硅振蕩器的抗高過載實驗設計與分析

趙冬青 ，趙 杰，甄國涌，王 強，陳 倩

(1.中北大學機電工程學院，太原030051;2.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，太原030051;3.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051;4.太原市華納方盛科技有限公司;5.航天長征火箭技術有限公司)

石英晶體振蕩器自其問世以來，就以其高精度和高穩定度迅速占領了振蕩器市場。然而在對電子系統進行炮擊實驗過程中屢次出現了這樣的問題:為系統提供時鐘脈沖的石英晶體振蕩器發生損壞，整個系統停止工作。出現這種問題是由于石英晶體振蕩器以機械方式工作，而且晶體內部組件易磨損，在高過載環境下，內部組件磨損嚴重以至于徹底損壞［1］。在軍事領域，抗過載能力是衡量電子元器件性能的重要指標［2］。尤其是在彈上的應用中，對電子元器件這項指標的要求更為苛刻［3］。為使電子系統在高過載條件下可靠地工作，須找到一種振蕩器來代替石英晶體振蕩器為系統提供穩定的時鐘脈沖。

硅振蕩器完全摒棄了機械起振方式，不存在磨損的問題，理論上它不受高過載的影響［4］，但在實際的應用中并沒有得到驗證。高過載環境對硅振蕩器的主要影響有兩個方面:一是可能產生頻率的漂移，二是可能像損壞石英晶體振蕩器一樣損壞硅振蕩器［5］。本文針對以上兩個方面對硅振蕩器進行了實驗。

實驗的主要目的是為了驗證硅振蕩器能夠承受高過載環境的考驗，從而代替石英晶體振蕩器應用在電子系統中。高過載環境的典型實例莫過于炮擊實驗，本文用炮擊實驗來檢驗硅振蕩器是否會在高過載環境中損壞。實驗的難點是觀察高過載實驗能否引起硅振蕩器輸出頻率的漂移。觀察硅振蕩器是否出現頻率漂移不能通過單獨的一兩次炮擊實驗來說明。為節省實驗成本，本文首先采用了一種低成本且易重復操作的方法——馬歇特錘擊實驗進行檢驗。

1 高過載下的頻率漂移

有關文獻表明過載量在103gn～105gn［6］時即可認為是高過載環境。擬采用馬歇特錘擊實驗來實現高過載環境。在實驗前首先檢驗馬歇特錘擊實驗的過載量。

1.1 馬歇特錘擊實驗過載量的檢測

采用標準傳感器988 來檢測馬歇特錘的過載量，其電壓靈敏度為ε=51.62 μV/gn。在已標定的馬歇特錘錘頭上固定一個標準傳感器988。檢測中，每次都將齒輪撥到第30 個齒再釋放錘頭，以得到最大的過載量。開始反復錘擊，用示波器觀察988 傳感器輸出的波形。每次錘擊后得到的曲線大致相似，其中一次988 傳感器檢測到的馬歇特錘的過載曲線如圖1 所示。

由圖1 得此次捶擊實驗最大過載時的電壓偏置為ΔU=1.84 V，過載量H=εΔU，計算可得馬歇特錘在本次實驗中的最大過載量為35 645 gn，在高過載范圍內，可以被視為高過載環境。進行10 次錘擊實驗，記錄傳感器電壓偏置并計算過載量，統計結果如表1 所示。由表1 可知傳感器電壓偏置在1.5 V ～2 V 之間，過載量在29 058 gn～38 745 gn之間，都為高過載。

圖1 馬歇特錘過載曲線

馬歇特錘擊實驗的過載量在高過載范圍內，而且實驗操作簡單，便于重復，可以用來檢驗振蕩器在高過載下的頻率漂移。

表1 馬歇特錘擊實驗過載量統計

1.2 實驗電路設計

實驗中硅振蕩器選擇Linear 公司的LTC6909I。它是一款典型的可編程硅振蕩器，輸出頻率范圍為12.5 kHz ～6.67 MHz，工作溫度為-40 ℃～85 ℃，滿足大多數應用要求［7］。實驗電路如圖2 所示，其中電阻用來設置硅振蕩器的輸出頻率。本次實驗取，pH=4，采用5 V 電池供電。由芯片資料查得振蕩器輸出頻率為500 kHz［8］。

