CN114826252A - 一种恒温晶体振荡器用控温电路及恒温晶体振荡器 - Google Patents

一种恒温晶体振荡器用控温电路及恒温晶体振荡器 Download PDF

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戴昌名
蒋松涛
吴海钧
刘建东
占开忠
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Abstract

本发明涉及振荡器技术领域，提供了一种恒温晶体振荡器用控温电路及恒温晶体振荡器，控温电路包括包括运放调节电路、控温元件和采样比较电路，控温元件包括功率管Q1和固定电阻R4，运放调节电路的输出端与功率管Q1的基极连接，功率管Q1的发射极与固定电阻R4的一端连接，固定电阻R4的另一端接地，功率管Q1的集电极作为电压输入端。本发明通过在控温电路中增设采样比较电路，以实现当功率管Q1发射极的输出电压与预设电压存在差异时，采样比较电路能够及时对功率管Q1基极的输入电压进行修正，使得恒温晶振具有更加稳定且准确的温度特性。

Description

一种恒温晶体振荡器用控温电路及恒温晶体振荡器
技术领域
本发明涉及振荡器技术领域，具体而言，涉及一种恒温晶体振荡器用控温电路及恒温晶体振荡器。
背景技术
恒温晶体振荡器又被称作恒温控制式晶体振荡器，简称为恒温晶振，因其具有最高稳定度、最低老化水平、最优相位噪声水平等优点，被广泛应用于电力、通信、卫星导航、军用雷达等领域。
现有的恒温晶体振荡器通常由晶体谐振器、振荡电路、稳压电路以及控温电路等结构组成，其中，晶体谐振器放置于恒温晶振特定的恒温槽内，通过控温电路控制恒温槽的温度来实现控制晶体谐振器的温度处于恒定的范围内，以保证恒温晶体振荡器具有稳定的输出频率。
常规的恒温晶振用控温电路采用单级运放的PID控温模式控制恒温槽的温度，此类控温电路由运放调节电路和功率管等部分组成，其中，运放调节电路中的热敏电阻通过感应恒温槽的温度，以通过热敏电桥向功率管输出不同的输入电压来控制设置在恒温槽内的功率管的输出功率，进而通过功率管实现恒温槽的温度调节，以保证恒温槽温度的相对恒定。然而，由于热敏电阻本身具有离散性、热滞后性等特点，因此往往只能粗略的控制恒温槽的温度，导致温度控制效果较差，使得恒温晶体振荡器温度特性不稳定。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种恒温晶体振荡器用控温电路，用于解决现有恒温晶体振荡器的控温电路温度控制效果较差，恒温晶体振荡器温度特性不稳定的技术问题。
本发明的第二个目的在于提供一种恒温晶体振荡器，以提高恒温晶体振荡器的温度控制精度，改善恒温晶体振荡器的温度特性。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一方面，本发明提供了一种控温电路，包括运放调节电路、控温元件和采样比较电路，控温元件包括功率管Q1和固定电阻R4，运放调节电路的输出端与功率管Q1的基极连接，功率管Q1的发射极与固定电阻R4的一端连接，固定电阻R4的另一端接地，功率管Q1的集电极作为电压输入端；
采样比较电路包括二级运算放大器OPA2、MOS管M1、固定电阻R3、固定电阻R5、固定电阻R6、固定电阻R7以及可调节电阻RR2；
固定电阻R5的一端与功率管Q1的发射极相连，其另一端分别与固定电阻R6的一端以及二级运算放大器OPA2的同相输入端相连；固定电阻R6的另一端与功率管Q1的集电极相连；
可调节电阻RR2的一端分别与固定电阻R7的一端以及二级运算放大器OPA2的反相输入端相连，固定电阻R7的另一端接地；可调节电阻RR2的阻值为1k-25kohm；
二级运算放大器OPA2的输出端与固定电阻R3的一端相连，固定电阻R3的另一端与MOS管M1的G极相连，MOS管M1的S极接地，MOS管M1的D极与功率管Q1的基极相连。
可选的，运放调节电路包括一级运算放大器OPA1、固定电阻R1、固定电阻R2、可调节电阻RR1以及热敏电阻Rt；
固定电阻R1的一端分别与固定电阻R2的一端以及一级运算放大器OPA1的反相输入端相连，固定电阻R2的另一端接地；
