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(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(chēng)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(chēng)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。