KR100426663B1 - An equilibrated OCXO at room temperature and its control process - Google Patents
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Abstract
본 발명은 상온 항온조 제어 수정 발진기 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 통신 계측기와 통신 기지국과 중계기 및 GPS 수신기 등에 사용되는 기준 주파수 발생장치인 OCXO(Oven Controlled Crystal Oscillators)를 상온에서 넓은 평탄점을 갖는 수정 진동자를 사용하여 주파수를 얻고, 열전소자를 이용하여 온도를 제어하여, 주파수 안정성이 높고 상온 기동시간이 짧으며 경시 변화와 열적 히스테리시스가 적은 상온 항온조 제어 수정 발진기 및 그 제어 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a room temperature controlled thermostat crystal oscillator and a control method thereof, and more particularly, to an oven-controlled crystal oscillators (OCXOs), which are reference frequency generators used in a communication instrument, a communication base station, a repeater, and a GPS receiver, at room temperature. Using a crystal oscillator with a point to obtain a frequency, using a thermoelectric element to control the temperature, the room temperature controlled thermostat crystal oscillator with high frequency stability, short room temperature start-up time, and small change over time and thermal hysteresis will be.
본 발명에 따르면, 상온에서 주파수 온도 특성이 넓은 평탄점을 갖는 수정 진동자와, 수정 진동자의 주파수 온도 특성의 평탄점을 더욱 확대하기 위한 온도 보상 회로와 출력 전압 레벨을 설정하는 출력 버퍼 회로로 구성된 수정 발진기와, 상온 항온조의 가열과 냉각을 위한 상부 열전소자 및 하부 열전소자와, 열전소자에 전원을 공급하고 극성을 변환시키는 스위칭 회로와, 안정화와 소형화를 위해 단일칩화된 SoC와, 발진기와 SoC에 정전압 공급을 위한 발진기 레귤레이터와 SoC 레귤레이터로 구성된 상온 항온조 제어 수정 발진기가 제공된다.According to the present invention, a crystal composed of a crystal oscillator having a flat point having a wide frequency temperature characteristic at room temperature, a temperature compensation circuit for further expanding the flat point of the frequency temperature characteristic of the crystal oscillator, and an output buffer circuit for setting the output voltage level. Oscillator, upper thermoelectric element and lower thermoelectric element for heating and cooling of room temperature thermostat, switching circuit for supplying power and converting polarity of thermoelectric element, single chip SoC for stabilization and miniaturization, oscillator and SoC A room temperature controlled thermostatic crystal oscillator is provided, consisting of an oscillator regulator and a SoC regulator for constant voltage supply.
Description
본 발명은 상온 항온조 제어 수정 발진기 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 통신 계측기와 통신 기지국과 중계기 및 GPS 수신기 등에 사용되는 기준 주파수 발생장치인 OCXO(Oven Controlled Crystal Oscillators)를 상온에서 넓은 평탄점을 갖는 수정 진동자를 사용하여 주파수를 얻고, 열전소자를 이용하여 온도를 제어하여, 주파수 안정성이 높고 상온 기동시간이 짧으며 경시 변화와 열적 히스테리시스가 적은 상온 항온조 제어 수정 발진기 및 그 제어 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a room temperature controlled thermostat crystal oscillator and a control method thereof, and more particularly, to an oven-controlled crystal oscillators (OCXOs), which are reference frequency generators used in a communication instrument, a communication base station, a repeater, and a GPS receiver, at room temperature. Using a crystal oscillator with a point to obtain a frequency, using a thermoelectric element to control the temperature, the room temperature controlled thermostat crystal oscillator with high frequency stability, short room temperature start-up time, and small change over time and thermal hysteresis will be.
