CN114114882B - 温控装置及原子钟 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种温控系统及原子钟，该温控系统包括：处理器、数模转换模块、温度设置模块、温度比较模块和加热模块；其中，所述处理器的输出端与所述数模转换模块的输入端连接；所述数模转换模块的输出端包括第一输出端和第二输出端；所述第一输出端与所述温度设置模块的输入端连接；所述第二输出端和所述加热模块的输入端连接；所述温度设置模块的输出端和所述加热模块的输出端均与所述温度比较模块的输入端连接；所述温度比较模块的输出端与所述处理器的输入端连接。由此，在实际温度与设定温度存在偏差时，会自动调节加热模块的加热量，使得实际温度趋近于设定温度，从而提供了稳定的环境温度，有利于提高原子钟的稳定性。

Description

温控装置及原子钟
技术领域
本发明属于原子钟技术领域，尤其涉及一种温控系统及原子钟。
背景技术
随着科学技术的发展，越来越多的行业和领域(如交通运输、实时定位、实时通信等等)需要用到原子钟来提供准确的时钟信息。由于原子钟的稳定性是决定原子钟性能的关键指标，但其稳定性容易受其工作温度的影响而变化，因此，需要提供一种高精度的温控装置来维持其工作温度的稳定。目前的原子钟温控装置一般是采用模拟温控电路和现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，简称FPGA)电路的方式来实现，使得原子钟的电路结构复杂、体积较大，不利于原子钟的小型化和芯片化。
发明内容
本申请实施例的目的是提供一种温控系统及原子钟，以解决现有技术中采用FPGA电路的方式，导致原子钟的电路结构复杂的技术问题。
为了解决上述问题，本申请是这样实现的：
第一方面，本申请实施例提供了一种温控系统及原子钟，所述温控系统包括：处理器、数模转换模块、温度设置模块、温度比较模块和加热模块；其中，所述处理器的输出端与所述数模转换模块的输入端连接；所述数模转换模块的输出端包括第一输出端和第二输出端；所述第一输出端与所述温度设置模块的输入端连接；所述第二输出端和所述加热模块的输入端连接；所述温度设置模块的输出端和所述加热模块的输出端均与所述温度比较模块的输入端连接；所述温度比较模块的输出端与所述处理器的输入端连接。
可选地，所述温度设置模块包括：第一电阻、第二电阻和第一仪表放大器；其中，所述数模转换模块的第一输出端包括第一子输出端和第二子输出端；所述第一子输出端与所述第一仪表放大器的正向输入端连接；所述第二子输出端与所述第一电阻的第一端连接，所述第一电阻的第二端和所述第二电阻的第一端均与所述第一仪表放大器的负向输入端连接；所述第二电阻的第二端还与地端连接；所述第一仪表放大器的输出端与所述温度比较模块的输入端连接。
可选地，所述第一电阻的电阻值大于所述第二电阻的电阻值，且所述第一电阻的电阻值与所述第二电阻的电阻值按第一预设比例设置。
可选地，所述温度比较模块包括：第三电阻、第四电阻、热敏电阻和第二仪表放大器；其中，所述第一仪表放大器的输出端与所述温度比较模块中的第二仪表放大器的正向输入端连接；所述第三电阻的第一端和所述热敏电阻的第一端均与所述第二仪表放大器的负向输入端连接；所述第三电阻的第二端与参考电压连接；所述热敏电阻的第二端与地端连接；所述第四电阻的第一端和第二端分别与所述第二仪表放大器的第一增益输入端和第二增益输入端连接；所述第二仪表放大器的输出端与所述处理器的输入端连接。
可选地，所述热敏电阻为负温度系数热敏电阻器。
可选地，所述处理器包括模数转换模块，所述第二仪表放大器的输出端与所述模数转换模块的输入端连接。
可选地，所述加热模块包括：加热驱动模块和物理模块；其中，所述物理模块包括加热片和所述热敏电阻；所述加热驱动模块，用于控制对所述加热片进行加热的加热电压，以控制所述加热片的加热量；所述热敏电阻，用于根据所述加热片周围的温度，调节输入至所述第二仪表放大器的负向输入端的电压值。
