频率标准

频率标准

频率标准是指能给出较高准确度的单一频率值的正弦形振荡信号的装置，其

频率值大都是1MHz，5MHz，10MHz或100MHz。频率标准有时也简称为频标。

目前大量使用的是石英晶体频标和少量的高准确度的原子频标，详细、深入

的探讨这些频标的工作原理是频标研制者的任务，对于大多数从事时频计量的人

员，对其振荡生产的机制有一简单理解即可，重要的是了解影响其量值准确的一

些技术特性，以及对这些特性的计量方法。

一石英晶体频标

石英晶体频标就是通常所说的石英晶体振荡器，简称晶振。但不是所有的晶

振都可以称为石英频标。不过两者之间也尚未进行严格的划分。在计量领域，石

英频标大都指；日老化率10-10量级或优于此量级的，单独制成一台仪器，在计

量部门或其他系统作为标准使用的晶振。而在其他设备，如计数器、频率合成器、

通讯设备等内部配置的晶振仍然称为晶振，尽管在该仪器内的作用也是产生标准

频率或标准时间。

一、石英晶体

石英的化学名称为二氧化硅（SiO2），其单晶体的形状为两端呈角锥形，中

间是一个六面体，具有各向异性的性质。最有价值的是三个互相垂直的轴向特性：

光特性、机械特性和电特性。对应的轴称为光轴（Z轴）、机械轴（Y轴）和电

轴（X轴）。如图2-1所示。

研制晶振所利用的是石英晶体的X轴和Y轴间相互关连的特性，即压电特

性：若在X轴方向外加一电场，则在Y轴方向会产生一定的机械位移；反之，

若在Y轴方向外加一定压力（使其产生位移），则晶体本身在X轴方向会产生一

定的电荷。如果外加电场是交变的，则位移会形成机械振动，由此又会导致晶体

本身产生交变的电荷——电振荡信号，机械振动与电振荡信号的频率是相同的，

都等于外加交变电场的频率。当外加电场频率等于晶体本身固有的振动频率时，

产生的电振荡信号达到最大，即发生谐振。能形成这种过程的石英晶体片，就称

为石英谐振器，它是从整块单晶体上按特定方式切割得到的。任何一块晶体片像

任何一个刚体一样都有其固有的机械振动频率，取决于晶体的物理性质及几何尺寸。但石英晶体片的固有频率比较稳定，其单晶体又易于得到，故石英晶体被广

泛的用于制作频率标准源。

图2-1石英晶体图2-2石英谐振器石英谐振器的结构如图2-2所示。为保持晶体的纯净，从而保持固有频率的

稳定，晶体都是密封在一个高度真空的玻璃壳或金属壳内。

二、振荡信号的建立

石英谐振器接入一特定形式的电路内，其工作过程可用图2-3简单说明。图

示部分称为石英频标的主振器。

图2-3石英频标的主振器主振器的供电为一直流电源。但电路内存有噪声，噪声包含各种频率的交流

信号，在石英谐振器两电极间产生交变电场，当噪声内某一交流信号的频率等于

谐振器的固有频率时，晶体片就会产生谐振（共振），即在电场的垂直方向产生

最强的机械振动，根据晶体的压电效应，它又在与电极接触的晶体片上产生同一

频率的交变电荷。起初这个交变电信号很小，经过正反馈电路送入放大器，

放大后的交变电场又会产生较大的机械振动和较强的交变电荷，循环下去，最后达到

足够大的稳定的振荡信号。

三、等效谐振电路

在电子学领域，周期性电振荡信号的产生都是利用电感和电容组成一个谐振

电路，把直流电能转换成交流电能。电感与电容串联时称为串联谐振电路，并联对称为并联谐振电路。产生振荡信号的频率都是LCfπ21=。既然石英谐振器

也能产生周期性电信号，因此，这种谐振器也可等效为电感和电容相联的谐振电

路。如图2-4所示。

图2-4石英谐振器的等儿电路Lq和Cq是晶体振荡时等效的电感和电容，Rq是等效的损耗电阻。Co是外接

引线金属片与晶体之间的寄生电容。

从谐振器两个引线端看，谐振器具有两种谐振：串联谐振和并联谐振，谐振

频率分别为f0和f∞，即

qCLqf⋅=π210

oqoqqCCCCLf

+⋅=∞π21

oqCCfff200≈−∞（Cq＜＜Co）