종래의 OCXO는 온도에 대한 변화를 작게 하기 위하여 설치공간의 제한이나 전력소모의 제한을 크게 받지 않는 경우에 수정 발진기 전체를 코일 히터로써 높은 온도로 가열해 주어 주변의 온도 변화에 무관하도록 구성하고, 주변의 온도 변화를 민감하게 감지하기 위하여 서미스터(Thermistor)를 온도 변화의 민감한 부분에 위치시켜서 오븐의 코일 히터를 정밀하게 조절하여 온도를 조정하도록 되어 있다.Conventional OCXO is configured to heat the entire crystal oscillator to a high temperature with a coil heater in order not to change the surrounding space or power consumption in order to reduce the change in temperature, so that it is irrelevant to changes in the surrounding temperature. In order to sense the temperature change in the surroundings sensitively, the thermistor is placed in the sensitive part of the temperature change to precisely control the oven's coil heater to adjust the temperature.
OCXO의 안정도는 온도를 얼마나 정밀하게 제어해 줄 수 있느냐에 따르는데, 이것은 수정 발진기에 얼마나 많은 전력을 넣어주어 가열해 주느냐와 그에 따른 물리적인 크기에 좌우된다. 그리고 종래의 OCXO는 고온에서 일정한 평탄점을 갖도록 웨이퍼를 절단하여 수정 진동자로 사용하고, 아날로그 방식으로 온도를 제어한다. 즉, OCXO의 수정 진동자의 주파수 온도 특성은 웨이퍼 절단각에 따라 다양한 특성을 나타내는데, 종래는 히팅과 쿨링이 필요한 상온 온도 제어가 어려워, 단지 히팅만으로 가능한 고온에서 발진하는 수정 진동자를 사용하기 위하여 고온에서 평탄점을 갖는 각도를 설정하여 수정 발진자의 웨이퍼를 절단하고, 고온 평탄점에서 수정 진동자를 제어하기 위해서 코일 히터를 사용한 고온 항온조가 사용되고 있다.The stability of the OCXO depends on how precisely the temperature can be controlled, which depends on how much power is applied to the crystal oscillator for heating and the resulting physical size. The conventional OCXO cuts the wafer to have a constant flat point at a high temperature and uses it as a crystal oscillator, and controls the temperature in an analog manner. That is, the frequency temperature characteristic of the crystal oscillator of OCXO shows various characteristics according to the wafer cutting angle. Conventionally, it is difficult to control the room temperature temperature that requires heating and cooling, so that the crystal oscillator oscillating at high temperature possible only by heating can be used at high temperature. A high temperature thermostat using a coil heater is used to cut the crystal oscillator wafer by setting an angle having a flat point and to control the crystal oscillator at the high temperature flat point.
또한 OCXO는 서로 다른 여러 환경에서 사용되더라도 동일한 신뢰성을 가져야 하고, 전원을 끄지 않은 상태에서 장시간 사용하는 경우가 많기 때문에 경시 변화 특성이 좋아야하며, 장비 자체의 발열이나 주위 온도와 같은 사용 환경에 대하여도 동일한 특성을 가져야 하는 고정밀ㆍ고안정성 부품이다.In addition, OCXO should have the same reliability even when used in different environments, and should be good for changes over time because it is often used for a long time without turning off the power. It is a high precision and high stability part that should have the same characteristics.
그러나, 종래의 OCXO는 상온에서부터 설정된 높은 온도에 이르는 시간이 걸리므로 기동시간이 길고, 전력 소모가 많아지며, 특별한 냉각 소자가 없으므로 과도 현상 제어가 어렵고, 설정온도 범위의 평탄점이 적어 섬세한 제어가 필요하므로 제작상의 문제가 많다. 또한 고온 항온조에서 수정 진동자를 가동하므로써 발생되는 수정 진동자의 좋지 못한 특성인 경시 변화율의 증가와 열적 히스테리시스의 발생 등의 문제점이 있다.However, the conventional OCXO takes a long time from normal temperature to the set high temperature, so the startup time is long, the power consumption is high, and there is no special cooling element, so it is difficult to control the transient phenomenon, and the delicate point of the set temperature range is small, so delicate control is necessary. Therefore, there are many production problems. In addition, there are problems such as an increase in the change rate over time and the generation of thermal hysteresis, which is a bad characteristic of the crystal oscillator generated by operating the crystal oscillator in a high temperature thermostat.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래의 문제점을 감안하여 고도의 안정된 출력을 유지시키기 위하여 경시 변화율과 열적 히스테리시스를 최소화하고, 안정적인 주파수에 빠른 시간내에 접근 가능케 하며, 온도 제어가 쉬운 상온 항온조 제어 수정 발진기 및 그 제어 방법을 제공함에 있다.The object of the present invention is to minimize the change over time and thermal hysteresis in order to maintain a highly stable output in view of the above-mentioned conventional problems, to allow a quick access to a stable frequency in a short time, easy to control the temperature control chamber oscillator And a control method thereof.
