毕业设计（论文）-小型高稳恒温晶体振荡器.doc

目 录第一章 绪 论11.1课题背景11.2恒温晶体振荡器发展现状1第二章 晶体振荡电路的分析与设计42.1恒温晶体振荡器工作原理42.2恒温晶体振荡器对石英谐振器的要求52.3 晶体振荡电路设计原理72.4 恒温晶体振荡器中压控振荡电路设计9第三章 控温电路的设计133.1 控温电路的概述133.2 控温电路的设计14第四章 恒温槽的设计174.1 恒温槽的基本类型174.2 恒温槽内温度场分析184.3 恒温槽结构的设计19第五章 恒温晶振的研制与测试215.1 恒温晶体振荡器的装配215.2 恒温晶体振荡器主要技术指标215.3 性能测试及其分析22后 记25参 考 文 献26小型高稳恒温晶体振荡器第一章 绪 论1.1课题背景20世纪20年代初，国外第一台石英晶体振荡器（简称晶振）问世以来，迄今70余年，其作为稳定的频率源获得了广泛的应用。随着科学技术的迅速发展，国内外晶体振荡器性能优异，类型之繁多，应用领域之广泛，皆远非昔日可比。 广泛的应用领域，如长途市话通讯，地面，航海和航空移动目标通讯，卫星通讯，雷达导航测控，均需采用各类晶振作为频率控制标准信号源；又如射电天文，近代物理实验，精密时频测量精密频率综合器等电子仪器，皆有赖高稳晶振提供精密的频标和时基；再如，作为精密时频一级标准的地面和星载原子钟，也必须采用高性能的伺服晶振，否则，就难于构成性能最佳的一级原子频标。总之，现代电子系统和设备以及精密时频计量等必须频率控制和管理的领域中，类型繁多的各种晶振，业已获得广泛应用，并占有素称“心脏”的显要地位。恒温晶体振荡器（oven controlled crystal oscillator 简称 ocxo）是目前频率稳定度和精确度最高的石英晶体振荡器。它在老化率、温度稳定性、长期稳定度和短期稳度等方面的性能都非常好，作为精密时频信号源被广泛应用在全球定位系统、通信计量、遥测遥控、频谱及网络分析仪等电子仪器中。 随着通信技术的不断提高，对恒温晶振提出了更高的要求，使其不断向着小尺寸、片式化、高精度、高稳定、低功耗和启动快方向发展.1.2恒温晶体振荡器发展现状国外已经定型生产的 1120s 型低噪声 5mhz 恒温晶体振荡器、采用 sc 切 to 封装石英谐振器的hp-10811a/b小型10 mhz恒温晶体振荡器，采用5次泛音at切bva石英谐振器的 3601 型恒温晶体振荡器，采用 5 次泛音 sc 切石英谐振器的高稳定度低噪声 100 mhz 恒温晶体振荡器，sc 切 500 mhz 甚高频高稳定度恒温晶体振荡器，bt切 1.5 ghz 恒温晶体振荡器，均具有较高的性能指标。 随着新技术、新工艺、新材料的发展，高稳定度恒温晶体振荡器的发展相当迅速，特别是进入 90 年代，恒温晶体振荡器的日老化率，年漂移，时域稳定度，频域稳定度，开机特性，温度频差均提高了一个数量级以上；加速度灵敏度，辐射灵敏度改善了 2 个数量级以上；而功耗降低到 1/10，体积减小到 1/20；重量减轻到 1/10；价格却下降到 1/2 左右。其性能价格比的提高是十分巨大的。表 1.1 是当前国外恒温晶振的主要技术指标我国 60 年代初开始研制恒温晶振，1964 年研制出了日老化率达 10-910-10量级的高稳晶振，频率局限于 100 khz，1 mhz、5 mhz。60 年代中期和 70 年代中期发展比较缓慢。从 70 年代末开始，我国恒温晶振的研制与生产从性能指标、品种规格到工作频率各方面均得到迅速的发展。但整体水平与国外同时期水平相比仍具有较大差距。表 1.2 是国内恒温晶体振荡器的主要技术指标。