SJ Z 9158 87 石英晶体元件用温度控制装置

 

中华人民共和国电子工业推荐性部标准

石英晶体元件用温度控制装置

Crystal unit

SJ/Z 9158-87

IEC314(1970)

[含IEC 814A(1871)

IEC 814第一次补充

(1979)]

第1章  一般特性和标准

1  范围和目的

    本标准规定了用于石英晶体元件的温度控制装置通用的术语，监叙述了具有固定内部（晶体腔）温度的温控装置的术语及其性能的测量方法。另外，给出了晶体温控装置的试验说明和一些通用的结构要求。

    本标准也给出了温控装置某些基本性能和额定值的标准值与允许偏差以及标志的方法．

  注：在电路中，同类温控装置有各种各样的用途。但应指出，本标准仅适用于石英最体元件的温度控制，对其它应用，应充分考虑其特殊要求及特点。

2术语解释

2.1一般术语

2.1.1  晶体元件的温度控翩装置(缩写为TCD)

    一种容纳一个或若干个晶体元件监使其在各种机械、电气和气候条件下保持相对恒定的

温度的装置。

  照有曼类主要的石英最体元件温度控制装置可供使用：

    第1类：通过加热使温度傣挎捐对恒定，

    第2类．通过冷却使温度傣持相对恒定I

    第3类：上述l、2类原理结合使用。

    本标准靖出的术语定义和潮试方法仅适用子第1类温控装置。

2.1.2晶体腔

    温控装置中放置晶体元件的空间。

2.1.3晶体恒温器   

  是一种用加热办法来补偿热耗散，以来控温的石英晶体元件用温度控制装置(TCD)。

2.1.4感温器

  TCD中进行自动温度调节所需的温度敏感元件。它可以直接地或间接地控制输入功率。

2.1.5断续工作的TCD

    加热或冷却装置为间歇供电的TCD。

2.1．6连续工作的TCD

    加热或冷却装置为连续供电的TCD。

2.2工作特性

2.2.1  晶体腔温度

    晶体振子所在位置处的瞬时温度。

2.2.2晶体腔平均温度

    当TCDT_作在指定的恒定电源电压和环境温度条件下时，晶体腔最大温度与最小温度的

平均值。

    注：①环城温度一一本标准申广泛使用的这—术语，一概是指环绕TCD而又对TCD无明显作用的捩宽的环缓速度。

    ⑦所有的允差和褊差，都是在加℃的基准温度（如用其它温度，应从sJ／z知01（膪c胡）标准中选择）及额定电压下测得的晶体腔平均温度．

2.2.3晶体倥标称温度

    规定的TCD晶体腔平均温度。

2.2.4标准允差

    在20℃莉额定电压下溯得的．晶体腔平均温度与晶体腔标称温度间的允许偏差。

    注：该公差与制造工艺有关。

2.2.5老化允差   

    老化允差指一定时间内，在20℃（如用其它温度，应从SJ/Z 9001.1 (IEC 68--1)标

准中选择）和额定电压下测得晶体腔平均温度的允许变化偏差。

2.2.8温度波动

    当TCD在规定的恒定电压和在工作温度范围内的规定的恒定环境温度下工作时，晶体腔

平均温度稳定后的晶体腔温度最大值和最小值之差。 

2.2.7晶体腔温度变化速率

    在很短时阆内的晶体腔温度变化与时间的商，系在TOD在恒定电压和在工作温度范围内的恒定环境温度下工作时，晶体腔平均温度稳定以后测得。

2.2.8整个工作温度范围内的晶体腔平均温度变化

    在稳态条件下测得的整个工作温度范围内晶体腔平均温度最大值和最小值之最，大差值．

2.2.9减缩系数

    当环境温度在工作范围内按规定变化时，该温度变化与相应的晶体腔平均温度变化之

比。

2.2.10过冲（量）

    晶体恒温器在工作条件发．生迅速壶化前唐，晶体腔平均温度超过两晶体腔平均温度稳态极限值的瞬态变化部分（见图1）。

时间

图1  2.2.10条的图解

2.2.11开关速率

    在规定的环境温度下晶体腔平均温度稳定后测得的开关的频次(仅用于断续控制的TCDs)。

2.2.1 2开关周期

    在规定的环境温度下晶体腔平均温度稳定后测得的开关一次的平均时间(仅用于断续控

制的TCDs)。

2.2.13  占空比

  在额定电压和规定的环境温度下测得的加热时间与开关周期之比(仅用于断续控制的TCDs)。

  注：开关速率和占空比均随环城温度桕电源电压而变化。

2.2.14升温时间

    温控装置在（工作温度范围内的）规定环境温度下工作时，从TCD接通下限电源电压开

始到晶体腔温度达到韭保持在晶体腔平均温度，波动，变化速率等的规定极限值为止所经过

的时间。

2.2..15最大功率

  TCD在额定电压和最低工作温度下消耗的最大输入功率．

Z.Z,16平均功率

    当TCD在额定电压和（在工作温度范围内的）规定环境温度工作时，在升温后的一段足够长的时间内TCD消耗的平均功率．

2.2.17过温度每摄氏度的热耗散

  TCD耗散的平均功率除以晶体腔平均温度与环境温度之差。

2.2.18过温

    晶体腔标称温度与环境温度之差。

2.2.111温度控制装置的表面温度

    在温度控制装置外壳上所测得的温度。

2.2.20温度控制装置的热阻

    温度控制装置晶体腔平均温度与表面温度之差除以温度控制装置所消耗的平均功率。

2.2.21  晶体腔温度调整范围

    当温度控制装置在环境温度范围内规定电压工作时，能够调整的晶体腔平均温度的范

围。

2.3使用条件

2.3.1工作温度范围

    温度控制装置能把温度控制在规定的允差范围内的环境温度范围。

2.3.2贮存温度范围

    贮存、搬动及运输TCD后，TCD仍能按规定指标正常工作的环境温度范围。

  3标准值与允差

  3.1晶体腔标称温度(℃)

