CN108873977A - 基于芯片原子钟的微型低功耗主动数字温控装置及方法 - Google Patents
基于芯片原子钟的微型低功耗主动数字温控装置及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108873977A CN108873977A CN201810724126.1A CN201810724126A CN108873977A CN 108873977 A CN108873977 A CN 108873977A CN 201810724126 A CN201810724126 A CN 201810724126A CN 108873977 A CN108873977 A CN 108873977A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- thermistor
- temperature control
- atomic clock
- temperature
- chip microcomputer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 16
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 32
- 230000003750 conditioning effect Effects 0.000 claims abstract description 16
- 101100100146 Candida albicans NTC1 gene Proteins 0.000 claims description 19
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 12
- 238000002955 isolation Methods 0.000 claims description 10
- 101100162020 Mesorhizobium japonicum (strain LMG 29417 / CECT 9101 / MAFF 303099) adc3 gene Proteins 0.000 claims description 7
- 101100434411 Saccharomyces cerevisiae (strain ATCC 204508 / S288c) ADH1 gene Proteins 0.000 claims description 7
- 101150102866 adc1 gene Proteins 0.000 claims description 7
- 101150042711 adc2 gene Proteins 0.000 claims description 7
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 6
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 5
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims description 5
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 4
- 238000005538 encapsulation Methods 0.000 claims description 4
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 4
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 3
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 abstract description 5
- 238000004088 simulation Methods 0.000 abstract description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 6
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 description 5
- 239000004964 aerogel Substances 0.000 description 4
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 239000012774 insulation material Substances 0.000 description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 3
