石英晶體振蕩器的微處理器溫度補(bǔ)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(guò)對(duì)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(bǔ)償技術(shù)，并介紹了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、補(bǔ)償原理及硬件電路，給出了補(bǔ)償結(jié)果。本設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：石英晶體振蕩器；溫度補(bǔ)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(dá)導(dǎo)航測(cè)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(guò)溫度補(bǔ)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(guò)導(dǎo)熱硅膠緊密粘合在一起，以達(dá)到很好的熱耦合，其原理框圖如圖1所示。

    在各個(gè)不同溫度點(diǎn)上，保持輸出振蕩頻率為標(biāo)稱頻率f0時(shí)所需要的溫度補(bǔ)償數(shù)據(jù)并寫(xiě)進(jìn)微處理器的數(shù)據(jù)段中。溫度傳感器測(cè)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(duì)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(chǔ)的溫度補(bǔ)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(duì)應(yīng)的模擬溫度補(bǔ)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(jì)
2．1 微處理器
    微處理器相當(dāng)于整個(gè)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(bǔ)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(qiáng)抗干擾的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)，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(wú)需專(zhuān)用編程器和專(zhuān)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(kāi)關(guān)振蕩電路，從而在振蕩器啟動(dòng)和正常工作時(shí)都能獲得很好的開(kāi)機(jī)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(dòng)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(shí)際應(yīng)用中懸空以達(dá)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(guò)編程來(lái)控制測(cè)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(cè)量溫度范圍為-55～125℃；可編程9～12位A／D轉(zhuǎn)換精度，在測(cè)溫范圍內(nèi)分辨率可達(dá)0．062 5℃，精度為±0．5℃；采用單總線接口方式，輸出數(shù)字信號(hào)；與微處理器實(shí)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(jì)中，溫度傳感所測(cè)得的值是當(dāng)前晶體所處環(huán)境的溫度，由于溫度是一個(gè)緩慢變化的信號(hào)，從而這個(gè)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(jiǎn)單、工作電壓范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。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(shí)AD5310BRT的典型工作電流為140μA，可見(jiàn)該芯片達(dá)到了低功耗的要求。AD5310BRT的使用也比較簡(jiǎn)單，只需將待轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)按照一定的時(shí)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(jì)
    程序設(shè)計(jì)是石英晶體振蕩器的微處理器溫度補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要工作之一。良好的程序設(shè)計(jì)可以有效地發(fā)揮微處理器的功能優(yōu)勢(shì)，提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性能；而且通過(guò)軟件代替部分硬件電路，能簡(jiǎn)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(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償精度很大程度上和程序設(shè)計(jì)有關(guān)，本系統(tǒng)調(diào)試采用的是在線實(shí)時(shí)測(cè)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(gè)測(cè)量過(guò)程處于完全數(shù)字化的控制模式。程序設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

4 補(bǔ)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(shí)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(shí)勾畫(huà)了一條與實(shí)曲線變化趨勢(shì)相反的虛曲線，這樣將虛實(shí)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(bǔ)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(shì)一致，此時(shí)石英晶振自身振蕩的頻率變化趨勢(shì)與補(bǔ)償電壓引起的頻率變化趨勢(shì)相反，起到了補(bǔ)償作用；這樣，經(jīng)過(guò)UK補(bǔ)償電壓補(bǔ)償后的振蕩輸出頻率就會(huì)穩(wěn)定在一個(gè)固定頻率值附近，可得到較理想的
輸出頻率。通過(guò)對(duì)石英晶體振蕩器輸出頻率變化量的補(bǔ)償，改善它的頻率一溫度特性，使其在整個(gè)溫度范圍內(nèi)頻率偏移盡可能小，輸出一個(gè)穩(wěn)定的頻率信號(hào)。

    對(duì)晶振進(jìn)行溫度補(bǔ)償，需要對(duì)其進(jìn)行在線測(cè)量實(shí)驗(yàn)。將系統(tǒng)置于高低溫恒溫實(shí)驗(yàn)箱中，以10℃為間隔選取一系列補(bǔ)償溫度點(diǎn)，測(cè)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(gè)溫度點(diǎn)的頻率值進(jìn)行比較；溫度補(bǔ)償時(shí)，在每個(gè)溫度點(diǎn)下通過(guò)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(cè)量出的補(bǔ)償控制電壓值和溫度值的數(shù)字量寫(xiě)入EEPROM對(duì)應(yīng)單元，之后微處理器將當(dāng)前溫度值與測(cè)量程序中存入EEPROM的“電壓-溫度”表格中的數(shù)據(jù)進(jìn)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(bǔ)償結(jié)果分析
    將溫度補(bǔ)償系統(tǒng)置于高低溫實(shí)驗(yàn)箱中，可測(cè)得不同溫度下的輸出頻率變化量△f(△f為測(cè)得的實(shí)際頻率值與標(biāo)稱頻率值之間的差值)，以及此溫度下對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償電壓UK，如表1所列。

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

    補(bǔ)償后不同溫度下對(duì)應(yīng)的輸出頻率變化量如表2所列。在-20～+85℃補(bǔ)償后，晶振的輸出頻率變化量在±7 Hz浮動(dòng)，與補(bǔ)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(bǔ)償效果。

結(jié)語(yǔ)
    本設(shè)計(jì)采用功能強(qiáng)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(shì)，通過(guò)軟件與硬件電路相結(jié)合的方法，使經(jīng)過(guò)微處理器溫度補(bǔ)償后的石英晶體振蕩器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、功耗低、穩(wěn)定性高、造價(jià)低、開(kāi)機(jī)即可工作等優(yōu)勢(shì)，可應(yīng)用在工程實(shí)踐領(lǐng)域。