一种高精度、低振动相位噪声数补晶振的研制

【摘要】本文论述了一种高精度、低振动相位噪声数补晶振的研制过程，通过改变补偿方式提高了晶振的精度，并解决了一系列的干扰问题，通过优化设计晶体谐振器、采取减振等几项关键措施有效解决了晶振在振动条件下相位噪声恶化的问题，最终满足了用户的使用要求。

【关键词】温度稳定度；数字补偿；振动相位噪声；加速度灵敏度

随着晶体振荡器的应用领域越来越广泛，对晶振的性能指标和抗恶劣环境的能力也提出了更高的要求，尤其是军用领域的要求更为苛刻。晶振在整机振动环境下工作时，相位噪声指标会显著变坏，这严重影响了整机的精度，因此这一问题已引起了广泛的关注与重视。

晶体振荡器对强振动条件最为敏感，而其信号是频综器中其它信号的基准，它的频率漂移和相位噪声恶化将直接影响系统的制导精度和可靠性水平。因此，如何使振动条件下晶体振荡器仍能满足系统要求，已经成为一个极为关键的问题，这也是当今国防工业急需解决的重要课题[1]。

1.产品主要技术指标

标称频率：85MHz；电源电压：12V±0.6V；输入电流：≤30mA；基准温度初始精度：≤±0.4×10-6；频率温度稳定性：≤±0.5×10-6（-55℃～85℃）；振动相位噪声：-130dBc/Hz@1kHz（振动条件：0.04g2/Hz，10～2000Hz， X、Y、Z三轴向，每方向5min）；输出波形：正弦波；输出功率：≥6dBm；谐波：≤-40dBc；杂波：≤-75dBc；外形尺寸：30.5×22.5×15。

2.设计与方案确定

通过对技术指标的分析，我们采用如下设计方案：

振荡电路中主振电路采用柯尔匹兹振荡电路，因为柯尔匹兹振荡电路具有电路简单，所用元件少，电路受环境条件影响小，工作稳定可靠。

放大级为一调谐放大器和LC滤波网络，以满足输出阻抗匹配，同时减小谐波和杂波并隔离负载的影响，提供足够的输出电平。

补偿采用数字补偿的方案。数字补偿方案的原理是利用单片机的I/O口输出一个脉宽可变的脉冲信号（PWM信号），该信号经过RC积分网络变换为直流电压作用于压控晶振的压控端。

在不同的工作温度下，通过调整PWM信号的脉宽来改变压控电压，从而实现晶体振荡器频率相对于温度变化的补偿。

为了满足晶振振动相位噪声指标的要求，在晶振内部采取一定的减振措施，来抑制振动对相位噪声的影响。

3.研制过程

我们将整个研制过程分为两个阶段，第一阶段主要解决频率温度稳定度的问题，第二阶段主要解决振动相位噪声的问题。

3.1 第一阶段

在第一阶段我们首先考虑的是频率温度稳定度的问题，采用数字补偿的方案后，基本解决了频率温度稳定度的问题，实测温度稳定度指标为±0.3ppm （-55℃～85℃）左右，完全满足指标要求。但是，进行数字补偿后对相位噪声造成了干扰，严重的甚至在相位噪声测试仪上无法测出相位噪声曲线，不能锁相。经过认真分析和试验后，确认原因是我们加在VCXO上的电压是单片机的PWM信号经过RC滤波后得到的电压，其中的交流信号不能完全滤掉，从而对晶振的振荡信号造成了干扰。我们将RC滤波器增加为两级，并且在两级之间加入一个射随器，取得了较为满意的结果[2-3]。

3.2 第二阶段

在第一阶段，我们未能解决的问题是振动相位噪声指标不能达到指标要求。

查阅了大量资料，我们总结如果想要晶振在动态时有较好的相位噪声，方法有两个：一是降低晶体元件的加速度灵敏度，二是降低振动的加速度功率谱密度。

为了避免振动恶化晶振的相位噪声，让人最直接想到的技术措施就是如何降低晶体元件的加速度灵敏度。起初大家普遍预料应力补偿的SC切割晶体元件比其它切割方式的加速度灵敏度更低，但这种预料没有变成现实。AT切割的晶体元件能达到的最低加速度灵敏度等于SC切割晶体元件所达到的加速度灵敏度，都不能低于10-11/g。后来，人们又分别从石英片的支撑结构和形状上想办法，力图降低“力—频效应”。遗憾的是，由于材料、加工等因素，目前未能取得突破[5]。

在不能把晶体元件的加速度灵敏度进一步降低的情况下，只能在降低振动的加速度功率谱密度方面想辦法，降低加速度灵敏度的有效措施就是对晶体元件采取减振措施。据报导[6]，俄罗斯某型号的机载雷达中把晶振组件做成球形，外加适当的减振器，而在组件内部还有多达14层的隔声材料。这是因为无论是振动、冲击或声噪都会振荡源产生调制，这些措施是克服其影响的有效手段。

到此为止，我们基本找到了解决问题的方向，可行的方法只有一个，就是对晶体元件进行减振，使其尽量与振源隔离。一个物体都有一个自然谐振频率，其自由振动的频率公式为：

式中Km为弹性系数，Mm为质量。

上式表明，当质点作自由振动时，其振动频率是仅同系统的固有参量有关，而与振动初始条件无关的常数。这就是说只要系统的固有质量和弹性系数一定，其固有频率也就决定了。那么我们想降低物体的固有频率，可以通过减小弹性系数或增大物体质量来实现了。我们以此为指导思想，进行了改进，先用硅橡胶对石英晶体元件进行一次减振，再对整个振荡器组件进行二次减振，然后振荡器组件用四根软导线连接到晶振基座的内引线上，目的是降低弹性系数。另外，对振荡板组件进行配重，以增加系统的质量。这样，我们将系统的固有频率从原来的1kHz多降到100Hz左右，测试振动相位噪声时取得了良好的效果。

4.实测结果

5.结束语

该产品的研制成功，对晶振抗恶劣环境的工作能力有了较大幅度的提高，并且同时保证了高精度和抗振动的性能，希望对其它在恶劣环境下工作的产品设计能有所借鉴。

参考文献

[1]杨铭.某机载雷达中晶体振荡器隔振系统弹性特性研究[J].机械强度，2003，25（4）.

[2]赵声衡.石英晶体振荡器[M].长沙：湖南大学出版社，1997.

[3]莫特钦巴切尔.低噪声电子设计[M].北京：国防工业出版社，1977.

[4]周冠杰.机载雷达结构设计综述.现代雷达.1996 （4）：90-94.

作者简介：孙刚（1974—），男，辽宁辽阳人，辽阳鸿宇晶体有限公司工程师，研究方向：石英晶体振荡器设计和开发。

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