CN1771664B - 用于检测振荡器晶体的温度的装置 - Google Patents

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Abstract

用于检测振荡器晶体的温度的装置，在用于检测布置在载体上(特别是布置在移动无线电设备中)的振荡器晶体2的温度的装置中，所检测到的温度应该是尽可能准确的，其准确程度与振荡器晶体2受到的温度的复制相同。为此，以这样的方式在载体1上布置该温度传感器7：该温度传感器7受到与振荡器晶体2或振荡器晶体外壳2’相同的环境温度。将温度传感器7和振荡器晶体2设置成电并联。

Description

用于检测振荡器晶体的温度的装置
技术领域
本发明涉及一种检测振荡器晶体外壳内具有晶体振动器的振荡器晶体的温度的装置，尤其是涉及检测移动无线电设备内的振荡器晶体的温度的装置。
背景技术
教科书：Neubig，Briese；″Das groβe Quarzkochbuch″[大晶体作业指南]，Franzis-Verlag，p.51-54描述了如何能够使用振荡器晶体频率的温度依赖性来测量温度。振荡器晶体本身用于温度测量。并没有提供所述振荡器晶体以便在设备(诸如移动无线电设备或在娱乐电子、汽车技术或医学中使用的设备)中提供特定的操作频率。
JP 2001-077627描述了经温度补偿的压电振荡器。为了获得小的尺寸，将利用了厚膜技术中的热敏电阻的温度补偿电路施加到振荡器电路外壳的后壁，以用于直接模拟温度补偿。在温度对它的影响方面，通过该后壁将热敏电阻与振荡器去耦合。这里，在热敏电阻处和振荡器的频率确定元件处的温度和温度梯度彼此以较大或较小的程度偏离。
US 4 862 110中描述了表面声波(SAW)谐振器，该谐振器通过其温度变化而调谐到它的额定频率。提供一个可调节的加热元件以达到这种目的。
发明内容
本发明的一个目的是提供一个上面说明的该种装置，在该装置中，所测量的温度尽可能地准确，其准确程度与振荡器晶体或其作为频率确定元件的晶体振动器所受到的温度的复制相同。
这个目标是通过根据本发明第一方面的于检测振荡器晶体外壳(2’)中的包括晶体振动器(4)的振荡器晶体的温度的装置来实现的。因为利用这个装置，对温度和温度梯度的检测在时间和空间方面都直接发生在振荡器晶体上，所以借助于温度传感器所检测到的正好是影响振荡器晶体的频率响应的温度。通过这个直接检测，在振荡器晶体和温度传感器之间的温度传播的脉冲响应不发生延迟、惰性或者失真。因此使作为温度的函数分别发生的振荡器晶体的振荡器电路频率误差的精确补偿成为可能。利用对充当频率校正的致动器的有目标的影响，可以进行软件温度补偿。
温度传感器的电并联是有利的，因为作为结果，带有温度传感器的振荡器晶体是单独的双端子元件，它可以容纳在具有最低布线要求的印刷电路板上。所述装置允许温度检测所必需的元件数量最小。这些元件可以集成到集成电路中。由于省略了外部组件，保证了具有小空间要求和低误差的廉价结构。
在移动无线电设备中，所述装置解决了由具有不同符号的温度梯度在移动无线电设备中传播这一事实引起的温度检测问题，其中一方面通过能量损失发生自加热，而另一方面通过环境发生加热或冷却。还可以和其它设备一起使用所述装置，例如与在娱乐电子、医学工程或汽车工程中使用的设备一起使用所述装置。
在本发明的一个实施例中，温度传感器被施加到一个恒流源或恒压源和一个估算电路，该电路估算温度和/或温度梯度以用于对振荡器晶体的随温度而变的谐振频率进行补偿。
附图说明
将参考附图中示出的实施例的实例来进一步描述本发明，然而本发明不限于这些实施例。
图1示出了以等温方式布置到印刷电路板上的振荡器晶体的随温度而变的电阻(热敏电阻)的平面图。
图2示出了作为图1的替换方案的振荡器晶体外壳内部的热敏电阻的示意剖面图。
