CN104635790A - 温度控制装置及振荡装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种温度控制装置及振荡装置。温度控制装置是构成为，设置饱和处理电路部，并将上限值存储到可改写的存储器，所述饱和处理电路部包含：用来将运算部的输出值限制为上限值的数字电路。如果增大上限值的值，那么被加热体的温度稳定时间被缩短，另一方面，加热器的最大电流变大。如果缩小上限值的值，那么被加热体的温度稳定时间变长，另一方面，加热器的最大电流变小。由于可以自由地设定存储器内的上限值的值，所以可调整启动时缩短晶体振子的温度稳定时间与抑制加热器的最大电流的优先级。因此，振荡装置的制造商可以容易地制作与每个用户对所述优先级的要求相应的振荡装置。

Description

温度控制装置及振荡装置

技术领域

本发明涉及一种将被加热器(heater)加热的被加热体的温度控制为目标温度的技术。

背景技术

存在利用加热器将电子零件加热至固定温度、以谋求电子零件的特性的稳定化的情况；作为所述电子零件的一例，可以举出所谓的附带恒温槽(oven)的晶体振荡器(OCXO)。由于晶体振子的频率会根据温度而变动，所以当对输出频率要求高稳定度时，可使用这种类型(type)的晶体振荡器。

在OCXO中，利用设置在晶体振子附近的温度检测部，而检测晶体振子的环境温度，根据环境温度进行加热器的调节来控制频率振荡部的环境温度。因此，启动OCXO后，频率振荡部的环境温度一边将向与设定温度相比为高温侧的过冲(overshoot)及向与设定温度相比为低温侧的下冲(undershoot)反复，一边不断接近设定值。此时，在OCXO中流动的启动电流的最大值、及直至频率稳定为止所需要的时间是由构成OCXO的电路的晶体管(transistor)或电阻等硬件(hardware)的配置布局(layout)或规格(spec)所决定。然而，根据顾客的使用用途不同，所要求的启动时间或启动电流不同，所以必须按照顾客的要求重组硬件(hard)构成，进行振荡器的调整。

在专利文献1中，虽然记载有利用反馈(feedback)控制，来抑制启动电流的过冲或下冲的技术，但是并未使启动电流的大小或启动所需要的时间为可变。

[背景技术文献]

[专利文献]

[专利文献1]日本专利特开2001-75605号公报

发明内容

[发明欲解决的课题]

本发明是在这种情况的前提下而完成，其目的在于提供一种温度控制装置，所述温度控制装置是控制对加热器的供给电力来控制温度，并且可在温度的稳定所需要的时间与启动电流的大小之间选择优先级。另外，另一个目的在于提供一种振荡装置，可在直至晶体振子的振荡频率稳定为止所需要的时间与启动电流的大小之间选择优先级。

[解决课题的手段]

本发明的温度控制装置是将被加热器加热的被加热体的温度控制为目标温度，其包括：

温度检测部，检测对应于所述被加热体的温度；

差分运算部，求出数字值，所述数字值对应于由所述温度检测部检测出的温度检测值与目标温度的差分值；

调节部，将由所述差分运算部运算出的数字值作为输入值，而算出操作量，并将操作量以数字值的形式输出；

饱和处理电路部，连接于所述调节部的后段，所述饱和处理电路部包括：用来将所述调节部的输出值限制为预先设定的上限值的数字电路；

可改写的存储部，用来存储所述上限值，且将所述上限值从所述可改写的存储部的存储区域读出，并输入到所述饱和处理电路部；以及

转换部，用来将所述饱和处理电路部的输出值转换成模拟信号，并将所述模拟信号作为控制指令值而输出到所述加热器。

本发明的振荡装置包括：

所述温度控制装置；

振荡电路，连接于成为被加热体的晶体振子；以及

连接部，用来与外部计算机连接，所述外部计算机是用来将存储于存储部的上限值进行改写。

[发明的效果]

