CN116073819A - 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 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了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，该温度控制电路包括快速预热电路、稳态加热电路、热敏电桥和运算放大器驱动控制电路。所述快速预热电路在晶体振荡器预热过程中施加大的加热功率，使恒温槽内部晶体谐振器的温度快速上升，在接近设定恒温点时，快速加热功率逐渐减小并平稳过度到精密控温的稳定状态，达到快速稳定晶体振荡器输出频率目的。所述热敏电桥、运算放大器驱动控制电路等采用传统的连续控温直流反馈电路，在设置温度附近实现精密温度控制功能，并在设置温度点保持电桥平衡，稳定晶体振荡器输出频率。通过上述方案，本发明可以大幅减少恒温晶振频率稳定时间，达到快速稳定的目的。因此，适宜推广应用。

Description

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
技术领域
本发明涉及一种恒温石英晶体振荡器领域，具体地说，是涉及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。
背景技术
晶体振荡器输出频率由振荡电路中的晶体谐振器控制。由于石英晶体谐振器谐振频率对其所处的环境温度非常敏感，因此高精度的石英晶体频率标准均采用恒温晶体振荡器实现。为保证晶体振荡器输出频率处于最高的稳定度指标，要求保证内置石英晶体谐振器的温度始终稳定控制在稍高于最高工作环境温度上。
恒温晶体振荡器输出频率稳定时间由内置晶体谐振器的温度稳定时间决定，每次上电时，恒温晶振都需要一段时间（通常是几分钟甚至更长时间）来预热，才能保证设备或系统的正常使用。对多数设备或系统来说，尽量缩减预热时间是非常必要的，一般做法是采用尽可能大的加热功率产生的热量使恒温槽快速达到预定工作温度，图1为通常采用的典PNP功率晶体管加热控温电路，为达到产生大量的热量并迅速升温的办法只能提高电路热耗散功率，增加加热电流Ic的方法实现，即减小限流电阻R105、R106或采用更大的电流放大倍数的加热功率晶体管Q100、Q101，如采用达林顿管。随着恒温槽温度的迅速升高，在达到恒温温度点时，即使控制电路能快速关闭，也会产生相当大的温度过冲，影响温度控制电路平稳过渡到稳定的平衡加热状态，并最终影响晶体振荡器输出频率的稳定特性。专利CN201410117634.5、CN201020648018.X 、CN201220224645.X等公布的控温电路在大电流快速升温工作时均有上述问题，因此一般应用时只能设置一个适当的加热电流，恒温槽以一个较长的时间达到设置的平稳恒温状态，这个时间一般在3~5分钟，或者更长。当需要内置晶体谐振器的恒温槽迅速升温时，在恒温槽体超过设定温度前，不能关闭快速加热并平稳过渡到平稳加热的稳定状态。
发明内容
本发明的目的在于提供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，主要解决现有恒温晶体振荡器达到恒温温度点时产生温度过冲的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种快速稳定恒温晶体振荡器温度控制电路，包括快速预热电路、稳态加热电路、热敏电桥和运算放大器驱动控制电路；
运算放大器驱动控制电路，与快速预热电路、稳态加热电路和热敏电桥均相连，用于对快速预热电路和稳态加热电路实现控制；
快速预热电路，与运算放大器驱动控制电路和稳态加热电路相连，用于在恒温晶体振荡器的恒温槽温度低于控温点时，实现快速加热；
稳态加热电路，与运算放大器驱动控制电路和快速预热电路相连，用于在恒温晶体振荡器的恒温槽温度达到设置温度时，实现稳定加热；
