石英晶體振蕩器的微處理器溫度補償技術研究

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，并介紹了系統結構、補償原理及硬件電路，給出了補償結果。本設計具有結構簡單、功耗低等優點。
關鍵詞：石英晶體振蕩器；溫度補償；微處理器

引言
隨著科技的飛速發展，石英晶體振蕩器作為重要的頻率器件，廣泛應用于通信系統、雷達導航測控系統、GPS等設備中。在其應用方面，影響其頻率特性的主要因素是溫度；而通過溫度補償的方法可以減小溫度的影響，從而提高晶體振蕩器的頻率穩定度。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
本系統由微處理器、溫度傳感器、A／D轉換器、D／A轉換器、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稱頻率f0時所需要的溫度補償數據并寫進微處理器的數據段中。溫度傳感器測出石英晶體諧振器的溫度T，經A／D轉換器轉換為對應的數字量NT，再以NT作為地址，由微處理器從數據段中讀出該地址所存儲的溫度補償控制電壓數據NK，送到D／A轉換器；經D／A轉換器轉換為相對應的模擬溫度補償控制電壓UK，并加到VCXO中變容二極管兩端，以控制VCXO的振蕩頻率，按給定誤差趨近于標稱頻率f0。

2 硬件電路設計
2．1 微處理器
微處理器相當于整個系統的“大腦”，起著舉足輕重的作用，控制協調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、內置變容二極管的壓控晶體振蕩器集成芯片。內部使用了負阻開關振蕩電路，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工藝變容二極管，在單芯片上集成了VCXO所有必需的元件，只要外接相應的石英晶體諧振器即可啟動工作，從而減小了系統體積，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為輸出狀態控制電壓輸人端，內置上拉電阻，在實際應用中懸空以達到高阻狀態。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轉換精度，在測溫范圍內分辨率可達0．062 5℃，精度為±0．5℃；采用單總線接口方式，輸出數字信號；與微處理器實現通信只需要一條線即可，占用微處理器的端口少，可節省大量的引線和邏輯電路。在本設計中，溫度傳感所測得的值是當前晶體所處環境的溫度，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前晶體本身的溫度。溫度采集電路如圖3所示。