一种宽温域高精度晶体谐振器温度补偿优化方法与流程

本发明涉及晶体谐振器温度补偿，具体为一种宽温域高精度晶体谐振器温度补偿优化方法。

背景技术：

1、晶体谐振器具有较高的频率稳定性，广泛应用于通信、导航、测量及电子控制等设备中。晶体谐振器的谐振频率会随温度变化而发生漂移，因此，在工作温度范围较宽或者对频率稳定度要求较高的应用场景中，通常需要根据晶体谐振器的温频特性对其输出频率进行温度补偿。温度补偿可通过调节振荡回路中的负载参数或者改变频率校正控制量等方式，使晶体谐振器在不同温度条件下的工作频率保持在目标参考频率附近。

2、现有的晶体谐振器温度补偿方法通常在校准阶段获取不同温度条件下的谐振频率，根据温度与谐振频率之间的对应关系建立温频特性曲线或补偿参数表，并在运行阶段依据检测到的晶体温度确定相应的频率补偿量。对于较宽的工作温度范围，还可采用分段拟合、区间查表或者依据温度变化方向选择相应补偿参数的方式，以减小温度变化引起的谐振频率漂移。

3、但是，晶体谐振器在升温过程和降温过程中可能具有热滞回特性，使同一晶体温度下的谐振频率随温度变化历程而存在差别。在温度变化方向发生转换后，晶体谐振频率并非在方向转换位置立即呈现另一热程下的对应状态，而会随温度继续变化而经历热程状态转换。现有补偿方法在该阶段按照预先确定的温频参数或补偿状态进行切换时，补偿量的变化位置及变化幅度容易与晶体谐振频率的实际变化进程产生偏差，使校正后谐振频率在补偿状态切换附近出现局部跳变或偏离目标参考频率；同时，切换完成后的残余频率偏差通常不参与后续热程转换位置的调整，使相近热程转换条件下的边界频偏仍可能在后续补偿过程中再次出现，进而影响宽温域内连续温度变化条件下的频率校正精度。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种宽温域高精度晶体谐振器温度补偿优化方法，以解决上述背景技术中提出的问题。具体解决现有晶体谐振器在升温与降温热程转换过程中，补偿状态切换容易使校正后谐振频率在切换边界处产生局部突变或残余频率偏差，并使该边界频偏在后续相同热程转换过程中重复出现的问题。

2、为实现上述目的，本发明的目的在于提供一种宽温域高精度晶体谐振器温度补偿优化方法，具体包括如下方法步骤：

3、s1、分别建立晶体谐振器升温过程和降温过程的温频对应关系，形成双热程温频关系。

4、双热程温频关系的形成过程具体包括：

5、在校准阶段，对同一晶体谐振器执行完整升温过程和完整降温过程，两次热程采用同一组温度节点，在各温度节点达到稳定状态后，对取得的谐振频率样本求算术平均，分别得到对应温度节点的升温谐振频率和降温谐振频率；

6、对两次热程的温度节点执行一一对齐，仅保留同时具有升温谐振频率和降温谐振频率的温度节点，并将升温样本和降温样本均按照温度由低到高排列，在相邻有效温度节点之间采用线性插值，分别得到升温温频关系和降温温频关系，共同形成双热程温频关系。

7、通过上述处理，使升温温频关系和降温温频关系在相同温度基准下形成可对应调用的双热程温频关系，为后续在同一晶体温度下比较升温谐振频率与降温谐振频率以及跨热程反求等频温度提供统一的数据基础，使热程转换前后的谐振频率差异能够进一步转化为用于约束补偿状态切换的参数。

8、s2、基于双热程温频关系，在同一晶体温度处确定升温谐振频率和降温谐振频率，形成同温谐振频率差；将升温谐振频率代入降温温频关系确定第一等频温度，将降温谐振频率代入升温温频关系确定第二等频温度，以第一等频温度和第二等频温度的间隔形成等频温度位移。

9、同温谐振频率差的形成过程具体包括：

10、取得当前补偿周期方向变化被确认时的晶体温度作为方向变化温度，在升温温频关系和降温温频关系中分别确定方向变化温度对应的升温谐振频率和降温谐振频率，并对二者求差形成同温谐振频率差；

11、以频率分辨阈值表征频率测量能够稳定区分的最小频率变化尺度，同温谐振频率差保留正负符号，无论同温谐振频率差是否大于频率分辨阈值，均不进行单点分支跳转，并将同温谐振频率差用于确定频率补偿量变化边界。

