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晶振简介（OCXO恒温、 MCXO数补、VCXO压控、VCTCXO、VCOCXO）各种晶振简介1. 普通晶振Packaged Crystal Oscillator（PXO）：是⼀种没有采取温度补偿措施的晶体振荡器，在整个温度范围内，晶振的频率稳定度取决于其内部所⽤晶体的性能，频率稳定度在10-5量级，⼀般⽤于普通场所作为本振源或中间信号，是晶振中最廉价的产品。
2. 温补晶振Temperature Compensated Crystal Oscillator（TCXO）：是在晶振内部采取了对晶体频率温度特性进⾏补偿，以达到在宽温温度范围内满⾜稳定度要求的晶体振荡器。
⼀般模拟式温补晶振采⽤热敏补偿⽹络。
补偿后频率稳定度在10-7~10-6量级，由于其良好的开机特性、优越的性能价格⽐及功耗低、体积⼩、环境适应性较强等多⽅⾯优点，因⽽获⾏了⼴泛应⽤。
3. 压控晶振Voltage Controlled Crystal Oscillator（VCXO）：是⼀种可通过调整外加电压使晶振输出频率随之改变的晶体振荡器，主要⽤于锁相环路或频率微调。
压控晶振的频率控制范围及线性度主要取决于电路所⽤变容⼆极管及晶体参数两者的组合 4. 恒温晶振Oven Controlled Crystal Oscillator（OCXO）：采⽤精密控温，使电路元件及晶体⼯作在晶体的零温度系数点的温度上。
中精度产品频率稳定度为10-7~10-8，⾼精度产品频率稳定度在10-9量级以上。
主要⽤作频率源或标准信号 5. 电压控制－温补晶体振荡器（VCTCXO）温度补偿晶体振荡器和电压控制晶体振荡器结合。
6. 电压控制－恒温晶体振荡器（VCOCXO）恒温晶体振荡器和电压控制晶体振荡器结合。
晶振的应⽤：晶体振荡器被⼴泛应⽤到军、民⽤通信电台，微波通信设备，程控电话交换机，⽆线电综合测试仪，BP机、移动电话发射台，⾼档频率计数器、GPS、卫星通信、遥控移动设备等。
正弦波振荡器（LC 振荡器和晶体振荡器）实验一、实验目的1．掌握电容三点式LC 振荡电路和晶体振荡器的基本工作原理，熟悉其各元件的功能； 2．掌握LC 振荡器幅频特性的测量方法；3．熟悉电源电压变化对振荡器振荡幅度和频率的影响；通过实验进一步了解调幅的工作原理。
4．了解静态工作点对晶体振荡器工作的影响，感受晶体振荡器频率稳定度高的特点。
二、实验仪器1.100M 示波器 一台2.高频信号源 一台3.高频电子实验箱 一套三、实验电路原理1.基本原理振荡器是指在没有外加信号作用下的一种自动将直流电源的能量变换为一定波形的交变振荡能量的装置。
正弦波振荡器在电子技术领域中有着广泛的应用。
在信息传输系统的各种发射机中，就是把主振器（振荡器）所产生的载波，经过放大、调制而把信息发射出去的。
在超外差式的各种接收机中，是由振荡器产生一个本地振荡信号，送入混频器，才能将高频信号变成中频信号。
振荡器的种类很多。
从所采用的分析方法和振荡器的特性来看，可以把振荡器分为反馈式振荡器和负阻式振荡器两大类。
此实验只讨论反馈式振荡器。
根据振荡器所产生的波形，又可以把振荡器分为正弦波振荡器与非正弦波振荡器。
此实验只介绍正弦波振荡器。
常用正弦波振荡器主要由决定振荡频率的选频网络和维持振荡的正反馈放大器组成，这就是反馈振荡器。
按照选频网络所采用元件的不同，正弦波振荡器可分为LC 振荡器、RC 振荡器和晶体振荡器等类型。
（1）反馈型正弦波自激振荡器基本工作原理以互感反馈振荡器为例，分析反馈型正弦波自激振荡器的基本原理，其原理电路如图2-1所示。
b V bE cE -1L 2L f V bV '+-图 2-1反馈型正弦波自激振荡器原理电路当开关K 接“1”时，信号源b V 加到晶体管输入端，构成一个调谐放大器电路，集电极回路得到了一个放大了的信号F V 。
当开关K 接“2”时，信号源b V 不加入晶体管，输入晶体管是F V 的一部分b V '。
石英晶体、晶振介绍文摘2010-10-25 23:36:39 阅读50 评论0 字号：大中小订阅石英晶体振荡器是高精度和高稳定度的振荡器，被广泛应用于彩电、计算机、遥控器、手机等各类振荡电路中，以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。
