SJ Z 9155.2 87 石英晶体振荡器 第二部分石英晶体振荡器使用指南

 

 

中华人民共和国电子工业推荐性部标准

        石英晶体振荡器                         SJ/Z 9155.2-87

IEC  670--2(1981)

第二部分石英晶体振荡器使用指南

           Quartz crystal ontropled oscillators

Part 2 Guide use  to the of quartz crystal controlled oscillators

    第3章  石英晶体振荡器使用指南

1  范围   

～l×lO的范围。晶体振荡器性能特性的规范和／或说明书仍然是制造方和使用方之间产生误解和纠纷的原因之一。本指南的宗旨是l结合SJ／Z  9155.1--87(IEC  679--1)标准《第一部份；综合性资料、试验条件和试验方法》概述晶体振荡器的某些性能特性，同时还提示在晶体振荡器规范中应予列入的重要参数．

    本指南叙述了晶体振荡器的一般性质和能够得到的性能特性。为了叙述方便起见，把晶体振荡器人为地划分成四大类。普通晶体振荡器(PXO)，温度补偿晶体振荡器(TCXO)、压控晶体振荡器(VCXO)和恒温晶体振荡器(OCXO)o

  注：为了简洁起见，本标准其它地方要经常使用这里所漳明的几种缩写符号(诸如：VCXO)。同样，也经常用“振荡器”一词来代替“晶体振荡器”。

    显然，设计在品级和组合两方面的变化几乎是无止境的，因此把某些特殊振荡器归入这些类别种可能有困难。然而研究这些通行类别振荡器的工作原理和性能，对用不同组合的办法评估特殊振荡器的特性是有用的。   

    本标准还对评估振荡器性能十分有用的频率稳定度这一范围及其测量进行了一般性的讨论，此外还讨论了一些经常产生误解乃至错误规定的主要性能参数。

2术语和定义

    本标准所用的专用术语在SJ/Z 9165.1--87 (IEC 679--1)标准中已给出了定义．

3 晶体振荡器特性

3.1概述

  一般，晶体振荡器可用放大器（或称增益电路）和正反馈网络所构成的电路来描述。典型的振荡器电路图如图l所示．

    只要在某些频率环路增益大于1，总环路相移为2(n=O，1，2，……)，那末该电路就会产生自激振荡，振荡信号电平取决于电路增益特性，而振荡频率则由相位条件确定。输出信号频谱取决于振荡电平，电路元件引入的噪声及电路带宽。对大多数应用来讲，晶体振荡器的频谱宽度是非常窄的，只焉考虑中心频率的特性．如果不考虑噪声便信号变坏的那一瞬间，那末振荡的平均频率就始终由环路相位要求来确定。只要环路相位出现一点点扰动就要产生频偏。通常这些扰动可以分两类，即:

图l  晶体振荡器基本电路

a)电路参数的偏离;

b）晶体特性的偏离。

    第一种偏离是由下列因素造成的-电容器，电感器，电阻器和晶体管的温度系数，这些元器件的老化;这些元器件韵电压特性和电流特性以及它们对机构扰动的敏感性．不论什么原因，电路传输相位扰动（）都要引起平均振荡频率的变化:

    式中:为标称振荡频率;

    为窄带晶体网络的有效Q值。

    第：种偏离包括由于温度，温度梯度，激励电平、“材频率老化”和机械环境（冲击，加速度及振动）引起的晶体元件特性的改变．

    为了尽量减少小网络的相位敏感性，晶体振荡器设计中，一般都采用一种可实现的带宽放大电路。另一方面，通常设计晶体反馈网络时都使它有尽可能窄的传输频带，以便使振荡频率基本上只取决于晶体元件的特性．当有频率调整要求时，用引入一可变电抗来改变晶体网络的传输频率，而并不增大传输频率的带宽，这种方法是可取的，当采用这些通行做法，振荡器的频率稳定度就基本取决于晶体元件的特性，而晶体元件应选择下面那样的．

a)高Q值， 

b)在规定工作温度范围频率变化小，

c)频率一激励电平系数小，

d)对机械冲击，加速度和振动的敏感性低，

e)老化频率漂移小。

3.2晶体振荡器类型

3.2.1  普通晶体振荡器(PXO)

    大多数电子设备要在环境温度为0～60℃或-40～+80℃的整个温度蒲围内工作。通常决定普通晶体振荡器频率稳定度的最重要因素就是晶体元件的频率温度特性．

    对弯胁振动模式或伸缩振动模式的低频晶体元件，频偏大，甚至可达±l×，而厚度切变振动模式元件（频率大约在1MHz以上），在-40～+ 90℃温度范围频偏可在2士×10左右。

