一种恒温晶体振荡器及其工作方法与流程

本发明属于恒温石英晶体振荡器技术领域，特别涉及一种恒温晶体振荡器及其工作方法。

背景技术：

恒温晶体振荡器因具有很高的频率稳定度、优异的老化特性，被广泛应用于通信、雷达、导航、遥感及测量仪器中，作为电子系统的频率源或时间基准，其性能高低直接影响甚至决定了电子系统的性能。

恒温晶体振荡器在稳定工作后，其频率在标称频率附近，频率准确度很高，通常优于1e-7。但是，在开机启动时，恒温晶体振荡器的初始频率与标称频率偏差很大，达到几十ppm，这个频率偏差称之为起始频差，它是恒温晶体振荡器的一种固有特性。例如，对于常见的10mhz恒温晶体振荡器，常温下起始频差大约为30ppm，低温下起始频差可能会更大，甚至会超过60ppm。

起始频差的存在对于一些要求开机即能工作的场合来说是致命的。在这种情况下，恒温晶体振荡器输出频率存在两个问题，一是频率与标称频率偏差过大，会导致整机开机阶段工作不正常；二是开机到稳定的这段时间内(一般为几分钟)频率会发生剧烈变化，不稳定，在应用到电台等场合时会由于频率剧烈变化而发生啸叫现象，影响使用。

技术实现要素：

为了至少解决上述技术问题，本发明提供了一种恒温晶体振荡器及其工作方法。

根据本发明第一方面，提供了一种恒温晶体振荡器，包括：

模拟开关，与恒温晶体振荡器的主振级和温补晶体振荡器分别连接，还与温度传感电路连接；稳压电路(1)，分别与控温电路和所述温度传感电路连接；所述恒温晶体振荡器的主振级与隔离缓冲级(1)连接；所述温补晶体振荡器与隔离缓冲级(2)连接，放大输出级与所述隔离缓冲级(1)和所述隔离缓冲级(2)分别连接。

可选的，还包括：

稳压电路(2)，分别与电源和所述模拟开关连接。

进一步地，所述模拟开关，用于在恒温晶体振荡器加电启动时，控制所述恒温晶体振荡器的主振级不工作；所述温补晶体振荡器工作。

进一步的，所述模拟开关，还用于在所述温度传感电路探测出所述恒温晶体振荡器恒温区温度达到恒温点时，控制所述温补晶体振荡器不工作，所述恒温晶体振荡器的主振级正常工作。

优选地，所述控温电路采用比例积分控温电路。

优选地，所述恒温晶体振荡器主振级采用皮尔斯并联振荡电路。

优选地，所述温补晶体振荡器的频率与所述恒温晶体振荡器主振级的频率相同。

另一方面，本发明提供一种恒温晶体振荡器的温度传感电路，包括：

恒温晶体振荡器加电启动，模拟开关逻辑控制输入电平为高电平，开关s1打开s2闭合，控制恒温晶体振荡器主振级不工作，温补晶体振荡器工作，输出为温补晶体振荡器频率；

加电工作后，当恒温区温度超越设定值，热敏电阻rt2阻值小于温度设定值用电阻rset，温度传感电路输出电压变为零，模拟开关逻辑控制输入电平变为低电平，开关s1闭合s2打开，温补晶体振荡器不工作，恒温晶体振荡器主振级工作，输出为恒温晶体振荡器频率。

另一方面，本发明提供一种恒温晶体振荡器的工作方法，包括：

在加电启动的情形下，通过控制模拟开关，控制恒温晶体振荡器的主振级不工作，温补晶体振荡器工作，控制温补晶体振荡器的输出频率通过与其对应的隔离缓冲级电路输入到恒温晶体振荡器的放大输出级，并输出；

在采用温度传感电路探测出恒温区温度达到恒温点的情况下，控制模拟开关，使得温补晶体振荡器不工作，恒温晶体振荡器的主振级所加电压为其工作电压，恒温晶体振荡器主振级的输出频率通过与其对应的隔离缓冲级电路输入到恒温晶体振荡器的放大输出级，并输出。

本发明的有益效果：

本发明恒温晶体振荡器在启动时，采用温补晶体振荡器频率作为输出频率，由于温补晶体振荡器其频率温度稳定度在宽温度范围内优于1ppm，可保证恒温晶体振荡器的起始频差优于1ppm；当恒温区温度升温到接近恒温点时，输出频率切换为恒温晶体振荡器自身的频率，而由于此时处于恒温区的晶体谐振器其温度已很接近恒温点，因此输出频率很接近标称频率。通过这种方法，可将恒温晶体振荡器的起始频差降低，控制在1ppm以内。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中，