12、等频温度位移的形成过程具体包括：

13、取得当前补偿周期方向变化被确认时的晶体温度作为方向变化温度，以升温谐振频率作为目标频率，在降温温频关系中搜索包含目标频率的线性插值区段并反向求温度，得到候选温度；存在多个候选温度时，取与方向变化温度绝对距离最小的候选温度作为第一等频温度，绝对距离相同时取温度值较低的候选温度；

14、以降温谐振频率作为目标频率，在升温温频关系中执行相同处理得到第二等频温度，并以第一等频温度和第二等频温度中的低温值与高温值之间的间隔形成等频温度位移。

15、通过上述处理，将方向变化温度处升温热程与降温热程之间的热滞回差异分别表征为频率维度的同温谐振频率差和温度维度的等频温度位移，使同一热滞回状态能够分别为频率补偿量变化边界和补偿分支切换温度边界提供确定依据，从而避免仅依据方向变化温度直接完成补偿分支跳转而使补偿量变化集中于切换边界附近，为抑制校正后谐振频率在补偿状态切换处的局部突变提供参数基础。

16、s3、依据同温谐振频率差确定频率补偿量变化边界，依据等频温度位移确定补偿分支切换温度边界，以频率补偿量变化边界限定补偿分支切换温度边界处的补偿量变化，形成热滞回补偿切换区间。

17、频率补偿量变化边界的确定过程具体包括：

18、根据目标参考频率与升温温频关系、降温温频关系分别确定升温补偿量和降温补偿量，使同一温度处升温补偿量和降温补偿量的差值绝对值与同温谐振频率差的绝对值相等；

19、以频率分辨阈值表征频率测量能够稳定区分的最小频率变化尺度，并确定当前补偿周期内预定的最小切换更新次数，取同温谐振频率差的绝对值与频率分辨阈值中的较大者，并按照最小切换更新次数进行分配，得到频率补偿量变化边界，以限定由一条补偿分支逐步转移到另一条补偿分支时新增的补偿量变化。

20、补偿分支切换温度边界的确定过程具体包括：

21、以等频温度位移分辨阈值表征温度测量能够稳定区分的最小等频温度位移，确定当前补偿周期内预定的最小切换更新次数和切换校验温度增量，并取等频温度位移分辨阈值与按照最小切换更新次数累计的切换校验温度增量中的较大者作为最小有限切换宽度；

22、当前热程方向由升温转为降温时，将方向变化温度确定为进入上边界，并取第一等频温度和第二等频温度中的低温值，与由方向变化温度向低温方向间隔最小有限切换宽度所得温度中的较低者作为退出下边界；

23、当前热程方向由降温转为升温时，将方向变化温度确定为进入下边界，并取第一等频温度和第二等频温度中的高温值，与由方向变化温度向高温方向间隔最小有限切换宽度所得温度中的较高者作为退出上边界；

24、将进入上边界或进入下边界作为进入边界，将退出下边界或退出上边界作为退出边界；存在上一相同热程转换方向形成的切换边界修正量时，将切换边界修正量施加于对应的退出边界，并执行校准温度范围校验和频率补偿量变化边界校验。

25、热滞回补偿切换区间的形成过程具体包括：

26、根据目标参考频率与升温温频关系、降温温频关系分别确定将对应谐振频率校正到目标参考频率所需的升温补偿量和降温补偿量；

27、升温转降温时形成升温转降温切换权重，降温转升温时形成降温转升温切换权重，使对应切换权重从进入边界向退出边界随温度位置线性变化，并根据升温补偿量、降温补偿量和对应切换权重形成升温转降温过渡补偿量或降温转升温过渡补偿量，使过渡补偿量在进入边界与进入补偿分支补偿量相等，在退出边界与目标补偿分支补偿量相等；

28、从进入边界向退出边界按照切换校验温度增量生成温度离散位置，计算各温度离散位置的过渡补偿量与进入补偿分支补偿量之间的差值，并比较相邻温度离散位置对应差值的绝对变化量；

29、绝对变化量均不大于频率补偿量变化边界时，以进入边界和退出边界形成热滞回补偿切换区间；存在绝对变化量大于频率补偿量变化边界时，仅沿当前热程实际运动方向扩展退出边界并重新进行校验。

