高稳定度晶体振荡器频率温度特性改善的研究

张涛杰

摘要：此次研究主要结合恒温晶振技术，分析高稳定度晶体振荡器改善频率温度特性的相关问题。

关键词：高稳定度；晶体振荡器；频率温度特性；改善方案

近些年，通信行业和军工方面的发展和需求逐渐递增，促使精密晶体和原子频标的需求也是与日俱增。正是这种实际的需要，让晶体振荡器受到广泛关注。石英晶体振荡器就是现阶段精准度和稳定度最高的振荡器，因此相较于其他的振荡器来说，这种振荡器的发展具有很大的市场影响力[1]。但是受到晶体振荡器本身的质地的影响，使其在出厂和校准之后，伴随着时间的推移，加之外界环境的影响，严重影响了晶体振荡器的频率值，从而导致频率的准确度和稳定度的误差逐渐增大。晶体振荡器作为一种通信设备，其具体的频率稳定度往往决定了设备的频率变化情况，如果通信系统的频率不稳定，将会严重影响到通信的质量，导致测量仪器的频率不稳定，还会出现较大的误差。尤其是在近些年，空间技术的迅速发展，使得振荡器频率的稳定度要求越来越高，由此看出研究高稳定度晶体振荡器频率温度特性至关重要[2]。

一、晶体振荡器的重要价值

晶体振荡器的应用价值明显，因此需要准确分析各种晶体振荡器对频率温度特性改善的具体过程，明确高稳定度晶体振荡器的应用意义。在电子线路中，振荡器并不依靠着外界信号的激励作用，而是自身把直流电能转变为交流电能的一种装置，同时也不会受到激励信号的影响，从而产生周期性震荡信号的电子线路。晶体振荡器经历了从无线电发明初期然后运用火花发射机和电弧发生器等一系列的设备，再经过电子管和晶体管等器件，经过LCR等元件共同組合而成的振荡器[3]。现阶段，各种各样的振荡器在电子技术领域的应用愈加广泛，例如广播、电视和通信设备等，同时也在国防军工和航天航空等高科技领域受到重视。

二、振荡电路的设计

（一）晶体谐振器的选取过程

由于AT切型晶体谐振器体现出良好的频率温度特性，同时也能在宽温环境之下，将温度的频差缩小，并且保证两个零温度系数点可以落在大气环境温度的范围之内。所谓高稳定度晶体振荡器主要是选用了30MHz的小公差AT切型基频石英晶体，相应的温度频差保持在正负20ppm以内[4]。（此处表述的是AT切型基频石英晶体，其温度频差始终保持在±20ppm以内）

（二）振荡电路的概述

分析振荡电路原理框图（如图1），可以发现主振级电路和自动增益控制电路等共同组合而成。具体的功能就是在晶体谐振器的具体参与下，适当的将直流电转变为交流电，从而让这种交流电始终保持着一定的幅度和稳定性。根据实际的改进标准，可以利用集成CMOS反相器振荡电路作为主振级电路，由此选频放大电路，然后通过抑制其他杂波信号的方式，选择了放大晶体的工作频率，为了确保电路始终保持稳定状态，输出的信号更加纯净，还应该适当的增加负载隔离，保证更好的贴近实际需求。

（三）主振级电路

环境温度的变化可以对晶体振荡器的频率值带来影响，国内外针对此方面的研究层出不穷，重点提出了温补晶振和恒温晶振两种方式。温度补偿晶体振荡器的整个设计系统能否更好的维持稳定的状态，并且始终以稳定的状态运行，最为关键的就是取决于主振级电路设计性能的好坏，只有主振电路性能始终保持完好，才能合理的补偿谐振器频率温度特性，从而让其他各部分性能发挥出实际的价值。

三、恒温晶体振荡器

（一）恒温晶体振荡器的设计问题

1）精密恒温槽的设计。

恒温晶体振荡器在所有晶体中频率温度的稳定性较高。所以需要使用结构完善且控温性能良好的精密恒温槽确保石英谐振器和相关电器元件更适于恒温槽中，尤其是保证石英谐振器的温度稳定在相应的拐点处，从而发挥出拐点周边石英谐振器的频率温度系数小的相关特性[1]。在设计精密恒温槽的时候，需要先设计单层恒温槽控制晶振，然后适当的改进相应的方案，利用双层恒温槽控制好晶振，保证温度对频率的影响逐渐降到最低，恒温槽内的温度应该控制于0.001摄氏度的范围之内，体现出较高的控制精度，从而提升了频率的稳定度。

2）控温电路的设计。

恒温晶体振荡器的关键设计就是利用温度合理控制电路，优良的温度控制电路，需要保证高精度的控温过程，同时还应该注重控温的稳定性[2]，具备较强的抗干扰能力，由此体现出高精度、抗老化和一致性优良的特點，保证在使用的过程中更加方便，便于调试电路并控制好精度。

3）振荡电路的设计。

在设计恒温晶体振荡器的过程中，除了必要的恒温槽和控温电路的设计，还应该重视晶体振荡器本身振荡电路存在的稳定性和抑制噪声的能力[3]，这将直接影响到高稳定度晶振设计的过程。

（二）恒温晶体振荡器的设计理念

依照以往的经验，在电路设计的过程中，应该重视结构合理、布局周全，注意晶体振荡器的外形尺寸符合精致的标准。综合分析晶体的美观和外形尺寸的有限，应该适当的将控温电路和振荡电路适时的布于PCB版的顶层和底层，这样可以有效的节省空间，保证感温元件充分发挥出实用价值，确保其紧贴晶体谐振器，放置于功率管和晶体之间。通过常温下的开机过程，可以及时测试出晶振的各项性能指标，通过相应的实验结果证明，恒温晶振输出频率温度稳定度始终保持在0.2bbp以内。（此处表述的是恒温晶振输出频率温度稳定度需保持在0.2bbp以内）

四、结语

此次研究重点分析了晶体振荡器频率温度特性改善的相关问题，通过结合相关的材料分析，明确了频率温度特性改善不同方法的优势和特性，经过适当的分析和总结，从恒温晶体振荡器的角度上，了解了高稳定度晶体振荡器对改善频率温度特性的帮助。

参考文献：

[1]白丽娜，周渭，李婉莹，张莹，陈鸿杰.基于应力处理的温度补偿石英晶体振荡器[J].仪器仪表学报，2014，07：15941599.

[2]屈八一，宋焕生，周晖，李珊珊，孟强.基于变频补偿技术改善铷钟的频率温度特性[J].仪器仪表学报，2013，11：24012407.

[3]邓志鹏，陈向东.石英晶体振荡器的微处理器温度补偿技术研究[J].单片机与嵌入式系统应用，2012，08：47.

[4]郑浩哲，孙刚，刘建东.数字温补晶体振荡器补偿参数测试系统设计[J].沈阳理工大学学报，2010，04：3337.