內置晶體的溫度補償晶體振蕩器的補償校準判斷控制方法
【專利摘要】本發明涉及一種內置晶體的溫度補償晶體振蕩器的補償校準判斷控制方法，涉及晶體振蕩器【技術領域】。利用該方法能夠對未知的晶體振蕩器溫度頻率特性曲線進行擬合，根據獲得的特性曲線計算全溫度范圍內的晶體振蕩器補償數據；而后將選定的多個溫度點的補償數據寫入所述的晶體振蕩器內，進行頻率精度檢測，實現基于溫度頻率特性曲線實現兩點校準或單點校準，從而大幅度簡化校準的測試流程，提高測試效率，進而在全溫度范圍(-40℃~85℃)內可實現晶體振蕩器精確校準和補償，補償后的計時精度可達±2.0ppm。且本發明的內置晶體的溫度補償晶體振蕩器的補償校準判斷控制方法，其應用方式簡便，成本低廉，應用范圍也較為廣泛。
【專利說明】內置晶體的溫度補償晶體振蕩器的補償校準判斷控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及晶體振蕩器【技術領域】，特別涉及溫度補償晶體振蕩器的補償方法【技術領域】，具體是指一種內置晶體的溫度補償晶體振蕩器的補償校準判斷控制方法。
【背景技術】
[0002]晶體振蕩器是使用震動的壓電材料晶體的機械共振來產生具有非常精確的頻率的電信號的電子電路。該頻率用于不同的應用，例如記錄時間或提供用于數字集成電路的穩定的時鐘信號，以及穩定無線發射器的頻率等等。其中一般的音叉晶體的頻率相對于溫度的變化曲線為如圖1所示的以25°c為中心的拋物線，這意味著音叉晶體振蕩器在室溫下靠近其目標頻率32.768khz共振，但是當溫度從室溫升高或降低時低于目標頻率共振，其通用拋物線系數-0.04ppm/°C 2，其室溫下(+25°C )精度典型值為±20ppm。相當于每天慢或快1.7秒，即每年誤差10.34分鐘。圖1所示，在高溫和低溫區域精度變差，精度會低于150ppm(典型值)，相當于每天誤差13.0秒，每年誤差1.3小時。對于要求各種外界環境下精確計時的系統如便攜式計算機、手機和GPS等，如此大的誤差是無法忍受的。
[0003]特定頻率(f)和溫度⑴的典型晶體頻率偏差(Λ f):
[0004]Δ f/f=k (t-to) 2+fo
[0005]其中，f是晶體標稱頻率32.768kHz, k是曲率常數，t是溫度，to頂點溫度，fo是的頂點溫度下的相對頻偏。
[0006]從上式可以看出:只有三個變量控制著每個晶體的溫度特性，這三個參數是:曲率常數、頂點溫度、頂點溫度下的相對頻偏。曲率常數對全溫范圍內頻偏的拋物線形狀影響最大，但這個常數本身的偏差很小。不同的轉折溫度可以將拋物線左/右平移，不同的轉折溫度下的相對頻偏可以將拋物線上下平移，頂點溫度to —般為25±5°C，曲率常數k為-0.04ppm/°C 2，而fo頂點溫度下的相對頻偏一般為±20ppm，該公式可用于溫度補償算法。
[0007]本領域中已有很多的專利或專利申請提出了溫度補償型晶體振蕩器的補償及測試方法，傳統方法采用由熱敏電子構成的模擬電路，該補償方法具有速度慢，精度低和一致性不好等缺點。申請號為200880011650.9的中國專利申請公開了一種用于時基的溫度補償方法，其采用對溫度具有線性頻率限制的第二振蕩器來對音叉石英晶體進行補償，溫度補償算法復雜；而申請號為200810126435.5的中國專利申請公開了一種高精度溫度補償性晶體振蕩器補償測試方法，該補償方僅僅適用于采用AT切割的晶體諧振器具有用三次曲線表征的溫度頻率特性，不適用于音叉型石英晶體諧振器。

【發明內容】

[0008]本發明的目的是克服了上述現有技術中的缺點，提供一種在未知晶體振蕩器溫度頻率特性曲線的情況下實現溫度曲線擬合，在已知晶體諧振器溫度頻率特性曲線的情況下可實現兩點校準，在晶體一致性好的情況下，可實現單點校準，從而大幅度簡化校準的測試流程，提高測試效率，進而在全溫度范圍(-40°C?85°C)內可實現晶體振蕩器精確校準和補償，補償后的計時精度可達±2.0ppm，且應用方式簡便，成本低廉，應用范圍較為廣泛的內置晶體的溫度補償晶體振蕩器的補償校準判斷控制方法。
[0009]為了實現上述的目的，本發明的內置晶體的溫度補償晶體振蕩器的補償校準判斷控制方法包括以下步驟:
