CN102820850A - 恒温晶体振荡器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种恒温晶体振荡器。将晶体单元和具有负电阻温度特性的热敏电阻器收纳在由加热器加热的恒温炉中。驱动加热器的晶体管由差分放大器的输出控制，将热敏电阻器放置在电源电压和所述差分放大器的反相输入端之间，以及用于调节晶体单元的零温度系数点的温度的第一电阻器安装在反相输入端和接地点之间。第二电阻器安装在电源电压和所述差分放大器的非反相输入端之间，以及第三电阻器，安装在接地点和非反相输入端之间。所述第二电阻器和所述第三电阻器之一是由多个电阻元件构成的电阻器组件，并且这些电阻元件中的一个具有正电阻温度特性并且适用于检测环境温度。
Description
技术领域
本发明涉及恒温晶体振荡器(OCXO，oven-controlled crystaloscillator)，所述恒温晶体振荡器配备有：晶体单元或晶体元件；恒温炉，所述恒温炉包含晶体单元，并且保持晶体单元的温度恒定；以及振荡器电路，所述振荡器电路使用所述晶体单元。
背景技术
当将晶体振荡器安装到电路板等上并且利用电源电压外部供电时，合并了石英晶体单元作为集成(integral)部件和振荡器电路的晶体振荡器使用晶体单元简单地输出精确预定频率的振荡信号。因此，晶体振荡器广泛地用作各种电子器件中的频率或时间基准源。
晶体单元的振动频率具有高稳定性，但是由于石英固有的频率-温度特性，振动频率随温度略微变化。为了解决这一问题，恒温晶体振荡器可用作输出特别精确的振荡频率的晶体振荡器，其中恒温晶体振荡器包括在恒温炉或恒温水浴中包含的晶体单元或晶体元件，恒温炉或恒温水浴适用于保持晶体单元的温度恒定。通常，恒温炉配置用于由电加热器加热。通过在恒温炉中安装的温度传感器来检测恒温炉中的温度，并且将检测结果反馈给加热器的驱动电路，以保持恒温炉中的温度恒定。如果基于晶体单元的频率-温度特性将恒温炉的温度设置为使得由于温度变化导致的频率变化最小，即使恒温炉的温度在环境温度的影响下微小变化，也保持恒温晶体振荡器的振荡频率保持最稳定。例如，晶体单元的振动频率作为温度的二次函数或三次函数变化，尽管这依赖于从石英晶体切割晶体单元的晶体坯(即振动片)的朝向。因此，振动频率不会随着函数曲线顶点处温度周围的微小温度变化而变化。这导致了零温度系数。因此，将这种温度称作零温度系数(ZTC)点。利用恒温晶体振荡器，通常将恒温炉的温度设置在晶体单元的ZTC点。
图1是示出了根据现有技术的恒温晶体振荡器的结构的电路图。
恒温炉10收纳了晶体单元X和热敏电阻器Th，热敏电阻器适用于检测加热炉10中的温度。恒温炉10设计用于由电加热器H加热，电加热器H的一端与电源端子11相连，另一端与用于驱动的功率晶体管15的集电极相连。将晶体管15的发射极接地。利用所示的晶体振荡器，将加热器H安装在恒温炉10中。晶体单元X与使用晶体单元X的振荡器电路13电连接，并且从振荡器电路13到输出端子14输出振荡信号。这里，将振荡器电路13安装到恒温炉10外部，但是也可以将其安装到恒温炉10内。将电源电压Vcc1外部地提供给电源端子11，但是安装稳定的电源电路12以根据电源电压Vcc1产生更加稳定的电源电压Vcc2。利用电源电压Vcc2向振荡器电路13供电。
使用具有非线性负电阻温度特性的热敏电阻器Th。负电阻温度特性是具有负的电阻温度系数的电阻温度特性。为了通过反馈由热敏电阻器Th产生的检测结果来驱动加热器H，安装电阻器R1至R3和差分放大器16，并且将来自差分放大器的输出与功率晶体管15的基极相连。热敏电阻器Th的一端与电源电压Vcc2相连，另一端与差分放大器16的反相输入端(-)相连。将电阻器R1安装在反相输入端(-)和接地点之间。将电阻器R2安装在差分放大器16的非反相输入端(+)和电源电压Vcc2之间，而将电阻器R3安装在非反相输入端(+)和接地点之间。因此，热敏电阻器Th、电阻器R1至R3、差分放大器16和功率晶体管15构成了恒温炉10的温控电路。除了热敏电阻器Th之外，将构成温控电路的元件安装在恒温炉10外部，并且受到环境温度的影响。
