CN105811965A - 一种高精度石英晶体振荡器结构及其实现方法 - Google Patents

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CN105811965A CN201610142031.XA CN201610142031A CN105811965A CN 105811965 A CN105811965 A CN 105811965A CN 201610142031 A CN201610142031 A CN 201610142031A CN 105811965 A CN105811965 A CN 105811965A
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Abstract

本发明涉及一种高精度石英晶体振荡器结构及其实现方法，该振荡器结构包括外恒温槽、内恒温槽以及电子电路结构；电子电路结构包括单片机和与单片机分别连接的放大调理及A/D转换电路、数字式温度传感器、限流电阻和D/A转换器；利用铝合金体填充内恒温槽空腔，使电子电路结构传热方式变为热传导，传热更快，没有方向性，因而控温更加准确。本发明同时通过修正石英晶体振荡器的频温曲线，使其控温区间为0.04℃—0.2℃，最好为0.1℃，温度只要进入这个范围就能使频率稳定度达到8×10‑10。

Description

一种高精度石英晶体振荡器结构及其实现方法
技术领域
本发明涉及一种石英晶体振荡器结构，具体涉及一种高精度石英晶体振荡器结构及其实现方法。
背景技术
石英晶体振荡器是目前精确度和准确度最高的振荡器，被广泛应用于移动电话系统、远程通信、卫星通信、全球定位系统(GPS)、导航、遥控、航空航天、高速计算机、精密计测仪器及消费类民用电子产品中，作为标准频率源或脉冲信号源提供频率基准，是其它各种类型的振荡器无法取代的。石英晶体本身的频率容差，负载特性，温度稳定性以及老化特性等都应相适应晶体振荡器电路的频率稳定性，因此可通过控制温差的大小使温度稳定在较小的范围内。目前恒温晶振的频率稳定度可以达到10-9，可进行正常使用，但对于频率要求高的系统还是需要使用原子钟等高成本器件。
发明内容
本发明提供一种高精度石英晶体振荡器结构及其实现方法，通过将石英晶体谐振器镶嵌于内恒温槽内的铝合金体中，使其保持良好的热接触。同时通过修正频温曲线的方法使得恒温石英晶体振荡器获得了更高的精度，在宽的温度范围内频率的稳定度达到8×10-10。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种高精度石英晶体振荡器结构，包括外恒温槽和内恒温槽以及电子电路结构；所述电子电路结构包括单片机；所述单片机分别连接有放大调理及A/D转换电路、数字式温度传感器、限流电阻和D/A转换器；所述放大调理及A/D转换电路上连接有铂电阻；所述限流电阻上分别连接有内恒温槽加热晶体管和外恒温槽加热晶体管；所述内恒温槽内设置有石英晶体谐振器，所述石英晶体谐振器包括微调电容和放大器和电子元件共同组成石英晶体振荡器；所述石英晶体谐振器上串联有变容二级管，所述变容二级管阳极另一端连接于所述放大器和电子元件上；所述D/A转换器输出经由滤波器连接于所述变容二级管的阴极；所述内恒温槽的空腔中填充有铝合金体；所述石英晶体谐振器镶嵌于铝合金体中，所述铂电阻镶嵌于所述铝合金体中，所述内恒温槽加热晶体管设置于所述铝合金体上表面。
所述外恒温槽和内恒温槽之间填充有发泡聚氨酯。
一种高精度石英晶体振荡器结构的实现方法，依次包括如下步骤：
一、找到频温曲线0导数点20对应的温度即为内恒温槽温度；
二、将上述温度降低0.8℃-2℃得到外恒温槽的温度，然后降低所述频温曲线0导数点20的温度0.02℃-0.1℃即为21点对应温度；
三、调整所述微调电容使振荡电路输出信号的频率等于石英晶体振荡器的标称频率；
四、升高内恒温槽温度0.003℃-0.01℃，通过所述单片机使用试探法找寻一个修正数据，输入所述D/A转换器，所述D/A转换器的输出信号经过所述滤波器加于所述变容二级管的阴极使振荡电路输出信号的频率刚好等于振荡器的标称频率；