[0010](I)初始化所述的晶體振蕩器的內部負載電容；
[0011](2)確定所述的晶體振蕩器的頻率精度溫度特性曲線；
[0012](3)根據所述的頻率精度溫度特性曲線計算全溫度范圍內的晶體振蕩器補償數據；
[0013](4)將選定的多個溫度點的補償數據寫入所述的晶體振蕩器內；
[0014](5)檢測所述的多個溫度點的頻率精度，并判斷是否滿足預設的精度要求，若是，則進入步驟(8)，若否，則進入步驟(6)；
[0015](6)重新進行所述的步驟(I)至步驟(4)，并檢測多個溫度點的頻率精度，判斷是否滿足預設的精度要求，若是，則進入步驟(8 )，若否，則進入步驟(7 );
[0016](7)確定所述的晶體振蕩器為不良品，結束本方法；
[0017](8)確定所述的晶體振蕩器為良品，結束本方法。
[0018]該內置晶體的溫度補償晶體振蕩器的補償校準判斷控制方法中，所述的步驟(I)具體包括以下步驟:
[0019](11)根據所述的晶體振蕩器負載電容參數，確定內部負載電容的大小；
[0020](12)在常溫下檢測晶體振蕩器的頻率精度，判斷是否滿足預設的精度要求，若是，則進入步驟(2)，若否，則返回步驟(I)。
[0021 ] 該內置晶體的溫度補償晶體振蕩器的補償校準判斷控制方法中，所述的確定所述的晶體振蕩器的頻率精度溫度特性曲線，具體為:采用相同晶體振蕩器已知的頻率精度溫度特性曲線。
[0022]該內置晶體的溫度補償晶體振蕩器的補償校準判斷控制方法中，所述的步驟(2)具體包括以下步驟:
[0023](21)檢測多個溫度點的頻率精度，并判斷各溫度點的頻率精度是否滿足預設的精度要求，若是，則進入步驟(22)，若否，則返回步驟(I);
[0024](22)根據所述的各個溫度點的頻率精度擬合該晶體振蕩器的頻率精度溫度特性曲線。
[0025]該內置晶體的溫度補償晶體振蕩器的補償校準判斷控制方法中，所述的多個溫度點至少包括一個高溫溫度點和一個低溫溫度點。
[0026]該內置晶體的溫度補償晶體振蕩器的補償校準判斷控制方法中，所述的預設的精度要求為頻率偏差小于2ppm。
[0027]該內置晶體的溫度補償晶體振蕩器的補償校準判斷控制方法中，所述根據所述的各個溫度點的頻率精度擬合該晶體振蕩器的頻率精度溫度特性曲線，具體為:根據下式獲得頻率精度溫度特性曲線公式:
[0028]y=a (x_t) 2+k
[0029]=ax2-2atx+at2+k[0030]其中，t為溫度，k為溫度漂移，a為晶體振蕩器系數。
[0031]采用了該發明的內置晶體的溫度補償晶體振蕩器的補償校準判斷控制方法，對未知的晶體振蕩器溫度頻率特性曲線進行擬合，根據獲得的特性曲線計算全溫度范圍內的晶體振蕩器補償數據；而后將選定的多個溫度點的補償數據寫入所述的晶體振蕩器內，進行頻率精度檢測，實現基于溫度頻率特性曲線實現兩點校準或單點校準，從而大幅度簡化校準的測試流程，提高測試效率，進而在全溫度范圍(-40°C?85°C)內可實現晶體振蕩器精確校準和補償，補償后的計時精度可達±2.0ppm，且本發明的內置晶體的溫度補償晶體振蕩器的補償校準判斷控制方法，其應用方式簡便，成本低廉，應用范圍也較為廣泛。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1為32.768khz典型音叉晶體精度隨溫度的變化的曲線。
[0033]圖2為本發明的內置晶體的溫度補償晶體振蕩器的補償校準判斷控制方法的步驟流程圖。
[0034]圖3為負載電容為12.5pF的晶體，當負載電容變化時其振蕩頻率偏差的隨動特性曲線。
[0035]圖4為晶振電路的結構示意圖。
[0036]圖5為利用本發明的方法進行補償校準的溫度補償晶體振蕩器的系統框圖。
[0037]圖6為利用本發明的方法進行補償校準的不外接穩壓電源的測試電路。
[0038]圖7為利用本發明的方法進行補償校準的外接穩壓電源的測試電路。
[0039]圖8為本發明的方法在實際應用中實現兩點校準的流程示意圖。
[0040]圖9為本發明的方法在實際應用中實現單點校準的流程示意圖。