本发明的温度控制装置是构成为，设置：饱和处理电路部，并将上限值存储到可改写的存储部，所述饱和处理电路部包括：用来将调节部的输出值限制为上限值的数字电路。如果增大上限值的值，那么被加热体的温度稳定时间被缩短，另一方面，加热器的最大电流变大；相反，如果缩小上限值的值，那么被加热体的温度稳定时间变长，另一方面，加热器的最大电流变小。因此，根据本发明，可以自由地设定或者选择存储部内的上限值的值，所以可调整启动时缩短被加热体的温度稳定时间与抑制加热器的最大电流的优先级。另外，当将本发明应用于使用了晶体振子的振荡装置时，可以调整启动时缩短振荡频率的稳定时间与抑制加热器的最大电流的优先级。因此，振荡装置的制造商可以容易地制作与每个用户对所述优先级的要求相应的振荡装置。

附图说明

图1是表示包括本发明的实施方式的温度控制装置的OCXO的构成的框图。

图2是设置于所述温度控制装置的频率差检测部的框图。

图3是所述频率差检测部的输入输出波形的说明图。

图4是表示频率检测部的数字输出值与温度的关系的特性图。

图5是设置于所述温度控制装置的饱和处理电路部的框图。

图6是表示距离实施例的OCXO的启动的经过时间相对的启动电流的特性图。

图7是表示距离实施例的OCXO的启动的经过时间相对的启动电流的特性图。

[符号的说明]

1：第一振荡电路

2：第二振荡电路

3：频率差检测部

4：饱和处理电路部

5：加热器

6：调节部

8：存储器

9：外部计算机

10：第一晶体振子

11、12：电极

20：第二晶体振子

21、22：电极

31：触发电路

32：单触发电路

33：锁存电路

34：环路滤波器

35：加法部

36：DDS电路部

37：平均化电路

41、42：数字比较器

43：选择器

60：第一加法部

61：P运算部

62：I运算部

63：第二加法部

65：D/A转换器

80：控制器

81：CPU

82：接口

83：总线

84：连接端子部

f1、f2：频率

IN1～IN3：输入端

S1、S2：端子

Xb：晶体片

Δfr：差分

具体实施方式

图1是表示使用了本发明的实施方式的温度控制装置的振荡装置的整体的框图。此振荡装置是构成为OCXO。振荡装置包括：第一晶体振子10及第二晶体振子20，这些第一晶体振子10及第二晶体振子20是使用共用的晶体片Xb构成。用于第一晶体振子10的晶体片也可以是与用于第二晶体振子20的晶体片不同的晶体片。

将例如长方形状的晶体片Xb在长度方向上分割成两个部分，在各分割区域(振动区域)的正面与背面两面设置用于激振的电极。因此，由其中一个分割区域与一对电极(电极11、电极12)构成第一晶体振子10，由另一个分割区域与一对电极(电极21、电极22)构成第二晶体振子20。因此，第一晶体振子10及第二晶体振子20可以称为经热耦合而成的晶体振子。

在第一晶体振子10及第二晶体振子20，分别连接着第一振荡电路1及第二振荡电路2。这些振荡电路1、振荡电路2的输出均可以是例如晶体振子10、晶体振子20的谐波(overtone)(高次谐波)，也可以是基波。

此处，为了方便起见，如果从第一振荡电路1输出了频率f1的频率信号，从第二振荡电路2输出了频率f2的频率信号，那么频率f1的频率信号作为例如振荡装置的振荡输出而被输出到外部。图1中，3为频率差检测部，概略来说，该频率差检测部3是用来提取f1与f2的差分和Δfr的差分、即f2-f1-Δfr的电路部。Δfr是基准温度例如25℃时f1(f1r)与f2(f2r)的差分。如果举出f1与f2的差分的一例，那么例如为数MHz。本发明是通过利用频率差检测部3计算ΔF而完成，所述ΔF是对应于f1与f2的差分的值、和对应于基准温度例如25℃时f1与f2的差分的值的差分。在该实施方式的情况下，更详细来说，由频率差检测部3获得的值为{(f2-f1)/f1}-{(f2r-f1r)/f1r}。