图3示出了振荡器晶体或晶体振动器和热敏电阻的电并联。
图4示出了热敏电阻与振荡器晶体或晶体振动器和耦合电容的串联组合的并联。
图5示出了具有恒流源和如图3所示的并联的估算电路和振荡器电路的方块电路图。
图6示出了具有恒压源的估算电路的另一个方案。
图7示出了具有连续温度测量的带有恒流源的估算电路的另一个方案。
图8示出了锁相环路的详细表示。
具体实施方式
在图1中，提供一个设备的印刷电路板1以作为一个频率确定电路的载体，该设备例如是移动无线电设备或用于娱乐电子、汽车技术或医学工程的设备，该频率确定电路具有振荡器晶体。在印刷电路板1上布置有振荡器晶体2和集成电路3。振荡器晶体2具有振荡器晶体外壳2’，该外壳中有晶体振动器4(参见图2)，该振动器经由印刷电路板1的印刷线路5、6连接到集成电路3的端子A和B。
作为温度传感器布置在印刷电路板1上的是一个随温度而变化的电阻，尤其是热敏电阻7，该电阻电连接到印刷线路5、6并且与晶体振动器4并联。热敏电阻7被相对于振荡器晶体外壳2’等温地布置在区域52中。特别地，在振荡器晶体外壳2’的附近50，热敏电阻7被布置在印刷电路板1的与振荡器晶体外壳2’相同的侧面上，而没有通过壁与该外壳分隔开。从而实现了这一点：在振荡器晶体2处(特别是在振荡器晶体2的晶体振动器4处)和在热敏电阻7处的温度和温度梯度基本上相同。一个附加的热传导装置(例如传热混合物)可以在振荡器晶体外壳2’处支撑温度传感器7的紧邻附近50。
为了增加发热电路3和振荡器晶体2之间的传热阻，从而支持区域52中的等温布置，可以在印刷电路板1中提供印刷电路板材料中的开口51。
于是，作为温度传感器的热敏电阻7受对晶体振动器4具有频率确定作用的特定温度和温度梯度的影响是显而易见的。集成电路3包括在下面进一步描述的估算电路。该集成电路与热敏电阻7间隔一定的距离，因此其温度几乎不影响热敏电阻7。
图2示出了采用表面安装装置(SMD)设计的振荡器晶体2，其中不是像图1中那样邻近振荡器晶体外壳2’布置热敏电阻7，而是将热敏电阻7布置在振荡器晶体外壳2’内部。陶瓷、金属或塑料的振荡器晶体外壳2’构成用惰性气体填充的内腔8。在该外壳内，晶体振动器4位于固定件9上。晶体振动器4连接振荡器-晶体的端子10，该端子向外导通。该振荡器晶体外壳2’的基板11适用于充当附着组件和线路的载体，并且例如采取印刷电路板的形式。
热敏电阻7被集成到或施加到充当载体的基板11上。热敏电阻7位于内腔8的内部，其尽可能地接近晶体振动器4，但是不接触晶体振动器4，因为其结果是振荡属性可能受到负面影响。热敏电阻7与晶体振动器4没有被壁隔开，而是在基板11的与晶体振动器4相同的侧面上设置热敏电阻7。以将晶体振动器4和热敏电阻7电并联到振荡器-晶体端子10的方式，通过连接引线12将热敏电阻7连接到晶体端子10。
图3示出了振荡器晶体2或晶体振动器4和热敏电阻7的并联。在给出了晶体振荡器电路的典型值的情况下，热敏电阻7不代表在振荡器晶体上的任何显著的附加负载。例如，热敏电阻7具有近似30kΩ的额定欧姆电阻。
在图4示出的替换方案的情况下，耦合电容Ck被串联到振荡器晶体2，特别是串联到晶体振动器4。该热敏电阻7可以并联到该串联连接。在图2所示的布置的情况下，该布局也可以被集成到振荡器晶体外壳2’中。耦合电容Ck则被设置在基板11上。
在如图1所示的布局的情形中，将该布置施加到印刷电路板1的等温区域52。
在其操作模式中，耦合电容Ck把待施加到热敏电阻7的直流电压(下面将进一步对其进行描述)和振荡器晶体2或晶体振动器4分开。
图5、6和7示出可以集成到集成电路3中的估算电路和振荡器电路。利用所述估算电路，可以以这种方式估算在热敏电阻7处检测的温度：即作为最终结果，振荡器晶体2的谐振频率的温度响应被补偿。热敏电阻7具有公知的电阻/温度特性。
