SJ Z 9155.1 87 石英晶体振荡器 第一部分综合性资料、试验条件和试验方法2

 

图24a

图24b

图24调频频偏的测量

B．小于100Hz的峰值频偏

试验电路：图24b,

程序：利用倍频的办法增大信号峰值频偏（见注2）以便能用调频表来测量它。

实际峰值频偏=

    注意：

    1)在测量具有低峰值频偏的甚高频信号时，可使用一锁相的本地振荡器，把它锁定到

寄生调频成分低的信号源（如晶体振荡器）上，以减少本地振荡器的调幅噪声频偏。

    2)许多振荡器在某些测量中对电源电压中的波动是敏感的，因此在测量小调频指数信

号时应十分注意确保电源电压变化不影响峰值频偏的测量。

    规定条件：详细规范应规定下列试验条件．

    1)电源电压，

    2)负载细节，

    3)输入调制信号细节。

  注：①调频指数。其中为实际蜂值频俯，为调制信号频率。

    （2）可以在倍频器前面或后面使甩混频器，把信号向低频转换，使其进入到调频表的工作范围。

8.2.19.2调频灵敏度

    目的：测量振荡器由于外调制端加规定信号而引起的已调频信号的峰值频偏。

试验电路：图25。

 

图25调频灵敏度的测量

    程序：将一提供规定频率调制信号的信号发生器接到振荡器外调制端，再把发生器输出

调到规定幅度，该输出幅度用示波器或射频电压表测量。

    按8.2.19.1条测量振荡器输出信号的峰值频偏。通常，调频灵敏度定义为．

  

    规定条件：详细规范应规定下列试验条件。

    1)电源电压；

    2)负载细节；   

    3)频率调节装置刻度位置，

    4)调制信号频率，

    5)调制输入电平（它必须使振荡器峰值频偏不超过规定的最大允许值。）

  注：把调制信号叠加到直流电源上，模拟出电源的纹渡电压，筑可以用本方法测出振荡器对电源中纹波电压的抗扰度。

8.2.19.3调频失真（非线性）

    目的：测量在调频过程中由于调频传输特性非线性而产生的失真。

    A．静态试验

    试验电路：图26a。

    程序：把一可变直流电源接到振荡器外调制端，并在规定的各直流调制控制电压上测量

振荡器输出频率。绘制输出频率与控制电压关系曲线，从而确定调频频偏的线性度（见3.28

条）。

  规定条件：详细规范应规定下列试验条件．

  1)电源电压，

  2)负载细节，

  3)直流控制电压范围，

  4)频率调节装置刻度位置，

  5)直流控制电压增量。

图26a

图26b

圉26调频失真的测量

  B．动态试验   

  试验电路：图2.6b。

  程序：一能产生规定调频频偏(见8.2.19.1)的适当电平和一定频率的正弦信号加到

振荡器外调制端，同时用失真系数仪测量从调制检波器（调频表内）过来的振荡器输出信号

的失真．

  注意：

  1)调制信号应是正弦波；

  2)调频表内检波器引入的失真必须比被测振荡器失真要小得多。

  规定条件：细规范应规定下列试验条件。 

    1)电源电压；

    2)负载细节，

    3)调制信号频率；

    4)调频频偏；

    5)频率调节装置的刻度位置。

8.2.19.4调频频率响应

    目的：量由于调制信号频率变化而引起的调频灵敏度的变化。

    程序：8.2.19.2条测规定基准频率上的调频灵敏度，然后再测其它各规定频率与基准

频率之间调制灵敏度的变化，通常用分贝数表示。

    注意：制信号应是正弦波。

    规定条件．详细规范应规定下列试验条件．

    1)电源电压

    2)负载细节

    3)频率调整装置刻度位置

    4)基准调制频率，

    5)调制输入电平

    6)试验要求的调制频率范围。

8.2.19.5调频输入阻抗

    本试验完全按8.2.8.6条进行。

8.2.20谐波失真

    目的-测量振荡器的谐波相对响应。

    试验电路：27a。

    程序：图27a设置电路，调节频谱分析仪使它显示的频率范围要包括振荡器的适当谐

波。

在理想情况下，振荡器的频谱应如图27b所示。含有严重谐波失真的振荡船频谱如图27c所示。这种谐波频谱可以按相对于载波功率的功率比（分贝数）’采测量（通常频谱仪直接标度dB)，此外也可用谐波失真百分数测量，例如三次谐波失真百分数

式中：为三次谐波失真的百分数

    为频谱仪测得的频谱中基频和三次谐波的电平差(dB)。

    注意：必须注意确保频谱仪的输入混频器不产生失真。

    如果输入混频器过毅就会产生非线性失真（出现谐波失真）。这一点，通过在振荡器和

频谱仪之间接入衰减器并在各种不同功率电乎进行测量可以检验出来。衰减器的接入应不影

响谐波失真的百分数。

  规定条件：详细规范应规定下列试验条件。

  1)电源电压，

  2)负载细节。

  注：总的谐波失真辱于各次谐波相对响应之和。   

8.Z.Zl  杂波振荡

目的：测量振荡器的非谐波或杂散响应。注意应把载频的剐谐波归类为杂散响应（见8.80条）。

  