可调节电阻RR1的的一端分别与热敏电阻Rt的一端以及一级运算放大器OPA1的同相输入端相连，可调节电阻RR1的另一端与固定电阻R1的另一端相连，热敏电阻Rt的另一端接地；
一级运算放大器OPA1的输出端与功率管Q1的基极相连。
进一步的，运放调节电路还包括调节电容C1以及固定电阻R8，调节电容C1的一端与一级运算放大器OPA1的反相输入端相连，调节电容C1的另一端与固定电阻R8的一端相连，固定电阻R8的另一端与一级运算放大器OPA1的输出端相连。
可选的，功率管Q1为NPN管。
另一方面，本发明提供了一种恒温晶体振荡器，包括：
晶体谐振器，设置于恒温槽内；
控制芯片，包括处理器以及如前述所述的控温电路，控温电路与处理器电性连接；
其中，运放调节电路用于根据恒温槽的温度向功率管Q1基极输出相应的输入电压，功率管Q1设置于恒温槽内以对恒温槽进行加热；采样比较电路用于采集功率管Q1发射极的输出电压并与预设电压进行比较；处理器能够根据采样比较电路的比较结果生成控制电压信号，以控制采样比较电路修正功率管Q1基极的输入电压。
可选的，控制芯片还包括稳压电路以及振荡电路，稳压电路分别与控温电路以及振荡电路电性连接，振荡电路与晶体谐振器电性连接，振荡电路与处理器电性连接。
可选的，控制芯片还包括频率温度补偿电路，频率温度补偿电路分别与处理器、振荡电路以及稳压电路电性连接。
可选的，控制芯片还包括FLASH存储器，FLASH存储器与处理器电性连接。
本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：
本发明通过在控温电路中增设采样比较电路，在整个控温过程中，采样比较电路能够实时采集功率管Q1发射极的输出电压，并将功率管Q1发射极的输出电压与预设电压之间进行比较，以实现对功率管Q1发射极输出电压的微小变化量进行监控，当功率管Q1发射极的输出电压与预设电压存在差异时，采样比较电路能够及时对功率管Q1基极的输入电压进行修正，从而使得功率管Q1的输入电压满足预设条件，保证功率管Q1的输出功率满足预设要求，由此即可实现更加精确的控制功率管Q1的输出功率，相较于现有单级运放的PID控温模式来说，对恒温槽的温度调节效果更好，进而使得恒温晶振具有更加稳定且准确的温度特性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例1提供的控温电路的电路原理图；
图2为本发明实施例2提供的恒温晶体振荡器的电学原理框图；
图3为本发明实施例2提供的振荡电路的电路原理图；
图4为本发明实施例2提供的振荡电路的基础结构及线性反馈模型的电路原理图；
图5为本发明实施例2提供的频率温度补偿电路的电路原理图。
图标：1-控制芯片，10-控温电路，101-运放调节电路，102-控温元件，103-采样比较电路，20-处理器，30-稳压电路，40-振荡电路，50-频率温度补偿电路，60-FLASH存储器,2-晶体谐振器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
考虑到现有恒温晶体振荡器通常采用单级运放的PID控温模式来对恒温槽的温度进行调节，此种控温方式受到热敏电阻自身特性的影响，只能对恒温槽的温度进行粗略控制，控温效果较差。为此，本实施例提供了一种控温电路，以解决现有技术中控温电路存在的技术问题，提高恒温槽的温度控制精度。
请参照图1，该控温电路10包括运放调节电路101、控温元件102和采样比较电路103。其中，控温元件102包括功率管Q1和固定电阻R4，功率管Q1可以但不局限于为NPN管，功率管Q1的发射极与固定电阻R4的一端连接，固定电阻R4的另一端接地，功率管Q1的集电极作为电压输入端。需要说明的是，为了实现通过功率管Q1调节恒温槽的温度，功率管Q1需要外置于恒温槽内。
运放调节电路101的输出端与功率管Q1的基极相连，以通过运放调节电路101向功率管Q1的基极输出相应的输入电压，以实现控制功率管Q1的输出功率。具体地，运放调节电路101包括一级运算放大器OPA1、固定电阻R1、固定电阻R2、可调节电阻RR1、热敏电阻Rt、调节电容C1以及固定电阻R8。
