CN110868213B - 一种铷钟微波腔及晶体振荡器的联合控温电路 - Google Patents

一种铷钟微波腔及晶体振荡器的联合控温电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铷钟微波腔及晶体振荡器的联合控温电路，包括：功率管驱动电路、功率晶体管、PTC陶瓷和加热丝。功率管驱动电路包括运算放大器OPAMP、第一电阻R1、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和热敏电阻Rt。加热丝缠绕在微波腔外部，用于给微波腔加热。PTC陶瓷贴在晶体振荡器上，用于给晶体振荡器加热。热敏电阻Rt贴在微波腔上，用于监测微波腔的温度。本发明通过PTC陶瓷和加热丝联联合控温的方式，减小了铷钟微波腔控温和晶体振荡器控温的消耗功率，改善了铷钟的可靠性。

Description

一种铷钟微波腔及晶体振荡器的联合控温电路
技术领域
本发明涉及铷钟技术领域，具体涉及一种铷钟微波腔及晶体振荡器的联合控温电路。
背景技术
铷钟作为二级频标，被广泛应用于各种军民通信***中，其性能指标直接决定产品的授时、同步精度，至关重要。
铷钟的性能指标受温度影响很大，在铷钟内部有三个需要在恒温条件下工作的部件，分别是光谱灯、微波腔和晶体振荡器。因此控温电路是铷钟的重要组成部分。
目前铷钟的控温方式包括采用模拟电路控温、数字电路控温和PTC陶瓷直接加热。传统的模拟电路一般通过运算放大器驱动功率管，把电压全部加在电热丝上进行加热，由于加热丝电流不能完全反向重叠，必将产生剩余磁场，该磁场强度随着加热电流改变，导致铷原子***能级变化，从而影响铷钟的性能指标。在温度平衡后，电流减小，大量无用功耗加载在功率晶体管上，产生的无用热量提升铷钟温度，降低了铷钟的可靠性。数字控温是通过PWM方式控制控温电路中功率管的导通状态，该方式的控温精度高，但是脉冲调制不稳定时可能会引入其他脉冲频率，不仅影响铷钟控制***，还直接干扰输出的10MHz频率，影响铷钟性能。PTC陶瓷是一种具有正温度系数敏感特性的半导体电阻，它的电阻值随温度的升高呈阶跃式增大，所以也可以作为控温使用，但是由于其加热功率很难控制，控温精度很低。
在铷钟内部依据不同的方案会分别采用不同的加热方式，无论哪种方案，均会在牺牲性能和增加功耗方面做出选择。
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术中的不足之处，提供一种铷钟微波腔及晶体振荡器的联合控温电路，即采用传统模拟控温电路结合PTC陶瓷进行联合控温方式，在不增加功耗的同时，保证铷钟的性能指标。
本发明的目的通过以下技术措施实现：
一种铷钟微波腔及晶体振荡器的联合控温电路，包括功率晶体管，还包括PTC陶瓷、热敏电阻Rt和加热丝。
PTC陶瓷贴在晶体振荡器上，热敏电阻Rt贴在微波腔上，加热丝缠绕在微波腔外部，
电源VCC依次通过加热丝和PTC陶瓷与功率晶体管的集电极连接，功率晶体管的发射极与电气地连接，功率晶体管的基极通过第七电阻R7与电气地连接，功率晶体管的基极通过第六电阻R6与运算放大器OPAMP的输出端连接，第五电阻R5和第三电容C3并联后的两端分别与运算放大器OPAMP的输出端和反相端连接，运算放大器OPAMP的反向端分别与第一电容C1的一端、第三电阻R3的一端、第一电阻R1的一端连接，第一电容C1的另一端与电气地连接，第三电阻R3的另一端与输入电压Vin连接，第一电阻R1的另一端与电气地连接，运算放大器OPAMP的同相端分别与第四电阻R4一端、第二电容C2一端和热敏电阻Rt一端连接，第四电阻R4另一端与输入电压Vin连接，第二电容C2另一端与电气地连接，热敏电阻Rt另一端与电气地连接。
所述的热敏电阻Rt为负温度系数的热敏电阻；
第一电阻R1的阻值为6.2K；
第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3的容值均为3300pF；
第三电阻R3和第四电阻R4的阻值均为10K；
第五电阻R5的阻值为200K；
第六电阻R6的阻值为30K；
第七电阻R7的阻值为10K。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
1、本发明结合传统模拟控温电路与PTC陶瓷联合控温的方式，减小了晶体功率管的功耗。
2、使得晶体振荡器的控温更加稳定，保证了铷钟的性能指标。
附图说明
图1示出了一种铷钟微波腔及晶体振荡器的联合控温电路的***框图；
图2示出了一种铷钟微波腔及晶体振荡器的联合控温电路原理图；
图3示出了PTC陶瓷的温度特性曲线。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明提供了一种铷钟微波腔及晶体振荡器的联合控温电路，包括：功率管驱动电路、功率晶体管、PTC陶瓷和加热丝。
功率管驱动电路包括运算放大器OPAMP、第一电阻R1、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和热敏电阻Rt。
加热丝缠绕在微波腔外部，用于给微波腔加热。PTC陶瓷贴在晶体振荡器上，用于给晶体振荡器加热。热敏电阻Rt贴在微波腔上，用于监测微波腔的温度。
电源VCC依次通过加热丝和PTC陶瓷与功率晶体管的集电极连接，功率晶体管的发射极与电气地连接，功率晶体管的基极通过第七电阻R7与电气地连接，功率晶体管的基极通过第六电阻R6与运算放大器OPAMP的输出端连接，第五电阻R5和第三电容C3并联后的两端分别与运算放大器OPAMP的输出端和反相端连接，运算放大器OPAMP的反向端分别与第一电容C1的一端、第三电阻R3的一端、第一电阻R1的一端连接，第一电容C1的另一端与电气地连接，第三电阻R3的另一端与输入电压Vin连接，第一电阻R1的另一端与电气地连接，运算放大器OPAMP的同相端分别与第四电阻R4一端、第二电容C2一端和热敏电阻Rt一端连接，第四电阻R4另一端与输入电压Vin连接，第二电容C2另一端与电气地连接，热敏电阻Rt另一端与电气地连接。
由于在整个电路中，电压电流变化率较小，第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3相当于短路，根据运算放大器的虚短虚断原则。
Figure BDA0002273075750000031
刚开始接通电源时，微波腔和晶体振荡器的温度很低，热敏电阻Rt检测铷钟微波腔的温度，热敏电阻Rt的阻值很大，上述公式中，除Rt外，其他阻值和Vcc均为定值，因此当热敏电阻Rt的阻值很大时，Rt/(Rt+R4)越接近于1，Vout越大，PTC陶瓷表现出很小的电阻值，电源Vcc与功率晶体管集电极之间的激励电流Ic很大，加热丝开始迅速给微波腔加热，同时PTC陶瓷给晶体振荡器加热。在进入平衡状态后，PTC陶瓷与加热丝的串联阻值增加，因而消耗在功率晶体管的功率显著降低。
铷钟微波腔和晶体振荡器的温度逐渐升高，热敏电阻Rt的阻值减小，此时Rt/(Rt+R4)变小，Vout输出减小，PTC陶瓷的阻值基本保持不变。
当PTC陶瓷的温度值达到PTC陶瓷的阶跃温度值后，如图2所示，PTC陶瓷的电阻值突然呈阶跃式增长，此时流过功率晶体管的集电极电流Ic变得很小，其自身的功耗也迅速减小。这里PTC陶瓷相当于开关的作用，减小了耗费在功率晶体管的功率，保证了大部分功率消耗在加热丝给微波腔加热上，PTC陶瓷本身消耗的功率也转化热能，给晶体振荡器加热，起到与加热丝联合控温的作用。
优选的：
运算放大器：OPA317
功率晶体管：2N3904
热敏电阻Rt：负温度系数的热敏电阻
第一电阻R1：阻值6.2K
第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3：容值3300pF
第三电阻R3、第四电阻R4：阻值10K
第五电阻R5：阻值200K
第六电阻R6：阻值30K
第七电阻R7：阻值10K
PTC陶瓷阶跃温度80℃左右。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (2)