[0041]圖10為利用本發明的方法完成校準測試后的晶振精度隨溫度的變化的曲線與校準前的曲線的對比圖。
【具體實施方式】
[0042]為了能夠更清楚地理解本發明的技術內容，特舉以下實施例詳細說明。
[0043]請參閱圖1所示，為本發明的內置晶體的溫度補償晶體振蕩器的補償校準判斷控制方法的步驟流程圖。
[0044]在一種實施方式中，所述的方法包括以下步驟:
[0045](I)初始化所述的晶體振蕩器的內部負載電容；
[0046](2)確定所述的晶體振蕩器的頻率精度溫度特性曲線；
[0047](3)根據所述的頻率精度溫度特性曲線計算全溫度范圍內的晶體振蕩器補償數據；
[0048](4)將選定的多個溫度點的補償數據寫入所述的晶體振蕩器內；
[0049](5)檢測所述的多個溫度點的頻率精度，并判斷是否滿足預設的精度要求，若是，則進入步驟(8)，若否，則進入步驟(6)；
[0050](6)重新進行所述的步驟(I)至步驟(4)，并檢測多個溫度點的頻率精度，判斷是否滿足預設的精度要求，若是，則進入步驟(8)，若否，則進入步驟(7)；
[0051](7)確定所述的晶體振蕩器為不良品，結束本方法；[0052](8)確定所述的晶體振蕩器為良品，結束本方法。
[0053]在一種較優選的實施方式中，所述的步驟(I)具體包括以下步驟:
[0054](11)根據所述的晶體振蕩器負載電容參數，確定內部負載電容的大小；
[0055](12)在常溫下檢測晶體振蕩器的頻率精度，判斷是否滿足預設的精度要求，若是，則進入步驟(2)，若否，則返回步驟(I)。
[0056]在另一種較優選的實施方式中，所述的確定所述的晶體振蕩器的頻率精度溫度特性曲線，具體為:采用相同晶體振蕩器已知的頻率精度溫度特性曲線或者擬合未知的頻率精度溫度特性曲線。
[0057]所述的擬合未知的頻率精度溫度特性曲線具體包括以下步驟:
[0058](21)檢測多個溫度點的頻率精度，并判斷各溫度點的頻率精度是否滿足預設的精度要求，若是，則進入步驟(22)，若否，則返回步驟(I);
[0059](22)根據所述的各個溫度點的頻率精度擬合該晶體振蕩器的頻率精度溫度特性曲線。
[0060]在一種進一步優選的實施方式中，所述的多個溫度點至少包括一個高溫溫度點和一個低溫溫度點。所述的預設的精度要求為頻率偏差小于2ppm。
[0061]在一種更優選的實施方式中，所述根據所述的各個溫度點的頻率精度擬合該晶體振蕩器的頻率精度溫度特性曲線，具體為:根據下式獲得頻率精度溫度特性曲線公式:
[0062]y=a (x~t) 2+k
[0063]y=ax2-2atx+at2+k
[0064]其中，t為溫度，k為溫度漂移，a為晶體振蕩器系數。
[0065]化的影響。如下圖3所示的為一個負載電容為12.5pF的晶體，當負載電容變化時其振蕩頻率偏差的隨動特性曲線。
[0066]振蕩電路匹配電容的離散性和溫度漂移以及電路板的分布電容都會對振蕩頻率造成影響。不同類型的音叉型石英晶振具有不同的負載電容參數Q=6.0pF或者12.5pF等，其中:晶振負載電容參數Q與內部集成的電容Cu和Q2需要滿足如下關系:
[0067]Cl= [ (CL1X CL2) / (CL1+CL2) +Csteay]，
[0068]其中，Csteay為振蕩器電路的寄生電容，需要采用版圖技巧降低寄生電容的大小，一般選取內部集成電容Cu和Q2為負載電容的兩倍。晶振電路的結構示意圖如圖4所示。
[0069]利用本發明的方法進行補償校準的溫度補償晶體振蕩器的系統框圖如圖5所示。在利用本發明的方法進行補償校準時，可以采用如圖6所示的不外接穩壓電源的測試電路，也可以采用圖7所示的外接穩壓電源的檢測電路。
[0070]音叉型的晶體振蕩頻率隨溫度變化的曲線，它可以用拋物線方程描述為:特定頻率⑴和溫度⑴的典型晶體頻率偏差(Λ f):
[0071 ] Δ f/f=k (t-to)2+ Δ fo
[0072]其中，f是晶體標稱頻率32.768kHz, k是曲率常數，t是溫度，to頂點溫度，Δ fo是的頂點溫度下的相對頻偏。