恒流源13(参见图5)向热敏电阻7施加恒定电流。因此，在端子A和B之间产生相应于热敏电阻7的当前随温度而变的电阻值的直流电压。通过模拟/数字转换器14检测该直流电压，并经过数据处理引线61将该直流电压数字地发送到所述设备的微控制器15。该微控制器15例如从存储在该微控制器内的电压/温度表中确定实时温度，该电压/温度表相应于热敏电阻7的特性曲线。微控制器15通过顺序测量来确定电压梯度或温度梯度。
放大器16用来激励和保持配备有振荡器晶体2的振荡器的高频振荡，该振荡器作为皮尔斯振荡器配备有从端子A和从端子B到地的电容17。振荡器晶体2(尤其是其晶体振动器4)与放大器16和电容17构成一个振荡器电路。电容17优选地被集成到集成电路3中。为了提供频率控制的功能，可以调节电容17的电容值。为了能够进行调节，电容17通过控制引线60连接到微控制器15。通过引线34从端子A向所述设备的锁相环路18传递该振荡器的高频振荡(比如2MHz)。
为了使热敏电阻7的直流电压通路不损害放大器16的操作，在放大器16的输出端和/或输入端处提供耦合电容19。
除了测量直流电压之外，在端子A、B处(因此也在该模拟/数字转换器14上)还存在所述振荡器功能的高频信号电压。通过模拟/数字转换器14或微控制器15中的信号处理措施(例如低通滤波)来消除该高频信号电压，从而仅有所述直流电压测量信号被用于该微控制器中的进一步处理。
在另一个实施例中，如果所述模拟/数字转换器14可以直接依靠热敏电阻7的特性曲线，那么可以将通过直流电压测量来确定温度或温度变化的任务分配给该模拟/数字转换器14本身。于是通过引线34，微控制器15能够发出表示当前正在发生大温度梯度的信号。
在如图6所示的估算电路的情况下，提供一个恒压源20以代替所述恒流源。此外，电阻21被集成在集成电路3中。电阻21和热敏电阻7一起构成一个分压器，因此，在端子A和B之间同样产生随温度而变化的直流电压。
在如图5和6所示的实施例的情况下，用于温度检测的直流电压测量和振荡器操作同时发生。反之，在如图7所示的实施例中，直流电压测量和振荡器操作周期地顺序进行，为此提供一个使能信号引线22，该使能信号引线22受微控制器控制。恒流源13或模拟/数字转换器14经由该引线被接通，或者经由用于该使能信号的倒相器23来接通放大器16。这样，可以在振荡器电路操作之前检测温度，并且如果适用的话，可以进行振荡器频率的温度补偿或温度校准。
采用这种布局，耦合电容19(参见图5和6)和耦合电容Ck(参见图4)是多余的。为了清楚起见，虽然如图5和6中所示使用控制引线60和61，但是在图7中省略了控制引线60和61。
在另一个实施例中，可以在空间上将模拟/数字转换器14与微控制器15分开布置。如果模拟/数字转换器14知道热敏电阻7的电阻/温度特性曲线，则模拟/数字转换器14可以检测出当前发生的温度梯度超过先前定义的极限值或可编程的极限值。模拟/数字转换器14因此能通过控制引线发信号给微控制器15以向其通知这一情况。
图5-7示出在等温区域52中没有提供耦合电容Ck的情况。然而，如果在等温区域52中布置了耦合电容Ck(参见图4)，则也可以使用图5-7的估算电路。如果如图7所示在有或者没有耦合电容Ck的振荡器晶体外壳2’内部布置热敏电阻7，则也可以使用图5-7中的估算电路。
附图示出了相位控制环路18的原理(参见图5、6和7)。它从出现在引线34上(即在端子A上)的基准频率导出在压控振荡器31的输出端30处出现的输出频率，并对其进行锁相和锁频。为了形成所述锁相环路，邻近该压控振荡器31提供分压器35、相位比较器33和环路滤波器32。