- SVONRAPFKPVNKG-UHFFFAOYSA-N 2-ethoxyethyl acetate Chemical compound CCOCCOC(C)=O SVONRAPFKPVNKG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 2
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N indium;oxotin Chemical compound [In].[Sn]=O AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- MRNHPUHPBOKKQT-UHFFFAOYSA-N indium;tin;hydrate Chemical compound O.[In].[Sn] MRNHPUHPBOKKQT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
- G05D23/00—Control of temperature
- G05D23/19—Control of temperature characterised by the use of electric means
- G05D23/20—Control of temperature characterised by the use of electric means with sensing elements having variation of electric or magnetic properties with change of temperature
- G05D23/24—Control of temperature characterised by the use of electric means with sensing elements having variation of electric or magnetic properties with change of temperature the sensing element having a resistance varying with temperature, e.g. a thermistor
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)
Abstract
本发明提供了一种基于芯片原子钟的微型低功耗主动数字温控装置，包括温度控制模块，温度控制模块与温度采集模块和恒温模块连接，温度控制模块采用PIC单片机，温度采集模块包括一组热敏电阻，通过信号调理电路接入PIC单片机的模/数转换器ADC，恒温模块包括TEC和ITO加热膜，TEC和ITO加热膜通过驱动电路与PIC单片机的数/模转换器以及PWM连接，该装置体积小、功耗低，能够改善目前模拟电路结构复杂、精度低、可控性差、稳定性差的现状，解决FPGA电路体积大、功耗高、调整不方便的问题。本发明同时提供了一种主动温控方法，采用主动性温控，实现PID算法自动主动温控，响应快速、精度高。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于芯片原子钟的微型低功耗主动数字温控装置及方法，适用于高集成度、高性能的芯片级原子钟，属于原子钟技术领域。
背景技术
原子钟是一种利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波来计时的精密时间计量仪器，广泛应用于定位、导航、通信、军事等多个领域。由于这种电磁波非常稳定，再加上利用一系列精密的仪器进行控制，原子钟的计时就可以非常准确，精度可以达到每2000万年误差1秒，这为天文、航海、宇宙航行提供了强有力的保障。
其中，芯片原子钟(Chip Scale Atomic Clock，CSAC)由于体积小、重量轻、功率消耗小等优点，在便携式低能耗的守时定时和导航领域内具有广泛的应用前景。目前国外CSAC技术研制出的芯片原子钟的频率稳定度基本满足了应用需求，但体积和功耗上仍然离设定的目标值相差一个数量级。国内的芯片原子钟研究起步较晚，技术不成熟，解决稳定度、功耗和体积等方面的技术瓶颈迫在眉睫。
在稳定度方面，芯片原子钟的VCSEL(Vertical Cavity Surface EmittingLaser，垂直共振腔表面放射激光器)和原子气室部分的温度会对原子钟的稳定产生很大的影响。当VCSEL的温度波动较大时，出射光频在一个比较大的范围内波动，使VCSEL的光频锁定环路无法对其进行锁定。另外，原子气室也需要工作在一个稳定的温度，才能产生良好的CPT(相干布局囚禁Coherent Population Trapping，CPT)现象。所以，温度的稳定性对于提高系统的稳定度将起到很大的作用。在功耗方面，原子气室需工作在80℃～100℃，由于目标工作温度较高，能量传递损耗等因素，温控部分的功耗较高，降低温控装置的功耗对于降低原子钟的总功耗将会起到至关重要的作用。在体积方面，芯片原子钟目前已达到16cm3～20cm3，对于尺寸要求苛刻的便携式设备来说，体积问题严重限制了芯片原子钟的应用。