五、重复步骤四，直至其温度高于所述频温曲线0导数点20的温度0.02℃-0.1℃，即为频温曲线的22点所对应的温度；由此找到一组石英晶体振荡器的修正数据；
六、将所述一组石英晶体振荡器的修正数据固化于所述单片机中，振荡器上电后内外恒温槽自动恒温，当内恒温槽温度进入0导数点20的温度±0.02℃-0.1℃区间后单片机测得当下的温度，依所述温度利用所述一组石英晶体振荡器的修正数据进行插值运算得到所述温度下的修正数据，将此数据送入所述D/A转换器其输出信号最终加于变容二级管将所述石英晶体振荡器的振荡频率修正到标称值。
一种高精度石英晶体振荡器结构的实现方法，依次包括如下步骤：
一、找到频温曲线0导数点20对应的温度即为内恒温槽温度，将上述温度降低0.8℃-2℃得到外恒温槽温度；
二、调整所述微调电容使振荡电路输出信号的频率等于石英晶体振荡器的标称频率，降低所述频温曲线0导数点20的温度0.02℃-0.1℃即为23点对应温度；
三、通过所述单片机使用试探法找寻一个修正数据，输入所述D/A转换器，所述D/A转换器的输出信号经过所述滤波器加于所述变容二级管的阴极使振荡电路输出信号的频率刚好等于振荡器的标称频率；
四、升高内恒温槽温度0.003℃-0.01℃，重复步骤三，直至其温度高于所述频温曲线0导数点20的温度0.02℃-0.1℃，即为频温曲线的24点所对应的温度；由此找到所述一组石英晶体振荡器的修正数据；
五、将所述一组石英晶体振荡器的修正数据固化于所述单片机中，振荡器上电后内外恒温槽自动恒温，当内恒温槽温度进入0导数点20的温度±0.02℃-0.1℃区间后单片机测得当下的温度，依所述温度利用所述一组石英晶体振荡器的修正数据进行插值运算得到所述温度下的一个修正数据，将此数据送入所述D/A转换器其输出信号最终加于变容二级管将所述石英晶体振荡器的振荡频率修正到标称值。
所述外恒温槽温度为所述频温曲线0导数点20的温度降低1℃。
所述频温曲线的21点温度为所述频温曲线0导数点20的温度降低0.05℃；所述频温曲线的23点温度为所述频温曲线0导数点20的温度降低0.05℃。
所述升高内恒温槽温度每次为0.005℃。
所述频温曲线的22点所对应的温度为高于所述频温曲线0导数20点0.05℃；所述频温曲线的24点所对应的温度为高于所述频温曲线0导数20点0.05℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明利用铝合金体填充内恒温槽空腔，使传热方式变为热传导，传热更快，没有方向性，因而控温更加准确；
同时通过修正石英晶体振荡器的频温曲线，使其控温区间为0.04℃—0.2℃，最好为0.1℃，温度只要进入这个范围就能使频率稳定度达到8×10-10。
附图说明
图1为本发明电路图；
图2为本发明结构图；
图3为本发明的修正频温曲线1；
图4为为本发明的修正频温曲线2；
图中，1-外恒温槽，2-内恒温槽，3-单片机，4-石英晶体振荡器，5-放大调理及A/D转换电路，6-数字式温度传感器，7-限流电阻，8-D/A转换器，9-铂电阻，10-内恒温槽加热晶体管，11-外恒温槽加热晶体管，12-微调电容，13-放大器和电子元件，14-变容二极管，15-滤波器，16-铝合金体，17-发泡聚氨酯。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。
参见图1-2，本发明实施例提供一种高精度石英晶体振荡器，包括外恒温槽1和内恒温槽2以及电子电路结构；所述电子电路结构包括单片机3；所述单片机3分别连接有放大调理及A/D转换电路5、数字式温度传感器6、限流电阻7和D/A转换器8；所述放大调理及A/D转换电路5上连接有铂电阻9；所述限流电阻7上分别连接有内恒温槽加热晶体管10和外恒温槽加热晶体管11；所述内恒温槽2内设置有石英晶体谐振器4，所述石英晶体谐振器4包括微调电容12和放大器和电子元件13共同组成石英晶体振荡器；所述石英晶体谐振器4上串联有变容二级管14，所述变容二级管14阳极另一端连接于所述放大器和电子元件13上；所述D/A转换器8输出经由滤波器15连接于所述变容二级管14的阴极；所述内恒温槽2的空腔中填充有铝合金体16；所述石英晶体谐振器4镶嵌于铝合金体16中，所述铂电阻9镶嵌于所述铝合金体16中，所述内恒温槽加热晶体管10设置于所述铝合金体16上表面。所述外恒温槽1和内恒温槽2之间填充有发泡聚氨酯17。