由此看出，两个谐振频率相差很小。

等效电路的电抗与外加频率的关系如同2-3b所示，f＜f0和f＞f∞时，为容抗，即谐振器等效一个电容，当f0＜f＜f∞时，

为感抗，等效一个电感。这是谐振器连入晶体管电路，产生稳定的电振荡信号时

进行设计和分析的理论基础。

晶体管振荡电路都是三点式，有电容反馈和电感反馈两种（详情参阅无线电

技术基础丛书），晶体谐振器接入的电路为电容反馈，此时，谐振器等效一个电

感。如图2-5所示。

图2-5接入晶体的等效振荡电路振荡频率为

212121

CCCCLfc+⋅⋅=π

C1和C2为外加电容，L是晶体谐振器在振荡频率处等效的电感。由图2-4看

出，此时实际振荡率是在谐振器串、并联谐振频率之间，由于f0与f∞很接近，故

可近似的认为，振荡频率就是晶体的谐振频率，比普通的LC振荡器要稳定得多。

晶体谐振器的突出缺点是谐振频率易受温度影响，如对此影响不采取任何控

制措失，其频率变化量会在10-4～10-5量级（由-10℃变到50℃），这种晶振简称

常温晶振，电路简单，成本低，但频率准确度也低。如果能对温度变化的影响采

取控制措施，则按控制的程度不同，可制成温补晶振和恒温晶振，现就这两种的

控制原理分析做些简单介绍。

四、温补晶振

全名是温度补偿的晶体振荡器，通用代号为TCXO（TemperatureCompensated

CrystalOsillator）；除X外，其他三个字母都是英文单词的第一个字母，X是希

腊文晶体单词的第一个字母。这是历史遗留的问题。

补偿的基本方法是当温度变化引起振荡频率改变Δf时，利用调整电路使振

荡频率改变-Δf

，藉以抵消其变化，保持振荡频率基本不变。调整电路的基本部件是变容二极管。相当一个可变电容器，电容的改变由二极管端加的反问电压控

制，如图2-6所示。

图2-6#变容二极管的等效电容与外加电压的关系温补晶振的基本组成如图2-7所示。

图2-7温补晶振的组成关键部件是补偿网络，由几个热敏电阻和一般电阻组成的桥式电路，产生补

偿电压加到变容二极管上，从而改变振荡频率。

一个温补晶振的设计过程需要下列几步：

（a）需要一台温度可变的恒温箱，测出在所需的温度变化范围内，振荡器

频率随温度变化曲线，找出各段的温度——频率系数。

（b）测出变容二极管的电容随电压的变化曲线，由此算出振荡频率随变容

管外加电压的变化范围及各段频率——电压变化系数。

（c）测出补偿网络输出电压（加到变容管上）随温度变化的曲线及变化系

数。

最后形成闭环控制：当温度改变ΔT，补偿前振荡频率变化Δf，相应的补偿网

络加到变容管上的电压随之改变ΔV，等效电容改变ΔC，导致振荡频率改变-Δf，补

偿Δf。

补偿网络的计算相当复杂和烦琐，要用计算机进行。建立各台温补晶振的数

据库。温补晶振的优点是体积小，可做到3cm3～5cm3，功耗低，可做到小于0.1W，成

本低。但由于上述的各种变化特性均为非线性，难于精确补偿。目前达到的水平是

当工作环境温度在-40℃～-70℃变化时，补偿后频率变化量可达到1×10-6～1×10-7，

这种晶振广泛的应用在户外工作，直流电池供电的通讯机中。也有少数要求不太

高的电子仪器作为标准频率源。

在计量上不去测量其补偿特性，只是测量其频率准确度和开机特性。

五、恒温晶振

恒温晶振代用符号为OCXO（OvenControlCrystalOscillator），特点是把振

荡器放在一个温度比较恒定的密封槽内，以减小外界温度变化对振荡频率的影

响。恒温槽有单层和双层的。

石英晶体的谐振频率随温度变化的特性与获得晶体片的切割方式有关，如图

2-8所示，其中AT切割的晶片温度特性最好，且有两个拐点（温度系数为零的点），

图2-8常用几种切型晶体的频率温度特性图2-95兆赫AT切割石英谐振器的频率温度特性一是20℃附近，另一是50℃附近。如图2-9所示，20℃的恒温槽难做,需降温，故

