摘 要 簡要介紹了一種小型的恒溫晶體振蕩器, 通過對振蕩參數(shù)的反復(fù)試驗(yàn)、修改, 提高了振蕩器的頻率穩(wěn)定度。提出一種新的設(shè)計理念, 利用晶體諧振器與電感隨溫度變化對晶體振蕩器頻率所產(chǎn)生的不同影響, 合理安排晶體振蕩器內(nèi)部的熱場, 調(diào)整晶體諧振器、熱敏電阻及振蕩參數(shù)的熱平衡關(guān)系, 在去掉恒溫槽的情況下提高了溫度頻率特性, 且大大縮小了晶體
 
振蕩器的體積。0 引言
 
振蕩器是一種能夠把直流電能轉(zhuǎn)變?yōu)橐欢ㄐ问降慕蛔冋袷庪娔艿陌l(fā)生器, 通常作為各種電子設(shè)備的參考源或時間基準(zhǔn), 振蕩器的穩(wěn)準(zhǔn)度直接影響電子設(shè)備的性能指標(biāo)。
 
振蕩系統(tǒng)可以是 LC 組成的振蕩回路, 稱為 LC 振蕩器。通常, LC 振蕩器的頻率穩(wěn)定度大多在 10^{- 2}~ 10^{- 3}量級, 這在很多應(yīng)用*域中是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求的。所以, 在頻率穩(wěn)定度要求較高的情況下, 就要使用石英晶體振蕩器。石英晶體振蕩器通常由直流電源、晶體管和晶體振蕩系統(tǒng) 3 部分組成。由于石英晶體具有很高的 Q 值, 其相移隨頻率的變化 $U/ $ X很大, 因此石英晶體振蕩器具有很高的頻率穩(wěn)定度, 被廣泛應(yīng)用于通信、廣播、導(dǎo)航及多種測量儀器中, 被譽(yù)為無線電設(shè)備中的心臟。
 
石英晶體振蕩器分為溫度補(bǔ)償性、恒溫型和電壓控制型, 其中以恒溫型的頻率穩(wěn)定度**好。但由于需要采用恒溫槽, 其電路相對復(fù)雜, 其體積也**大, 如何在保證指標(biāo)的情況下減小恒溫晶振的體積一直是一個有待解決的問題。本文中介紹了一種不采用恒溫槽的小型高性能恒溫壓控振蕩器的設(shè)計方法, 該晶體振蕩器中心頻率為 38. 88 MHz, 日老化率優(yōu) 于 ? 2 @ 10^{- 9}, 頻率 溫 度特 性優(yōu) 于
 
? 1 @ 10^{- 7}/ - 30 e ~ 70 e , 壓控范圍為 ? 10 @ 10^{- 6}/ ( 1. 25 ? 1. 25 V) , 體積僅為20 mm @ 20 mm @ 10. 5 mm。
 
1 振蕩電路的設(shè)計
 
石英晶體振蕩器振蕩電路主要包括主振級、電壓控制回路、隔離放大級、自動增益 AGC 和頻率波形變換級。體積小、指標(biāo)高是本款恒溫晶振的主要特點(diǎn), 為了滿足體積要求, 在保證能滿足指標(biāo)的前提下, 適當(dāng)對振蕩電路做了簡化, 去掉了自動增益 AGC 電路, 只保留了**主要的振蕩電路。
 
1. 1 關(guān)于主振電路
 
對晶體振蕩器而言, 主振電路的形式繁多, 從總體上來看, 可分為負(fù)阻型和反饋型 2 大類。一般的石英晶體振蕩器采用反饋型電路, 按晶體在振蕩電
路中的作用原理, 反饋型振蕩器又可分為串聯(lián)型振 蕩器和并聯(lián)型振蕩器, 主振電路采用并聯(lián)振蕩形式, 其等效電路如圖 1 所示。晶體在其中作為一個電感   元件應(yīng)用, 屬于電容三點(diǎn)式電路。 圖1 中晶體管 Q 1、石英晶體 Y1、電容 C1、C2 構(gòu)   成皮爾斯主振電路。選用主振電路晶體管時, shou先   要注意特征頻率要足夠高, 而 B0 不宜過大, 過大的   B0 會使晶體管的附加相移增加, 不利于提高振蕩器 的頻率穩(wěn)定度。另外, 為提高頻率穩(wěn)定度, 主振級的 輸出功率不要太大, 晶     體的激勵不要太強(qiáng), 因     此 C1、C2 在保證晶振起   振的條件下, 應(yīng)盡可能   選大, 以降低晶體的激   勵。     圖 1  主振級等效電路 1. 2  振蕩參數(shù)的分析                   整個晶體振蕩器振蕩電路原理如圖 2 所示。電       阻 R1、電容 C3、變?nèi)荻O管 D 1 構(gòu)成壓控回路。電       容 C6 和電感 L 1 構(gòu)成諧波抑制回路, 此回路的諧振       1                   頻率為f 諧振= _2P  LC , 在諧振頻率上電抗為零, 由       于選用了 3 次泛音的晶體, 一般應(yīng)使 f 諧振在基波與     3 次諧波之間, 對于 38. 88 MHz 的晶體諧振頻率應(yīng)     為26 MHz 左右, 因此在基波頻率上, L1、C6 回路呈   感性, 不能滿足電容三點(diǎn)式電路振蕩條件, 不會產(chǎn)生   基頻振蕩, 達(dá)到抑制基波的作用。對振蕩頻率而言       L1、C6 回路呈感性, 滿足振蕩條件, 從而可以產(chǎn)生                       1         振蕩。f 諧振= _2P  LC   中的 L 、C 值為圖 1 中的 L 1、           C6, 一般通過計算后, 加以適當(dāng)修正即可。為了保   障振蕩穩(wěn)定性, 在振蕩頻率上應(yīng)使圖 1 中的 C2 E       C1。              
 