    如果对频率稳定度要求较高，则必须装备温度补偿电路，或者靠控温装置为晶体元件提供恒温环境。

    这些类型晶体振荡器的具体特性在后面的条目中研究。

    晶体元件的温度性能取决予晶片尺寸、振动模式，电极材料，电极厚度，装架方法，特别是晶片相对予晶轴的方位。图2示出了不同方位角AT切石英振子的频率温度特性[1]。

有关晶体元件温度特性较完整的讨论请查阅文献[2] 。

-25      0          25       50      75温度(C)

图2典型的不同方位角的AT切晶体的频率温度特性

  通常把作为时间函数的频率变化称为“老化”，这种老化主要由所使用的石英晶体决定[2]。1OMHz基频晶体的典型老化率是l×lO/周，而泛音晶体及充分老化过的晶体，其老化率就更小。在使用普通晶体振荡器的场合，一般说来老化是不那么重要的，因为它跟由温度变化而造成的频偏相比是很小的。

3.2.2温度补偿赫体振荡器(TCXO)

    使用温度补偿晶体振荡器(TCXO)，可得到比普通晶体振荡器要好的频牢稳定度。可见，稳定度的改善是用增加电路复杂性、增大尺寸、增大功耗及提高成本等代价换来的。

    图3中粗线表示了模拟式温度补偿用的附加电路。把变容二极管和热敏电阻器——电阻器网络附加到图l所示的基本振荡器上，此外为了给补偿网络提供高稳定基准电压，还附加了一个稳定器。为了减少外部负载对振荡频率的影响，通常要用一个高质最的输出缓冲放大器。

    热敏电阻器的阻值跟温度密切相关，因此需精心设计这种温度补偿网络，以便用它合成出来的一吁潞度成函数关系的电压，加到变容二极管上。这个合成电压使变容二极管的电容产生变化，这样也就改变了晶体的负载电容。该负载电容的变化使晶体振荡器按预定方式来改变频率，从而补偿了晶体频率温度特性，以及稳压器，有源器件、电路元件和缓冲放大器任何由温度引起的变化。这种热敏电阻器网络中数值的选择赴相当复杂的，通常都需要计算机来确定网络参数。

图3采用模拟补偿洪的温度补偿晶体振荡器

    常用晶体的频率温度特性与图2中的曲线B相似。晶体的最佳切角取决于温度范围和所要求的稳定度。有的晶体翻转点之间的频率温度曲线线性较好而频率变化大，有的则线性差但频牢变化小，因此在这两种鼎体之间作折衷考虑。线性好的曲线容易补偿，但由于频率变化大所以必须补偿得十分精确。其次要考虑的是翻转点的位置，如果在关心的温度范围只有一个转点，补偿电抗的合成就简单多了。

    TCXO有时使用另一种补偿方法，即所谓“数字补偿法”。在这种方法中，用敏感元件测定：稿俸元件温度，再把它转换为数字表示。根据这个温度值，把经计算过的二进制电压数值送入数模转换器：转换成模拟电压，把它加列变容二极管调{皆元件上。这数字技术的若干实施过程，如从把电压值参照简表贮存到数字记忆装置，用温度传感器检索，一直到使用微处理机来解析所贮有的电压一温度函数关系式，都是可以做到的。总之，数字逼近法可以对晶体元件实际频率温度特性的形状不作特殊要求，这是因为它在原理上适用于任意函数。理论上的限制只是温度增量的量值化和由数模转换器产生的模拟电压的量值化。图4所示的就是数字补偿的一种方法。

振荡器    缓冲暑和AGC  缓冲放大器

图4  采用数字补偿法的TCXO

    另外，还可使用混合补偿法．用模拟电路先得到近似的补偿(比如说，改进系数大约为10-20)，然而再在较小动态电压范围的数字技术进一步改善频率稳定度性能。图5所示的混合补偿法，允许用比特数较小的数字电路，当然就减少了查表法所需要的记忆单元数目。但是，它仍然要求振荡器内包括模拟和数字两种形式的补偿电路，需要进行大量测量以确定模拟电路元件及数字化程度。

振荡器    缓冲器和AQC    缓冲放大器

图5采用混合补偿法的TCXO

    一般情况下，模拟技术能在0～60℃或更宽的温度范围，很容易得到±0.5×10-士2×10的相对频偏。而使用lObit或12bit的数字补偿法，只要晶体元件有良好的重现性并采用适当隔热以防止晶体元件产生明显温度梯度，在上述同样的温度范围就能得到士1×IO的稳定度．

  为了获得优良的温度频率稳定度，尤其是温度瞬变状态下的频率稳定度，在晶体，变容二极管和热敏电阻器之间必须要有良好的热跟踪。如果这些元器件之间存在温度变化的话，那么在温度瞬鸾状态拂娶产生棼大的频率变传（百万分之几）。

    此外，由于石英片内部的温度梯度，在温度变化时晶体元件呈现瞬变特性，在温度突变时晶体元件也要呈现瞬变特性，在温度突变时频率变化竟可达百分之几。所以一般必须把这些关键元器件跟周围环境进行热隔离．TCXO最常用的温度范围是-20～+70C，在这温度范围土5×10稳定度是可实现的。

