恒溫晶振的性能取決于幾個(gè)方面,包括烤箱的熱特性有多好,控制電路有多好.水晶的質(zhì)量也很重要,但在這種情況下,我們只使用普通的普通AT切割水晶,以降低成本.
中心下方的照片顯示了我的烤箱結(jié)構(gòu).我認(rèn)為保持烤箱盡可能小的重要性是很重要的.這將使烤箱達(dá)到熱平衡所花費(fèi)的時(shí)間最小化,并且減少加熱烤箱所需的功率量.為了使OCXO易于重現(xiàn)且價(jià)格低廉,我不想在烤箱內(nèi)部放置大型散熱器,或在其周圍放置大量絕緣材料.因此,保持小巧簡(jiǎn)單更為重要,因此性能仍然合理.然而,烤箱應(yīng)該不僅包含水晶和加熱器.振蕩器的其他組件也是溫度敏感的.因此,該烤箱包括加熱器,晶體,溫度傳感器,Colpitts振蕩器晶體管和相關(guān)組件.

控制電路是棘手的部分.在最簡(jiǎn)單的控制電路中,將測(cè)量的溫度與期望的目標(biāo)溫度進(jìn)行比較.然后,如果烤箱太冷,則打開加熱器;如果烤箱太熱,則關(guān)閉加熱器.這種控制器在機(jī)械室溫控器,廚房烤箱或冰箱中的恒溫器,或家中或辦公室的空調(diào)器中很常見(常見).缺點(diǎn)是烤箱的熱質(zhì)量需要時(shí)間來(lái)加熱和冷卻,這意味著當(dāng)加熱器(或冷卻器)循環(huán)開啟和關(guān)閉時(shí),溫度可以相當(dāng)大地變化.
上面的右圖顯示了晶振頻率(在HF接收器上接收并在筆記本電腦上的Argo頻譜分析軟件中繪制).這里加熱器開/關(guān)的循環(huán)非常清楚.循環(huán)持續(xù)時(shí)間約為38秒,其中烤箱開啟17秒并關(guān)閉21秒.對(duì)于QRSS或WSPR操作,例如在U3套件中,這種溫度循環(huán)是完全不可接受的.
所以我們來(lái)比例烤箱控制.網(wǎng)上有幾個(gè)很好的家用烤箱振蕩器的例子,但我最喜歡的兩個(gè)是:AndyG4OEP,大約在這個(gè)頁(yè)面的一半,以及DesM0AYF在他的QRSS烤箱上的大量頁(yè)面.這兩個(gè)是我的靈感.這兩個(gè)烤箱都使用比例控制器.有一個(gè)加熱器,一個(gè)溫度傳感器和一個(gè)控制電路,由一個(gè)增益相對(duì)較低的運(yùn)算放大器組成(不是開/關(guān)比較器).運(yùn)算放大器的有限增益使加熱器可以部分接通.如果熱特性是正確的,并且增益與它們正確匹配,那么比例控制電路使得可以控制頻率而沒有開/關(guān)爐的特征性"搜索"循環(huán).
但是,我對(duì)比例控制電路不太滿意.無(wú)論環(huán)境溫度如何,理想的控制電路都能將烤箱保持在恒定溫度.但比例電路沒有.烤箱保持在合理恒定的溫度,但隨著環(huán)境溫度的變化,仍然存在一些變化.即使其他一切都很完美,電路本身就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)誤差項(xiàng).為了阻止"振蕩"振蕩,放大器增益需要很低,但增益越低,誤差項(xiàng)就越大.
那么PID控制器(比例積分微分)用于工業(yè)自動(dòng)化.當(dāng)然,許多教科書的主題和電子工程學(xué)生的噩夢(mèng)無(wú)處不在.關(guān)于這個(gè)主題有很多東西可以閱讀,它似乎很快變得足夠復(fù)雜.現(xiàn)在,軟件程序用于控制邏輯.但在這里,我們使用一個(gè)簡(jiǎn)單的運(yùn)算放大器.快速總結(jié)(經(jīng)過(guò)大量的閱讀和研究):事實(shí)證明,在一個(gè)簡(jiǎn)單的溫度控制器中,"衍生"一詞并不是必需的.我們已經(jīng)涵蓋的"比例"術(shù)語(yǔ),例如在上面的電路中.最重要的是,"積分"術(shù)語(yǔ)可以通過(guò)在運(yùn)算放大器的反饋環(huán)路中放置一個(gè)電容器來(lái)實(shí)現(xiàn);并且"積分"術(shù)語(yǔ)消除了"僅比例"電路中固有的誤差.簡(jiǎn)潔整潔,
所以我的第一個(gè)烤箱的電路圖顯示在上面三張圖片的左側(cè),并在下面再次顯示.

我在這個(gè)開發(fā)烤箱中使用了10MHz晶振.該加熱器是單個(gè)BS170MOSFET,最大功耗為830mW.為了節(jié)省空間并保持簡(jiǎn)單,BS170直接連接在5V電源上,因此它是整個(gè)加熱元件(無(wú)電阻).830mW足以將此烤箱從室溫加熱到設(shè)定點(diǎn),但在最終版本中,我使用了兩個(gè)BS170來(lái)擴(kuò)大操作范圍.溫度傳感器是BC547晶體管.10K微調(diào)電位器設(shè)定烤箱的工作點(diǎn)(溫度).該裝置實(shí)際上是一個(gè)橋接電路,理論上應(yīng)該使其對(duì)電源電壓變化相對(duì)不敏感;你對(duì)任何東西的敏感度越低,肯定越好.使用TO92晶體管作為加熱器,另一個(gè)作為傳感器,如圖所示,夾在兩者之間的晶體(HC49/4H薄型10MHz晶體)也是一種簡(jiǎn)單緊湊的機(jī)械結(jié)構(gòu).石英晶體振蕩器是通常的Colpitts,然后是另一個(gè)緩沖階段."烤箱"僅由PCB切割制成,并焊接到所需的盒子形狀.

使用上面的頻率圖顯示烤箱的行為,反饋回路中具有不同尺寸的電容器.從左到右:100uF,220uF,33uF和47uF.在所有圖中,垂直線間隔1分鐘.可以看出33uF電容太小,爐溫(由繪制頻率表示)緩慢振蕩.47uF電容也顯示出振蕩但隨著時(shí)間的推移逐漸消失.100uF電容非常好,在最初從冷機(jī)加熱烤箱時(shí),有一些過(guò)沖,但一切都很快穩(wěn)定.為了獲得一定的安全余量,220uF似乎是一個(gè)很好的價(jià)值.烤箱控制晶體振蕩器需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能穩(wěn)定下來(lái),但實(shí)際上溫度變化不太可能是極端的,我們不需要通過(guò)冷烤箱啟動(dòng)就能獲得非?？焖俚某跏紲?zhǔn)備.

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