石英晶体振荡器的微处理器温度补偿技术研究

摘要：为改善石英晶体振荡器的频率特性，减小温度影响，通过对石英晶体振荡器的频率一温度特性的研究，提出了以微处理器(STC89C52 RC)为核心的基于AT切晶体谐振器的温度补偿技术，并介绍了系统结构、补偿原理及硬件电路，给出了补偿结果。本设计具有结构简单、功耗低等优点。
关键词：石英晶体振荡器；温度补偿；微处理器

引言
    随着科技的飞速发展，石英晶体振荡器作为重要的频率器件，广泛应用于通信系统、雷达导航测控系统、GPS等设备中。在其应用方面，影响其频率特性的主要因素是温度；而通过温度补偿的方法可以减小温度的影响，从而提高晶体振荡器的频率稳定度。AT切石英晶体振荡器是一种切角为35°10’且具有较好频率温度特性的石英晶体振荡器。

1 基本原理
    本系统由微处理器、温度传感器、A／D转换器、D／A转换器、压控晶体振荡器(Voltage Controlled CrystalOscillator，VCXO)等组成。其中温度传感器与VCXO中的石英晶体振荡器之间通过导热硅胶紧密粘合在一起，以达到很好的热耦合，其原理框图如图1所示。

    在各个不同温度点上，保持输出振荡频率为标称频率f0时所需要的温度补偿数据并写进微处理器的数据段中。温度传感器测出石英晶体谐振器的温度T，经A／D转换器转换为对应的数字量NT，再以NT作为地址，由微处理器从数据段中读出该地址所存储的温度补偿控制电压数据NK，送到D／A转换器；经D／A转换器转换为相对应的模拟温度补偿控制电压UK，并加到VCXO中变容二极管两端，以控制VCXO的振荡频率，按给定误差趋近于标称频率f0。

2 硬件电路设计
2．1 微处理器
    微处理器相当于整个系统的“大脑”，起着举足轻重的作用，控制协调着其他各部分的工作，尤其是补偿电压Uk形成电路的核心部分。微处理器采用深圳宏晶公司的STC89C52RC。该微处理器是新一代高速、低功耗、超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，工作温度范围为-40～+85℃，工作电压范围为3．3～5．5 V；支持在系统可编程(In-System Programming，ISP)，无需专用编程器和专用仿真器。
2．2 主振电路
    主振电路采用了集成芯片SM5073。SMS073是Nippon Precision Circuits公司的一款8引脚SOP封装、内置变容二极管的压控晶体振荡器集成芯片。内部使用了负阻开关振荡电路，从而在振荡器启动和正常工作时都能获得很好的开机特性和较宽牵引范围；另外利用CMOS工艺变容二极管，在单芯片上集成了VCXO所有必需的元件，只要外接相应的石英晶体谐振器即可启动工作，从而减小了系统体积，降低了功耗。工作电压范围为3．0～3．6 V，工作温度范围为-40～+85℃。

    图2为VCXO的晶体振荡电路，石英晶体谐振器接在SM5073的1引脚XTN和8引脚XT之间，2引脚VC为振荡器频率控制电压输入端，3引脚INHN为输出状态控制电压输人端，内置上拉电阻，在实际应用中悬空以达到高阻状态。4引脚VSS是振荡器接地端，5引脚Q是振荡器频率输出端，6引脚NC悬空，7引脚VDD是振荡器工作电压输入端。
2．3 温度采集电路
    温度采集电路采用Maxim公司的智能数字化温度传感器DS18B20，它是一款可通过编程来控制测量精度，而且是单总线的数字温度传感器。采用小体积的3引脚TO-92封装，工作电压范围为3．0～5．5 V，测量温度范围为-55～125℃；可编程9～12位A／D转换精度，在测温范围内分辨率可达0．062 5℃，精度为±0．5℃；采用单总线接口方式，输出数字信号；与微处理器实现通信只需要一条线即可，占用微处理器的端口少，可节省大量的引线和逻辑电路。在本设计中，温度传感所测得的值是当前晶体所处环境的温度，由于温度是一个缓慢变化的信号，从而这个值也就反映了当前晶体本身的温度。温度采集电路如图3所示。

