硅振蕩器特性分析研究

張娟娟，張丕狀

（中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室， 山西太原 030051）

0 引言

對于在車載裝備、侵徹彈藥等高過載條件下工作的電子系統，要求振蕩器在經受高強度的加速度沖擊之后仍能正常工作，在這種情況下，耐高過載便成為其中所包含的電子分系統、電子整件、部件及電子元器件的一項必不可少的基本要求[1]。而時鐘作為微電子的關鍵部分在定位、同步、數據傳輸等方面更對其可靠性和穩定度提出了越來越高的要求[2]。

在高過載環境下，由于石英晶體振蕩器本身的機械特性，它在100000g的情況下，自身就有損壞的可能[3-4]。而硅振蕩器不依靠機械諧振組件，不像RC電路那樣受到性能欠佳問題的阻擾，標準的硅片制造和組裝技術意味著，硅振蕩器本身不受沖擊和震動影響，也沒有磨損問題[5-7]。

為了定性測量分析硅振蕩器的實際頻率值、抖動范圍、溫漂的特性，由于單獨在示波器上觀察頻率是8.013 MHz硅的溫漂和抖動是很困難的，所以本實驗選用8 MHz的晶振與硅振蕩器通過鑒相器利用頻率差來實現研究硅振蕩器特性的目的。

1 實驗原理

硅振蕩器和石英晶振的數學輸出模型[8]為：

其中u1(t)是晶振的數學模型，u2(t)是硅振蕩器的模型，而Δw是硅振蕩器隨溫度變化的角頻率。它們通過鑒相器得到：

和：

然后再通過低通濾波器將第二項濾除，最后輸出：

根據以上公式可知，Δw相對于w2是很小的，想要直觀的測出來是有困難的，而在uo(t)中，Δw相對于w2-w1而言就比較明顯了。

2 實驗結果與分析

實驗中選用MAX7375的硅振蕩器和KSS的晶振，設計了相關電路以實現鑒相的功能。

(1)標稱值的測量

由于硅振蕩器標稱值與實際值的誤差，專門將高精度的8 MHz晶振與標稱值也是8 MHz的硅振蕩器作為鑒相器的輸入結果uo(t)的輸出頻率為13 kHz，又通過將硅振蕩器與頻率可調的信號發生器作為鑒相器的輸入，當信號發生器頻率調到7.995 MHz時，uo(t)的輸出頻率約為18 kHz；當將頻率調到8.010 MHz時，uo(t)的輸出頻率約為3 kHz。得出硅振蕩器的實際頻率為8.013 kHz。

(2)溫度變化實驗

首先是通過用電烙鐵對MAX7375的加熱，來觀察uo(t)的圖形變化（見圖1～圖8）。

圖1 加熱前

圖2 加熱中（1）

圖3 加熱中（2）

圖4 頻率值（1）

圖5 頻率值（2）

圖6 頻率值（3）

圖7 加熱恢復（1）

圖8 加熱恢復（2）

圖中，左邊密虛線是t1，右邊疏線是t2，t1的坐標是-4.400 μs保持不變，在圖1、圖2、圖3中，t2的坐標都是62.40 μs不變，具體的頻率值波形為圖4、圖5、圖6、圖7、圖8中將t2線對準一個周期時的波形。

圖1是未加熱時的圖，頻率是14.97 kHz，圖2、圖3是加熱過程中變化趨勢圖，圖4、圖5、圖6是變化的具體頻率值。圖4、圖5、圖6中t1與t2的間隔Δt依次是48.80 μs、46.40 μs、43.60 μs，對應的頻率值為 20.49 kHz、21.59 kHz、22.95 kHz，隨著溫度的升高頻率值變大；圖7和圖8是在加熱終止后溫度恢復正常的波形，由圖7的22.94 kHz慢慢恢復到圖8的14.97 kHz。用溫度傳感器測得溫度由室溫的300℃升高到700℃，頻率變化由14.97 kHz變化到22.95 kHz。

(3)抖動測量實驗

通過分別輸入8M晶振和8.013M硅振蕩器、8M晶振和信號發生器輸出8.013M的波形對比得出硅振蕩器的抖動范圍。波形如圖9～圖13所示。

圖9 信號發生器波形

圖10 頻率合成波形

圖11 抖動（1）

圖12 抖動（2）

圖13 抖動（3）

其中圖9是信號發生器輸出的8.013 MHz的波形，圖10是它和晶振的輸出結果，多次采樣都保持為此圖形，幾乎沒有抖動；而硅振蕩器和晶振的輸出波形可以清晰的觀察到頻率抖動明顯。圖11、圖12、圖13是其中選取的3個變化較大的波形圖，Δt依次是70.80 μs、70.40 μs和62.40 μs，對應的頻率為14.12 kHz、14.20 kHz和16.03 kHz。

由以上實驗得出硅振蕩器隨著溫度的升高頻率變大，當溫度變低時又能恢復原來的頻率；抖動頻率值為由最小的13 kHz到最大的16.03 kHz。

3 結論

本文選用的鑒相器以及所設計的電路可以清楚地觀察到硅振蕩器頻率隨溫度的變化以及抖動，并且用此方法測得了標稱值為8 MHz的硅振蕩器實際頻率值為8.013 kHz，并且測得：通過外界溫度的變化硅振蕩器的頻率呈上升狀態，當恢復為原來的溫度時其頻率也復原，在溫度由300℃升高到700℃的ΔT是400℃，而頻率值由14.97 kHz變化到22.95 kHz的Δf是7.98 kHz，溫漂約為25 ppm/℃；通過多次采樣的實驗波形觀察得其相位抖動約為47psp-p。

本實驗得出的硅振蕩器將為后期的在高過載條件下使用硅振蕩器提供有利條件。

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