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石英晶體振蕩器已廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通訊、雷達(dá)導(dǎo)航測(cè)控和廣播電視系統(tǒng)等，特別是精密時(shí)頻計(jì)量、精密頻率綜合器等電子儀器，皆有賴于高穩(wěn)石英晶體振蕩器提供精密的頻標(biāo)和時(shí)基，業(yè)已占居素有無(wú)線電“心臟”的重要地位。而對(duì)石英晶體振蕩器的性能要求也越來(lái)越高，主要體現(xiàn)在老化特性、頻率溫度穩(wěn)定度、頻率準(zhǔn)確度、電流電壓及功耗、帶負(fù)載能力、開(kāi)機(jī)特性、壓控范圍和外型尺寸等因素上。 石英諧振器的選用 隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，整機(jī)對(duì)元器件提出了高精度、高穩(wěn)定度和高可靠性等各種要求，高穩(wěn)定晶振是指長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度和短期頻率穩(wěn)定度都好的晶振，按用途的不同，對(duì)晶振長(zhǎng)穩(wěn)和短穩(wěn)的要求會(huì)有所側(cè)重，長(zhǎng)穩(wěn)較好就是晶振的頻率老化率低，短穩(wěn)較好的晶振實(shí)質(zhì)上就是低噪聲晶振，側(cè)重于長(zhǎng)穩(wěn)的晶振和側(cè)重于短穩(wěn)的晶振，在石英諧振器的選用及晶振電路設(shè)計(jì)上都有所不同，長(zhǎng)穩(wěn)較好的晶振希望電路引入到諧振器的損耗盡可能小，即諧振器要有盡可能高的在線Q值[1]，電路對(duì)環(huán)境溫度和電流、電壓的敏感度要盡可能低，短穩(wěn)晶振則要求電路中的噪聲盡可能低。石英諧振器根據(jù)切型不同分為AT切、SC切、BT切和FC切[2]，前兩者應(yīng)用最多，AT切型的顯著特點(diǎn)是諧振器的振蕩頻率與溫度的關(guān)系呈近似的三次函數(shù)關(guān)系，因而它有零溫度系數(shù)點(diǎn)，且零溫度系數(shù)點(diǎn)大致落在大氣環(huán)境溫度范圍內(nèi)。因此，用AT切型諧振器做成的振蕩器具有較好的頻率溫度特性，AT切型諧振器的缺點(diǎn)是存在較大的頻率熱過(guò)沖現(xiàn)象，這對(duì)短期頻率穩(wěn)定度要求較高的振蕩器來(lái)說(shuō)是很不利的，但對(duì)老化影響不大[3]。因此選用AT切型石英諧振器。 晶振電路設(shè)計(jì) 車載雷達(dá)用恒溫石英晶體振蕩器電路包括主振級(jí)、放大級(jí)、波形與頻率變換，自動(dòng)增益負(fù)反饋AGC及壓控電路，其結(jié)構(gòu)框圖示于圖1： 圖1 晶振電路結(jié)構(gòu)框圖 若諧振器的頻率與實(shí)際頻率一致，則不需倍頻變換，若輸出需要正弦波，則不需波形變換。圖2示出車載雷達(dá)用單層恒溫壓控石英晶體振蕩器電路原理圖。 其中石英晶體和晶體管T1構(gòu)成的電路為柯?tīng)柶テ澲髡耠娐贰＞w管T2構(gòu)成了阻容放大器，對(duì)振蕩信號(hào)進(jìn)行預(yù)放大。晶體管T3構(gòu)成了單調(diào)諧放大器，進(jìn)行輸出放大，得正弦波信號(hào)。集成電路IC1可實(shí)現(xiàn)倍頻和波形變換，主振頻率為38.88MHz，已滿足車載雷達(dá)用頻率，因此，IC1僅作波形變換，得方波輸出。二極管D1和D2構(gòu)成的回路為自動(dòng)增益負(fù)反饋。