因为TCXO不论电源是否供电，所有元器件都处予同一温度，所以TCXO从接上电源起就有良好的频率准确度．由接通电源产生的微小温升实际上对频率没有什么影响。这是因为TCXO模拟网络的阻抗可以做得很高，只需增加一点功率。（而数字补偿法，则需增加一定功率才能驱动逻辑电路工作）。在某些应用中，这些特性可能是很重要的。

    虽然选用漏电流非常小甚至可以忽略的变容=极管以防止长期性能退化，但TCXO的老化主要取决于所用的晶体元件，采用基频晶体的TCXO,其老化率可达l×10/星期；对待TCXO和对待下面所讨论的恒温晶体振荡器一样，把任一适当周期的老化加上温度频率偏离就可得到预期的总频偏。例如温度频率偏离为5×10，老化率为1×10／周，就可预计出一年的总频偏为l×10。

3.2.3压控晶体振荡器(VCXO)

    在许多应用中，是用可变电压加到一种器件上来控制晶体振荡器频率，以产生窄带调频通讯信号或移频键控数据流。像TCXO的频率受一由热敏电阻网络产生的，与温度成函数关系的电压调节那样，VCXO也是用同样的方法来实现上述功能的。主要差别是，变容二极管电压引线接使用者，而不需要热敏电阻网络，其次是使振荡器能够调谐的频率范围要做得相当大。

  VCXO能够响应的调制信号带宽将取决于晶体反馈网络的射频带宽和变容二极管驱动电路的基本带宽。调制线性度（即△与调制电压的函数关系）取决于变容二极管特性及晶体元件参数两者的组合。为了得到良好线性度和／或增加频偏范围，经常需要使用较为完善的反馈网络，例如图6所示。

3.2.4恒温晶体振荡器

    3.2.2条讨论的TCXO能在宽环境温度范周提供n×10的温度频率稳定度。有些应用需要更高的稳定度，就需要采用恒温晶体振荡器(OCXO)。有关详细说明见SHZ 9158(IEC314)标准:  “石英晶体元件用温度羚翩装置。”

  这种频率稳定度的改善，使之超过TCXO,是靠增大体积和可观的功率耗散换来的。此外还增加了比基本振荡器（图1）复杂得多的电路，如图7，图8所示。恒温晶体振荡器用的恒温器有两种通甩类型，一种是比例控制型，一种是“断续”控制型。后一种是用双金属或水银感温器，按“通”或“断”的方式把热量供给恒温器的。这种恒温控制很简单，一般限予低精度频率控制用，因此本标准就不包括这种恒温器。比例控制型恒温器采用电阻感温器，靠桥式电路连续供热。这种比例式温度控制效果很好，可供高精度频率控制使用。

图6  附有带宽和线性度改善电路的压控晶体振荡器(VCXO)

2.4.1单层恒温器 

    对大多数应用来讲，图7所示的单层阻混器就足够用了。这种恒温系统由电阻电桥、放大器、晶体管控制器和加热绕组构成，如图7的底部所示。图中虚线表示放在恒温器内部的附加电路和振荡器组件。为使晶体激励保持稳定，需要使用稳压器，多级缓冲放大器和自动增益控制(AGC)电路。这恒温器就是比例控制型的单层恒温器，其电阻电桥的两臂是热敏电阻器，或是专用的高温度系数电阻器，它们的阻值是温度的函数。

 

图7单层恒温振荡器(OCXO)

    恒温器中温度一有变化就被感温器传感出来，使电桥失衡。电桥输出电压经放大驱使晶体管控制器产生或大或小的龟流，流经加热绕组，以此来调节温度。感温器与恒温器外亮加热绕组之间应有良好的热耦合，只有这祥才便于采用高环路增益。为使温度变化率保持最小，恒温器结构应该具有足够大的热容量和良好的绝热措施。如果感温器与加热绕组之间的热耦合不好，那么由于控温电路的发热使晶体振荡器温度将产生可观的变化，从而使频率稳定度变得很差。改变桥路上一个电阻器的阻值就能改变恒温器的工作温度，这是因为它改变了电桥的平衡点。设计优良的单层恒温器，可在宽环境温度范围内提供0.1～l℃的温度稳定

度。

    为了使热损低使晶体腔内温度梯度降到最小，在恒温器内应填充绝热材料，将各元件包住。一般来讲，温度梯度与加热器所用的功率成正比。最好的隔热材料就是真空，一般是用杜瓦瓶来实现真空隔热的。其它比较经济实用的隔热方法是使用泡沫材料，不过这种方法的热损比较大。