图27b

图27c

图27谐波失真测量

    程序：测量电路：规定条件等和8.2.20条完全相同，只是杂波振荡与基频不成谐波关系．

    对以分贝数表示的杂波响应的技术要求通常是“所有杂波响应，至少比主响应低xdB”．

    注意:假如被试振荡器周围环境存在高电平信号，须注意测量系统的屏蔽。按定义讲，

杂散响应与基频无谐波关系，所以把振荡器产生的杂散信号和从工作环境接收到的杂散信号   

区分开来是困难的。但是这种环境杂散信号可以用撤除振荡器电源的办法检查出来。

8.2.22短期频率稳定度（见附录A）

8.2.22.1  频域测量

8.2.22.1a相位噪声（相位抖动）

    目的．测量振荡器的相位噪声或相位抖动。相位噪声度量的是振荡器频域的短期频率稳

定度。

    试验电路l图28a。

    说明：相位噪声引起了由一对对称于载波的，其值等于相位起伏峰值一半的各分量（单

位为弧度）所组

成的边带分布。

    基带频率kHZ

图28b

图28单边带相位噪声的测量

    为了测相位噪声，把两个同步信号用鉴相器进行比较，鉴相器输出的是相位噪声贡献的

瞬时电匝模拟量。除了相位噪声贡献外，为了使鉴相器保持零输出，被测振荡器（图28a中的振荡器2）必须与参考振荡器保持相位正交。这是厢下面方法实现的，即采用直流放大器读出鉴相器零输出，并以此驱动被测振荡器保持相位正交。

    输出的相位噪声用低频波形分析仪监测。波形分析仪溯出的噪声是双边带内的有效值噪

声（这对完成平均值／有效值变换是必要的）I双边带有效值噪声减去6dB就转换成单边带

相位噪声。

    在理想情况，基准振荡器（图28a中的振荡器1）要有非常低的噪声贡献（如铯束或类似频标）。但往往遇到两个振荡器是同类型的，如果是这样的话，．则可以假定两个振荡器具有相等的噪声贡献，那末信号一一相位噪声比要减去3dB。在计算结果时应进行这一修正。

    程序:按图28a连接电路。从鉴相器引出来的反馈环路要设计得当，使振荡器1和振荡器2按相位正交状态锁相，把波形分析仪调到分辨带宽(通常为IHz)，再把积分器时间常数和扫描速率调整得同分辨带宽相适应。

    1)校准

    断开开关,振荡器l与振荡器2之间出现一定频差。将波形分析仪调到该频差，并用

-60～-80dB的衰域器来校准x-y记录器刻度。（衰域量取得高是为防止低噪声放大器过载）。

    2)测量

    关闭开关，振荡器1和振荡器2按正交锁相。衰减器约置于-10dB，波形分析仪在偏置频率进行跟踪，并描出偏置频率范围的相位噪声图。

    注意:频控环路的响应时间必须远大于要测的最低边带噪声的周期。例如，为了要测

1Hz处的边带，相位噪声就要规定10s响应时间（或0.IHz的截止工作频率）。在锁相环路

的通带内，输出信号与频率噪声成正比，在锁相环路通带的远外端，输出信号与相位噪声成

正比，在这两者的过滤区域，情况就有些复杂。

    必须遵守窄带调谐式相位脸波器注意事项，具体地讲，调频速率(Hz/s)必须小于相位

检波器带宽(Hz），该检波器后的积分时间必须大予相位检波器带宽的倒数。

    例如，采用10Hz通带的相位检波器，调谐（或旋转）速率应大于1Hz/s,面积分时间至少ls。

  注：①这种测量累统的极限分辨度是由波形分析仪最小带宽决定的。因此在这种情况下，不可能铡出低于分析仪带宽的付立叶频率的频谱分量。

    (2)假定锁相环路的噪声贡献要比撮．誊碍的噪声贡献小。另一种测试电路方案是，制造两个频率相差一定问隔（比如说25kHz）的振荡器，然后（用波形分折仪）检测混频器输出的25kHz的噪声分布，这混频器能用来代替鉴相器。在这种电路方案中，可以用带通滤渡器（中心频率对准两振荡器频差）代替低通滤波器。

    该系统的缺点是固有稳定度比较低，一般来讲不能使用上述那么窄的分辨带宽。

规定条件：详细规范中应规定下列试验条件．

1)电源电压；

2)负载细节；

 3)应测量的单边或双边带相位噪声的频带，

4)测量系统的分辨带宽。

注：如果要求宽频率覆盖，就需比通常所用的lHz有所增加。  

5)记录器的积分时间。

8.2.22.15频谱纯度

    目的：测量振荡器远带噪声电平（见3.25条）。

    试验电路：图27a。

    说明：远带噪声系指远离载频的各频率上相对于载波电平的噪声电乎，远带频率包括离

散的谐波和杂散的单一频率。

8.2.22.1 a)条论述的是主要输出频率附近增强区域（相当几个带宽）内相位噪声的测量，

而本条指的是“平坦”的附加区域，可从远离主要输出信号频率几千赫，甚至延续到几兆

赫。

    程序:按图27a所示连接振荡器，将频谱分析仪调节到显示所希望的频率范围。噪声本底的电平可以直接根据频谱仪显示的分贝数加以确定，但要对分析仪带宽进行适当修正(如每十进带宽lOdB)以简化数据，统归到1Hz基础上进行数据处理。

