摘 要 简要介绍了一种小型的恒温晶体振荡器, 通过对振荡参数的反复试验、修改, 提高了振荡器的频率稳定度。提出一种新的设计理念, 利用晶体谐振器与电感随温度变化对晶体振荡器频率所产生的不同影响, 合理安排晶体振荡器内部的热场, 调整晶体谐振器、热敏电阻及振荡参数的热平衡关系, 在去掉恒温槽的情况下提高了温度频率特性, 且大大缩小了晶体
 
振荡器的体积。0 引言
 
振荡器是一种能够把直流电能转变为一定形式的交变振荡电能的发生器, 通常作为各种电子设备的参考源或时间基准, 振荡器的稳准度直接影响电子设备的性能指标。
 
振荡系统可以是 LC 组成的振荡回路, 称为 LC 振荡器。通常, LC 振荡器的频率稳定度大多在 10^{- 2}~ 10^{- 3}量级, 这在很多应用*域中是远远不能满足要求的。所以, 在频率稳定度要求较高的情况下, 就要使用石英晶体振荡器。石英晶体振荡器通常由直流电源、晶体管和晶体振荡系统 3 部分组成。由于石英晶体具有很高的 Q 值, 其相移随频率的变化 $U/ $ X很大, 因此石英晶体振荡器具有很高的频率稳定度, 被广泛应用于通信、广播、导航及多种测量仪器中, 被誉为无线电设备中的心脏。
 
石英晶体振荡器分为温度补偿性、恒温型和电压控制型, 其中以恒温型的频率稳定度**好。但由于需要采用恒温槽, 其电路相对复杂, 其体积也**大, 如何在保证指标的情况下减小恒温晶振的体积一直是一个有待解决的问题。本文中介绍了一种不采用恒温槽的小型高性能恒温压控振荡器的设计方法, 该晶体振荡器中心频率为 38. 88 MHz, 日老化率优 于 ? 2 @ 10^{- 9}, 频率 温 度特 性优 于
 
? 1 @ 10^{- 7}/ - 30 e ~ 70 e , 压控范围为 ? 10 @ 10^{- 6}/ ( 1. 25 ? 1. 25 V) , 体积仅为20 mm @ 20 mm @ 10. 5 mm。
 
1 振荡电路的设计
 
石英晶体振荡器振荡电路主要包括主振级、电压控制回路、隔离放大级、自动增益 AGC 和频率波形变换级。体积小、指标高是本款恒温晶振的主要特点, 为了满足体积要求, 在保证能满足指标的前提下, 适当对振荡电路做了简化, 去掉了自动增益 AGC 电路, 只保留了**主要的振荡电路。
 
1. 1 关于主振电路
 
对晶体振荡器而言, 主振电路的形式繁多, 从总体上来看, 可分为负阻型和反馈型 2 大类。一般的石英晶体振荡器采用反馈型电路, 按晶体在振荡电
路中的作用原理, 反馈型振荡器又可分为串联型振 荡器和并联型振荡器, 主振电路采用并联振荡形式, 其等效电路如图 1 所示。晶体在其中作为一个电感   元件应用, 属于电容三点式电路。 图1 中晶体管 Q 1、石英晶体 Y1、电容 C1、C2 构   成皮尔斯主振电路。选用主振电路晶体管时, shou先   要注意特征频率要足够高, 而 B0 不宜过大, 过大的   B0 会使晶体管的附加相移增加, 不利于提高振荡器 的频率稳定度。另外, 为提高频率稳定度, 主振级的 输出功率不要太大, 晶     体的激励不要太强, 因     此 C1、C2 在保证晶振起   振的条件下, 应尽可能   选大, 以降低晶体的激   励。     图 1  主振级等效电路 1. 2  振荡参数的分析                   整个晶体振荡器振荡电路原理如图 2 所示。电       阻 R1、电容 C3、变容二极管 D 1 构成压控回路。电       容 C6 和电感 L 1 构成谐波抑制回路, 此回路的谐振       1                   频率为f 谐振= _2P  LC , 在谐振频率上电抗为零, 由       于选用了 3 次泛音的晶体, 一般应使 f 谐振在基波与     3 次谐波之间, 对于 38. 88 MHz 的晶体谐振频率应     为26 MHz 左右, 因此在基波频率上, L1、C6 回路呈   感性, 不能满足电容三点式电路振荡条件, 不会产生   基频振荡, 达到抑制基波的作用。对振荡频率而言       L1、C6 回路呈感性, 满足振荡条件, 从而可以产生                       1         振荡。f 谐振= _2P  LC   中的 L 、C 值为图 1 中的 L 1、           C6, 一般通过计算后, 加以适当修正即可。为了保   障振荡稳定性, 在振荡频率上应使图 1 中的 C2 E       C1。              
 