도 1은 본 발명의 기계적 구조도1 is a mechanical structural diagram of the present invention
도 2는 본 발명의 전체 블록도2 is a complete block diagram of the present invention.
도 3은 본 발명의 전체 회로도3 is an overall circuit diagram of the present invention.
도 4는 AT-CUT 수정 진동자의 주파수 온도 특성4 is a frequency temperature characteristic of an AT-CUT crystal oscillator
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
1 : 베이스 2 : 커버 3 : 격판1: base 2: cover 3: diaphragm
4 : 상온 항온조 5 : 하부 열전소자 6 : 테프론4: room temperature chamber 5: lower thermoelectric element 6: Teflon
7 : 상부 열전소자 8 : 수정 진동자 9 : TCXO와 SoC의 기판7: upper thermoelectric element 8: crystal oscillator 9: TCXO and SoC substrate
10 : 수정 발진기 11 : 발진기 레귤레이터 12 : SoC10 crystal oscillator 11 oscillator regulator 12 SoC
13 : SoC 레귤레이터 14 : 레귤데이터와 스위칭 회로의 기판13: SoC regulator 14: board of regulator data and switching circuit
15 : 온도 보상 회로 16 : 출력 버퍼 회로 17 : 수정 발진기 회로15 temperature compensation circuit 16 output buffer circuit 17 crystal oscillator circuit
18 : 열전소자 회로 19 : 스위칭 회로 20 : SoC 회로18. thermoelectric element circuit 19: switching circuit 20: SoC circuit
21 : 발진기 레귤레이터 회로 22 : SoC 레귤레이터 회로21: oscillator regulator circuit 22: SoC regulator circuit
이하 본 발명의 구성 및 작용을 첨부 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the configuration and operation of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 상온 항온조 제어 수정 발진기의 기계적 구조로서, 베이스(1)와 커버(2)로 형성된 케이스 내부 공간에 격판(3)으로 형성된 상온 항온조(4)의 내측 하부에 하부 열전소자(5)가 부착되고, 하부 열전소자(5)의 양측단에 테프론(6)이 입설되며, 테프론(6)의 상단에 상부 열전소자(7)가 부착되고, 양측 테프론(6)의 가운데에 정확한 온도를 검출하기 위하여 온도 센서와 Micro Computer를 내장한 소형 IC를 이용한 온도 검출부와, 정확하고 안정된 주파수를 보다 더 신속히 출력하고 기동시간에 빨리 도달하기 위하여 상온에서 주파수 온도 특성이 넓은 평탄점을 갖는 Z축을 기준으로 AT-CUT 또는 IT-CUT 설계 기준값의 수정 진동자(8)로 구성된 TCXO와 SoC의 기판(9)이 설치되며, 상온 항온조(4)의 외부에 수정 발진기(10)에 정전압의 전원을 공급하는 발진기 레귤레이터(11)와 SoC(12)에 정전압의 전원을 공급하는 SoC 레귤레이터(13) 및 스위칭 회로의 기판(14)이 설치되어 있다.1 is a mechanical structure of a room temperature controlled thermostat crystal oscillator according to the present invention, the lower thermoelectric element in the inner lower portion of the room temperature thermostat 4 formed by the diaphragm 3 in the inner space of the case formed of the base 1 and the cover 2 (5) is attached, Teflon (6) is placed on both ends of the lower thermoelectric element (5), the upper thermoelectric element (7) is attached to the upper end of the Teflon (6), in the center of both sides Teflon (6) Temperature detector using a temperature sensor and a small IC with a built-in microcomputer to detect accurate temperature, and a flat point with a wide frequency temperature characteristic at room temperature to output accurate and stable frequency more quickly and to reach start-up time quickly. The substrate 9 of the TCXO and SoC composed of the crystal oscillator 8 of the AT-CUT or IT-CUT design reference value is installed based on the Z axis, and a constant voltage power source is supplied to the crystal oscillator 10 outside the normal temperature chamber 4. Oscillator les to supply Concentrator 11 and the substrate 14 of the SoC regulator 13 and a switching circuit for supplying power of a constant voltage to the SoC (12) are provided.