  恒温器工作温度一般比预计的最高使用环境温度要高出10～15℃。所用晶体元件应具有跟图2曲线C相类似的频率温度特性。工作温度选在温度较高的那个翻转点，即曲线的①点，由于在那翻转点附近小范围温度变化引起的频率变化是十分小的，从而可以得到相当好的频率稳定度。图2曲线翻转点大约在75℃，因此这时振荡器最高环境温度也就在60℃--65℃。用同样工艺制造的_晶体元件，由于方位和（或）返回频率有微小差别，其翻转点温度不可能完全相同，所以针对每块晶体元件都要仔细调配恒温器的实际工作温度。

    恒温晶体振荡器接通电源后不会立即就工作在稳定的频率上，这是因为只有恒温器升温到其工作温度后，晶体频率才能稳定在翻转点处。为了得到快速升温特性，可以使用一种受通断式热动开关控制的单独的快速加热器。快速加热器在短时间需要较大功率，从而使晶体腔迅速升温，在升到距希望的工作温度低几度时，热动开关就切断快速加热器，转接比例控制器。从最低环境温度开始，升温时间要5—30min，在这段升温时间功耗一般为4～-40W。

    采用热容量小的恒温器结构，也可以减少升温时间。但在用这种方法时，控制电路的参数，要按严公差要求，以保证在正常工作条件下的良好稳定度。

    精心设计的单层恒温器能将环境稳定比率保持在500：1左右（即在环境温度变化50℃时，内部温度变化0.1℃）。它足以能够使振荡器的宽温范围温度系数减少到l×10/℃的量级。

8.2.4.2双层恒温器

    对需要频率稳定度更高的地方，则需要进一步隔绝环境的影响，要实现环境稳定比率接近5×10：1，可用图8所示的双层恒温器控制。晶体元件和射频电路都装在内恒温器晶体腔里，再把内恒温器连同控温电路、稳压器等放进较大的外恒温器里面。这样全部电子线路都得到了保护，而不受外界环境温度变化的影响了。在外界环境温度变化25 L或更大时，内恒温器晶体腔的温度就能稳定蓟0.001℃左右。在正常工作条件下，双层恒温晶体振荡器的频率稳定度达到(1～2)×10 /d，总的频率温度系数可低于10／℃。

    双层恒温结构的升温时间和稳定时间都比单层恒温的要长，而且还要增大功耗和体积。为了使双层恒温的长期稳定度与它改善了的温度特性相协调，双层恒温精密振荡器都习惯采用最好的泛音晶体元件（如：五次泛音的2.5MHz或5MHz晶体）。图9以表格形式综合了不同类型振荡器的有关特性。

图8  双层恒温振荡器(OCXO)

振荡器类型	温度范围	温度范围的 频偏	输入功率	大约尺寸 (cm)
普通晶体 振荡器(PXO)	-55～105 -40～90	±25×lO ±15×10
压控晶体振 荡器(VCXO)	-20～70 0～50	±10×10 士4×10	5～lOOmW	2～80
温补晶体振 荡器(TCXO)	-55～105 -40～90 -20～70 0～50℃	0.5×10～ 5×10 0.3×10～3×10 0.2×10～2×10 0.1×10～1×10	15～200mW	2～80
恒温晶体振荡 器(OCXO) （单层恒温）	-55～105℃ -40～90 -20～70 0～-50	0.1×10 2 ×lO 0.1×10～1×10 ±0.5×10 ×10 O. 5×10～5×10	1～lOW	100～200
恒温晶体振荡 器(OCXO) （双层恒温）	-55～105 -40～90 -20～70 0～50	±3×10 l×10 5×10 1×10	8～40W	1000～5000

图9各类晶体振荡器的特性

  4振荡器性能规范及其测量

    晶体振荡器绝大多数用户主要关心的特性就是振荡器输出频率的稳定度。其它参数，诸  如输出电平-电源要求、亩定装置等等，尽管都应规定，但无论如何也是处于次要地位。频  率稳定度这一性能的规范和测量，经常引起晶体振荡器用户和供贷方之间产生误解和不满。

    任何振荡器所产生的信号都是由有限带宽的谱线构成的，而不是纯净的单音。频谱分布  的大致形状一般都像图I0所西的那样，具有一个十分狭窄但又有一定带宽的强谱线，一个近乎口白色一的宽带本底噪声谱，以及主谱线附近的增强噪声信号。此外还可能有由谐波响应和杂波响应产生的一些弱谱线（图I0中没有画出）。我们将会发现主谱线的平均频率（或中心频率）是随各种环境因素而漂移的，这些环境因素包括温度，电源电压，加速度，冲击及电气负载等等。因此，研究振荡器性能规范及其测盈时都应考虑所有的环境因索。为了方便起

  见，我们人为地把相对于恒定频率的频偏分为两种。一种是由环境条件引起的，另一种则实  质是随机的。然而应切记，这两种频偏或大或小都是始终存在的，而且不能用实验方法加以分开。

