超高穩(wěn)定度智能化晶振設(shè)計(jì)技術(shù)

敦娟

摘 要：為滿足晶體振蕩器設(shè)計(jì)對頻率穩(wěn)定度的嚴(yán)格要求，一種超高穩(wěn)定度智能化恒溫晶體振蕩器應(yīng)運(yùn)而生。本文通過對于晶振設(shè)計(jì)技術(shù)短期穩(wěn)定度的分析，總結(jié)出其改善的對策，并依照和借助分析結(jié)果設(shè)計(jì)具體的振蕩電路，然后通過仿真平衡諧波工具，逐步優(yōu)化電路參數(shù)，最終獲取理想的相位仿真噪聲曲線，并依照最終優(yōu)化的參數(shù)指導(dǎo)設(shè)計(jì)出真實(shí)樣品。測試結(jié)果證實(shí)，其穩(wěn)定度較高。

關(guān)鍵詞：超高穩(wěn)定度；智能化；晶振設(shè)計(jì)技術(shù)

晶振在控制領(lǐng)域中，是最常用的時(shí)頻檢測基礎(chǔ)元件，一般適合用來提供精密的時(shí)間基準(zhǔn)與頻率標(biāo)準(zhǔn)。影響晶振性能的最關(guān)鍵參數(shù)為短期頻率穩(wěn)定度，所以，有必要研究怎樣增加晶振短期頻率的穩(wěn)定度。已知在頻域與時(shí)域內(nèi)，表征短期頻率穩(wěn)定度的分別為阿倫方差以及相位噪聲，因?yàn)榘惙讲畈灰子?jì)算且難以仿真，所以通常選擇在頻域內(nèi)仿真，時(shí)域內(nèi)分析，標(biāo)頻為恒溫的晶振設(shè)計(jì)技術(shù)經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)測試，其短期穩(wěn)定度與相位噪聲均取得了理想指標(biāo)，能夠作為穩(wěn)定的頻率信號源。

一、短時(shí)間內(nèi)頻率的超高穩(wěn)定度的闡釋與分析

短期頻率穩(wěn)定度指的是由噪聲所引發(fā)的振蕩頻率變化，若要獲取較大的短期頻率穩(wěn)定度，就應(yīng)設(shè)法降低電路中的噪聲。在晶體電極管集電流下降時(shí)，可以改善秒級短穩(wěn)，進(jìn)而能夠通過減少振蕩管集電極電流的方式來改進(jìn)秒級短穩(wěn)；然而基于電路設(shè)計(jì)的角度，應(yīng)避免集電極電流過低，否則就會引起振蕩器起振。此外，從現(xiàn)實(shí)的測試經(jīng)驗(yàn)看出，在晶體的激勵(lì)增加時(shí)，秒級短穩(wěn)產(chǎn)生惡化，以類似方法估算晶振毫秒級穩(wěn)定度可以得知，毫秒級短穩(wěn)能夠獲得改善，即晶體激勵(lì)電流同時(shí)影響到（毫）秒級短穩(wěn)，雖然方向相反。

在頻域內(nèi)，提升電路激勵(lì)之后，相位近旁噪聲惡化，遠(yuǎn)端則獲取改善。因?yàn)閿?shù)據(jù)是使用相同的晶振參數(shù)予以估算的，所以尚不能以有載品質(zhì)因數(shù)的原因進(jìn)行解釋。而倘若認(rèn)為是在提高電路激勵(lì)之后，因?yàn)榉蔷€性效應(yīng)造成噪聲系數(shù)升高，則隨激勵(lì)的變化，相位噪聲必定是遠(yuǎn)端和近旁同步惡化，在短時(shí)間內(nèi)由相關(guān)的因素造成頻率穩(wěn)定度的變化，一般包括噪聲等?；诖饲疤?，假如在短時(shí)間以內(nèi)要獲得較高的頻率穩(wěn)定度，就必須采取有效的對策與途徑，最大程度地減小電路中的噪聲，并盡可能地將其維持在最低限度。在預(yù)測有關(guān)晶振相位噪聲的環(huán)節(jié)中，需要充分剖析與研究大量的數(shù)學(xué)模型，并選擇具有較大優(yōu)勢的模型，可以凸顯其便捷性，因此，分析與研究相關(guān)模型的過程中將其視為主要的關(guān)鍵依據(jù)。

二、超高穩(wěn)定度智能化晶振設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用

（一） 設(shè)計(jì)振蕩電路

振蕩電路一般是由緩沖放大電路、主振電路以及濾波電路部分組成，其中電路的穩(wěn)定性和噪聲抑制功能屬于超高穩(wěn)定度恒溫智能化晶振設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)要素。參照晶體的幅頻效應(yīng)，可以考慮初步選擇SC切型晶體，又因?yàn)楦逹值是確保晶振高頻率穩(wěn)定度的基礎(chǔ)因素，可以選擇泛音晶體。此種晶體不但幅頻效應(yīng)較小，其優(yōu)勢還包括具有熱瞬變與應(yīng)力補(bǔ)償，相較于其他切型的晶體，具有優(yōu)良的頻率溫度特性。在現(xiàn)實(shí)的電路設(shè)計(jì)中，可以嘗試電源穩(wěn)壓與控溫電路設(shè)計(jì)，大幅度增強(qiáng)電平控制電路的穩(wěn)定性，以維持晶體電流的恒定?？販仉娐愤x取熱敏電橋電阻式溫度，借助連續(xù)補(bǔ)償恒溫槽自動耗損的熱量，來確保恒溫槽溫度恒定。電源則選擇使用傳統(tǒng)的低噪聲穩(wěn)壓電路，并予以二級穩(wěn)壓處理。

