超高稳定度智能化晶振设计技术

敦娟

摘 要：为满足晶体振荡器设计对频率稳定度的严格要求，一种超高稳定度智能化恒温晶体振荡器应运而生。本文通过对于晶振设计技术短期稳定度的分析，总结出其改善的对策，并依照和借助分析结果设计具体的振荡电路，然后通过仿真平衡谐波工具，逐步优化电路参数，最终获取理想的相位仿真噪声曲线，并依照最终优化的参数指导设计出真实样品。测试结果证实，其稳定度较高。

关键词：超高稳定度；智能化；晶振设计技术

晶振在控制领域中，是最常用的时频检测基础元件，一般适合用来提供精密的时间基准与频率标准。影响晶振性能的最关键参数为短期频率稳定度，所以，有必要研究怎样增加晶振短期频率的稳定度。已知在频域与时域内，表征短期频率稳定度的分别为阿伦方差以及相位噪声，因为阿伦方差不易计算且难以仿真，所以通常选择在频域内仿真，时域内分析，标频为恒温的晶振设计技术经过严谨测试，其短期稳定度与相位噪声均取得了理想指标，能够作为稳定的频率信号源。

一、短时间内频率的超高稳定度的阐释与分析

短期频率稳定度指的是由噪声所引发的振荡频率变化，若要获取较大的短期频率稳定度，就应设法降低电路中的噪声。在晶体电极管集电流下降时，可以改善秒级短稳，进而能够通过减少振荡管集电极电流的方式来改进秒级短稳；然而基于电路设计的角度，应避免集电极电流过低，否则就会引起振荡器起振。此外，从现实的测试经验看出，在晶体的激励增加时，秒级短稳产生恶化，以类似方法估算晶振毫秒级稳定度可以得知，毫秒级短稳能够获得改善，即晶体激励电流同时影响到（毫）秒级短稳，虽然方向相反。

在频域内，提升电路激励之后，相位近旁噪声恶化，远端则获取改善。因为数据是使用相同的晶振参数予以估算的，所以尚不能以有载品质因数的原因进行解释。而倘若认为是在提高电路激励之后，因为非线性效应造成噪声系数升高，则随激励的变化，相位噪声必定是远端和近旁同步恶化，在短时间内由相关的因素造成频率稳定度的变化，一般包括噪声等。基于此前提，假如在短时间以内要获得较高的频率稳定度，就必须采取有效的对策与途径，最大程度地减小电路中的噪声，并尽可能地将其维持在最低限度。在预测有关晶振相位噪声的环节中，需要充分剖析与研究大量的数学模型，并选择具有较大优势的模型，可以凸显其便捷性，因此，分析与研究相关模型的过程中将其视为主要的关键依据。

二、超高稳定度智能化晶振设计技术的应用

（一） 设计振荡电路

振荡电路一般是由缓冲放大电路、主振电路以及滤波电路部分组成，其中电路的稳定性和噪声抑制功能属于超高稳定度恒温智能化晶振设计的关键技术要素。参照晶体的幅频效应，可以考虑初步选择SC切型晶体，又因为高Q值是确保晶振高频率稳定度的基础因素，可以选择泛音晶体。此种晶体不但幅频效应较小，其优势还包括具有热瞬变与应力补偿，相较于其他切型的晶体，具有优良的频率温度特性。在现实的电路设计中，可以尝试电源稳压与控温电路设计，大幅度增强电平控制电路的稳定性，以维持晶体电流的恒定。控温电路选取热敏电桥电阻式温度，借助连续补偿恒温槽自动耗损的热量，来确保恒温槽温度恒定。电源则选择使用传统的低噪声稳压电路，并予以二级稳压处理。

（二）晶振老化特性及其补偿分析

晶振长期频率的稳定度指标表征为老化率，晶振的老化率越低，越具有较好的长期稳定度。晶体谐振器的老化通常取决于晶振的固有老化特性，而且老化过程不可逆。造成晶体老化的因素大致包括：安装与焊接，结构、电极与石英当中的缺陷，化学反应，扩散效应，谐振器密封盒中压力的变化如除气或者漏气，谐振器中应力的消除，以及杂质引起的物质运动等。晶振的老化率一般借助于晶振内部的晶体谐振器予以保障。智能化補偿晶振方案是基于高精度恒温晶振的前提下，依靠智能补偿技术，补偿晶振频率的漂移或老化，由此来加强晶振频率的稳定性。首先从晶振电路的角度补偿，应当尽量控制晶体谐振器的激励程度；防止污染石英晶体谐振器；满功率热处理电子元器件；还应将振荡频率隔离电源与负载的影响。其次，在高精度温度补偿层面，基于恒温晶振的条件下引入数字补偿技术，从而进一步强化频率温度的稳定度。再次，立足于老化补偿方面，借助测试晶振前期的老化数据，以最小二乘法拟合出公式所示的对数曲线系数，定位晶振的老化曲线；再凭借数字补偿手段，基于恒温晶振先前的老化增加老化率指标。

（三）设计晶振电路和控温电路

晶振总体方案设计框图如下图所示。

晶振振荡电路采用完善型科尔匹兹电路，此种类型的电路结构简单，较易调试起振。运用仿真软件的模拟结果证实，该电路的输出功率和相位噪声都能达到要求标准。控温电路选用单片控制智能机操作。当恒温晶振运行时，检测温度电路将温度传感器感知的温度信号转化成电压数字信号，据此由单片机计算出目前所需的控制温度，并将其转化成所需的控制脉冲信号发送至驱动电路，再由驱动电路控制加热电路，进而完成针对振荡电路以及晶体谐振器的控温。

（四）频率温度与老化智能补偿

温度补偿智能电路是一个在单片机基础上建立起来的数字电路。其中囊括了程序和数据存储电路、补偿电压产生电路与温度测试电路。经过补偿电路中的模数转换器，温度传感器测试出的晶振温度信号转化为数字信号，并传递至微处理器，计算出相对应当下温度值的补偿电压控制量，然后以数模转换器转化成模拟电压信号，通过低通滤波器消除高频干扰信号之后，再送进晶振的压控调谐端，完成对晶振输出频率的高温与低温补偿。

三、结语

合理科学地设置晶体管振荡器的集电极电流以及晶体的激励电流，可以为晶体的恒定电流提供必要的保障和条件。同时，在设计电路的环节中，选用有效的对策来减小晶体管的闪变噪声，进而能够有效改善短时间内晶体振荡器的的稳定度。选择使用智能化补偿技术来补偿恒温晶振的漂移频率，有利于满足在宽温度范围内晶振小体积、超高稳定度的效果，拥有良好的应用前景。

参考文献：

[1]孙晓英.超高稳定度智能化晶振设计技术[J].压电与声光， 2016，38（6）：885-887.

[2]霍治生，郭欣茹.一种高稳定度晶振的隔振缓冲结构设计[J].电子机械工程， 2006，22（5）：13-15.