    50,55,  60,  65, 70,75,  80, 85。

    注：当增加或改变上述温度时，应考虑SJ/Z 9152(IEC 122）标准中列出的温度。

8.2晶体腔温度允差(℃)

    士0. 01,±0.02,±0.05,±0.1,±0.2,±0.5，士l，士2,±50

    上述值既可用手总允差也可用予部分允差（例如校准公差，波动和老化）。一般来说大

允差用于总允差和校准公差，，而小允差则用于其它的部分允差。

8.3工作温度范围

    工作温度范围的上限取决子晶体腔平均温度和恒温器的特性，工作温度范围的上限和晶

体腔平均温度之差应从供选择用的值5℃,7.5℃和10℃中选择。

    工作温度范围下限的标准值为：O℃，一10℃，一20℃，一30℃，一40℃，一55℃，

  -65℃.

3.4额定电源电压(V)

  -5，6.8, 12.6, 20，24，28，30，48，60，100，115，125，，220，230，240（直流或交

流有效值）。   

3.5电源电压允差(%)  ．

    ±2，士5，±10，,士20

4标志

    每个TCD上面应清楚地标上下述标志．

4.1  必须的标志

    1)型号；

    2)晶体腔标称温度，℃；

    S)额定电压；V（直流或交流有效值）；

    4)额定电流，A；

    5)来源标志。

4.2选用的标志

    为了更详细地了解TCD的其它性能，推荐标上以下几条．

    使用该TCD的晶体元件的型号和数量，

    晶体腔平均温度的允差，

    引线连接图；

    升温时间；

    控翩类型；

    序号。

4.3其它要求   

    应有标记所装晶体的频率的地方。装到TCD中的晶体元件多于一块时，标记晶体频率的

地方应用某些方法把各个晶体的给定的安装位置清楚地表示出来。

第2章  试验条件

1工作特性

1.1环境温度

    温度控制装置应按正常应用固定并接线。

    注：用于与温度控制装置相连接的导线，直径应在产品活页规范中给定。

    温度控制装置的标准环境是用有空气自由循环和腔壁不直接加热的导热良好的密闭试验盒来实现的。这个试验盒的尺寸可以这样来选择，以使温度控制装置和试验盒壁之间的距离在任何方向都不小于3cm。

    温度控制装置应固定在一个与正常使用的板（黄铜底板或印制电路板或相类似的板）的

中央。该板和试验盒壁之间的距离应不小于0.5cm，用绝热材料来完成板的固定。

    试验期间的环境温度为试验盒壁的温度。

    注：①如果能证明测量晶体盒温度其它方法与上述规定的标准测量方法所获得的结果有相依关系，那么，也可以采用测量晶体盒温度的其它方法。

    @对具有盔制空气冷却或强对流曲设备，其试验环境温度条件应在产品活页规范中规定。

1.2晶体腔温度

1.2.1  测量晶体腔温度用的感温器应是经过校准的10士0.02MHz AC切型的晶体振予（参看附录B）。该振子应装在和TCD所用的晶体盒相同的晶体盒中。TCD用于几个石英晶体元件时，应在一些插座上装上一个或几个感温器而在其余的插座上都装上空盒。这时，晶体腔平均温度就是每个位置的读数的平均值．而总温度偏差是在各个时间和位置上测得的晶体腔温度的最大值与最小值之差．其它的量，可选择感温器在任意位置时测得的温度最大值或最

小值。

    自从IEC 314号标准出版以来，已能得到小型晶体盒型号(CK、CB，EB)的晶体元件。

  在这些晶体盒中，10MHz感温器晶体的应用是不可能的。因此，现把图4所示的20MHz

 AC切测温晶体用于TCD。

1.2.2用经校准的晶体元件测量晶体腔温度时应该注意下述几点一

    1)振荡器网络．既可装在环境试验箱里面也可装在外面。不管装在里面或外面都要相当

注意，使温度变化对振荡器的影响或者晶体和振荡器间连接导线参数的改变不会过于影响测

量准确度。

    2)晶体激励电平应保持在符合精度要求的低电平上。

    3)所用频率测量装置其分辨能力应能满足所要求的精度等级。

    4)每一个晶体元件都要用与之相配的振荡器以及连接导线加以校准。对于每种不同类型

的待测TCD都应在适当温度下，选择对这一组合的校准。

    5)校准的晶体元件及其振荡器和频率测量装置都会随时间而变化。因此，应该考虑在某一段时间间隔内进行测置时这些变化对TCDs的测量结果可能产生的影响。

    6)有许多因素．如连接导线的直径，长度和材料，所甩插座的类型都是影响整个TCD

性能的因素。如有要求，这些因素都应予以考虑韭在有关的活页规范中加以规定。

1.2.8如果能使所测结果和上述测量方法所测得的结果有相互关系，也可以使用其它方法

测量晶体腔温度。

1.3最大功率，

    使TCD达到规定的最低工作温度，蓝保持此温度直至达到热平衡。然后，加上额定的电源电压韭测量功率。

    对于断续控制的温度控制装置j应在接通期间测量输入功率，且不超过规定的最大功率。

1.4升温时间

    使TCD达到最低规定工作温度韭保持此温度直到达到裁平衡为止．然后，加上规定的最低电源电压，韭记录晶体腔温度（参看本章第1.2条）。

    TCD加上下限电源电压的瞬间和晶体腔温度达到韭保持在规定的晶体腔平均温度、波

动、变化速率等极限范围的时刻，这两个时刻所经过的时间不应超过规定的升温时间。

    可以对其它的规定工作温度进行重复测量，其升温时间不应超过规定的极限。

1.6平均功率

    使环境温度达到规定工作温度值，并对TCD施加额定电压。

    达到热平衡后，应在相当长一段时间内记录输入功率（对断续控制的TCD，平均时间不

小于三个完整的开关周期）。

1．6过温度每摄氏度的热耗散

  可以从平均功率和晶体腔温度与工作温度之差计算出升温l℃的热损耗。

1.6a TCD的热阻

    在与1.5条相同的条件下测量TCD的表面温度。

    TCD的热阻由晶体盒平均温度与TCD表面温度之差除以平均功率表示。

1.7开关周期(仅适用于断续控制的TCD)