圖2 LTC6909I 型硅振蕩器抗高過載實驗電路圖

1.3 實驗方法及結果

將10 塊帶有LTC6909I 型硅振蕩器的電路板分別編號(01 ～10)。先給電路板上電，用示波器觀察振蕩器的輸出波形，記錄輸出頻率，計算頻率絕對誤差。每個振蕩器測量10 次。將10 塊電路板都固定在已標定的馬歇特錘的錘頭上，給電路板上電，開始錘擊實驗。反復對電路板進行錘擊，每錘完一次用示波器采集一次振蕩器波形，檢驗其是否正常工作，記錄輸出頻率，計算頻率絕對誤差。

錘擊100 次后，10 塊電路板上的振蕩器均未損壞，各振蕩器實驗記錄情況大體一致。限于篇幅問題這里只列舉其中一個振蕩器(06 號)的實驗記錄。錘擊前振蕩器輸出的頻率及誤差如表2 所示，錘擊實驗前10 次及后10 次記錄的輸出頻率及誤差如表3 所示。

表2 06 號硅振蕩器錘擊實驗前輸出頻率記錄表

表3 06 號硅振蕩器錘擊實驗輸出頻率記錄表

由錘擊前后記錄的表格可以看出:LTC6909I 型硅振蕩器在馬歇特錘擊實驗前后輸出信號頻率并無明顯起伏。馬歇特錘擊實驗后LTC6909I 型硅振蕩器的輸出頻率在505 kHz ～508 kHz 之間，輸出頻率的絕對誤差在1.2% ～1.5%之間，符合芯片資料中±2.5%的誤差范圍，為正常工作狀態。

實驗表明:LTC6909I 型硅振蕩器輸出的頻率不受高過載實驗的影響，高過載實驗不會使LTC6909I 型硅振蕩器產生頻率漂移。

2 炮擊實驗及結果

2.1 實驗條件及過程

實驗中的炮彈選用130#榴彈炮，侵徹距離為100 m，侵徹靶體用混凝土靶(水泥穩定級配集料，21 天養護期齡，抗壓試驗測試結果為4.5 MPa)。實驗前，在榴彈炮中裝入高沖擊測試記錄器，用來記錄炮擊實驗中的過載量。

炮擊實驗前首先給01 ～10 號電路板通電，用示波器測量每個硅振蕩器的輸出信號，輸出波形均正常，06 號硅振蕩器炮擊實驗前輸出波形如圖3(a)所示。將10 塊電路板均固定于榴彈炮中，給電路板上電。開始侵徹實驗，實驗時炮彈出膛速度為910 m/s。

2.2 實驗結果

炮擊實驗后得到高沖擊測試記錄器中記錄的過載量，炮彈在膛內時平均過載量為8 000 gn，過載量峰值為16 000 gn;炮彈撞擊混凝土靶后，著靶行程2.1 m，峰值過載大于235 510 gn，平均過載值約19 000 gn。

實驗后，10 塊電路板上的硅振蕩器均未發生損壞;用示波器測量各振蕩器輸出波形，波形正常，與實驗前比沒有變化。實驗后06 號硅振蕩器輸出波形如圖3(b)所示。

圖3 06 號振蕩器錘擊實驗前后輸出信號波形

3 結論

LTC6909I 型硅振蕩器的輸出時鐘信號頻率不受高過載環境的影響，反復的高過載實驗不會使其產生頻率漂移。硅振蕩器能夠承受高過載環境的考驗，工程上可以替代石英晶體振蕩器為系統提供時鐘脈沖信號。

［1］ 李培行，劉自考.試論石英晶體振蕩器的原理和應用［J］.物理教學探討，2010，28(3):60.

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［3］ 石云波，祁曉瑾，劉俊. 微型高過載加速度傳感器的加工與測試［J］.機械工程學報，2008，44(9):200-203.

［4］ 李麗，張志國，趙正平. RFMEMS 壓控振蕩器的研制及相位噪聲特性研究［J］.傳感技術學報，2006，19(5):1907-1910.

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