    注意：

    1)必须注意保证频谱分析仪的噪声贡献不降低测量精度。是否有影响，这点可用在振

荡器与频谱仪之间插入可变衰减器的办法检验，要保证载波电平和噪声电平对衰减器刻度值

有相同反应。

  2)许多场合，晶体振荡器的信号一宽带噪声比将大大超过现有频谱分析仪动态范围;这

时需采用窄带带阻滤波器把载波衰减掉一已知量(如80dB或90dB)才能避免分析仪饱和．

此外也可用些解调电路(如8.2.22.1a)的窄带锁相环路去有效地消除载波。

  注：因为晶体振荡盛的附加噪声电平和由负载阻抗本身产生的热噪声捐比，可能不相上下，所以要十分注意选择测量

    时所用的任一放大器或信号处理设备．

    规定条件．详细规范应规定下列试验条件．

    D电源电压，

    2)负载细节，

    3)频谱分析仪分辨带宽

    4)如果与规定的频率范围是有关联的话，要规定距载波的间距。

8.Z.ZZ.lc寄生调频

    目的I测量振荡器输出信号的寄生调频（见8.26条）。

    试验电路:图290

图29  寄生调频的测量

    说明．寄生调频系指振荡器输出信号的残留的或无意向的频率起伏特性，特别是基带频

率高于10Hz附近的频率起伏分置。该特性在长途通信中载波信号源的规范中通常是关注的。

    程序：按图连接振荡器并让其稳定。为了防止基带频谱分量在有用范围内产生失真，鉴

频器必须在足够宽的频带内具有直线特性，寄生调频频谱可直接从x-y记录仪得到。

    如果要测定某一实际基带区域内总的调频信号，则可以用一适当的带通滤波器和有效值

电压表代替波形分析仪和x—y记录仪。为了建立校准系统，两种情况都需要测定鉴频器的特性(V/Hz频偏)。

    注意:高质量晶体振荡器的寄生调频一般是很小的，特别是在低基带频率就更小，因此

要十分注意选择低噪声的鉴额器和视频放大器。为了保证精确地测量离散的调频单音（如由

电源纹波电压等产生的），检波器后的积分时间和波形分析仪羁描速率必须调到与波形分析仪带宽相适应。

    规定条件．详细规范应规定下列试验条件．

    1)电源电压

    2)电源纹波电压

    8)负载细节

    4)基带频率范围

    5)分析仪分析带宽。

8.2.22.2时域测量

8.2.22.2a相对频率起伏的均方根值

    目的：测量振荡器的时域短期频率稳定度（见第1章的3.22和3.24条以及附录A的修改文A2）

  试验电路：图30a、图30b和图30c。

 

  注：—般相位比较器对相位和幅度两者馈离都敏感。为健对幅度的敏感度降到最小，实际上使用双平衡混频器作为积分检波器。

  （振荡器1和2平均额率精确地相同）

图30a方法l用的试验电路

注：不论是(1)还是(2)位置都可得到阿合方差和阿仑伯差。(1)位置还能用来测量标准偏差。

（摄荡器l和旅游器2的频率略有差别）

图30b方法2用的试验电路

图30C  在方法1或2方法电路中使用一晶体滤波器。

图30短期频率稳定度时域测量电路

    程序：一般说来，时域稳定度的测量相对于一个稳定度优予被测振荡器的基准频率源作出的．通常却是使用两个设计相同的振荡器进行比对，并假设它们的随机噪声过程的概事密度及分布函数几乎是一样的。由于噪声过程的组合以功摩为基础。那么就可以用两个相同振荡器之间的相对频率起伏除以来估计其中某一个振荡器独自的相对频率起伏．这一点反映到下列两种方法推导的公式当中． 

    方法l：平均频率完全相同的两个振荡器(图30a)

    在这种场合，相位比较器产生一个与这两个振荡器信号简瞬时相位起伏成正比的模拟信

号（付氏频率低予低通滤波器的截止频率）。该信号可以用模拟的方法来检查（如连续的条带式图表记录仪，有效值电压表或频谱分析仪），也可以用时域方法检查，此方法，使用可控采样平均时间为的模数转换器，并进行重复采样测量，存贮以供电子计算机分析。采用本方法，没有由测量系统引起莳间隙时间，其相对频率起伏均方根值为：

 

   N一重复测量次数，

    M——平均采样时间（见附录A的A2.1条）。

    注1只要基准振荡器稳定度确实远远兜子被测振荡器，就可以把所有的频率起侠都归结予被谢振荡器，上述公式还应

    乘以。

    方法2:频率略有差别的两个振荡器(图30b)

    在这种场合，一般供比对的两个振荡器做得基本相同，只是其中一个控频晶体调到略有

差别的频率上。于是混频器输出的波形是一个频率为这两个振荡器差额的正弦波．该差凝通

常选在100Hz ～lOkHz之间的某个数值。这是在假定石英晶体元件微小的调整差异不会明显

影响振荡器的随机噪声特性的情况下．

用规定的平均采样时间f作出的拍频周期的规定的测量次数彪（媚E该是拍频周期的整数倍）。连续测量的间隔时间Z一般大于平均采样时间t，至少是一个拍频周期（可能是两个更多的周期，很大程度取决于拍频和计数器数据显示系统的反复时间）。相对频率起伏为

    ——平均采样时间。

    —一间隙时间的修正因素<见附录A的A2.1条）。

    T一一采样周期。

    ——采样周期与平均采样时间之比。

  ——如上述，以采样时间平均的拍频连续测量值。

  注：与前面方法l一样，只要基准振荡器稳定度确实远近优于被涮振荡器，上述值还应乘以。

  方法1和方法2的改型-使用一晶体滤波器（图30c）

  在特殊情况下（如只对非常短的平均采样时间感兴趣），可以在基准振荡器与混频器之

间，或者基准振荡器与相位比较器之间加一个窄带晶体滤波器。对予平均采样时间远远小

于晶体滤波器带宽的倒数的情况，这一改型能够消除参考信号的噪声边带，致使只能观察．出

被测元件的频率起伏。为了使其行之有效，晶体滤波器本身应无过量噪声，并保存在恒定温   

度处避免机械干扰。

    注意，振荡器短期频率稳定度是频谱纯度的十分敏感的量度，因此应在受控条件下进行测量。对高量级稳定度，应使用屏蔽罩，记录装置在这罩的外面．

  规定条件：详细规范应指明下列试验条件的数值．

    1）电源电压；

    2)电源电压波动；

    8)振荡器负载细节；

    4)振荡器测量的平均时间及每种平均时阎的测量次数；

    5)振荡器工作环境细节；

    O)低通滤波器的带宽；

结果，通常用图3l所示的曲线形式来表示某振荡器的短期频率稳定度。

图31典型5MHz精密振荡器的时域短期频率稳定度

8.3  电磁干扰（辐射）

    目的：测量晶体振荡器辐射的电磁干扰电平。

  注：除非国裳规则中另有规定，都可采用本方法。

  试验布置l图SZa和图32b.

    试验条件：辐射干扰试验一定要在空间高不小于2．4m,长不小于4.6m和宽不小于2.1m

的屏蔽室内进行．

    测传输干扰最好在一间所有电源馈入线都装有足量滤波器的屏蔽室内进行，如果这一点办不到，则应注意保证测量结果不受那些不是由被试振荡器产生的噪声电压和电场影响，这

就是说要在电源线路和（或）负载电路中使用一些附加滤波器。

    试验样品要安装在接地板上。接地板末端应与屏蔽室牢固地相连接，连接点与屏蔽室相

距不得大予0.9米。

注：稳定网络要按到接地板上。

图32a）80MHz以上辐射干扰试验的典型布置

注：稳定网络要接到接地板上。

图32b)  30MHz以下辐射干扰试验的典型布置

    从试验样本到线路阻抗稳定网络的引接线，其长为610min，可用屏蔽或不屏蔽的导线，

如相应图中所示。在未被测量的线路中稳定网络应端接50 无感电阻器。

    稳定网络的阻抗特性应在图34的极限范围之内。要得到这样阻抗特性的一实际方法如图34所示。

    程序:如上所述在屏蔽室内设置振荡器和测量系统。

    应在从辐射干扰角度看能产生最坏工作条件的负载状态下进行试验。

    1016±25ram的垂直棒状天线适用于30MHz以下频率。这种天线要放在干扰最大的那点

处；在天线沿一直线相对于接地板前沿平行移动时就可找到这最大干扰处。水平偶极天线适

用于30MHz及更高的频率I在频率范围为30～50MHz的，应用50MH z偶极天线，超过50MHz的，使用谐振式偶极天线，天线应放得平行予接地板前沿，高度在接地．板水平上305士25ram，中心应邻近被试振荡器的几何中心。棒状或偶极天线应在离试验样品表面最近点508mm处。当偶极天线长度小于试验设计图尺寸时，应朝接地板前沿方向平移天线到最大响应处．

  测量装置；为进行本标准规定的测量，最好选用那种能测峰值的及具有表l所示极限带

宽的测量装置。具有其它带宽的测量装置只要采用适当的相关因数也是可以采用的．

图33线路阻抗稳定网络的阻抗特性

 

图34线路阻抗稳定网络的电路图

表1

频率范围	-6dB带宽极限范围
0.05MHz～0.15MHz 0.15MHz～30MHz 30MHz～300MHz 300MHz～1000MHz	200100Hz 9lkHz 15050kHz 15050kHz