可选地，所述加热驱动模块包括：第五电阻、第六电阻和第三运算放大器；其中，所述数模转换模块的第二输出端包括第三子输出端和第四子输出端；所述第三子输出端与所述第三运算放大器的正向输入端连接；第四子输出端与所述第五电阻的第一端连接，所述第五电阻的第二端和所述第六电阻的第一端均与所述第三运算放大器的负向输入端连接，所述第六电阻的第二端和所述第三运算放大器的输出端均与所述加热片连接。
可选地，所述第五电阻的电阻值大于所述第六电阻的电阻值，且所述第五电阻的电阻值与所述第六电阻的电阻值按第二预设比例设置。
第二方面，本申请实施例提供了一种原子钟，所述原子钟包括原子蒸汽泡、垂直腔面发射激光器VCSEL和如第一方面的温控装置。
在本申请中，可实时采集原子钟工作过程中的实际温度，并通过温度比较模块对该实际温度与温度设置模块中设置的设定温度进行比较，得到实际温度与设定温度的偏差，进而可根据该偏差，确定加热模块的加热电压大小，实现对加热模块的加热量的控制，由此可见，在实际温度与设定温度存在偏差时，会自动调节加热模块的加热量，使得实际温度趋近于设定温度，从而提供了稳定的环境温度，有利于提高原子钟的稳定性。
附图说明
图1为本申请实施例的温控装置的结构示意图；
图2为本申请实施例的温度设置模块和温度比较模块的电路图；
图3为本申请实施例的加热驱动模块的电路图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参照图1，图1为本申请实施例的温控装置的结构示意图，该温控装置包括：处理器101、数模转换模块102、温度设置模块103、温度比较模块104和加热模块105；其中，处理器101的输出端与数模转换模块102的输入端连接；数模转换模块102的输出端包括第一输出端和第二输出端；第一输出端与温度设置模块103的输入端连接；第二输出端和加热模块105的输入端连接；温度设置模块103的输出端和加热模块105的输出端均与温度比较模块104的输入端连接；温度比较模块104的输出端与处理器101的输入端连接。
需要说明的是，数模转换模块102可以是8位、10位、12位或者16位的数模转换器，本发明不做具体限定。为提高控制精度，在一实施例中，数模转换模块102采用16位的数模转换器。该数模转换器有多路模拟信号输出，分别从第一输出端输出后，输入至温度设置模块103，以及从第二输出端输出后，输入至加热模块105，从而实现对温度设置模块103中的设定温度进行调整，以及对加热模块105中的加热量进行调整。温度比较模块104，用于对温度设置模块103中的设定温度和加热模块105中的实际温度进行比较，计算设定温度与实际温度之间的偏差值，并将该偏差值输入至控制器。该控制器中预设有PID(其中，P为Proportional，表示比例、I为Integral，表示积分、D为Differential，表示微分)算法，可以根据该偏差值的大小对数模转换模块102的第二输出端输出的模拟信号进行调节，从而实现对加热模块105的加热量地动态控制，保证加热模块105周围的温度恒定在设定温度。
进一步地，参见图2，图2为本申请实施例的温度设置模块和温度比较模块的电路图。温度设置模块103包括：第一电阻R1、第二电阻R2和第一仪表放大器U1；其中，数模转换模块102的第一输出端包括第一子输出端和第二子输出端；第一子输出端与第一仪表放大器U1的正向输入端连接；第二子输出端与第一电阻R1的第一端连接，第一电阻R1的第二端和第二电阻R2的第一端均与第一仪表放大器U1的负向输入端连接；第二电阻R2的第二端还与地端连接；第一仪表放大器U1的输出端与温度比较模块104的输入端连接。