    在某一规定的工作温度和规定的电源电压下，在晶体腔平均温度稳定以后，至少开关三

次测得的平均开关时间。

1.8开关速率(仅适用于断续控制的TCD)

    按上面第1.7条测得的开关周期的倒数即开关速率。 

1.9  占空比(仅适用于断续控制的TCD)

    工作周期的测量可结合第2章1.7条的测量进行。在某一规定的工作温度晶体腔平均温

度稳定以后，测量一个开关周期和一个加热周期的持续时间。加热周期与开关周期时间之比

即为占空比。此值不应超过规定的极限值。

1.10在固定的工作温度时的晶体腔温度特性

    工作温度要在规定的极限内。电源电压要保持额定值。在晶体腔平均温度达到热平衡之

后，进行下述测量。

    应在足够长的时间范围内测量晶体腔温度特性（断续控制的TCDs不应少于开关三次）。

    可在有关活页规范规定的任何条件下重复进行腔温特性的测量。

1.10.1  晶体腔平均温度

    在上面规定的条件下，测量业记录晶体腔瞬时温度（见本章第1.2条）。根据这些数值

计算出品体腔平均温度，其值不应超过规定的极限。

1.10.2温度波动

    第1.10.1条测得的最大与最小值之差即为温度波动，基值不应超过规定的极限。

1.10.8晶体腔温度变化速率

    根据1.10.1条的测量结果，计算晶体腔温度变化除以此变化所经过的时间，取其商之最大值，该值不应超过规定的极限（时间取的长短与所要的测量精确度一致）。

1.11在工作温度范围内晶体腔平均温度的变化

    使TCD达到规定的最低工作温度并在此温度下达到热平衡。电源电压保持在额定值。然

后，在工作温度范围以内不断提高工作温度，升温速率要保证使TCD内部达到热平衡。这时，连续记录或者以不大于lO℃的间隔间断地记录下晶体腔平均温度。晶体腔的平均温度变化不应超过规定的极限。

    可以在活页规范规定的任何条件下重复进行上述测量。

1.12减缩系数

    当环境温度在工作范围内按规定变化时，该环境温度变化与相应的晶体腔平均温度变化

之比。减缩系数可从1.11条的测量结果中导出。其值不应超过规定的极限。

  注：所得出来的温度特性不会是线性的。因而要注意使减缩系数和获得最小值的温度间隔相对应。

1.18过冲（量）

  工作温度在规定的极限范围内，电源电压保持在额定值。

  在开始测量之前，先使晶体腔温度达到热平衡。当工作条件（工作温度或电源电压）按规定的较快的速度变化肘，就会使晶体腔平均温度产生瞬时变化．应将此变化记录下来（见本章l-2条）。其值不应超过规定的极限．

    1.14信号（发生）装置   

    进行上述各种测量时，如使用了信号（发生）装置，应按有关活页规范的规定工作。

  2耐电压和绝缘电阻

    测量应在SJ/Z 9001--87(IEC  86号)标准规定的试验用标准大气条件下进行。

Z.1  概述

    测量之前，TCD应工作一段时间以使晶体腔平均温度足够稳定。

    试验时应断开电源。这两项测量都应按下述各种接法进行。

    a)在以金属外亮、框架或类似结构的部件为一端，和以连在一起的所有不按地端为另

一端之间测量，

   b)在以加热器以及连接在一起的有关引线为一端，其它引线与金属外壳，框架或类似

绮构的部件连在一起为另二端之间测量;

    c)在各不接地端之间测量。

    注：①对某些TCD，感温器可能与框架连接，而在其它场合下加热器绕靼的一端可能与半导体器件连接，这样试验时必需棍当小心。按上述任-种按法连接时，应只进行某些适当的试验。

    ⑦若规定在一项或几项环境试验之后进行这些测量并把所测的结果与进行环境试验前的测量结果相比较时，则这些测量可在环境试验之前和之后在TCD未加热的情况下进行。

2.2耐电压

    对本章2.1条的接法按下述规定的耐压值最少试验1min。

    标准耐压值为：

    对低压加热器(峰值电压不超Rs4v)为5倍工作电压

    对市电加热器，应遵守安全规则。

    加上上述试验电压时，不应有击穿或跳火现象。

2.3绝缘电阻

    按a），b），c）兰种接法加IOOV电压1min测量绝缘电阻。其值不应小于规定值。此项试验应在耐压试验后（按同样的按法）立刻进行。

3晶体元件连接

3.1  电容

    应测量下列电容．

TCD上连接晶体振子用的每对引线之间；对多电极振子，则在每一对可认为是两电极振子的连接引线之间，

b)每个接端与TCD到金属外壳、框架等结构件上的其余接端之间。   

注：进行这些测赶时，TCD内不装晶体元件。测量应在远低于该种连接的谐振频率的频率上进行。电容值应符合规定要求。

3.2电感

    将在恒温器内每个晶体振子的一对连线短路（对多电极晶体振子，则将可以．认为是

两电极晶体振予的每对连线短路）o然后测量相应接端间的电感，其值应符合规定要求．

3.3电阻

    按本章3.2条的接法测量电阻。其值不应超过规定值或l．

4机搬，气候和耐久性试验

4.1  引言

    本章第3条的测量方法能够在“公认”情况下判断TCD工作特性和电特性。而TCD在经过一段使用期之后保持这些性能的能力，则要通过若干试样经受SJ/Z 9001 (IEC 68)标准规定的机械和气侯试验以及下面规定的耐久性试验来评定试验顺序和严酷度与S J/Z9152.1  (IEC 122--1号)标准对晶体元件的规定基本相同。