도 2 내지 도 3은 상기 기계적 구조에 따른 블록도 및 회로도로서, 상온에서 주파수 온도 특성이 넓은 평탄점을 갖는 수정 진동자(8)와 수정 진동자(8)의 주파수 온도 특성의 평탄점을 더욱 확대하기 위한 온도 보상 회로(15)와 출력 전압 레벨을 설정하는 출력 버퍼 회로(16)로 구성된 수정 발진기(10) 및 수정 발진기 회로 (17)와, 상온 항온조(4)의 가열과 냉각을 위한 상부 열전소자(7)와 하부 열전소자(5) 및 이의 열전소자 회로(18)와, 열전소자 회로(18)에 전원을 공급하고 극성을 변환시키는 스위칭 회로(19)와, 안정화와 소형화를 위해 단일칩화된 SoC(12) 및 SoC 회로(20)와, 수정 발진기(10)에 정전압을 공급하는 발진기 레귤레이터 회로 (21)와 SoC(12)에 정전압을 공급하는 SoC 레귤레이터 회로(22)로 전체 회로가 구성된다.2 to 3 are block diagrams and circuit diagrams according to the mechanical structure, to further expand the flat point of the frequency temperature characteristics of the crystal oscillator 8 and the crystal oscillator 8 having a flat point having a wide frequency temperature characteristic at room temperature. A crystal oscillator 10 and a crystal oscillator circuit 17 composed of a temperature compensating circuit 15 and an output buffer circuit 16 for setting an output voltage level, and an upper thermoelectric element for heating and cooling the room temperature chamber 4. (7) and the lower thermoelectric element (5) and its thermoelectric element circuit (18), a switching circuit (19) for supplying power and converting polarity to the thermoelectric element circuit (18), and a single chip for stabilization and miniaturization The entire circuit is composed of an SoC 12 and an SoC circuit 20, an oscillator regulator circuit 21 for supplying a constant voltage to the crystal oscillator 10, and an SoC regulator circuit 22 for supplying a constant voltage to the SoC 12. .
상기와 같이 구성된 본 발명은 AT-CUT 또는 IT-CUT과 같은 상온에서 평탄부를 갖도록 웨이퍼 절단각을 설정하여 제조된 수정 진동자(8)가 사용되고, 상온 제어를 위해 하부 열전소자(5) 및 상부 열전소자(7)가 이용되며, 온도 제어를 보다 더 쉽게 하고 OCXO의 생산성을 높이기 위하여 온도 보상 회로(15)가 접목되어 있다.In the present invention configured as described above, the crystal oscillator 8 manufactured by setting a wafer cutting angle to have a flat portion at room temperature such as AT-CUT or IT-CUT is used, and the lower thermoelectric element 5 and the upper thermoelectric element are controlled for room temperature control. The element 7 is used and a temperature compensation circuit 15 is incorporated to make temperature control easier and to increase the productivity of the OCXO.
우선, 본 발명에 사용되는 수정 진동자(8)는, 출력 신호의 전기적 특성을 결정하는 중요 핵심 부품으로 전기적으로 스퓨리어스(Spurious)가 없고, 낮은 Phase Noise 특성을 얻기 위해 높은 Q값을 갖는 수정 진동자(8)가 사용된다.First, the crystal oscillator 8 used in the present invention is an important core component for determining the electrical characteristics of the output signal. The crystal oscillator is electrically spurious and has a high Q value in order to obtain low phase noise characteristics. 8) is used.
