10MHz小型高稳恒温晶振的研究

祁进

摘要：恒温晶振是一种具有优良性优势的频率发生设备，被广泛运用于现代的许多领域中。在我国的经常运用的恒温晶振短期的稳定度一般控制在10-12/1s量级，在国外的运用中恒温晶振高指标已经达到1×10-12/1s，在目前的运用中还没有达到这种高指标的恒温晶振，以此对10MHz小型高稳恒温晶振的研究，需要对此进行10MHz恒温晶振工作原理的分析，并且针对分析的结果提出进行短期稳定度的改善方法，促使高稳晶振研制实现小型化的设计。

关键词：恒温晶振；短期稳定度；小型高稳恒温晶振研究

恒温晶振作为一种优良性的频率发生设备被广泛运用于我国航天、通信、电子等领域中，运用高稳恒温晶振研制的短期稳定度促进设备系统能够保持稳定的状态，在一定情况下还能够促进系统稳定状态的提高，在此基础之上还能够促使相关设备系统在使用的过程中性能得到大幅度的提升。如：雷达的使用系统中，能够提高系统的分辨率；在测距系统中运用可以促使最终测距数据的精准度以及在通信设备中使用还能够降低误码率的发生。通过对此的研究，促使实现小型化的高稳晶振研制。

一、短期稳定度的数学表达

在小型高稳恒温晶振中，对其设备频率输出信号通过数学表达式进行展示为：

其中相位起伏φ（t）是在本文中进行分析的重要主体，对此进行晶振稳定度的衡量，就需要运用常用的相对频率稳定度进行表示，公式如下：

这项公式最主要的体现晶振稳定度的时域表现特征，在时域中经常运用阿伦方差对晶振的频率稳定度进行表示：

在这项阿伦方差公式中τ表示进行取样的时间，相对频率的公式表现为y=Δff，对此进行测量是在间隔的τ时间内进行，（yk+1-yk）是指相邻的两次相对频率的差值，其中m为进行测量的组数。

二、低噪声恒温晶体振荡器设计

（一）低噪声主振电路设计

1）在进行低噪声主振电路进行设计首先我们需要对恒温晶振的组成部分进行充分的了解的基础上进行。恒温晶振的组成部分包括：主振电路、放大电路、温度控制电路和电源电路等组成。对低噪声进行设计的重点体现在对模块电路之间实现合理的配置。经过大量的研究对恒温晶振的噪音来源进行进行原因分析，得出恒温晶振的噪音主要发生在主振电路。在我们的运用中，常见的主振电路包括：克拉普电路形式和皮尔斯电路形式这两种。其中皮尔斯电路形式所体现的效果比克拉普电路形式的效果好，也是现代恒温晶振中运用较广泛和成熟的电路形式。皮尔斯电路等效图如下：

2）在进行主振电路的设计时，进行降低噪音的方法进行阐释，其一是在主振电路中应该提高晶体的有载品质因数指标值，充分发挥晶体的高品质特点。其二是对主振晶体管的位置进行优化配置，将主振电路工作避免出现在高噪声的区域，尽量将主振电路控制在低噪声的区域，将噪声系数控制在最佳的范围。

（二）元器件的选用

在对恒温晶振的设计中，对进行设计的元器件的使用也非常的重要，这些主要元器件是晶体管和晶体谐振器这两者的选用最为关键。

1）在目前的恒温晶振元器件中晶体谐振器的使用，晶体谐振器又分为AT切和SC两种形式。在这两种不同的形式中我们通常使用的是SC切的形式进行，主要是因为SC切这种形式自身具有的有载品质因数指标值，优势特点体现在发生的频率过冲，效应较小，同时还具有老化率比较低的特點，是其他元器件形式优势所无法进行比拟的，因此被广泛运用于恒温晶振的晶体类型中。

2）晶体管是是电路中最为重要的有源器件，在对此进行选择上尽量选择电阻较小的晶体管，除此之外还需要在集电结电容较小，截止频率较高以及噪声系数较低的晶体管选择，如：现代运用广泛的3DG晶体管的采用。

（三）高精度控温系统设计

对控温系统进行设计我们需要对它的组成部分进行了解，控温系统主要是由控温电路和恒温槽这两部分组成。通过对高精密的控温系统进行设计可以提高恒温晶振的频率和进行运用中温度的控制，从而影响最终的短期稳定度。如果在10-12/s量级的情况下，控温精度对短期的稳定度的影响体现不明显。但在10-13/s量级下，就會对短期稳定度造成很大的影响。在进行设计的过程中通常是采用放大流的控温电路。由于我们主要研究的是对小型高稳恒温晶振的研究，因此对控温方式的选择主要是采用单层控温的形式，通过对晶体、热源以及电阻之间进行合理的安排，以此减少温度对控温精度造成影响。经过测试，在零下30摄氏度和70摄氏度之间温度环境下，温度的稳定度可以保持在±1×10-8之内。

（四）高稳恒温抗振设计

抗振设计主要是针对力学敏感的晶振设备，对此进行设计需要掌握几方面内容，其一是在进行晶体管的选择上由于SC与AT相比，SC具有AT所无法比拟的优势特点，SC具有更好的抗振性。在对此进行结构设计中主要是采用具有重量轻、精度较好的合适结构，以此保证电路板安装紧固到结构当中，通过相关设计，以保证产品的整体抗震能力。

三、测试结果

我们知道在10-13/1s量级的恒温晶振中对此进行测试具有较高的要求，通过测试仪的运用，相关指标符合测试指标的标准，达到了小型化的设计。以下是对研制产品和OCXO8788进行测试的结果，通过以下表格进行了解：

四、结语

本文是基于对10MHz小型高稳恒温晶振的研究。在本文中对此进行研究主要是通过对降低噪声的电路设计的方式进行对高精度控温系统的设计这两方面内容进行，在文章的第一部分主要是对短期稳定度的数学表达进行显示，主要是通过公式的形式进行表达，对高稳恒温晶振的短期稳定度的进行分析得出在进行晶体晶振谐振器需要提高晶体管的品质因数，同时需要选择具有降噪效果的晶体管进行使用，最后是选择合适的辅助电路，最后是运用具有隔断功能的单层恒温槽的使用，主要是考虑到本文研究的主要是小型高稳恒温晶振的研究，以此防止由于环境因素造成的最终测试成果出现偏差。在第二部分是对低噪声恒温晶振研制进行设计，主要是通过低噪声震荡电路设计和精密控温系统设计这两方面进行完成，最后是通过数据表的形式对最终结果通过数据表现进行不同测试值，以此完成对小型高稳恒温晶振短期稳定度的研究。

参考文献：

[1]汪靖涛.一种新型小体积高稳晶体振荡器[D].电子科技大学，2013.

[2]林邓国.基于GPS的恒温晶振频率校准系统设计[D].中南民族大学，2015.

[3]蒋松涛.一种小型超低相噪恒温晶振的设计[J].压电与声光，2015，37（3）：420422，426.