2. 1 溫控電路工作原理               溫控電路工作原理如下: 通電后, 熱敏電橋有較 大的失衡輸出電壓, 功率管處于**大的加熱功率狀 態(tài)。隨著晶振內(nèi)部溫度的上升, 電橋失衡電壓逐漸   減小, 當(dāng)加熱**所需控制溫度時, 電橋保持一定平衡 輸出電壓, 控溫電路處于**小加熱功率狀態(tài), 此時流   過功率管的電流**小, 它產(chǎn)生的熱量就等于晶振在   一定外界條件下?lián)p耗的熱量。當(dāng)外界溫度變化時,   影響晶振內(nèi)部溫度發(fā)生變化, 熱敏電阻阻值隨之發(fā)   生變化, 這一變化改變了電橋相對平衡輸出電壓, 此   電壓調(diào)整電流, 以修正晶振內(nèi)部的溫度變化。           2. 2 關(guān)于主振電路       通常情況下, 所設(shè)計的恒溫晶振都是有恒溫槽     的, 恒溫槽可以起到保溫的作用, 可以減小外界溫度   變化對晶振內(nèi)部溫度的影響, 有利于提高溫度頻率特   性指標(biāo)。由于在本設(shè)計中, 晶振的體積較小, 只有   20 mm @ 20 mm @ 10. 5 mm, 所以內(nèi)部不能采用恒溫槽,   如何保證晶振的溫度特性成為這一設(shè)計的難點(diǎn)。過去 的設(shè)計理念是在外界溫度變化過程中盡量減小晶振內(nèi)   部溫度的變化, 當(dāng)采用恒溫槽后, 可以達(dá)到此要求。沒   有恒溫槽后, 溫度特性在多次的試驗(yàn)中都不能滿足指 標(biāo)。因此從補(bǔ)償?shù)慕嵌热胧? 找到了解決的辦法。   由于振蕩器主振級的電感有較明顯的溫度特 性, 其電感值隨著溫度的升高而增大, 稱之為正溫度 特性。電感值增大會使振蕩器的頻率降低, 而振蕩 器的溫度特性jue大部分是由于電感的溫度特性引起 的。為了消除這一影響, shou先在選擇電感的時候要 盡量選擇溫度系數(shù)小的電感, 其次要在振蕩器中在 找到另外一個元件, 使它隨著溫度變化對振蕩器頻 率的影響可以與電感互補(bǔ), 于是想到了晶體諧振器。以早先的設(shè)計思路, 在使用晶體諧振器時, 都會把它先通過拐點(diǎn)電調(diào)到拐點(diǎn)附近, 以保證溫度的變化對晶振頻率的影響**小, 現(xiàn)在由于電感的影響不能消除, 需要晶體的補(bǔ)償以達(dá)到指標(biāo)。注意, 隨著溫度的升高電感會使振蕩器的頻率降低, 希望的就是隨著溫度的升高晶體能夠使振蕩器的頻率升高, 于是在設(shè)計中有意將晶體用在其拐點(diǎn)曲線右邊一點(diǎn),以便實(shí)現(xiàn)對電感的補(bǔ)償。#p#分頁標(biāo)題#e#
 
當(dāng)然這種用法對振蕩器內(nèi)部的工藝安排要求較高, 所以在 PCB 板的設(shè)計中要注意合理安排晶體、熱敏電阻以及振蕩級電感的位置, 注意晶振內(nèi)部溫度變化對電感和晶體的影響, 利用它們之間的補(bǔ)償作用, 調(diào)整控溫電路的控溫精度, 以達(dá)到滿足指標(biāo)。
 
3 結(jié)束語
 
在晶振的設(shè)計與研制過程中, 各個元件參數(shù)都

經(jīng)過仔細(xì)的調(diào)整, PCB 板經(jīng)過多次改版, 以達(dá)到**合理的狀態(tài), 使用的關(guān)鍵元件都在經(jīng)過大量試驗(yàn)后選定廠家, **終取得了滿意的結(jié)果。
 
如今該設(shè)計已轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品, 進(jìn)行大批量生產(chǎn), 其主要指標(biāo)包括溫度頻率特性和老化特性等, 合格率都超過 90% 。該晶振取代進(jìn)口產(chǎn)品應(yīng)用于通信系統(tǒng)中, 年創(chuàng)造產(chǎn)值超過千萬元, 具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。