그리고 수정 진동자(8)는 Z축을 기준으로 AT-CUT 설계 기준값 또는 IT-CUT 으로 편차없이 절단된 웨이퍼가 사용되므로, 상온 항온조의 중요한 Parameter인 수정 진동자(8)의 주파수 온도 특성으로 상온에서 주파수 온도 특성이 목표치의 주파수 온도 특성을 넓은 범위에서 가지게 되어 그림 4의 0번 주파수 온도 특성을 가지게 된다.Since the crystal oscillator 8 uses a wafer cut without deviation in the AT-CUT design reference value or IT-CUT with respect to the Z axis, the frequency temperature characteristic of the crystal oscillator 8, which is an important parameter of the room temperature thermostat, is measured at room temperature. The characteristic has the frequency temperature characteristic of the target value in a wide range and thus has frequency characteristic 0 of Fig. 4.
즉, 종래의 OCXO는 상온 제어가 어려워 고온부에서 평탄부를 갖는 웨이퍼 절단각을 설정하여 도 4에서의 4번이나 5번의 곡선을 이용하였으나, 본 발명은 하부 열전소자(5) 및 상부 열전소자(7)를 이용하여 상온에서 온도 제어가 가능하므로써 상온에서 평탄부가 넓은 도 4에서의 0번 곡선을 이용할 수 있게 되고 도4에 도시된 바와 같이 상온에서 ±0.1ppm 이내의 고안정도를 갖게 된다. 이와같이 상온부에서 평탄부를 넓혀서 상온 항온조의 온도 범위를 확대함으로써 온도 제어가 용이하고, OCXO의 생산성이 향상되며, 빠른 시간에 안정화되도록 20℃~30℃사이에 온도 보상 회로(15)를 접목하였다.That is, the conventional OCXO is difficult to control the room temperature, so that the wafer cutting angle having the flat portion at the high temperature portion is used to use the curves 4 or 5 in FIG. 4, but the present invention uses the lower thermoelectric element 5 and the upper thermoelectric element 7. By using the temperature control at room temperature can be used to use the 0 curve in Figure 4 wide flat portion at room temperature and has a design degree within ± 0.1ppm at room temperature as shown in FIG. In this way, the temperature compensation circuit 15 is grafted between 20 ° C. to 30 ° C. so as to widen the temperature range of the room temperature thermostat by expanding the flat part at room temperature to facilitate temperature control, to improve productivity of the OCXO, and to stabilize in a short time.
따라서, 본 발명은 기존의 OCXO의 가장 큰 단점인 상온 기동 시간이 긴 단점을 해결한 것으로, 종래의 고온 항온조인 경우 상온에서 고온으로의 전이 시간이 필요하지만 상온 항온조는 상온 상태이므로 기동시간이 0초에 가깝다. 때문에 이로 인하여 이득은 경시 변화율 및 열적 히스테리시스의 감소이고, 또한 제어에 있어서도 수정 진동자(8)의 평탄점이 가장 넓은 그림 4의 0번 곡선을 사용하므로 제어가 용이하다. 또한 제어 온도 범위를 10℃ 이상으로 확대하기 위하여 온도 보상 회로 (15)를 추가하므로 안정적인 주파수를 빠른 시간내에 접근하도록 되어 있다. 그리고 온도센서 및 ADC를 단일 Chip controllor에 수용하므로 소형화에 용이하도록 되어 있다.Therefore, the present invention solves the shortcomings of the long-term start-up time, which is the biggest disadvantage of the conventional OCXO. In the case of the conventional high-temperature thermostat, the transition time from room temperature to high temperature is required, but the start-up time is 0 ° C since the room temperature is in the room temperature state. Close to seconds. For this reason, the gain is a decrease in the change rate and thermal hysteresis over time, and also in the control, the control is easy because the zero curve of Fig. 4 is the largest in the flat point of the crystal oscillator 8. In addition, since the temperature compensation circuit 15 is added to extend the control temperature range to 10 ° C or more, a stable frequency is approached quickly. In addition, the temperature sensor and ADC are housed in a single chip controllor for easy miniaturization.