    所测的全部电压值都是对50 而言的。如果测量装置的输入阻抗不是50，则应采用适当的匹配网络并加以适当修正．

    当测量装置只具有准峰值电压表时，就需对峰值电压读数进行修正。

    不论什么情况都调谐测量装置使其对干扰信号呈现最大响应．

    规定条件，详细规范应规定下列试验条件．

    1)电源电压；

    2)负载细节；

    3)干扰测量用的频率范围，

    4)连接（到按地板）的方法．

9机械气候试验程序

0.1标准试验条件

    除非另有规定，全部试验都应在SJ/Z  9001--87  (IEC  68)标准规定的标准大气条件

(温度15～35，相对湿度45%～75%；大气压力860～1060mbar)下进行．如果在非标准的其它温度下进行测量，则必须把结果按规定温度进行修正．

  试验报告应写明测试期间的环境温度。

9.2环境试验程序

9.2.1接端强度

9.2.1.1接端拉力试验

    振荡器应经受SJ/Z 9001.33--87 (IEC 68--2--21)标准规定的拉力试验程序Ual和推

力试验程序的检验。

    除非详细规范另有规定，施加力为:

    a)直径大于或等于0.80mm的插脚式接端。推力20N拉力20N。

    b)直径小于0.80mm的线接端，拉力10N。

9.2.1.2线接端的弯曲

    振荡器应承受SJ/Z 9001.33--87 (IEC 68--2--21)标准规定的弯曲试验程序QC的检

验。

    除非详细规范另有规定，施加的力应限制在距振荡器本体2.5±0.5ram处产生弯曲，其

值为5N。

9.2.2密封试验（对气密型振荡器）

9.2.2.2  密封试验A

    振荡器应承受SJ/Z  9001.30--87  (IEC  68--2--17)标准规定的容器密封、漏气试验程序Uc中的试验方法l的检验。

    把振荡器放在已去气的液体中浸泡规定时间，据从振荡器出现的连续气泡来判断是否漏

气．振荡器应无漏气． 

    试验后，振荡器应无可见损伤。

  注：该试验只不过悬一种定性试验。

9.2.2.2密封试验B

    振荡器应承受SJ/Z 9001．$0--37  (IEC 68—忍一17)标准中规定的用质谱仪的示踪气体试验程序Qk的试验方法2的检验。最大泄漏率应不超过详细规范中的规定值。

9.2.3可焊性

    振荡器应承受SJ/Z  9001.30--87  (IEC  68--2--20)标准的线状或签状接端可．焊性试验程序Ta焊槽法，285lO．

9.2.4温度快速变化

    振荡器应承受SJ/Z  9001.4--87  (IEC  68--2--14)标准中的两箱法，温度剧变试验程序Na检验。

    低温、高温试验箱温度应为详栅规范规定的工作温度范围的极值。

    振荡器应在每仑极限温度上保持30min。

    振荡器应经受十次完整循环，然后放在标准大气条件下恢复，时间不少于2h。

9.2.6碰撞   

    振荡器瘦承受SJ/Z  9001.24--87  (IEC  68--2--29)标准的试验程序Eb，并采用规定的严酷度等级。振荡器须按要求安装或夹紧。碰撞要在兰个相互正交的釉上进行，其中包括：     a）与按端平行的轴向；

    b)与振荡器底座平行的轴向。

9.2.6振动

9.2.6.1非工作状态

    振荡器应承受SJ/Z  9001.18--87  (IHC  68-2-6)标准的振动（正弦）试验程序Fb并采用规定的严酷度等级。振荡器必须按要求安装或夹紧。加速魔应加到三个相互芷交的轴向，

  其中包括：

    a)与接端平行的轴向，

    b)与振荡器底座平行的轴向。

  9.2.6.2工作状态

    按9.2.6.1条进行试验，但是试验时振荡器是处于工作状态的，并按详细规范规定进行

  电性能试验。

  9.2.7冲击

    振荡器痘承受sj/z 900l.t3--97 ([Ec 68—2—27P)标准的冲击试验程序Ea，并采用规  定的严酷度等级。振荡器必须按要求安装或央紧，将冲击加到兰个相互正交的轴向上，其中包括：

    a)与接端平行的轴向，

    b)与振荡器底座平行的轴向．

  9.Z.8稳态加速度

    振荡器应承受S3/Z  9001.27--87  (IEC  68--2--7)标准的恒加速度试验程序Ga．须按要求安装或夹牢振荡器。其程序和严酷度等级应按详翱规范。

  9.2.9低气压

    振荡器应承受SJ/Z  9001.7--87(IEC68--2--13)标准的低气压试验程序M。

  9.2.10气候试验序列

    除M试验外，振荡器应承受SJ/Z  9001.1--87  (IEC  68--1)标准第7条的气候顺序试验．

  9.2.10.1千热

    振荡器应承受SJ/Z  9001.8--87  (IEC  68--2--2)标准的对非散热试样的温度突变的干热试验程序Ba。若详细规范没有另外规定，要在1002进行2h。