需要说明的是，第一仪表放大器U1的负向输入端的输入电压是由第一电阻R1和第二电阻R2的分压比n决定，当第一电阻R1的电阻值远远大于第二电阻R2的电阻值时，那么第一仪表放大器U1的负向输入端的输入电压的最小精度为正向输入端的输入电压的最小精度的1/(n+1)，因此，可以通过数模转换模块102的第一子输出端输出的模拟信号对设定温度进行粗调，通过第二子输出端输出的模拟信号对设定温度进行细调。
在一实施例中，假设设定温度为75.836℃，该温度对应到电压值为1.127436V，且假设数模转换模块102为16位的数模转换器，采样范围在0至2.5V之间，且第一电阻R1和第二电阻R2的分压比为99:1，那么第一仪表放大器U1的正向输入端的最小精度为2.5/(216)＝0.038mV，第一仪表放大器U1的负向输入端的最小精度为0.38/100＝0.00038mV，如果要得到1.127436V的设定温度，需要处理器101控制数模转换模块102的第一子输出端为29969，以及第二子输出端为29963，即29969*0.038-29963*0.00038＝1.127436V，由此使得第一仪表放大器U1的输出端的电压值为1.127436V。
进一步地，第一电阻R1的电阻值大于第二电阻R2的电阻值，且第一电阻R1的电阻值与第二电阻R2的电阻值按第一预设比例设置。此处的第一预设比例可以为任一正数，如10:1、100:1等等，可以根据实际情况具体设定，本申请不做限定。第一预设比例越大，其支持细调的最小精度越小，越能保证设定温度的准确性。
进一步地，继续参见图2，温度比较模块104包括：第三电阻R3、第四电阻R4、热敏电阻RNTC和第二仪表放大器U2；其中，第一仪表放大器U1的输出端与温度比较模块104中的第二仪表放大器U2的正向输入端连接；第三电阻R3的第一端和热敏电阻RNTC的第一端均与第二仪表放大器U2的负向输入端连接；第三电阻R3的第二端与参考电压连接；热敏电阻RNTC的第二端与地端连接；第四电阻R4的第一端和第二端分别与第二仪表放大器U2的第一增益输入端和第二增益输入端连接；第二仪表放大器U2的输出端与处理器101的输入端连接。
需要说明的是，第二仪表放大器U2的负向输入端的电压值由第三电阻R3和热敏电阻RNTC的分压比决定，而热敏电阻RNTC的电阻值是由工作环境中的实际温度决定，因而第二仪表放大器U2的负向输入端的电压值代表实际温度对应的电压值。而第二仪表放大器U2的正向输入端直接与第一仪表放大器U1的输出端连接，因而第二仪表放大器U2的正向输入端的电压值代表设定温度对应的电压值。第二仪表放大器U2可对负向输入端和正向输入端的两个电压值进行比较，计算两者的偏差值，并在第四电阻R4的作用下，对该偏差值进行放大输出。此处的第四电阻R4为第二仪表放大器U2的外置电阻，其两端分别连接在第二仪表放大器U2的增益输入端，以使第二仪表放大器U2具有放大输出的作用。
进一步地，热敏电阻1054为负温度系数热敏电阻器。负温度系数(NegativeTemperature CoeffiCient，简称NTC)热敏电阻器具有温度越高，电阻值越低的特性，可以随着工作环境的实际温度升高，电阻值减小，进而使得第二仪表放大器U2的负向输入端的电压值也随之减小，由此可以通过第二仪表放大器U2得到设定温度与实际温度的偏差值。
进一步地，处理器101包括模数转换模块106，第二仪表放大器U2的输出端与模数转换模块106的输入端连接。此处的模数转换模块106，用于将第二仪表放大器U2获得的偏差值(即模拟量)转变为数字量，便于后续处理器101通过PID算法计算得到该偏差值的补偿值。上述处理器101包括但不限于MSP430单片机，本申请不做具体限定。在该实施例中，通过包含模数转换模块106的处理器101，将包含温度信息的电压信号转化为数字量，可以更加方便的进行参数设置和调整，从而实现高精度高稳定的数字化控制，同时，在完成数字化控制的设计和调试后，有利于大批量生成，提高生产效率。