利用这种结构，如果设置电阻器R1至R3，使得晶体单元X的ZTC点处的热敏电阻器Th的电阻值和电阻器R1之间的比率与电阻器R2和电阻器R3之间的比率一致，差分放大器16控制晶体管15，以便当恒温炉10中的温度增加时减小晶体管15的集电极电流、进而热敏电阻器Th的电阻值减小，以及当恒温炉10中的温度下降时相反地增加集电极电流、进而热敏电阻器Th的电阻值增加。因为晶体管15的集电极电流流过加热器H，最终控制加热器电流，使得将恒温炉10中的温度保持在ZTC点。
实际上，利用图1所示的电路，尽管当恒温炉10中的温度恰好在ZTC点时加热器电流为零，因为存在一些来自恒温炉10的热耗散，恒温炉10中的温度不会精确达到ZTC点并且与ZTC点有一些偏离。为了补偿这种偏离，设想设置电阻器R1至R3，使得略微大于ZTC点的温度是控制目标，但是因为从恒温炉10耗散的热量依赖于环境温度，恒温炉10的温度终究受到环境温度的影响。因此，为了将恒温炉中的温度保持在ZTC点，JP2005-165630A提出了一种具有以下结构的恒温晶体振荡器：与图1所示电路中的电阻器R2相对应的电阻器具有线性正电阻温度特性，并且设置用于根据环境温度改变电阻，使得流过加热器H的电流随着环境温度的降低而增加。
JP2011-4382A公开了一种维持恒温炉中预定温度的技术，使用适用于检测环境温度的热敏电阻器和适用于检测恒温炉中温度的热敏电阻器，并且基于环境温度执行开环控制以及基于恒温炉中温度执行闭环控制。
即使使用沿相同朝向切割的晶体坯并且振动频率也相同，晶体单元的ZTC点在产品之间也略微变化。因此，为了生产具有高频率精度的恒温晶体振荡器，需要在通过驱动适用于加热恒温炉的加热器改变恒温炉温度的同时，利用在恒温炉中包含的晶体单元观察振荡频率并且检测ZTC点，根据检测的ZTC点确定温控电路中电阻器的目标值，并且将电阻器调节到目标值。例如，利用图1所示的电路结构，调节电阻器R1至R3的至少一个。实际上，在许多情况下调节电阻器R1。然而，即使进行这种调节，依赖于恒温炉的结构和恒温炉中热敏电阻器的布置，热敏电阻器温度不会精确匹配晶体单元的温度。同样，因为从恒温炉辐射到周围的热量依赖于环境温度，基于由热敏电阻器检测的温度而确定的ZTC点，即表观(apparent)ZTC点本身，将随着环境温度而变化。因为基于由恒温炉中的热敏电阻器检测的温度来执行控制，如果表观ZTC点变化，则不能正确地执行控制。即使根据晶体单元的ZTC点调节温控电路中的电阻值，因为电阻器本身具有电阻温度系数并且随着环境温度改变它们的电阻值，也需要考虑补偿这些变化。
最后，为了构建高精度恒温晶体振荡器，除了适用于检测恒温炉中温度的热敏电阻器之外，仅仅安装适用于检测环境温度的温度传感器是不够的，并且需要足够地考虑温控电路的结构和调节方法。
当使用热敏电阻器执行温度控制时，例如，环境温度和恒温炉中温度之间的关系是大略使得恒温炉中的温度随环境温度的增加而增加，如由图2A的粗线所表示的，这是因为与环境温度中的增加相比较由加热器产生的热量是不够的；或者使得恒温炉中的温度随环境温度的增加而下降，如由图2B中的粗线所表示的，这是因为与环境温度中的增加相比较由加热器产生的热量过多。图2A和2B中的哪一个温度特性实际上起作用依赖于各种因素，包括恒温炉本身及其周围的结构和热环境，以及恒温炉中热敏电阻器的布置。在任一种情况下，需要配置和调节温控电路以便进行补偿，使得恒温炉中的温度将保持恒定并且与真实的ZTC点一致，而与由图2A和2B中的虚线所示的环境温度无关。
发明内容
本发明的目的是提供一种恒温晶体振荡器，所述恒温晶体振荡器能够处理晶体单元中ZTC点的差异，并且即使在环境温度变化的情况下也没有频率变化。