热敏电桥，与运算放大器驱动控制电路相连，置于恒温晶体振荡器的恒温槽内，用于检测晶体谐振器所处位置的温度。
进一步地，在本发明中，所述运算放大器驱动控制电路包括运算放大器N200，一端与运算放大器N200的输出端相连且另一端与稳态加热电路相连的电阻R203，连接于运算放大器N200的输出端和反向输入端之间的交流负反馈电容C200，以及一端与运算放大器N200反向输入端相连且另一端与快速预热电路相连的直流反馈电阻R204和直流反馈电阻R205；其中，运算放大器N200的反向输入端和正向输入端均与热敏电桥相连。
进一步地，在本发明中，所述稳态加热电路包括基极均与电阻R203另一端相连且集电极均接地的稳态加热晶体管Q200和稳态加热晶体管Q201，一端与稳态加热晶体管Q200的发射极相连且另一端接VCC的限流电阻R206，以及一端与稳态加热晶体管Q201的发射极相连且另一端接VCC的限流电阻R207；其中，稳态加热晶体管Q201的发射极还与直流反馈电阻R204的另一端和快速预热电路相连。
进一步地，在本发明中，所述快速预热电路包括一端与稳态加热晶体管Q201的发射极相连的偏置电阻R208，基极与偏置电阻R208另一端相连且集电极接地的驱动晶体管Q202，一端与驱动晶体管Q202的发射极相连的偏置电阻R209，基极与偏置电阻R209另一端相连且集电极接地的快速预热晶体管Q203，以及一端与快速预热晶体管Q203的发射极相连且另一端接VCC的限流电阻R210；其中，快速预热晶体管Q203的发射极还与直流反馈电阻R205相连。
进一步地，在本发明中，所述热敏电桥由固定电阻R200、固定电阻R202、可调电阻R201和负温度系数热敏电阻RT200组成；电桥两臂一端接稳压后的参考电源VREF，另一端接地；所述固定电阻R202和热敏电阻RT200构成动态臂，其抽头接入到运算放大器N200反向输入端；所述固定电阻R200和可调电阻R201构成电桥固定臂，其抽头接入到运算放大器N200正向输入端。
基于上述的温度控制电路，本发明还提供了一种快速稳定恒温晶体振荡器温度控制电路的实现方法包括如下步骤：
S1，将热敏电桥作为温度传感器，与被恒温部件置于晶体谐振器的恒温槽内，检测晶体谐振器所处位置的温度；
S2，当热敏电桥失衡时，热敏电桥送出误差电压，通过运算放大器驱动控制电路的运算放大器N200放大，驱动稳态加热晶体管Q200和稳态加热晶体管Q201，实现加热电流控制；
S3，运算放大器驱动控制电路中的直流反馈电阻R204和R206分别监控稳态加热中的稳态加热晶体管Q201和快速预热电路中的快速预热晶体管Q203发射极电压变化，并反馈到运算放大器N200反向输入端；
S4，稳态加热中的反馈电阻R208检测稳态加热晶体管Q201发射极电压，将取出的电压送至驱动晶体管Q202基极，并通过驱动晶体管Q202发射极，驱动快速预热晶体管Q203；其中，当恒温槽温度低于控温点时，稳态加热晶体管Q200、稳态加热晶体管Q201、快速预热晶体管Q203满功率加热，当达到设置温度时，控温电流下降，稳态加热晶体管Q201发射极电压上升，推动驱动晶体管Q202基极电压上升，随着驱动晶体管Q202基极电压上升，驱动晶体管Q202将逐步从导通状态转换为截止状态，快速预热晶体管Q203由导通的满功率加热过渡到截止关断状态，停止大功率加热，温度控制电路由快速升温平稳过渡到稳定状态的精密控温状态。
进一步地，在本发明中，调节所述可调电阻R201阻值可以调节设置晶体振荡器的恒温槽控温点，使恒温槽稳定在适当的温度上，以获得最佳的频率-温度稳定度指标。
进一步地，在本发明中，所述运算放大器驱动控制电路的交流负反馈电容C200用于防止交流振荡，实现连续直流控温。