图10晶体振荡器典型的输出功率谱

4.1环境影响

    这一类包括了诸如电源电压，温度，电气负载，机械负载，机械振动和冲击等所有扰动的影响，以及晶体元件频率老化、电路元件长期老化等已知机理的作用。有关这些影响的测量方法在这里不详细讨论了，可查阅SJ/Z  9155.1--87  (IEC  679--1)标准。一般说来，一种因素造成的频率化系统，可通过在试验期间严格控制住所有其它因素不变，而使所讨论的那一个因素产生较大变化的办法来确定。即所讨论的那个因素造成的频率变化系数，可根据在新工作状态稳定后输出频率平均值的变化来测定。在这变化之前和变化之后都要进行足够多次重复测量，以保证平均频率的测量符合精度要求。

  在这个因素产生变化之后，在相当长的一段时间内进行测量振荡器频率是有好处的，只有这样才能确定瞬态影响及稳态影响。在某些情况下（如研究环境温度对TCXO或OCXO频率的影响时），瞬态影响可能比稳态频偏大好几倍．如果它对使用来讲是重要的话，就应该规定瞬态（以及稳态）性能。‘如果是这样办的话，就应记住还要规定确切的试验方法，因为瞬态现象受扰动特性影响是十分严重的。

    频率老化或长期频率漂移主要是由于振荡器稳频用晶体元件的变化造成的。当然电子元件也会产生长期老化，对振荡器老化也有影响。要把这两个影响分开一般是不可能的，通常老化是指在所有环境因素保持恒定条件下、整个振荡器总的频率漂移特性。

    振动、冲击等机械扰动实际上会调制石英片的弹性参数，从而使振荡器信号产生频率调制。精心设计可以使晶体元件对机械扰动的敏感性降刭很小，专门的封装技术能提供晶体及振荡器对某些机械环境的隔离[7]，但还不能完全消除这些影响，特别名对宇航环境仍然需要考虑。

4.2随机频率变化

    除了上述环境的影响外，振荡器输出频率还受电路有源器件的电噪声，电气元件的过量电噪声和晶体元件的固有噪声所恶化。

    晶体元件“噪声”一般是由谐振子结构的某些缺陷，如电极和石英表面附着力不强、支架结构接触不良等缺陷造成的。这些缺陷通常造成谐振子频率与激励电平有强烈的依从关系，使振子等效参数（电盟、电感）随激励幅度变化而改变。这些特性的测量，可用于选择无过量“频率噪声”的特殊用途的晶体元件。

    振荡器输出信号是由一个单频分量和振荡器本身的宽带热噪声和散粒噪声谱叠加而成的，这噪声谱的形状由振荡器网络的窄带放大器特性决定。所以研究振荡器输出信号就可以预计这些噪声的影响。虽然噪声信号和振荡回路的准确相互影响是个极为复杂的问题，已经超越本标准范围，但还不难做出某些一般性结论。

    首先，很清楚，改善振荡级和第一级缓冲放大器的信噪比就会改善信号的随机相位起伏。采用高电平激励的振荡器及选用低噪声有源器件就能做到这一点。改善晶体元件的口值，就能设计出频带更窄的反馈网络，从而使输出频率附近的增强噪声带宽变窄。振荡器输出信号谱的一般形状如图lO所示，白噪声电平由放大器级的噪声贡献确定，载频附近的增强噪声形状由振荡器选频网络确定，载频谱线的有限宽度与晶体元件口值，网络形式及低电平级的低频噪声（即“1/”噪声）特性有关。像电源纹波调制或机械振动等系统性扰动也会产生离散边带杂波谱线。

因为瞬时输出电压等于采样瞬间的载频和噪声分量的矢量和，很显然，在任一有限时间

   间隔测得的平均角频率将取决于该采用间隔始末时刻的瞬时电压矢量相位，因此平均角频率从一个间隔到下一个间隔不会完全相同。大量频率测量的标准偏差一般是采样时间长度的函数，并发现它跟采样时间的关系类似于图11。图11给出的是5MHz精密振荡器多组频率测量的标准偏差跟采样时间的典型关系曲线。标准偏差额大小跟的准确依赖关系因振荡器而各异，但曲线形状一般全都如此，除非存在系统性偏离（如周期性温度变化等）。

图11典型精密晶体振荡器的频率测量

    标准偏差跟平均采样时间的关系

    如果振荡器输出信号的短期频率（或相位）稳定度在具体应用中是重要的话，则必须规定其稳定度要求和测量方法。目前还没有适用于这方面的公认标准，丽s／Z  9155.1  (IEC679—1号)标准讨论了推荐用的量度及测量技术。

5振荡器参数规范

    前面条目简述了几种通用型晶体振荡器的各种性能参数。对于实际应用的具体振荡器规范可以规定全部特性参数，也可以规定其中任何一种，这取决于工作系统所给定的允许偏差，此外，还要完整地规定振荡器与系统之间的电气接口以保证互换性。表I概适了需要考虑的重要参数．规范应清楚指明适用参数的允许偏差要求。