    试验后，试样应韶满足工作特性和电性能的要求，

    在附录A中规定了所有可能要做的鉴定试验的一览表．可以作为起草某一具体型号的

TCD鉴定试验项目表时用的核对单。．起草时必须考虑下述各点，

    ——功能和电性能要求，

    ——需做的试验及其顺序（试验一览表，

    ——试验的严酷度；

    ——为验证样品是否通过了试验，试验后要测量的内容，

    ——被试样晶数量，各批的分组以及允许的不合格品数．

    做过试验的TCDs不应用于设备中或者回存到供应仓库。

4.2耐久性试验

4.2.1  标准环境试验

    TCD在试验用标准大气条件下断续工作总时间应为100011。

    每一个工作周期是:TCD加额定电压lh。然后断开电源0.5h。

    在250h，500h．750h和在试验结束后按本章第1，2，3各条测量TCD的工作特性。其结果应满足工作特性的规定要求。活页规范也可以规定该测量值与试验前测量值之差，应不超过规定极限．

4.2.2冷贮存试验

    将TCD置于贮存温度下限至少24h。然后按本章1.10条进行试验，晶体腔平均温度应在规定的极限内。

4.2.3热贮存试验

    将TCD置于贮存温度上限至少24h。然后按本章1.10条进行试验，晶体腔平均温度应在规定的极限内。

4.3故障条件

    将晶体恒温器控制装置断路，短路或其它损坏，使得晶体恒温器接通电源后，最大功率

连续地加到加热器上。

    使晶体恒温器在电源电压上限韭在最高工作温度条件下工作直至安全装置（如果有的

话）动作或者晶体恒温器外表面温度稳定下来为止。

  在进行这种试验时，晶体恒温器不应冒烟．其外表面温度不应超过有关活页规范规定

值。

  带有可复原安全装置的晶体恒温器，这种试验可重复几次进行。

  注：对于有安全装置的恒温器，当共安金装置动作以后，可能会出现几次最高表面温度。

5制造条件

5.1尺寸应符合规定值。

5.2 TCD用良好的现行工艺制造。

5.3标志应清晰耐久。

S.4若无其它规定，金属壳晶体元件用的TCDs应有使其金属壳接她的装置。

    附录A

    鉴定试验的一般麓诚

AI定义

AI.1型号

    一种型号包括具有相同设计特征用相同的技术制造的TCDs，这些TCDs的各项额定值皆

在产品的正常值范围内。

    注:)(1)若对试验结果无显着影响，则安装附件可不予考虑。

    (2)额定值包括：

    a)工作特性，

    b)电性能指标；  

    c)尺寸；

    d)环境条件。

    (3)额定值的极限范围应由供需双方协商一致。

AI.2鉴定试验

    某种TCD的鉴定试验是指对代表该型号的若干样品进行的一系列的完整试验，其目的在

予确定某个制造商是否具有生产满足规范要求的TCD的能力。 

A1.3鉴定批准

    鉴定批准是由有关机构（需方自己或其代理人）作出的，确认某一制造商有能力生产相

当数量满足规范要求的该型号产品的决定。

A2鉴定试验项目表

A2,1供求双方应对试样数和允许的失效数取得一致意见。样品应能代表该型号产品的各项数值的范围。

  注：有时为了部分鉴定批准，可以局部的或对个别数值进行鍪定试验。

A2.2所有样品应按下述次序进行各项试验。

*鉴定试验样品多于6小时，随机取若干试样进行测量。

A2.3然后将TCDs分为三组。各组的全部TCDs按下述次序进行各项试验。

试    验	本标准第2章中的 有关条款	SJ／Z 900!<IEC 68) 标准中的有关试验
第一组 焊接（必要时）    干  热 湿热，加速，第一循环 寒 冷 低气压 干  热   湿热加速，其余循环 温度变化 绝缘电阻 工作特性	2.3 l	T B D A M B D N
第二组 潮热，长期暴露 绝缘电阻 工作特性 故障条件	2.3 1 4.3	C
第三组 寿  命 标准环境试验   冷贮存试验 热贮存试验   工作特性	4,2 4.2,1 4.2,2 4.2,5 1

    附录B

AC切测量晶体制造数据

B1 AA型盒的晶体

    a)切角:3030±5，

    b)毛坯直径: 12mm;

    c)表面加工：用约3000目的筛子筛过的磨料磨到Lo.200MHz；然后在饱和的二

    氟化铵中腐蚀lmin；

  d)电极直径l 7mm；

  e)电极材料：金；

  f)总的被回频率：约200kHz；

  g)装配图：见图B1；

  h)元件应充以干燥的氮气。

图B1AA型盒（比例2：l）

BZ BC和CX (X)型盒的量体

a)     切角:3030±5，

  b)毛坯直径l 8mm，两面倒边，屈光度24．边宽0.5mm；

  c)表面加工．用约3000目的筛子筛过的Al；0。磨料磨刭l0．100MHz，然后在饱和的二

氟化饺中腐蚀lmin；

    d)电极直径：4mm，两电极引带成120

    e)电极材料：金;

    f)总的被回频率: 100kHz;

    g)装配图l见图B2和图B3。

    h)元件应充以干燥的氮气。

图BZ BC型盒（比例2：1）

图B3 CX(X)型盒（比例2：l）

注：所有晶体都用直径0.155mm的钢丝弹簧装架。

B3 EB型盒的晶体  

b)     切角:3030±5，

  b)毛坯直径l 8mm，两面倒边，屈光度24．边宽0.5mm；

  c)表面加工．用约3000目的筛子筛过的Al；0。磨料磨刭l0．100MHz，然后在饱和的二

氟化饺中腐蚀lmin；

    d)电极直径：4mm，两电极引带成120

    e)电极材料：金;

