CN103905036A - 一种恒温晶体振荡器的控温电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种恒温晶体振荡器的控温电路，所述温控电路包括温度传感器、加热电路、微控制单元、低通滤波器和平衡桥电路，所述平衡桥电路将平衡桥电路的第一节点与第二节点之间的电压差输入到加热电路进行加热，并使所述加热电路中加热三极管的电流与所述平衡桥电路的电阻值不变；所述微控制单元输出具有占空比的波形给所述低通滤波器；所述低通滤波器将所述微控制单元输出的波形进行滤波，并输出给所述平衡桥电路的第一节点；所述温度传感器检测环境温度是否有变化；当环境温度发生变化时，所述微控制单元调整所述第一节点的电压，使所述第一节点与第二节点之间的电压差不变。本发明可实现控温精度高、功耗低、体积小、成本低。
Description
技术领域
本发明涉及恒温晶体振荡器温度控制技术领域，尤其涉及一种恒温晶体振荡器的控温电路。
背景技术
目前，恒温晶体振荡器控温的方式有恒温槽和无恒温槽的方式。若采用恒温槽方式进行控温，恒温槽内的温度变化可以控制在0.1℃，如果采用多恒温槽方式，控温精度可以更高。但是采用恒温槽方式功耗大、体积大、生产成本高。若采用无恒温槽方式，直接对晶体进行加热，虽然减小了体积和功耗，但是加热量控制精度差，导致控温精度低，恒温特性比较差。
在无恒温槽的基础上也可通过采用微控制单元(Micro-Control Unit,MCU)补偿的方式，实时调整震荡电路的变容二极管电压，来改变震荡频率，达到频率稳定的目的。但是，热敏电阻的感温能力比较差，所以控温精度低，随着温度的升高或降低频率会偏离拐点，温度变化越大，频率偏移越大，MCU对频率的拉动就越大，而且变化单位温度对应的频率也会越大，补偿就会带来量化干扰，使晶体振荡器短稳变差。
发明内容
本发明实施例提供一种恒温晶体振荡器的控温电路，以实现控温精度高、功耗低、体积小、成本低。
第一方面，本发明实施例提供了一种恒温晶体振荡器的控温电路，所述温控电路包括温度传感器、加热电路、包括微控制单元、低通滤波器和平衡桥电路，其中，所述平衡桥电路，与所述加热电路连接，用于将平衡桥电路的第一节点与第二节点之间的电压差输入到加热电路进行加热，并使加热电路中加热三极管的电流与所述平衡桥电路的电阻值不变；所述微控制单元，与所述低通滤波器连接，用于输出具有占空比的波形给所述低通滤波器；所述低通滤波器，与所述平衡桥电路连接，用于将所述微控制单元输出的波形进行滤波，并输出给所述平衡桥电路的第一节点；所述温度传感器，与所述微控制单元连接，用于检测环境温度是否有变化；当环境温度发生变化时，所述微控制单元调整所述第一节点的电压，使所述第一节点与第二节点之间的电压差不变。
进一步地，所述微控制单元以脉宽调制方式输出具有占空比的方波电压，通过所述低通滤波器将所述方波电压转换成直流电压输出到所述平衡桥电路，该占空比由微控制单元由所述温度传感器检测出的环境温度的变化大小来控制。
进一步地，所述平衡桥电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和热敏电阻RT，其中第一电阻R1、第三电阻R3的第一端子与稳压源LDO连接，第一电阻R1的第二端子与第二电阻R2的第一端子连接，R3的第二端子与热敏电阻RT的第一端子连接，第二电阻R2的第二端子与热敏电阻RT的第二端子连接接地。
进一步地，所述第一节点的电压是第二电阻R2两端的电压，所述第二节点的电压是热敏电阻RT两端的电压。
进一步地，所述加热电路包括一级运放电路、二级运放电路和加热管电路，其中，所述一级运放电路的同相输入端与所述平衡桥电路的第一节点连接，其反相输入端与所述平衡桥电路的第二节点连接，其输出端与所述二级运放电路的同相输入端连接，所述二级运放电路的输出端与所述加热管电路连接。
