恒溫晶體振蕩器調(diào)頻范圍擴(kuò)展思考

徐亞坤+崔立欣+高彤

【摘要】恒溫晶體振蕩器，也稱作OCXO，是泛音晶體的重要組成元件，具有穩(wěn)定性高、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。但是它的一個(gè)顯著的缺陷在于壓控頻率調(diào)節(jié)范圍很小，很難滿足對壓控頻率有較高要求的情況。本文從OCXO的相對寬頻率對比范圍、老化指標(biāo)、頻率穩(wěn)定性等方面，介紹了恒溫晶體振蕩器調(diào)頻范圍擴(kuò)展的方法。

【關(guān)鍵詞】恒溫晶體振蕩器；調(diào)頻范圍；擴(kuò)展

從上個(gè)世紀(jì)壓電效應(yīng)得到應(yīng)用以來，石英晶體振蕩器就作為頻率信號(hào)發(fā)生器在許多的領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛的應(yīng)用。在21世紀(jì)這個(gè)信息化的時(shí)代中，晶體振蕩器的使用更加的廣泛，對晶體振蕩器的需求量也有了極大的提升。恒溫晶體振蕩器是晶體振蕩器中使用較為廣泛的一種類型，它具有穩(wěn)定性強(qiáng)、精度高等優(yōu)點(diǎn)，在通信、定位、遙感、遙測等領(lǐng)域都有良好的應(yīng)用效果。而在通信等某些領(lǐng)域中，不僅對晶體振蕩器的穩(wěn)定性要求較高，而且還要求其具有較寬的調(diào)頻范圍。本文就根據(jù)實(shí)際的使用要求，提出了利用恒溫晶體振蕩器的恒溫溫度開拓展恒溫晶體振蕩器調(diào)頻范圍的方法。

1. 恒溫晶體振蕩器簡述

恒溫晶體振蕩器是將石英諧振腔置于恒溫槽中，從而使其輸出頻率具有良好的穩(wěn)定性和溫度特性。恒溫晶體振蕩器可以簡稱為恒溫晶振。它通常采取單層恒溫和雙層恒溫兩種結(jié)構(gòu)形式。恒溫槽中的溫度一般被控制在晶體頻率-溫度曲線的零溫度系數(shù)點(diǎn)上，溫度的波動(dòng)幅度很小，這樣就能在將溫度對晶體振蕩頻率的影響降低到最小。

在精密標(biāo)準(zhǔn)頻率控制儀器中，常常需要既能在寬頻率范圍調(diào)節(jié)又能夠保持高頻率穩(wěn)定度和低相位噪聲的可控晶體振蕩器。為了實(shí)現(xiàn)寬頻率范圍調(diào)節(jié)，不得不采用拉動(dòng)性好但是穩(wěn)定度和老化率較差的基頻晶體振蕩器。在當(dāng)前使用的所有晶體振蕩器中，恒溫晶體振蕩器是頻率精度較高的一種類型，并且還具有穩(wěn)定性高、使用年限長、噪音小等優(yōu)點(diǎn)。高質(zhì)量的恒溫晶體振蕩器的老化率可以達(dá)到10-12/天。因此，恒溫晶體振蕩器也經(jīng)常被看做是高穩(wěn)定性的晶體振蕩器，并被應(yīng)用于許多對晶體振蕩頻率穩(wěn)定性要求較高的儀器和元件中。

2. 恒溫晶體振蕩器可調(diào)頻范圍擴(kuò)展

恒溫晶體振蕩器通常采用的都是AT切或者SC切的泛音晶體諧振器，而對于那些對短期頻率穩(wěn)定性較高的儀器，使用SC切晶體的頻率更高。

泛音SC切晶體的Q很高，因此其頻率的穩(wěn)定性和相位噪音指標(biāo)都較好，但缺點(diǎn)是壓控范圍較小，對于一些對調(diào)頻范圍要求較高的儀器來說，這種諧振器的功能就難以滿足要求。

當(dāng)前常用的頻率范圍擴(kuò)展方法是使用π網(wǎng)絡(luò)。但這種方法也有一個(gè)顯著的缺陷，就是會(huì)降低晶體振蕩器的Q值，這樣就必然會(huì)導(dǎo)致恒溫晶體振蕩器的短期頻率穩(wěn)定性和相位噪聲指標(biāo)受到影響。

通過實(shí)驗(yàn)探究發(fā)現(xiàn)，合理的調(diào)節(jié)恒溫晶體振蕩器的恒溫溫度可以有效的擴(kuò)展晶體振蕩器的調(diào)頻范圍，并且使其穩(wěn)定性提高到原來的1-1.5倍。本文中采用了可程控電位器來作為晶體振蕩器電橋中的電阻，并利用單片機(jī)來控制電位器輸出的電阻值，以此來更好的控制晶體振蕩器的恒溫溫度，實(shí)現(xiàn)調(diào)頻范圍擴(kuò)展的目的。

3. 晶體諧振器的選擇要求

晶體諧振器是晶體振蕩器中的重要元件，AT或SC切晶體諧振器是在恒溫晶體振蕩器中最常使用的兩種晶體諧振器，其主要的優(yōu)點(diǎn)在于在寬溫度范圍內(nèi)，產(chǎn)生的頻差較小。

