一种恒温环形泛音晶体振荡器的制造方法
【专利摘要】本新型涉及一种恒温环形泛音晶体振荡器，包括：环形振荡电路，以及受恒温控制模块控制的泛音晶体；该环形振荡电路包括：三个环形连接的反相器；其中，第一、第二反相器的输出端分别连接第一、第二高Q串联谐振回路，且所述第二反相器的输入端与第二高Q串联谐振回路的输出端之间连接所述泛音晶体。本实用新型通过三个高速LVC反相器延迟时间与两个高Q串联谐振回路的选频滤波后，微调回路参数，使环路频率与泛音晶体的谐振频率一致，即经其选频滤波后使环路频率受泛音晶体的谐振频率控制，其克服了环形振荡器频率稳定性差的缺点，保证和提高了恒温环形泛音晶体振荡器输出频率的精确度和稳定性。
【专利说明】一种恒温环形泛音晶体振荡器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种晶体振荡器，特别是涉及一种恒温环形泛音晶体振荡器。
【背景技术】
[0002]泛音晶体振荡器作为一种超高频频率源，其广泛应用于定位、通信、计量、遥测等对频率稳定度要求较高的领域，其具有技术指标高、功耗较大、电路复杂的特点。
[0003]目前，泛音晶体振荡器常用的电路结构是环形振荡电路，其基本原理是通过奇数个串联反相器的延时产生振荡信号。环形振荡电路的延时受工艺误差影响很大，导致环形振荡电路的频率随芯片工艺、电源电压和温度的漂移而产生较大偏差，又因其无高Q的选频回路，所出环形振荡电路的频谱纯度也较差。但环形振荡电路具有结构简单，高速、低功耗、低成本及低噪声性能的特点。
[0004]所以需要结合环形振荡电路和泛音晶体振荡器的优势设计一种具有老化率低、温度稳定性好、相位噪声低的高精度恒温环形泛音晶体振荡器。
实用新型内容
[0005]本实用新型的目的是提供一种恒温环形泛音晶体振荡器，其通过环形振荡电路与受恒温控制模块控制的泛音晶体相配合，解决了传统超高频振荡电路的电路复杂、振荡频率准确度和稳定性不高的技术问题。
[0006]为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种恒温环形泛音晶体振荡器，包括:环形振荡电路，以及受恒温控制模块控制的泛音晶体；所述环形振荡电路包括:三个环形连接的反相器；其中，第一、第二反相器的输出端分别连接第一、第二高Q串联谐振回路，且所述第二反相器的输入端与第二高Q串联谐振回路的输出端之间连接所述泛音晶体。
[0007]优选的，为了实现恒温控制的目的，所述恒温控制模块包括:含有热敏电阻的取样电路、由一运算放大器构成的比例积分网络电路、场效应管，以及由所述热敏电阻、场效应管、泛音晶体构成的热耦合单元；所述取样电路适于将热敏电阻采集的热耦合单元的温度转换为相应电压值，并将该电压值输入至运算放大器，该运算放大器通过驱动场效应管，控制场效应管的电流，以实现所述热耦合单元的温度调节。
[0008]优选的，为了准确获取采样电压，所述取样电路采用电桥电路，所述热敏电阻采用负极性电阻，且构成一桥臂。
[0009]优选的，为了起到保护恒温控制模块，避免因电流过大造成场效应管损坏；所述恒温控制模块还包括:限流保护电路，所述限流保护电路包括:晶体管，所述晶体管的集电极与所述比例积分网络电路的输出端相连，该输出端还与一适于提供过流电压信号的限流电阻的第一端相连；所述限流电阻的第二端与场效应管的栅极相连，所述过流电压信号适于经过电阻相应电阻接入至所述晶体管的基极。
[0010]优选的，进一步起到限流保护作用，所述限流保护电路还包括一限流稳压二极管，该限流稳压二极管的阴极与所述栅极相连，其阳极接地。
[0011]优选的，通过压控电压实现谐振频率微调，所述环形振荡电路还包括:适于微调环形振荡电路谐振频率的第一、第二微调电路，所述第一、第二微调电路的输入端分别与适于接入压控电压的电阻网络的两输出端相连；所述第一、第二微调电路的结构相同，且包括:变容二极管，与该变容二极管相串联的电容，所述变容二极管与第一电容串联后与相应的高Q串联谐振回路中的电容并联；所述变容二极管的阴极与所述电阻网络的相应输出端相连。
