CN101997483A - 一种微机控制恒温晶体振荡器的方法和装置 - Google Patents

一种微机控制恒温晶体振荡器的方法和装置 Download PDF

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    • H03L1/02—Stabilisation of generator output against variations of physical values, e.g. power supply against variations of temperature only
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Abstract

本发明公开了一种微机控制恒温晶体振荡器的方法和装置，该方法包括：采温元件采集放置晶体振荡器的恒温槽的温度；单片机对恒温槽的温度和零温度系数点温度进行对比，根据对比结果输出相应占空比的脉冲宽度调制PWM波；PWM波控制电路对PWM波进行滤波和平滑后，输出给加热元件；加热元件加热恒温槽。本发明采用单片机作为电路的温度采集和控制核心使得晶体振荡器精确地工作在零温度系数点，并利用单片机强大的软件处理能力使得采用双RC滤波电路可以实现对加热元件的电压控制。

Description

一种微机控制恒温晶体振荡器的方法和装置
技术领域
本发明涉及微机控制恒温晶体振荡器的技术，特别涉及一种微机控制恒温晶体振荡器的方法和装置。
背景技术
随着电子技术的飞速发展，通信、导航、航天、测控、高精密测量和移动电话等领域对频率源的短期稳定度、长期稳定度和老化率等一些指标的要求越来越高。现代移动通信技术快速发展的今天，各种通信系统对时间频率同步的要求也越来越高。恒温晶体振荡器作为高精度的频率标准源，在这些应用中对其的要求也越来越高。
绝大多数高稳定度晶体振荡器都采用了将晶体放置到恒温槽的方法。恒温晶体振荡器使用了精密的恒温控制槽，将槽内温度调节到晶体谐振器的零温度系数点上。这样，能最大限度地克服温度变化对晶体振荡器频率稳定度的影响。
恒温晶体振荡器是目前频率精确度和稳定度最高的晶体振荡器，其具有老化率低、频率温度稳定度高，长期频率稳定度高等特点，现在比较好的恒温晶体振荡器的频率温度系数已经可以做的相当高，可以达到5×10-8/℃了。
在零温度系数点温度附近，晶体谐振器的秒频率稳定度最高，所以要达到更高的频率稳定度，一定要保证恒温晶体振荡器工作在零温度系数点附近，而且在零温度系数点附近的温度变化很小。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微机控制恒温晶体振荡器的方法，能更好地解决恒温晶体振荡器的高频率稳定度问题。
本发明的目的在于提供一种微机控制恒温晶体振荡器的装置，能更好地解决恒温晶体振荡器的高频率稳定度问题。
根据本发明的一个方面，提供了一种微机控制恒温晶体振荡器的方法，包括以下步骤：
A、采温元件采集放置晶体振荡器的恒温槽的温度；
B、单片机对恒温槽的温度和零温度系数点温度进行对比，根据对比结果输出相应占空比的脉冲宽度调制PWM波；
C、PWM波控制电路对PWM波进行滤波和平滑后，输出给加热元件；
D、加热元件加热恒温槽。
根据本发明的另一方面，提供了一种微机控制恒温晶体振荡器的装置，包括：
采温元件，用于采集放置晶体振荡器的恒温槽的温度；
单片机，用于将恒温槽的温度和零温度系数点温度进行对比，根据对比结果输出相应占空比的脉冲宽度调制PWM波；
PWM波控制电路，用于对PWM波进行滤波和平滑后，输出给加热元件；
加热元件，用于加热恒温槽。
与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：本发明采用单片机作为电路的温度采集和控制核心使得晶体振荡器精确地工作在零温度系数点，并利用单片机强大的软件处理能力使得采用双RC滤波电路可以实现对加热元件的电压控制。
附图说明
图1是本发明提供的单片机控制恒温晶体振荡器方法的流程示意图；
图2是本发明提供的单片机控制恒温晶体振荡器装置原理图；
图3是本发明实施例提供的单片机控制输出PWM波电路图；
图4是本发明实施例提供的单片机控制采温元件采温电路图；