  9.2.10.2加速湿热，第一个循环

    振荡器应承受SJ/Z  9001.6--87  (IEC  68--2--30)标准的湿热循环(12h+ 12h--个循

  环)试验程序Db*，上限温度55℃一个循环共24h (b款的严酸度等级)。除非详细规范另有规定，振荡器就应接着立即承受下面的SJ/Z  9001.2--87  (IEC  68--2--1)．标准的As试验程序。

  9.2.10.3寒冷

    振荡器应承受SJ/Z  9001.2--87  (IEC 68—2-1)标准的非散热试样温度突变的寒冷试

  验程序Aa．除非详细规范另有规定，本试验要在-65士3℃进行2h。

  9.2.10.4加速湿热，其余循环。

    振荡器应承受SJ/Z  9001.6--87  (IEC  68--2--30)标准Db*试验程序，除非详细规范另有规定，上极限温度为55℃(b款严酷度等级)进行其余5个循环，每个循环24h。

  9.2.11稳态湿热

    振荡器应承受SJ/Z 9001.5--87 (IEC 68--2--3)标准的稳态湿热试验程序Ca，除非详细规范另有规定，本试验进行56d.

9.2.12盐雾

    振荡器应承受SJ／Z  9001.14--87  (IEC  68--2--11)标准的盐雾试验程序Ka．

    除非详细规范另有规定，该试验进行四次喷雾，一次两小时，每次喷雾后存放7d．

9.Z.15霉菌

    振荡器应承受SJ/Z  9001.1S--S7  (IEC  68--2--10)标准的霉菌试验程序J．

9.3耐久性试验程序

9.3.1频率老化

    振荡器应能在25:1: lO℃或详细规范规定的其它温度（如85±10℃）下保持工作规定时间。在试验期间内，应在适当的温度下，按适当的时间间隔测量每个振荡器的频率，而每次测量时振荡器的温度应在相同温度时加一与老化测量精度要求一致的误差（如±0.5℃）之内。

    输出频率按8.2.4测量，测频系统的准确度和分辨度应为±6×10，或整个测量期间内允许老化的士10%，取其较小的。

    除非详细规范另有规定，振荡器应在加电状态下存放．

附录A

短期频率稳定度

引言

    晶体振荡器产生的输出是由信号复杂的频谱组成的，不仅包括所希望要的单一频率成

分，而且还包括附加的热噪声电压，谐波失真，以及反映各种环境影响的成分。因此，输出信号的瞬时频率不是一个常数，而是这一瞬间和另一瞬间会稍有不同。短期频率稳定度就是通常用来描述瞬时频率相对于一常数值起伏程度的术语．因此它通常指的是扣除了一些确定因素（如频率老化、电压和温度变化等）影响的瞬时起伏。

    频率发生器的用户，一般很重视输出信号起伏特性的有效量度，以便能准确地预估输出

信号起伏对某一实际系统的影响。丽振荡器设计师则经常感到最好把具体器件特性与得到的

频率起伏联系起来。本附录的目的就是介绍信号频率起伏特性的几种有用量度，用这些量度

足能预测利用该信号的系统的性能，同时还指出了频率起伏特性和几种实际有害影响之间存

在的某些关系。

A1  短期频率稳定度的频域量度

    首先我们讨论瞬时频率起伏的定义问题。瞬时频率的常规定义为相位函数对时间的导数。

                         （A1）

振荡器输出信号可写作:

                    （A2）

=

式中：为平均振幅

  为平均频率 

如果相对予平均值的起伏很小即

                               （A3）

                               (A4)

那么可以毫不含糊地定义相位起伏函数(t)同时我们可写出瞬时频率的表达式:

                      （A5）

因此，瞬时频率相对起伏函数为

               (A6)

因为该函数本质上是一种类似噪声的时间随机函数，不能精确地测量，就像某些类似噪声量一样，必须从多次时间——平均测量来进行有效估算。

    在频域中，相对频率稳定度的优选量度雉相对频率起伏的功率潜密度，其中为

付立叶频率（有时称之为基带频率）。

    有些场合，使用相关的函数，即相位起伏[ (A2)式中的(t)]的功率谱密度是十分有益的。

    这两者之间的关系为：

        = (A7)

    因为这两种功率谱密度在数学上是相关的，所以不论是用还是都可以

描述频率起伏特性，但是是常用的优选量度．

  有时还采用频率稳定度的另外几种频域量度．

A1.1  寄生调频

  该术语是根据频率起伏函数的幅度，如付立叶幅度谱或者对于某一规定系统带宽的总有

效值，来描述振荡器输出信号随机频率起伏的．

  作为一基带频率的函数，．寄生调频幅度谱可表示为．

    (A8)

    其量纲是Hz

为了确定寄生调频对有限带宽系统的总影响，例如可将振荡器输出接到一个有效基带频率响应为到的理想鉴频器上，从而得到输出信号有效值，再把不相关的随机分量按功率概念相加即为