可以说只要需要稳定时钟的地方，就必需要有晶体振荡器。
一：认识晶体、晶振常见晶体振荡器有两类，一类是无源晶体，也叫无源晶振，另一类是有源晶振，也叫钟振。
无源晶体外形如下图：（HC-49S 插脚）（HC-49S/SMD 贴片）无源晶体以以上两种封装的晶体最为常用，广泛应用于普通设备上，尤其是嵌入式设备，若对体积大小有要求，可以选择更小的贴片封装，如下图：（XG5032 贴片）（XS3225 贴片1，3脚有效，2，4脚为空脚）当前消费类电子如手机，MP4，笔记本等，XS3225封装最为常用。
具体关于晶体的封装及参数信息，请参考国内最大的高端晶体晶振厂家：浙江省东晶电子股份有限公司网站提供的信息：/product.aspx/23无源晶体说穿了就是封装了一下晶体，在晶体两面镀上电极引出两根线即可，那么有源晶振就是在无源晶体的基础上加了一个晶体振荡电路，，比如采用一个74HC04或者54HC04之类的非门与晶体勾通三点式电容振荡电路，所以它具有电源，地，时钟输出三个脚，有些还会增加一个脚，就是晶振工作控制脚，当不需要工作的时候，可以关掉晶振降低功耗。
如下图：（OS3225 与XS3225外形一样，只是脚位定义不同1：EN控制脚，2：GND地，3：OUT信号输出，4：VCC电源，一般为3.3V 或者5V）。
晶振内部振荡电路等效图如下：非门5404的输出脚2就是信号输出脚。
二：晶体振荡电路原理分析（本篇由东晶电子网上独家代理创易电子提供技术文档）我们以最常见得MCU振荡电路为例,参考电路如下：很多人做MCU51单片机得时候，不明白晶体两边为什么要加两个电容，大小一般在15pF～33pF之间，有些特殊的，还需要在晶体上并联一个大电阻，一般老师的解释是提高晶体振荡电路的稳定性，有助于起振,而对于其根本原理没有解释。
晶振稳定度
晶振的稳定度是指晶体振荡器在一定的工作条件下，输出信号的频率稳定性，即它的频率变化范围。
稳定度可以通过温度稳定度和负载稳定度来衡量。
晶振的稳定度是电子产品中非常重要的性能指标之一，尤其对于需要高精度及高稳定性的应用来说。
晶振通常被用于时钟电路、计时器、通信设备等领域，因为这些领域对于频率稳定度要求较高。
为了满足对稳定度的要求，晶振的设计和制造过程需要严格控制和优化。
使用高质量的晶片材料、合适的封装技术、精准的晶片加工等都可以提高晶振的稳定度。
晶振的稳定度通常用ppm（百万分之一）来表示，ppm越小，说明晶振的稳定度越高。
一般来说，晶振的稳定度在±10 ppm左右就可以满足大多数应用的需求。
晶振的稳定度是衡量晶体振荡器性能的一个重要指标，它对于电子产品的正常运行和性能稳定性具有重要影响。
在选择和使用晶振时，需要综合考虑其温度稳定度和负载稳定度，以满足具体应用的要求。
第４２卷第１期２０１９年２月电子器件ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎＤｅｖｉｃｅｓＶｏｌ ４２㊀Ｎｏ １Ｆｅｂ.２０１９收稿日期:２０１７－０５－０４㊀㊀修改日期:２０１７－０７－０６ＴｈｅＤｅｓｉｇｎｏｆＨｉｇｈ￣ＳｔａｂｉｌｉｔｙＯＣＸＯＢａｓｅｄｏｎＴｈｅｒｍａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＣＨＥＮＰｉｎｇｐｉｎｇ∗(ＢｏｗｅｉＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔｓＣｏ.ＬｔｄꎬＳｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ０５００５１ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＨｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎｔｈｅｒｍｏｓｔａｔｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｔｈｅｋｅｙｔｏｄｅｓｉｇｎＯＣＸＯ(ＯｖｅｎＣｒｙｓｔａｌＯｓｃｉｌｌａｔｏｒ).ＩｎｏｒｄｅｒｔｏｏｂｔａｉｎｈｉｇｈｓｔａｂｉｌｉｔｙＯＣＸＯꎬａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｐｒｅｖｉｏｕｓｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅꎬｗｅｄｅｓｉｇｎｅｄｔｈｒｅｅｋｉｎｄｓｏｆｔｈｅｒｍｏｓｔａｔｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｎｄｍａｄｅｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｈｒｏｕｇｈＡＮＳＹＳＩｃｅｐａｋｓｏｆｔｗａｒｅ.Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓꎬｗｅｇｏｔｔｈｅｂｅｓｔｔｈｅｒｍｏｓｔａｔｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅ.Ａｔｌａｓｔꎬａ３６ｍｍˑ２７ｍｍˑ１３ｍｍＯＣＸＯｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ.Ｉｔｓｆｒｅｑｕｅｎｃｙｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｃａｎｂｅｌｅｓｓｔｈａｎ１ˑ１０－９.ＰｒａｃｔｉｃｅｈａｓｐｒｏｖｅｄｔｈｅＡＮＳＹＳＩｃｅｐａｋｔｈｅｒｍａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＯＣＸＯｃａｎｏｐｔｉｍｉｚｅｔｈｅｔｈｅｒｍｏｓｔａｔｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｗｏｒｋｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｏｖｅｎｃｒｙｓｔａｌｏｓｃｉｌｌａｔｏｒꎻｔｈｅｒｍａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎꎻＡＮＳＹＳＩｃｅｐａｋꎻｔｈｅｒｍｏｓｔａｔｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅꎻｆｒｅｑｕｅｎｃｙ￣ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｔａｂｉｌｉｔｙＥＥＡＣＣ:１２３０Ｂꎻ２８６０㊀㊀㊀㊀ｄｏｉ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.１００５－９４９０.２０１９.０１.０３９基于热仿真的高稳恒温晶振的设计陈萍萍∗(河北博威集成电路有限公司ꎬ石家庄０５００５１)摘㊀要:高精度的恒温结构是设计高稳恒温晶体振荡器的关键ꎮ为了获取高稳定的恒温晶振ꎬ根据以往的经验ꎬ我们设计了３种恒温槽结构ꎬ并运用ＡＮＳＹＳＩｃｅｐａｋ软件对这３种结构进行热仿真ꎬ通过仿真结果比较得出最优方案ꎬ最终设计出体积为３６ｍｍˑ２７ｍｍˑ１３ｍｍ的恒温晶体振荡器ꎬ其频率温度稳定度ɤ１ˑ１０－９ꎮ实践证明ꎬＩｃｅｐａｋ软件进行恒温晶体振荡器的设计ꎬ可以优化恒温槽的结构ꎬ提高工作效率ꎮ关键词:恒温晶体振荡器ꎻ热仿真ꎻＡＮＳＹＳＩｃｅｐａｋꎻ恒温结构ꎻ频率温度稳定度中图分类号:ＴＮ７５３.９㊀㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀㊀文章编号:１００５－９４９０(２０１９)０１－０２０６－０４㊀㊀由于晶体的频率温度特性ꎬ温度成为影响晶体振荡器频率稳定度最主要的因素ꎬ温度的控制和处理一直是提高晶振稳定度的主要手段[１]ꎮ在恒温晶振设计阶段ꎬ通过热分析软件对电路板及恒温槽的散热进行仿真分析ꎬ可以在投板前仿真出晶体谐振器的温度变化ꎬ根据仿真结果不断改进恒温槽结构的设计ꎬ减少再生产的成本ꎬ压缩研发周期ꎮ本文对恒温晶振３种不同的热结构进行了热仿真分析ꎬ并根据仿真结果选取最佳热结构进行产品设计ꎬ最终通过实际产品对仿真结果进行了验证ꎬ实验证明ꎬ热仿真分析在恒温晶