30、通过上述处理，以等频温度位移限定补偿分支发生转换的温度范围，并以同温谐振频率差形成的频率补偿量变化边界进一步限定该温度范围内相邻温度离散位置之间的补偿量变化，使升温补偿量与降温补偿量之间的转换被分布至热滞回补偿切换区间内完成；当局部补偿量变化超过频率补偿量变化边界时，通过沿当前热程实际运动方向扩展退出边界增加可用于完成补偿分支转换的温度范围，从而降低补偿量在补偿分支切换温度边界附近集中变化而引起校正后谐振频率局部突变的可能性。

31、s4、依据热滞回补偿切换区间确定补偿分支切换序列，使相邻补偿分支在补偿分支切换温度边界处的校正后谐振频率连续，并据此限定频率校正控制量和补偿分支切换温度边界，形成补偿量与切换边界耦合关系。

32、补偿分支切换序列的确定过程具体包括：

33、取得当前补偿周期方向变化被确认时的晶体温度作为方向变化温度，将补偿分支切换温度边界中由方向变化温度形成的边界作为进入边界，将补偿分支完成切换时对应的边界作为退出边界；

34、升温转降温时，随着晶体温度从进入边界向退出边界降低，依次执行升温补偿分支、过渡补偿分支和降温补偿分支；降温转升温时，随着晶体温度从进入边界向退出边界升高，依次执行降温补偿分支、过渡补偿分支和升温补偿分支；

35、使过渡补偿分支在进入边界处与进入当前补偿周期前的有效补偿分支的频率校正控制量一致，并在退出边界处与完成切换后的有效补偿分支的频率校正控制量一致；

36、进入过渡补偿分支后，晶体温度反向移动并回到进入边界且热程方向重新被确认成进入当前补偿周期前的热程方向时，取消当前未完成切换并恢复进入当前补偿周期前的有效补偿分支。

37、补偿量与切换边界耦合关系的形成过程具体包括：

38、在运行阶段按采样周期取得晶体温度和当前谐振频率，根据升温温频关系和降温温频关系分别确定升温补偿量和降温补偿量，并根据晶体温度在热滞回补偿切换区间内的位置形成随温度位置线性变化的切换权重，根据升温补偿量、降温补偿量和切换权重形成过渡补偿量；

39、按照补偿分支切换序列，根据晶体温度与进入边界、退出边界的位置关系，从升温补偿量、降温补偿量和过渡补偿量中确定频率校正控制量，并将当前谐振频率与频率校正控制量叠加得到校正后谐振频率；

40、根据升温补偿量和降温补偿量在校准温度范围内的频率极值确定频率校正控制量的允许范围；补偿分支切换温度边界发生变化后，按照变化后的补偿分支切换温度边界重新确定切换权重、过渡补偿量和频率校正控制量，并将频率校正控制量关于补偿分支切换温度边界和热程方向的确定规则与边界有效范围共同保存，形成补偿量与切换边界耦合关系。

41、通过上述处理，使进入边界处的过渡补偿分支承接进入当前补偿周期前的有效补偿分支，使退出边界处的过渡补偿分支衔接完成切换后的有效补偿分支，并使补偿分支切换温度边界变化时同步重新确定切换权重、过渡补偿量和频率校正控制量，由此使补偿量的确定与补偿分支切换温度边界保持联动，减少因补偿分支切换温度边界改变而使边界处频率校正控制量出现不连续变化的情况，并为后续依据退出边界处的残余频偏修正补偿分支切换温度边界后同步更新频率校正控制量提供耦合基础。

42、s5、依据补偿量与切换边界耦合关系施加频率校正控制量，由补偿分支切换温度边界处的残余频偏形成切换边界修正量，以切换边界修正量修正后续补偿周期的补偿分支切换温度边界，并更新补偿分支切换序列和补偿量与切换边界耦合关系。

43、切换边界修正量的形成过程具体包括：

44、将晶体谐振器接入具有数字可调负载电容的振荡回路，在各温度节点同步标定控制字变化量与稳定频率变化量之间的对应关系并形成控制灵敏度，根据频率校正控制量和当前晶体温度对应的控制灵敏度确定当前控制字，通过改变与晶体谐振器连接的等效负载电容施加频率校正控制量；

45、当前补偿周期实际穿过退出边界后，在退出边界附近取得有效采样点，根据各有效采样点相对于退出边界的温度差以及各有效采样点的校正后谐振频率相对于目标参考频率的频率差进行最小二乘拟合，形成退出边界处的残余频偏和一阶拟合斜率；