1.一种铷钟微波腔及晶体振荡器的联合控温电路，包括功率晶体管，其特征在于，还包括PTC陶瓷、热敏电阻Rt和加热丝，
PTC陶瓷贴在晶体振荡器上，热敏电阻Rt贴在微波腔上，加热丝缠绕在微波腔外部，
电源VCC依次通过加热丝和PTC陶瓷与功率晶体管的集电极连接，功率晶体管的发射极与电气地连接，功率晶体管的基极通过第七电阻R7与电气地连接，功率晶体管的基极通过第六电阻R6与运算放大器OPAMP的输出端连接，第五电阻R5和第三电容C3并联后的两端分别与运算放大器OPAMP的输出端和反相端连接，运算放大器OPAMP的反向端分别与第一电容C1的一端、第三电阻R3的一端、第一电阻R1的一端连接，第一电容C1的另一端与电气地连接，第三电阻R3的另一端与输入电压Vin连接，第一电阻R1的另一端与电气地连接，运算放大器OPAMP的同相端分别与第四电阻R4一端、第二电容C2一端和热敏电阻Rt一端连接，第四电阻R4另一端与输入电压Vin连接，第二电容C2另一端与电气地连接，热敏电阻Rt另一端与电气地连接。
2.根据权利要求1所述的一种铷钟微波腔及晶体振荡器的联合控温电路，其特征在于，所述的
热敏电阻Rt为负温度系数的热敏电阻；
第一电阻R1的阻值为6.2K；
第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3的容值均为3300pF；
第三电阻R3和第四电阻R4的阻值均为10K；
第五电阻R5的阻值为200K；
第六电阻R6的阻值为30K；
第七电阻R7的阻值为10K。
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