图2表示频率差检测部3的具体例。31为触发电路(flip-flop circuit，F/F电路)，向该触发电路31的其中一个输入端输入来自第一振荡电路1的频率f1的频率信号，向另一个输入端输入来自第二振荡电路2的频率f2的频率信号，利用来自第一振荡电路1的频率f1的频率信号以锁存(latch)来自第二振荡电路2的频率f2的频率信号。以下，为了避免记载变得冗长，f1、f2是处理为表示频率或者频率信号本身。从触发电路31输出：具有对应于f1与f2的频率差的值、即(f2-f1)/f1的频率的信号。

在触发电路31的后段，设置单触发(one-shot)电路32，在单触发电路32中，利用从触发电路31获得的脉冲(pulse)信号中的上升，来输出单触发的脉冲。图3的(a)～(d)是表示到此为止的一连串信号的时序图(timechart)。单触发电路32是相当于设置在本例的频率差检测部3的脉冲制作部。

在单触发电路32的后段设置锁相环路(Phase Locked Loop，PLL)，该PLL包含：锁存电路33、具有积分功能的环路滤波器(loop filter)34、加法部35及直接数字频率合成器(Direct Digital Synthesizer，DDS)电路部36。锁存电路33是用来：利用从单触发电路32输出的脉冲，将从DDS电路部36输出的锯齿波进行锁存的电路，锁存电路33的输出是：输出所述脉冲的时序(timing)中的所述锯齿波的信号电平(signal level)。环路滤波器34将该信号电平即直流电压进行积分，加法部35将该直流电压与对应于Δfr(基准温度例如25℃时f1与f2的差分)的直流电压相加。将对应于Δfr的直流电压的数据(data)存储到例如未图示的存储器(memory)。另外，在环路滤波器34的输出侧，设置着求出预先设定的时间的输入值的移动平均的平均化电路37。

图4表示频率差检测部3的数字(Digital)输出值与温度的关系，可知该输出与温度成直线关系。因此，频率差检测部3的输出值(数字值)可以对应于晶体振子10、晶体振子20所处的温度的检测值。因此，晶体振子10、晶体振子20、振荡电路1、振荡电路2及频率差检测部3是用来获得数字的温度检测值的温度检测部。

回到图1进行说明，在频率差检测部3的后段设置着差分运算部、即第一加法部60。例如在AT切割的晶体振子中，频率与温度的关系为三次曲线，频率在-40℃附近出现峰值(peak)，在85℃附近出现谷值(bottom)。在本例的温度控制装置中，目标温度例如为85℃。

如图4所示，由温度检测部获得的数字输出值(频率差检测部3的数字输出值)随着温度上升，而从正值减小至负值。因此，第一加法部60是：使来自频率差检测部的数字值与对应于温度目标值的数字值相加而获得的相加值即数字值，成为对应于从目标温度减去当时的温度所得的温度差的大小。也就是说，随着温度从-40℃接近例如目标温度85℃，第一加法部60的相加值减小。因此，第一加法部60可以称为：求出温度目标值与温度检测值的差分的差分运算部。

在第一加法部60的后段，连接着调节部(运算部)6，所述调节部(运算部)6是根据由所述第一加法部60运算出的差分值，而进行操作量的运算，所述操作量是用来调节对加热器5的供电量。运算部6包括：P运算部61，为了获得与差分值的大小成比例的操作量，而将该差分值乘以比例增益；I运算部62，包含运算差分值的时间积分值的积分电路；以及第二加法部63，将P运算部61及I运算部62的输出相加。

在运算部6的后段，连接着饱和处理电路部4。饱和处理电路部4是成为如下设定部的电路，即：所述设定部是用来设定相当于供给至加热器5的直流电压的、从运算部6输出的值(输入值)的上限值与下限值。饱和处理电路部4是构成为，当输入值小于下限值时输出下限值，当输入值大于上限值时输出上限值，当输入值处于下限值与上限值之间时，直接将输入值输出。