公司 型号频率范围 频率温度 稳定度体积mm3corning c450010mhz40mhz20ppb -20701mhz80mhz 10ppb -207025.425.411.2525.725.713.2vectron oc2603mhz20mhz 5ppb -3065353518motoroca kxnxxxxonspec oso-po?-b005 osciuators1mhz30mhz 5ppb 050363025050表 1.2 国内恒温晶振主要技术指标-公司型号频率范围 频率度稳定度体积 mm3科瑞思特电子ox97系列4mh10mhz30ppb-555 505019瑞华欣科技公司ocxo820系列5mhz/10mhz30ppb -555505030泰和特电子oc2010mh100mhz10ppm -2070383820天马电讯ocxo-t2538.88mhz 50ppb 050252515恒温晶振具有良好的开机特性，长、短期频率稳定度高，相位噪声小，但价格昂贵，因此适用于对频率稳定度要求较高的电子设备及精密测量仪器等。此外恒温晶振加温时间较长、体积和功耗也较大，这就限制了它的应用范围。快速加温小型恒温晶振的研制是恒温晶振的发展方向。第二章 晶体振荡电路的分析与设计晶体振荡电路的基本功能就是通过石英谐振器，把外部供给的直流电源能量转变成具有一定振荡频率、振荡输出幅度和频率稳定度的交流电能。由于恒温晶体振荡器频率稳定度较高，除了在控温电路方面要达到一定的控温精度外，还要求晶体振荡电路本身也具有较高的频率稳定度。因此，我们围绕着提高振荡电路本身的稳定性和尽量减小振荡电路的体积这两个目标设计振荡电路。图.at 切谐振器的频温曲线2.1恒温晶体振荡器工作原理石英谐振器在实用中最首要的问题就是频率温度特性。当石英谐器的工作温度变化时，其晶格发生变形，从而导致频率变化。石英谐振器的频率温系数虽然较小，但仅限于较窄的温度范围。当温度范围较宽时，所有切型石英谐振器频率都随温度而有一定的变化。例如 at 切石英谐振器相对频偏与温度的关系如：(2.1)图 2.2恒温晶振的基本结构框图式中，t 为谐振器的温度，t0 为参考温度， f0为参考温度点的频率， a0、b0、c0 分别为谐振器的一次、二次、三次温度系数。式(2.1)所描述的 at 切谐振器的频温曲线如图 2.1，可看到 at 切谐振器的频温特性为三次曲线，在-40+100温度围内频率变化达到 10-5 量级。由于振荡电路的电阻和电容的温度系数对频率影响相对很小，因此，晶体振荡器的频温特性主要由石英谐振器的频温特性决定。故用 at 切谐振器制作的石英晶体振荡其频率随温度变化的关系，在宽温度范围内也为三次函数关系。为了减小温度变化对晶体振荡器频率的影响,就必须对石英谐振器进行精确的温度控制。从图 2.1 可看出 at 切谐振器频温曲线图上有两个零温度系数点（低温拐点 t1和高温拐点 t2），若能把石英谐振器温度稳定在一定的范围内，同时使控制温度与晶体的拐点温度相匹配，从而充分发挥在拐点温度附近晶体的频率温度系数最小的特性，以提高晶振的频率稳定度，这种用温度控制的晶体振荡器就称恒温晶体振荡器。在恒温晶体振荡器中，选择控制温度应高于所有条件下的环境温度，因此，一般取其高温拐点t2 作为控温点。 恒温晶体振荡器的基本结构框图可用图 2.2 表示。温度控制电路根据温度传感器所测得的温度对恒温槽内的温度进行控制，使恒温槽内石英谐振器的温度稳定在石英谐振器的拐点温度处，从而充分发挥拐点温度附近石英谐振器的频率温度系数最小的特性，以提高频率的稳定度。