其中，继续参照图1，固定电阻R1的一端分别与固定电阻R2的一端以及一级运算放大器OPA1的反相输入端相连，固定电阻R2的另一端接地，固定电阻R1的另一端作为电压输入端；可调节电阻RR1的的一端分别与热敏电阻Rt的一端以及一级运算放大器OPA1的同相输入端相连，可调节电阻RR1的另一端与固定电阻R1的另一端(即固定电阻R1的电压输入端)相连，热敏电阻Rt的另一端接地；一级运算放大器OPA1的输出端与功率管Q1的基极相连。
此时，固定电阻R1、固定电阻R2、可调节电阻RR1以及热敏电阻Rt共同构成热敏电桥，以实现通过热敏电阻Rt感应恒温槽内的温度，即，在实际实施时，热敏电阻Rt需要外置于恒温槽内，此时热敏电阻Rt的阻值将根据恒温槽温度的变化而变化，进而通过该热敏电桥向功率管Q1输出相应的输入电压，实现控制功率管Q1的输出功率，以调节恒温槽的温度。同时，考虑到晶体的温度拐点存在差异，因此采用可调节电阻RR1则能够对恒温槽的温度拐点进行设置，示例的，本实施例的可调节电阻RR1的阻值为3k-16kohm。
调节电容C1以及固定电阻R8则设置于一级运算放大器OPA1的反相输入端及其输出端之间，此时，调节电容C1的一端与一级运算放大器OPA1的反相输入端相连，调节电容C1的另一端与固定电阻R8的一端相连，固定电阻R8的另一端与一级运算放大器OPA1的输出端相连，以通过调节电容C1以及固定电阻R8实现对控温电路10的比例积分微分反馈调节，保证控温电路10具有良好的控制性能。
为了实现对功率管Q1的输入电压进行进一步精确的控制，以实现提高恒温槽的温度控制精度，本实施例的控温电路10新增了采样比较电路103，以通过采样比较电路103采集功率管Q1发射极的输出电压，并将该输出电压与预设电压进行比较，此时采样比较电路103能够根据比较结果修正功率管Q1基极处的输入电压，进而实现更加精确的控制功率管Q1的输出功率，提高温度控制精度。
具体地，采样比较电路103包括二级运算放大器OPA2、MOS管M1、固定电阻R3、固定电阻R5、固定电阻R6、固定电阻R7以及可调节电阻RR2。其中，继续参照图1，固定电阻R5的一端与功率管Q1的发射极相连，固定电阻R5的另一端分别与固定电阻R6的一端以及二级运算放大器OPA2的同相输入端相连；固定电阻R6的另一端与功率管Q1的集电极相连；可调节电阻RR2则用于对恒温晶振的最大电流进行控制，示例的，可调节电阻RR2的阻值为1k-25kohm，此时，该可调节电阻RR2的一端分别与固定电阻R7的一端以及二级运算放大器OPA2的反相输入端相连，可调节电阻RR2的另一端作为电压输入端，固定电阻R7的另一端接地；二级运算放大器OPA2的输出端与固定电阻R3的一端相连，固定电阻R3的另一端与MOS管M1的G极相连，MOS管M1的S极接地，MOS管M1的D极与功率管Q1的基极相连。
通过二级运算放大器OPA2以及MOS管M1构成的反馈电路能够实时采集功率管Q1发射极的输出电压，并将功率管Q1发射极的输出电压与预设电压之间进行比较，以实现对功率管Q1发射极输出电压的微小变化量进行监控，当功率管Q1发射极的输出电压与预设电压存在差异时，采样比较电路103能够及时对功率管Q1基极的输入电压进行修正，从而使得功率管Q1的输入电压满足预设条件，保证功率管Q1的输出功率满足预设要求，由此即可实现更加精确的控制功率管Q1的输出功率，进而提高恒温槽的温度控制精度。
由此可见，本实施例提供的控温电路10通过增设采样比较电路103，实现以两级运放的PID控温模式来对恒温槽的温度进行调节，相较于现有单级运放的PID控温模式来说，对恒温槽的温度调节效果更好，进而使得恒温晶振具有更加稳定且准确的温度特性。
实施例2
在实施例1的基础上，本实施例提供了一种恒温晶体振荡器，该恒温晶体振荡器包括晶体谐振器2以及控制芯片1，晶体谐振器2设置于恒温晶振的恒温槽内。
其中，请参照图2，晶体谐振器2采用SMD封装晶体谐振器，控制芯片1则包括处理器20、稳压电路30、振荡电路40、频率温度补偿电路50、FLASH存储器60以及如上述实施例1所述的控温电路10，通过将稳压电路30、振荡电路40、频率温度补偿电路50以及控温电路10集成于一个控制芯片1内，相较于采用分立器件组成的恒温晶体振荡器而言，能够有效减小恒温晶体振荡器的体积。