[0012]优选的，所述第一、第二高Q串联谐振回路电容电路的结构相同，且包括:变容二极管，与该变容二极管相串联的第一电容，所述变容二极管与第一电容串联后与第二电容并联；所述变容二极管的阴极与所述电阻网络的输出端相连，所述第一电容与第二电容所连节点与相应反相器的输入端相连。
[0013]优选的，为了实现方波和正弦波输出，所述环形振荡电路还包括:适于输出方波的第一路输出模块，适于输出正弦波的第二路输出模块；所述第一路输出模块包括:与第三反相器输出端相连的第一输出反相器；所述第二路输出模块包括:与第三反相器输出端相连的第二输出反相器，以及与该第二输出反相器输出端相连的高Q串联谐振回路。
[0014]本实用新型的上述技术方案相比现有技术具有以下优点:
[0015](I)本实用新型通过三个反相器延迟时间与两个高Q串联谐振回路的选频滤波后，微调回路参数，使环路频率与泛音晶体的谐振频率一致，即经其选频滤波后使环路频率受泛音晶体的谐振频率控制，其克服了环形振荡电路频率稳定性差的缺点，保证和提高了恒温环形泛音晶体振荡器输出频率的精确度和稳定性。
[0016](2)通过在环形振荡电路中设置第一、第二微调电路微调泛音晶体的谐振频率，保证了恒温环形泛音晶体振荡器输出频率的准确度。
[0017](3)恒温环形泛音晶体振荡器分别输出方波和正弦波，满足了使用中对波形的不同要求。
[0018](4)通过功率场效应管直接加热泛音晶体，以及晶体管和稳压二极管双重限流保护措施，杜绝过加热及温度控制模块的损坏现象，提高了温度控制模块的可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]为了使本实用新型的内容更容易被清楚的理解，下面根据的具体实施例并结合附图，对本实用新型作进一步详细的说明，其中
[0020]图1是恒温环形泛音晶体振荡器的电路原理图；
[0021]图2是恒温环形泛音晶体振荡器中的恒温控制模块的电路原理图。
【具体实施方式】
[0022]为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合【具体实施方式】并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本实用新型的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本实用新型的概念。
[0023]图1示出了恒温环形泛音晶体振荡器的电路原理图。
[0024]图2示出了恒温环形泛音晶体振荡器中的恒温控制模块的电路原理图。
[0025]如图1和图2，一种恒温环形泛音晶体振荡器，包括:环形振荡电路，以及受恒温控制模块控制的泛音晶体。
[0026]所述环形振荡电路包括:三个环形连接的反相器，即第一反相器IC1、第二反相器IC2、第三反相器IC3 ;其中，第一、第二反相器的输出端分别连接第一、第二高Q串联谐振回路，且所述第二反相器IC2的输入端与第二高Q串联谐振回路的输出端之间连接所述泛音晶体X。
[0027]所述第一、第二高Q串联谐振回路的电路可以采用相同的结构，例如第一高Q串联谐振回路由电感L1、电容Cl构成，第二高Q串联谐振回路由电感L2、电容C2构成。
[0028]具体的，所述环形振荡电路输入的5V电压经电感L及电容C5、电容C6组成的电源滤波电路滤波后，由AS1117(3.3V)稳压至3.3V，再由电容C7、电容C8、电容ClO及电容Cll电源滤波后供给LVC反相器。第一反相器ICl的输出接由电感L1、电容Cl构成的第一高Q串联谐振回路，该串联谐振回路输出接第二反相器IC2的输入端；同样，第二反相器IC2的输出接由电感L2、电容C2构成的第二高Q串联谐振回路，其输出接第三反相器IC3的输入端，而第三反相器IC3的输出接ICl的输入端，从而三个(奇数)反相器环形连接构成环形振荡电路。