根据本发明的典型方面，一种恒温晶体振荡器包括：恒温炉；收纳在恒温炉中的晶体单元；振荡器电路，使用所述晶体单元；加热器，所述加热器加热所述恒温炉；以及温控电路，驱动加热器以便使得恒温炉中的温度等于晶体单元的零温度系数点的温度，其中所述温控电路包括：功率晶体管，与加热器串联安装；差分放大器，驱动所述功率晶体管；热敏电阻器，安装在所述恒温炉中，具有负电阻温度特性，并且连接在电源电压和差分放大器的反相输入端之间；第一电阻器，安装在反相输入端和接地点之间，用于调节零温度系数点的温度；第二电阻器，安装在电源电压和差分放大器的非反相输入端之间；以及第三电阻器，安装在接地点和非反相输入端之间，以及其中将第二电阻器和第三电阻器之一配置为由多个电阻元件构成的电阻器组件，所述电阻器组件中的电阻元件之一是温度检测电阻元件，所述温度检测电阻元件具有正电阻温度特性并且适用于检测环境温度。
利用上述结构，通常具有高非线性负电阻温度特性的热敏电阻器检测恒温炉中的温度，并且将检测的温度反馈至差分放大器的反相输入端(即(-)输入)。由第一和第二电阻器构成并且与差分放大器的非反相输入端(即(+))相连的所谓的电阻器网络除了至少两个常规电阻元件之外，还合并了具有正电阻温度特性并且适用于检测环境温度的电阻元件。这种结构使得可以处理晶体单元中ZTC点的差异，对由于环境温度导致的ZTC点中的表观变化进行补偿，并且进一步稳定恒温晶体振荡器的振荡频率。
附图说明
图1是示出了根据现有技术的恒温晶体振荡器的结构的电路图；
图2A和2B是示出了环境温度和恒温炉中温度之间关系的曲线；
图3是示出了根据本发明实施例的恒温晶体振荡器的结构的电路图；
图4是示出了根据本发明另一个实施例的恒温晶体振荡器的结构的电路图；
图5是示出了根据再一个实施例的恒温晶体振荡器的结构的电路图；以及
图6是示出了根据又一个实施例的恒温晶体振荡器的结构的电路图。
具体实施方式
接下来将描述根据本发明优选实施例的恒温晶体振荡器。
图3所示的根据本发明实施例的恒温晶体振荡器与图1所示的恒温晶体振荡器类似，与图1所示的不同之处在于温控电路的电路结构。具体地，图3所示的电路安装有的电阻器R21至R23来代替图1所示电路的电阻器R2。电阻器R21的一端由电源电压Vcc2供电并且另一端与连接节点17相连。电阻器R22和R23并联地安装在连接节点17和差分放大器16的非反相输入端(+)之间。当在环境温度和恒温炉中的实际温度之间存在如图2A所示的关系时，即当存在使得恒温炉中的温度随环境温度的增加而增加的关系时，图3所示的电路期望保持恒温炉或恒温水浴中的温度恒定或者等于晶体单元X的ZTC点，而与环境温度无关。
在图3所示的结构中，尽管电阻器R1、R3、R21和R22是具有低电阻温度系数的常规(regular)电阻元件，用作适用于检测环境温度的温度传感器的电阻器R23是具有线性正电阻温度特性的电阻元件。电阻器R1是ZTC调节电阻器，适用于补偿晶体单元X的ZTC点中的频散。电阻器R1具有基于晶体单元X的实际测量ZTC点而设置的值。另一方面，电阻器R21、R22和R3用于温控电路的灵敏度调节。如上所述，基于由热敏电阻器检测的温度值的表观ZTC点可以随环境温度变化，但是由于这三个灵敏度调节电阻器R21、R22和R3以及适用于检测环境温度并且配置有正电阻温度特性的电阻器R23，即使环境温度改变，总是可以将晶体单元X的温度设置在ZTC点。例如，通过在晶体振荡器的环境温度的可想象(conceivable)范围内的两个环境温度点的每一个处查明晶体单元X的表观ZTC点，可以确定不会引起表观ZTC点变化的电阻器R21、R22和R3的电阻值。在这种情况下，可以通过查明随由热敏电阻器Th检测的恒温炉10中温度变化的晶体单元X的振动频率，来确定每一个环境温度处的表观ZTC点。
图4所示的根据本发明另一个实施例的恒温晶体振荡器与图1所示的类似，与图1所示的不同之处在于安装串联连接的电阻器R24和R25来代替电阻器R2，其中电阻器R24是具有低电阻温度系数的常规电阻元件，而电阻器R25具有线性正电阻温度特性。电阻器R1和R3都是具有低电阻温度系数的常规电阻元件。当在环境温度和恒温炉中的温度之间存在如图2A所示的关系时，图4所示的电路也期望保持恒温炉中的温度恒定或者等于晶体单元X的ZTC点，而与环境温度无关。在图4的电路中，电阻器R1用于ZTC调节，电阻器R3和R24用于灵敏度调节，而电阻器R25用于环境温度的检测。如果按照上述相同的方式设置两个灵敏度调节电阻器R3和R24，即使环境温度改变，总是可以将晶体单元X的温度设置在ZTC点。