수정 발진기 회로(17)는 수정 진동자(8)를 바탕으로 하여 가장 Noise량이 적고 안정적인 콜피츠형 발진 회로를 기본으로 하고, 낮은 Drive Level을 갖는 회로와 최소 Harmonic을 갖는 회로로 구성하며, 출력 버퍼 회로(16)에서는 사용자가 원하는 전기적 Level 특성의 필터 회로가 구성되고, 기 개발된 수정 진동자(8)의 Parameter에 알맞도록 부품이 선정되고 보상단이 구성되어, 기본적으로 50[Ω]임피던스에서 0[dBm]의 사인파가 출력되도록 구성된다.The crystal oscillator circuit 17 is based on the crystal noise oscillator 8 based on the most noise-free and stable Colpitts-type oscillation circuit. The crystal oscillator circuit 17 is composed of a circuit having a low drive level and a circuit having a minimum harmonic, and an output buffer circuit. In (16), a filter circuit having electrical level characteristics desired by the user is configured, and components are selected and compensating stages are configured to fit the parameters of the crystal oscillator 8 that have been developed. dBm] is configured to output a sine wave.
하부 열전소자(5) 및 상부 열전소자(7)는 세라믹 기판상에 펠티어 반도체를 직병렬로 구성되고, 열의 흡수와 반대편의 방열의 기본 구조로 직류 전원의 극성을반대로 하였을 경우 그 동작이 반대로 작용하게 된다. 즉, 종래의 고온 항온조는 발열체만 있으면 구현이 가능하나 상온 항온조는 발열 및 흡열체가 필요하다. 따라서 하부 열전소자(5) 및 상부 열전소자(7)를 사용하여 구성하고, 이를 제어하기 위하여 극성전환 스위칭 회로(19)를 구성하였다.The lower thermoelectric element 5 and the upper thermoelectric element 7 are formed in parallel with Peltier semiconductors on a ceramic substrate. When the polarity of the DC power source is reversed as a basic structure of heat absorption and heat dissipation on the opposite side, the operation is reversed. Done. That is, the conventional high temperature thermostat can be implemented only if the heating element is required, but the room temperature thermostat needs the heat generation and the heat absorber. Therefore, the lower thermoelectric element 5 and the upper thermoelectric element 7 are configured, and the polarity switching switching circuit 19 is configured to control the same.
그리고, 본 발명은 정밀한 제어를 위하여 스위칭 회로(19)를 상온 항온조(4)의 외부에 설치하여, 스위칭 회로(19)의 발열에 의한 오차를 최소화 하도록 구성하였을 뿐만 아니라, 수정 발진기(10)와 SoC(12)의 정전압 공급을 위한 발진기 레귤레이터(11)와 SoC 레귤레이터(13)도 상온 항온조(4)의 외부에 설치하였다.In addition, the present invention is not only configured to minimize the error caused by the heat generated by the switching circuit 19 by installing the switching circuit 19 outside the room temperature chamber 4 for precise control, and the crystal oscillator 10 and The oscillator regulator 11 and the SoC regulator 13 for supplying the constant voltage of the SoC 12 were also installed outside the room temperature chamber 4.
온도의 제어는 통상의 PID 제어가 사용된다. 빠른 온도 변화를 일으키면 과도 현상이 발생하므로 이를 적절히 제거하고 빠른 시간에 설정온도에 도달하면서 그 온도를 지속적으로 유지하는 것이 중요하다. 상온이 아닌 다른 온도에서 천이될 경우 많은 량의 전류가 한꺼번에 흐르고 축열량이 커지게 되므로 과도 현상이 발생하게 된다. 본 발명은 이를 제거하기 위하여 Digital화한 Micro Processor의 PID 제어를 통해 실현시켰다. 종래의 고온 항온조는 발열체만으로 아날로그 제어를 할 경우 과도현상을 피할 수 없다는 단점이 있으나, 본 발명은 Micro Processor를 이용하여 PID 제어를 하므로 정교한 온도제어가 가능하고, 수정 진동자(8)의 주파수 온도 특성을 평탄점이 넓은 곡선을 사용하여 온도 제어 범위가 넓고 안정적이다. 여기에 온도 보상 회로(15)를 탑재하므로 온도의 평탄점 범위를 10℃ 이상으로 넓히므로 생산성이 향상되고 빠른 시동시간을 가지게 된다.Normal PID control is used for temperature control. Rapid changes in temperature can cause transients, so it is important to remove them appropriately and maintain the temperature continuously as soon as the set temperature is reached. If a transition is made at a temperature other than room temperature, a large amount of current flows at once and the amount of heat storage becomes large, thereby causing a transient phenomenon. In order to eliminate this problem, the present invention is realized through PID control of a digitized microprocessor. Conventional high temperature thermostat has the disadvantage that the transient phenomenon can not be avoided when the analog control only by the heating element, but the present invention is capable of precise temperature control by PID control using the Micro Processor, frequency temperature characteristics of the crystal oscillator (8) Using a wide flat point curve, the temperature control range is wide and stable. Since the temperature compensation circuit 15 is mounted here, the flat point range of the temperature is widened to 10 ° C. or more, so that the productivity is improved and the startup time is fast.