更进一步详细说明如下：为了提高控温的精度，本发明使用了双层恒温槽，这样内恒温槽2所处的环境温度的变化范围就由约100℃减小到1℃以内，可以有效地提高内恒温槽2的控温精度；本发明方案中内恒温槽2中除了发热元件和测量温度的铂电阻9外只有石英晶体谐振器4，在图2中，石英晶体谐振器4镶嵌于铝合金体16中并保持良好的热接触，所述铂电阻9镶嵌于所述铝合金体16中并保持良好的热接触，所述内恒温槽加热晶体管10安装于所述铝合金体16表面并保持良好的热接触，所述石英晶体谐振器4和所述铂电阻9以及所述内恒温槽加热晶体管10与所述铝合金体16组成的结构体一同置于紫铜薄板构成的壳体内，并灌注发泡聚氨酯17。通常的内恒温槽具有一个空腔，将发热元件、温度传感器以及被恒温的电子元件装于其中，通过对流方式进行热传递，因此传热慢，甚至摆放方向都影响热的分布，在本发明方案中内恒温槽的空间由铝合金体16取代，以热传导为传热方式，传热更快，且没有方向性传热更均匀，因而控温更准。由于内恒温槽2内的温度与外恒温槽1的温度相差很小，所述灌注发泡聚氨酯17可以很薄2mm—3mm即可，因而内恒温槽2体积很小，使得整个恒温晶振体积大大减小。
下面叙述电路的结构，放大器和电子元件13中的振荡电路使用一片SM5024芯片与石英晶体谐振器4等原件构成，SM5024是专为构成石英晶体振荡器4而设计的具有许多的优点。选用了型号为C8051F007的单片机3，芯片内包括了12位的A/D转换器和D/A转换器8，执行单字节指令的频率为25MHZ，内部包括了32K的程序存储器。在本实施方案中，单片机3承担着3个部分的工作，第1部分的工作是外部恒温槽1的恒温，由数字式温度传感器6，单片机3，外恒温槽加热晶体管11完成，数字式温度传感器6选用了型号为ADT7310的芯片，具有16位温度转换分辨率，及SPI的接口，方便连接和编程。第2部分工作是内部恒温槽2的恒温，由单片机3，铂电阻9，放大调理及A/D转换电路5完成，在本实施例中使用了单片机3内部自带的A/D转换器，合理的设置放大调理电路可以使温度传感器在频温曲线0导数点对应温度附近呈现很高的分辨率，可对内恒温槽2进行精确控温。第3部分工作为频温曲线的修正，由单片机3，D/A转换器8，滤波器15，变容二级管14，以及与第2部分共用的温度传感器部分即铂电阻9，放大调理和A/D转换电路5。调整铂电阻9测温的电桥和放大器的增益可以使图3和4中21点对应的温度值转换为数字信号的0或稍大一点，而使图4中22点对应的温度值转换为数字信号的最大值或稍小一点，这样在频温曲线的21点至22点之间的温度差，在本实施例中为0.1℃，可以被分为1／４０００（１２位D/A）实现了超高的分辨率。
一种高精度石英晶体振荡器结构的实现方法，依次包括如下步骤：
一、找到频温曲线0导数点20对应的温度即为内恒温槽温度；
二、将上述温度降低0.8℃-2℃得到外恒温槽1的温度，然后降低所述频温曲线0导数点20的温度0.02℃-0.1℃即为21点对应温度；
三、调整所述微调电容12使振荡电路输出信号的频率等于石英晶体振荡器的标称频率；
四、升高内恒温槽温度0.003℃-0.01℃，通过所述单片机3使用试探法找寻一个修正数据，输入所述D/A转换器8，所述D/A转换器8的输出信号经过所述滤波器15加于所述变容二级管14的阴极使振荡电路输出信号的频率刚好等于振荡器的标称频率；
五、重复步骤四，直至其温度高于所述频温曲线0导数点20的温度0.02℃-0.1℃，即为频温曲线的22点所对应的温度；由此找到一组石英晶体振荡器的修正数据。
六、将所述一组石英晶体振荡器的修正数据固化于所述单片机3中，振荡器上电后内外恒温槽自动恒温，当内恒温槽温度进入0导数点20的温度±0.02℃-0.1℃区间后单片机测得当下的温度，依所述温度利用所述一组石英晶体振荡器的修正数据进行插值运算得到所述温度下的修正数据，将此数据送入所述D/A转换器8其输出信号最终加于变容二级管14将所述石英晶体振荡器的振荡频率修正到标称值。
一种高精度石英晶体振荡器结构的实现方法，依次包括如下步骤：