[0073]由以上分析可見，對于一個晶體振蕩電路，影響其振蕩頻率誤差的因素有:負載電容、晶體在轉折溫度點的頻率偏差Λ fo和溫度偏移k。因此，要使晶體振蕩器精確計時，必須消除以上因素帶來的誤差。負載電容可以通過振蕩電路元器件的選擇來保證。而頻率偏差Λ fo和溫度偏移k則必須通過其它辦法來校準和補償。
[0074]提高計時精度的方法之一是要求供應商提供室溫精度處于指定范圍的晶體。這需要供應商在發貨前對每個晶體室溫下的頻偏進行分析，顯然，這種方法將大大增加成本。另外，這種方法不會影響晶體精度的拋物線特征。
[0075]通過篩選，晶體生產廠商可以提供室溫下±20ppm至± IOppm,甚至±5ppm的頻率精度。但是，這些精度得到提升的晶體并沒有改善高溫和低溫區域的精度。
[0076]如前所述，晶體的頻率偏差可以用拋物線方程來描述，如果可以確定拋物線方程，則可通過溫度(溫度的測量可以用集成溫度傳感器或NTC電阻來完成)來確定出頻率偏差從而對其進行補償。比較常用的一種方法就是測出一些點然后用最小二乘法擬合。簡要描述如下:
[0077]由一些已知點擬合拋物線方程表述為:
[0078]已知點:(XI，Yl)、(X2, Y2)、(X3, Y3)...(Xn, Yn)。采用最小二乘法，確定拋物線方程y=ax2+bx+c的系數。
【權利要求】
1.一種內置晶體的溫度補償晶體振蕩器的補償校準判斷控制方法，其特征在于，所述的方法包括以下步驟: (1)初始化所述的晶體振蕩器的內部負載電容； (2)確定所述的晶體振蕩器的頻率精度溫度特性曲線； (3)根據所述的頻率精度溫度特性曲線計算全溫度范圍內的晶體振蕩器補償數據； (4)將選定的多個溫度點的補償數據寫入所述的晶體振蕩器內； (5)檢測所述的多個溫度點的頻率精度，并判斷是否滿足預設的精度要求，若是，則進入步驟(8)，若否，則進入步驟(6)； (6)重新進行所述的步驟(1)至步驟(4)，并檢測多個溫度點的頻率精度，判斷是否滿足預設的精度要求，若是，則進入步驟(8 )，若否，則進入步驟(7 ); (7)確定所述的晶體振蕩器為不良品，結束本方法； (8)確定所述的晶體振蕩器為良品，結束本方法。
2.根據權利要求1所述的內置晶體的溫度補償晶體振蕩器的補償校準判斷控制方法，其特征在于，所述的步驟(1)具體包括以下步驟: (11)根據所述的晶體振蕩器負載電容參數，確定內部負載電容的大小； (12)在常溫下檢測晶體振蕩器的頻率精度，判斷是否滿足預設的精度要求，若是，則進入步驟(2)，若否，則返 回步驟(1)。
3.根據權利要求1所述的內置晶體的溫度補償晶體振蕩器的補償校準判斷控制方法，其特征在于，所述的確定所述的晶體振蕩器的頻率精度溫度特性曲線，具體為: 采用相同晶體振蕩器已知的頻率精度溫度特性曲線。
4.根據權利要求1所述的內置晶體的溫度補償晶體振蕩器的補償校準判斷控制方法，其特征在于，所述的步驟(2)具體包括以下步驟: (21)檢測多個溫度點的頻率精度，并判斷各溫度點的頻率精度是否滿足預設的精度要求，若是，則進入步驟(22)，若否，則返回步驟(1)； (22)根據所述的各個溫度點的頻率精度擬合該晶體振蕩器的頻率精度溫度特性曲線。
5.根據權利要求4所述的內置晶體的溫度補償晶體振蕩器的補償校準判斷控制方法，其特征在于，所述的多個溫度點至少包括一個高溫溫度點和一個低溫溫度點。
6.根據權利要求4所述的內置晶體的溫度補償晶體振蕩器的補償校準判斷控制方法，其特征在于，所述的預設的精度要求為頻率偏差小于2ppm。
7.根據權利要求4所述的內置晶體的溫度補償晶體振蕩器的補償校準判斷控制方法，其特征在于，所述根據所述的各個溫度點的頻率精度擬合該晶體振蕩器的頻率精度溫度特性曲線，具體為:根據下式獲得頻率精度溫度特性曲線公式:
y=a(x-t)2+k
=ax2-2atx+at2+k 其中，t為溫度，k為溫度漂移，a為晶體振蕩器系數。
【文檔編號】H03B5/04GK103684255SQ201210336327
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年9月12日 優先權日:2012年9月12日
【發明者】陳富濤, 胡燕, 鄧玉清, 張明豐, 嚴淼, 孫麗軍 申請人:無錫華潤矽科微電子有限公司