需要说明的是，上述实施例1所述的控温电路10中，调节电容C1和调节电阻R8均外置于控制芯片1外，热敏电阻Rt则外置于恒温槽内且设置在靠近晶体谐振器2的位置，以通过热敏电阻Rt感应恒温槽内的温度并提高热敏电阻Rt感应到的温度的准确性，控温元件102同样外置于控制芯片1外，其中，功率管Q1设置于恒温槽内，以利用功率管Q1对恒温槽进行加热，进而实现调节恒温槽的温度。
具体地，稳压电路30分别与控温电路10、振荡电路40以及频率温度补偿电路50电性连接，以通过稳压电路30向控温电路10、振荡电路40以及频率温度补偿电路50提供稳定的输出电压；振荡电路40与晶体谐振器2电性连接以产生振荡信号，振荡电路40与处理器20电性连接，频率温度补偿电路50分别与处理器20以及振荡电路40电性连接，FLASH存储器60与处理器20电性连接，以通过FLASH存储器60储存控制芯片1的各种参数信息，控温电路10与处理器20电性连接。
其中，控温电路10的运放调节电路101用于根据恒温槽的温度向功率管Q1基极输出相应的输入电压，功率管Q1设置于恒温槽内以对恒温槽进行加热；采样比较电路103用于采集功率管Q1发射极的输出电压并与预设电压进行比较，处理器20能够根据采样比较电路103的比较结果生成控制电压信号，以通过采样比较电路103调节功率管Q1基极的输入电压。
在本实施例中，振荡电路40采用Colpitts振荡电路，其电路原理图如图3所示，此时Colpitts振荡电路的基本结构如图4(a)所示，Colpitts振荡电路的线性反馈模型如图4(b)所示，由图4得出该振荡电路40的环路增益表达式为：
Figure BDA0003587517510000091
其中，L为电感，RP为并联损耗电阻，gm为晶体管跨导。
根据表达式1中的相位条件，其分子实部与虚部的比值等于分母实部与虚部的比值，见表达式2：
Figure BDA0003587517510000101
此时，得到振荡频率ωosc为：
Figure BDA0003587517510000102
其中，Q表示谐振腔Q值，满足Rp＝ωLQ。最终，根据表达式3得到恒温晶体振荡器的起振条件为：
Figure BDA0003587517510000103
在实际工作时，通过处理器20向振荡电路40发送相应的振荡控制信号，即可通过振荡电路40产生振荡信号并输出。
为了更加清楚直观的理解本实施例提供的恒温晶体振荡器的控温原理，下面将对该恒温晶体振荡器的控温过程做进一步的阐述。
在初始阶段，恒温槽的温度尚未达到预设控制温度，通电后，热敏电桥有较大的失衡输出电压，此时，运放调节电路101处于最大加热功率状态，即，流过功率管Q1的电流最大，以利用功率管Q1对恒温槽进行加热，使得恒温槽的温度快速达到预设的控制温度。
当恒温槽内的温度达到预设控制温度时，热敏电桥保持一定的平衡输出电压，此时，运放调节电路101处于最小加热功率状态，即，流过功率管Q1的电流最小，且此时功率管Q1产生的热量等于在一定外界条件下恒温槽的损耗热量，从而维持恒温槽内部温度的相对恒定。
当恒温槽内部的温度受外部环境的影响发生变化时，此时，热敏电阻Rt的阻值发生相应的变化，进而改变热敏电桥的相对平衡输出电压，以实现调节功率管Q1基极的输入电压，即，调节流过功率管Q1的电流，即可实现修正恒温槽内部温度的变化。
与此同时，在整个控温过程中，采样比较电路103能够实时采集流过功率管Q1发射极的输出电压，并将该输出电压与预设电压做比较，若该输出电压与预设电压存在差异时，此时，处理器20能够根据采样比较电路103的比较结果生成控制电压信号，以控制采样比较电路103修正功率管Q1基极的输入电压，从而实现修正功率管Q1的输出功率，提高恒温槽的温度控制精度。
此外，本实施例的恒温晶体振荡器的控制芯片1还增设了频率温度补偿电路50，此时，频率温度补偿电路50中的温度传感器外置于靠近晶体谐振器2的位置，以对晶体谐振器2的温度进行监控，此时，频率温度补偿电路50能够根据温度传感器检测到的温度信息向恒温晶振的电压控制端输出电压，以对恒温晶振的频率进行补偿，实现恒温晶振的高精度、高频率温度特性。
