技术领域
[0001] 本
发明属于
电子技术领域，涉及
晶体振荡器，尤其是
温度补偿晶体振荡器。
背景技术
[0002] 晶体振荡器广泛应用于电子信息产业，精密的晶体振荡器对通信、电子仪器、航空航天、国防军工等领域的技术发展有重要作用，是电子系统的“心脏”。
[0003] 随着
环境温度的变化，晶体振荡器输出
频率会发生漂移。这种输出频率随温度变化的情况如图1所示，通常定义这种图形为频率-温度特性曲线。图1中虚线为目前最常用的AT切
石英晶体振荡器(或
谐振器)的典型频率-温度特性曲线，实线为镓镧系(LGX)材料的典型频率-温度特性曲线。
[0004] 为了改善振荡器的频率温度特性，研究发现可以采用恒温和温度补偿的方法，其中恒温的方法虽然有
精度高的优点，但有体积大、功耗高、成本高和需要预热时间的缺点，不能满足移动通讯的要求，所以在大量使用的移动通讯设备中(如手机)均采用的是温度补偿的方法。
[0005] 在振荡器的温度补偿中研究者开发了许多补偿办法，最初是利用热敏
电阻网络的模拟补偿法(TCXO)，它的不足是补偿中调试复杂，生产性差，补偿精度也有限；后续是数字补偿法(DTCXO)，并进而过度到微机补偿晶体振荡器(Microcomputer Compensated Crystal Oscillator，简称MCXO)，他们的温度补偿精度高，系统较为复杂，借助大规模专用集成
电路技术实现的专用IC，体积很小，成本也能降低到合理的程度，适合大规模生产，所以目前移动通讯设备中(如手机)使用的温度补偿晶体振荡器基本都是这类，光手机用年出货量就有几亿只，但IC基本由国外垄断，而且这种MCXO由于系统复杂，并且是模拟数字混合集成，所以其
相位噪声指标不如模拟温度补偿晶体振荡器，这是它的不足。
[0006] 前述不论模拟还是数字、以及微机补偿晶体振荡器其思路均是：在不同的温度点，加载不同
电压于晶体振荡器的负载变容
二极管上，以便于将晶体振荡器输出频率拉回到固定的值，通常命名此时的加载电压为补偿电压。这样的补偿方式有一个固有
缺陷，它会造成振荡器的短期频率稳定度和
相位噪声的下降，原因是加在
变容二极管上的电
压实际上总是控制温度补偿需要的直流电压和振荡器的交流电压之和，这使得实际中的控制电压带有交流的成分，这会使相位噪声恶化，这也是温度补偿晶体振荡器的相位噪声指标远低于恒温型晶体振荡器的主要原因。
[0007] 随着现代电子技术的发展，电子系统的相位噪声指标越来越重要，而晶体谐振器的温度频差指标借助于生产技术的发展控制得越来越好，体现在其温度频差小并且一致性好。为了提高温度补偿晶体振荡器的相位噪声指标，研究者和我们都曾采用了实验一个温度系数适当的负温度系数的电容与晶体谐振器
串联的方法来构成简易的温度补偿，这个方法回避了使用变容二极管，相应也避免了控制电压中含有交流
信号的干扰问题，所以这样的补偿对相位噪声的恶化更小，也有可能实现更好的低相位噪声温度补偿，但这个方法存在两个不足，所以未能得到大量的应用：一是需要晶体谐振器的温度频差指标一致性好，因为这种采用负温度系数电容的补偿方法调整并不方便，幸运的是随着现代电子技术的发展，晶体谐振器的温度频差指标借助于生产技术的发展控制得越来越好，体现在其温度频差小并且一致性好，这个问题已得到解决。二是采用负温度系数的电容补偿适合于补偿单斜率的温度频率曲线，即不适合补偿LGX的抛物线和石英晶体的三次曲线，如只补偿直线段，对AT切石英晶体振荡器，只能补偿到大约0-50℃，超过这个温度范围，就没有补偿的效果，这不能满足移动通讯等电子系统的要求，这是本发明要解决的问题。
发明内容
[0008] 本发明提供一种具有分段自动控制的串联温度补偿电容的简易低相噪温度补偿晶体振荡器，它通过温度
传感器把
感知的温度信息通过模拟
开关分段自动控制几路(对AT切石英晶体振荡器的宽温补偿，即为3路)串联温度补偿电容电路从而实现移动通讯要求的温度补偿晶体振荡器的性能，分段控制的断点(转换点)由上位机通过开发板来设定，同时也就使本方法具有了补偿曲线的调整功能，这样回避了使用变容二极管，以一种方便集成的简易的方式实现了低相噪的温度补偿。
[0009] 本发明技术方案如下：
[0010] 本发明的技术方案分为两种方案，一种在温度补偿晶体振荡器内部含有
单片机，另一种在温度补偿晶体振荡器内部没有包含单片机，它们分别适应于不同的应用领域，方案一和方案二的示意图如图2所示，
[0011] 即本发明的技术方案分是先通过温度传感器采集温度信息，再通过模拟开关电路分段控制振荡电路，实现对输出频率的温度补偿.