그리고 정확한 온도 유지를 위하여 정확하고 안정적으로 온도를 읽어야 하므로 전원 전압 변동에도 안정적으로 온도를 읽어야 하고, 발진단과 가장 유사한 온도를 검출해야 한다. 따라서 발진단과 제어부 Controller는 같은 Layer상에서 근접되도록 단일칩화하여 안정화와 소형화를 동시에 실현하였다.In order to maintain accurate temperature, the temperature must be read accurately and stably, so the temperature must be read stably even when the power supply voltage fluctuates, and the temperature most similar to the oscillation stage must be detected. Therefore, the oscillation stage and the controller controller are realized in a single chip so as to be close in the same layer to realize stabilization and miniaturization simultaneously.
따라서, 본 발명의 온도 제어 방법은 기동시에 온도 센서와 Micro Computer가 내장된 소형 IC의 온도센서에서 수시로 변화되는 현재 온도를 검출하는 1단계와, 상온에서 주파수 온도 특성이 넓은 평탄점을 갖는 수정 진동자(8)와 이 범위를 더욱 확대하는 온도 보상 회로(15)가 추가된 수정 발진기(10)에 상온 범위를 결정하여 프로그램된 설정 온도에 도달하는 2단계와, 설정 온도에 도달하도록 온도 센서와 Micro Computer가 내장된 소형 IC에 프로그램된, 하부 열전소자(5) 및 상부 열전소자(7)에 공급되는 전압을 제어하는 신호를, 통상의 PID 제어계를 통해 온도의 과도 현상을 제거하여, 하부 열전소자(5) 및 상부 열전소자(7)에 전원을 공급하는 스위칭 회로(19)에 전달하는 3단계와, 설정 온도에 도달한 후, 하부 열전소자 (5) 및 상부 열전소자(7)에 전원을 공급하는 스위칭 회로(19)에서 하부 열전소자 (5) 및 상부 열전소자(7)에 공급되는 전압을 조절하여 안정된 온도를 유지시키는 4단계로 구성된다.Therefore, the temperature control method of the present invention is a crystal oscillator having a flat point having a wide frequency temperature characteristic at room temperature and the first step of detecting the current temperature that is frequently changed in the temperature sensor and the temperature sensor of a small IC with a built-in Micro Computer at startup (8) and the crystal oscillator 10 to which the temperature compensation circuit 15 further extends this range determines the normal temperature range to reach the programmed set temperature, and the temperature sensor and the micro to reach the set temperature. The low temperature thermoelectric element is removed by removing a transient of temperature through a conventional PID control system, a signal for controlling the voltage supplied to the lower thermoelectric element 5 and the upper thermoelectric element 7 programmed in a small IC having a built-in computer. (5) and the third step of delivering to the switching circuit 19 for supplying power to the upper thermoelectric element 7, and after reaching the set temperature, the lower thermoelectric element 5 and the upper thermoelectric element 7 is powered. Supply Adjusting the referred voltage supplied to the lower thermal element (5) and an upper thermoelectric element 7 in the circuit 19 and is composed of four steps of maintaining a stable temperature.