    表中所列的一些参数本身就说明问题了，而其它一些在前面条目已经解释了。在本条目中就三个参数，主要是稳定时间、频率调节范围和稳态稳定度，进行较为详细的讨论，因为这些参数的规范能大大影响振荡器整件的成本和复杂程度。

表I  典型振荡器参数一览表

1    2             3         4             5           6

标称频率        环境系数     -)频率跟时间     b)频率跟负载（包括幅值和相角）     d)频率跟温度(包括以稳态和瞬墓釜妻望筢舅簧轰的频率变化     e)允许的规定机械环境影响     振荡器电源要求     a)电压——包括标称电压，稳压，纹波及电磁干扰要求 b)电流或功率 c)系统接地状态，一直流，高频，屏蔽   输出特性．     -)波形——如适用，包括上升时间和下降时间     b)幅值     c)负载阻抗     d)谐波失真     f)信噪比     频率特性     a)稳定时间     b)置现性     c)频率调整范围 d)调整分辨率    e)规定条件下的寄生调频       环境 a)温度范围——贮存温度和工作温度     b)振动，冲击，加速度——经受住的和工作的

    5.1稳定时间

    要是没有应深入研究考虑的细节，这个参数规定起来是十分困难的，因此往往是难于做出完整的规定。经常产生误解的问题是t基准频率是切断电源前振荡器的频率，还是达到稳定后振荡器的频率。另一个难题是：稳定时间是振荡器断电时间长短的函数，同时又是接通电源时环境温度的函数。  

  显然，规范不可能包罗所有的条件，所以，最佳方案是选择在振荡器预期应用时很可能出现的典型条件列在规范中。

    但要注意不能规定过严，因为成本跟性能是直接成比例的。如果稳定时间不是关键要求比如对于连续使用的振荡器，规范中放宽或不规定稳定时间的要求就能显著地节省费用。采用下列途径中的一条或多条就能得到较短的稳定时间。

    1)较高的输入功率。这就要有一个单独的快速升温的加热器，也就需要一种输出功率较大的电源．

    2)质量小。也就必然要求结构尺寸较小，需用小型元器件，从而成本有所提高．

    3)隔热好。当然会使成本增加，特别是用杜瓦瓶代替泡沫材料隔热时。

    不同类型振苗器的稳定性简述如下．

       不要求稳定时间指标。这种晶体振荡器通电后的频率漂移，主要是由于设备温升这类温度变化引起的。这种频率漂移的大小取决予初始温度，最终温度及晶体振荡器的温度特性（见3:2.1条）：

6.1.2温度补偿晶体振荡器(TCXO)

    通电后，一般不要求稳定时间指标。这是因为把由内部加热引起的很小频率漂移已经算在温度稳定度这指禄中去了。但是，如果振荡器温度是突然改变的话，则对稳定时间要有所要求。温度突变在晶体元件和补偿网络之间形成温度梯度，这个特性是TCXO所特有的。如果预计使用中会有温度突变，那么在振荡器规范中就应包括这一特性。在温度变化低于1℃/rain时瞬时频偏可达l×10．。或更大，其大小跟振荡器机械结构有关。

6.1.3恒温晶体振荡器(OCXO)（单层恒温）

    跟其它类型晶体振荡器相比，这类振荡器的稳定时间可能是关键性参数，因为应用上既要求振荡器有相当高的频率稳定度，又要求间歇式工作。切断电源8h后，在--40℃条件下某一振荡器的典型稳定性参数如下，

    通电后时间    频率误差

    lOmin        l×lO

    30min    ±l×10

    2h    0（基准频率）    ．_

5.1.4恒温晶体振荡器(OCXO)（双层恒温）

  ．在高稳晶体振荡器的许多应用中，经常用它作频率标准，因为是用在连续进行状态，所以这类振荡器的稳定时间是次要参数。但有时也需要断续工作，或者要求在电源故障排除后能快速复原，这时稳定时间就成为主要的了。一般说来，双层恒温晶体振荡器稳定时间比较长，这是因为．

    1)容纳的物质多；

    2)规定的频率稳定度高；

    3)同单层恒温晶体振荡器相比，双层恒温多数用泛音晶体。

    切断电源24h后，在一40℃条件下双层恒温振荡器的典型稳定时间为：

    通电后时间    频率误差

    30min      l×lO

    4rain    士5×lO

    24h    O（基准频率）

5.2频率调整范围

    显然，振荡器应有足够的频率调整范围，以便在振荡器规定的寿命期间，能随时把频率调列标称值上。从理论上讲频率调整范围应是，两倍老化率（既覆盖正向老化，又覆盖负向老化）乘以预期寿命时间，再加上跟弥补初始制造公差、杂散电容和负载电容偏差有关的富裕量。实际上，频率调整范围可以比理论值小一些，理由是．频率老化不是线性的，通常随时间增长而减小，对于精密晶体振荡器，晶体的制造公差一般已经靠精细选用负载电容被校准过了。调整范围和调整分辨串这两项署求之间可能产生矛盾。如罘要求高分辨率的频率调整，想用同一个控制装置既要达到高分辨率，又要得到想要的调整范围，这实际是不可能