（二）晶振老化特性及其補(bǔ)償分析

晶振長期頻率的穩(wěn)定度指標(biāo)表征為老化率，晶振的老化率越低，越具有較好的長期穩(wěn)定度。晶體諧振器的老化通常取決于晶振的固有老化特性，而且老化過程不可逆。造成晶體老化的因素大致包括：安裝與焊接，結(jié)構(gòu)、電極與石英當(dāng)中的缺陷，化學(xué)反應(yīng)，擴(kuò)散效應(yīng)，諧振器密封盒中壓力的變化如除氣或者漏氣，諧振器中應(yīng)力的消除，以及雜質(zhì)引起的物質(zhì)運(yùn)動等。晶振的老化率一般借助于晶振內(nèi)部的晶體諧振器予以保障。智能化補(bǔ)償晶振方案是基于高精度恒溫晶振的前提下，依靠智能補(bǔ)償技術(shù)，補(bǔ)償晶振頻率的漂移或老化，由此來加強(qiáng)晶振頻率的穩(wěn)定性。首先從晶振電路的角度補(bǔ)償，應(yīng)當(dāng)盡量控制晶體諧振器的激勵(lì)程度；防止污染石英晶體諧振器；滿功率熱處理電子元器件；還應(yīng)將振蕩頻率隔離電源與負(fù)載的影響。其次，在高精度溫度補(bǔ)償層面，基于恒溫晶振的條件下引入數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)，從而進(jìn)一步強(qiáng)化頻率溫度的穩(wěn)定度。再次，立足于老化補(bǔ)償方面，借助測試晶振前期的老化數(shù)據(jù)，以最小二乘法擬合出公式所示的對數(shù)曲線系數(shù)，定位晶振的老化曲線；再憑借數(shù)字補(bǔ)償手段，基于恒溫晶振先前的老化增加老化率指標(biāo)。

（三）設(shè)計(jì)晶振電路和控溫電路

晶振總體方案設(shè)計(jì)框圖如下圖所示。

晶振振蕩電路采用完善型科爾匹茲電路，此種類型的電路結(jié)構(gòu)簡單，較易調(diào)試起振。運(yùn)用仿真軟件的模擬結(jié)果證實(shí)，該電路的輸出功率和相位噪聲都能達(dá)到要求標(biāo)準(zhǔn)。控溫電路選用單片控制智能機(jī)操作。當(dāng)恒溫晶振運(yùn)行時(shí)，檢測溫度電路將溫度傳感器感知的溫度信號轉(zhuǎn)化成電壓數(shù)字信號，據(jù)此由單片機(jī)計(jì)算出目前所需的控制溫度，并將其轉(zhuǎn)化成所需的控制脈沖信號發(fā)送至驅(qū)動電路，再由驅(qū)動電路控制加熱電路，進(jìn)而完成針對振蕩電路以及晶體諧振器的控溫。

（四）頻率溫度與老化智能補(bǔ)償

溫度補(bǔ)償智能電路是一個(gè)在單片機(jī)基礎(chǔ)上建立起來的數(shù)字電路。其中囊括了程序和數(shù)據(jù)存儲電路、補(bǔ)償電壓產(chǎn)生電路與溫度測試電路。經(jīng)過補(bǔ)償電路中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，溫度傳感器測試出的晶振溫度信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并傳遞至微處理器，計(jì)算出相對應(yīng)當(dāng)下溫度值的補(bǔ)償電壓控制量，然后以數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化成模擬電壓信號，通過低通濾波器消除高頻干擾信號之后，再送進(jìn)晶振的壓控調(diào)諧端，完成對晶振輸出頻率的高溫與低溫補(bǔ)償。

三、結(jié)語

合理科學(xué)地設(shè)置晶體管振蕩器的集電極電流以及晶體的激勵(lì)電流，可以為晶體的恒定電流提供必要的保障和條件。同時(shí)，在設(shè)計(jì)電路的環(huán)節(jié)中，選用有效的對策來減小晶體管的閃變噪聲，進(jìn)而能夠有效改善短時(shí)間內(nèi)晶體振蕩器的的穩(wěn)定度。選擇使用智能化補(bǔ)償技術(shù)來補(bǔ)償恒溫晶振的漂移頻率，有利于滿足在寬溫度范圍內(nèi)晶振小體積、超高穩(wěn)定度的效果，擁有良好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

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