目前，ocxo 的老化率可达到 10-12 /天，接近铷原子钟的水平，比铯原子钟和氢原子钟低 2 个数量级。虽然晶体振荡器还不能完全替代原子钟，但由于它的价格相对原子钟低，而且寿命较长，短稳性能好，因而被广泛用于精密测量仪器仪表、通讯机站等对频率稳定度要求很高的场合。恒温晶体振荡器主要组成部分：为了获得较高的频率稳定度，一般恒温晶体振荡器都包括以下几个基本组成部分。（1）高精密的石英谐振器（2）稳定的振荡电路（3）结构完善、温控良好的精密恒温箱。精密恒温箱是由恒温槽，温度控制电路及其它辅助装置组成的恒温系统。2.2恒温晶体振荡器对石英谐振器的要求图 2.3at 切谐振器频率温度特性与切角的关系对于高稳定度的恒温晶体振荡器，它对石英谐振器的要求比普通晶体振荡器要高的多。(1)晶体的q值高这点对于提高频率的稳定度，抑制噪声电平、提高频谱纯度等都极为有利。(2)老化率小影响恒温晶振长期稳定度的首要原因就是石英谐振器的老化。(3)频率温度系数小将水晶材料严格按某种方位和切法切割，就可以得到特定的晶体类型。目前广泛采用的切型有 at、bt、ct、dt、gt、sc 等。切型不同，其频率随温度变化的曲线也各不相同。gt 切虽在较宽的温度范围内有较好的频率温度特性，但它体积较大、结构复杂、加工困难，目前很少采用。at 切的频温特性也较好，为三次曲线，在较宽的温度范围内（5585）频率变化较小，是目前广泛采用的一种切型。sc切谐振器具有应力、温度双重补偿等优点。故 at 切和 sc 切是高稳晶体振荡器中常用石英谐振器的切型。由于 sc 切谐振器频谱比较复杂，可以同时工作在 a、b、c三种振动模式，而被采用的仅是 c 振动模式，其它不需要的振荡模式必须加于抑制，因此电路比较复杂。故本课题中我们选用 at 切谐振器。石英谐振器的频率温度特性与晶体的切型密切相关。即使在同一切型下，晶体的谐振频率温度特性也随着切角的变化而变化。图2.3 表示了不同切角 at 型石英谐振器的频率温度关系曲线。图 2.4 at 切谐振器的热过冲at 切谐振器的显著特点是它的振荡频率与温度的关系呈近似的三次函数关系，具有零温度系数点，且零温度系数点大致落在大气环境温度的范围内。因此，用 at 切谐振器做成的振荡器具有较好的频温特性，且在较宽的温度范围内频温关系始终为三次函数关系。根据不同的工作温度范围，可以适当调整切角，使其频率随温度的变化为最小。at 切谐振器的缺点之一是存在较大的频率热过冲现象,如图2.4 所示。热过冲是由于石英晶片内温度梯度所产生的热应力引起的。因此，当用恒温槽对石英谐振器加热时，若令热量从导热率最大的方向流入石英片，则热过冲现象可以减弱。at 切谐振器的另一缺点是幅频效应较大，如图 2.5 所示。幅频效应是指谐振器的振荡频率与振荡幅度有关。幅频现象也基本上是来源于石英晶片中的热应力。图 2.5 at 切谐振器的幅频效应鉴于 at 切晶体的上述缺点，在电路设计中，应避免给晶体过强的激励电平。另外，在测量晶体的频温特性时，为了避免 at 切晶体因热过冲导致测量误差，环境温度变化不可过快。(4)合适的激励电流激励电流指的是流过石英谐振器的电流。在激励电流过大情况下，当激励电流变化时，频率稳定度显著变坏。然而由于噪声电平的限制，激励电流也不能取得过小，否则会使瞬稳变坏。超过额定的激励电流会产生以下不良影响： 频率漂移、长稳变坏。 引起石英谐振器的温度变化。 产生和加强寄生频率。在规定的激励电流内只引起主振频率，当激励电流较高时，其它振荡模式也可能满足振荡条件，因此就产生了寄生振荡。 等效电阻加大。随着激励电流的增高，内部分子运动加剧，使等效电阻加大，有效q值下降。 激励电流取得过高有使晶体振荡器振坏的危险。