图1为本发明提供的一种恒温晶体振荡器的工作方法的流程图；

图2为本发明提供的一种恒温晶体振荡器结构框图；

图3为本发明提供的一种温度传感电路图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

本发明提供一种恒温晶体振荡器的工作方法，如图1所示，包括：

步骤101：在加电启动的情形下，通过控制模拟开关，控制恒温晶体振荡器的主振级不工作，温补晶体振荡器工作，执行步骤102；

在本发明实施例中，当恒温晶体振荡器加电启动时，在模拟开关的控制下，恒温晶体振荡器的主振级所加电压为零，主振级不工作；温补晶体振荡器所加电压为其标称工作电压，温补晶体振荡器工作。

本发明实施例中，设置一个同频率的温补晶体振荡器，其频率温度稳定度在宽温度范围内优于1ppm；另外设置了一个模拟开关，其开关切换时间延迟小于20ns。

可选的，本发明实施例中，将温补晶体振荡器设置在远离发热源的位置，并采取了减小热传递的措施，这样可以使得温补晶体振荡器的温度变化平和，不至于过于剧烈，以此避免温度剧烈变化对温补晶体振荡器输出频率的不利影响。

进一步地，采用超小型温补晶体振荡器，减小温补晶体振荡器自身内部的温度梯度，这样可以使温补晶体振荡器在恒温晶体振荡器开机过程中恒温区温度剧烈变化的情况下在全温区保持其频率温度稳定度。

在本发明实施例中，设置模拟开关时，选用高切换速率、低功耗、低导通电阻的模拟开关。开关逻辑控制输入电压由温度传感电路产生。温度传感电路由热敏电阻和运算放大器构成的比较器组成，该电路的工作原理是，当热敏电阻测得恒温区温度高于某一设定值时，电路输出电压由高电平(+5v)变为零。该温度设定值接近但略低于恒温点温度。

优选地，恒温晶体振荡器主振级采用通用的皮尔斯并联振荡电路。

步骤102：控制温补晶体振荡器的输出频率通过与其对应的隔离缓冲级电路输入到恒温晶体振荡器的放大输出级，并输出。

在本发明实施例中温补晶体振荡器的输出频率首先通过与其对应设置的隔离缓冲级电路进行处理，再输入到恒温晶体振荡器的放大输出级进行处理，输出最终处理得到的频率。

通过这种设置，当恒温晶体振荡器启动时，其输出频率为温补晶体振荡器频率，由于温补晶体振荡器其频率温度稳定度在宽温度范围内优于1ppm，可保证恒温晶体振荡器的起始频差优于1ppm。

步骤103：在采用温度传感电路探测出恒温区温度达到恒温点的情况下，控制模拟开关，使得恒温晶体振荡器的主振级所加电压为其工作电压，温补晶体振荡器不工作，执行步骤104；

在本发明实施例中，在加电启动一段时间后，当温度传感电路探测出恒温晶体振荡器恒温区温度非常接近恒温点甚至达到恒温点时，控制模拟开关的开关状态发生切换，使得恒温晶体振荡器的主振级所加电压为其正常工作电压，而温补晶体振荡器所加电压为零。此时恒温晶体振荡器主振级正常工作；而温补晶体振荡器不工作。

步骤104：恒温晶体振荡器主振级的输出频率通过与其对应的隔离缓冲级电路输入到恒温晶体振荡器的放大输出级，并输出。

在本发明实施例中，恒温晶体振荡器主振级的输出频率首先通过与其对应设置的隔离缓冲级电路进行处理，再输入到恒温晶体振荡器的放大输出级进行处理，输出最终处理得到的频率。

在本发明实施例中，当恒温区温度升温到接近恒温点时，输出频率切换为恒温晶体振荡器自身的频率，而由于此时处于恒温区的晶体谐振器其温度已很接近恒温点，因此输出频率很接近标称频率。通过这种方法，可将恒温晶体振荡器的起始频差控制在1ppm以内。

在本发明实施例中，恒温晶体振荡器中的恒温晶体振荡器主振级与温补晶体振荡器分别设置独立的隔离缓冲级接入到放大输出级，可尽可能减小主振级和温补晶体振荡器之间的互相影响，并保证在恒温晶体振荡器稳定工作后，温补晶体振荡器电路支路对其影响接近于零。

另一方面，本发明实施例提供一种恒温晶体振荡器，如图2所示，包括：

模拟开关，与恒温晶体振荡器的主振级和温补晶体振荡器分别连接，还与温度传感电路连接，稳压电路(1)，分别与控温电路和温度传感电路连接，恒温晶体振荡器的主振级与隔离缓冲级(1)连接，温补晶体振荡器与隔离缓冲级(2)连接，放大输出级与隔离缓冲级(1)和隔离缓冲级(2)分别连接。其中，温补晶体振荡器的频率与恒温晶体振荡器的主振级的频率相同。

