一种新的高频泛音晶体振荡器温度补偿方法

随着军民用通信和测量技术的发展，高频温度补偿晶体振荡器的需求日益迫切，特别是频率值高于100MHz的高频温补晶振，它能降低整机倍频次数，改善系统指标，具有广泛的应用前景。

对高频晶体振荡器进行温度补偿的技术途径目前一般有两条：一是对高次泛音高频晶体振荡器的频率直接进行温度补偿；二是先对低次泛音或基频晶振的频率进行温度补偿，然后将其倍频得到所需的高频值。因为石英晶体谐振器的串、并联谐振频率间隔与泛音次数的平方成反比，即泛音次数越高，串、并联谐振频率间隔越窄，补偿就越困难。第一种途径必须加电感以拓宽高次泛音晶体谐振器的串、并联谐振频率间隔，才易于补偿。这样就降低了晶体振荡器的Q值，降低了频率一温度稳定度，降低了相噪性能。第二种途径必须对低次泛音或基频晶振进行倍频才能得到所需的高频，这就恶化了晶体振荡器的相位噪声和频谱。因此，本文提出一种新的高频泛音晶体振荡器温度补偿的方法，克服了高次泛音晶体谐振器串、并联谐振频率间隔窄所带来的固有缺陷，能克服目前泛音温补晶振的稳定性下降和相噪恶化的缺点，使实现高质量的高频泛音晶体振荡器的温度补偿成为可能。

一、温度补偿高频石英晶体振荡器的构成

图l  高频泛音晶体振荡器系统构成图

系统主要由陶瓷振荡电路、石英晶体振荡电路、混频器、晶体滤波器、微处理器等五部分组成。系统原理框图见图1：高频泛音石英晶体振荡电路采用100MHz五次泛音石英晶体作为振荡晶体。陶瓷振荡电路采用450kHz低频陶瓷作为谐振器，陶瓷谐振器的串、并联谐振频率较宽，易于通过改变连接在陶瓷振荡电路一端的电容来改变陶瓷振荡电路输出的频率。由电容的变化而引起的陶瓷振荡电路输出频率的变化△f，恰好能够对石英晶体振荡器以及陶瓷振荡器在温度变化下的频率偏移之和进行补偿。微处理器采用模拟公司的ADμC812，该处理器工作温度范围为-40～+85℃，其内部集成了温度℃传感器和A/D。微处理器根据温度传感器输出的当前温度信息，计算出温度补偿所需要的电容值。然后从P2口输出控制信号选通开关电容阵中相应的电容，开关电容阵连接在陶瓷振荡电路的一端，电容改变，陶瓷振荡电路的输出频率发生变化，频率变化值△f对整个振荡器在温度变化下的频率偏移进行了补偿。石英晶体振荡电路输出的频率信号与陶瓷晶体振荡电路输出的频率信号进行混频，得到二者的和频和差频，再由晶体滤波器进行选频得到两者的和频作为最后的频率输出。当环境温度发生变化时，微处理器P2口的控制信号发生变化，开关电容阵中选通的电容发生变化，连接在陶瓷振荡电路一端的电容值发生变化，其输出频率发生变化，从而实现了对石英晶体的温度补偿，将晶体振荡器的输出频率稳定在标称频率上。

二、温度补偿原理

通过温度实验得到未经补偿的晶体振荡器频率一温度特性如图2，（实验器材：频率计型号：HP-5334B；高低温箱：CT6003；电源：DCYBl719）

图2  未补偿的晶体振荡器频率一温度曲线

温度补偿的目的就是使晶体振荡器的频率输出在整个温度范围内频率偏移达到最小。该振荡器频率偏移值包括了温度变化下的石英晶体振荡器频率偏移△f₁和陶瓷振荡器的频率偏移△f₂。为实现补偿的目的，就要使陶瓷振荡电路的频率改变△f绝对值等于石英晶体的频率偏移值△f₁与陶瓷的频率偏移值△f₂之和，符号相反，即△f（t）=△f₁（t）+△f₂（t）。对整个振荡器输出频率的补偿是通过改变与陶瓷振荡电路一端相连的电容来实现的。实际中采用开关电容阵来实现电容的改变，这样电容的变化范围大于普通的变容二极管的变化范围，使方案得以实现，同时有利于集成，并有可能利于减少相位噪声。

微处理器的输出口P2有8位，故开关电容阵可选8个电容。这8个电容可以有2⁸=256种组合方式，每一种组合方式由微处理器输出口的8位二进制数值来决定，把该8位二进制值转化为十进制值则每种不同组合方式均与0到255之间的整数N存在一一对应的关系。由实验直接得到N．温度的特性关系如图3所示．

图3  温度与电容组合整数N的关系曲线

图3中，每相邻两点之间可以用线性插值的方法构造N-温度函数，可表示如下：

将该函数编程写入微处理器中，每当温度发生变化，微处理器通过上述函数的计算得到不同温度下不同的N值，从而输出口P2的二进制值就发生变化，电容的组合方式就发生变化，与陶瓷振荡电路一端相连的电容阵的电容值发生变化，从而陶瓷振荡电路的输出频率发生变化，使得△f（t）=△f₁（t）+△f₂（t），从而实现了对振荡器频率偏移的补偿。

三、补偿结果

对已加入补偿措施的晶体振荡器进行温度实验，初步实验结果如表1所示。

实验中由于选用的陶瓷振子是普通的商用陶瓷振子，在低于0℃时，由于密封不严将出现停振，故初步实验温度设定为0～70℃。为了更直观地观察补偿结果，给出了图4补偿前和补偿后的频率输出比较图。

（标称频率取f₀=100 449 242Hz）

表l 补偿前和补偿后的输出频率对比表

图4 补偿结果图

四、结束语

从上面的实验结果可以看出，经过补偿后，振荡器的频率一温度稳定性要比未经补偿的好得多，可达到±2×10^-6以内。振荡器的频率一温度特性得到了很大的改善。

本文提出的高频温补方法与以往的高频温补方法完全不同。它充分利用了陶瓷谐振器串、并联谐振频率较宽的特性，克服了高次泛音石英晶体串、并联谐振频率太窄所带来的固有缺陷，使得高次泛音石英晶体温度补偿得以实现。实验选用了一般的商用陶瓷谐振器，其温度范围较窄为0～70℃，这是该振荡器温度范围窄的原因，只需要改换一个温度范围较宽的陶瓷谐振器即可解决温度范围的问题。由于需要补偿的频率偏移是由晶体和陶瓷共同引起的，其偏移范围较大，这有可能降低振荡器的稳定度。但我们可以通过增加开关电容阵中电容的个数方便地解决，这也是我们需要进一步研究的方向。该振荡器适宜集成，能适应电子系统要求的高频高次泛音温补晶振的迫切需求。可广泛用于军事、民用通信等领域，具有良好的发展前景和市场竞争力。