2．4 D／A转换电路
    D／A转换器选用了ADI公司的10位D／A转换器AD5310BRT。AD5310BRT是具有电压缓冲输出的CMOS单电源串行10位数据转换器。采用6引脚SOT23封装，具有体积小、功耗低、接口简单、工作电压范围宽等优点。工作温度范围为-40～+105℃，单电源供电，电源电压范围为2．7～5．5 V。电源采用5 V电压，此时AD5310BRT的典型工作电流为140μA，可见该芯片达到了低功耗的要求。AD5310BRT的使用也比较简单，只需将待转换的数字信号按照一定的时序，采用同步串行输入的方式送入内部移位寄存器即可，其转换电路如图4所示。

3 软件设计
    程序设计是石英晶体振荡器的微处理器温度补偿系统设计的主要工作之一。良好的程序设计可以有效地发挥微处理器的功能优势，提高系统的可靠性和抗干扰性能；而且通过软件代替部分硬件电路，能简化电路，节省成本，降低功耗，提高晶体振荡器的稳定度。温度补偿的补偿精度很大程度上和程序设计有关，本系统调试采用的是在线实时测量方案，此方案可以充分发挥微处理器的软件控制作用，使得整个测量过程处于完全数字化的控制模式。程序设计流程图如图5所示。

4 补偿原理
    石英晶体振荡器自身的频率变化曲线如图6所示。图中实曲线形象地表示了石英晶体振荡器输出频率与温度的关系(即晶振自身频率变化曲线)，同时勾画了一条与实曲线变化趋势相反的虚曲线，这样将虚实两条曲线叠加，得到的就是一条较平滑的直线。
    图7所示是补偿电压UK引起的频率变化曲线。它与图6中虚曲线的变化趋势一致，此时石英晶振自身振荡的频率变化趋势与补偿电压引起的频率变化趋势相反，起到了补偿作用；这样，经过UK补偿电压补偿后的振荡输出频率就会稳定在一个固定频率值附近，可得到较理想的
输出频率。通过对石英晶体振荡器输出频率变化量的补偿，改善它的频率一温度特性，使其在整个温度范围内频率偏移尽可能小，输出一个稳定的频率信号。

    对晶振进行温度补偿，需要对其进行在线测量实验。将系统置于高低温恒温实验箱中，以10℃为间隔选取一系列补偿温度点，测得在-20～+85℃的振荡电路输出频率值；将常温下的频率值作为频率标准，并同各个温度点的频率值进行比较；温度补偿时，在每个温度点下通过改变振荡电路控制电压值，将输出频率调制到标称频率，并记录该电压值。微处理器将测量出的补偿控制电压值和温度值的数字量写入EEPROM对应单元，之后微处理器将当前温度值与测量程序中存入EEPROM的“电压-温度”表格中的数据进行比较，得到相应的模拟温度控制电压，送至压控振荡器，控制输出频率在要求的温度范围内，误差趋近标称频率。

5 补偿结果分析
    将温度补偿系统置于高低温实验箱中，可测得不同温度下的输出频率变化量△f(△f为测得的实际频率值与标称频率值之间的差值)，以及此温度下对应的补偿电压UK，如表1所列。

    表1数据拟合后分别对应图8和图9，10 MHz AT切石英晶振温度补偿前频率变化量与温度的关系曲线和10MHz AT切石英晶振补偿电压与温度的关系曲线两者的变化趋势相反，从而起到补偿作用。为了更好地描述输出频率的变化趋势，引入了△f／f(相对频率变化量)来描述频率变化关系。

    补偿后不同温度下对应的输出频率变化量如表2所列。在-20～+85℃补偿后，晶振的输出频率变化量在±7 Hz浮动，与补偿前比较，其输出频率变化量大大减小，从而有效地减小了频率偏移，起到了很好的补偿效果。

结语
    本设计采用功能强大的微处理器，充分利用了芯片所具有的内部资源并发挥软件的优势，通过软件与硬件电路相结合的方法，使经过微处理器温度补偿后的石英晶体振荡器具有结构简单、精度高、功耗低、稳定性高、造价低、开机即可工作等优势，可应用在工程实践领域。