进一步地，所述一级运放电路包括：第四电阻R4、第五电阻R5、运算放大器IC1第一电容C1、第二电容C2，其中，第四电阻R4的一端与所述平衡桥电路的所述第二节点连接；运算放大器IC1的正相输入端与所述平衡桥电路的所述第一节点连接；运算放大器IC1的反相输入端与第四电阻R4的第二端子、第一电容C1的第一端子、第二电容C2的第一端子连接；运算放大器IC1的输出端与第二电容C2的第二端子、第五电阻R5的第二端子连接；第一电容C1的第二端子与第五电阻R5的第一端子连接；运算放大器IC1的电源正极与电源Vcc连接；运算放大器IC1的电源负极接地。
进一步地，所述二级运放电路包括：第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、运算放大器IC2、第三电容C3；其中，第六电阻R6的第一端子与一级运放电路的输出端、第二电容C2的第二端子、第五电容R5的第二端子连接；第七电阻R7的第一端子与电源Vcc连接，第八电阻R8的第一端子与稳压源LDO连接；运算放大器IC2的正相输入端与第六电阻R6的第二端子、第七电阻R7的第二端子连接；运算放大器IC2的反相输入端与第八电阻R8的第二端子、第三电容C3的第一端子、第九电阻R9的第一端子连接；运算放大器IC2的输出端与第三电容C3的第二端子、加热管电路连接；第九电阻R9的第二端子与加热管电路连接；运算放大器IC2的电源正极与电源Vcc连接；运算放大器IC2的电源负极接地。
进一步地，所述加热管电路包括：第十电阻R10、第四电容C4、达林管Q，其中，第十电阻R10的第一端子与电源Vcc、第四电容C4的第一端子连接；达林管Q的基极与运算放大器IC1的输出端、第三电容C3的第二端子连接；达林管Q的集电极与第九电阻R9的第二端子、第十电阻R10的第二端子连接；达林管Q的发射极、第四电容C4的第二端子接地。
进一步地，所述达林管Q包括两个PNP三极管Q1、Q2，其中，三极管Q1的基极与三极管Q2的集电极连接，三极管Q1的发射极与三极管Q2的发射极连接并接地；三极管Q2的基极与运算放大器IC1的输出端、第三电容C3的第二端子连接；三极管Q1的集电极与第九电阻R9的第二端子、第十电阻R10的第二端子连接。
进一步地，所述低通滤波器包括第一低通滤波器和第二低通滤波器，其中，所述第一低通滤波器包括第十一电阻R11和第五电容C5，其中，第十一电阻R11的第一端子与微控制单元MCU连接，第二端子与第五电容C5的第一端子、第二低通滤波器连接，第五电容C5的第二端子接地；所述第二低通滤波器包括第十二电阻R12和第六电容C6，其中，第十二电阻R12的第一端子与第一低通滤波器连接，第二端子与第六电容C6的第一端子、所述平衡桥电路中第一电阻R1的第二端子、第二电阻R2的第一端子相连，第六电容C6的第二端子接地。
本发明实施例提供的恒温晶体振荡器的控温电路，采用修正平衡桥单边电压值来修正加热量的方式，避免了对晶体震荡电路震荡频率的拉动作用，消除了量化干扰，使晶体振荡器短稳不恶化，实现控温精度高、功耗低、体积小、成本低。
附图说明
图1是本发明实施例提供的恒温晶体振荡器的控温电路的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的恒温晶体振荡器的控温电路的电路图；
图3是本发明实施例提供的加热电路的电路图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例
图1为本发明实施例提供的恒温晶体振荡器的控温电路的结构示意图，温控电路包括温度传感器、加热电路、微控制单元（MCU）、低通滤波器和平衡桥电路。
其中，所述平衡桥电路，与所述加热电路连接，用于将平衡桥电路的第一节点与第二节点之间的电压差输入到所述加热电路进行加热，并使所述加热电路中加热三极管的电流与所述平衡桥电路的电阻值不变；
所述微控制单元，与所述低通滤波器连接，用于输出具有占空比的电压波形给所述低通滤波器；
所述低通滤波器，与所述平衡桥电路连接，用于将所述微控制单元输出的波形进行滤波，并输出给所述平衡桥电路的第一节点；
所述温度传感器，与所述微控制单元连接，用于检测环境温度是否有变化；当环境温度发生变化时，所述微控制单元调整所述第一节点的电压，使所述第一节点与第二节点之间的电压差不变。