的。

    如果不采用频率粗调和细调两套调节机构，要想达到l×10频率调整范围和l×10分辨率是困难的，所以有时需要粗调和细调装置。下面叙述几种振荡器的频率调整特性。

5.2.1  普通晶体振荡器(PXO)

    普通晶体振荡器的频率调整范围取决予所用石英晶体元件的质量。为了能调整晶体元件在预斯痔命期间的老化，振荡器应提供足够的调整范围。对手（伸缩、弯曲和面切变振动模）低频晶体元件，调整范围可到100×10;而厚切变模(AT、BT墅)气密晶体，±25×10。或50×10的调节范围就不算小了。因为普通晶体振荡器频率稳定度受晶体温度系数的限制，通常至少在10×10～20×10，所以频率调整分辨率为1×10就够用了．

5.2.2温度补偿晶体振荡器(TCXO)

    由于TCXO比Px0稳定度要好，老化率也低，所以它的频率调整范围可以明显域少。TCXO用的DA型外壳晶体的典型初始老化率为5/d，如果按线性推算下去，则在五年使用期后的累积老化约在9×10。由于既要覆盖正向老化，又要覆盖负向老化，则需要的最小调整范围为18×10。实际上由于老化率随时间而减小，TCXO的典型频率调整范围约在±4×10左右。

5.2.3恒温晶体振荡器(OCXO)（单层恒温）

    恒温晶体振荡器的频率调整范围取决予使用的是基频晶体还是泛音晶体。与基频晶体元件相比，泛音晶体的老化率要低些，丽其抗干扰性要高些，因此频率调整范围势必小一些，假定单层恒温振荡器用的是基频晶体元件，则调节范围和前述Tcxo的词接范围差不多。由于恒温晶体的工作温度比TCXO要高，致使它有较高的初始老化率，所以典型额率调整范围是±5×10。

5.2.4恒温晶体振荡器(OCXO)（双层恒温）

    为能达到最优良的频率稳定度，这类振荡器一般都使用泛音晶体，起初，老化率为5／d或更小，而后随时间增．长而改善。假定禺体制造公差已被选用的固定电容器了，只用频率调整来修正老化的话，那么士0.5×10-.的频率调整范围就足够了。

5.3稳态温度条件下的频率稳定度 

    接通电源后晶体振荡器频率与时间的特性可用图l2的曲线描述，就像5.1条讨论的那样，该曲线必须在图中阴影区域内．

    稳定过程中，频率可能按A曲线方式变化，也可能按B曲线方式变化，这是由通电时某些条件所决定的。这些非线性的曲线是由于石英片热应力和整个振荡器内部的温度梯度造成的。

    假定振荡器整体处于均匀的温度环境，所有的温度梯度都为零，这时就是稳定状态。当

图12刚通电后OCXO的典型频率稳定性能

  然，只需观测温度的一阶影响：

    PX0的频率—环境温度特性曲线跟晶体的频率温度特性曲线十分相近。

    对于TCXO，它的频率一环境温度特性是一个经过补偿的特性曲线。

    对于OCXO（单层或双层）．，频率一环境温度特性取决于恒温器性能及晶体在恒温点温度的频率温度系数。

    从理论上讲，除非振荡器永久保持在恒定温度下，否则振荡器总是会有一点温度梯度的，幸好，温度梯度随时间量指数下降，所以通常在恒定温度环境下振荡器工作45min,就可以把温度梯度减小到可以忽略不计的地步．

6产品活页规范要规定的墨体摄翦舞特性的棱对单

    为了指导晶体振荡器规范的编制工作，下面列出了各种参数的一览表。表内黑体字表示的那些特性是任何场合都要规定的，而其它一些特性则可能是仅适用于特殊情况的；也可能是在需要时给予规定的。

    卒核对单提供给制造方，用以指导完整地规定具体型号振荡器的工作环境、性能特性所要求的各种参数。定购振荡器的用户也就能够更准确地估计这具体振荡器对他的用途是否合适。

    本核对单还能在用户感到需要对特定应用提出进行新型振荡器设计时帮助用户，提醒他们注意那些需要确定的各种工作条件和性能特性。

    下表参照的是SJ／Z  9155.1—87  (IEC  679—I)标准的有关部分。

    很显然，不需对每一用途都要规定表中所列的全部参数，而只需规定对特定场合天堂要的那些参数。把非关键性参数列入规范，或过于强求了本不需要严格的公差要求，都会使成本过高。

