一种新型120 MHz微机补偿泛音晶体振荡器

　　1 12OMHz温度补偿晶体振荡器的结构及原理

　　本文介绍的120MHz微处理器温度补偿泛音晶体振荡器（MTCOXO）的结构框图如图1所示。

　　该MTCOXO的工作原理是采用100MHz泛音晶体振荡器与20MH:压控晶体振荡器（VCXO）混频，其产物中有和频、差频以及其他杂散信号，通过滤波器选频后获得120 MHz信号，同时温度传感器收集这两个晶体振荡器的温度信息，并送到微处理器中，由微处理器根据当前温度计算出该温度下VCXO所需的控制电压，使VCXO直接补偿整个系统的频率随温度的偏移。

　　1.1 100MHZ泛音晶振和20MHZ VCXO

　　100MH的5次泛音晶体振荡器是由通用巴特勒（Butler）振荡电路组成，20MHZVCXO是由通用的基频压控模块构成，这两个晶体振荡器的频率都会随着环境温度的改变而变化，从而导致整个系统的频率随温度变化。通过温度实验，得到整个系统在补偿前的频率一温度特性曲线，如图2所示。

　　假设100MHZ泛音晶体振荡器和20MHZ VCXO频率随温度的偏移分别为△f100和△f20，△f是由微处理器为补偿整个系统（120MHZ晶振）的频率偏移而控制VCXO产生的频率变化。当忽略其他元器件参数影响时，△f100、△f20和△f是唯一取决于温度T的函数。

　　两个晶体振荡器混频后再经滤波进行频率选择。由于最近的混频产物与所需的120MH:输出的距离有20MHZ，滤波器采用了较廉价的LC滤波器。

　　1.2 微处理器及温度传感器

　　在验证性试验中，选用方便下载程序的AT89552作为系统的微处理器，10位分辨率的TLC5615ID作为数模转换器（DAC），其工作温度范围均为-40-十85 ℃，温度传感器选用DS18BZO，测量范围一5-十125 ℃，以满足整个系统的测量温度范围（-30-+75℃）。

　　微处理器完成对温度传感器的设置、读写，以及与DAC之间的数据传输，从而读出某一温度值并计算出该温度下所需的控制电压的二进制代码，再由DAC将其转换为相应的直流电压，控制VCXO的频率输出。

　　2 晶体振荡器的补偿原理

　　系统中两个振荡器的频率都会随温度变化，温度补偿的目的是要VCXO直接补偿整个系统的频率偏移，使系统总的频率偏移最小。这个频率偏移包括100MHz泛音晶体振荡器的频率偏移和20MH二VCXO的频率偏移两个部分，假设在某一T下，它们分别为△f100（T）和△f20（T），由微处理器产生该温度下的补偿电压控制VCXO产生的频率变化为△f（T）。要实现补偿的目的，就必须使|△f（T）|与|△f100（T）+△f20（T）|相等，即有△f（T）=△fl00（T）+△f20（T），这样由20MHz VCXO产生的频率变化恰好可以抵消整个系统频率随温度的偏移，从而实现系统的频率补偿。

　　由于某个温度处总的频率偏移只由VCXO的控制电压，即补偿电压么V决定，可以用微处理器控制△V满足上面的条件，故△V与T也存在一一对应的关系，即△V=V（T），实验测得的该函数特性曲线如图3所示。

　　由图3可知，部分补偿电压可通过实验获得，再通过分段线性插值法构造△V函数。将此函数编程写人微处理器中，当温度发生变化时，微处理器按照写人的函数，根据当前温度计算出该温度下的补偿电压，以实现补偿整个系统的频率偏移。

　　3 补偿结果

　　由于所选用的IQOMHz泛音晶体和20MHZ基频晶体本身工作温度范围较窄，在宽范围内总的频偏太大，故在该实验中选择补偿的温度范围为-30-+75 ℃。实验结果如表1、图4所示。

　　4 结束语

　　本文介绍的新型12oMHzMTCOXO能在-30-+75 ℃温度范围内稳定工作，实验结果表明，该补偿方法有较好的补偿效果，补偿后振荡器的频率一温度特性比补偿前有很大的改善，频率稳定度达到了。

　　该振荡器是基于混频技术，它没有使用加入串联电感和倍频的方法，故不会造成有载Q值降低而使稳定度下降，也不会引人倍频带来的额外相位噪声。此外，它还可以实现多种高频率晶体振荡器的温度补偿。由于要补偿的整个系统的频率偏移是由两个晶体振荡器共同引起的，系统采用基频VCXO，通过变容二极管的电容量变化来改变输出频率能较好地解决此问题。