高稳定度恒温晶体振荡器及提高晶体振荡器稳定度的方法与流程

文档序号:11138047
高稳定度恒温晶体振荡器及提高晶体振荡器稳定度的方法与制造工艺

本发明涉及晶体振荡器技术领域,具体涉及一种高稳定度恒温晶体振荡器及提高晶体振荡器稳定度的方法。



背景技术:

石英晶体振荡器因其低成本、高频率稳定度的特点,一直在电子技术领域中占据着重要地位。尤其是随着信息技术(IT)产业的高速发展,石英晶体振荡器在远程通信、卫星通信、移动电话系统、全球定位系统(GPS)、导航、遥感、航空航天、高速计算机、精密计测仪器及各类消费民用电子产品中,均广泛被用作标准频率源或脉冲信号源。石英晶体振荡器有非常好的短稳特性,且某些长稳较好的晶振,其老化率可以接近甚至超越某些原子频标的水平。高稳定度频率源是高速率、高质量信号传输的保证。随着现代通信技术的发展,尤其是高速率光纤通信技术、无线通信技术的迅速发展,对频率源的稳定度提出了越来越高的要求。石英振荡器有普通晶体振荡器、温度补偿晶体振荡器、压控晶体振荡器以及恒温晶体振荡器等,而在所有的石英晶体振荡器中,频率稳定度最高的是恒温晶体振荡器。在所有需要高精度频率源的场合,恒温晶体振荡器都有潜在的应用价值。

然而,恒温晶体振荡器的频率稳定性主要取决于所用石英晶体的温度稳定性,石英晶体温度的细微变化又将会对恒温晶体振荡器频率稳定性产生较大影响。于是,恒温晶体振荡器利用恒温槽使石英晶体的温度保持恒定,从而将由于周围温度变化引起的振荡器输出频率稳定度的变化降低到最小。在现有技术中,一般的恒温晶体振荡器均采用单一恒温槽进行石英晶体恒温;更高频率稳定度的恒温晶体振荡器则会含有两个恒温槽分别对振荡器内部的石英晶体进行内、外部恒温。目前,为了实现所述的恒温,现有的恒温晶体振荡器要想达到要标称的稳定度,其启动时间一般较长,这主要是因为所采用的加热元件为电阻式加热器件。此外,由于现有的恒温晶体振荡器封装为普通封装形式,其受外部温度变化的影响也较大。因此,现有的恒温晶体振荡器的稳定度限制了其在诸如科学研究、高精度定位以及频率标准应用等场合的应用。

因此,有必要提供一种方法来克服上述缺陷从而提升现有恒温晶体振荡器的频率稳定度,并根据该方法制备而成一种具有高稳定度的恒温晶体振荡器。



技术实现要素:

本发明的一个目的,在于提供一种高稳定度恒温晶体振荡器,该高稳定度恒温晶体振荡器具有较好的频率稳定度。

本发明的另一个目的,在于提供一种提高晶体振荡器稳定度的方法,从而使普通恒温晶体振荡器不仅也能应用于对频率稳定度有高度要求的场合,而且具有较高的启动速度。

为实现上述第一个目的,本发明提供的高稳定度恒温晶振荡器,包括普通恒温晶体振荡器、半导体致热/冷元件(TEC,Thermoelectric cooler)、测温元件及温控电路。所述的半导体致热/冷元件置于普通恒温晶体振荡器之上,测温元件置于TEC元件之下。普通恒温晶体振荡器、TEC、测温元件封装于真空封装外壳内且均与温控电路电连接,温控电路外置于真空封装外壳。

优选地,所述的高稳定度恒温晶振荡器还包括转接电路板,该转接电路板置于普通恒温晶体振荡器之下并封装于真空封装外壳中,所述真空封装外壳设置有引脚,所述普通恒温晶体振荡器、TEC及测温元件的各引脚连接至转接电路板并通过转接电路板与真空封装外壳上相对应的引脚相连;所述温控电路通过真空封装外壳上的引脚与普通恒温晶体振荡器、TEC及测温元件电连接。