一、找到频温曲线0导数点20对应的温度即为内恒温槽温度，将上述温度降低0.8℃-2℃得到外恒温槽1温度；
二、调整所述微调电容12使振荡电路输出信号的频率等于石英晶体振荡器的标称频率，降低所述频温曲线0导数点20的温度0.02℃-0.1℃即为23点对应温度；
三、通过所述单片机3使用试探法找寻一个修正数据，输入所述D/A转换器8，所述D/A转换器8的输出信号经过所述滤波器15加于所述变容二级管14的阴极使振荡电路输出信号的频率刚好等于振荡器的标称频率；
四、升高内恒温槽温度0.003℃-0.01℃，重复步骤三，直至其温度高于所述频温曲线0导数点20的温度0.02℃-0.1℃，即为频温曲线的24点所对应的温度；由此找到所述一组石英晶体振荡器的修正数据；
五、将所述一组石英晶体振荡器的修正数据固化于所述单片机3中，振荡器上电后内外恒温槽自动恒温，当内恒温槽温度进入0导数点20的温度±0.02℃-0.1℃区间后单片机测得当下的温度，依所述温度利用所述一组石英晶体振荡器的修正数据进行插值运算得到所述温度下的一个修正数据，将此数据送入所述D/A转换器8其输出信号最终加于变容二级管14将所述石英晶体振荡器的振荡频率修正到标称值。
所述外恒温槽1温度为所述频温曲线0导数点20的温度降低1℃。
所述频温曲线的21点温度为所述频温曲线0导数点20的温度降低0.05℃；所述频温曲线的23点温度为所述频温曲线0导数点20的温度降低0.05℃。
所述升高内恒温槽2温度每次为0.005℃。
所述频温曲线的22点所对应的温度为高于所述频温曲线0导数20点0.05℃；所述频温曲线的24点所对应的温度为高于所述频温曲线0导数20点0.05℃。
更进一步详细说明如下：
1）调试过程的第一步是找到频温曲线０导数点对应的温度，第二步频温曲线０导数点对应的温度为中心的０.１℃范围内通过试验找出一组修正频温曲线的数据，可用插值算法求出任意温度数值下的修正数据。因而使用本发明方案的恒温晶振只要内恒温槽的温度落入频温曲线０导数点对应的温度±０.０５℃内修正部分就可以将漂移的振荡频率拉回到标称值，即可将内恒温槽的温度控制在０.１℃。
使用时，正常工作时所述内恒温槽温度进入晶体频温曲线21点至22点对应温度区间后，所述单片机3通过查表或差值运算得到温度修正数据，将所述温度修正数据送入所述D/A转换器8产生修正电压，所述修正电压通过所述滤波器15施加于所述变容二级管14的阴极，将震荡器输出频率拉回到标称值。本发明方案制作出的恒温晶振频率稳定度可达８×10－１０。
2）调试过程的第一步是找到频温曲线０导数点对应的温度，第二步频温曲线０导数点对应的温度为中心的０.１℃范围内通过试验找出一组修正频温曲线的数据，可用插值算法求出任意温度数值下的修正数据。因而使用本发明方案的恒温晶振只要内恒温槽的温度落入频温曲线０导数点对应的温度±０.０５℃内修正部分就可以将漂移的振荡频率拉回到标称值，即可将内恒温槽的温度控制在０.１℃。
使用时，正常工作时所述内恒温槽温度进入晶体频温曲线23点至24点对应温度区间后，所述单片机3通过查表或差值运算得到温度修正数据，将所述温度修正数据送入所述D/A转换器8产生修正电压，所述修正电压通过所述滤波器15施加于所述变容二级管14的阴极，将震荡器输出频率拉回到标称值。本发明方案制作出的恒温晶振频率稳定度可达８×10－１０。
本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种高精度石英晶体振荡器结构，包括外恒温槽（1）和内恒温槽（2）以及电子电路结构；所述电子电路结构包括单片机（3）；所述单片机（3）分别连接有放大调理及A/D转换电路（5）、数字式温度传感器（6）、限流电阻（7）和D/A转换器（8）；所述放大调理及A/D转换电路（5）上连接有铂电阻（9）；所述限流电阻（7）上分别连接有内恒温槽加热晶体管（10）和外恒温槽加热晶体管（11）；所述内恒温槽（2）内设置有石英晶体谐振器（4），所述石英晶体谐振器（4）包括微调电容（12）和放大器和电子元件（13）共同组成石英晶体振荡器；其特征在于：所述石英晶体谐振器（4）上串联有变容二级管（14），所述变容二级管（14）阳极另一端连接于所述放大器和电子元件（13）上；所述D/A转换器（8）输出经由滤波器（15）连接于所述变容二级管（14）的阴极；所述内恒温槽（2）的空腔中填充有铝合金体（16）；所述石英晶体谐振器（4）镶嵌于铝合金体（16）中，所述铂电阻（9）镶嵌于所述铝合金体（16）中，所述内恒温槽加热晶体管（10）设置于所述铝合金体（16）上表面。
