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。