    f)总的被回频率: 100kHz;

  g)装配图l见图B4，

  h)元件应充以干燥的氮气；

  I)频率20MHz．

图B4 EB型盒（比例4：l）

第3章  石英晶体元件用温控装置使用指南

    本章是应部分生产者和使用者对晶体元件温度控制装置使用需要而编写的指南，以使温

控装置能发挥最大的作用。

    虽然有可匏用温度控制装置控制晶体元件的温度兔受环境温度的影响，但卞列因素会干

扰温度控制装置晶体的温度被稳定在规定值上。

    因为这种温度控制装置，它们不能完全消除温度变化，韭且有一定的生产误差；因而根

据晶体元件的各种用途，必须认真考虑其热特性。  

    另外，温度控制装置的电性能和机械特性有很大的差别（取决于设计），要选择一合适

的温度控制装置则必须仔细的加以考虑。

2范围

    本文不能对温度控制装置进行详细的理论推导，也不可能将所有的实际问题都涉及到，

而是叙述了温度控制装置的基本特性，监且指出了如何确定这些特性与晶体元件特性有联系的最终性能。

    因温度控制装置的某些具体的特性是相互关联的，所以在实际中不可能达到指南讨论的

特定组合的特性。因而应尽可能地利用现有的产品活页规范。

    标准产品活页规范，如SJ／Z 9158 (IEC 314)或各国家标准的活页规范或具体制造商发布的数据资料应针对市场上买得到的产品。其组合特性应选择尽可能使之适合予多种用途。

因为存在很多种差别不大的型号是不经济的而且也限制了互换性，最好使用几种标准型号的

温度控制装置，这特别是因为很容易得到适合予这些温控装置使用的标准晶体元件．

  3晶体元件用温控装置的应用

  .1引言

    温度控制装置的作用是使装在其腔体中的一个或若干个晶体元件保持在某一规定的恒定温度上（见图1）温控装置根据其热特性、电特性和机械特性来评定，而与其温度稳定的方法无关。

    下文中把通用的名词“晶体元件的温度控制装置”缩写为“TCD”，使用最广泛的是通

过控制加热来稳定温度TCD，通常称为“晶体恒温器”。

*本第3章是IEC 314号标准的第一次补充，原编号为IEC 314A号标准(1971)——编注．

 

晶体元件温度

a一不带晶体恒温器，b一带晶体恒温器；TaB一工作温度范围

图1晶体元件温度与环境温度的关系

3.2性能与选择   

8.2.1概述

    晶体恒温器晶体腔温度也有一些变化（见图2），这种变化虽然很小，但却使放在里面

的晶体的频率也产生相应的变化。

 

    a-晶体腔温度随环境温度线性变化；    b一晶体腔温度随环境温度非线性变化；

    a一欠补偿，                      b-欠补偿，

    a一过补偿                        b一过补偿

    Tcm一晶体腔平均温度

    TaR-工作温度范围；

    一工作温度范围内晶体腔平均温．度的变化

图2典型的晶体恒温器特性

    为了满足所要求的频率允差，晶体及其相配恒温器的特性要综合起来考虑。为此，对晶体恒温器以及晶体的主要特性说明如下。

    考虑晶体元件和晶体恒温器的热特性，作为一级近似，晶体恒温器中晶体频率的相对变

化等于晶体腔温度变化和晶体温度系数Tcf的乘积。由晶体元件老化所引起的频率变化必须

与恒温器引起的频率变化分别计算。

    如果晶体元件频率温度特性曲线的翻转点(即最大或最小点，见SJ/Z  9152.2--ST(IEC

 122--2)标准第3章第3.4条）与工作温度一致（对温控型的晶体元件，为与晶体腔平均温度一致），则晶体元件由于温度变化所引起的频率变化就减至最小。例见图3。

    

    左  图一一晶体元件的频率温度特性，

    右上图一一晶体恒温器特性；

    右下图一一置于恒温器中的晶体元件的频率温度特性；

    TaR----工作温度范围

图3工作在恒温器中的晶体元件频率变化的减缩

    左图曲线“a”表示具有最小频率变化且翻转点在环境温度范围内，相对位置适当的非

晶体元件的频率温度特性。但是，当这种晶体在恒温器中较高温度工作时就会产生很大的频

率变化，如右下图曲线“a”所示。

  左图曲线“b”表示在恒温器中理想工作的晶体的频率温度特性，恒温器的温度特性如右

上图。右下图曲线“b”表示当这种晶体在这种恒温器中工作时大为改善的性能。

  但实际上，晶体翻转点不能严格地固定在某一规定的温度上，泣且，有的切割类型的晶体，其翻转点限于某一温度范围内。所以，使用晶体恒温器必需考虑到所用晶体的温度系数Tcf在晶体腔温度整个变化范围内要小于某一规定的最大值。

    这种晶体的典型曲线（最符合普遍实用的条件）如图3曲线“c”。除考虑晶体元件的分散性外，还必需考虑到某系列恒温器中晶体腔平均温度的分散性。这说明。在实际上，供

在较宽的环境温度范围内工作而设计的晶体元件，当使用在TCD中时未必能得到好的结果。

  某些要求频率极为准确的场合，要分别考虑影响晶体腔温度的各种因素。

3.2.2影响晶体腔温度的各种因素

    恒温器晶体腔标称温度的选择是根据恒温器的工作温度范围而定的，该温度范围通常不

同于整个设备的规定工作温度范围。比如说，只是通过加热来工作的TCD,,其标称温度要选得略高于预定的最高工作温度（例如高5℃）。TCD的特性说明晶体腔平均温度与环境温