进一步地，加热模块105包括：加热驱动模块1051和物理模块1052；其中，物理模块1052包括加热片1053和热敏电阻1054；加热驱动模块1051，用于控制对加热片1053进行加热的加热电压，以控制加热片1053的加热量；热敏电阻1054，用于根据加热片1053周围的温度，调节输入至第二仪表放大器U2的负向输入端的电压值。由于热敏电阻1054与加热片1053均位于物理模块1052中，因而可以通过热敏电阻1054采集加热片1053周围的实际温度，从而保证原子蒸汽泡、垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-EmittingLaser，简称VCSEL)的工作温度正常范围。
进一步地，参见图3，图3为本申请实施例的加热驱动模块的电路图。加热驱动模块1051包括：第五电阻R5、第六电阻R6和第三运算放大器U3；其中，数模转换模块102的第二输出端包括第三子输出端和第四子输出端；第三子输出端与第三运算放大器U3的正向输入端连接；第四子输出端与第五电阻R5的第一端连接，第五电阻R5的第二端和第六电阻R6的第一端均与第三运算放大器U3的负向输入端连接，第六电阻R6的第二端和第三运算放大器U3的输出端均与加热片1053连接。
在一实施例中，第三运算放大器U3为直流驱动大电流的运算放大器，具有高电流输出能力，可以满足功耗低于300mW的物理模块1052的加热。同时，为了提高加热电压的调整精度，利用数模转换模块102的第三子输出端和第四子输出端，实现对第三运算放大器U3的输出电压的调节。具体地，假设数模转换模块102的第三子输出端的输出电压为V1，数模转换模块102的第四子输出端的输出电压为V2，第五电阻R5的电阻值为r1，第六电阻R6的电阻值为r2，第三运算放大器U3的正向输入端的输入电压为V+,第三运算放大器U3的负向输入端的输入电压为V-，第三运算放大器U3的输出端的电压为Vout，那么根据第三运算放大器U3的工作原理可知，
V+＝V1；
V-＝V2(r2/(r1+r2))+Vout(r1/(r1+r2))；
V+＝V-；
根据上述公式可知，Vout＝V1*(r1+r2)/r1-V2*r2/r1。
在一实施例中，假设第五电阻R5的电阻值为r1为100K欧姆，第六电阻R6的电阻值为r2为1K欧姆，那么Vout＝(101/100)V1*-V2/100。
处理器101通过PID算法计算得到设定温度与实际温度之间的偏差值的补偿值，根据补偿值计算得到需要给加热片的加热量，从而确定最终的加热电压。处理器101通过对数模转换模块102的第三子输出端的电压值进行粗调，并对第四子输出端的电压值进行细调，即可精准实现对加热电压的控制。具体地，先将第四子输出端设置到一个中间值32768(即216/2)，然后开始对第三子输出端从0开始扫描，当加热量达到允许的误差范围内时，锁定第三子输出端的粗调值V1，再通过PID计算，调节第四子输出端的细调值V2，使加热量的误差达到最小。此时根据V1和V2就可以得到最终需要的加热电压。
进一步地，第五电阻R5的电阻值大于第六电阻R6的电阻值，且第五电阻R5的电阻值与第六电阻R6的电阻值按第二预设比例设置。此处的第二预设比例可以为任一正数，如10:1、100:1等等，可以根据实际情况具体设定，本申请不做限定。本申请实施例提供了一种原子钟，原子钟包括原子蒸汽泡、垂直腔面发射激光器VCSEL和上述的温控装置。由于该原子钟的温控装置能实现上述各实施例中相同的效果，在此不再一一赘述。
上述实施例是参考附图来描述的，其他不同的形式和实施例也是可行而不偏离本发明的原理，因此，本发明不应被建构成为在此所提出实施例的限制。更确切地说，这些实施例被提供以使得本发明会是完善又完整，且会将本发明范围传达给本领域技术人员。在附图中，组件尺寸及相对尺寸也许基于清晰起见而被夸大。在此所使用的术语只是基于描述特定实施例目的，并无意成为限制用。术语“包含”及/或“包括”在使用于本说明书时，表示特征、整数、构件及/或组件的存在，但不排除一或更多其它特征、整数、构件、组件及/或其族群的存在或增加。除非另有所示，陈述时，一值范围包含该范围的上下限及其间的任何子范围。