传统的温控电路多采用模拟电路实现，利用桥式电路检测热敏电阻与预置电阻的差值，该差值经运算放大及PID(比例(proportion)、积分(integral)、微分(derivative))电路处理后调节TEC(Thermo Electric Cooler，半导体制冷器)的加热制冷电流。在设计中预置电阻等电路元件的精度会对整个系统造成误差。另外，模拟PID电路调试比较复杂，不利于电路的开发。传统模拟温控电路在对温度进行控制时存在调试复杂、功耗高、精度低及可控性差等缺点，目前温控的为控芯片有51系列、ARM系列单片机或FPGA等，这几类为控芯片体积较大、功耗较高、精度较低。
另外一种采用基于FPGA(Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)的CPT原子钟数字温控方案。此方案多采用FPGA与ADC(模/数转换器)及DAC(数/模转换器)的组合。FPGA通过ADC采集热敏电阻的电压信号，由DAC输出控制信号，对金属加热丝的功率进行控制，并对原子钟系统进行真空密封保温。但真空保温大大增加了系统体积，且不方便调整，因此此方案具有体积大、功耗高、加热不均匀及调整不方便等缺点。
除此之外的现有方案也都为被动型温控，仅根据VCSEL和原子气室的温度变化进行温度纠正，使之在小范围内变化，稳定性较差。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种基于芯片原子钟的微型低功耗主动数字温控装置，体积小、功耗低，能够改善目前模拟电路结构复杂、精度低、可控性差、稳定性差的现状，解决FPGA电路体积大、功耗高、调整不方便的问题。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种基于芯片原子钟的微型低功耗主动数字温控装置，包括温度控制模块，所述温度控制模块与温度采集模块和恒温模块连接，所述温度控制模块采用PIC单片机，所述温度采集模块包括用于采集芯片原子钟的VCSEL的温度信号的热敏电阻NTC1和热敏电阻NTC2、用于采集芯片原子钟的外壳温度信号的热敏电阻NTC3，以及用于采集芯片原子钟的原子气室温度信号的热敏电阻NTC4和热敏电阻NTC5，其中热敏电阻NTC1和热敏电阻NTC2与两个固定电阻构成双臂电桥后通过信号调理电路接入PIC单片机的模/数转换器ADC1，热敏电阻NTC3通过信号调理电路接入PIC单片机的模/数转换器ADC2，热敏电阻NTC4和热敏电阻NTC5与两个固定电阻构成双臂电桥后通过信号调理电路接入PIC单片机的模/数转换器ADC3；所述恒温模块包括TEC(ThermoElectric Cooler，半导体制冷器)和ITO(Indium Tin Oxide，氧化铟锡)加热膜，所述TEC和ITO加热膜通过驱动电路与PIC单片机的数/模转换器以及PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制器)连接。
所述信号调理电路包括3个运算放大器，由热敏电阻NTC1和热敏电阻NTC2构成的双臂电桥、热敏电阻NTC3以及由热敏电阻NTC4和热敏电阻NTC5构成的双臂电桥分别通过一个运算放大器接入模/数转换器ADC1、模/数转换器ADC2和模/数转换器ADC3。
所述TEC通过NPN型三极管与PIC单片机的数/模转换器连接，其中NPN型三极管的基极与PIC单片机的数/模转换器连接，NPN型三极管的集电极与TEC连接，NPN型三极管的发射极接地。
所述ITO通过MOS管与PIC单片机的PWM连接，其中ITO与一个电容和一个二极管组成并联电路，该并联电路的一端与MOS管连接，另一端接电源。
所述PIC单片机采用MSOP-8封装的微控制器。
所述双臂电桥中的固定的电阻为低温漂电阻。
所述TEC底部设置有散热片。
所述ITO加热膜外由隔热膜包裹。
本发明同时提供了一种基于上述装置的芯片原子钟主动温控方法，包括以下步骤：
(1)初始化：设置目标温度；
(2)PIC单片机分别通过热敏电阻NTC1、热敏电阻NTC2、热敏电阻NTC3、热敏电阻NTC4和热敏电阻NTC5进行ADC采样，获得VCSEL的温度信号、芯片原子钟的外壳温度信号和芯片原子钟的原子气室温度信号；
(3)PIC单片机对VCSEL的温度信号、芯片原子钟的外壳温度信号和芯片原子钟的原子气室温度信号进行卡尔曼算法滤波；
(4)PIC单片机对滤波后的VCSEL的温度信号、芯片原子钟的外壳温度信号和芯片原子钟的原子气室温度信号进行PID算法计算，并根据设置的目标温度调节PIC单片机的数/模转换器以及PWM的输出大小，以控制TEC和ITO加热膜进行温度调节，返回步骤(2)。
步骤(4)PIC单片机在进行PIC算法计算之前再次检测设置目标温度。
本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于：