度的依赖关系（见图2）。

    由用户规定的恒温器晶体腔平均温度值（晶体腔标称温度）只能在某一预定的腔温校准

公差范围内调节。 

    腔温变化是由于：

    一—环境温度的变化，

    一一工作电压的变化，

    一一老化现象（主要是因为感温器的长期变化），

    一一调整过程，它通常引起腔温波动。

    在20℃和额定电压下的晶体腔平均温度校准公差和老化公差一方面对晶体腔标称温度的固定偏差提供了极限值，另一方面又对其缓慢变化的偏差提供了极限值。

    某些要求频率极为准确的场合，这两种作用的黪响通常能由晶体频率的周期性“牵引”

现象所消除（见SJ/Z 9152.3即IEC 122-2号推荐性部标准第3.6.3条）。

3.2.2.1  工作温度范围内的晶体腔平均温度变化

    工作温度范围内的晶体腔平均温度变化对频率的影响基本上不能消除。环境温度范围内

的晶体腔平均温变变化近似为工作温度范围与减缩系数的商或工作温度范围与晶体恒温器控制比的积（控制比为减缩系数的倒数）。这样计算工作温度范围内晶体腔平均温度变化时，

必须注意到恒温器的减缩系数基术取决于在工作温度范围内恒温器工作点的位置。减缩系数

的代数符号可以是芷的、负的，也可以是正负交变的（见图3）。

3.2.2.2晶体腔的温度波动

    温度波动是晶体腔的一种特性，不能从中直接导出使晶体元件产生的频率变化。温控面与晶体禽之间的空气，以及晶体盒内壁与晶片之间的气体（或真空）构成了与晶体盒和晶片的热容量相沟通的两个热系统。用滤波系统使温度波动消除褥越好，越平滑，恒温器的开关速率就越高。