2. 1 温控电路工作原理               温控电路工作原理如下: 通电后, 热敏电桥有较 大的失衡输出电压, 功率管处于**大的加热功率状 态。随着晶振内部温度的上升, 电桥失衡电压逐渐   减小, 当加热**所需控制温度时, 电桥保持一定平衡 输出电压, 控温电路处于**小加热功率状态, 此时流   过功率管的电流**小, 它产生的热量就等于晶振在   一定外界条件下损耗的热量。当外界温度变化时,   影响晶振内部温度发生变化, 热敏电阻阻值随之发   生变化, 这一变化改变了电桥相对平衡输出电压, 此   电压调整电流, 以修正晶振内部的温度变化。           2. 2 关于主振电路       通常情况下, 所设计的恒温晶振都是有恒温槽     的, 恒温槽可以起到保温的作用, 可以减小外界温度   变化对晶振内部温度的影响, 有利于提高温度频率特   性指标。由于在本设计中, 晶振的体积较小, 只有   20 mm @ 20 mm @ 10. 5 mm, 所以内部不能采用恒温槽,   如何保证晶振的温度特性成为这一设计的难点。过去 的设计理念是在外界温度变化过程中尽量减小晶振内   部温度的变化, 当采用恒温槽后, 可以达到此要求。没   有恒温槽后, 温度特性在多次的试验中都不能满足指 标。因此从补偿的角度入手, 找到了解决的办法。   由于振荡器主振级的电感有较明显的温度特 性, 其电感值随着温度的升高而增大, 称之为正温度 特性。电感值增大会使振荡器的频率降低, 而振荡 器的温度特性jue大部分是由于电感的温度特性引起 的。为了消除这一影响, shou先在选择电感的时候要 尽量选择温度系数小的电感, 其次要在振荡器中在 找到另外一个元件, 使它随着温度变化对振荡器频 率的影响可以与电感互补, 于是想到了晶体谐振器。以早先的设计思路, 在使用晶体谐振器时, 都会把它先通过拐点电调到拐点附近, 以保证温度的变化对晶振频率的影响**小, 现在由于电感的影响不能消除, 需要晶体的补偿以达到指标。注意, 随着温度的升高电感会使振荡器的频率降低, 希望的就是随着温度的升高晶体能够使振荡器的频率升高, 于是在设计中有意将晶体用在其拐点曲线右边一点,以便实现对电感的补偿。#p#分页标题#e#
 
当然这种用法对振荡器内部的工艺安排要求较高, 所以在 PCB 板的设计中要注意合理安排晶体、热敏电阻以及振荡级电感的位置, 注意晶振内部温度变化对电感和晶体的影响, 利用它们之间的补偿作用, 调整控温电路的控温精度, 以达到满足指标。
 
3 结束语
 
在晶振的设计与研制过程中, 各个元件参数都

经过仔细的调整, PCB 板经过多次改版, 以达到**合理的状态, 使用的关键元件都在经过大量试验后选定厂家, **终取得了满意的结果。
 
如今该设计已转化为产品, 进行大批量生产, 其主要指标包括温度频率特性和老化特性等, 合格率都超过 90% 。该晶振取代进口产品应用于通信系统中, 年创造产值超过千万元, 具有显著的经济效益和社会效益。