淺談恒溫晶振（O C X O）精密恒溫箱溫度控制電路分析研究

白叢娟，張 槿

（河北遠(yuǎn)東通信系統(tǒng)工程有限公司，石家莊 050000）

1 精密恒溫箱類型

按照控制溫度與室溫的差異，可以將恒溫箱劃分為高溫恒溫箱和低溫恒溫箱；根據(jù)控制電路類型的不同又分為連續(xù)控制、比例控制、開關(guān)式間歇控制恒溫箱；從感溫元件分則為面式恒溫箱和點(diǎn)式恒溫箱。加熱控制型恒溫箱屬于高溫恒溫箱的一種，控制溫度比環(huán)境溫度上限略高，由于恒溫槽和放置其他保溫元件和晶體會導(dǎo)致環(huán)境溫度惡化，而且自身控制電路溫度產(chǎn)生的波動也能夠具有熱濾波效果。

2 控制電路特點(diǎn)與原理分析

2.1 工作原理

連續(xù)式溫度控制其工作原理通過連續(xù)的自動補(bǔ)償來彌補(bǔ)恒溫槽熱量的消耗，從一開始的冷狀態(tài)開始加熱恒溫槽時，控制電路提供最大的功率，當(dāng)處于控制溫度接近時會自動減少加熱功率，在達(dá)到控制溫度時，會將加熱功率維持平衡功率范圍內(nèi)，通過加熱功率熱量的產(chǎn)生來使恒溫槽損耗的熱量得到補(bǔ)償。連續(xù)式溫度控制電路具有溫度波動小、控制精度高、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。除此之外，作為感溫元件的鉑絲電橋或者熱敏電橋其所占的體積都很小，可以有效地減小恒溫槽的體積從而使結(jié)構(gòu)更加緊湊，但另一方面也會使得電路更復(fù)雜，調(diào)試相對更困難。

連續(xù)型溫度控制通過自動連續(xù)地補(bǔ)償方法來補(bǔ)償恒溫槽中的熱量損失；當(dāng)恒溫槽冷卻并開始加熱，溫度控制電路即提供最大功率，當(dāng)溫度接近控制溫度時，加熱功率自動快速降低并保持在平衡加熱功率附近，并且由該加熱功率產(chǎn)生的熱量補(bǔ)償在恒溫槽中的熱量損失。溫度波動小，連續(xù)操作的可靠性高，控制精度高是連續(xù)式溫度控制電路的優(yōu)點(diǎn)，除此之外，所使用的溫度傳感元件為溫度敏感電橋或鉑絲電橋、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊可以減小恒溫槽的體積。但是相對來說電路復(fù)雜程度及相應(yīng)的難度也會增加。

2.2 典型連續(xù)式溫度控制電路

2.2.1 直接放大式

這種類型電路主要由直流功率放大器、直流電壓放大器以及熱敏電阻電橋三個部分組成，只留功率放大器的負(fù)載由熱絲RH來充當(dāng)。在接通電源期間，當(dāng)恒溫槽內(nèi)溫度從一開始的冷卻逐漸升高但是在達(dá)到控制溫度之前，熱敏電阻的電橋輸出電壓會有失衡現(xiàn)象產(chǎn)生，并且恒溫槽的加熱功率一直處于最大值。輸出電壓開始下降，溫度逐漸升高時，恒溫槽還是保持著最大加熱功率。當(dāng)恒溫槽中溫度靠近控制閥溫度的范圍之內(nèi)時，電橋失衡的輸出電壓會慢慢開始降低，隨之而來的是加熱功率的減少。而一旦恒溫槽加熱到控制溫度時，就會造成電橋失衡輸出電壓在經(jīng)過直流電源與電壓放大作用之后，通過控制經(jīng)過加熱線的電流I，從而讓電流以恒定的值產(chǎn)生熱量，熱量產(chǎn)生的多少就等于恒溫槽在外部環(huán)境下槽中損失的熱量。

電橋失衡輸出電壓ΔE和熱敏電阻RT之間的關(guān)系符合克希荷夫律。考慮到溫度達(dá)到恒溫槽控制溫度的時候電橋的輸出是最小的。由此可知當(dāng)電橋達(dá)到完全平衡要使電橋的輸出電壓為零，但由于絕緣性能再好的恒溫槽也會有熱量的損耗，因此實(shí)際上這種情況不可能發(fā)生，最終電橋只可能達(dá)到相對平衡的狀態(tài)，并以通過放大恒定的ΔE來多電熱絲的電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到產(chǎn)生的熱量與恒溫槽損耗的熱量剛好達(dá)到平衡。

2.2.2 振蕩式連續(xù)溫度控制電路

由橋式反饋振蕩器主要包括熱敏電阻電橋、兩極RC放大器以及一級LC選頻放大器等三個部分。電路的直流部分是將經(jīng)倍壓整流后，通過交流部分輸出低頻交流信號，以此促進(jìn)直流電壓放大器與直流功率放大器來實(shí)現(xiàn)獲得加熱功率的目標(biāo)。電橋在恒溫槽處于冷狀態(tài)時達(dá)到最大失衡，此時交流部分達(dá)到最大振幅，這就使得交流電壓經(jīng)整流轉(zhuǎn)變成直流電壓，經(jīng)電壓功率放大器放大后使加熱絲RH的加熱電流I為最大，恒溫槽以最大功率加熱。隨著恒溫槽內(nèi)溫度上升，放置在爐筒壁中負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻RT的阻值變?。ㄈ缬镁o貼在爐筒壁上的正溫度系數(shù)的鉑絲則阻值增加），從而達(dá)到降低電橋的失衡程度的目標(biāo)。另外恒溫槽溫度一旦提高到控制溫度，這時電橋有最小的失衡輸出，通過輸出電壓控制加熱絲電流I產(chǎn)生熱量，這種狀態(tài)下加熱功率與恒溫槽損耗的功率達(dá)到平衡。而當(dāng)外界因素影響到恒溫槽的控制溫度產(chǎn)生變化時，相應(yīng)的鉑絲（或熱敏電阻）的阻值也會發(fā)生改變，以此協(xié)調(diào)電橋的失衡程度，然后 通過反饋來對振蕩器的振蕩幅進(jìn)行控制，最后利用經(jīng)整流放大后流過加熱絲的電流 來控制相應(yīng)的加熱功率從而使恒溫槽內(nèi)的溫度變化得到補(bǔ)償。

3 結(jié)束語

與國外先進(jìn)水平相比，該器件在片式化、微型化、高頻及頻溫特性方面還有一定的差距。要想盡快地減少差距并提高產(chǎn)品的性價比，我們必須在對高性能恒溫槽溫度控制電路進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步改進(jìn)和提升OCXO的整體性能，準(zhǔn)確分析其未來趨勢對于時頻發(fā)生器等振蕩器的研究也具有良好的開發(fā)應(yīng)用前景。

[1] 趙聲衡.石英晶體振蕩器.長沙：湖南大學(xué)出版社，1997：153-198.

[2] 蘇鐵力，關(guān)振海，孫繼紅等.傳感器及其接口技術(shù).北京：中國石化出版社，1998：56-78.

[3] 王錦標(biāo)，方崇智.過程計(jì)算機(jī)控制.北京：清華大學(xué)出版社，1992：234-267.