振的设计过程中具有很重要的指导意义ꎮ１㊀晶体的频率温度特性晶体的频率温度特性是指当晶体谐振器的工作温度变化时ꎬ晶体的晶格会发生变形ꎬ从而导致振荡频率发生变化[２]ꎮ石英谐振器相对频偏与温度的关系称为晶体的静态温度系数ꎬ由晶体的切型和角度所决定ꎬ选择合适的切角ꎬ可以得到具有零温度系数的晶体ꎬ本文设计中采用的是ＳＣ切型的晶体ꎬ其频率与温度的关系如式(１)所示[３]:Δｆ/ｆ０＝ａ０(Ｔ－Ｔ０)＋ｂ０(Ｔ－Ｔ０)２＋ｃ０(Ｔ－Ｔ０)３(１)式中ꎬＴ为谐振器的温度ꎬＴ０为参考温度ꎬｆ０为参考温度点的频率ꎬａ０㊁ｂ０㊁ｃ０分别为谐振器的一次㊁二次㊁三次温度系数ꎮ式(１)所对应的ＳＣ切晶体典型频率温度曲线如图１所示ꎮ图１㊀典型ＳＣ切晶体的温频曲线由图１可以看出ꎬＳＣ切晶体的频率温度曲线拐点为ｄ２ｆ(Ｔ)ｄＴ２＝０ꎬ在拐点附近ꎬ存在上下翻转点ｄｆ(Ｔ)ｄＴ＝０ꎬ第１期陈萍萍:基于热仿真的高稳恒温晶振的设计㊀㊀图中以上拐点和下拐点进行标注ꎮ已知在拐点附近ꎬ晶体的频率温度特性最小ꎮ当温度范围较宽时ꎬ所有切型石英谐振器的频率都随温度而有一定的变化ꎬ只有当温度范围在零温度系数点附近小范围波动时ꎬ晶体的频率变化才会达到最小ꎮ为提高频率稳定度ꎬ通常有两种方法ꎬ一是采用温度补偿ꎬ二是使晶体处于恒温环境[４]ꎮ恒温晶体振荡器就是采用第２种方法ꎮ设计原理是将晶体置于恒温槽中ꎬ并把恒温槽的温度稳定在晶体的拐点温度处ꎬ利用晶体谐振器在拐点温度处频率温度系数最小的特性ꎬ减小外界环境温度变化对晶体频率的影响ꎮ由图１可知ꎬΔＴ０越小ꎬ控温精度越高ꎬ温度对频率的影响越小ꎮ因此ꎬ为了设计出高稳定的恒温晶振ꎬ高精度的恒温槽是关键ꎬ这就需要对热结构进行精确地分析和设计ꎮ影响恒温晶振热结构特性的因素主要有ＰＣＢ板的布局㊁加热管的选择㊁恒温槽的设计等ꎮ２㊀Ｉｃｅｐａｋ简介Ｉｃｅｐａｋ软件是ＡＮＳＹＳ系列软件中针对电子行业的散热仿真优化分析软件ꎬ可以模拟电子行业涉及的散热㊁流体等相关工程问题ꎬ比如强迫风冷㊁自然冷却㊁ＰＣＢ单板的散热等ꎮＡＮＳＹＳＩｃｅｐａｋ使用Ｆｌｕｅｎｔ计算流体力学(ＣＦＤ)求解器ꎬ借助强大的网格划分功能ꎬ具有鲁棒性好㊁计算精度高㊁求解速度快的优点[５－６]ꎮＩｃｅｐａｋ在对电子产品的恒温控制的仿真过程中ꎬ通过对元器件的分布位置㊁材料属性以及周围环境温度的设置ꎬ可以比较准确的仿真出产品内部的温度分布ꎮ仿真流程:建立热模型－ＣＡＤ模型转化－模型导入Ｉｃｅｐａｋ－划分网格－参数设置－仿真运行－后处理显示ꎮ３㊀仿真分析３.１㊀建立热模型为了获取高稳定的恒温晶振ꎬ本文中针对ＴＯ－８结构的晶体ꎬ通过选择不同封装的加热管以及恒温槽在ＰＣＢ板位置的不同ꎬ设计了３种结构ꎮ结构１将晶体及恒温槽放在ＰＣＢ板的中心位置ꎬ采用两个较大封装的加热管相对晶体斜角对称分布ꎬ如图２所示ꎮ结构２相比结构１将加热管对称分布在恒温槽的两侧ꎬ但由于ＰＣＢ板空间有限ꎬ将晶体及恒温槽整体向左侧偏移ꎬ如图３所示ꎮ结构３保证晶体及恒温槽在ＰＣＢ板中心ꎬ采用４个小型加热管ꎬ分布在恒温槽的两侧ꎬ如图４所示ꎮ图２㊀结构１的立体模型图３㊀结构２的立体模型图４㊀结构３的立体模型分别将这３种几何模型导入ＤｅｓｉｇｎＭｏｄｅｌｅｒ后ꎬ通过ｓｉｍｐｌｉｆｙ㊁ｂｏｏｌｅａｎ等工具对ＣＡＤ几何体进行简化处理[７－８]ꎬ然后导入Ｉｃｅｐａｋꎬ对其划分多级化网格ꎮ３.２㊀参数设置仿真计算区域默认为晶振的内部空间ꎬ将尺寸设置为３６ｍｍˑ２７ｍｍˑ１３ｍｍꎻ打开自然对流和辐射换热ꎻ设置重力参数为－９.８ｍ/ｓ２ꎻ模拟测试环境的温度ꎬ将温度分别设置－２０ħ㊁２５ħ㊁７０ħ分别先后进行三次仿真ꎮ晶体表面设置为Ｎｉ￣ｏｘｉｄｉｓｅｄꎬ材料设置为铜ꎬＰＣＢ板材料选择ＦＲ－４ꎬ恒温槽根据实际加工材料ꎬ表面为镀银ꎬ实体材料设置为铝ꎬ加热管焊盘设置为焊锡材料ꎮ根据环境温度变化ꎬ加热管电流大小有所变化ꎬ根据加热电路的设计可以知道每个温度点对应的加热管的功耗ꎬ从而设置加热管功率ꎮ３.３㊀计算结果及分析３.３.１㊀仿真结果通过仿真ꎬ分别得到了３种结构在－２０ħ㊁２５ħ㊁７０ħ３个温度点时晶体的温度分布云图ꎬ如７０２电㊀子㊀器㊀件第４２卷图５~图１３所示ꎮ图９㊀结构２在２５ħ时晶体的温度分布云图图５㊀结构１在－２０ħ时晶体的温度分布云图图６㊀结构１在２５ħ时晶体的温度分布云图图７㊀结构１在７０ħ时晶体的温度分布云图图８㊀结构２在－２０ħ时晶体的温度分布云图图１０㊀结构２在７０ħ时晶体的温度分布云图图１１㊀结构３在－２０ħ时晶体的温度分布云图图１２㊀结构３在２５ħ时晶体的温度分布云图图１３㊀结构３在７０ħ时晶体的温度分布云图３.