在该例中，如图5所示，饱和处理电路部4包括：例如，数字比较器(digitalcomparator)41、数字比较器42及选择器(selector)43。在其中一个数字比较器41的负输入端，被输入有从下述存储器8读出的上限值，在另一个数字比较器42的正输入端，被输入有从下述存储器8读出的下限值。在数字比较器41的正输入端及数字比较器42的负输入端，被输入有输入值(IN)。该输入值(IN)是利用加法部63获得的相加值。另外，将从下述存储器8读出的上限值及下限值，分别输入到选择器43的端子IN1及端子IN2；将输入值(IN)分别输入到选择器43的端子IN3。将数字比较器41的输出及数字比较器42的输出，分别输入到选择器43的端子S1、端子S2。

根据输入到选择器43的端子S1、端子S2的逻辑值的组合，而选择内部开关(switch)的打开/关闭(on/off)，且选择输入端IN1～输入端IN3中的一个，并输出这个输入端的输入值。选择器43是以S1、S2的逻辑值的组与输出的对应关系成为表一所示的关系的方式构成。表一是表示饱和处理电路部中的逻辑值的对应关系的说明表。

[表一]

例如在饱和处理电路部4，连接着构成控制部的控制器(controller)80，控制器80包括：存储器8、中央处理器(central processing unit，CPU)81、及接口(interface)82。此外，图1中的83为总线(bus)。所述饱和处理电路部4中的上限值与下限值是：以例如16比特(bit)的数字值的形式存储在存储器8中，并利用CPU81从存储器8分别读出。接口82是构成为：与成为连接部的连接端子部84连接，在连接端子部84连接外部计算机(computer)9，并可根据来自外部计算机9的命令，而变更存储在存储器8中的上限值及下限值。

从选择器43输出的信号是被输入到用来将数字信号转换成模拟(analog)信号的转换部、即数模(Digital-Analog，D/A)转换器65。D(数字)/A(模拟)转换器65输出与从选择器43输出的数字值相应的量的直流电压。

在D/A转换器65的后段，设置着加热器5。例如，加热器5包含：晶体管(transistor)，在基极(base)连接D/A转换器65的输出端，并且集极(collector)连接于未图示的电源部；以及电阻，连接于所述晶体管的射极(emitter)与接地(earth)之间。供给至晶体管的基极的电压、和晶体管的消耗电力与电阻的消耗电力的合计电力的关系为直线关系，因此，可以基于利用P运算部61、I运算部62获得的操作量，线性地控制加热器5的发热量。在该例中，品体管也成为加热器5的一部分，晶体振子10、品体振子20及加热器5被存储在共用的壳体内。

对所述实施方式的作用进行说明。首先，制造商(maker)预先在振荡装置连接外部计算机9，按照用户(user)的要求，利用外部计算机9进行存储在存储器8中的饱和处理电路部4中的上限值与下限值的设定。将存储器8的存储区域所存储的上限值与下限值分别读出，并如图5所示，输入到饱和处理电路部4。在用户使用振荡装置的情况下，考虑例如将输入到第一加法部60的目标温度设定为85℃，并在-40℃的环境温度时使用振荡装置的情况。也就是说，由第一晶体振子10及第二晶体振子20检测出的温度(温度检测值)为-40℃。

由运算部6运算出的差分值是相当于目标温度与温度检测值的温度差(85℃-(-40℃))的较大值，当无饱和处理电路部4时，基于所述差分值而利用运算部6运算出的数字值被输入到D/A转换部65，转换成控制电力并输入到加热器5。