[0029]进一步，所述第一反相器ICl、第二反相器IC2、第三反相器IC3分别采用高速LVC反相器。用奇数个反相器(所述环形振荡电路选用3个反相器)构成的环形振荡电路，只要满足环路的开环增益足够大，而且输出相对于输入有一定的时延。即，处于初始状态时的反相器的输出电压Uici = O, Uic2 = I，Uic3 = O ;在t = O时亥lj，弟一反相器ICl的输出发生反转；设每级的延迟时间均为τ d，经过2 τ d时间后，此变化经第三反相器IC3输出反馈到第一反相器ICl的输入端，再经过τ d的延迟，在时间t = 3 τ d时，第一反相器ICl的输出电位发生反转，此后连续不断，进而形成振荡。
[0030]设所述环形振荡电路的振荡频率由每级反相器的延迟时间τ d和反相器的级数η决定，则必有f = 1/2η τ d,式中η为奇数。故得到最闻振荡频率，从最简电路结构及最小噪声的要求考虑，故本实用新型选择了最为典型的三级反相器结构。可选的，本实用新型采用的高速LVC反相器可以选用74LVC04，或74LVC1G04，74LVC2G04，根据数据手册中所给的τ d典型值为2ns，它是在负载电阻为500 Ω，负载电容为50pF情况下测得的，故采用图1所示的三反相器结构环形振荡电路的^在3.3￥工作时的Td远小于2ns。因此，在本实用新型的调试过程中，测得Td< 1ns，故最高振荡频率约为160MHz，与实际测量相符合。
[0031]由于振荡在一个没有选频回路的反馈环路中产生的，所以只依赖三个反相器的环形振荡电路的频率随电源电压、环境温度的变化漂移较大，频谱纯度也很差。但环形振荡电路具有集成度高、高速、低功耗、低噪声的优良性能。本实用新型通过在环形振荡电路中设置高Q串联谐振回路与三级反相器的延迟时间^共同作用，微调其回路参数使其调谐在泛音晶体的奇次谐波上(三次、五次或七次)，使环形振荡电路振荡在泛音晶体X的奇次谐波上，通过三级反相器时间延迟及第一、第二高Q串联谐振回路的选频滤波，反相器输出电位反转，构成恒温泛音晶体的高稳定振荡。获得高精度的振荡频率，同时降低电路复杂性，减小功耗、误差和噪声，提高输出频率的精度。
[0032]作为一种优选的实施方式，如图1所示，所述环形振荡电路还包括:适于微调泛音晶体振荡器谐振频率的第一、第二微调电路，所述第一、第二微调电路的输入端分别与适于接入压控电压的电阻网络的两输出端相连；所述第一、第二微调电路的结构相同，且包括:变容二极管D1、D2，与该变容二极管D1、D2相串联的电容C3、C4，所述变容二极管D1、D2与该电容D1、D2串联后与相应的高Q串联谐振回路中的电容C1、C2并联；所述变容二极管D1、D2的阴极与所述电阻网络的相应输出端相连。
[0033]具体的，所述电阻网络包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5或电阻R6，其用于控制变容二极管D1、D2的反相电压值，使两变容二极管D1、D2等效电容变化，实现微调其振荡频率，保证泛音晶体振荡器的准确度，也可在小范围内调整输出频率的偏移值。
[0034]所述环形振荡电路还包括:适于输出方波的第一路输出模块，适于输出正弦波的第二路输出模块；所述第一路输出模块包括:与第三反相器输出端相连的第一输出反相器IC4 ;所述第二路输出模块包括:与第三反相器输出端相连的第二输出反相器，以及与该第二输出反相器IC5输出端相连的高Q串联谐振回路。
