頻率變化量的補償，改善它的頻率一溫度特性，使其在整個溫度范圍內(nèi)頻率偏移盡可能小，輸出一個穩(wěn)定的頻率信號。

    對晶振進行溫度補償，需要對其進行在線測量實驗。將系統(tǒng)置于高低溫恒溫實驗箱中，以10℃為間隔選取一系列補償溫度點，測得在-20～+85℃的振蕩電路輸出頻率值；將常溫下的頻率值作為頻率標(biāo)準(zhǔn)，并同各個溫度點的頻率值進行比較；溫度補償時，在每個溫度點下通過改變振蕩電路控制電壓值，將輸出頻率調(diào)制到標(biāo)稱頻率，并記錄該電壓值。微處理器將測量出的補償控制電壓值和溫度值的數(shù)字量寫入EEPROM對應(yīng)單元，之后微處理器將當(dāng)前溫度值與測量程序中存入EEPROM的“電壓-溫度”表格中的數(shù)據(jù)進行比較，得到相應(yīng)的模擬溫度控制電壓，送至壓控振蕩器，控制輸出頻率在要求的溫度范圍內(nèi)，誤差趨近標(biāo)稱頻率。

5 補償結(jié)果分析
    將溫度補償系統(tǒng)置于高低溫實驗箱中，可測得不同溫度下的輸出頻率變化量△f(△f為測得的實際頻率值與標(biāo)稱頻率值之間的差值)，以及此溫度下對應(yīng)的補償電壓UK，如表1所列。

    表1數(shù)據(jù)擬合后分別對應(yīng)圖8和圖9，10 MHz AT切石英晶振溫度補償前頻率變化量與溫度的關(guān)系曲線和10MHz AT切石英晶振補償電壓與溫度的關(guān)系曲線兩者的變化趨勢相反，從而起到補償作用。為了更好地描述輸出頻率的變化趨勢，引入了△f／f(相對頻率變化量)來描述頻率變化關(guān)系。

    補償后不同溫度下對應(yīng)的輸出頻率變化量如表2所列。在-20～+85℃補償后，晶振的輸出頻率變化量在±7 Hz浮動，與補償前比較，其輸出頻率變化量大大減小，從而有效地減小了頻率偏移，起到了很好的補償效果。

結(jié)語
    本設(shè)計采用功能強大的微處理器，充分利用了芯片所具有的內(nèi)部資源并發(fā)揮軟件的優(yōu)勢，通過軟件與硬件電路相結(jié)合的方法，使經(jīng)過微處理器溫度補償后的石英晶體振蕩器具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高、功耗低、穩(wěn)定性高、造價低、開機即可工作等優(yōu)勢，可應(yīng)用在工程實踐領(lǐng)域。