在本实施例中，在常温环境温度下，平衡桥电路的第一节点与第二节点之间的电压差输入到加热电路上，最终使所述加热电路中加热三极管的电流与所述平衡桥电路的电阻值不变；当环境温度发生变化时，热敏电阻的变化量与温度变化量会有差别，此时微控制单元通过温度传感器获得当前温度，然后计算补偿压值，输出一定占空比的电压波形，并通过低通滤波器将微控制单元输出的交流电压转换成直流电压，调节平衡桥电路中第一节点的电压，使温度值与热敏电阻阻值之间的误差得到修正，从而可以间接修正加热电路加热量，使晶体振荡器在环境温度变化时还能保证晶体温度稳定。
本发明实施例的技术方案，通过温度传感器检测环境温度的变化，当环境温度发生变化时，微控制单元修正平衡桥电路的单边桥电压，补偿热敏电阻的变化量与温度变化量之间的差量，使晶体振荡器在环境温度变化时还能保证晶体温度稳定，实现控温精度高、功耗低、体积小、成本低。
在上述技术方案的基础上，所述微控制单元以脉宽调制（PWM）方式输出具有占空比的方波电压，通过所述低通滤波器将所述方波电压转换成直流电压输出到所述平衡桥电路，该占空比由微控制单元根据所述温度传感器检测出的环境温度的变化大小来控制。
在上述技术方案的基础上，如图2所示，所述平衡桥电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和热敏电阻RT，其中第一电阻R1、第三电阻R3的第一端子与稳压源LDO连接，第一电阻R1的第二端子与第二电阻R2的第一端子连接，R3的第二端子与热敏电阻RT的第一端子连接，第二电阻R2的第二端子与热敏电阻RT的第二端子连接接地。
在上述技术方案的基础上，所述第一节点的电压是第二电阻R2两端的电压，所述第二节点的电压是热敏电阻RT两端的电压。
在上述技术方案的基础上，如图3所示，所述加热电路包括一级运放电路、二级运放电路和加热管电路，其中，所述一级运放电路的同相输入端与所述平衡桥电路的第一节点连接，其反相输入端与所述平衡桥电路的第二节点连接，其输出端与所述二级运放电路的同相输入端连接，所述二级运放电路的输出端与所述加热管电路连接。
在上述技术方案的基础上，所述一级运放电路包括：第四电阻R4、第五电阻R5、运算放大器IC1第一电容C1、第二电容C2，其中，第四电阻R4的一端与所述平衡桥电路的所述第二节点连接；运算放大器IC1的正相输入端与所述平衡桥电路的所述第一节点连接；运算放大器IC1的反相输入端与第四电阻R4的第二端子、第一电容C1的第一端子、第二电容C2的第一端子连接；运算放大器IC1的输出端与第二电容C2的第二端子、第五电阻R5的第二端子连接；第一电容C1的第二端子与第五电阻R5的第一端子连接；运算放大器IC1的电源正极与电源Vcc连接；运算放大器IC1的电源负极接地。
在上述技术方案的基础上，所述二级运放电路包括：第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、运算放大器IC2、第三电容C3；其中，第六电阻R6的第一端子与一级运放电路的输出端、第二电容C2的第二端子、第五电容R5的第二端子连接；第七电阻R7的第一端子与电源Vcc连接，第八电阻R8的第一端子与稳压源LDO连接；运算放大器IC2的正相输入端与第六电阻R6的第二端子、第七电阻R7的第二端子连接；运算放大器IC2的反相输入端与第八电阻R8的第二端子、第三电容C3的第一端子、第九电阻R9的第一端子连接；运算放大器IC2的输出端与第三电容C3的第二端子、加热管电路连接；第九电阻R9的第二端子与加热管电路连接；运算放大器IC2的电源正极与电源Vcc连接；运算放大器IC2的电源负极接地。
在上述技术方案的基础上，所述加热管电路包括：第十电阻R10、第四电容C4、达林管Q，其中，第十电阻R10的第一端子与电源Vcc、第四电容C4的第一端子连接；达林管Q的基极与运算放大器IC1的输出端、第三电容C3的第二端子连接；达林管Q的集电极与第九电阻R9的第二端子、第十电阻R10的第二端子连接；达林管Q的发射极、第四电容C4的第二端子接地。
