一种新型小尺寸微机补偿晶体振荡器

论文摘要

随着电子技术的飞速发展，频率高度稳定的晶体振荡器得到了广泛的应用，特别是温度补偿晶体振荡器（TCXO），开机即可正常工作，更是广泛应用于通信、导航、雷达、测量仪表等电子设备中。作为它们的基准频率源，它是以上电子设备的关键性部件，被称为此类电子设备的“心脏”。在TCXO中，微处理机补偿晶体振荡器（MTCXO）是一种比较新型的数字式温度补偿晶体振荡器。本文首先根据双旋Y-切石英晶体物理图像的振动模式，通过求解描述固体中弹性声波的Christoffel方程，得到其在切角Φ3=0，Φ1=35°10′处也即AT切石英晶体谐振器的频率温度特性曲线，这是我们进行温度补偿的理论依据。接着我们详细介绍了微处理机补偿晶体振荡器的基本构成及其各部分硬件电路的工作原理、电路设计和器件选择以及从硬件和软件设计方面介绍了该系统的低功耗设计方法。结合AT切石英晶体谐振器的频率温度特性曲线，我们选择了最小二乘拟合进行数值逼近。然后我们详述了整个单片机部分的软件设计和曲线拟合的方法，并以我们所获得的实验数据证明了本文所述利用微处理机进行温度补偿的可行性。最后，我们对结果进行了分析，并据此发现了设计中存在的一些不足并提出了一些改进方法。本方案正是由于在MTCXO中引入了微处理机，使得系统可以充分发挥软件的优势，用软件以及软硬结合的方法代替大量的硬件电路，这样就大大减少了晶体振荡器的体积及其制造成本。与数字温度补偿晶体振荡器（DTCXO）相比，本文所叙述的微处理机补偿晶体振荡器具有频率温度稳定度高，结构简单，体积小，功耗低等优势，使其具有很强的竞争力。最终的实验结果证明，该振荡器MTCXO在-40～+85℃的温度范围内能够稳定工作，其频率温度稳定度可达±4.7×10-7，而当工作电压为3.3V时电流消耗只有6.33mA左右，而体积只有19×12×10mm3。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 晶体振荡器的发展概况
• 1.2 石英晶体振荡器的类型
• 1.2.1 几种主要的晶体振荡器
• 1.2.2 温度补偿晶体振荡器（TCXO）
• 1.2.3 TCXO的技术指标
• 1.3 MTCXO的发展水平与预期设计指标
• 第二章 晶体谐振器的选取及其频温特性分析
• 2.1 石英晶体的物理特性
• 2.2 温度补偿晶体振荡器对晶体谐振器的要求
• 2.2.1 双旋Y切石英振子T模的分析
• 2.2.2 AT切石英振子T模频温特性的分析
• 第三章 微处理机补偿晶体振荡器的系统设计
• 3.1 系统概况
• 3.1.1 系统组成框图
• 3.1.2 系统工作原理
• 3.2 振荡电路的设计
• 3.2.1 晶体谐振器的选择
• 3.2.2 主振电路概述
• 3.2.3 实际使用电路
• 3.3 微处理机电路
• 3.3.1 芯片选择
• 3.3.2 单片机外围的电路设计
• 3.3.3 单片机在系统编程功能
• 3.4 温度传感器电路
• 3.4.1 芯片选择
• 3.4.2 A/D转换器的确定
• 3.4.3 工作电路与程序编制
• 3.5 电压补偿电路
• 3.5.1 D/A转换器的确定
• 3.5.2 器件选择
• 3.5.3 应用电路
• 3.6 稳压电源电路
• 第四章 微处理机补偿晶体振荡器系统的低功耗设计
• 4.1 低功耗硬件设计
• 4.1.1 工作频率
• 4.1.2 工作电压
• 4.2 低功耗软件设计
• 4.2.1 空闲模式的应用
• 4.2.2 其他软件减小功耗的方法
• 第五章 微处理机补偿晶体振荡器的补偿电压的算法分析
• 5.1 补偿原理概述
• 5.2 最小二乘曲线拟合
• 5.3 最小二乘法拟合的方法
• 第六章 微处理机补偿晶体振荡器的程序设计
• 6.1 单片机控制程序
• 6.2 温度测量程序
• 6.2.1 初始化子程序
• 6.2.2 写子程序
• 6.2.3 读子程序
• 6.3 电压补偿程序
• 6.4 数据处理程序
• 6.5 空闲模式程序
• 第七章 结论与分析
• 7.1 MTCXO的调试
• 7.2 实验结果
• 7.3 最终结果分析及结论
• 7.3.1 最终指标
• 7.3.2 后续工作展望
• 7.3.3 最终结论
• 7.4 试验PCB图及实际样品图
• 参考文献
• 致谢
• 附录1 微处理机温度补偿程序
• 附录2 最小二乘法多项式拟合程序
• 攻硕期间取得的研究成果