[0035]如图2所示，所述恒温控制模块包括:含有热敏电阻RT的取样电路、由一运算放大器IC构成的比例积分网络电路、场效应管FET，以及由所述热敏电阻RT、场效应管FET、泛音晶体X构成的热耦合单元2 ;所述取样电路适于将热敏电阻采集的热耦合单元2的温度转换为相应电压值，并将所述电压值输入至运算放大器1C，该运算放大器IC通过驱动场效应管FET进行温度调节。具体的，所述运算放大器IC通过驱动场效应管FET，控制场效应管FET的电流，以实现所述热耦合单元2的温度调节。
[0036]所述取样电路为电桥电路，其中，所述热敏电阻RT构成一桥臂，且该热敏电阻RT采用负极性电阻。其余桥臂分别由电阻R1’、电阻R2’、电阻R3’构成。
[0037]如图2所示，所述恒温控制模块的电路工作原理包括:输入电压VCC经电感L’、电容C7 ’、电容ClO ’及电容Cl I’组成的电源滤波电路滤波后，送入恒温控制模块；且该输入电压VCC再经由电阻R6’、稳压管D3’及电容C5’组成的稳压与滤波电路后供给由电阻R1’、电阻R2’、电阻R3’及热敏电阻RT组成的用于温度测量的所述电桥电路。该电桥电路中电阻R1’、电阻R2’的分压经电阻R4’送运算放大器IC的反相输入端，电桥电路中的电阻R3’、热敏电阻RT的温度电压信号经电阻R5’送运算放大器IC的同相输入端。因热敏电阻RT为负温度系数热敏电阻，运算放大器IC的输出端经电阻R9’及电阻R11’驱动功率场效应管，电流流过功率场效应管使其发热，且发热与流过功率场效应管的电流成比例，通过功率场效应管对泛音晶体X及热敏电阻RT加热。图中电容Cl’、电阻R7’及电容C2’、电阻R8’、运算放大器IC构成比例积分网络电路；电容C3’、电容C4’为滤波电容，用于抑制干扰。
[0038]由于热敏电阻RT为负温度系数，故接通电源起动加热时，阻值很大，经运算放大器IC放大后的输出驱动功率场效应管的电压高，流过功率场效应管的电流大，故加热量大。随着温度的升高，热敏电阻RT的阻值下降，则驱动功率场效应管的电压降低，流过功率场效应管的电流减小，导致加热温度降低。调节负反馈温控电路的参数，可将恒温控制模块的加热温度控制在泛音晶体的温度拐点，此时晶体谐振频率受温度影响最小。
[0039]所述恒温控制模块还包括:限流保护电路，所述限流保护电路包括:晶体管T，所述晶体管T的集电极与所述比例积分网络电路的输出端相连，该输出端还与一适于提供过流电压信号的限流电阻R11’的第一端相连；所述限流电阻RH’的第二端与场效应管FET的栅极相连，所述过流电压信号适于经过相应电阻(电阻R13’、电阻R12’ )接入至所述晶体管T的基极。
[0040]所述限流保护电路还包括一限流稳压二极管D4’，该限流稳压二极管D4’的阴极与所述栅极相连，其阳极接地。
[0041]具体的，图2中所述限流电阻RH’还提供过流电压信号，该电压信号通过电阻R15’、电阻R12’加至晶体管T(也可以称为限流晶体管或限流三极管)的基极。电阻R13’具有分压作用，电容CS’具有滤波作用。当加热电流过大时，电阻Rll的端电压升高至某一限定值时，晶体管T开启导通，连接电阻R9’的集电极电压下降而导致加至功率场效应管栅极的电压受限，限制加热功率场效应管的电流不能大于设定值。此外，图中限流稳压二极管D4’也起保护作用，它限制加热功率场效应管的栅极电压不能超过该稳压二极管的稳压值。采用三极管和稳压二极管双重限流保护措施，大大提高了温度控制模块的可靠性。
[0042]以下是本实用新型的恒温环形泛音晶体振荡器具体实施的性能参数测试。
[0043]采取上述措施选用10MHz的泛音晶体，设计10MHz的恒温环形泛音晶体振荡器。初步测得部分指标如下:
[0044]⑴输出特性
[0045]①频率100.0000000MHz
[0046]②准确度(I X 10_7 (以铷频标为参考)
[0047]③波形1、方波电平LVCMOS
[0048]I1、正弦波电平彡1Vp_p