二極管D3、變?nèi)荻䴓O管CX、電組R1和R2構(gòu)成了壓控電路，電位器RX是用來(lái)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)調(diào)頻。 恒溫電路設(shè)計(jì) 高穩(wěn)定度晶振都是恒溫晶振，車載雷達(dá)用的38.88MHz晶振為二級(jí)鐘，單層恒溫槽即可滿足其要求。控溫電路采用具有零點(diǎn)漂移補(bǔ)償性能的直流式溫控電路，為了充分利用電源電壓提供的功率，對(duì)槽體加熱采用功率管管耗加熱，而不是通常采用的電阻絲加熱，避免了繞電阻絲的工藝麻煩。其溫控電路原理圖示于圖3。 圖3 恒溫電路原理圖 通電后，當(dāng)恒溫槽內(nèi)溫度上升尚未達(dá)到控制溫度時(shí)，熱敏電橋有較大的失衡輸出電壓，恒溫槽處于最大加熱功率狀態(tài)。隨著恒溫槽內(nèi)溫度的上升，電橋失衡電壓逐漸減小，當(dāng)恒溫槽加熱至所需控制溫度時(shí)，電橋保持一定的平衡輸出電壓，此電壓經(jīng)過(guò)運(yùn)放F2直流電壓放大后控制流過(guò)功率管的電流I，使I保持一定數(shù)值，它產(chǎn)生的熱量等于在一定外界條件下恒溫槽的耗損熱量。當(dāng)恒溫槽溫度發(fā)生變化時(shí)，則熱敏電阻RT的數(shù)值也變化，從而改變電橋相對(duì)平衡輸出電壓。此電壓放大后用以調(diào)整電流I，改變加熱功率來(lái)補(bǔ)償恒溫槽內(nèi)部溫度的變化，從而使溫度恒定。如：T ( ( RT ( ( V+ ( ( V0 ( ( I ( ( T ( 在用集成運(yùn)算放大器作為放大級(jí)時(shí)，常存在零點(diǎn)漂移，且被逐級(jí)放大，但由于從前級(jí)到后級(jí)放大器放大的倍數(shù)是逐級(jí)減少，所以在多級(jí)放大器中，零點(diǎn)漂移主要由第一級(jí)決定，為此在運(yùn)放的輸入端加上與輸出端溫漂大小相等、極性相反的電源來(lái)抵消溫漂電壓，這個(gè)電源由另一塊同樣工藝及參數(shù)的運(yùn)放產(chǎn)生的溫漂來(lái)提供，只要這塊運(yùn)放的閉環(huán)增益等于1，圖4中運(yùn)放F1的閉環(huán)增益等于1，兩塊運(yùn)放F1和F2選用做在同一塊硅片上的雙運(yùn)放158提供，其工作溫度相同，制作工藝條件一樣，所以它倆的溫漂幾乎相等，于是F2的總溫漂很接近于零，這樣通過(guò)補(bǔ)償后的恒溫電路的溫度穩(wěn)定度大大提高了。 結(jié)語(yǔ) 理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)證實(shí)：每級(jí)晶體管集電極電源必須接0.01(F電容去耗；恒溫電路不要與振蕩電路共電源，否則，槽體波動(dòng)將干擾振蕩電路；穩(wěn)壓部分應(yīng)選用穩(wěn)壓二極管，而不用三端穩(wěn)壓器，因三端穩(wěn)壓器的溫度特性比穩(wěn)壓管的溫度特性差得多。 本車載雷達(dá)用恒溫壓控晶體振蕩器要求體積小，外殼尺寸僅為50×50×20mm3，通過(guò)對(duì)恒溫槽的結(jié)構(gòu)合理設(shè)計(jì)、電路板巧妙布局、電路正確調(diào)試，完全滿足用戶要求，實(shí)測(cè)指標(biāo)為：標(biāo)稱頻率38.88MHz，電源電壓12VDC(10%，最大電流350mA，預(yù)熱三天測(cè)七天，老化特性優(yōu)于(2E-8，在0℃_50℃內(nèi)頻率溫度穩(wěn)定度優(yōu)于(5E-8，頻率準(zhǔn)確度優(yōu)于(1E-7，壓控范圍不小于(4.6E-6/2.5V(2.5V，方波輸出，能帶10個(gè)TTL負(fù)載。 |