在上述技术方案的基础上，所述达林管Q包括两个PNP三极管Q1、Q2，其中，三极管Q1的基极与三极管Q2的集电极连接，三极管Q1的发射极与三极管Q2的发射极连接并接地；三极管Q2的基极与运算放大器IC1的输出端、第三电容C3的第二端子连接；三极管Q1的集电极与第九电阻R9的第二端子、第十电阻R10的第二端子连接。
在上述技术方案的基础上，所述低通滤波器包括第一低通滤波器和第二低通滤波器，其中，所述第一低通滤波器包括第十一电阻R11和第五电容C5，其中，第十一电阻R11的第一端子与微控制单元MCU连接，第二端子与第五电容C5的第一端子、第二低通滤波器连接，第五电容C5的第二端子接地；所述第二低通滤波器包括第十二电阻R12和第六电容C6，其中，第十二电阻R12的第一端子与第一低通滤波器连接，第二端子与第六电容C6的第一端子、所述平衡桥电路中第一电阻R1的第二端子、第二电阻R2的第一端子相连，第六电容C6的第二端子接地。
在本实施例中，低通滤波器的作用是用来将微控制单元(MCU)输出的交流电压转换成直流电压，进而调整平衡桥电路的第一节点的电压，使温度值与热敏电阻阻值之间的误差得到修正，从而可以间接修正加热电路加热量，使晶体振荡器在环境温度变化时还能保证晶体温度稳定。
恒温晶体振荡器的控温电路的工作原理如下，平衡桥电路的R1与R2阻值相等，通电瞬间，在常温环境温度下，热敏电阻RT阻值远大于R3阻值，因此第一节点电压相对第二节点电压低很多，运算放大器IC1输出较低电平，使运算放大器IC2的正相输入端输入的电平比较低，运算放大器IC2输出较低电平，从而达林管Q的集电极相对基极电压差要远大于0.7V，所以加热三级管Q电流比较大，消耗功率大，致使温度迅速升高；温度升高又会使热敏电阻RT的阻值迅速减小，第一节点与第二节点之间的电压差值减小，运算放大器IC1输出电压增大，运算放大器IC2的正相输入端电压上升，达林管Q的集电极与基极之间的电压差减小，达林管Q电流减小，功耗降低，使加热电路加热量减小，最终加热功耗与热敏电阻阻值达到平衡，即热敏电阻阻值和加热三极管的电流不再变化；温度达到了稳定，因此频率就会稳定在某个值。当环境温度变化时，热敏电阻会感应到环境温度的变化，随着环境温度的上升，热敏电阻阻值减小，加热电路加热量减小；随着环境温度减低，热敏电阻阻值增加，使加热电路加热量增加；但是热敏电阻的变化量与温度变化量会有差别，即会出现控温补偿过量或不足；此时，MCU通过温度传感器获得当前温度，然后计算补偿压值，通过输出平滑模型在PWM脚输出，经过两级滤波，再接入第一节点，调整第一节点电压；使温度值与热敏电阻阻值之间的误差得到修正，从而可以间接修正加热电路加热量，使晶体振荡器在环境温度变化时还能保证晶体温度稳定。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种恒温晶体振荡器的控温电路，所述温控电路包括温度传感器和加热电路，其特征在于，所述温控电路还包括微控制单元、低通滤波器和平衡桥电路，
其中，所述平衡桥电路，与所述加热电路连接，用于将平衡桥电路的第一节点与第二节点之间的电压差输入到加热电路进行加热，并使加热电路中加热三极管的电流与所述平衡桥电路的电阻值不变；
所述微控制单元，与所述低通滤波器连接，用于输出具有占空比的波形给所述低通滤波器；
所述低通滤波器，与所述平衡桥电路连接，用于将所述微控制单元输出的波形进行滤波，并输出给所述平衡桥电路的第一节点；
所述温度传感器，与所述微控制单元连接，用于检测环境温度是否有变化；当环境温度发生变化时，所述微控制单元调整所述第一节点的电压，使所述第一节点与第二节点之间的电压差不变。
2.根据权利要求1所述的恒温晶体振荡器的控温电路，其特征在于，所述微控制单元以脉宽调制方式输出具有占空比的方波电压，通过所述低通滤波器将所述方波电压转换成直流电压输出到所述平衡桥电路，该占空比由微控制单元根据所述温度传感器检测出的环境温度的变化大小来控制。
3.根据权利要求1所述的恒温晶体振荡器的控温电路，其特征在于，所述平衡桥电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和热敏电阻RT，其中第一电阻R1、第三电阻R3的第一端子与稳压源LDO连接，第一电阻R1的第二端子与第二电阻R2的第一端子连接，R3的第二端子与热敏电阻RT的第一端子连接，第二电阻R2的第二端子与热敏电阻RT的第二端子连接接地。