A1.2相位噪声（相位抖动）

    这个术爵系指方程式(A2)中的相位起伏函数.它可表示为相距一定值的相位偏离, =它能用以弧度为单位的功率谱密度函数

     [](A9)

来描述I或者像寄生调频那样，用某一规定带宽内总的有效幅度来描述。例如，在具有-基带频率的系统中所产生的总的有效相位起伏，可以把不相关的频谱分量按功率概念相加即可确定。

      (A1O)

A2短期频率稳定度的时域测量

  在晶体振荡器（以及其它精密的频率发生器）的许多应用中，当用它的时间和时间平均

特性来描述，而不是用它的付立叶频率特性描述时，大多采用相对予平均值的频率起伏：

  短期频率稳定度的基本时域定义是基于瞬时频率平均相对僖差的两采样方差。

   （A11）

式中:< >表示对无穷次测量计算的平均值

    ——采样时间，-是在此采样时间测得的瞬时频率的平均相羽偏差．的连续测量应该在无间隙测量条件下进行．

    对于不向种类的能影响振荡器的噪声，由有限次数测量计算出的方差值的相对不精确度

如下式所示．

       M>10

式中M:用于计算的值的总测量次数；

    ：取决于噪声类型的系数(≤1)，

由此得出方差的定义为：

=

    目前认为有五种独立的能影响振荡器的噪声过程。对手这些种噪声，系数分别为下列值．

    频率随机游动噪声  = 0.75

    频率闪烁噪声    = 0.77

    频率白噪声    = 0.87

    相位闪烁噪声    = 0.99   

    相位白噪声    =0.99

    瞬时频率的平均相对偏差就是在整个时间内瞬时频率相对偏差的总和。

=

然后使用关系式(A6)。

    ==

M次无间隙测量的两采样方差可以表示为

=

 

      “无间隙”的意思是指=“+f

    由于相位分量相抵消，进而可以用总相位)来代替相位起伏中(t)

   =

A2.1  相对频率起伏的均方根值

  相对频率起伏的时域特性经常用偏差而不用方差这术语表示，并称偏差为均方根值．就统计概念来讲，均方根值定义是两采样方差的平方根值．

=

=[]

=的曲线（双对数坐标）通常用来表征振荡器的时域频率稳定度（图A1a作为一种示例）

平均采样时间，(s)

图Ala

曲线上各种不同斜率能够提供在所考虑的采样时间范围内影响振荡器噪声性质的信息．

图Alb给出了五种独立噪声过程的斜率特征．它们相连形成一条类似图Ala的曲线，其

中每一种噪声过程分别在某一点特定正范围内占优势。

    可以看出，相位噪声，不论是白噪声还是闪烁臊声，其曲线斜率都相同。为了消除对噪

声确切性质的怀疑，需要进待某些补充测量．（使用几个具有不同截止频率的谴波器）．或对振荡器在频域方面予以表征，因为（为付立叶频率）对这两种噪声有不同幂律（即斜率）（对相位闪烁噪声为1／，对相位白噪声为）。

 

 

    A相位白噪声    相位闪烁强声   斜率=-1

    B频率白噪声        辩率=-

    C频率闪烁噪声    斜率=0

    D额率随机游动噪声    辩率=

图Alb对于五种常见噪声过程，斜率的特性

  A2.2测量方法

    实际上，时域测量可以使用好几种方法。A14关系表明，只要振荡器信号 (n=

O，l，2……M)时刻的相位是巳知的，就能够计算出在时间F（或其整数倍）内的频率稳定度．使用相位比较器就能知道信号相位和另一个作为基准振荡器的信号相位之关系．  (如果这两个振荡器是同一种类的，则所得方差应除以2。

    测量的准确度取决于相位计的分辨率和比对的频率，(如对1MHz比对信号，1/1000相同的准确度分辨为1×lO/s)。可以通过先把振荡器频率倍频，再在倍频后的频率进行比对的办法提高测量精度(在1OOMHz达l×lO/s；在lOGHz达10/s)．

    如果对每一平均采样时间记录M次采样，就能够从同一组数据获得其它平均采样时间的信息。例如，可以得到(M -1)个平均采样时间为的比对值，或者(-1)个平均采样时间为2的比对值，或（-1）个平均时间为4的比对值等等．

    能够获得任何信息的最大平均采样时间是，在这种情况下，只箭得封一组比对  （两个值）。通常，跟平均采样时间大予鲁百相对应的结果是不可信的，—篙叫可以得到10

个相等的采样。能用相位比较器输出信号（转换成模拟形成）的图形记录来人工计算方差  （无计算机时）。

    应该说明本方法中的连续测量是没有间隙时间的，此外还要求这些振荡器没有频率漂移。  （在两种观测时尤其有效），消除阉隙时间的方法可以在NBSIR 75--8270报告中找

到。

    (eNBSIR 78--827是美国标准局关于时域测量用二元小时薏系统的报告。David．W．一

Allan著)能够用的另一种方法是泐量被测振荡器信号与基准振荡器信号混频后差拍频率的周期（它意味着为了得到差拍频率，可以变动第一振荡器的频率）。这时(A14)表达式中的开