３.２㊀仿真结果分析根据表１的热仿真结果分析ꎬ对比结构１和结构２的仿真结果可以得出ꎬ将恒温槽放在整个ＰＣＢ板的中心位置可以较好地保证晶体温度的稳定ꎮ对比结构１和结构３的仿真结果可以得出ꎬ相比较两个大的加热管ꎬ选择４个小型加热管进行恒温槽的加热可以使得晶体的温度分布更加均匀ꎬ综合以上仿真结果ꎬ本文认为ꎬ采用结构３可以获得更稳定的温度特性ꎮ８０２第１期陈萍萍:基于热仿真的高稳恒温晶振的设计㊀㊀表１㊀热仿真结果分析环境温度/ħ晶体的最大温度差/ħ结构１结构２结构３－２０１.０１１２.２３００.８１６２５０.６４７１.３８８０.４９８７００.２５８０.５５２０.２０３４㊀仿真结果验证为了验证前面仿真结果的正确性ꎬ本文制作出３种结构的ＰＣＢ板ꎬ并选取同一只晶体ꎬ先后进行３种ＰＣＢ板的控温精度测试ꎬ将装配好的晶振置于温箱中ꎬ将温箱设置为－２０ħ~７０ħ缓慢均匀变化ꎬ采集频率ꎬ实验结果如图１４~图１６所示ꎮ图１４㊀结构１晶振－２０ħ~７０ħ的Ｂ模特性曲线图１５㊀结构２晶振－２０ħ~７０ħ的Ｂ模特性曲线图１６㊀结构３晶振－２０ħ~７０ħ的Ｂ模特性曲线由于ＳＣ切晶体的Ｂ模频率特性曲线随温度的变化是单调的ꎬ且倾角是固定的－２５.５ˑ１０－６/ħꎬ即Ｂ模频率与温度是固定的关系ꎬ因此ꎬ当外界温度变化时ꎬ通过测试产品的Ｂ模频率变化ꎬ就可以计算出在该外界温度条件下晶体内部真实的温度变化ꎬ即控温精度ꎬ如表２所示表２㊀３种热结构实测结果结构１结构２结构３Ｂ模频率偏差/Ｈｚ５５１５０２０控温精度/ħ０.１９０.５３０.０７㊀㊀由上可以看出ꎬ实际测试的结果与热仿真的结果趋势保持一致ꎬ结构３具有最好的温度特性ꎬ因此ꎬ本设计最终选择结构３进行高稳恒温晶振的设计ꎬ结合振荡电路和精密控温电路的设计ꎬ最终ꎬ样品的温度稳定性的实际测试结果ɤ１ˑ１０－９ꎬ实测曲线如图１７所示ꎬ该结果再一次验证了热仿真分析的可行性ꎮ图１７㊀样品频率温度特性实测曲线５㊀结论本文通过对３种结构的恒温槽进行热仿真分析ꎬ得出最优结构ꎬ并进行实际的测试验证ꎬ最终设计出频率温度稳定度ɤ１ˑ１０－９的高稳定的恒温晶体振荡器ꎮ从本文设计结果可以得出ꎬ在恒温晶振的设计中运用Ｉｃｅｐａｋ软件进行热仿真ꎬ能有效帮助设计者预知恒温槽内部晶体的热量分布ꎬ减少研发再生产的成本ꎬ提高设计效率ꎮ参考文献:[１]㊀黎荣林ꎬ陈萍萍ꎬ黎敏强ꎬ等.一种高稳定恒温晶振的设计[Ｊ].电子器件ꎬ２０１６ꎬ３９(２)ꎬ３２９－３３３.[２]ＶｉｇＪＲ.ＱｕａｒｔｚＣｒｙｓｔａｌＲｅｓｏｎａｔｏｒｓａｎｄＯｓｃｉｌｌａｔｏｒｓｆｏｒＦｒｅｑｕｅｎｃｙＣｏｎｔｒｏｌａｎｄＴｉｍｉｎｇＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ＡＴｕｔｏｒｉａｌ[Ｏｎｌｉｎｅ].Ａｖａｉｌａｂｌｅ:ｈｔｔｐ://ｗｗｗ.ｉｅｅｅ－ｕｆｆｃ.ｏｒｇ/ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ－ｃｏｎｔｒｏｌ/ｌｅａｒｎｉｎｇ－ｖｉｇ－ｔｕｔ.ａｓｐ. [３]王本兴.微小型恒温晶体振荡器[Ｊ].电讯技术ꎬ１９９１ꎬ３１(６):２８－３４.[４]高益.精密恒温晶体振荡器的设计与研制[Ｄ].武汉:华中科技大学ꎬ２００４:２－１０.[５]陈云ꎬ徐晨.有限元分析软件ＡＮＳＹＳ在多芯片组件热分析中的应用[Ｊ].电子工程师ꎬ２００７ꎬ３３(２):９－１１.[６]毛佳ꎬ程凯ꎬ雷阳ꎬ等.ＡＮＳＹＳＩｃｅｐａｋ及Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ结构热力学仿真分析[Ｍ].北京:化学工业出版社ꎬ２０１５:２.[７]李琴ꎬ刘海东ꎬ朱敏波ꎬ等.热仿真在电子设备结构设计中的应用[Ｊ].电子工艺技术ꎬ２００６ꎬ２７(３):１６５－１６８.[８]王永康.ＡＮＳＹＳＩｃｅｐａｋ电子散热基础教程[Ｍ].北京:国防工业出版社ꎬ２０１５:１.陈萍萍(１９８９－)ꎬ女ꎬ汉族ꎬ山东德州人ꎬ河北博威集成电路有效公司ꎬ工程师ꎬ主要研究方向为频率控制技术ꎬｃｈｅｎｐｉｎｇｐｉｎｇ０ａａ＠１６３.ｃｏｍꎮ９０２。