图5是本发明实施例提供的单片机控制采温元件的流程图；
图6是本发明实施例提供的双RC滤波电路的滤波效果图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明，应当理解，以下所说明的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
图1显示了本发明提供的微机控制恒温晶体振荡器方法的流程示意，如图1所示：
步骤S101，采温元件采集恒温槽的温度，恒温槽中放置了晶体振荡器，采温元件采用的是数字温度敏感元件。
步骤S102，单片机对恒温槽的温度和预先存储在单片机中的零温度系数点温度进行对比，若恒温槽的温度大于零温度系数点温度，则增加输出PWM波的占空比，若恒温槽的温度小于零温度系数点温度，则减小输出PWM波的占空比。
步骤S103，PWM波控制电路的双RC滤波电路对PWM波进行滤波和平滑后，输出直流电压，PWM波控制电路的放大电路再将直流电压放大，得到加热电压，然后输出给加热元件。
步骤S104，加热元件根据加热电压对恒温槽进行加热。
图2显示了本发明提供的微机控制恒温晶体振荡器装置原理，如图2所示，该装置包括采温元件、单片机、PWM波控制电路和加热元件。
其中，采温元件用于采集放置晶体振荡器的恒温槽的温度。晶体谐振器采用双旋转SC切晶体谐振器，双旋转SC切晶体谐振器相对于平常采用的单旋转AT切晶体谐振器具有更高的秒级频率稳定度和更好的频率温度特性。晶体振荡器电路采用传统的克拉勃振荡电路，该振荡电路的稳定度高。
单片机的一个输入输出GP0引脚和采温元件的数据时钟引脚DQ相连，通过DQ引脚可以实现单片机对采温元件的时序控制和它们之间的数据传输。单片机接收到采温元件传输的恒温槽的温度后，将恒温槽的温度和零温度系数点温度进行对比，若恒温槽的温度大于零温度系数点温度，则增加输出PWM波的占空比，若恒温槽的温度小于零温度系数点温度，则减小输出PWM波的占空比。PWM波的占空比通过单片机的另外一个引脚GP1输出至PWM波控制电路。
PWM波控制电路包括双RC滤波电路和放大电路，双RC滤波电路对PWM波进行滤波和平滑后输出直流电压，再由放大电路放大直流电压，得到加热元件的加热电压，然后输出给加热元件。
加热元件根据加热电压加热恒温槽。
图3显示了本发明实施例提供的单片机控制输出PWM波电路，如图3所示，单片机采用的是世界上最小的8引脚单片机，该单片机无并行的数据输出功能，其6个数据端口都可以作为串行的输入输出数据端口。该单片机体积小，功耗低。对于本发明来说，输出一个PWM波仅需要一个串行数据端口，因此该单片机是合适应用的。
单片机通过输入输出端口GP1输出的方波经过有R1、R2、C1和C2构成的双RC低通滤波器后，然后通过一个正相放大器A1，放大器A1的放大倍数由电阻R3和可变电阻R4决定，通过设置合理的电阻值，使其放大倍数为12/5，即使放大器输出的直流电压的最大值由5V变为12V。通过放大器后，最大电压变为12V，就可以保证提供给加热元件足够的能量，弥补单片机端口供电不足的缺点。
本单片机采用了内部软件控制PWM波占空比增减的方法来实现对RC滤波电路输出电压大小的控制。本例中采用双RC滤波器，通过双RC滤波电路可以对PWM波进行低通滤波输出直流电压。由于采温元件和单片机以及控制加热元件的电路构成了一个闭合的闭环控制回路，所以可以实现加热元件电压的精确改变，从而实现温度的精确控制。
图4显示了本发明实施例提供的单片机控制采温元件采温电路，如图4所示，单片机控制恒温晶体振荡器的控温电路以全世界最小的8引脚单片机为控制核心，采温元件采用全世界最小的3引脚数字采温元件。
从图中可以看出，单片机的GP0接口和采温元件的数据时钟引脚DQ相连。GP0引脚是单片机的通用输入输出引脚，通过软件指令模拟数字采温元件的控制时序和采温元件的初始化，设置采温数据格式等。采温元件将得到的温度的二进制值转化为适合单片机处理的二进制表示方式，然后将该值和单片机中存储的恒温晶体振荡器的零温度系数点温度比较，根据比较的结果来输出合适的PWM波对加热元件来进行控制。