始几个相位差就是计数器的连续指示，实际上是信号频率的整数相位周数。

于是这方差的平方根表示为：

=[]

式中．——拍频的相邻测量（如果这两振荡器是同类型的，应除以

    应说明，用频率计数器进行无间隙相继测量一般是十分困难的。为了获得无间隙的真实

方差，应加上修正因数：

式中,T——连续两次测量(持续期？筒隔时间>

    ——修正因数，它取决于两连线测量间隔时间与测量时间之比r=和全部

测量时间内影响振荡器的噪声过程。

=-(+1) 是一般表达式中占优势的噪声幂律中的指数    ’

  =-2  对频率随机游动噪声

    =-1对于频率内烁噪声

    =O    对频率白噪声

    =l    对相位闪烁噪声

    =2    对相位白噪声

   表列在J．R．Barnes著的华盛顿特区美国国家标准局375号技术报告“1969年1月）”以功率谱密度有限采样过程为基础的方差用巴纳斯函数和表中，表A1列出了某些常用的和r值的函数值。

表A1常用值

u	1.00	1.01	1.10	2.0
+2	1.000	1.020	1.2100	4.0000
+1	1.000	1.015	1.1500	2.5000
0	1.000	1.010	1.0890	1.5660
-1	1.000	1.000	1.000	1.0000
-2	1.000	0.6667	0.6667	0.6667

等式：

            =

并按定义，当=-1时

= 1.000.

    注意．频域和时域之间的数学对应关系。

    最近的工作能够使频域测量（频谱密度）和时域测量（方差）联系起来，反之亦然。尤

其，当噪声可用上文所述指数项之和来描述耐，时域函数可写成：

式中：——如上规定，用表征的噪声过程的系数

    ——系数低通滤波器的上截止频率。

于是与该时城函数对应的频谱密度函数可以写成：

式中．——频率起伏的功率谱密度

    ——相位起伏的谱密度

    根据这两个关系式，再假定，使用表A Ⅱ的系数，就可以对这五种噪声过程量度的任一种进行频域到时域或时域到频域的转换。

噪声过程	时    域		频    域
频率随机游动噪声	l		2
频率闪烁噪声	O		l
频率白噪声	l		O
相位闪烁噪声	2		l
相位白噪声	2		2

 

    表中．

    A=4/6  ．

    B=2ln2

    C=1/2

D=

  E=

    —一平均采样对间，

    f——付立叶频率

    -——低通滤波器的截止频率，

    一一时域表达式中的指数。

AS射频功率谱

    晶体振荡器瞬时输出电压(方程式A2)，与理想信号相比较，即可说明它有幅度和频率

两种起伏。由于存在这些起伏，势必产生一种功率谱，它通常用中心位置位于标称频率F。处的一条很强的窄谱线和分布延伸很宽的低强度的随机分量来描述。射频功率谱密度的形状将取决于振荡器内振荡及放大电路的具体结构以及测量时所处的环境状态。虽然总功率谱在确定实际系统的性能耐可能是最主要的，但它不是唯一与频率起伏函数有关。

    只有在充分掌握了关于频谱中干扰信号性质的详细资料的情况下，才能准确地评估干扰

信号对瞬时频率的影响。因此，射频功率谱的技术要求代表不了短期频率稳定度的技术要

求。

    举倒来说，让我们讨论一种假设状态，振荡器输出信号的射频功率谱是由理想的单一频

率分量叠加在低电平的背景随机白噪声上构成的，如图A2所示。

    在任一瞬间，合成信号将由理想频率分量A。sin孙Fo~和所有的不相关噪声分量的瞬时矢量和所构成。如果表示所有噪声分量的矢量和所能达到的

最大幅度，那么调A3的虚线圆表示合成信号的矢量端点相对予理想分量电压而官可能出现

的位置范围，（原文为厶8疑有误一译注）表示相位起伏的最大值。

图A2具有白噪声的理想振荡器的射频功率谱

图A3  载波信号和不相关噪声的矢量合成

    从图AS可以清楚地看出，噪声分量在任一瞬间都可分解成两个分量，一个与同相，

另一个与氩正交。如果比超很小的话，那么相位起伏被看成只取决于正交分量，而幅度起伏只取决于同相分量：因为是假设随机分量，所以可概括为．一般来讲，噪声边带功率一半在正交分量里，另一半在同相分量里．

  此外从图A4可以清楚看出，将信号通过一种强限幅器来消除幅度起伏分量，从本质上看，

这样做的结果不会改变相位起伏特性，这样一来可将平均噪声边带功率减少了一半。

图A4消除了调幅噪声分量的效果

    因此可以搿出结论．相位（或频率）起伏测量给不出表征射频功率谱的完全信息，当然

射频功率谱本身也不能完全地确定相位或频率起伏特性。

  用1Hz带宽内边带功率与总信号功率之比来表征的射频功率谱，有时称为“信号频谱纯度”

1997