总之，激励电流过高使晶体振荡器的频率稳定度变坏。要使晶振具有良好的稳定度必须严格控制激励电流 。(5)合适的负载电容cl晶体的负载电容就是从晶体引脚两端向振荡电路方向看进去的全部有效电容，负载电容与晶体一起决定晶体振荡器的工作频率，它是直接影响频率稳定度的重要因素。(6)合适的晶体频差晶体的频差对晶体振荡器的指标也有很大影响，若晶体频差选得过大，则负载电容太小，根据前边的讨论，频率稳定度就会变坏。若晶体频差选得太小，虽有利于提高频率稳定度，但这样对晶体制造公差要求过于严格，给晶体的成批生产造成困难,同时也会使频率调整范围大大下降，甚至根本不能调整。总之，高稳恒温晶振中对石英谐振器的要求是：q值高，rq 、c0 、cq 小，真空度高，频率温度系数小，拐点温度合适，老化小，晶体频差合适，激励电平合适。本课题，我们采用的石英谐振器为 38.88 mhz at 切、三次泛音、镀银电极、金属壳封装。有了质量优良的石英谐振器后，就可用其构成高性能的振荡电路。2.3 晶体振荡电路设计原理图 2.6正反馈放大电路框图正弦波振荡电路是一个没有输入信号的带选频网络的正反馈放大电路，如图 2.6 所示，在电路输入端，外接一定频率的输入正弦波信号，经过放大电路的放大和反馈网络的传输，在反馈网络的输出端输出反馈信号如果和的大小和相位都一致，那么当0 时, 也是有同样的输出的,因此有: (2.2) 或 （2.3） 当满足振幅平衡条件： 和相位平衡条件：.时，电路达到平衡。当网络包含一个具有选频特性的网络时，电路将只在所选频率下满足相位平衡条件，因而电路就会稳定工作在这一频率。图 2.7晶体振荡器可以看作为一个由放大器和含有晶体的反馈网络构成。在接通电源之后，晶体振荡器的振幅不断增大直到由于器件的非线性作用使环路增益减小到1为止。具有较大电抗频率特性的晶体在反馈网络中极大地影响着振荡频率。由于晶体的阻抗随频率迅速变化，以至于其它元件和它比起来可看作不变，因此振荡频率会自动调整直到晶体给电路提供一个满足相位要求的电抗，振荡将稳定在此频率上。在图 2.7 所示电路中，三极管构成放大电路，晶体置于反馈网络中,并与电路中其他电抗元件构成并联谐振回路。晶体振荡在略高于串联谐振的频率上，此时晶体呈感性。按晶体与晶体管三个电极的不同连接方式，并联型晶振可分为 c-b(皮尔斯)电路、e-b(密勒)电路和 c-e 电路三种类型。其中 c-b 电路应用较多,按其接地点的不同，又可分为射极接地（皮尔斯）电路，集电极接地（柯尔匹兹）电路和基极接地（克拉普）电路三种。本课题是采用射极接地（皮尔斯）电路作为主振电路。它们都可用图 2.8 所示的等效电路来表示。图 2.8射极接地（皮尔斯）电路的等效电路由图2.7可得 (2.4) 电路的环路增益为 (2.5)当振荡器工作在稳态时，将振幅平衡条件：和相位平衡条件：.代入式（2.5）得 (2.6)这就是复数振荡方程。只要将阻抗z1，z2，z3代入方程，就可以对振荡器进行分析。已知晶体可等效为电阻re和感抗 jxe 的串联，因而从晶体的两个端子往外看，外电路必然等效为一个负电阻与一个容抗的串联，于是整个振荡器可等效如图 2.9 所示。图中，rn 是外电路等效的负电阻，cl是外电路的等效电容。图 2.9 并联振荡器等效电路产生稳幅振荡的条件是： ze = -zcl (2.7)即有相位平衡条件：jxe = - jxcl (2.8)和振幅平衡条件：re =- rn (2.9)图 3.0门电路 在电路中，由于晶体作为一个等效电感，它的lq 非常大，使得等效q值极高，而其他元件和杂散参数对振荡频率的影响非常小，因此，晶体振荡器的频率稳定度很高。