以上的是本发明的优选实施方式，应当指出对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明的原理前提下还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种温控装置，其特征在于，包括：处理器、数模转换模块、温度设置模块、温度比较模块和加热模块；
其中，所述处理器的输出端与所述数模转换模块的输入端连接；
所述数模转换模块的输出端包括第一输出端和第二输出端；所述第一输出端与所述温度设置模块的输入端连接；所述第二输出端和所述加热模块的输入端连接；所述温度设置模块的输出端和所述加热模块的输出端均与所述温度比较模块的输入端连接；所述温度比较模块的输出端与所述处理器的输入端连接；
所述温度比较模块用于比较所述温度设置模块的设置温度和所述加热模块的实际温度，得到偏差值，所述处理器根据所述偏差值调节所述第二输出端的信号以改变所述加热模块的加热量；
所述温度设置模块包括：第一电阻、第二电阻和第一仪表放大器；
其中，所述数模转换模块的第一输出端包括第一子输出端和第二子输出端；
所述第一子输出端与所述第一仪表放大器的正向输入端连接；所述第二子输出端与所述第一电阻的第一端连接，所述第一电阻的第二端和所述第二电阻的第一端均与所述第一仪表放大器的负向输入端连接；所述第二电阻的第二端还与地端连接；所述第一仪表放大器的输出端与所述温度比较模块的输入端连接；
所述加热模块包括：加热驱动模块和物理模块，所述加热驱动模块包括：第五电阻、第六电阻和第三运算放大器；
其中，所述数模转换模块的第二输出端包括第三子输出端和第四子输出端；
所述第三子输出端与所述第三运算放大器的正向输入端连接；第四子输出端与所述第五电阻的第一端连接，所述第五电阻的第二端和所述第六电阻的第一端均与所述第三运算放大器的负向输入端连接，所述第六电阻的第二端和所述第三运算放大器的输出端均与所述物理模块的加热片连接；
所述第五电阻的电阻值大于所述第六电阻的电阻值，且所述第五电阻的电阻值与所述第六电阻的电阻值按第二预设比例设置。
2.根据权利要求1所述的温控装置，其特征在于，所述第一电阻的电阻值大于所述第二电阻的电阻值，且所述第一电阻的电阻值与所述第二电阻的电阻值按第一预设比例设置。
3.根据权利要求1所述的温控装置，其特征在于，所述温度比较模块包括：第三电阻、第四电阻、热敏电阻和第二仪表放大器；
其中，所述第一仪表放大器的输出端与所述温度比较模块中的第二仪表放大器的正向输入端连接；所述第三电阻的第一端和所述热敏电阻的第一端均与所述第二仪表放大器的负向输入端连接；所述第三电阻的第二端与参考电压连接；所述热敏电阻的第二端与地端连接；所述第四电阻的第一端和第二端分别与所述第二仪表放大器的第一增益输入端和第二增益输入端连接；所述第二仪表放大器的输出端与所述处理器的输入端连接。
4.根据权利要求3所述的温控装置，其特征在于，所述热敏电阻为负温度系数热敏电阻器。
5.根据权利要求3所述的温控装置，其特征在于，所述处理器包括模数转换模块，所述第二仪表放大器的输出端与所述模数转换模块的输入端连接。
6.根据权利要求3所述的温控装置，其特征在于，所述物理模块包括加热片和所述热敏电阻；所述加热驱动模块，用于控制对所述加热片进行加热的加热电压，以控制所述加热片的加热量；
所述热敏电阻，用于根据所述加热片周围的温度，调节输入至所述第二仪表放大器的负向输入端的电压值。
7.一种原子钟，其特征在于，包括原子蒸汽泡、垂直腔面发射激光器VCSEL和如权利要求1至6中任一所述的温控装置。
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