(1)本发明提供的一种基于芯片原子钟的微型低功耗主动数字温控装置精度高、稳定性好，采用双臂电桥对VCSEL和原子气室分别进行温度采集，提高了灵敏度；TEC和ITO加热膜接入PIC单片机的DAC和PWM，其中TEC用于VCSEL制冷，ITO用于原子气室加热，能够实现通过PWM方波控制MOS管的开关，从而精确调节温度；利用热敏电阻采集原子钟外壳的温度，对VCSEL和原子气室的温度采集进行温度补偿，并预测环境温度对VCSEL和原子气室的影响，同步调节加热制冷功率以抵消环境变化的影响，实现PID算法自动主动温控，比被动型温控实时性更好，稳定性更高；本发明利用热敏电阻灵敏度高、响应快的特点，快速测得外壳的温度，并将它反应给PIC单片机，而外界环境对VCSEL和原子气室的温度影响过程比NTC慢，所以PIC单片机可以对其进行预测并进行抵消，实现主动温控。以热敏电阻NTC1和热敏电阻NTC2构成的双臂电桥为例，双臂电桥上的固定电阻采用低温度系数的精密电阻，能够降低电桥电阻引入的误差并降低热噪声，运放采用高精度、低功耗单电源供电运算放大器芯片，运放采用单电源供电，简化了电路，并且可以对ADC起到限幅保护的作用
(2)本发明提供的一种基于芯片原子钟的微型低功耗主动数字温控装置集成度高、功耗低，使用微型低功耗的PIC单片机，其集成了ADC、脉宽调制方波模块(PWM)，具有集成度高、功耗低、执行效率高等优点，与现有技术方案相比，本发明可使用MSOP-8封装的微控制器，不再使用复杂的模拟电路和外置ADC、DAC等模块，减少了温控装置的体积，降低了功耗；保温材料采用比空气热导率更低的纳米气凝胶隔热膜，使其包裹高温部分，减小保温体积，有效地降低热量的损耗，降低加热的功耗；
(3)本发明提供的一种基于芯片原子钟的微型低功耗主动数字温控装置结构简便、电路简单，制冷装置与VCSEL采用分离式连接，可拆卸，使用更加方便，可用于不同频率的激光器；纳米气凝胶隔热膜包裹加热部分，操作简单，可拆卸，方便更换原子气室；运放采用单电源供电，避免了负电源模块的引入，简化了电路，从而实现装置的微小化；
(4)本发明同时提供的芯片原子钟主动温控方法，在上述微型低功耗主动数字温控装置的基础上实施，摒弃了传统的被动型温控，而采用主动性温控，利用外界环境对VCSEL和原子气室的温度影响过程慢及热敏电阻灵敏度高、响应快的特点，快速测得原子钟外壳的温度，预测环境温度对VCSEL和原子气室的影响，同步调节加热制冷功率以抵消环境变化的影响，实现PID算法自动主动温控，响应快速、精度高。
附图说明
图1是本发明提供的一种基于芯片原子钟的微型低功耗主动数字温控装置的电路结构示意图。
图2是温度采集模块中热敏电阻NTC1和热敏电阻NTC2的电路连接示意图。
图3是温度采集模块中热敏电阻NTC3的电路连接示意图。
图4是恒温模块中TEC的电路连接示意图。
图5是恒温模块中ITO的电路连接示意图。
图6是基于芯片原子钟的微型低功耗主动数字温控装置的结构示意图。
图7是本发明提供的一种基于芯片原子钟的微型低功耗主动数字温控装置的工作原理示意图。
其中，1-散热片，2-TEC，3-第一热敏电阻，4-第二热敏电阻，5-VCSEL，6-通光孔，7-原子钟外壳，8-电路板，9-第三热敏电阻，10-隔热膜，11-ITO加热膜，12-第四热敏电阻，13-第五热敏电阻，14-原子气室。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明提供了一种基于芯片原子钟的微型低功耗主动数字温控装置，参照图1和图7，包括温度控制模块，所述温度控制模块与温度采集模块和恒温模块连接，所述温度控制模块采用PIC单片机，所述温度采集模块包括用于采集芯片原子钟的VCSEL的温度信号的热敏电阻NTC1和热敏电阻NTC2、用于采集芯片原子钟的外壳温度信号的热敏电阻NTC3，以及用于采集芯片原子钟的原子气室温度信号的热敏电阻NTC4和热敏电阻NTC5，其中热敏电阻NTC1和热敏电阻NTC2与两个固定电阻构成双臂电桥后通过信号调理电路接入PIC单片机的模/数转换器ADC1，热敏电阻NTC3通过信号调理电路接入PIC单片机的模/数转换器ADC2，热敏电阻NTC4和热敏电阻NTC5与两个固定电阻构成双臂电桥后通过信号调理电路接入PIC单片机的模/数转换器ADC3。
所述信号调理电路包括3个运算放大器，由热敏电阻NTC1和热敏电阻NTC2构成的双臂电桥、热敏电阻NTC3以及由热敏电阻NTC4和热敏电阻NTC5构成的双臂电桥分别通过一个运算放大器接入模/数转换器ADC1、模/数转换器ADC2和模/数转换器ADC3。
图2为热敏电阻NTC1和热敏电阻NTC2的电路连接，热敏电阻NTC1、热敏电阻NTC2、电阻R1和R2构成双臂电桥，双臂电桥的两个等电位分别与电阻R3和电阻R4连接，电阻R3与运放OP1的同相输入端连接，电阻R4与运放OP1的反相输入端连接，运放OP1的同相输入端还分别通过电容C1和电阻R5接地，电阻R4通过电容C2接地，运放OP1的反相输入端通过电阻R6与PIC单片机的模/数转换器ADC1连接。热敏电阻NTC4和热敏电阻NTC5以相同方式接入PIC单片机的模/数转换器ADC3。