2.如权利要求1所述的一种高精度石英晶体振荡器结构，其特征在于：所述外恒温槽（1）和内恒温槽（2）之间填充有发泡聚氨酯（17）。
3.一种高精度石英晶体振荡器结构的实现方法，其特征在于：依次包括如下步骤：
一、找到频温曲线0导数点20对应的温度即为内恒温槽温度；
二、将上述温度降低0.8℃-2℃得到外恒温槽（1）的温度，然后降低所述频温曲线0导数点20的温度0.02℃-0.1℃即为21点对应温度；
三、调整所述微调电容（12）使振荡电路输出信号的频率等于石英晶体振荡器的标称频率；
四、升高内恒温槽温度0.003℃-0.01℃，通过所述单片机（3）使用试探法找寻一个修正数据，输入所述D/A转换器（8），所述D/A转换器（8）的输出信号经过所述滤波器（15）加于所述变容二级管（14）的阴极使振荡电路输出信号的频率刚好等于振荡器的标称频率；
五、重复步骤四，直至其温度高于所述频温曲线0导数点20的温度0.02℃-0.1℃，即为频温曲线的22点所对应的温度；由此找到一组石英晶体振荡器的修正数据；
六、将所述一组石英晶体振荡器的修正数据固化于所述单片机（3）中，振荡器上电后内外恒温槽自动恒温，当内恒温槽温度进入0导数点20的温度±0.02℃-0.1℃区间后单片机测得当下的温度，依所述温度利用所述一组石英晶体振荡器的修正数据进行插值运算得到所述温度下的修正数据，将此数据送入所述D/A转换器（8）其输出信号最终加于变容二级管（14）将所述石英晶体振荡器的振荡频率修正到标称值。
4.一种高精度石英晶体振荡器结构的实现方法，其特征在于：依次包括如下步骤：
一、找到频温曲线0导数点20对应的温度即为内恒温槽温度，将上述温度降低0.8℃-2℃得到外恒温槽（1）温度；
二、调整所述微调电容（12）使振荡电路输出信号的频率等于石英晶体振荡器的标称频率，降低所述频温曲线0导数点20的温度0.02℃-0.1℃即为23点对应温度；
三、通过所述单片机（3）使用试探法找寻一个修正数据，输入所述D/A转换器（8），所述D/A转换器（8）的输出信号经过所述滤波器（15）加于所述变容二级管（14）的阴极使振荡电路输出信号的频率刚好等于振荡器的标称频率；
四、升高内恒温槽温度0.003℃-0.01℃，重复步骤三，直至其温度高于所述频温曲线0导数点20的温度0.02℃-0.1℃，即为频温曲线的24点所对应的温度；由此找到所述一组石英晶体振荡器的修正数据；
五、将所述一组石英晶体振荡器的修正数据固化于所述单片机（3）中，振荡器上电后内外恒温槽自动恒温，当内恒温槽温度进入0导数点20的温度±0.02℃-0.1℃区间后单片机测得当下的温度，依所述温度利用所述一组石英晶体振荡器的修正数据进行插值运算得到所述温度下的一个修正数据，将此数据送入所述D/A转换器（8）其输出信号最终加于变容二级管（14）将所述石英晶体振荡器的振荡频率修正到标称值。
5.如权利要求3或4所述的一种高精度石英晶体振荡器结构的实现方法，其特征在于：所述外恒温槽（1）温度为所述频温曲线0导数点20的温度降低1℃。
6.如权利要求5所述的一种高精度石英晶体振荡器结构的实现方法，其特征在于：所述频温曲线的21点温度为所述频温曲线0导数点20的温度降低0.05℃；所述频温曲线的23点温度为所述频温曲线0导数点20的温度降低0.05℃。
7.如权利要求6所述的一种高精度石英晶体振荡器结构的实现方法，其特征在于：所述升高内恒温槽（2）温度每次为0.005℃。
8.如权利要求7所述的一种高精度石英晶体振荡器结构的实现方法，其特征在于：所述频温曲线的22点所对应的温度为高于所述频温曲线0导数20点0.05℃；所述频温曲线的24点所对应的温度为高于所述频温曲线0导数20点0.05℃。
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