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西安同步电子科技有限公司

高稳定恒温晶振在电路中的应用

晶振是电路中常用用的时钟元件,全称是叫晶体震荡器,在单片机系统里晶振的作用非常大,他结合单片机内部的电路,产生单片机所必须的时钟频率,单片机的一切指令的执行都是建立在这个基础上的,晶振的提供的时钟频率越高,那单片机的运行速度也就越快。

晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作,以提供稳定,精确的单频振荡。在通常工作条件下,普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。高级的精度更高。

晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振,便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振,而通过电子调整频率的方法保持同步。

晶振,全称是石英晶体振荡器,是一种高精度和高稳定度的振荡器。通过一定的外接电路来,可以生成频率和峰值稳定的正弦波。

是利用恒温槽使晶体振荡器中石英晶体谐振器的温度保持恒定,将由周围温度变化引起的振荡器输出频率变化量削减到*小的晶体振荡器。OCXO是由恒温槽控制电路和振荡器电路构成的。通常人们是利用热敏电阻“电桥“构成的差动串联放大器,来实现温度控制。

晶振-1.png

恒温晶振,由于晶体振荡器的震荡频率会随着温度的变化而变化,故为了保持频率的稳定性,将晶振控制在一个恒定的温度下工作以此来提高晶振的相频特性。

OCXO是高精度晶体振荡器,技术壁垒、产品附加值、市场价格均较高,因此现阶段其应用领域主要集中在通信基站、卫星导航等领域,军工领域是其重要市场,民用领域市场规模较小。但随着5G、无人驾驶、物联网等产业迅速发展,民用领域对高精度晶体振荡器的需求正在快速提升,未来OCXO在民用领域的应用规模有望快速攀升,但民用领域对OCXO的小型化、薄型化、噪声、启动速度等要求更高,因此OCXO技术还需不断升级。

晶振电路都是在一个反相放大器的两端接入晶振,再有两个电容分别接入到晶振的两端,另一个电容则接地,这两个电容串联的电容量就等于负载电容。

晶振起振原理

石英晶片所以能做振荡电路(谐振)是基于它的压电效应,从物理学中知道,若在晶片的两个极板间加一电场,会使晶体产生机械变形;反之,若在极板间施加机械力,又会在相应的方向上产生电场,这种现象称为压电效应。

但当外加交变电压的频率与晶片的固有频率(决定于晶片的尺寸)相等时,机械振动的幅度将急剧增加,这种现象称为压电谐振,因此石英晶体又称为石英晶体谐振器。其特点是频率稳定度很高。

SYN3627F型超高稳定度恒温晶振输出1路低相噪和超高稳定度的10MHz正弦信号,短期稳定度≤5.0E-13/s等特点。

晶振-2.png

主要性能指标

石英晶振的主要性能指标有:标称频率、频率精度即调整频差、频率温度特性、等效电阻以及机械性能、耐气候性能等。

1)标称频率:在规定条件下,晶振输出的中心频率或频率的标称值。

频率稳定度:任何晶振,在工作期间,频率不稳定是绝对的,只是程度不同而已。晶振的输出频率随时间变化。影响频率不稳定的因素:老化、飘移和短稳等。

频率老化率:在恒定的环境条件下,测量振荡器频率时,振荡器频率和时间之间的关系,即其频率偏移的速率。这种长期频率漂移是由晶体元件和振荡器电路元件的自身参数缓慢变化造成的。可用规定时限后的**变化率或规定的时限内**的总频率变化来表示。晶体老化是因为在生产晶体的时候存在应力、污染物、残留、结构工艺缺陷等问题。

晶振的输出频率还受到内部电路的影响,晶体的Q值、元器件的噪声以及电路的稳定性、工作状态等,而产生频谱很宽的不稳定。

短稳:短期稳定度,观察的时间为1毫秒、10毫秒、100毫秒、1秒、10秒。

2)可选频率范围:某种规格的晶振可实现的频率输出范围。

3)电源电压:加在振荡器电源端(Vcc)的能够使振荡器正常工作的电压。

频率压控范围:将频率控制电压从基准电压调到规定的终点电压,晶体振荡器频率的*小峰值改变量。

4)电源电流:振荡器工作时,流过电源端(Vcc)的总电流。

5)开机特性(频率稳定预热时间):指开机后一段时间(如5分钟)的频率到开机后另一段时间(如1小时)的频率的变化率。它表示了晶振达到稳定的速度。

1.调整频差:在规定条件下,基准温度时的工作频率相对于标称频率的**偏离值。

2.频率温度特性:具有其频率随温度变化而变化的特性。频率温度特性的好坏一般用温度频差的大小表示。

温度频差或频率温度稳定度:在规定条件下,指定温度范围内的工作频率相对于基准温度(25°C)时测量值的**允许频率偏差。

3.总频差:在规定的时间内,由于规定的工作和非工作参数全部组合而引起的晶体振荡器频率与给定标称频率的**偏差。

总频差包括频率温度稳定度、频率老化率造成的偏差、频率电压特性和频率负载特性等共同造成的**频差。

相位噪声:用于描述振荡器的短期频率波动,通常定义为载波发生某一频率偏移时,在1Hz带宽内的单边带功率密度,单位为dBc/Hz。

5.基准温度:测量晶振参数时指定的环境温度。

6.工作温度(范围):技术条件中规定的一种环境温度范围。在该温度范围内,能够保证振荡器输出频率及其它各种特性能满座指标要求。

7.谐振电阻:在规定条件下在谐振频率时的等效电阻。通常可近似视为动态电阻R1。

8.负载谐振电阻:在规定条件下,石英谐振器和负载电容串联,在负载谐振频率时的等效电阻RL。

9.负载电容:从晶振引脚两端向振荡电路方向看进去的全部有效电容为该振荡器加给石英晶振的负载电容。它和晶振一起决定振荡器的工作频率。

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