图3为热敏电阻NTC3的电路，热敏电阻NTC3的一端接地，另一端通过电阻R7接电源，并通过R8与运放OP2的同相输入端连接，运放OP2的同相输入端分别通过电容C3和电阻R9接地，运放OP2的反相输入端通过电阻R10接地，并通过电阻R11接入PIC单片机的模/数转换器ADC2。
热敏电阻NTC1和热敏电阻NTC2构成的双臂电桥用于采集VCSEL的温度信号，增大对温度的灵敏度，信号调理电路对电桥的差分信号进行滤波放大，然后将信号输送至单片机的ADC进行信号采集。NTC4和NTC5也同样构成双臂电桥采集原子气室的温度信号。NTC3采集原子钟外壳的温度，可实现对VCSEL和原子气室的温度检测进行温度补偿，并通过PID算法预测环境对VCSEL和原子气室的影响，调节加热制冷功率，同步抵消环境温度变化的影响，保证温度的稳定。利用热敏电阻灵敏度高、响应快的特点，快速测得外壳的温度，并将它反应给PIC单片机，而外界环境对VCSEL和原子气室的温度影响过程比NTC慢，所以PIC单片机可以对其进行预测并进行抵消，实现主动温控。以热敏电阻NTC1和热敏电阻NTC2构成的双臂电桥为例，双臂电桥上的固定电阻R1和R2采用低温度系数的精密电阻，以降低电桥电阻引入的误差并降低热噪声。运放采用高精度、低功耗单电源供电运算放大器芯片。运放采用单电源供电，简化了电路，并且可以对ADC起到限幅保护的作用。
所述热敏电阻通过信号调理电路接入PIC单片机的模数控制器，所述恒温模块包括TEC和ITO加热膜，所述TEC和ITO加热膜通过驱动电路与PIC单片机的DAC以及PWM连接。
参照图4，所述TEC通过NPN型三极管与PIC单片机的数/模转换器连接，其中NPN型三极管的基极与PIC单片机的数/模转换器连接，NPN型三极管的集电极与TEC连接，NPN型三极管的发射极接地。TEC的驱动电路简单，体积小。
参照图5，所述ITO通过MOS管与PIC单片机的PWM连接，其中ITO与一个电容和一个二极管组成并联电路，该并联电路的一端与MOS管连接，另一端接电源。其中MOS管Q2采用电压驱动，导通电阻小，降低了控制电路的损耗。恒温模块采用ITO加热膜，透光性高、升温快、产热均匀、加热面积大、引入磁场小，保证了原子气室的温度均匀、稳定。MOS管的通断可以精确地控制ITO的加热功率，使原子气室准确地稳定在合适的温度。保温材料隔热膜采用的纳米气凝胶隔热膜具有热导率低、体积小、操作方便等特点。在保证光路导通的基础上对粘贴了加热膜的原子气室进行包裹保温，减小热量散失，降低功耗。
所述PIC单片机采用MSOP-8封装的微控制器，为8个引脚的超小型MSOP-8封装单片机，功耗小，只有30μA/MHz，摒弃了复杂的模拟电路和外置ADC、DAC等模块，减少了温控装置的体积，降低了功耗；保温材料采用比空气热导率更低的纳米气凝胶隔热膜，使其包裹高温部分，减小保温体积，有效地降低热量的损耗，降低加热的功耗。
图6是本发明采用上述电路的微型低功耗主动数字温控装置的具体结构示意图。散热片1安置在原子钟外壳7内部的底层，紧贴着散热片放置TEC2，再上面放置VCSEL5，将三者的中心对齐用支架固定起来即可，VCSEL5的两侧分别放置第一热敏电阻3(即热敏电阻NTC1)和第二热敏电阻4(即热敏电阻NTC2)，原子钟外壳内壁放置第三热敏电阻9(即NTC3)和电路板8，电路板8集成有由PIC单片机、信号调理电路和驱动电路组成的整体控制电路，第四热敏电阻12(即热敏电阻NTC4)和第五热敏电阻13(即热敏电阻NTC5)用隔热膜10将原子气室14和ITO加热膜11包裹，并将隔热膜10的前后掏出两个通光孔6，允许光路的通过。这些物理结构与电路是分开的，与电路的相对位置没有确切的要求，其中TEC和ITO加热膜可分别用导线引出，与DAC和ITO控制电路连接进行控制。
本发明提供的一种基于芯片原子钟的微型低功耗主动数字温控装置的工作原理如图7所示，利用PIC单片机的ADC对信号采样，然后进行卡尔曼算法滤波及PID算法计算，根据设定的温度调节DAC的大小、PWM方波的占空比，精准控制三极管的电流大小和MOS管的通断时间。
本发明同时提供了一种基于上述装置的芯片原子钟主动温控方法，包括以下步骤：
(1)初始化：设置目标温度；
(2)PIC单片机分别通过热敏电阻NTC1、热敏电阻NTC2、热敏电阻NTC3、热敏电阻NTC4和热敏电阻NTC5进行ADC采样，获得VCSEL的温度信号、芯片原子钟的外壳温度信号和芯片原子钟的原子气室温度信号；
(3)PIC单片机对VCSEL的温度信号、芯片原子钟的外壳温度信号和芯片原子钟的原子气室温度信号进行卡尔曼算法滤波；
(4)PIC单片机对滤波后的VCSEL的温度信号、芯片原子钟的外壳温度信号和芯片原子钟的原子气室温度信号进行PID算法计算，并根据设置的目标温度调节PIC单片机的数/模转换器以及PWM的输出大小，以控制TEC和ITO加热膜进行温度调节，返回步骤(2)。
步骤(4)PIC单片机在进行PIC算法计算之前再次检测设置目标温度。