在選擇晶體諧振器時(shí)，有一些具體的要求。首先，晶體頻率的精度藥膏。晶體諧振器的頻率精確度直接影響著晶體振蕩器的頻率精確度。但由于在切割石英晶片的過程誤差總是在所難免的，因此，晶體諧振器的實(shí)際頻率與標(biāo)稱頻率之間總是存在一定的差異的。通常，晶體諧振器的頻率精度只有在±20*10-6以上才是合格的。對于一些溫度補(bǔ)償晶體振蕩器，如串聯(lián)變?nèi)莨堋⒀a(bǔ)償電容等，晶體諧振器的頻率精度應(yīng)當(dāng)在-20*10-6才滿足要求。

其次，溫度的頻差藥效。晶體振蕩器的溫度頻差主要是由晶體諧振器的溫度頻差所決定的。這就要求晶體諧振器的溫度頻差要控制在±20*10-6范圍內(nèi)。

第三，晶體諧振器的單頻性要高。晶體諧振器若在串聯(lián)諧振頻率中存在寄生頻率將會(huì)導(dǎo)致跳頻現(xiàn)象的發(fā)生，這會(huì)極大的影響到晶體諧振器的性能。為了防止這一問題的產(chǎn)生，必須確保晶體諧振器的單頻性。在裝配晶體諧振器前，應(yīng)當(dāng)檢查其是否具有寄生頻率。常用的檢查方法是使用掃頻儀來進(jìn)行檢查。單頻性良好的晶體諧振器掃描出來的曲線是十分平滑，沒有寄生峰的。

4. 恒溫晶體振蕩器原理及調(diào)節(jié)其恒溫溫度拓展頻率范圍研究

恒溫晶體振蕩器的組成部分包括振蕩電路、電阻電橋、放大電路、加熱電路等。從可控溫度上進(jìn)行劃分，恒溫晶體振蕩器可以分為低溫和高溫兩種；從感溫元件上來劃分則可以分為點(diǎn)式恒溫和面式恒溫兩種。恒溫晶體振蕩器的工作原理如下：首先由熱敏電阻電橋、直流電壓放大器和直流功率放大器組成電路。通電后，恒溫槽內(nèi)的溫度會(huì)上升，但這時(shí)尚未達(dá)到控制溫度。熱敏電阻電橋會(huì)產(chǎn)生較大的輸出功率，恒溫槽也處于較大的加熱功率狀態(tài)下。當(dāng)溫度進(jìn)一步上升時(shí)，電橋的失衡輸出電壓開始減小，但恒溫槽還處在最大加熱功率的狀態(tài)下。當(dāng)恒溫槽中的溫度快要達(dá)到控制溫度時(shí)，輸出電壓進(jìn)一步減小，加熱功率也開始見效。當(dāng)恒溫槽的溫度達(dá)到控制溫度時(shí)，電橋的輸出電壓保持恒定，電壓經(jīng)過放大后通過加熱絲，并保持在恒定。其產(chǎn)生的熱量與恒溫箱損耗的溫度是一致的，這樣就實(shí)現(xiàn)了恒溫箱的溫度控制。

本文采用的是改變恒溫晶體振蕩器的恒溫溫度來實(shí)現(xiàn)對恒溫晶體振蕩器輸出頻率的控制。當(dāng)恒溫晶體振蕩器的溫度偏離拐點(diǎn)時(shí)，其頻率-溫度的變化曲線斜率將會(huì)有顯著的增大。通常會(huì)采用晶體諧振器溫度變化曲線中波動(dòng)較少的一段曲線作為調(diào)頻的范圍，這樣就能盡量減少對秒級(jí)穩(wěn)定率的影響。恒溫晶體振蕩器恒溫槽溫度變化所引起的頻率變化只在很小的范圍內(nèi)波動(dòng)。只要對恒溫晶體振蕩器的電路進(jìn)行精確有效的設(shè)計(jì)，可以將這種變化控制在10-11量級(jí)內(nèi)。因此，恒溫晶體振蕩器的短期頻率波動(dòng)對恒溫晶體振蕩器整體的頻率穩(wěn)定性影響是較小的。通過實(shí)驗(yàn)也可以證明，恒溫溫度的變化會(huì)使晶體振蕩器的實(shí)際頻率變?yōu)樵瓉淼?-1.5倍，這種變化幅度是十分微小的。

5. 結(jié)語

本文提出了通過改變恒溫晶體振蕩器控溫電橋電阻的方式來實(shí)現(xiàn)對恒溫晶體振蕩器調(diào)頻范圍的擴(kuò)展。這一方法能夠?qū)崿F(xiàn)對恒溫晶體振蕩器頻率的自動(dòng)化控制，并且對頻率的短期穩(wěn)定性和相位噪音的影響較小，秒級(jí)穩(wěn)定度能夠保持在原有的10-11量級(jí)上，而頻率的調(diào)節(jié)范圍則從原有的10-7量級(jí)擴(kuò)展到了10-6量級(jí)，與傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法相比有很大的優(yōu)勢。

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