实验2 正弦波振荡器（LC振荡器和晶体振荡器）一．实验目的1.掌握电容三点式LC振荡电路和晶体振荡器的基本工作原理，熟悉其各元件的功能；2.掌握LC振荡器幅频特性的测量方法；3.熟悉电源电压变化对振荡器振荡幅度和频率的影响；4.了解静态工作点对晶体振荡器工作的影响，感受晶体振荡器频率稳定度高的特点。
二．实验内容1.用示波器观察LC振荡器和晶体振荡器输出波形，测量振荡器输出电压峰-峰值，并以频率计测量振荡频率；2.测量LC振荡器的幅频特性；3.测量电源电压变化对振荡器的影响；4.观察并测量静态工作点变化对晶体振荡器工作的影响。
三．实验步骤1.实验准备插装好LC振荡器和晶体振荡器模块，接通实验箱电源，按下模块上电源开关，此时模块上电源指示灯点亮。
2.LC 振荡实验（为防止晶体振荡器对LC振荡器的影响，应使晶振停振，即将3W03顺时针调到底。
）（1）西勒振荡电路幅频特性的测量3K01拨至LC振荡器，示波器接3TP02，频率计接振荡器输出口3P02。
调整电位器3W02，使输出最大。
开关3K05拨至“P”，此时振荡电路为西勒电路。
四位拨动开关3SW01分别控制3C06（10P）、3C07（50P）、3C08（100P）、3C09（200P）是否接入电路，开关往上拨为接通，往下拨为断开。
四个开关接通的不同组合，可以控制电容的变化。
例如开关“1”、“2”往上拨，其接入电路的电容为10P+50P=60P。
按照表2-1电容的变化测出与电容相对应的振荡频率和输出电压（峰-峰值V P-P），并将测量结果记于表中。
表2-1根据所测数据，分析振荡频率与电容变化有何关系，输出幅度与振荡频率有何关系，并画出振荡频率与输出幅度的关系曲线。
注：如果在开关转换过程中使振荡器停振无输出，可调整3W01，使之恢复振荡。
（2）克拉泼振荡电路幅频特性的测量将开关3K05拨至“S”，振荡电路转换为克拉泼电路。
按照上述（1）的方法，测出振荡频率和输出电压，并将测量结果记于表2-1中。
有源晶振电路及工作原理简述
有源晶振电路的工作原理是基于谐振原理。
振荡器是一种控制电路，
它可以向谐振电路提供足够的能量来保持谐振器持续振荡。
有源晶振电路
利用有源元件提供输出信号的能量，以补偿电路阻尼损耗，使谐振电路能
够持续振荡。
有源晶振电路的典型实现方式是利用晶体振荡器。
晶体振荡器由一个
具有振动特性的晶体和一个振动放大器组成。
晶体是由石英等材料制成的，具有非常稳定的振动特性。
振动放大器通常采用晶体管或集成电路，用来
放大晶体振荡器的输出信号。
1.激励阶段：有源元件提供初始的激励信号，以启动晶体振荡器的振动。
2.谐振阶段：晶体振荡器的振动根据晶体的特性进一步增强，达到稳
定工作状态。
3.放大阶段：振动放大器对晶体振荡器的信号进行放大，以补偿振荡
器的损耗，确保稳定振荡。
4.输出阶段：放大后的信号经过滤波电路，去除杂散信号和谐波，得
到纯净的振荡信号。
1.高稳定度：晶体振荡器利用晶体的稳定振动特性，可以产生非常稳
定的振荡信号，适用于需要高精度时钟信号的应用。
2.高精度：晶体振荡器的稳定度可以达到非常高的精度，一般在几个
部分百万甚至千万分之一的范围内。
3.宽频带：晶体振荡器可以提供很宽的频率范围，从几赫兹到数百兆赫兹。
4.低功耗：晶体振荡器的功耗相对较低，适用于需要长时间运行且功耗要求较低的应用。
总结起来，有源晶振电路是一种基于谐振原理的振荡电路，利用有源元件提供能量，以保持谐振电路的持续振荡。
它具有高稳定度、高精度、宽频带和低功耗等特点，广泛应用于各种数码电子设备和通信系统中。
晶振的基本原理及特性晶振一般采用如图1a的电容三端式(考毕兹) 交流等效振荡电路；实际的晶振交流等效电路如图1b，其中Cv是用来调节振荡频率，一般用变容二极管加上不同的反偏电压来实现，这也是压控作用的机理；把晶体的等效电路代替晶体后如图1c。
其中Co，C1，L1，RR是晶体的等效电路。
分析整个振荡槽路可知，利用Cv来改变频率是有限的：决定振荡频率的整个槽路电容C=Cbe,Cce,Cv三个电容串联后和Co并联再和C1串联。