또한, 본 발명은 소형의 SMD 부품의 사용을 통하여 소형화를 이루었다. 사용자가 원하는 것은 기존의 OCXO와 동등한 특성에서 소형의 것을 원하고 있으므로 온도 센서와 ADC와 Micro Processor를 단일칩화하고 소형화시켰다.Further, the present invention has been miniaturized through the use of small SMD components. Since the user wants a small one with the same characteristics as the existing OCXO, the temperature sensor, the ADC, and the microprocessor are single-chip and miniaturized.
상기와 같이 본 발명은 전기적으로 기존의 OCXO와 동등 이상의 특성을 가지면서 상온에서 동작하므로 상온 기동시간이 0초인 OCXO를 구성함으로써 경시 변화가 적고 열적 히스테리시스가 적으며 생산성이 향상된다.As described above, the present invention operates at room temperature while having electrical characteristics equivalent to those of the existing OCXO. Thus, by configuring the OCXO having a normal starting time of 0 seconds, the change over time is small, the thermal hysteresis is small, and the productivity is improved.
이와같이 본 발명은 상온 항온조에서의 상온 제어이므로 설정된 온도에 이르는 기동시간이 단축되고, 상온 동작 상태에서는 경시 변화율이 현저하게 줄어들며, 열적 히스테리시스도 적게 나타나는 효과가 있고, 상온 온도 제어로 하부 열전소자 (5) 및 상부 열전소자(7)의 발열 및 흡열 동작을 시키므로 정밀 제어가 가능하고, 통상의 PID 제어를 통한 안정된 온도로 신속정확하게 도달하는 효과가 있으며, 온도 보상 회로(15)를 접목시켜 보다 넓은 온도 평탄점을 가지므로 생산성 및 기동시간이 단축되는 효과가 있고, 디지털 단일칩으로 소형화가 가능한 효과가 있다.As described above, the present invention is a room temperature control in a room temperature thermostat, so that the startup time to a set temperature is shortened, the rate of change over time is significantly reduced in the room temperature operation state, and there is less thermal hysteresis. ) And the heat generating and endothermic operation of the upper thermoelectric element (7), precise control is possible, and has the effect of quickly and accurately reaching a stable temperature through the normal PID control, graft the temperature compensation circuit 15 to a wider temperature Since it has a flat point, productivity and start-up time can be shortened, and the digital single chip can be miniaturized.
그리고, 본 발명의 파급효과로서는, 낮은 스퓨리어스 설계 기술 및 경시 변화율이 적은 수정 진동자(8)의 설계 기술 향상으로 고품질 수정 진동자(8)의 제작 효과가 있고, 수정 진동자(8)의 주파수 온도 특성을 평형에 가깝게 보정함으로써 안정된 주파수를 얻어내는 온도 보상기술을 향상시키는 효과가 있으며, 열전소자의 다양한 응용 분야에 접목 가능성으로 활용 범위가 확대되어 열전소자의 시장 확대 효과가 있고, 미소 공간 온도 제어에 필요한 요소를 찾고 제어함으로써 고속으로 변화하는 미소 공간의 제어 방식을 다른 미소 공간의 온도 제어에 사용할 수 있으므로 온도 제어 기술의 향상 효과가 있다.The ripple effect of the present invention is a low spurious design technique and an improvement in the design technique of the crystal oscillator 8 with a low change rate over time, thereby producing a high-quality crystal oscillator 8 and improving the frequency temperature characteristics of the crystal oscillator 8. By calibrating close to equilibrium, it has the effect of improving the temperature compensation technology that obtains stable frequency.The range of application is expanded by the possibility of incorporating into various application fields of thermoelectric element, which has the effect of expanding the market of thermoelectric element and necessary for micro space temperature control. By finding and controlling the element, the control method of the micro space that changes at high speed can be used for temperature control of other micro spaces, thereby improving the temperature control technology.
또한, 단일칩화의 기술 향상으로, 반도체 시장에서 SoC 관련 사업이 확대되고 이를 응용한 분야가 활성화되어, SoC 시장의 활성화 및 국내 기업의 SoC의 개발촉진의 효과가 있다.In addition, with the improvement of the technology of single chip, SoC related business is expanded in the semiconductor market and the applied field is activated, which has the effect of revitalizing the SoC market and promoting the development of SoC of domestic companies.
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