[0049](2)电调谐特性
[0050]压控电压范围O?5V时，频率调节范围±6X10_7?± I X 10_6 (相对于中心频率)。
[0051]⑶频率稳定度特性
[0052]①短期稳定度(阿伦方差)< 8X 10_n/lS
[0053]②温度特性温度变化(TC?+65 °C时频率波动< 3 X 10_8
[0054]③相位噪声带宽IKHz时< -HOdBc
[0055]以上指标仍有很大的改善空间，将其作为标准参考频率源应用于相关设备中，可提高设备的综合性能。
[0056]应当理解的是，本实用新型的上述【具体实施方式】仅仅用于示例性说明或解释本实用新型的原理，而不构成对本实用新型的限制。因此，在不偏离本实用新型的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。此外，本实用新型所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
【权利要求】
1.一种恒温环形泛音晶体振荡器，其特征在于，包括:环形振荡电路，以及受恒温控制模块控制的泛音晶体； 所述环形振荡电路包括:三个环形连接的反相器，其中 第一、第二反相器的输出端分别连接第一、第二高Q串联谐振回路，且所述第二反相器的输入端与第二高Q串联谐振回路的输出端之间连接所述泛音晶体。
2.根据权利要求1所述的恒温环形泛音晶体振荡器，其特征在于， 所述恒温控制模块包括:含有热敏电阻的取样电路、由一运算放大器构成的比例积分网络电路、场效应管，以及由所述热敏电阻、场效应管、泛音晶体构成的热耦合单元； 所述取样电路适于将热敏电阻采集的热耦合单元的温度转换为相应电压值，并将该电压值输入至运算放大器，该运算放大器通过驱动场效应管，控制场效应管的电流，以实现所述热耦合单元的温度调节。
3.根据权利要求2所述的恒温环形泛音晶体振荡器，其特征在于，其特征在于，所述取样电路采用电桥电路，所述热敏电阻采用负极性电阻，且构成一桥臂。
4.根据权利要求3所述的恒温环形泛音晶体振荡器，其特征在于，所述恒温控制模块还包括:限流保护电路， 所述限流保护电路包括:晶体管，所述晶体管的集电极与所述比例积分网络电路的输出端相连，该输出端还与一适于提供过流电压信号的限流电阻的第一端相连； 所述限流电阻的第二端与场效应管的栅极相连， 所述过流电压信号适于经过相应电阻接入至所述晶体管的基极。
5.根据权利要求4所述的恒温环形泛音晶体振荡器，其特征在于，所述限流保护电路还包括:限流稳压二极管，该限流稳压二极管的阴极与所述栅极相连，其阳极接地。
6.根据权利要求1所述的恒温环形泛音晶体振荡器，其特征在于，所述环形振荡电路还包括:适于微调环形振荡电路谐振频率的第一、第二微调电路，所述第一、第二微调电路的输入端分别与适于接入压控电压的电阻网络的两输出端相连； 所述第一、第二微调电路的结构相同，且包括:变容二极管，与该变容二极管相串联的电容，所述变容二极管与该电容串联后与相应的高Q串联谐振回路中的电容并联； 所述变容二极管的阴极与所述电阻网络的相应输出端相连。
7.根据权利要求1-6任一所述的恒温环形泛音晶体振荡器，其特征在于:所述环形振荡电路还包括:适于输出方波的第一路输出模块，适于输出正弦波的第二路输出模块； 所述第一路输出模块包括:与第三反相器输出端相连的第一输出反相器； 所述第二路输出模块包括:与第三反相器输出端相连的第二输出反相器，以及与该第二输出反相器输出端相连的串联谐振回路。
【文档编号】H03B5/04GK204068868SQ201420519313
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2014年9月10日 优先权日:2014年9月10日
【发明者】梅冬, 朱立, 王勇, 唐静, 陈永泰 申请人:常州国光数据通信有限公司