超高穩定度智能化晶振設計技術

敦娟

摘 要：為滿足晶體振蕩器設計對頻率穩定度的嚴格要求，一種超高穩定度智能化恒溫晶體振蕩器應運而生。本文通過對于晶振設計技術短期穩定度的分析，總結出其改善的對策，并依照和借助分析結果設計具體的振蕩電路，然后通過仿真平衡諧波工具，逐步優化電路參數，最終獲取理想的相位仿真噪聲曲線，并依照最終優化的參數指導設計出真實樣品。測試結果證實，其穩定度較高。

關鍵詞：超高穩定度；智能化；晶振設計技術

晶振在控制領域中，是最常用的時頻檢測基礎元件，一般適合用來提供精密的時間基準與頻率標準。影響晶振性能的最關鍵參數為短期頻率穩定度，所以，有必要研究怎樣增加晶振短期頻率的穩定度。已知在頻域與時域內，表征短期頻率穩定度的分別為阿倫方差以及相位噪聲，因為阿倫方差不易計算且難以仿真，所以通常選擇在頻域內仿真，時域內分析，標頻為恒溫的晶振設計技術經過嚴謹測試，其短期穩定度與相位噪聲均取得了理想指標，能夠作為穩定的頻率信號源。

一、短時間內頻率的超高穩定度的闡釋與分析

短期頻率穩定度指的是由噪聲所引發的振蕩頻率變化，若要獲取較大的短期頻率穩定度，就應設法降低電路中的噪聲。在晶體電極管集電流下降時，可以改善秒級短穩，進而能夠通過減少振蕩管集電極電流的方式來改進秒級短穩；然而基于電路設計的角度，應避免集電極電流過低，否則就會引起振蕩器起振。此外，從現實的測試經驗看出，在晶體的激勵增加時，秒級短穩產生惡化，以類似方法估算晶振毫秒級穩定度可以得知，毫秒級短穩能夠獲得改善，即晶體激勵電流同時影響到（毫）秒級短穩，雖然方向相反。

在頻域內，提升電路激勵之后，相位近旁噪聲惡化，遠端則獲取改善。因為數據是使用相同的晶振參數予以估算的，所以尚不能以有載品質因數的原因進行解釋。而倘若認為是在提高電路激勵之后，因為非線性效應造成噪聲系數升高，則隨激勵的變化，相位噪聲必定是遠端和近旁同步惡化，在短時間內由相關的因素造成頻率穩定度的變化，一般包括噪聲等?；诖饲疤?，假如在短時間以內要獲得較高的頻率穩定度，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。在預測有關晶振相位噪聲的環節中，需要充分剖析與研究大量的數學模型，并選擇具有較大優勢的模型，可以凸顯其便捷性，因此，分析與研究相關模型的過程中將其視為主要的關鍵依據。

二、超高穩定度智能化晶振設計技術的應用

（一） 設計振蕩電路

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，其中電路的穩定性和噪聲抑制功能屬于超高穩定度恒溫智能化晶振設計的關鍵技術要素。參照晶體的幅頻效應，可以考慮初步選擇SC切型晶體，又因為高Q值是確保晶振高頻率穩定度的基礎因素，可以選擇泛音晶體。此種晶體不但幅頻效應較小，其優勢還包括具有熱瞬變與應力補償，相較于其他切型的晶體，具有優良的頻率溫度特性。在現實的電路設計中，可以嘗試電源穩壓與控溫電路設計，大幅度增強電平控制電路的穩定性，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，借助連續補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的低噪聲穩壓電路，并予以二級穩壓處理。

（二）晶振老化特性及其補償分析

晶振長期頻率的穩定度指標表征為老化率，晶振的老化率越低，越具有較好的長期穩定度。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，結構、電極與石英當中的缺陷，化學反應，擴散效應，諧振器密封盒中壓力的變化如除氣或者漏氣，諧振器中應力的消除，以及雜質引起的物質運動等。晶振的老化率一般借助于晶振內部的晶體諧振器予以保障。智能化補償晶振方案是基于高精度恒溫晶振的前提下，依靠智能補償技術，補償晶振頻率的漂移或老化，由此來加強晶振頻率的穩定性。首先從晶振電路的角度補償，應當盡量控制晶體諧振器的激勵程度；防止污染石英晶體諧振器；滿功率熱處理電子元器件；還應將振蕩頻率隔離電源與負載的影響。其次，在高精度溫度補償層面，基于恒溫晶振的條件下引入數字補償技術，從而進一步強化頻率溫度的穩定度。再次，立足于老化補償方面，借助測試晶振前期的老化數據，以最小二乘法擬合出公式所示的對數曲線系數，定位晶振的老化曲線；再憑借數字補償手段，基于恒溫晶振先前的老化增加老化率指標。

（三）設計晶振電路和控溫電路

晶振總體方案設計框圖如下圖所示。

晶振振蕩電路采用完善型科爾匹茲電路，此種類型的電路結構簡單，較易調試起振。運用仿真軟件的模擬結果證實，該電路的輸出功率和相位噪聲都能達到要求標準?？販仉娐愤x用單片控制智能機操作。當恒溫晶振運行時，檢測溫度電路將溫度傳感器感知的溫度信號轉化成電壓數字信號，據此由單片機計算出目前所需的控制溫度，并將其轉化成所需的控制脈沖信號發送至驅動電路，再由驅動電路控制加熱電路，進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償

溫度補償智能電路是一個在單片機基礎上建立起來的數字電路。其中囊括了程序和數據存儲電路、補償電壓產生電路與溫度測試電路。經過補償電路中的模數轉換器，溫度傳感器測試出的晶振溫度信號轉化為數字信號，并傳遞至微處理器，計算出相對應當下溫度值的補償電壓控制量，然后以數模轉換器轉化成模擬電壓信號，通過低通濾波器消除高頻干擾信號之后，再送進晶振的壓控調諧端，完成對晶振輸出頻率的高溫與低溫補償。

三、結語

合理科學地設置晶體管振蕩器的集電極電流以及晶體的激勵電流，可以為晶體的恒定電流提供必要的保障和條件。同時，在設計電路的環節中，選用有效的對策來減小晶體管的閃變噪聲，進而能夠有效改善短時間內晶體振蕩器的的穩定度。選擇使用智能化補償技術來補償恒溫晶振的漂移頻率，有利于滿足在寬溫度范圍內晶振小體積、超高穩定度的效果，擁有良好的應用前景。

參考文獻：

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