石英晶体振荡器的微处理器温度补偿技术研究 - 学兔兔 www.bzfxw.com .pdf

石英 晶体振荡器 的微处理器温度补偿 技术研 究 邓志鹏 。 陈 向东 ( 西南交通大学 信息科学与技术学 院， 成都 6 1 0 0 3 1 ) 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( S TC8 9 C5 2 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 中图分类号 ：TN7 5 2 文献标 识码 ：A Re s e ar c h o f Mi c r Op r O c e s s O r Temp er a t u r e Comp en s at i on Te c h n i q u e f or Qu a r t z Cr y s t a l Os c i l l a t o r De ng Zh i p e n g，Ch e n Xi a n g d o n g ( S c h o o l o f I n f o r ma ti o n S c i e n c eTe c h n o l o g y，S o u t h W e s t J i a o t o n g Un i v e r s i t y， Ch e n g d u 6 1 0 0 3 1 ，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：I n o r d e r t o i mp r o v e t h e f r e q u e n c y p e r f o r ma n c e o f q u a r t z c r y s t a l o s c i l l a t o r a n d r e d u c e t h e t e m p e r a t u r e e f f e c t ，o n t h e b a s i s o f f r e q ue n c y - t e mpe r a t u r e s pe c i f i c i t y o f qua r t z c r ys t a l os c i l l a t or ，t e mpe r a t ur e c omp e ns a t i o n t e c hn ol o gy ba s e d o n AT c u t c r y s t a l r e s on at or wi t h mi c r o p r o c e s s o r( S TC 8 9 C5 2 RC) a s c o r e i s p r o p o s e d S y s t e m s t r u c t u r e ，c o m p e n s a t i o n t h e o r y a n d h a r d wa r e c i r c u i t a r e i n t r o d u c e d， a n d t he c o mpe n s a t i on r e s ul t s a r e g i ve nThe d e s i g n h as s u c h a d va n t a ge s a s s i mp l e s t r u c t ur e， l o w p owe r c o ns u m p t i on Ke y wo r ds：q ua r t z c r ys t a l o s c i l l a t o r；t e mpe r a t ur e c o mpe ns a t i o n；m i c r o pr o c e s s or 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 、 G P S 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 3 5 。 1 O 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 ( V o l t a g e C o n t r o l l e d C r y s t a l Os c i l l a t o r ， VCXO) 等组 成 。其 中温度传 感 器与 VC XO 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 f 0 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 N ， 再 以 N 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 N ， 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 U ， 并 加到 VC XO 中变 容二极 管 两端 ， 以控制 VC X0的振荡频率 ， 按给定 误差趋 近于标 称 频率 f 。 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 u 形成 电路 的 核心 部 分 。微 处 理 器 采 用深 圳 宏 晶公 司 的 STC8 9 C5 2 RC_ 4 。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 8 0 5 1单片机 ， 工作 温度 范围为 一4 O +8 5 ， 工作 电压 范 围 为 3 3 图 1 微处理器温度补偿 系统原理框 图 4 Mi c r o c o n t r o l l e r s E mb e d d e d S y s t e ms 2 0 1 2年 第8期 W Ww me s n e t c o m c n 万方数据 5 5 V； 支 持 在 系 统 可 编 程 ( I nS y s t e m P r o g r a mmi n g ， I S P ) ， 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 S M5 0 7 3 l_ 5 。S M5 0 7 3是 Ni p p o n Pr e c i s i o n Ci r c u i t s 公 司的一款 8引脚 S OP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 VC XO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 范围为一4 O +8 5。 图 2为 VCXO的 晶体振 荡 电路 ， 石英 晶体 谐振 器 接 在 S M5 0 7 3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 I NHN 为输 出状 态 控制 电压输入端 ， 内置 上拉 电阻 ， 在 实 际应用 中悬 空 以达 到高 阻状 态 。4引脚 VS S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 VD D是 振荡器 工作 电压输 入端 。 r _ 口 D V G ND p F s M o 。 工 图 2 VOX O 晶体 振 荡 电 路 2 3温 度 采集 电 路 温度采集 电路采 用 Ma x i m公 司的智 能数字化 温度传 感器 D S 1 8 B 2 0 6 ， 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 T09 2封装 ， 工作 电压 范 围为 3 0 5 5 V， 测量 温度范 围为 一5 5 1 2 5 ； 可编程 9 1 2位 A D转 换精度 ， 在测 温范 围内分辨率 可达 0 0 6 2 5 ， 精度为 0 5 o C； 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 1 0位 D A 转 换 器 AD5 3 1 0 B RT 。AD5 3 1 0 B RT 是 具 有 电 压 缓 冲 输 出 的 l p _F 图 3温 度 采 集 电 路 C MOS单 电源串行 1 O位数据转换器 。采 用 6引脚 S OT一 2 3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 一4 O +1 0 5 ， 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 AD5 3 1 0 B RT的典型工作 电流为 1 4 0“ A， 可见该芯 片达到 了低功耗 的要求 。AD5 3 I O BRT 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 人 内 部 移 位 寄 存 器 即 可 ， 其 转 换 电路 如 图 4 所 示 。 0 1 UF 暑 lO k Q 10g F VDD DI N GND S CLK Vo u t S YNC AD5 3 l 0 BRT 昌 ST C8 9 C5 2 RC 9 厂一 譬 wc P 3 1 TXD P 3 2 I NT0 VS S 图 4 D A转 换电路 卫 1 GND 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