Кристаллическая печь — это камера с регулируемой температурой, используемая для поддержания постоянной температуры кристалла кварца в электронных кварцевых генераторах , чтобы предотвратить изменения частоты из -за изменений температуры окружающей среды. Генератор этого типа известен как кварцевый генератор с печным управлением ( OCXO , где «XO» — старое сокращение от « кварцевый генератор»). Этот тип генератора обеспечивает максимально возможную стабильность частоты с кристаллом. Обычно они используются для управления частотой радиопередатчиков , базовых станций сотовой связи , военного оборудования связи, а также для точного измерения частоты.
Кристаллы кварца широко используются в электронных генераторах для точного управления создаваемой частотой . Частота колебаний кварцевого резонатора зависит от его физических размеров. Изменение температуры заставляет кварц расширяться или сжиматься из-за теплового расширения , изменяя частоту сигнала, вырабатываемого генератором. Хотя кварц имеет очень низкий коэффициент теплового расширения , изменения температуры по-прежнему являются основной причиной изменения частоты кварцевых генераторов.
Духовка представляет собой теплоизолированный корпус, содержащий кристалл и один или несколько электрических нагревательных элементов . Поскольку другие электронные компоненты схемы также уязвимы к температурному дрейфу, обычно вся схема генератора помещается в печь. Термисторный датчик температуры в цепи управления с обратной связью используется для управления питанием нагревателя и обеспечения поддержания в духовке точно желаемой температуры . Поскольку печь работает при температуре выше температуры окружающей среды, генератору обычно требуется период прогрева после подачи питания для достижения рабочей температуры. [1] Во время периода прогрева частота не будет иметь полной номинальной стабильности.
Для печи выбрана температура, при которой наклон кривой зависимости частоты кристалла от температуры равен нулю, что еще больше повышает стабильность. Используются кристаллы AT- или SC-огранки (с компенсацией напряжения). SC-срез имеет более широкий температурный диапазон, в котором достигается околонулевой температурный коэффициент и, таким образом, сокращается время прогрева. [2] В нагревателях вместо резистивных нагревательных элементов обычно используются силовые транзисторы . Их выходная мощность пропорциональна току, а не квадрату тока, что линеаризует коэффициент усиления контура управления. [2]
Обычная температура хрустальной печи составляет 75 °C [3] , но температура может варьироваться от 30 до 80 °C в зависимости от настройки. [4]
Большинство стандартных коммерческих кристаллов рассчитаны на температуру окружающей среды 0–70 °C , промышленные версии обычно рассчитаны на температуру от -40 до +85 °C . [5]
Из-за мощности, необходимой для работы нагревателя, OCXO требуют больше энергии, чем генераторы, работающие при температуре окружающей среды, а требования к нагревателю, тепловой массе и теплоизоляции означают, что они физически больше. Поэтому они не используются в устройствах с батарейным питанием или миниатюрных устройствах, таких как часы . Однако, в свою очередь, генератор с печным управлением обеспечивает наилучшую стабильность частоты, возможную для кристалла. Кратковременная стабильность частоты OCXO обычно составляет 1×10 -12 в течение нескольких секунд, тогда как долговременная стабильность ограничена примерно 1×10 -8 (10 частей на миллиард) в год из-за старения кристалла. [1] Для достижения большей стабильности необходимо переключиться на атомный стандарт частоты , такой как стандарт рубидия , стандарт цезия или водородный мазер . Другая более дешевая альтернатива — управлять кварцевым генератором сигналом времени GPS , создавая генератор, управляемый GPS ( GPSDO ). Используя GPS-приемник, который может генерировать стабильные сигналы времени (в пределах ~30 нс от UTC ), GPSDO может поддерживать стабильность колебаний 10–13 в течение продолжительных периодов времени.
Кристаллические печи также используются в оптике. В кристаллах, используемых в нелинейной оптике , частота также чувствительна к температуре, поэтому требуется стабилизация температуры, особенно когда лазерный луч нагревает кристалл. Кроме того, часто используется быстрая перестройка кристалла. Для этого применения кристалл и термистор должны находиться в очень тесном контакте и оба должны иметь как можно более низкую теплоемкость. Чтобы избежать разрушения кристалла, следует избегать больших изменений температуры за короткое время.
* Размеры и стоимость варьируются от <5 см 3 и <5 долларов США для кварцевых генераторов до более 30 литров и 40 000 долларов США для стандартов Cs .
** Включая влияние военной среды и год старения.