几乎可以以任何程度的精细步进(fineness-stepping)来设置分压器35的分数-有理数分压比。该分压器是一个已知的分数N的分压器。在如图8所示的替换方案中有一个特殊的特征：并没有如上所述地通过电容17的电容值变化而将引线34上的来源于振荡器晶体电路(参见图5)的基准频率拉(track)到其额定值。相反地，基准频率保持其随温度而变的频率偏差，同时通过对分压器35的适当的细微步进的重新编程来使得输出端30处的频率具有所述额定频率值。对分压器35的重新编程通过来自微控制器15的数据引线(未示出)进行。存在于微控制器15中的温度信息因此带来对输出端30处的输出频率的温度补偿。
频率拉动(frequency tracking)(即温度补偿)因此可以通过对电容17的重新调节或者通过对分压器35的适当重新编程来发生。
所获得的温度信息也可以用于其它目的。例如，所述温度信息另外可以用在移动无线电设备中，以用于校准其它的随温度而变的参数或用于在电池充电时安全停机。

Claims (11)

1.一种用于检测振荡器晶体外壳(2’)中的包括晶体振动器(4)的振荡器晶体的温度的装置，该装置特别用于移动无线电设备中，其特征在于：将温度传感器(7)布置在载体(1、11)上，以使得该温度传感器(7)与振荡器晶体(2)具有相同的环境温度，其中分别在载体(1、11)的与振荡器晶体(2)相同的侧面上提供该温度传感器(7)，并且未通过壁把该温度传感器(7)与该振荡器晶体(2)分开，而且该温度传感器(7)电并联到该晶体振动器(4)的端子(A、B；10)或者电并联到该晶体振动器(4)和至少一个耦合电容(Ck)的串联连接，其中将温度传感器的电阻/温度特征曲线存储在估算电路中。
2.如权利要求1中所述的装置，其特征在于，在所述振荡器晶体外壳(2’)内布置所述温度传感器(7)。
3.如权利要求1中所述的装置，其特征在于，在邻近所述振荡器晶体外壳(2’)的印刷电路板(1)上布置所述温度传感器(7)。
4.如以上任何一个权利要求中所述的装置，其特征在于，所述载体(1)在发热电路(3)和振荡器晶体(2)之间具有开口(51)。
5.如权利要求1中所述的装置，其特征在于，所述温度传感器(7)被施加到恒流源(13)和估算电路，该估算电路估算温度和/或温度梯度，以用于对所述振荡器晶体(2)的随温度而变的谐振频率进行补偿。
6.如权利要求1中所述的装置，其特征在于，所述温度传感器(7)被施加到恒压源(20)和估算电路，该估算电路估算温度和/或温度梯度，以用于对所述振荡器晶体(2)的随温度而变的谐振频率进行补偿。
7.如权利要求5或6中所述的装置，其特征在于，所述估算电路配备有测量通路，在该测量通路中提供了所述恒流源(13)或恒压源(20)、温度传感器(7)和模拟/数字转换器(14)以用来检测该温度传感器(7)上的电压降，并且该估算电路还配备有振荡器通路，在该振荡器通路中提供包括所述振荡器晶体(2)的振荡器电路、放大器(16)和至少一个电容(17)。
8.如权利要求7中所述的装置，其特征在于，用滤波装置(19、Ck)将所述测量通路和振荡器通路彼此分隔开。
9.如权利要求8中所述的装置，其特征在于包括振荡器晶体(2)的振荡器电路，其中所述恒流源(13)或恒压源(20)被施加到该振荡器晶体(2)与所述温度传感器(7)的振荡器电路并联连接，其中该振荡器晶体(2)包括串联耦合电容。
10.如权利要求9中所述的装置，其特征在于，至少一个电容(17)与所述振荡器晶体(2)构成一个振荡器电路，可以利用所述估算电路并作为所检测的温度或温度梯度的函数来重新调节该至少一个电容(17)的电容值。
11.如权利要求9中所述的装置，其特征在于，可以利用所述估算电路并作为所检测的温度或温度梯度的函数来调节锁相环(18)的可调节分压器(35)的分压比。
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