优选地,所述的半导体致热/冷元件模块大小大于所述的普通恒温晶体振荡器封装顶部平面尺寸并完全覆盖住所述的普通恒温晶体振荡器的顶部。

优选地,所述的半导体致热/冷元件为二引脚式元件。

优选地,所述的测温元件位于所述的半导体致热/冷元件覆盖所述普通恒温晶体振荡器顶部平面后剩余在外的部分。

优选地,所述的测温元件为负温度系数电阻式测温元件和二引脚式元件。

优选地,所述的真空封装外壳为金属外壳;封装后的真空度低于10Pa。

优选地,所述的真空封装外壳设置有8个引脚。

为实现上述第二个目的,本发明提供了一种提高晶体振荡器稳定度的方法,所述晶体振荡器为普通恒温晶体振荡器。该方法包括如下步骤:

1)将普通恒温晶体振荡器、半导体致热/冷元件、测温元件分别与温控电路进行电连接,并将普通恒温晶体振荡器、半导体致热/冷元件、测温元件一起进行用真空封装外壳进行真空封装,而将温控电路外置于真空封装外壳;

2)利用测温元件测定普通恒温晶体振荡器表面的温度,当测得的温度低于所设定温度时,利用温控电路对半导体致热/冷元件输出正向电流,使其紧贴普通恒温晶体振荡器的一面产生加热效应,从而提升普通恒温晶体振荡器的温度。当测得的温度高于所设定温度时,温控电路对半导体致热/冷元件输出负向电流,使其紧贴普通恒温晶体振荡器的一面产生致冷效应,从而降低普通恒温晶体振荡器的温度;如此反复,使得普通恒温晶体振荡器稳定于所设定温度,所设定温度最好与普通恒温晶体振荡器的工作温度相同,上下浮动不超过1℃;

3)在利用半导体致热/冷元件实现一次恒温之后,普通恒温晶体振荡器的自身电阻式恒温系统将在恒温状态下自动实现快速的二次恒温,从而实现普通恒温晶体振荡器的快速启动。同时,所采用的真空封装也会进一步阻隔恒温晶体振荡器内外的热交换,从而达到进一步提高恒温晶体振荡器的温度稳定度,最终实现频率稳定度的进一步提升。

与现有技术相比,本发明提供的高稳定度恒温晶体振荡器及方法增加了一个真空封装外壳,一个TEC元件和一个测温元件。普通恒温晶体振荡器和TEC元件以及测温元件均位于真空封装外壳内部。由于不破坏普通晶体振荡器封装引脚设置,可以实现普通晶体振荡器自身独立的一次恒温设置;同时,由于采用TEC这一主动加热/致冷器件,并采用真空封装,不仅可以缩短恒温晶体振荡器的启动时间,更可以提高晶体的温度稳定性,从而达到进一步提高普通恒温晶体振荡器的稳定度的目的。本发明提供的高稳定度恒温晶体振荡器及方法,不仅可以用于普通恒温晶体振荡器的稳定度的提高,也可以用于其他各种晶体振荡器的稳定度提高。

附图说明

图1为本发明实施例中的恒温晶体振荡器的总体结构框图。

图2为本发明实施例中的高稳定度恒温晶体振荡器的剖视图(不含温控电路部分)。

图3为本发明实施例中的高稳定度恒温晶体振荡器的俯视图(不含温控电路部分)。

图4为本发明实施例中的普通恒温晶体振荡器的结构俯视图。

图5为本发明实施例中的高稳定度恒温晶体振荡器的仰视图(不含温控电路部分)。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例,对本发明作进一步详细的说明。附图用于解释本发明的实施例,以使本发明变得更清晰,而不是对本发明所作的限制。