因此，加热器5中瞬间流入大电流而发热，而使环境温度从-40℃大幅上升，超过目标温度即85℃。因此，第一加法部60的相加值、即输入到运算部6的值减小，在加热器5中流动的电流减少。因此，当环境温度超过目标温度即85℃，第一加法部60的输出值为0以下时，加热器5断开。因此，环境温度停止上升，转为降温而温度变低，所以因图1所示的控制环路(loop)的作用而使加热器5的电流有变大的趋势。这样一来，加热器5的电流大幅过冲、下冲之后，再次将小的过冲、下冲反复，而使加热器5的电流稳定化，环境温度被维持在目标温度即85℃。

此处，对设置着饱和处理电路部4的情况进行叙述。当例如目标温度与温度检测值的温度差大时，从运算部6输出较大数字值。饱和处理电路部4是：以如上所述的那样，在加热器5中流动的电流成为从上限值到下限值为止的范围内的值的方式构成。因此，即使在从运算部6输出超过上限值的较大数字值的情况下，从饱和处理电路部4输出的输入值成为不超过上限值的值。因此，加热器5中不会瞬间流入大电流，所以过冲变小。另外，当晶体振子10、晶体振子20的环境温度超过目标温度时，第一加法部60的相加值成为负值，而从运算部6输出较小数字值，但是当输入值为0时，加热器5断开(off)。因为在加热器5中流动的电流的过冲得到抑制，而使加热器5的发热量得到抑制，所以即使在加热器5的输出断开的情况下，晶体振子10、晶体振子20的环境温度也不会瞬间大幅变化。因此，在加热器5中流动的电流的下冲得到抑制。

当环境温度例如为-40℃时，数字值瞬间上升，在加热器5中流动的电流随之急剧变大，但是当数字值达到上限值时，所述电流的最大值被限制为与上限值相应的值。因此，所述电流的过冲得到抑制，根据所述上限值的大小，而不会产生过冲。另一方面，当所述上限值变低时，加热器5的最大发热量变小，所以环境温度的升温速度(speed)变慢，而与不设置饱和处理电路部4的情况相比，直至环境温度稳定为止所需要的时间变长。因此，当优先选择以短时间使环境稳定时，只要增大所述上限值即可，当优先选择缩小在加热器5中流动的电流的最大值时，只要缩小所述上限值即可。

图6中表示在所述的振荡装置中改写存储器8而将上限值设定为32767、将下限值设定为-32768时的启动电流的变化。另外，图7中表示将上限值设定为2500、将下限值设定为-32768时的启动电流的变化。此外，在OCXO的情况下，启动电流的大部分是在加热器5中流动的电流。

当将图6与图7进行比较时，在将上限值设定为较高值的情况下，加热器5的电流值的上限变高。另外，直至温度检测值稳定为止的时间、即启动时间变短。另一方面，在将上限值设定为较低值的情况下，加热器5的电流值的上限变低。另外，启动时间变长。因此，通过变更存储在存储器8的上限值的值，可以调整振荡装置的启动电流、与直至振荡频率稳定为止所需要的时间的优先级(priority)。

在所述实施方式中，温度控制装置是构成为：设置饱和处理电路部4，并将上限值存储到可改写的存储器8，所述饱和处理电路部4包括用来将运算部6的输出值限制为上限值的数字电路。如果增大上限值的值，那么被加热体的温度稳定时间被缩短，另一方面，加热器5的最大电流变大，相反，如果缩小上限值的值，那么被加热体的温度稳定时间变长，另一方面，加热器5的最大电流变小。因此，可以自由地设定存储器8内的上限值的值，所以可调整启动时缩短被加热体即晶体振子10、晶体振子20的温度稳定时间与抑制加热器5的最大电流的优先级。因此，振荡装置的制造商可以容易地制作与每个用户对所述优先级的要求相应的振荡装置。

运算部6并不限定于由P运算部61及I运算部62构成，只要是将第一加法部60的输出作为输入、且具备为了顺利地进行加热器5的控制而预先设定的输入输出特性的运算部6即可。另外，输入到第一加法部60的温度检测值并不限定于利用图1的电路获得的温度检测值，也可以是例如热敏电阻(thermistor)等温度检测器的输出。在图5的饱和处理电路部4中，也可以没有将输入值限制为下限值的数字比较器42，但在此情况下，是以如下方式构成选择器43的逻辑电路，即当数字比较器41的输出值为“0”时，将输入值(IN)输出，当数字比较器41的输出值为“1”时，将上限值输出。