本发明提供的一种基于芯片原子钟的微型低功耗主动数字温控装置体积小、功耗低，能够改善目前模拟电路结构复杂、精度低、可控性差、稳定性差的现状，解决FPGA电路体积大、功耗高、调整不方便的问题，本发明同时提供的芯片原子钟主动温控方法，摒弃了传统的被动型温控，而采用主动性温控，利用外界环境对VCSEL和原子气室的温度影响过程慢及热敏电阻灵敏度高、响应快的特点，快速测得原子钟外壳的温度，预测环境温度对VCSEL和原子气室的影响，同步调节加热制冷功率以抵消环境变化的影响，实现PID算法自动主动温控，响应快速、精度高。
Claims (10)
1.一种基于芯片原子钟的微型低功耗主动数字温控装置，包括温度控制模块，其特征在于：所述温度控制模块与温度采集模块和恒温模块连接，所述温度控制模块采用PIC单片机，所述温度采集模块包括用于采集芯片原子钟的VCSEL的温度信号的热敏电阻NTC1和热敏电阻NTC2、用于采集芯片原子钟的外壳温度信号的热敏电阻NTC3，以及用于采集芯片原子钟的原子气室温度信号的热敏电阻NTC4和热敏电阻NTC5，其中热敏电阻NTC1和热敏电阻NTC2与两个固定电阻构成双臂电桥后通过信号调理电路接入PIC单片机的模/数转换器ADC1，热敏电阻NTC3通过信号调理电路接入PIC单片机的模/数转换器ADC2，热敏电阻NTC4和热敏电阻NTC5与两个固定电阻构成双臂电桥后通过信号调理电路接入PIC单片机的模/数转换器ADC3；所述恒温模块包括TEC和ITO加热膜，所述TEC和ITO加热膜通过驱动电路与PIC单片机的数/模转换器以及PWM连接。
2.根据权利要求1所述的基于芯片原子钟的微型低功耗主动数字温控装置，其特征在于：所述信号调理电路包括3个运算放大器，由热敏电阻NTC1和热敏电阻NTC2构成的双臂电桥、热敏电阻NTC3以及由热敏电阻NTC4和热敏电阻NTC5构成的双臂电桥分别通过一个运算放大器接入模/数转换器ADC1、模/数转换器ADC2和模/数转换器ADC3。
3.根据权利要求1所述的基于芯片原子钟的微型低功耗主动数字温控装置，其特征在于：所述TEC通过NPN型三极管与PIC单片机的数/模转换器连接，其中NPN型三极管的基极与PIC单片机的数/模转换器连接，NPN型三极管的集电极与TEC连接，NPN型三极管的发射极接地。
4.根据权利要求1所述的基于芯片原子钟的微型低功耗主动数字温控装置，其特征在于：所述ITO通过MOS管与PIC单片机的PWM连接，其中ITO与一个电容和一个二极管组成并联电路，该并联电路的一端与MOS管连接，另一端接电源。
5.根据权利要求1所述的基于芯片原子钟的微型低功耗主动数字温控装置，其特征在于：所述PIC单片机采用MSOP-8封装的微控制器。
6.根据权利要求1所述的基于芯片原子钟的微型低功耗主动数字温控装置，其特征在于：所述双臂电桥中的固定的电阻为低温漂电阻。
7.根据权利要求1所述的基于芯片原子钟的微型低功耗主动数字温控装置，其特征在于：所述TEC底部设置有散热片。
8.根据权利要求1所述的基于芯片原子钟的微型低功耗主动数字温控装置，其特征在于：所述ITO加热膜外由隔热膜包裹。
9.一种基于权利要求1所述装置的芯片原子钟主动温控方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)初始化：设置目标温度；
(2)PIC单片机分别通过热敏电阻NTC1、热敏电阻NTC2、热敏电阻NTC3、热敏电阻NTC4和热敏电阻NTC5进行ADC采样，获得VCSEL的温度信号、芯片原子钟的外壳温度信号和芯片原子钟的原子气室温度信号；
(3)PIC单片机对VCSEL的温度信号、芯片原子钟的外壳温度信号和芯片原子钟的原子气室温度信号进行卡尔曼算法滤波；
(4)PIC单片机对滤波后的VCSEL的温度信号、芯片原子钟的外壳温度信号和芯片原子钟的原子气室温度信号进行PID算法计算，并根据设置的目标温度调节PIC单片机的数/模转换器以及PWM的输出大小，以控制TEC和ITO加热膜进行温度调节，返回步骤(2)。
10.根据权利要求9所述的芯片原子钟主动温控方法，其特征在于：步骤(4)PIC单片机在进行PIC算法计算之前再次检测设置目标温度。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810724126.1A CN108873977B (zh) | 2018-07-04 | 2018-07-04 | 基于芯片原子钟的微型低功耗主动数字温控装置及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810724126.1A CN108873977B (zh) | 2018-07-04 | 2018-07-04 | 基于芯片原子钟的微型低功耗主动数字温控装置及方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN108873977A true CN108873977A (zh) | 2018-11-23 |
| CN108873977B CN108873977B (zh) | 2021-04-27 |
Family