    另一方面，较高的开关速率也带来了缺点．如果有开关触点，则磨损较快．

    因此，由恒温器温度波动造成的晶体频率变化很大程度上取决于晶体频率，设计，所用

的气体或真空的情况，以及温度波动的振幅和持续时间。

    还必需指出，温度波动不是固定的而是受所施加电压和环境温度的双重影响的。对各种

具体的应用场合，用户在酌定某种TCD是否适用时必需考虑到这些因素。

3.2.2.3晶体腔的温度变化速率

    腔温波动的振幅和恒温器的开关速率决定了腔温变化速率，它是计算腔温波动对晶体元

件频率影响的文一种方法。

    用户应该注意-．由于腔温的变化速率．频率变化会比根据稳态晶体频率一一温度系数特性和恒温特性确定的频率变化要大。这是由于在石英片上存在着温度梯度，在某些要求频

率极为稳定（小于l×lO?7）的场合j这种影响可能是重要的监需要予以考虑。关于有关这个问题的进一步情况，建议用户向制造厂了解。

3.2.2.4升温时间

    有关温度波动的说明也适用于升温时间或升温速率。晶体元件的频率达到其规定的公差

所需的升温时间一般要比恒温器晶体腔温度的升温时间要长。

3.2.3电源

    一般来说，最大功率为最太加热功率与最大加热功率下控制电路（如果有的话）的功率

的和。借助于每单位温升的热损耗（即每升温l℃所消耗韵加热功率）可以计算出工作温度

范围内任一温度的平均加热功率，因而也就可以设计出需要的电源．

3.2.4除上述参数外，还有一些因素，其重要性因应用场合的不同而异。所附的产品活页

规范示例给出了应予考虑的各种参数特性。因这些参数有一定的物理和技术上的相互联系，

所以必需从多方面考虑，必要时应由生产厂说明。

3.3订货资料

    如果订的是结构已知的恒温器，应包括下列基本项目， 

    一一恒温器的结构

    一一晶体腔标称温度，

    一一工作温度范围，

    一一工作电压

    如果恒温器的类型由生产厂定，应规定下列项目

    一一所用的晶体盒，

    一一晶体腔标称温度

    一一工作温度范围，

    一_允许的晶体腔温度与标称值的偏差（如有必要，应说明有关晶体腔温度的具体要    求），

    一一工作电压，

    一一对某些特殊应用场合有必要列入的其它参数（按产品活页规范）。

    如果生产厂要提供装有晶体的晶体恒温器，还要对晶体提供以下补充数据。

    一一标称频率或标称频率范围

    一一频率允差（如有必要，应说明具体要求）

    一一电路数据，负载能力，

    一—激励电平，

    一一特殊要求（如果有的话）

    一一标志。

3.4有关安装和布线的说明

    晶体恒温器规定的全部参数都基于在不流动的空气中工作。如果晶体恒温器装在不符合

这一基准条件的部件中（例如空气对流或偶然的热辐射），就会使晶体恒温器的热性能产生

很大变化。

3.4.2辅助装置

    断续型晶体恒温器的工作，需要继电器或灯泡等外部元件。对于所用的全部元件（如继

电器，接点温度计），其电压和电流一定不要超过其额定值。

    通过接点的负载小，接点寿命就长（特别是开关速度高时），也减小了打火花对通信

设备的干扰。另外，可以使用设计得当的灭火花装置以得到更好的效果。

3.4.3 TCD对晶体元件电性能的影响

    TCD对晶体元件电性能的影响是不可忽视的。特别是要考虑TCD基座与晶体元件间的引

线电容构成了晶体元件负载电容的很大一部分。一方面为了使这些杂散电容减到最小，另一

方面为了使晶体腔沿着这些导线产生的热漏减到最小，这些引线的直径应尽可能小．由予这

些引线的电阻加到了晶体元件上，往往使晶体阻抗显著增加。在某些频率范围内，这些引线

的电感也是很讨厌的，就象是在多位置TCDs中附加的杂散电容那样，特别是当这些杂散电

容因TCD内的晶体数而异时。为T从TCD和晶体组合中得到最佳性能，这两个因素要通盘考

虑。

4 TCD工艺技术

4.1基本考虑

    使晶体腔温度保持在某一恒定温度上的问题大体上可以用兰种途径来解决，即相对于环

境温度范围，标称温度选用三个基本的相对位置，

    a)标称温度高于最高环境温度，晶体腔的热损耗通过自动控制的加热系统来补偿。

    b)标称温度低于最低环境温度，晶体腔的热增加通过自动控制的冷却系统来抵消．

    c)标称温度在环境温度范围内，综合曩）与b）两种方法进行温控。

    由于b）法工作温度较低，晶体元件的老化速率也低。与a）法相比较，c）法所需的功率显著减小.b)法和c）法目前大多不采用了，因而下面仅讨论使用曩）法的晶体恒温器。

4,2  晶体恒温器布局

    恒温器结构如图4（金属的），外罩传热性能好，加热槽体围绕着晶体腔，如有可能，加热部件一般直接装在加热套的外表面上。感温器加在加热套的上面或内部适当点上。加热部件与外罩间用绝缘层隔开。

4.2.1  由于加热椭体旦有良好的导热性能，使其内壁与晶体腔的交界面（被控制面）具有

很高的温度均匀性，其热容防止了其外表面的突然温度变化（或环境温度变化）传导到晶体

腔中去，亦即使热波动或热冲击减弱。

4.2.2控制加热功率的感温器一般为．

    一一双金属恒温继电器；

  一一接点水银温度计；

    一一热敏电阻器。

    双金属恒温继电器简单但不精密．因接点的负荷能力较高，加热功率一般可直接通断．

    接点水银温度计精度一般比双金属恒温继电器高，因而可做成高精密晶体恒温器I但其

接点的负荷能力低，通常需要使用继电器或放大器辅助电路。这种接点水银温度计的缺点是

机械敏感性过高，特别是当工作过程中有热冲击时。

    热敏电阻器主要适用予连续控制温度的感温器。热敏电阻使温度的调整很精确，特别是

安装在电桥电路中配上适当的放大器时．

4.3控制温度的型式   

图4  晶体恒温器布局图

  1-外套；2-晶体腔；3一晶体盒；4_晶体振子；5-加热套6-加热器绕组；7-加热器引出端；8-晶体引出端；9-电绝缘体；10-热容和热导体；l1．热绝缘体，l2-感温器

  有所谓断续控制的恒温器（开与关两点调节）和连续控制的恒温器两种。

4.3.1在断续控制的恒温器中，感温器用下述方法调节热补偿．

  如感温器温度低予控制温度（开关温度），加热功率源接通。过一段时间后，感温器温度升高，超过控制温度时加热系统就断开。

    由于周围的热损耗，．这个过程反复进行。图5说明了某种型号TCD的简明工作机理。可以看出，由于恒温器和感温器有热时间常数，以脉冲形式进入的加热功率变形为近似正弦（热）波，热波相对于加热功率有相位移，感温器平均温度比环境温度变化滞后一定的数值，以适当的调节热补偿。

  传到感温器的热波，沿其路径到达晶体时更平滑了．

 

