浅谈恒温晶振（O C X O）精密恒温箱温度控制电路分析研究

2018-03-21白丛娟

数字通信世界 2018年5期

白丛娟，张槿

（河北远东通信系统工程有限公司，石家庄 050000）

1 精密恒温箱类型

按照控制温度与室温的差异，可以将恒温箱划分为高温恒温箱和低温恒温箱；根据控制电路类型的不同又分为连续控制、比例控制、开关式间歇控制恒温箱；从感温元件分则为面式恒温箱和点式恒温箱。加热控制型恒温箱属于高温恒温箱的一种，控制温度比环境温度上限略高，由于恒温槽和放置其他保温元件和晶体会导致环境温度恶化，而且自身控制电路温度产生的波动也能够具有热滤波效果。

2 控制电路特点与原理分析

2.1 工作原理

连续式温度控制其工作原理通过连续的自动补偿来弥补恒温槽热量的消耗，从一开始的冷状态开始加热恒温槽时，控制电路提供最大的功率，当处于控制温度接近时会自动减少加热功率，在达到控制温度时，会将加热功率维持平衡功率范围内，通过加热功率热量的产生来使恒温槽损耗的热量得到补偿。连续式温度控制电路具有温度波动小、控制精度高、稳定性高等优点。除此之外，作为感温元件的铂丝电桥或者热敏电桥其所占的体积都很小，可以有效地减小恒温槽的体积从而使结构更加紧凑，但另一方面也会使得电路更复杂，调试相对更困难。

连续型温度控制通过自动连续地补偿方法来补偿恒温槽中的热量损失；当恒温槽冷却并开始加热，温度控制电路即提供最大功率，当温度接近控制温度时，加热功率自动快速降低并保持在平衡加热功率附近，并且由该加热功率产生的热量补偿在恒温槽中的热量损失。温度波动小，连续操作的可靠性高，控制精度高是连续式温度控制电路的优点，除此之外，所使用的温度传感元件为温度敏感电桥或铂丝电桥、体积小、结构紧凑可以减小恒温槽的体积。但是相对来说电路复杂程度及相应的难度也会增加。

2.2 典型连续式温度控制电路

2.2.1 直接放大式

这种类型电路主要由直流功率放大器、直流电压放大器以及热敏电阻电桥三个部分组成，只留功率放大器的负载由热丝RH来充当。在接通电源期间，当恒温槽内温度从一开始的冷却逐渐升高但是在达到控制温度之前，热敏电阻的电桥输出电压会有失衡现象产生，并且恒温槽的加热功率一直处于最大值。输出电压开始下降，温度逐渐升高时，恒温槽还是保持着最大加热功率。当恒温槽中温度靠近控制阀温度的范围之内时，电桥失衡的输出电压会慢慢开始降低，随之而来的是加热功率的减少。而一旦恒温槽加热到控制温度时，就会造成电桥失衡输出电压在经过直流电源与电压放大作用之后，通过控制经过加热线的电流I，从而让电流以恒定的值产生热量，热量产生的多少就等于恒温槽在外部环境下槽中损失的热量。

电桥失衡输出电压ΔE和热敏电阻RT之间的关系符合克希荷夫律。考虑到温度达到恒温槽控制温度的时候电桥的输出是最小的。由此可知当电桥达到完全平衡要使电桥的输出电压为零，但由于绝缘性能再好的恒温槽也会有热量的损耗，因此实际上这种情况不可能发生，最终电桥只可能达到相对平衡的状态，并以通过放大恒定的ΔE来多电热丝的电流进行控制，从而达到产生的热量与恒温槽损耗的热量刚好达到平衡。

2.2.2 振荡式连续温度控制电路

由桥式反馈振荡器主要包括热敏电阻电桥、两极RC放大器以及一级LC选频放大器等三个部分。电路的直流部分是将经倍压整流后，通过交流部分输出低频交流信号，以此促进直流电压放大器与直流功率放大器来实现获得加热功率的目标。电桥在恒温槽处于冷状态时达到最大失衡，此时交流部分达到最大振幅，这就使得交流电压经整流转变成直流电压，经电压功率放大器放大后使加热丝RH的加热电流I为最大，恒温槽以最大功率加热。随着恒温槽内温度上升，放置在炉筒壁中负温度系数的热敏电阻RT的阻值变小（如用紧贴在炉筒壁上的正温度系数的铂丝则阻值增加），从而达到降低电桥的失衡程度的目标。另外恒温槽温度一旦提高到控制温度，这时电桥有最小的失衡输出，通过输出电压控制加热丝电流I产生热量，这种状态下加热功率与恒温槽损耗的功率达到平衡。而当外界因素影响到恒温槽的控制温度产生变化时，相应的铂丝（或热敏电阻）的阻值也会发生改变，以此协调电桥的失衡程度，然后通过反馈来对振荡器的振荡幅进行控制，最后利用经整流放大后流过加热丝的电流来控制相应的加热功率从而使恒温槽内的温度变化得到补偿。