所以本课题采用门电路来构成振荡电路，如图 3.0所示。电阻 rb 起到偏置反向器的作用，使反向器工作在线性放大区，产生必要的增益，同时使信号相移 180，加上晶体与 c1，c2 组成型网络产生的 180相移，从而总相移达到360，因此满足振荡的两个基本条件。这种门振荡器具有元件数目少生产工艺简单和价格低廉等优点。2.4 恒温晶体振荡器中压控振荡电路设计图 3.1最简单电压控制网络电路2.4.1 电压控制网络的设计电压控制网络是通过控制电压的变化来改变晶体的负载电容，以达到调整振荡器输出频率的目的。电容的改变一般是利用变容二极管的结电容随加在它上面的反相电压变化而变化的。最简单电压控制网络电路如图 3.1 所示：简单的压控网络振荡器中的晶体串联负载电容cl后引起的相对频偏为： (2.10)式中 p 为晶体的电容比：负载电容即为变容二极管的电容： (2.11)设n=1/2 (2.12)负载电容即为变容二极管的电容 (2.13)在压控振荡器中用变容二极管作为调频元件。变容二极管的性能和使用对振荡器的技术指标影响很大。变容二极管 pn 结的结电容cj 与加于其上的反向偏压vr之间的关为 (2.14) 式中，k 为常数， 为接触电势差，n 为变容指数。n 与 pn 结杂质分布情况有关。缓变结的 n 等于 1/3，突变结为 1/2，超突变结为 1 或图3.2变容二极管的结电容随外加偏压变化曲线大于 1。典型变容二极管的结电容随外加偏压变化曲线如图3.2 所示。从图中可看出变容二极管结电容随外加偏压的变化是非线性的。 对于变容二极管的选择，应注意以下几点：（1）变容二极管中心电容值必须合适。所谓中心电容即控制电压取中值时变容二极管的电容值。（2）选用对称性和线性好的变容二极管以改善频率的稳定度。 （3）变容二极管cj vr特性的平均斜率必须足够大，以满足压控总频偏的要求。2.4.2 压控振荡电路设计图 3.3压控晶体振荡电路方框随着通信技术的发展，单纯的恒温晶振已经不能满足现代的要求，通信中往往采用稳定性高，而且频率可调的压控恒温晶振。常见的压控晶体振荡电路方框图如图 3.3 所示，图中，电压控制网络是通过控制电压的变化来改变晶体的负载电容，从而改变输出频率的。变容网络是压控电路的核心部位，一般由变容二极管组成的电路。一般的压控晶体振荡电路原理体图如图3.4所示。图3.4压控晶体振荡电路原理压控恒温晶振中的压控振荡电路的设计与普通的压控振荡电路设计不太一样，它主要关心的是频率的稳定性而不是压控范围。因此，为了得到较宽的压控范围，普通压控晶振中的谐振器一般都工作在基频，而压控恒温晶振主要考虑的是频率的稳定性,故应选用泛音谐振器，常采用三次或五次泛音。图 3.5 sm5021 芯片内部原理图 为了获得小体积的压控恒温晶振，在构建振荡器主振回路中采用了国际上先进的专用集成电路。用于振荡电路的 ic 有多种，包括早期使用的 74ahcu 门电路系列以及近年来开发的晶振专用 ic，这些竞相研制出的专用 ic 体积小、管脚少，具有频率范围宽、功耗低、功能强等特点，且它们大多具有三态输出，极大地方便了用户的使用。本课题采用专门用于三次泛音振荡的sm5021 芯片，它具有高频、低功耗、缓冲输出等特点。图 3.5 是其内部原理图。其中，接于晶体两引脚间的反向器提供了必要的增益并产生 180的相移。由 cg、cd、ct 和晶体构成的形网络产生 180的附加相移，从而满足了振荡所需要的 360相移第二个反相器作隔离反相器，起到隔离负载和输出波形整形的功能。图3.6 sm5021 芯片设计的振荡电路 采用 sm5021 芯片设计的振荡电路如图 3.6 所示。