都选50℃左右的恒温槽。槽内温度的变化量可以稳定在±1×10-2℃～±1×10-3℃。

频率的温度系数可以控制在±1×10-10/℃～±5×10-11/℃。一台双层恒温的晶振配置如图

2-10所示，关键是恒温槽的制作和控温电路的设计。

图2-10恒温晶振示意图

六、石英频标的特点

晶体振荡器是应用最广泛的电子部件，从小的电子手表到大型的无线电发射

台。所有时间频率信号的产生器和测量仪，都要配备晶体振荡器。产生频率（或

周期）信号，作为全套设备内时间频率量值准确性的参考标准。因此，广义的讲，

这些晶振都可称为频率标准，简称石英频标。与原子频标相比具有以下特点：

a）体积小，成本低，使用方便灵活。

b）频率短期稳定度好，但长稳不佳，存在较大的频率漂移（老化）。

c）复制性不好，即按完全相同的方法加工得到的晶体，其谐振频率很难做到

高度一致，彼此符合程度只能到10-6量级，原因是，晶体的谐振频率取决于其几何

尺寸、频率愈高，晶体片愈薄。例如，谐振频率为1MHz晶体片的厚度大约为3mm，

而要得到10MHz的频率，厚度要小于1mm。很难加工到彼此高度一致。故目前使

用的石英频标最高到5MHz，10MHz频率通过倍频得到。况且5MHz的大都也不

是谐振器的基频，而是取基频的3次或5次谐波，这种晶体称为泛音晶体。

d）鉴于上述原因，石英频标的频率值难于准确计算给出，当频率准确度优

于10-5

时，必须用较高级的已校准过的石英频标乃至用原子频标进行计量校准。二原子频标

目前作为商品的原子频标只有三种：铯原子频标、铷原子频标和氢原子频标,

三种区别在于复现装置能自我评定所复现的准确度到故又特定的称为时间频率

基准。所有其他频标的频率值都要通过校准最后溯源基准值上。基准与标准相比，

不足之处在于体积庞大，不能长期的连续工作，或者还要不定期的对其复现准确

度进行再译定，不可能长期连续工作。

所有原子频标内振荡信号的产生都源于原子的跃迁辐射。原子跃迁理论是原

子物理学中比较深奥复杂的知识。是原子频标的设计者要掌握的。而频标的使用

者只要求会用就行了。

一、原子频标中的基本共性

（一）跃迁能级的选择——塞曼分裂

如前所述，原子跃迁辐射的频率与两个能级的关系为hEE12−=ν，为了能利

用电子学技术得到跃迁频率，并以此制成实用的频标，必须选择合适的能级。理

论分析只有原子能级中基态（最低能级）的两个超精细能级差才最小，对应的辐

射频率恰在电子学技术易于处理的微波范围内。

从跃迁频率与能级差的关系看，如果E1与E2都是单一的确定的值，则跃迁

辐射的频率上也是一个单一的值，跃迁曲线（原子的跃迁几率与激励信号的频率

关系曲线）是一条直线。可实际上，E1和E2都不是单一的值，而是有一定的范

围，即每一个能级上还隐含着一些子能级，称为能级简并。为了得到更窄的跃迁

曲线，应设法把简并的子能级再分裂出来。能实现此分裂的一种方法是让原子通

过一个均匀的弱磁场，称为塞曼分裂。分裂后的子能级称为塞曼能级。这种弱磁

场在原子频标中称为C场。塞曼子能级的量值与C场的值有关，有的随C场的

加大而增加，有的则减少。于是调节C场值可以改变两个赛曼能级间的差，从