[0012] 图3是方案一中温度传感器的信号转换到模拟开关控制端的示意图。
[0013] 它使用温度传感器(图中为DS18B20)通过一个单片机(图中为AT89C51)把单输出的温度传感器DS18B20的二进制数转换为并行8位输出。
时钟信号从第五位开始设定一个上升沿来采集数据，图中同时级联两个7485(4位)数值比较器(并联三组)，对传感器实测的温度和已设定的温度的进行比较，通过74LS138译码器来选择最后输出的高电平(通过非
门将低电平转化为高电平)。
[0014] 图4是方案二中温度传感器的信号转换到模拟开关控制端的示意图。
[0015] 它使用温度传感器(图中为TC1047)通过一个电压
放大器(图中为缩小10倍)，再通过八位ADC并行8位输出，图中同时级联两个7485(4位)数值比较器(并联两组)，对传感器实测的温度和已设定的温度的进行比较，通过74LS139译码器来选择最后输出的高电平(通过非门将低电平转化为高电平)。
[0016] 图5是方案一中上位机通过开发板来设定分段控制的断点(转换点)的示意图。
[0017] 如图示，它通过单片机(图中为AT89C51)对实测温补曲线的零温度系数点以及补偿的温度峰值的十进制数温度转化为二进制数值，输入到8位串行输入、并行输出的位移缓存器(图中为74HC595)，最后并联输出三个8位的二进制数(分别为温度曲线上分段控制的断点(转换点)与可补偿温度的峰值)。
[0018] 图6是方案二中上位机通过开发板来设定分段控制的断点(转换点)的示意图。
[0019] 如图示，它通过单片机(图中为AT89C51)对实测温补曲线的零温度系数点的十进制数温度转化为二进制数值，输入到8位串行输入、并行输出的位移缓存器(图中为74HC595)，最后并联输出两个8位的二进制数(分别为温度曲线上分段控制的断点(转换点))。实际操作时，根据温度传感器的不同，有不同形式，对图中的TC1047温度传感器，根据它的输出格式特性，会在单片机程序中十进制数上增加50，再输出二进制数。
附图说明
[0020] 图1是晶体振荡器频率温度曲线示意图。
[0021] 图2是本发明的技术方案，包含方案一和方案二的示意图。
[0022] 图3是方案一中温度传感器的信号转换到模拟开关控制端的示意图。
[0023] 图4是方案二中温度传感器的信号转换到模拟开关控制端的示意图。
[0024] 图5是方案一中上位机通过开发板来设定分段控制的断点(转换点)的示意图。其中U2(ST_CP)和U2(SH_CP)为使能端。
[0025] 图6是方案二中上位机通过开发板来设定分段控制的断点(转换点)的示意图。其中U2(ST_CP)和U2(SH_CP)为使能端。
[0026] 图7是方案一的一种具体实施方式的示意图。
[0027] 图8是方案二的一种具体实施方式的示意图。
[0028] 图9是用来实验的AT切12.8MHZ石英晶体谐振器补偿前的温度频率曲线。
[0029] 图10是图9的晶体谐振器采用本发明方法，利用两个
正温度系数电容和一个负温度系数电容补偿的补偿曲线和补偿后的频率温度曲线。
具体实施方式
[0030] 图7是方案一的一种具体实施方式的示意图，图中模拟开关直接采用方便集成的最简单的二极管来实现，此时温度传感器DS18B20通过一个AT89C51单片机，输出到模拟开关电路和振荡器电路(可以通过如图5所示的上位机来实现断点(转换点)的微调)，控制振荡电路以实现对输出频率的温度补偿.
[0031] 图8是方案二的一种具体实施方式的示意图，图中模拟开关直接采用方便集成的最简单的二极管来实现，此时温度传感器TC1047通过一个缩小10倍的电压放大器，再通过八位ADC传输到模拟开关电路(可以通过如图6所示的上位机来实现断点(转换点)的微调)，控制振荡电路以实现对输出频率的温度补偿.
[0032] 图9是用来实验的AT切12.8MHZ石英晶体谐振器补偿前的温度频率曲线。
[0033] 图10是图9的晶体谐振器在采用本发明方法，利用两个正温度系数电容和一个负温度系数电容补偿后的温度频率曲线。其中图10(a)是补偿曲线图，图10(b)是补偿后的频率温度曲线。由图可见本方案可以实现对晶体振荡器输出频率的宽温度范围温度补偿。同时，本发明的补偿没有用变容二极管，避免了对相位噪声的恶化。