可以看出：C1越小，Co越大，Cv变化时对整个槽路电容的作用就越小。
因而能“压控”的频率范围也越小。
实际上，由于C1很小(1E-15量级)，Co不能忽略(1E-12量级，几PF)。
所以，Cv变大时，降低槽路频率的作用越来越小，Cv变小时，升高槽路频率的作用却越来越大。
这一方面引起压控特性的非线性，压控范围越大，非线性就越厉害；另一方面，分给振荡的反馈电压(Cbe上的电压)却越来越小，最后导致停振。
采用泛音次数越高的晶振，其等效电容C1就越小；因此频率的变化范围也就越小。
晶振的指标总频差：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最大偏差。
说明：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最大频差。
一般只在对短期频率稳定度关心，而对其他频率稳定度指标不严格要求的场合采用。
例如：精密制导雷达。
频率稳定度：任何晶振，频率不稳定是绝对的，程度不同而已。
一个晶振的输出频率随时间变化的曲线如图2。
图中表现出频率不稳定的三种因素：老化、飘移和短稳。
图2 晶振输出频率随时间变化的示意图曲线1是用0.1秒测量一次的情况，表现了晶振的短稳；曲线3是用100秒测量一次的情况，表现了晶振的漂移；曲线4 是用1天一次测量的情况。
表现了晶振的老化。
频率温度稳定度：在标称电源和负载下，工作在规定温度范围内的不带隐含基准温度或带隐含基准温度的最大允许频偏。
高稳定度晶体振荡器特性分析
作者：高彤徐亚坤崔立欣
来源：《中国科技博览》2016年第26期
【摘要】随着现代通信技术的发展，开始对频率源的质量提出了更高的要求。
同时国际上对高端频率源产品制定了禁运的规定，这样就迫使我国不断研发高稳定晶体振荡器。
本文将会对高稳定度晶体振荡器的相位噪声特性、温度特性及老化特性等给予介绍，从而为高稳定度晶体振荡器的研发提供更广阔的空间。
【关键词】高稳定度晶体振荡器；噪声特性；温度特性；老化特性
【分类号】TN752.2
随着我国科技日新月异的变化，各行各业对频率源提出了更高的要求，而且应用范围和应用领域在不断的扩大，尤其是石英晶体及其振荡器等产品。
如今，对高稳定度晶体振荡器相关特性的研究已经成为世界各国研究的热点，其具有极高的频率-温度稳定度、极低的相位噪声及极高的可靠性等优点，对一个国家的科技、军事、生活和生产至关重要。
1.高稳定度晶体振荡器相位噪声的研究和优化
1.1振荡器相位噪声的研究
1.1.1电噪声
对高稳定度晶体振荡器进行研究发现，诱发相位及抖动噪声的主要原因是电噪声。
因此，振荡器内部的电噪声对晶体振荡器的短期频率稳定性起到了决定性的作用，此外信号-噪声比也对其起到一定的决定作用。
通过对噪声的形成机理进行分析发现，电噪声可以划分为散弹噪声、热噪声、爆裂噪声、闪变噪声等四大类。
其中，散弹噪声和热噪声的主要形成机理已经被得到证实。
而爆裂噪声一般是因为在半导体结调制中载流子诱发缺陷，而且具有实验依据。
但是我国对闪变噪声的发生机理还缺乏系统的研究。
1.1.2放大器噪声
在构成高稳定度晶体振荡器过程中，半导体二极管、晶体管、电容、电阻及运放等器件都会产生或大或小的噪音，尤其是晶体管的噪声。
所以，在对晶体振荡器进行设计的过程中，要根据实际需求合理选择晶体管的种类，以确保其运行性能。
而对于电容和电阻等元件，其自身的有功电阻比较小，所以其产生的噪音不会对高稳定度晶体振荡器产生影响。
1.2低噪声振荡器的设计
1.2.1 10MHz振荡器稳压源的设计
在进行低噪声振荡器设计过程中，一般需要对其噪声的主要来源进行分析，其一般包括两大部分，分别是线路本身噪声和印制板布局结构产生的噪音。
而线路本身噪声又可以根据其部位的不同划分为电源噪声和主振电路噪声两大类。
印制板布局结构产生的噪音同样可以根据其部位的不同划分为PCB版布局布线诱发的噪音和整个振荡器的机械结构噪音。
在进行高稳定度晶体振荡器电源设计时，关键目的是降低振荡器噪声和电源噪声，因为电源噪声以系统造成的影响最大。
目前高稳定度晶体振荡器的体积逐渐缩小，所以需要做好电路的优化工作，以达到预期效果。
如图1是10MHz振荡器稳压源的设计流程图。
1.2.2 10MHz振荡器电路设计