电路中电源电压为+5v，控制电压为-5+5v，y 为谐振器，r1、r2 为限流电阻，c2、c3为隔直电容。d 为变容二极管，控制其两端电压的变化可改变晶体的负载电容,达到改变晶体振荡频率的目的。c1、c4 用来滤波，以减小电压波动对频率的影响，降低电源抖动干扰。r3 为反馈电阻，它在电路调试中非常重要，调整不好会使晶振振到基频或五次泛音。 一般压控晶体振荡器的调频方向是正向的，即频率随控制电压的增加升高，但本课题中要求调频是负向的，即频率随电压的增大而降低。在图 3.6 中,变容二级管的负极通过一个电阻接到了 vdd，使得反向偏压参考电压不是 0 v，而是5 v，因此，当控制电压从-5 v 增大到+5 v，反向偏压从 10 v 减小至 0 v，变容二极管上结电容，因而负载电容也增加，频率降低，故调频方向是负向的。第三章 控温电路的设计在恒温晶体振荡器中，控温电路用来控制晶体和其它相关元件的温度，使其保持恒温。随着对晶体振荡器稳定度要求的逐步提高，恒温槽的温度控制精度要求也越来越高，设计一个性能良好、控温精度高的控温电路对稳定频率有着举足轻重的作用。3.1 控温电路的概述温度控制电路分为开关式断续温度控制电路，比例式和连续式三种。开关式断续温度控制所用感温元件一般为双金属片和水银接点温度计，电路简单，但控制精度不高。比例式温度控制电路在晶体振荡器中已很少应用，连续式温度控制 电路所用感温元件为热敏电阻电桥和铂丝电桥，控制电路比较复杂，但控制精度高，温度波动小，连续工作的可靠性高，在晶体振荡器中获得了广泛的应用。较典型的有振荡式连续温度控制电路和直流放大式连续温度控制电路两种。振荡式控温电路无零点漂移，这正好符合低老化晶振的要求，但它具有体积大、造价高、可靠性差和对晶振信号有干扰等缺点，现已很少采用。直流放大式控温电路体积小，造价低、安装调试工艺简单和对晶振信号无干扰等优点而被大量采用。直流放大式连续控制电路的主要缺点是它的零点漂移，因为零点漂移会引起槽温漂移，而槽温的漂移将导致频率的漂移。但随着集成电路性能的提高，这一点已有很大改善。如今，用直流放大式控温的晶振老化率达到 10-11/d 的已屡见不鲜，因此，绝大多数的晶振都采用直流放大式连续温度控制电路。一般的控制系统方框图如下图3.1所示。输入信号放大器网络校正器传感器功率器件控制回路图3.1 控制系统框图控制系统的基本元件有： （1）差别检测器：用来在传感器内部比较输入和输出电平。 （2）网络校正器：把误差信号转换成为一个误差校正信号，其目的是改正控制系统的性能。 （3）放大器：用来增加驱动功率器件所需要的误差信号的电平。 （4）功率器件：按应用要求，产生所需要的能量。3.2 控温电路的设计图3.2连续直流温度控制电路本课题中采用了连续直流温度控制电路，其原理图如图3.2所示。电桥又电阻r1,r2,r3和热敏电阻rt组成，热敏电阻rt的温度系数较大，而电阻r1,r2和r3的温度系数很小，与热敏电阻相比可以忽略不计。由于电桥中r1和r2的阻值选为相等，在热敏电阻rt的阻值选定后，不同的r3，使恒温槽度对应不同的控制温度。根据克希荷夫定律可以得出下列方程： （3.1）（3.2） 式中e是电桥的输入电压，i1是流过电阻rt和r3的电流，为电桥的输入电压。由上面（3.3）两式不难得出： 从式（3.3）不难看出，当rt=r3时，电桥达到平衡，输出电压为零。在实际中无论恒温槽的保温性能有多好，但也还是要耗散热量的，所以恒温电桥总是要输出一定的电压，通过放大后去控制加热电阻电流i，使其产生的热量刚好等于恒温槽所耗的热量，从这一点上看，恒温槽的实际控温tc总是低于电桥完全平衡温度t0，设控制温度的误差为 =t0-tc,则越小，电路的性能就越好。