現(xiàn)代的科學(xué)技術(shù)中,運(yùn)用最為廣泛的應(yīng)是時鐘技術(shù),現(xiàn)在許多的科技領(lǐng)域中對于時間的精確要求越來越高,例如軍事,航空,通訊系統(tǒng)等等這些領(lǐng)域都要求高精度的同步時鐘來作為基準(zhǔn)來確保整個操作系統(tǒng)的正常運(yùn)行.GPS系統(tǒng)是目前世界上運(yùn)用性最廣,實(shí)用性最強(qiáng)的科技產(chǎn)品.全球定位,測距和導(dǎo)航系統(tǒng)都離不開它.高精度的頻標(biāo)目前主要是氫鐘,銣鐘和銫鐘等原子鐘和高精度的晶體振蕩器.其中石英晶體振蕩器以壽命長,價格較低等優(yōu)點(diǎn),以此獲得了廣泛性應(yīng)用,不過由于石英晶體振蕩器會由于溫度,老化等因素產(chǎn)品頻率漂移,所以長時間的穩(wěn)定性能較差.
由于整機(jī)對于石英晶振提出了高精度,高穩(wěn)定度及高可靠性的多種要求,所以根據(jù)設(shè)計及切型不同將石英晶體振蕩器分為了四種:普通晶體振蕩器(SPXO,)溫度補(bǔ)償式晶體振蕩器(TCXO),電壓控制式晶體振蕩器(VCXO),恒溫控制式晶體振蕩器(OCXO).而在GPS中常用的基本都是恒溫控制式晶體振蕩器(簡稱恒溫晶振),由于GPS接收機(jī)在輸出時存在1pps的信號頻率隨機(jī)偏差,而恒溫晶振對時鐘信號的隨機(jī)偏差較小,不過也存在一定的弊端,那就是石英晶體振蕩器都存在的"通病",隨著老化及外界的溫度等影響,存在頻率漂移現(xiàn)象,具有較大的累計偏差.假若恒溫晶振長時間不斷的運(yùn)行工作,屆時頻率將會無法滿足整機(jī)所需要的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度要求,因此設(shè)計師們需要通過實(shí)時的自動調(diào)控壓控端的電壓來進(jìn)行晶振的頻率校準(zhǔn).介于整機(jī)時鐘信號及恒溫晶振時鐘信號之間的互補(bǔ)作用,通過調(diào)控恒溫晶振的壓控端,使其輸出頻率發(fā)生改變,一次來維持短期或長期的時間精度及準(zhǔn)確性.
恒溫晶振其實(shí)就是為了達(dá)成石英晶振在振蕩電路中經(jīng)過長時間的運(yùn)行而降低頻率偏差而被研發(fā)出來的,它在GPS系統(tǒng)中起到了至關(guān)重要的作用,咱們可以從恒溫晶振的電路設(shè)計中來看一下就明白了:

其實(shí),通常所說的高穩(wěn)定度晶振便是指的恒溫晶體振蕩器了,以最常見的車載GPS雷達(dá)用的38.88MHZ晶振來看,一般的單層恒溫槽就可以滿足其要求了.孔文電路采用的是具有零點(diǎn)漂移補(bǔ)償性能的直流式溫度控制電路,為了其充分利用電源及電壓所提供的功率,對槽體加熱和采用功率管對管耗加熱,而不是采用電阻絲加熱,這是為其避免環(huán)繞電阻絲的麻煩.
接通電源之后,當(dāng)恒溫槽內(nèi)的溫度上升還沒有達(dá)到控制溫度時,熱敏電橋存在較大的失衡輸出電壓,此時的恒溫槽呈現(xiàn)于最大的加熱功率狀態(tài).隨著運(yùn)氣時間的增長,恒溫槽內(nèi)的溫度上升,電橋失衡電壓在逐漸減小,當(dāng)恒溫槽內(nèi)溫度增加到需要控制的溫度時,電橋保持在一定的平衡輸出電壓,此電壓經(jīng)過運(yùn)放直流電壓放大后控制流過功率管的電流,使其保持在一定數(shù)值,所產(chǎn)生的熱量等于恒溫槽的耗損熱量.當(dāng)恒溫槽溫度發(fā)生變化時,則熱敏電阻的數(shù)值也變化,來改變電橋相對平衡輸出電壓.此電壓放大后用以調(diào)整電流,改變加熱功率來補(bǔ)償恒溫槽內(nèi)部溫度的變化,從而使溫度恒定.進(jìn)而通過補(bǔ)償后的恒溫電路的溫度穩(wěn)定度便會大大提高了.

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