进一步地，在本发明中，调整所述运算放大器驱动控制电路中的直流反馈电阻R204和限流电阻R206的电阻值大小可以调整运算放大器驱动控制电路的反馈量；且限流电阻R206的阻值远大于直流反馈电阻R204的阻值，使快速预热电路具备高的增益，达到快速预热的目的。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明的温度控制电路允许快速预热功能在恒温槽达到设定恒温温度点时逐步减小，实现温度控制平稳过渡到平稳加热状态，防止恒温槽温度过冲，实现晶体振荡器输出频率快速稳定。即允许恒温晶体振荡器内部温度以尽可能快的速度上升，并在达到控制温度平衡点时加热电流逐步减小，最终进入到稳定加热的平衡状态，实现最终的温度控制精度。
（2）本发明可以使恒温晶体振荡器以较大的功率加热，并在达到控温点时平稳过渡到稳态加热状态，实现恒温晶振输出频率的快速稳定，从而显著缩减相关设备或系统的开机等待时间，在工程实践上具有很高的应用价值。
附图说明
图1为现有技术的温度控制电路原理图。
图2是本发明的温度控制电路原理图。
图3是本发明中恒温槽温度较低时加热电流随恒温槽的变化情况。
图4是本发明中恒温槽温度达到设置温度时的加热电流随恒温槽的变化情况。
图5是本发明-实施例的一个典型的应用PCB布局案例图。
其中，附图标记对应的名称为：
200-晶体谐振器，201-振荡电路，Q200-稳态加热晶体管Q200，Q201-稳态加热晶体管Q201，Q203-快速预热晶体管Q203，R210-限流电阻R210，R207-限流电阻，R206-限流电阻R206，RT200-热敏电阻。
具体实施方式
下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
如图2所示，本发明公开的一种快速稳定恒温晶体振荡器温度控制电路，包括热敏电桥、运算放大器驱动控制电路、稳态加热电路和快速预热电路。
在本实施例中，所述热敏电桥由固定电阻R200、固定电阻R202、可调电阻R201和负温度系数热敏电阻RT200组成。电桥两臂一端接稳压后的参考电源VREF，另一端接地，中间抽头，接入运算放大器N200。
所述固定电阻R202和热敏电阻RT200构成动态臂，其抽头接入到运算放大器N200反向输入端，其中RT200置于恒温槽内部，与晶体谐振器处于同一个热环境当中，两者处于同一温度梯度，监测晶体谐振器的温度变化。
所述固定电阻R200和可调电阻R201构成电桥固定臂，其抽头接入到运算放大器N200正向输入端，调整可调电阻R201的值，可以调整热敏电桥的平衡点，方便设置恒温点。在其他实施方式中，热敏电桥也可采用其他具备相似功能的热敏温度传感器。
在本实施例中，所述运算放大器驱动控制电路由运算放大器N200、交流负反馈电容C200、直流反馈电阻R204、直流反馈电阻R205和运放输出电阻R203构成。所述运算放大器N200正向输入端接热敏电桥固定臂即电阻R200和R201之间抽头位置，其反向输入端接热敏电桥动态臂即电阻R202和热敏电阻RT200之间的抽头位置。所述运算放大器N200输出通过电阻R203连接到稳态加热晶体管Q200、Q201基极。
所述交流负反馈电容C200连接在运算放大器输出端和反向输入端，防止放大电路自激振荡。
所述直流反馈电阻R204连接在运算放大器N200反向输入端和稳态加热晶体管Q201的集电极，所述直流反馈电阻R205连接在运算放大器N200反向输入端和快速预热晶体管Q203的集电极。此两个电阻在控制电路中起直流负反馈作用，使控制电路在平衡状态稳定工作。通常电阻R205阻值远大于电阻R204，稳态加热控制反馈量更大，保证稳态加热电路在控温点附近稳定工作。
所述稳态加热电路由电阻R206、R207和稳态加热晶体管Q200、Q201构成，晶体管基极并联，且通过电阻R203连接于运算放大器N200输出端，为晶体管提供基极电流，驱动加热电路。稳态加热晶体管Q200、Q201集电极大面积接地，并与恒温槽体或晶体谐振器尽可能靠近，便于热量传递。
所述电阻R206、R207为限流电阻，分别接在供电电源VCC和稳态加热晶体管Q200、Q201发射极，为保证流经两个加热电路的电流IC1、IC2相等，电阻R206和R207阻值应相等。