进一步地，本发明实施例中，还包括：

稳压电路(1)，分别与电源、控温电路和温度传感电路连接。

进一步地，还包括：

稳压电路(2)，分别与电源和模拟开关连接。

在本发明实施例中，模拟开关，用于在恒温晶体振荡器加电启动时，控制恒温晶体振荡器的主振级不工作；温补晶体振荡器工作。

模拟开关，还用于在温度传感电路探测出恒温晶体振荡器恒温区温度达到恒温点时，控制温补晶体振荡器不工作，恒温晶体振荡器的主振级正常工作。

控温电路采用比例积分控温电路。

优选地，述恒温晶体振荡器主振级采用皮尔斯并联振荡电路。

结合上述的一种恒温晶体振荡器技术方案，下面进行详细阐述：

本发明设置了一个同频率的温补晶体振荡器，其频率温度稳定度在宽温度范围内优于1ppm；另外设置了一个模拟开关，其开关切换时间延迟小于20ns；同时为恒温晶体振荡器主振级和温补晶体振荡器分别设置了各自的隔离缓冲级电路。

当恒温晶体振荡器加电启动时，在模拟开关的控制下，恒温晶体振荡器的主振级所加电压为零，主振级不工作；温补晶体振荡器所加电压为其标称工作电压，温补晶体振荡器工作，其输出频率通过其隔离缓冲级电路输入到恒温晶体振荡器的放大输出级，并最终输出。加电工作一段时间后，当温度传感电路探测出恒温晶体振荡器恒温区温度非常接近恒温点时，模拟开关的开关状态发生切换，使得恒温晶体振荡器的主振级所加电压为其正常工作电压，而温补晶体振荡器所加电压为零。此时恒温晶体振荡器主振级正常工作，其输出频率通过其隔离缓冲级电路输入到恒温晶体振荡器的放大输出级，并最终输出；而温补晶体振荡器不工作。

通过这种设置，当恒温晶体振荡器启动时，其输出频率为温补晶体振荡器频率，由于温补晶体振荡器其频率温度稳定度在宽温度范围内优于1ppm，可保证恒温晶体振荡器的起始频差优于1ppm；当恒温区温度升温到接近恒温点时，输出频率切换为恒温晶体振荡器自身的频率，而由于此时处于恒温区的晶体谐振器其温度已很接近恒温点，因此输出频率很接近标称频率。通过这种方法，可将恒温晶体振荡器的起始频差控制在1ppm以内。

本发明在设置温补晶体振荡器时，充分考虑到恒温晶体振荡器内部在加热过程中温度剧烈变化的情况，为减小温度剧烈变化对温补晶体振荡器输出频率的不利影响，将温补晶体振荡器设置在远离发热源的位置，并采取了减小热传递的措施，这样可以使得温补晶体振荡器的温度变化不至于过于剧烈；另外选用超小型温补晶体振荡器，减小温补晶体振荡器自身内部的温度梯度，这样可以使温补晶体振荡器在恒温晶体振荡器开机过程中恒温区温度剧烈变化的情况下在全温区保持其频率温度稳定度。

在设置模拟开关时，选用高切换速率、低功耗、低导通电阻的模拟开关。开关逻辑控制输入电压由温度传感电路产生。温度传感电路由热敏电阻和运算放大器构成的比较器组成，该电路的工作原理是，当热敏电阻测得恒温区温度高于某一设定值时，电路输出电压由高电平(+5v)变为零。该温度设定值接近但略低于恒温点温度。

恒温晶体振荡器是频率精度很高的器件，其主振级与温补晶体振荡器分别设置独立的隔离缓冲级接入到放大输出级，可尽可能减小主振级和温补晶体振荡器之间的互相影响，并保证在恒温晶体振荡器稳定工作后，温补晶体振荡器电路支路对其影响接近于零。

在本发明中，恒温晶体振荡器主振级采用通用的皮尔斯并联振荡电路；加热控温电路采用比例积分控温电路。

另一方面，基于上述技术方案，本发明还提供一种温度传感电路，如图3所示，包括：

rt2为热敏电阻；rset为温度设定值用电阻；n1为运算放大器；rf、为反馈电阻；r为固定电阻。

恒温晶体振荡器加电启动，由于热敏电阻rt2阻值较大，大于温度设定值用电阻rset，温度传感电路输出+5v高电平；

此时模拟开关逻辑控制输入电平为高电平，开关s1打开s2闭合，恒温晶体振荡器主振级不工作，温补晶体振荡器工作，输出为温补晶体振荡器频率；

加电工作后，当恒温区温度超越设定值，热敏电阻rt2阻值小于温度设定值用电阻rset，温度传感电路输出电压变为零；

此时模拟开关逻辑控制输入电平变为低电平，开关s1闭合s2打开，温补晶体振荡器不工作，恒温晶体振荡器主振级工作，输出为恒温晶体振荡器频率。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

应当理解，以上借助优选实施例对本发明的技术方案进行的详细说明是示意性的而非限制性的。本领域的普通技术人员在阅读本发明说明书的基础上可以对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。