46、根据残余频偏和一阶拟合斜率反向确定边界改变量，并根据当前热滞回补偿切换区间宽度、最小切换更新次数和切换校验温度增量确定单个补偿周期允许的最大边界修正幅度，对边界改变量进行限幅后形成切换边界修正量，升温转降温和降温转升温分别保存最近一次有效切换边界修正量；

47、下一次相同热程转换方向被确认后，根据新的方向变化温度、第一等频温度、第二等频温度、等频温度位移和最小有限切换宽度形成新的基础退出边界，将上一相同热程转换方向的切换边界修正量施加于基础退出边界，并重新执行频率补偿量变化边界校验，据此确定后续补偿周期的补偿分支切换温度边界，并更新补偿分支切换序列和补偿量与切换边界耦合关系。

48、通过上述处理，将退出边界处已经产生的残余频偏及其随温度变化的一阶拟合斜率转换为切换边界修正量，并按升温转降温和降温转升温分别保存，使该切换边界修正量能够在下一次相同热程转换方向发生时作用于新的基础退出边界；在补偿分支切换温度边界修正后同步更新补偿分支切换序列和补偿量与切换边界耦合关系，使当前补偿周期在退出边界处表现出的残余频率偏差能够参与后续相同热程转换方向的补偿边界调整，从而降低相近热程转换条件下同类边界频偏在后续补偿周期中重复出现的程度。

49、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

50、1、本发明基于对现有技术问题的进一步分析和研究，认识到晶体谐振器在升温与降温热程转换过程中，同一晶体温度处的升温谐振频率和降温谐振频率存在差异时，补偿状态的转换不仅涉及补偿量本身的变化，还涉及补偿量由一条补偿分支向另一条补偿分支转移时所对应的温度范围；若补偿量变化与补偿分支切换温度边界分别确定，容易使补偿量在补偿分支切换温度边界附近集中变化，并在后续相同热程转换过程中延续已有的边界频偏；

51、为此，本发明首先基于双热程温频关系形成同温谐振频率差和等频温度位移，并分别由同温谐振频率差确定频率补偿量变化边界、由等频温度位移确定补偿分支切换温度边界，再利用频率补偿量变化边界对补偿分支切换温度边界处的补偿量变化进行限定，形成热滞回补偿切换区间；在此基础上，进一步依据热滞回补偿切换区间确定补偿分支切换序列，使升温补偿分支、过渡补偿分支和降温补偿分支按照热程转换方向连续衔接，并将频率校正控制量与补偿分支切换温度边界关联形成补偿量与切换边界耦合关系，进而利用补偿分支切换温度边界处的残余频偏形成切换边界修正量，对后续补偿周期的补偿分支切换温度边界进行修正；

52、由此，使升温热程与降温热程之间的频率差异能够依次作用于补偿量变化幅度、补偿分支切换温度范围以及后续补偿周期的边界调整，使补偿状态转换由补偿分支切换温度边界处的集中变化转化为热滞回补偿切换区间内受约束的连续变化，有助于减小校正后谐振频率在补偿分支切换温度边界处的局部突变，并使当前补偿周期形成的残余频率偏差参与后续相同热程转换方向的补偿分支切换温度边界调整，从而降低相近热程转换条件下边界频偏重复出现的程度。

53、2、本发明在当前补偿周期实际穿过退出边界后，根据退出边界附近各有效采样点相对于退出边界的温度差以及校正后谐振频率相对于目标参考频率的频率差进行最小二乘拟合，形成退出边界处的残余频偏和一阶拟合斜率，并根据残余频偏和一阶拟合斜率反向确定边界改变量；

54、进一步依据当前热滞回补偿切换区间宽度、最小切换更新次数和切换校验温度增量对边界改变量进行限幅形成切换边界修正量，同时对升温转降温和降温转升温分别保存最近一次有效切换边界修正量；通过将退出边界处的频率偏差及其随温度变化的趋势共同用于确定切换边界修正量，并限制单个补偿周期的边界修正幅度，使切换边界修正量能够反映退出边界附近校正后谐振频率的实际变化状态，同时减少局部频率波动造成补偿分支切换温度边界过度调整的可能；通过按热程转换方向分别保存切换边界修正量，使后续相同热程转换方向能够调用与其对应的边界修正结果，从而进一步提高补偿分支切换温度边界连续修正的针对性，并有助于逐步减小后续相同热程转换方向在退出边界附近的残余频率偏差。