所述快速预热电路包括偏置电阻R208、R209、限流电阻R210、驱动晶体管Q202和快速预热晶体管Q203。所述偏置电阻R208连接在稳态加热晶体管Q201发射极和驱动晶体管Q202基极，偏置电阻R209连接在驱动晶体管Q202和快速预热晶体管Q203集电极，为Q202和Q203提供直流通路。
本发明实施例的工作原理如下：
负温度系数热敏电阻RT200与晶体谐振器共同置于恒温槽内部，尽可能靠近晶体谐振器，使两者处在同一个温度梯度上。本发明采用晶体管直接加热方式进行控温，因此需将加热晶体管Q200、Q201和Q203散热电极（集电极）焊接到地，并尽量靠近晶体谐振器，所有地连成整块大面积覆铜，将晶体谐振器、热敏电阻、加热晶体管以最小的热梯度通过地连接在一起，方便热传导。图5为本发明电路的一个典型布局，图中晶体谐振器200在中间，四周分别排布加热元件和热敏电阻RT200，振荡电路201布置在印制板背面。
图2中，在电路初始上电时，负温度系数热敏电阻RT200感应温度较低，处于大阻值，分压较高，运算放大器N200反向输入端电压高于正向输入端电压，输出低电平，通过电阻R203驱动PNP型稳态加热晶体管Q200、Q201以最大加热电流工作，流经稳态加热晶体管Q200和Q201的电流IC1、IC2最大且相等。
在IC2最大时，限流电阻R207两端压降最大，稳态加热晶体管Q201发射极电压较低，该低电压为驱动晶体管Q202提供直流导通电压，Q202导通，从而导通大功率的快速预热晶体管Q203，使得流经晶体管Q203的加热电流IC3最大，Q203满功率加热。
当负温度系数热敏电阻RT200感应到的温度上升，电阻值下降到设定温度点附近时，热敏电桥输出误差电压减小，运算放大器N200驱动电流降低，流经稳态加热功率管Q200和Q201的电流IC1、IC2减小，同时加热晶体管Q201发射极电压升高，大功率的快速预热晶体管Q203基极电压升高，流经Q203的电流IC3逐步减小，当IC2进一步增加时，Q203截止，IC3电流为零，关闭大功率发热器。电路由快速预热状态平稳过渡到稳态加热状态，实现精密控温。控制电路各功率晶体管加热电流随温度变化曲线如图3、4所示。
本发明实施例可以使恒温晶体振荡器加热电路快速升温，并且在温度达到控温点附近时，平稳过渡到稳态加热的稳态控温工作状态，克服现有技术快速升温需要大功率加热时引起的温度过冲问题，频率稳定时间由原来的3~5分钟或者更长时间，缩减到1分钟以内，为多数设备或系统节约了大量的开机等待时间，在工程实践中重要意义。因此，与现有技术相比，本发明具有突出的实质性特点和显著的进步。
上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上做出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种快速稳定恒温晶体振荡器温度控制电路，其特征在于，包括快速预热电路、稳态加热电路、热敏电桥和运算放大器驱动控制电路；
运算放大器驱动控制电路，与快速预热电路、稳态加热电路和热敏电桥均相连，用于对快速预热电路和稳态加热电路实现控制；
快速预热电路，与运算放大器驱动控制电路和稳态加热电路相连，用于在恒温晶体振荡器的恒温槽温度低于控温点时，实现快速加热；
稳态加热电路，与运算放大器驱动控制电路和快速预热电路相连，用于在恒温晶体振荡器的恒温槽温度达到设置温度时，实现稳定加热；
热敏电桥，与运算放大器驱动控制电路相连，置于恒温晶体振荡器的恒温槽内，用于检测晶体谐振器所处位置的温度。
2.根据权利要求1所述的一种快速稳定恒温晶体振荡器温度控制电路，其特征在于，所述运算放大器驱动控制电路包括运算放大器N200，一端与运算放大器N200的输出端相连且另一端与稳态加热电路相连的电阻R203，连接于运算放大器N200的输出端和反向输入端之间的交流负反馈电容C200，以及一端与运算放大器N200反向输入端相连且另一端与快速预热电路相连的直流反馈电阻R204和直流反馈电阻R205；其中，运算放大器N200的反向输入端和正向输入端均与热敏电桥相连。