    如果用在需要更精密的地方，可以加用热滤波元件使晶体处的热波动进一步减小。按感

温器的位置，工作温度范围内晶体腔平均温度的变化可与感温器平均温度的变化相同或相

反．

    一种有趣的断续控制调节装置的变型是“换态晶体恒温器”。这种恒温器的控制面用一

种专门选择的低熔点化合物层构成J升温后，其里层呈固态，外层呈液态。从固态转换为液

态导致体积增大，利用一膜片即可控制加热功率源的通断。所加，琦热量用固态和液态物质的交界面来表示，熔解所需要既潜热提供了高效率的的缓冲作用。

4.3.2在连续控制的恒温器中，流过连续的加热电流，电流大小由放大器和感温器进行连

续控制，使加热功率刚好补偿晶体腔的热损耗。连续控制的晶体恒温器没有触点装置，不会

产生失灵或引起电流脉冲．但是，其调节电路比断续控制的晶体恒温器复杂。

附录A

晶体恒温器活页规范要规定的特性

恒温器活页规范应对具体型号的恒温器规定出下列指标，如公司说明书包括的

  1．说明；

  2．设计特点；

  8．热指标；

  4．  电性能指标。

A1说明

A1.1适用的晶体盒

A1.2感温器

A1.3信号开关

A1.4附加的加热装置

A1.5安装说明（恒温器壳、紧固装置，保持器，安装位置等；

A1.6附加电路（辅助调节电路）

A2设计特点（型式）

A2.1  外形尺寸

A2.2晶体腔尺寸  

A2.3晶体盒

A2.4印制电路接端紧固装置

A2.5标志位置

A2．6耐冲击和耐振

A2．7对气候条件的适应性（规范组别）

A2．8重量

AS热指标

A3.1  晶体腔标称温度

A3.2工作温度范围

A3.3可工作温度范围

A3．4贮存温度范围

A3.5晶体腔温度校准允差

A3．6工作温度范围内晶体腔平均温度变化

A3．7在20和额定电压下，晶体腔平均温度相应于工作电压变化的变化

A3.8温度波动（温差）

A9.9  晶体腔温度变化速率

A3.10  晶体腔温度老化允差

A3.11升温时间  

A3.12开关速率（控制速率）

A3.13过冲（量）

A3.14减缩系数  

A3.15  占空比

A3.16信号开关

    a)“低温”指示

    b)“高温”指示

A4电性能指标  

A4.1工作电压、允许的电压偏差、电流类型

A4.2最大功率（可以对有和无附加的加热系统分别规定值）

A4.3平均功率

A4.4晶体引线电容

    a)插脚之间 

    b)插脚与外亮之间  

A4.5晶体引线绝缘电阻

    a)插脚之间   

    b)插脚与外亮之间

A4．6晶体引线电阻

A4,T插脚连接图

A4,11感温器性能 

A4.9信号开关可允许的性能

附录B

术语注释

序号	术语	注  释
1       2     3       4             5     6                   7     8          9     10     11       j	晶体元件的温度控制装置 (缩写为TCD) 晶体腔 晶体恒温器   感温器         晶体腔温度 晶体腔平均温度               温体腔标称温度 校准允差       老化允差     强度波动      最体腔温度变化速率  ．	一种容纳一个或若干个晶体元件韭使其在各种机械，电气和气候条件下保持相对恒定的温度的装置。     温控装置中放置晶体元件的空间。     是一种用非加热办法来补偿热耗散的控温的石英晶体元件用温度控制装置(TCD)。     TCD中进行自动温度调节所需的温度敏感元件。 它可以直接地或间接地控制输入功率。   注：晶体追温器的功率控制可以是—种开关装置，能断断缓续地供给加热器功率；也可以是—种连续变化的装置，供给加热器的功率基本上与晶体窿温度偏离预定值的偏差成比例。     晶体振子所在位置的瞬时温度。     当TCDT作在指定的恒定电源电压和环境温度条件下 时，晶体腔最大温度与最小温度的平均值。   注：①环境温度     本标准中广泛使用。环境温度’这个术语，它一概是指环绕TCD面列TCD无明显作用的较宽的环境温度。     国所有的公差和偏差，都悬与在加℃的基准通度（如用其它温度I应从sJ/z 9001 0zc 68号）标准中选择）及额定电压下溯得晶体腔平均温度的允许变化偏差。   规定的TCD晶体腔平均温度。   在20℃和额定电压下潮得的晶体腔平均温度与晶体腔标 弥温度间的允许偏差。   注：该允差与制造工艺有关。   老化允差指一定时间内在20℃(如用其它温度应从SJ/Z9001.1(IEC 68—1)标准中选择）和额定电压下测得晶体 窿平均温度的允许变化偏差。   当TCD在规定的恒定电压和在工作温度范围内规定的恒定环境温度下工作时，晶体腔平均温度稳定后的晶体腔温度最大值和最小值之差。   在很短时间内的晶体腔温度变化与时间的商，系当TCD在恒定电压和在工作温度范围内的恒定环境温度下工作时，晶体腔平均温度稳定以后测得。

 

 

续  表

序号	术语	注释
12   13   14   15     16       17       18 19     20     21 22   23   24	整个工作温度范围内的晶 体腔平均温度变化 减缩系数   过冲（量）   开关速率     占空比       升温时间       最大功率 平均功率     温度每摄氏度的热耗散     过温 工作温度范围   可工作温度范围   存温度范围	在稳态条件下测得的整个工作温度范围内晶体腔平均温 最大值和最小值之最大差值。   当环境温度在工作范围内按规定变化时，该温度变化与 应的晶体腔平均温度变化之比。     晶体恒温器在工作条件迅速改变时，晶体腔平均温度超过晶体腔平均温度稳态极限值的瞬态变化部分（见图1）。   在规定的环境温度下晶体腔平均温度稳定后测得的开关 的频次(仅用于断续控制的TCDs)。   在额定电压和规定的环境温度下测得的加热时间与开关 圊期之比(仅用于断续控制的TCDs)。   注：开关速率和占空比均随环境温度和电源电压而变化。   温控装置在（工作温度范围内的）规定环境温度下工作时，从TCD接通下限电源电压开始到彘体腔温度达到韭保持晶体腔平均温度，波动，变化速率等的规定极限值为止所经过的时间。 TCD在额定电压和最低工作温度下消耗的最大输入功率。     当TCD在额定电压和（在工作温度范围内）规定的环境温度工作时，在升温后的一段足够长的时间内TCD消耗的平均功率。   TCD耗散的平均功率除以晶体腔平均温度与环境温度之差。   晶体腔标称温度与环境温度之差。   温度控制装置能把温度控制在规定的偏差范围内的工作温度范围。   温度控制装置尽管不在规定的温度误差内也不会损坏的作温度范围。 贮存、搬动及运输TCD后，TCD仍能按规定指标正常工作的环境温度范围。

 第4章，插脚连接

1  八脚管基的TCDs

    这种中壳八脚管基B8-6系按照SJ/Z 9017 (IEC 67)号标准（电子管尺寸）67- I-5d。这种TCDs用于一个或两个采用AA型、AB型晶体盒的晶体元件SJ/Z 9152.3（即IEC标准122--3号）或类似的型号。

图1 一个加热器绕组，标准连接

注：1如果用直流电源，必须考虑极性，脚7为负，脚3为正。

2如果感温器与TCD电连接，脚7应接地。

图2 两个加热器绕组，标准连接

注：1如果用直流电源，必须考虑极性，脚7为负，脚1为正。

2如果感温器与TCD电连接，脚7应接地。

2 九脚管基的TCD

    这种新的小型9脚管基系按照SJ/Z9017(IEC67)号标准67-1-12a。使用一个或两个加热器的TCD，其标准连接如下：

注：1如果用直流电源，必须考虑极性，脚7为负，脚3和脚1为正。

2如果感温器与TCD电连接，脚7应接地。

3  七脚管基的TCDs

    这种小型7脚管基系按照,S3/Z 9017 (ZEC 67)号标准67-I-10a。一个加热器绕组，标准连接．  

   注：①如果甩直流电源，必需考虑极性，脚6为负，脚2为正．

2如果感温器与TCD电连按，脚6应按地。

    以上各图的总说明． 

    1)M点用于连接TCD所有要接地的部分．

    2)感温器符号“C”表示能直接转换加熬功率的感温元件（如双金属开关）或者是间接的转捷装置（如触点水银温度计加上继电器或开关放大器、半导体电路等）。

4  配合印刷电路的TCDs  

  这种恒温器连接图的设计可参照IEC 97标准墩印制电路的基本参数》进行。具体意见正在研究中。

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