要    求	SJ/Z9166.1--87(IEC 679--1)   有关条款	备    注
l  说明性内容 1.1外形尺寸 1.2按靖夏电气蓬按    1.8标志 1.4固定装置 1.5重量   2  工作条件 3.1电源电压   2.2工作谴度范圈 2.3负载阻抗 2.4输入功率 2.5峰值输入功率 2.6稳态功率 2.7可工作温度范围    3.8贮存温度范围 3  频率特性 3.1标称频率 3.2频率允差 3.3频率温度特性 3.4频率负载系数    3.5频率电压系数 3.6频率老化 3.7频率调整和／或频率可调性 3.8短期频率稳定度 3.8.1频域（相位噪声） 3.8.2时域	7.2 T.1   4         8.12   8.2.8 8.2.S 8.2.3 8.13     8.7 8.8 8.2.5 8.2.6 8.2.7 9.3.1 8.2.9 8.2.22 8.2.22.1 8.2.22.2	只用于OCXO     只用于OCXO

 

     续  表   

要求	SJ/Z9155.1-87 (IEC 679-1) 有关条款	备注
3.9稳定时间 3.10重现性 3.11热瞬变时的频率稳定性 4 输出特性 4.1 输出电压或输出功率 4.2输出波形 4.2.1正弦波 谐波失真 杂波振荡 4.2.2脉冲 上升时间和下降时间 持续时间 对称性 4.2.3准正弦波 4.2.4逻辑电平 4.3输出阻抗 4.4互窜隔离度 4.5输出抑制 4.6调幅指数 4.7调幅频率响应 4.8调幅失真 4.9调频频偏 4.10调频是真 4.11调频频率响应 4.12脉冲调幅 4.13寄生调频 5输出特性 5.1调幅输入阻抗 5.2调幅灵敏度 5.3调频输入阻抗 5.4调频灵敏度 5.5脉冲调幅输入阻抗 6环境特性 6.1温度巨变（空气中热冲击） 6.2碰撞 6.3振动 6.4冲击 6.5稳态加速度 6.6低气压 6.7气候顺序试验	8.2.17 8.2.10 8.2.8   8.2.11 8.2.12     8.2.20 8.2.21   8.2.14 8.2.14 8.2.14 8.2.14 8.2.13 8.2.15 8.2.16 8.21.8.1 8.2.18.4 8.2.18.3 8.2.19.1 8.2.19.3 8.2.19.4 8.2.18.5 8.2.18.7   8.2.18.6 8.2.18.2 8.2.19.5 8.2.19.2 8.2.18.6   9.2.4 9.2.5 9.2.6 9.2.7 9.2.8 9.2.9 9.2.10	OCXO,TCXO TCXO,OCXO TCXO                           多路输出振荡器 门控振荡器                               SJ/Z9001.4(IEC 8-2-14Na试验) SJ/Z9001.24(IEC 8-2-29Na试验) SJ/Z9001.18(IEC 8-2-6Na试验) SJ/Z9001.23(IEC 8-2-27Na试验) SJ/Z9001.27(IEC 8-2-7Na试验) SJ/Z9001.7(IEC 8-2-13Na试验) SJ/Z9001.1(IEC 8-2-1)

续  表

要    求	SJ/Z  9156.1-87 (IEC 679--1) 有关条款	备      注
6.7.1干热 6.7.2湿热循环，第一个循环 6.7.3寒冷 6.7.4湿热循环，其余循环 6.8湿热（长期暴露） 6.9盐雾 6.10长霉 7  机械特性 7.1接端强度 7.1.1接端抗张强度试验c 7.1.2线接端抗挠性 7.2密封试验 7.2.1试验A 7.2.2试验B 7.3可焊性 7.4清洗剂的浸渍 8  其它 8.1绝缘电阻 8.2耐电压 8.3电磁干扰	9.2.10.1 9.2.10.2 9.2.10.3 9.2.10.4 9.2.11 9.2.12 9.2.13   9.2.1 9.2.1.1 9.2.1.2 9.2.2 9.2.2.1 9.2.2.2 9.2.3     8.2.1 8.2.2 8.S	SJ/Z 9001.3  (IEC 68--2--2  Ba试验) SJ/Z9001.6(IEC 68--2--30  Db试验) SJ/Z9001.2（IEC 68m2--1  Aa试验） SJ/Z 9001.6 (IEC 68--2--30 Db试验) SJ/Z 9001.5  (IHC．68--2--3  Ca试验) SJ/Z 9001.14(IEC 68m2--11 Ka试验) SJ/Zg001.13.(IEC 6g--2~10 J试验)     SJ/Z 9001.33(IEC 68--2--21  Ua试验) SJ／Z 9001,38(IEC 68--2--21  Ub试验)   SJ/Z 900~.30(IEC 68--2--17 Qc试验) SJ/Z 9001.30(IEC 68--2--17  Qk试验) SJ/Z 9001.31--87 (IEC68~2--20T试验) 50C(中办)25

 

 

文献  目录

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