（1）主振电路设计。
在对高稳定度晶体振荡器进行设计的过程中，一般会选择皮尔斯电路设计，因为该电路不仅可以保证并联谐振型集电极接地，而且还具有稳定度高、抗噪能力强、应用频率范围宽、输出波形好等优点，其简化图如图2所示。
当主振线路模型确定之后，要对其关键元件进行合理选择，如电感、电容、晶体、晶体管及变容二极管等。
（2）功率放大电路设计。
在高稳定度晶体振荡器中，主振电路的主要功能是确保晶体振荡器能够顺利起振，但是该过程无法保证输出信号的幅度大小，即不能保证输出驱动力的大小，所以需要进行功率放大电路的设计，只有这样才能输出较强的驱动力。
本次研究中，高稳定度晶体振荡器选择了共基极放大电路，其没有电流增益，而仅存在电压增益，同时还具有较低的输入阻抗。
2.高稳定度晶体振荡器的温度特性研究和优化
在高稳定度晶体振荡器中，其一般是按照正逆压电效应来对谐振器进行设计的，由于其具备了上百万的品质因数值，所以该过程中所形成的频率稳定度是RC谐振电路和LC谐振电路无法比拟的。
但是高稳定度晶体振荡器也有其缺陷，主要是环境温度的变化对整个系统的运行具有较大的影响。
2.1高稳定度晶体振荡器的频率-温度特性
石英谐振器是高稳定度晶体振荡器的核心元件，其存在的主要缺陷是频率会随着环境温度的改变而发生明显变化。
与此同时，石英谐振器工作过程中所发生的温度变化也会诱发晶格的改变，从而导致其频率发生变化。
石英晶体所具有的温度特性直接决定了高稳定度晶体振荡器的温度特性，总的来说，振荡电路中电阻和电容所出现的温漂对晶体振荡器频率的影响是可以忽略不计的。
如今，一般选择将晶体及外围电路设定在一个比较稳定的温度环境中，从而形成了一个恒温系统，其温度一般控制在零温度系数点附近，而且对外围温度控制越精确，晶体振荡器的稳定度越高。
2.2晶体振荡器温度补偿设计
目前，在市场上恒温晶体振荡器和温度补偿晶体振荡器是两种使用比较广泛的晶体振荡器。
通过与恒温晶振进行对比发现，温补晶振在进行频率输出过程中所具有的稳定性比较低，但是其具有体积小、开机时间短、温度范围较宽、不需预热、功耗低等特点，所以其能够满足更多电子设备对频率源的标准，逐渐成为世界上比较常用的晶体振荡器之一。
2.3恒温晶体振荡器的设计
目前，恒温晶体振荡器已经成为市场上最常用的晶体振荡器，其频率‐温度特性比较好，市场上应用最为广泛的恒温晶体振荡器，其温度范围在-20°C-+70°C，而且其频率‐温度特性为10ppb，部分高端产品甚至可以达到0.3ppb。
如果恒温槽的温度被约束到0.001°C 以内，将会大大提高晶体振荡器的稳定度。
3.晶体振荡器老化特性的研究及改善
3.1 晶体振荡器老化特性的研究
通过对高稳定度晶体振荡器进行研究发现，晶体振荡器中所使用最多的表达方式是日老化率。
目前，随着相关技术的改进，年老化率开始被应用到高稳定度晶体振荡器老化特征的研究之中。
如今，在对高稳定度晶体振荡器的规程进行检定时，一般会选择最小二乘法来对其月漂移率和日老化率进行计算，并且经过较长时间的预热之后，会保证其老化朝着一个方向进行，而且在短时间内会保持线性变化的规律。
3.2晶体振荡器老化的改善方法
对于高稳定度晶体振荡器老化特征的改善过程中，传统的方法一般是通过记录一段时间的晶振频率，然后通过一定的公式对其进行拟合，从而得到过去时间曲线，通过选择最小二乘法来对其单方向的线性漂移进行分析，从而得到线性公式，这样就可以对其老化特征进行验证。
实际研究发现，老化漂移公式所产生的斜率一般接近于线性关系，而且在单片机中由于编程的原因很容易出现一条相反斜率的直线，与其发生抵消。
此时可以通过单片机输出压控电压过程中所对应的频率曲线图，来对压控电压与时间的曲线关系进行拟合。
在使用该方法的过程中，存在两类误差需要对其给予分析：一是线性漂移的线性公式一般是借助最小二乘法得到的，其存在一定范围的误差；二是MCU控制电路存在的误差。
4.结束语
与普通晶体振荡器进行对比发现，高稳定度晶体振荡器具有高频率温度特性、低相位噪声特性、超高频率稳定度及低老化漂移特性等特点，因此需要采取措施对其相关特性进行研究，以更好的推动我国电子行业的发展。
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