另外，也可以预先在存储器8中存储多个上限值的值，利用外部计算机，选择规定的值，在此情况下，也相当于可以利用外部计算机9将存储器8内的上限值改写的意思。在像这样构成的情况下，由于可以变更饱和处理电路部4中的上限值，所以可以调整启动时间与加热器5的电流值的上限。

本发明的温度控制装置并不限定于应用于振荡装置，也可以应用于以固定温度将例如被处理体进行加热处理的加热处理装置等。

进而，也可以使用例如寄存器(register)作为可改写的存储器8，并从外部计算机9直接写入上限值。或者并不限定于外部计算机，也可以在装置中设置输入操作部，利用该输入操作部改写上限值。

Claims (7)

1.一种温度控制装置，将被加热器加热的被加热体的温度控制为目标温度，其特征在于包括：

温度检测部，检测对应于所述被加热体的温度；

差分运算部，求出数字值，所述数字值对应于由所述温度检测部检测出的温度检测值与目标温度的差分值；

调节部，将由所述差分运算部运算出的数字值作为输入值，而算出操作量，并将操作量以数字值的形式输出；

饱和处理电路部，连接于所述调节部的后段，所述饱和处理电路部包括：用来将所述调节部的输出值限制为预先所设定的上限值的数字电路；

可改写的存储部，存储所述上限值，且将所述上限值从所述可改写的存储部的存储区域读出，并输入到所述饱和处理电路部；以及

转换部，用来将所述饱和处理电路部的输出值转换成模拟信号，并将所述模拟信号作为控制指令值而输出到所述加热器。

2.根据权利要求1所述的温度控制装置，其特征在于还包括：

连接部，

所述连接部连接了用来对所述存储部进行上限值的写入或改写的外部计算机。

3.根据权利要求1所述的温度控制装置，其特征在于：

所述调节部包括：

比例运算部，为了获得与输入值成比例的操作量而乘以比例增益；

积分电路，运算输入值的时间积分值；以及

加法部，获得比例运算部的运算值与积分电路的运算值的相加输出。

4.根据权利要求1所述的温度控制装置，其特征在于：

所述饱和处理电路部包括：

第一数字比较器，一个输入端被输入所述预先设定的上限值，另一个输入端被输入所述调节部的输出值；

第二数字比较器，一个输入端被输入用来限制所述调节部的输出值的下限的下限值，另一个输入端被输入所述调节部的输出值；以及

选择器，根据所述第一数字比较器及所述第二数字比较器的各输出值的组合，从所述调节部的输出值、所述上限值、及所述下限值中进行选择；且

所述下限值被设定为：与温度检测值为目标温度以下时的正负符号相反的符号的值。

5.根据权利要求1所述的温度控制装置，其特征在于：

所述饱和处理电路部包括：

第一数字比较器，一个输入端被输入所述预先设定的上限值，另一个输入端被输入所述调节部的输出值；以及

选择器，根据所述第一数字比较器的输出值，从所述调节部的输出值、及所述上限值中进行选择。

6.一种振荡装置，其特征在于包括：

根据权利要求1、3、4或5所述的温度控制装置；

振荡电路，连接于成为被加热体的晶体振子；以及

连接部，用来与外部计算机连接，所述外部计算机是用来将存储于存储部的上限值进行改写。

7.根据权利要求6所述的振荡装置，其特征在于：

所述温度检测部包括：

第一晶体振子及第二晶体振子；

分别使所述第一晶体振子与所述第二晶体振子进行振荡的第一振荡电路及第二振荡电路；以及

提取与所述第一振荡电路与所述第二振荡电路的振荡频率的差分相应的值的电路；且

所述温度检测部与所述加热器设置在共用的壳体内。