具体的，频率温度补偿电路50的电路原理图如图5所示，此时，该频率温度补偿电路50根据变容二极管的线性范围和中心电压来调整放大倍数，即，线性一次函数斜率；通过可调节电阻RR3则可以对补偿电压斜率进行调整，从而能够满足不同温度拐点晶体的频率温度补偿，示例的，可调电阻RR3的阻值为5k-50kohm。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种恒温晶体振荡器用控温电路，其特征在于，包括运放调节电路、控温元件和采样比较电路，控温元件包括功率管Q1和固定电阻R4，运放调节电路的输出端与功率管Q1的基极连接，功率管Q1的发射极与固定电阻R4的一端连接，固定电阻R4的另一端接地，功率管Q1的集电极作为电压输入端；
采样比较电路包括二级运算放大器OPA2、MOS管M1、固定电阻R3、固定电阻R5、固定电阻R6、固定电阻R7以及可调节电阻RR2；
固定电阻R5的一端与功率管Q1的发射极相连，其另一端分别与固定电阻R6的一端以及二级运算放大器OPA2的同相输入端相连；固定电阻R6的另一端与功率管Q1的集电极相连；
可调节电阻RR2的一端分别与固定电阻R7的一端以及二级运算放大器OPA2的反相输入端相连，固定电阻R7的另一端接地；可调节电阻RR2的阻值为1k-25kohm；
二级运算放大器OPA2的输出端与固定电阻R3的一端相连，固定电阻R3的另一端与MOS管M1的G极相连，MOS管M1的S极接地，MOS管M1的D极与功率管Q1的基极相连。
2.根据权利要求1所述的恒温晶体振荡器用控温电路，其特征在于，运放调节电路包括一级运算放大器OPA1、固定电阻R1、固定电阻R2、可调节电阻RR1以及热敏电阻Rt；
固定电阻R1的一端分别与固定电阻R2的一端以及一级运算放大器OPA1的反相输入端相连，固定电阻R2的另一端接地；
可调节电阻RR1的的一端分别与热敏电阻Rt的一端以及一级运算放大器OPA1的同相输入端相连，可调节电阻RR1的另一端与固定电阻R1的另一端相连，热敏电阻Rt的另一端接地；
一级运算放大器OPA1的输出端与功率管Q1的基极相连。
3.根据权利要求2所述的恒温晶体振荡器用控温电路，其特征在于，运放调节电路还包括调节电容C1以及固定电阻R8，调节电容C1的一端与一级运算放大器OPA1的反相输入端相连，调节电容C1的另一端与固定电阻R8的一端相连，固定电阻R8的另一端与一级运算放大器OPA1的输出端相连。
4.根据权利要求1所述的恒温晶体振荡器用控温电路，其特征在于，功率管Q1为NPN管。
5.一种恒温晶体振荡器，其特征在于，包括：
晶体谐振器，设置于恒温槽内；
控制芯片，包括处理器以及如权利要求1-4任一项所述的控温电路，控温电路与处理器电性连接；
其中，运放调节电路用于根据恒温槽的温度向功率管Q1基极输出相应的输入电压，功率管Q1设置于恒温槽内以对恒温槽进行加热；采样比较电路用于采集功率管Q1发射极的输出电压并与预设电压进行比较；处理器能够根据采样比较电路的比较结果生成控制电压信号，以控制采样比较电路修正功率管Q1基极的输入电压。
6.根据权利要求5所述的恒温晶体振荡器，其特征在于，控制芯片还包括稳压电路以及振荡电路，稳压电路分别与控温电路以及振荡电路电性连接，振荡电路与晶体谐振器电性连接，振荡电路与处理器电性连接。
7.根据权利要求5所述的恒温晶体振荡器，其特征在于，控制芯片还包括频率温度补偿电路，频率温度补偿电路分别与处理器、振荡电路以及稳压电路电性连接。
8.根据权利要求5所述的恒温晶体振荡器，其特征在于，控制芯片还包括FLASH存储器，FLASH存储器与处理器电性连接。
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CN116073819A (zh) * 2023-03-07 2023-05-05 成都世源频控技术股份有限公司 一种快速稳定恒温晶体振荡器温度控制电路及其实现方法

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