当电桥完全平衡（即温度t0）时，有rt=r3=r0,而在实际控制温度tc时，有： r3=r01+a2(t0-tc) （3.4） rt=r01+a1(t0-tc) （3.5）式中a1为rt的温度系数，a2为r3的温度系数。将式（3.4）和（3.5）分别代入（3.3）中，可以得出误差电压和控制温度之间的关系： （3.6）由于a21且a2r,则由式（3.12）可知vo=0。从上述可以得出下列结论：同特性运放互补组合后，其输出失调电压接近于零。这就有效的解决了运算放大器的零漂问题。从而达到课题的要求。第四章 恒温槽的设计恒温槽的制作是为了改善振荡器的频温特性，它是恒温晶体振荡器的重要组成部分，其性能好坏直接影响晶体振荡器的频率稳定度。只有性能良好、结构合理、工艺可靠的恒温槽和高精度的温度控制电路紧密配合，才能获得高的频率稳定度。4.1 恒温槽的基本类型用于晶体振荡器的恒温槽种类很多。目前恒温槽主要有以下几种类型，如表所示：分类依据粗分细分控制温度低温（室温以下）超低温恒温槽半导体制冷恒温槽换态式恒温槽高温（室温以上）加热控制恒温槽感温元件点式热电偶水银接点温度计热敏电阻电桥面式ptc 元件、铂丝电桥控制温度类型开关断续控制连续控制直接放大连续控制振荡式连续控制热源自控式加热方式电阻丝、薄膜电阻功率管、ptc 材料其中，加热控制恒温槽在技术上比较成熟，是晶体振荡器中广泛采用的一种，本课题中就采用了这种恒温槽。加热控制恒温槽的控制温度都略高于环境温度的上限，放置石英谐振器和其它被保温元件的恒温槽，对于环境温度变化及控制电路本身引起的温度波动均能起到热滤波的作用。当恒温槽处于冷状态时，温度控制电路能供给最大的功率，接近控制温度时加热功率很快自动减少，而在达到控制温度时，加热功率维持在一定的数值上，此加热功率所产生的热量以补偿恒温槽耗损的热量。由于恒温槽总是要向外散热的，完全不向外散热的恒温槽是没法制造的，所以，为了恒温必须给恒温槽提供相应的热量以补偿向外耗损的热量。4.2 恒温槽内温度场分析 恒温槽的性能对温度的控制、频率的稳定有很大的影响。由于谐振器稳定度受晶片所在区域各点温度和温度梯度的影响。温度传感器只能测定它所测点的温度，这样温度传感器所反映的温度与实际晶片的温度存在差异，而控温电路是根据温度传感器的温度信号来控制恒温槽温度。故温度控制电路达到一定的控温精度后，晶体振荡器的性能，在很大程度上就依赖于恒温槽内温度场的均匀性。分析长方体恒温槽内温度场的分布。用一组铂电阻置于恒温槽不同部位，以实现对槽内各温度点的测量，从而得出槽内温度场的大致分布，并可借此进一步探索恒温槽结构、环境温度、测温热敏电阻位置变动时，槽内温度场的变化，为合理设计恒温槽提供某些依据。图 4.1恒温槽内部温度场分布恒温槽内部是一个非均匀温度场，其内部温度场分布大致如图 4.1所示。图中虚线表示等温面，实线表示热量传递的大致路径。从径向看，离对称轴愈远处，温度愈高，温度梯度愈大；在轴上，温度最低，温度梯度为零。从轴向看，由槽口到槽底，温度渐增，温度梯 度渐减。造成槽温分布不均匀的主要原因是由于槽体在各个方向的绝热性能不同。绝热性能差的地方散热多，槽温低；绝热性能好的地方散热少，槽温高，因而造成了槽内温度的不均匀。在槽温分布很不均匀的情况下，测温热敏电阻在槽内的位置不同，槽温的稳定性和均匀性也不同。因此，下面我们讨论测温热敏电阻应置于槽内什么位置最恰当。 一种意见认为，石英谐振器是稳定频率的关键元件，为了使振荡器的频率温度系数最小，应保证石英晶片处的温度尽可能稳定，故测温热敏电阻应放在和石英晶片最靠近的位置上。