图5显示了本发明实施例提供的单片机控制采温元件的流程，如图5所示，对单片机进行初始化、清寄存器单元并设置好占空比的脉宽初值后，读取采温元件的温度传感器的值，然后比较读取的温度值和恒温晶体振荡器的零温度系数点之间的大小关系，根据大小关系决定PWM波占空比增加还是减少，若读取的温度值大于零温度系数点温度，则增加输出PWM波的占空比，若读取的温度值小于零温度系数点温度，则减小输出PWM波的占空比，再通过PWM波占空比的改变使加热元件的加热电压也相应改变。通过整个电路的闭环控制，最终恒温晶体振荡器的恒温槽温度会稳定在晶体谐振器的零温度系数点。整个电路的控温精度由温度敏感元件决定，本实施例采用的温度敏感元件的控温精度为0.0625度，所以整个控温系统的控温精度就可以达到0.0625度。
图6显示了本发明实施例提供的双RC滤波电路的滤波效果，电路中用来控制恒温晶体振荡器加热元件的双RC滤波器有很好的低通滤波效果，下面给出双RC滤波器的电路的滤波效果，以4800个指令时间为周期，高电平为1420个指令周期的PWM波，PWM波的滤波情况如图6所示，该双RC滤波器的滤波效果非常好，纹波只有不到0.2％，所以可以实现加热元件的精确控制。
对于单片机来说，其引脚的输出高低点平分别为5V和0V，所以对于周期为4800个机器指令周期一定占空比的PWM波，相当于一个12位的模数转换器的精度。经过放大器放大以后，高电平每变化一个指令周期，对应的电压变化为12/4800，即为0.2％左右。所以采用PWM波加双RC滤波器的电路有很高的控制精度。
综上所述，本发明具有以下技术效果：1、采用了单片机作为电路的温度采集和控制核心，可使恒温晶体振荡器精确地工作在恒温晶体振荡器的零温度系数点，同时利用高精度的数字敏感元件可以实现恒温槽温度的高精度控制。2、利用3引脚数字采温元件，数字采温元件的一致性比较好，避免了传统的数字采温电路的由于元件间的差异造成的温度控制的一致性不高的问题。3、利用单片机和采温元件相结合的方法及单片机强大的软件处理功能，可以使用双RC电路实现对加热元件的电压控制，电路简洁高效。
尽管上文对本发明进行了详细说明，但是本发明不限于此，本领域技术人员可以根据本发明的原理进行各种修改。因此，凡按照本发明原理所作的修改，都应当理解为落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种微机控制恒温晶体振荡器的方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、采温元件采集放置晶体振荡器的恒温槽的温度；
B、单片机对恒温槽的温度和零温度系数点温度进行对比，根据对比结果输出相应占空比的脉冲宽度调制PWM波；
C、PWM波控制电路对所述PWM波进行滤波和平滑后，输出给加热元件；以及
D、加热元件加热所述恒温槽。
2.根据权利要求1所述的一种方法，其特征在于，所述步骤B具体为；
若所述恒温槽的温度大于零温度系数点温度，则增加输出PWM波的占空比；以及
若所述恒温槽的温度小于零温度系数点温度，则减小输出PWM波的占空比。
3.根据权利要求2所述的一种方法，其特征在于，所述零温度系数点温度预先存储在单片机中。
4.根据权利要求3所述的一种方法，其特征在于，所述步骤C具体为：
PWM波控制电路的双RC滤波电路对所述PWM波进行滤波和平滑后，输出直流电压；以及
PWM波控制电路的放大电路放大所述直流电压后，输出给加热元件。
5.一种微机控制恒温晶体振荡器的装置，其特征在于，包括：
采温元件，用于采集放置晶体振荡器的恒温槽的温度；
单片机，用于将所述恒温槽的温度和零温度系数点温度进行对比，根据对比结果输出相应占空比的脉冲宽度调制PWM波；
PWM波控制电路，用于对所述PWM波进行滤波和平滑后，输出给加热元件；以及
加热元件，用于加热所述恒温槽。
6.根据权利要求5所述的一种装置，其特征在于，若所述恒温槽的温度大于零温度系数点温度，则增加输出PWM波的占空比；以及若所述恒温槽的温度小于零温度系数点温度，则减小输出PWM波的占空比。
7.根据权利要求6所述的一种振荡器，其特征在于，所述零温度系数点温度预先存储在单片机中。
8.根据权利要求7所述的一种装置，其特征在于，所述PWM波控制电路包括：
双RC滤波电路，用于对所述PWM波进行滤波和平滑后，输出直流电压；以及
放大电路，用于放大所述直流电压后，输出给加热元件。
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