ID=64298637
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201810724126.1A Expired - Fee Related CN108873977B (zh) | 2018-07-04 | 2018-07-04 | 基于芯片原子钟的微型低功耗主动数字温控装置及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN108873977B (zh) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110377079A (zh) * | 2019-08-15 | 2019-10-25 | 成都航空职业技术学院 | 一种基于热膜的ic芯片温度补偿装置及方法 |
| CN110673670A (zh) * | 2019-09-12 | 2020-01-10 | 北京自动化控制设备研究所 | 原子气室温度闭环控制方法及装置 |
| CN113064339A (zh) * | 2021-03-05 | 2021-07-02 | 温州激光与光电子协同创新中心 | 基于卡尔曼滤波最优状态估计的高稳定原子钟及实现方法 |
| CN113110633A (zh) * | 2021-03-25 | 2021-07-13 | 北京航空航天大学 | 一种基于分布式精准测控的原子气室无磁高精度电加热系统 |
| CN113176725A (zh) * | 2021-03-05 | 2021-07-27 | 北京大学 | 基于卡尔曼滤波和/或dfb的激光芯片原子钟及实现方法 |
| CN114020071A (zh) * | 2021-11-10 | 2022-02-08 | 经纬恒润(天津)研究开发有限公司 | 恒温系统及恒温控制方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5656189A (en) * | 1994-12-02 | 1997-08-12 | Efratom Time And Frequency Products, Inc. | Heater controller for atomic frequency standards |
| CN102799102A (zh) * | 2012-07-03 | 2012-11-28 | 华中科技大学 | 一种被动型cpt原子钟的温控参数自整定方法及装置 |
| CN103034260A (zh) * | 2012-11-30 | 2013-04-10 | 江汉大学 | 一种测量腔泡系统控温因子的装置及方法 |
| CN204390066U (zh) * | 2015-01-20 | 2015-06-10 | 中国科学院云南天文台 | 一种原子钟用恒温钟房系统 |
| CN106325049A (zh) * | 2016-11-08 | 2017-01-11 | 中北大学 | 端面耦合纳米光波导双光路芯片级原子钟 |
-
2018
- 2018-07-04 CN CN201810724126.1A patent/CN108873977B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5656189A (en) * | 1994-12-02 | 1997-08-12 | Efratom Time And Frequency Products, Inc. | Heater controller for atomic frequency standards |
| CN102799102A (zh) * | 2012-07-03 | 2012-11-28 | 华中科技大学 | 一种被动型cpt原子钟的温控参数自整定方法及装置 |
| CN103034260A (zh) * | 2012-11-30 | 2013-04-10 | 江汉大学 | 一种测量腔泡系统控温因子的装置及方法 |
| CN204390066U (zh) * | 2015-01-20 | 2015-06-10 | 中国科学院云南天文台 | 一种原子钟用恒温钟房系统 |
| CN106325049A (zh) * | 2016-11-08 | 2017-01-11 | 中北大学 | 端面耦合纳米光波导双光路芯片级原子钟 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 刘长川: "氨原子钟谐振腔超高稳定温度控制系统", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库》 * |
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110377079A (zh) * | 2019-08-15 | 2019-10-25 | 成都航空职业技术学院 | 一种基于热膜的ic芯片温度补偿装置及方法 |