4.根据权利要求3所述的恒温晶体振荡器的控温电路，其特征在于，所述第一节点的电压是第二电阻R2两端的电压，所述第二节点的电压是热敏电阻RT两端的电压。
5.根据权利要求3所述的恒温晶体振荡器的控温电路，其特征在于，所述加热电路包括一级运放电路、二级运放电路和加热管电路，其中，所述一级运放电路的同相输入端与所述平衡桥电路的第一节点连接，其反相输入端与所述平衡桥电路的第二节点连接，其输出端与所述二级运放电路的同相输入端连接，所述二级运放电路的输出端与所述加热管电路连接。
6.根据权利要求5所述的恒温晶体振荡器的控温电路，其特征在于，所述一级运放电路包括：第四电阻R4、第五电阻R5、运算放大器IC1、第一电容C1、第二电容C2，
其中，第四电阻R4的一端与所述平衡桥电路的所述第二节点连接；
运算放大器IC1的正相输入端与所述平衡桥电路的所述第一节点连接；
运算放大器IC1的反相输入端与第四电阻R4的第二端子、第一电容C1的第一端子、第二电容C2的第一端子连接；
运算放大器IC1的输出端与第二电容C2的第二端子、第五电阻R5的第二端子连接；
第一电容C1的第二端子与第五电阻R5的第一端子连接；
运算放大器IC1的电源正极与电源Vcc连接；
运算放大器IC1的电源负极接地。
7.根据权利要求5所述的恒温晶体振荡器的控温电路，其特征在于，所述二级运放电路包括：第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、运算放大器IC2、第三电容C3；
其中，第六电阻R6的第一端子与一级运放电路的输出端、第二电容C2的第二端子、第五电容R5的第二端子连接；
第七电阻R7的第一端子与电源Vcc连接，第八电阻R8的第一端子与稳压源LDO连接；
运算放大器IC2的正相输入端与第六电阻R6的第二端子、第七电阻R7的第二端子连接；
运算放大器IC2的反相输入端与第八电阻R8的第二端子、第三电容C3的第一端子、第九电阻R9的第一端子连接；
运算放大器IC2的输出端与第三电容C3的第二端子、加热管电路连接；
第九电阻R9的第二端子与加热管电路连接；
运算放大器IC2的电源正极与电源Vcc连接；
运算放大器IC2的电源负极接地。
8.根据权利要求5所述的恒温晶体振荡器的控温电路，其特征在于，所述加热管电路包括：第十电阻R10、第四电容C4、达林管Q，
其中，第十电阻R10的第一端子与电源Vcc、第四电容C4的第一端子连接；
达林管Q的基极与运算放大器IC1的输出端、第三电容C3的第二端子连接；
达林管Q的集电极与第九电阻R9的第二端子、第十电阻R10的第二端子连接；
达林管Q的发射极、第四电容C4的第二端子接地。
9.根据权利要求8所述的恒温晶体振荡器的控温电路，其特征在于，所述达林管Q包括两个PNP三极管Q1、Q2，其中，三极管Q1的基极与三极管Q2的集电极连接，三极管Q1的发射极与三极管Q2的发射极连接并接地；三极管Q2的基极与运算放大器IC1的输出端、第三电容C3的第二端子连接；三极管Q1的集电极与第九电阻R9的第二端子、第十电阻R10的第二端子连接。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的恒温晶体振荡器的控温电路，其特征在于，所述低通滤波器包括第一低通滤波器和第二低通滤波器，其中，所述第一低通滤波器包括第十一电阻R11和第五电容C5，其中，第十一电阻R11的第一端子与微控制单元MCU连接，第二端子与第五电容C5的第一端子、第二低通滤波器连接，第五电容C5的第二端子接地；所述第二低通滤波器包括第十二电阻R12和第六电容C6，其中，第十二电阻R12的第一端子与第一低通滤波器连接，第二端子与第六电容C6的第一端子、所述平衡桥电路中第一电阻R1的第二端子、第二电阻R2的第一端子相连，第六电容C6的第二端子接地。
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