如图5所示的根据本发明再一个实施例的恒温晶体振荡器与图1所示的类似，但是与图1所示的不同之处在于温控电路的电路结构。具体地，图5所示的电路安装了电阻器R31至R33来代替图1所示电路的电阻器R3。电阻器R31的一端接地，另一端与连接节点18相连。电阻器R32和R33并联地安装在连接节点18和差分放大器16的非反相输入端(+)之间。电阻器R32和R33并联安装在连接节点18和差分放大器16的非反相输入端(+)之间。与图3所示的电路不同，当在环境温度和恒温炉中的温度之间存在如图2B所示的关系时，即当存在恒温炉中的温度随着环境温度的增加而下降的关系时，图5所示的电路期望保持恒温炉中的温度恒定或等于晶体单元X的ZTC点，而与环境无关。
在图5所示的结构中，尽管电阻器R1、R2、R31和R32是具有低电阻温度系数的常规电阻元件，用作适用于检测环境温度的温度传感器的电阻器33是具有线性正电阻温度特性的电阻元件。电阻器R1用于ZTC调节，而电阻器R2、R31和R32用于温控电路的灵敏度调节。如上所述，基于由热敏电阻器Th检测的温度值的表观ZTC点可以随环境温度变化，但是由于这三个灵敏度调节电阻器R31、R32和R2以及适用于检测环境温度并且具有正电阻温度特性的电阻器R33，即使环境温度改变，总是可以将晶体单元X的温度设置在ZTC点。例如，在由热敏电阻器Th检测的恒温炉10中的温度改变的同时，通过查明晶体单元X的振动频率，从而在晶体振荡器环境温度的可想象范围内的两个环境温度点的每一个查明表观ZTC点，可以确定不会引起表观ZTC点变化的电阻器R2、R31和R32的电阻值。
图6所示的根据本发明又一个实施例的恒温晶体振荡器与图1所示的类似，但是与图1所示的不同之处在于：安装串联连接的电阻器R34和R35来代替电阻器R3，其中电阻器R34具有线性正电阻温度特性，而电阻器R35是具有低电阻温度系数的常规电阻元件。电阻器R1和R2都是具有低电阻温度系数的常规电阻元件。当在环境温度和恒温炉中的实际温度之间存在如图2B所示的关系时，图6所示的电路也期望保持恒温炉中的温度恒定或者等于晶体单元X的ZTC点，而与环境温度无关。在图6所示的电路中，电阻器R1用于ZTC调节，电阻器R2和R35用于灵敏度调节，而电阻器R34用于环境温度的检测。如果按照上述相同的方式设置这两个灵敏度调节电阻器R2和R35，即使环境温度改变，总是可以将晶体单元X的温度设置在ZTC点。
Claims (3)
1.一种恒温晶体振荡器，包括：
恒温炉；
收纳在恒温炉中的晶体单元；
振荡器电路，使用所述晶体单元；
加热器，加热所述恒温炉；以及
温控电路，驱动加热器以使恒温炉中的温度等于晶体单元的零温度系数点的温度，其中所述温控电路包括：
功率晶体管，与所述加热器串联安装；
差分放大器，驱动所述功率晶体管；
热敏电阻器，安装在所述恒温炉中，具有负电阻温度特性，并且连接在电源电压和所述差分放大器的反相输入端之间；
第一电阻器，安装在反相输入端和接地点之间，用于调节零温度系数点的温度；
第二电阻器，安装在电源电压和所述差分放大器的非反相输入端之间；以及
第三电阻器，安装在接地点和非反相输入端之间，以及
其中将所述第二电阻器和所述第三电阻器之一配置为由多个电阻元件构成的电阻器组件，所述电阻器组件中的电阻元件之一是温度检测电阻元件，所述温度检测电阻元件具有正电阻温度特性并且适合于检测环境温度。
2.根据权利要求1所述的晶体振荡器，其中所述电阻器组件包括第一电阻元件和第二电阻元件，所述第一电阻元件安装在电阻器组件的一端和连接节点之间，而第二电阻元件安装在所述连接节点和电阻器组件的另一端之间；以及所述温度检测电阻元件与所述第二电阻元件并联地安装。
3.根据权利要求1所述的晶体振荡器，其中通过将所述第一电阻元件和所述温度检测电阻元件彼此串联连接来配置所述电阻器组件。
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