3.根据权利要求2所述的一种快速稳定恒温晶体振荡器温度控制电路，其特征在于，所述稳态加热电路包括基极均与电阻R203另一端相连且集电极均接地的稳态加热晶体管Q200和稳态加热晶体管Q201，一端与稳态加热晶体管Q200的发射极相连且另一端接VCC的限流电阻R206，以及一端与稳态加热晶体管Q201的发射极相连且另一端接VCC的限流电阻R207；其中，稳态加热晶体管Q201的发射极还与直流反馈电阻R204的另一端和快速预热电路相连。
4.根据权利要求3所述的一种快速稳定恒温晶体振荡器温度控制电路，其特征在于，所述快速预热电路包括一端与稳态加热晶体管Q201的发射极相连的偏置电阻R208，基极与偏置电阻R208另一端相连且集电极接地的驱动晶体管Q202，一端与驱动晶体管Q202的发射极相连的偏置电阻R209，基极与偏置电阻R209另一端相连且集电极接地的快速预热晶体管Q203，以及一端与快速预热晶体管Q203的发射极相连且另一端接VCC的限流电阻R210；其中，快速预热晶体管Q203的发射极还与直流反馈电阻R205相连。
5.根据权利要求4所述的一种快速稳定恒温晶体振荡器温度控制电路，其特征在于，所述热敏电桥由固定电阻R200、固定电阻R202、可调电阻R201和负温度系数热敏电阻RT200组成；电桥两臂一端接稳压后的参考电源VREF，另一端接地；所述固定电阻R202和热敏电阻RT200构成动态臂，其抽头接入到运算放大器N200反向输入端；所述固定电阻R200和可调电阻R201构成电桥固定臂，其抽头接入到运算放大器N200正向输入端。
6.一种快速稳定恒温晶体振荡器温度控制电路的实现方法，其特征在于，采用了如权利要求5所述的一种快速稳定恒温晶体振荡器温度控制电路，包括如下步骤：
S1，将热敏电桥作为温度传感器，与被恒温部件置于晶体谐振器的恒温槽内，检测晶体谐振器所处位置的温度；
S2，当热敏电桥失衡时，热敏电桥送出误差电压，通过运算放大器驱动控制电路的运算放大器N200放大，驱动稳态加热晶体管Q200和稳态加热晶体管Q201，实现加热电流控制；
S3，运算放大器驱动控制电路中的直流反馈电阻R204和R206分别监控稳态加热电路中的稳态加热晶体管Q201和快速预热电路中的快速预热晶体管Q203发射极电压变化，并反馈到运算放大器N200反向输入端；
S4，稳态加热中的反馈电阻R208检测稳态加热晶体管Q201发射极电压，将取出的电压送至驱动晶体管Q202基极，并通过驱动晶体管Q202发射极，驱动快速预热晶体管Q203；其中，当恒温槽温度低于控温点时，稳态加热晶体管Q200、稳态加热晶体管Q201、快速预热晶体管Q203满功率加热，当达到设置温度时，控温电流下降，稳态加热晶体管Q201发射极电压上升，推动驱动晶体管Q202基极电压上升，随着驱动晶体管Q202基极电压上升，驱动晶体管Q202将逐步从导通状态转换为截止状态，快速预热晶体管Q203由导通的满功率加热过渡到截止关断状态，停止大功率加热，温度控制电路由快速升温平稳过渡到稳定状态的精密控温状态。
7.根据权利要求6所述的一种快速稳定恒温晶体振荡器温度控制电路的实现方法，其特征在于，调节所述可调电阻R201阻值可以调节设置晶体振荡器的恒温槽控温点，使恒温槽稳定在适当的温度上，以获得最佳的频率-温度稳定度指标。
8.根据权利要求6所述的一种快速稳定恒温晶体振荡器温度控制电路的实现方法，其特征在于，所述运算放大器驱动控制电路的交流负反馈电容C200用于防止交流振荡，实现连续直流控温。
9.根据权利要求6所述的一种快速稳定恒温晶体振荡器温度控制电路的实现方法，其特征在于，调整所述运算放大器驱动控制电路中的直流反馈电阻R204和限流电阻R206的电阻值大小可以调整运算放大器驱动控制电路的反馈量；且限流电阻R206的阻值远大于直流反馈电阻R204的阻值，使快速预热电路具备高的增益，达到快速预热的目的。
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