从图1及图2可知,本发明的高稳定度恒温晶体振荡器包括真空封装外壳10、半导体制热/冷元件20(TEC20)、普通恒温晶体振荡器30、测温元件40、温控电路50以及转接电路板60。所述的半导体制热/冷元件20(TEC20)置于普通恒温晶体振荡器30上方,其外形比普通恒温晶体振荡器30略大(优选地,其长度和宽度比普通恒温晶体振荡器30封装顶部平面的相应部分长5~15%,这样可使得要求被控制区域的温度均匀性更好和生产成本更低两者之间取得较好的平衡)。采用真空封装外壳10封装时,使用绝热材料70及粘合剂将TEC20固定于真空封装外壳10顶面的内表面上;测温元件40则置于TEC20下方。用于驱动TEC20的导线以及连接测温元件40所用的导线均采用一端设置有接口620的带状线630并与设置在转接电路板60上的接口610相接,从而将TEC20及测温元件40接入转接电路板60上,并通过转接电路板60转接至真空封装外壳10的引脚上。所述的转接电路板60固定于真空封装外壳10底面的内表面上,并将普通恒温晶体振荡器30的引脚也转接至真空封装外壳10的引脚上。

详细地,所述高稳定度恒温晶体振荡器中,通过转接电路板60将所有引脚接至封装外壳10所有的8个引脚上。参考图3及图4,DIP封装的普通恒温晶体振荡器30拥有5个引脚,分别为电子频率控制引脚310、无连接引脚320、接地引脚330、频率输出引脚340以及电源引脚350。参考图3及图5,最终状态下真空封装外壳10的引脚共8个,分别为110、120、130、140、150、160、170和180;其中110与310相连;120与320相连;130与330相连;160与340相连;180与350相连;针对测温元件40,其两个引脚中一个引脚通过一端设置有接口620的带状线630接至普通恒温晶体振荡器30的接地引脚330,而另一引脚则通过一端设置有接口620的带状线630连接至引脚170。TEC20两引脚则分别连接至真空封装外壳10中其他两个引脚140和150。可选地,转接电路板60的大小及设计可以有多种方式,且8引脚的连接也可以有多种方式,目的只是将普通晶体振荡器30的各引脚和TEC20及测温元件40的引脚均连接至真空封装外壳10的8个引脚上。本发明不要转接电路板60也可实现,但需要增加引脚数量才可以满足上述功能要求,从而增加封装的复杂性及不确定性。

参考图2及图3,按上述各连接连接好所有元件后,采用真空封装技术,制作出高频率稳定度恒温晶体振荡器,真空封装时的真空度应低于10Pa,一般要求在0.1Pa~10Pa。在正常工作状态下,所述的恒温晶体振荡器在上电之后,温控电路50将按设定温度对TEC20进行控制。当测温元件40测得的温度低于所设定的温度时,温控电路50将对TEC20输出正向电流,使其紧贴普通恒温晶体振荡器30的一面产生加热效应,从而提升普通恒温晶体振荡器30的温度。当测温元件40测得的温度高于所设定的温度时,温控电路50将对TEC20输出负向电流,使其紧贴普通恒温晶体振荡器30的一面产生致冷效应,从而降低普通恒温晶体振荡器30的温度。如此反复,使得普通恒温晶体振荡器30稳定于所设定温度。具体地,所述的设定温度为普通恒温晶体振荡器30的工作温度值,最多上下不超过1℃,且愈接近普通恒温晶体振荡器30的工作温度值愈好。由于采用了真空封装,可以将内部普通恒温晶体振荡器30的系统与外部隔离开来,以最大限度地降低整个恒温晶体振荡器系统受外部环境温度的影响;

参考图1,所用的测温元件40可以是负温度系数的温敏电阻或者任何负温度系数且精度高的测温元件。所述温控电路50可为固定温度值或采用数模转换器件用CPU进行温度的自动设定控制。

由上可看出,本发明所述的方法增加了一个主动温度调节器件TEC20,该主动温度调节器件TEC20根据测温元件40和温控电路50的反馈结果,进行主动式的加热或致冷。由于TEC20的加热/致冷速率快,从而可以快速达到一级恒温的目的,再通过普通恒温晶体振荡器30内部的被动式恒温系统,可以使石英晶体迅速达到一个非常稳定的状态,从而实现既快速启动又提高频率稳定度的目的。

以上是结合最佳实施例对发明进行了描述,但本发明并不局限于以上揭示的实施例,而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

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