基于新型控温系统的恒温晶体振荡器研究

论文摘要

随着电子技术的飞速发展,频率高度稳定的晶体振荡器得到了广泛的应用,特别是恒温晶体振荡器,它是目前频率稳定度和精确度最高的晶体振荡器,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。作为它们的基准频率源,它是以上电子设备的关键性部件,被称为此类电子设备的“心脏”。本文分析了一种新的控温方法,研究了基于新型控温系统的恒温晶体振荡器的性能。围绕着如何提高恒温晶体振荡器的频率稳定度,改善其启动特性,本文首先分析了石英谐振器的特性及其对晶体振荡器性能的影响,确定了控制温度的必要性,讨论了恒温晶体振荡器的组成部分和主要技术指标,分析了振荡电路的基本原理,并设计了一种典型的振荡电路。接着重点介绍了控温电路的设计,分析了一种基于PID控制的新的控温方法,较之传统控温电路的纯比例调节方法,新型控温电路增加了积分和微分调节部分,故而增加了控制器调整策略,并且它是基于ADN8830模拟控温芯片,由于该芯片的高度集成化使得外部电路简化,从而提高了器件的可靠性,降低了功耗,使之具有稳定度高、体积小等优点。我们从测温电路、PID控制器和输出驱动电路等各个环节对控温电路进行了详细的分析与设计,从而得出了整体控温电路图,并制作了PCB电路板,通过对新型控温电路进行性能测试,并与传统控温电路的性能相比较,得出它具有升温快速、温度稳定性高和热效率高等良好的控温性能。然后简要分析了恒温槽内温度场的分布并讨论了测温热敏电阻放置位置对槽温性能的影响,从而设计了两种简单的恒温槽结构。最后,适当调整PID参数,装配恒温晶体振荡器,对结果进行了测试和分析,最终实验结果表明,在应用新型控温电路,并采取单层恒温槽控温的情况下,其频率稳定度可以达到10-8量级。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 晶体振荡器发展简史
• 1.2 恒温晶体振荡器概述
• 1.3 国内外恒温晶振发展动态
• 1.4 本文主要研究内容
• 第二章 恒温晶体振荡器
• 2.1 晶体振荡器工作原理
• 2.2 石英晶体谐振器
• 2.2.1 石英晶体谐振器等效电路
• 2.2.2 石英晶体谐振器的频率温度特性
• 2.3 恒温晶体振荡器
• 2.3.1 恒温晶体振荡器的组成
• 2.3.2 恒温晶振的主要技术指标
• 第三章 振荡电路的分析与设计
• 3.1 振荡器主振电路概述
• 3.2 常用振荡器主振电路分析
• 3.2.1 串联晶体振荡电路的一般分析
• 3.2.2 并联晶体振荡电路的一般分析
• 3.3 振荡器辅助电路
• 3.4 振荡器实际使用电路
• 3.4.1 振荡器电路设计
• 3.4.2 主振电路分析
• 3.4.3 振荡电路对主要元件的要求
• 第四章 控温电路的分析与设计
• 4.1 控制系统概述
• 4.1.1 控制系统的基本要求
• 4.1.2 闭环控制系统
• 4.2 传统控温电路
• 4.3 ADN8830芯片介绍
• 4.3.1 ADN8830引脚图
• 4.3.2 ADN8830简介
• 4.4 基于ADN8830的控温电路各环节分析与设计
• 4.4.1 控温电路结构与工作原理
• 4.4.2 测温电路
• 4.4.2.1 热敏电阻
• 4.4.2.2 实际测温电路
• 4.4.3 PID控制器
• 4.4.3.1 PID基本控制方法
• 4.4.3.2 PID控制算法
• 4.4.3.3 实际PID控制器
• 4.4.3.4 PID参数整定
• 4.4.4 输出驱动电路
• 4.4.4.1 脉冲宽度调制（PWM）输出方式
• 4.4.4.2 实际输出驱动电路
• 4.4.5 控温电路的一些附加设置
• 4.5 整体控温电路
• 第五章 恒温槽的简要分析与设计
• 5.1 常用恒温槽的种类
• 5.2 恒温槽温度场简析
• 5.3 实际恒温槽结构设计
• 第六章 实验与结果分析
• 第七章 总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 攻硕期间取得的主要研究成果