| CN110377079B (zh) * | 2019-08-15 | 2024-06-04 | 成都航空职业技术学院 | 一种基于热膜的ic芯片温度补偿装置及方法 |
| CN110673670A (zh) * | 2019-09-12 | 2020-01-10 | 北京自动化控制设备研究所 | 原子气室温度闭环控制方法及装置 |
| CN110673670B (zh) * | 2019-09-12 | 2020-12-04 | 北京自动化控制设备研究所 | 原子气室温度闭环控制方法及装置 |
| CN113064339A (zh) * | 2021-03-05 | 2021-07-02 | 温州激光与光电子协同创新中心 | 基于卡尔曼滤波最优状态估计的高稳定原子钟及实现方法 |
| CN113176725A (zh) * | 2021-03-05 | 2021-07-27 | 北京大学 | 基于卡尔曼滤波和/或dfb的激光芯片原子钟及实现方法 |
| CN113064339B (zh) * | 2021-03-05 | 2022-03-18 | 温州激光与光电子协同创新中心 | 基于卡尔曼滤波最优状态估计的高稳定原子钟及实现方法 |
| CN113176725B (zh) * | 2021-03-05 | 2023-01-24 | 北京大学 | 基于卡尔曼滤波和/或dfb的激光芯片原子钟及实现方法 |
| CN113110633A (zh) * | 2021-03-25 | 2021-07-13 | 北京航空航天大学 | 一种基于分布式精准测控的原子气室无磁高精度电加热系统 |
| CN114020071A (zh) * | 2021-11-10 | 2022-02-08 | 经纬恒润(天津)研究开发有限公司 | 恒温系统及恒温控制方法 |
| CN114020071B (zh) * | 2021-11-10 | 2022-10-18 | 经纬恒润(天津)研究开发有限公司 | 恒温系统及恒温控制方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108873977B (zh) | 2021-04-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108873977A (zh) | 基于芯片原子钟的微型低功耗主动数字温控装置及方法 | |
| CN103412592B (zh) | 一种惯性测量系统三级温控系统 | |
| CN203950025U (zh) | 一种基于相干粒子数俘获效应的磁场测量装置 | |
| CN110148878A (zh) | 一种可调谐激光器的控制电路及控制方法 | |
| CN105467821B (zh) | 一种相干布居囚禁原子钟的物理系统 | |
| CN111637978A (zh) | 一种dfn封装的数字式红外温度传感器 | |
| CN109814631A (zh) | 基于tec的小型快速高精度恒温系统 | |
| CN107911095A (zh) | 恒温晶体振荡器 | |
| CN107317220B (zh) | 一种基于超稳定f-p腔的精密激光器稳频电源 | |
| CN202404464U (zh) | 一种温度测控器 | |
| CN109068414A (zh) | 面向微型原子气室的厚膜混合集成加热装置及制备方法 | |
| CN205581683U (zh) | 一种用于光学微球腔的高精度温控系统 | |
| CN202841053U (zh) | 一种智能补偿的晶体振荡器 | |
| CN212875743U (zh) | 一种新型高稳定频率源恒温装置 | |
| CN202712682U (zh) | 二级恒温控制半导体激光器 | |
| CN205665597U (zh) | 一种基于tec的半导体激光器温度控制系统 | |
| CN209949079U (zh) | 一种恒温晶体谐振器 | |
| CN204482054U (zh) | 智能控温加热器件 | |
| CN207504834U (zh) | 恒温晶体振荡器 | |
| CN203324474U (zh) | 一种宽温型精密激光测距仪 | |
| CN211612490U (zh) | 一种高稳定性、低噪音的恒温振荡器 | |
| CN109164508A (zh) | 恒温控制模块及微波闪烁仪 | |
| CN111092362A (zh) | 基于温度自感知柔性薄膜加热器的激光稳频方法与装置 | |
| CN201118527Y (zh) | 真空封装内热式高精密石英晶体振荡器装置 | |
| Zhu et al. | Design and Implementation of Micro Temperature Control System Based on PWM |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20210427 |