另一种意见认为，槽温既不均匀，则槽口的温度最不稳定，如将测温热敏电阻置于槽口，使槽口的温度趋于稳定，则槽内其他各处的温度就会更加稳定。但大量实验证明，以上两种方法都不能提高槽温的稳定性，有时反而会适得其反。将测温热敏电阻放在槽口并不恰当，因为，这时环境温度对热敏电阻的影响最强，槽底部的温度主要受控温电路的影响而有较大的变化，且变化方向与环境温度变化方向相反。将测温热敏电阻放在槽底也不恰当，因这时环境温度对它的影响较弱，环境温度对槽温的影响增强，整个槽温从下至上都随环境温度而按同一方向变化，且变化较大。因此，就轴向而言，测温热敏电阻应置于槽的中部，确切的位置应由实验决定。下面我们再看测温热敏电阻的径向最佳位置如何，为此将测温热敏电阻从加热筒内壁向着筒轴移动对温度场的影响，等效于从下往上移动时对温度场的影响，只不过前者较后者影响大。这种情况的出现是槽温按图 4.1 分布的必然结果。图 4.1 中的等温面中间下陷，说明环境温度在槽内所造成的影响，以轴线位置最甚。因此就径向而言，测温热敏电阻以紧贴槽内壁为好。要在槽内为测温热敏电阻确定一个最佳的位置，这在实际上是很困难的，克服这一困难的唯一方法应从改善槽的热学结构入手，尽量使槽内的温度均匀。槽温愈均匀，热敏电阻的位置对槽内温度场的影响就愈小。若槽温绝对均匀，则当环境温度变化时，槽内任意一点温度的变化将与热敏电阻所在点的温度的变化一样，此时，恒温槽的性能才算有了根本性的改善。4.3 恒温槽结构的设计 根据前面分析的恒温槽内温度场的分布及测温热敏电阻的位置对槽温性能的影响，再加上体积尽量小原则，从而设计出较优的恒温槽结构，使其保温性能好、温度梯度小、温度场较均匀。下面列出了具体方案：把晶体和振荡电路均放入由导热系数高的紫铜制作的恒温槽内，晶体嵌入紫铜基质的腔内，振荡电路板紧贴在腔上，再盖上铜盖密封。测温热敏电阻嵌于恒温槽一侧接近中部的凹槽中，为了尽量减少恒温槽散热口，振荡电路的引线从几个极小的半圆孔内穿出，整个恒温槽密封性较好。其侧视图、俯视图、主视图分别如图 4.2，4.3，4.4 所示。其中 1 为槽盖，2 为槽体，3 为腔体，4 为放置热敏电阻的凹槽。加热电阻丝的绕制很大程度上也会影响恒温槽性能绕制不精细,往往会使控温灵敏度降低。加热电阻丝绕制应注意：使加热筒单位长度上所绕加热丝匝数 n 的分布曲线和槽内轴向温度分布曲线形状相反，即在内槽散热较大的两端电阻丝绕制较密，便于恒温槽内热量分布均匀；加热丝与内槽紧贴，以便热量迅速传给紫铜；但加热丝与内槽要良好绝缘，严防短路；采用双线无感绕法，防止电流磁效应引起不良后果。这样设计的恒温槽由于谐振器嵌入紫铜内，传热性和保温性能都较好、温度梯度小、温度场较均匀，另外振荡电路因放入内槽，温度稳定性也有较大改善。同时还对加热丝，热敏电阻，谐振器三者相互位置从热匹配角度作了适当安排。整个恒温槽结构合理而且工艺可靠，且具有良好的性能。温度控制电路放于恒温槽外，在外壳与恒温槽间的保温层采用导热系数较低的聚氨酯泡沫塑料灌注，使其和元器件粘在一起，不仅保温性好而且有防震的功能。据此的恒温晶体振荡器总体结构剖面图如图 4.5 所示。第五章 恒温晶振的研制与测试5.1 恒温晶体振荡器的装配 恒温晶振的装配先后次序也非常重要，处理不好会影响晶振的质量。ocxo 的装配步骤如下：（1）选晶体（2）设计恒温槽、振荡电路 pcb 和控温电路 pcb（3）调振荡电路板（4）调温控电路板（5）制作内槽、绕电阻丝（6）pid 参数调试（7）对拐点（8）老化及指标测试5.2 恒温晶体振荡器主要技术指标我们研制的恒温晶体振荡器要达到的主要技术指标如下： （1）标称频率： 38.88 mhz（2）频率稳定度温度特性： 110-