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石英振蕩器是一種產(chǎn)生高頻交流電壓的電路。作為頻率決定元件,振蕩器包含一個(gè)振動(dòng)石英。石英振蕩器以其頻率精度和頻率穩(wěn)定性令人信服。在實(shí)踐中,電路被廣泛用作無(wú)線電設(shè)備、處理器和微控制器的時(shí)鐘。因此,石英和石英振蕩器被認(rèn)為是數(shù)據(jù)傳輸和電信中頻率控制的最重要組成部分也就不足為奇了。其主要優(yōu)點(diǎn)包括高諧振性能、各種OSC振蕩器和高頻率穩(wěn)定性。
例如,測(cè)量設(shè)備、衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備或電信設(shè)備等專業(yè)應(yīng)用對(duì)嵌入式振蕩器有很高的要求,例如頻率穩(wěn)定性好、相位噪聲低、使用壽命長(zhǎng)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),所使用的石英也必須具有改進(jìn)的老化特性,以獲得相應(yīng)的整體性能。石英振蕩器通常可分為以下幾類:固定頻率振蕩器(XO)、電壓控制振蕩器(VCXO)、溫度補(bǔ)償振蕩器(TCXO)或溫度控制的“Oven Controlled Xtal Oscillators”OCXO。
石英晶體振蕩器的最簡(jiǎn)單形式是X-tal振蕩器(XO)。一般來說,它由一個(gè)電動(dòng)模板組成,充當(dāng)?shù)怪梅糯笃鳌Ｔ诜答伨W(wǎng)絡(luò)中,振動(dòng)方塊作為頻率確定元件集成。當(dāng)循環(huán)增益大于1時(shí),振蕩器從噪聲中開始振蕩到頻率,在此頻率中,整個(gè)循環(huán)的相位移取2π的倍數(shù)。
通過插入與振動(dòng)方塊成串的負(fù)載電容,可以改變諧振條件,從而在小范圍內(nèi)改變諧振頻率。它可以平衡石英頻率的制造偏差,并將振蕩器與所需的額定頻率相匹配。振動(dòng)石英不僅可以在其基本振動(dòng)模式下運(yùn)行,而且可以在更高的上聲模式下運(yùn)行。在物理學(xué)上,這里只有奇數(shù)頂音(3, 5, 7, 等等)。(注意:石英振蕩器的頂音命名是歷史性的,與經(jīng)典的振動(dòng)頂音計(jì)數(shù)不一致。石英振蕩器在3。Oberton實(shí)際上在第三諧波中振動(dòng),這在物理上對(duì)應(yīng)于第二諧波),振動(dòng)夸克和所有電子元件都會(huì)根據(jù)環(huán)境溫度或多或少地改變其電氣特性。簡(jiǎn)單的 XOs 直接暴露在環(huán)境溫度下,因此輸出頻率在 -40 °C – +85 °C 溫度范圍內(nèi)具有高達(dá) 100ppm的明顯溫度依賴性。
負(fù)載容量用于無(wú)控制的有源晶振(XO),以便在生產(chǎn)過程中將振蕩器與固定容量相匹配以達(dá)到額定頻率。然而,由于老化效應(yīng),系統(tǒng)的固有頻率會(huì)隨著時(shí)間的推移而改變。為了能夠稍后改變振蕩器的頻率,可以將所謂的容量二極管與振動(dòng)夸克串聯(lián)起來,而不是固定容量。該二極管具有可變的電容,這取決于施加在其上的電壓,即所謂的拉伸電壓。振蕩器(VCXO,Voltage-controled X-tal oscillator)是電壓控制的振蕩器。通常,容量二極管的設(shè)計(jì)方式是,通過改變負(fù)載容量,可以抵消溫度差和老化引起的所有頻率偏差。
溫度補(bǔ)償石英振蕩器(TCXO)
可以利用 VCXO 的拉伸能力來制造振蕩器,通過內(nèi)部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)來抵消溫度影響,從而顯著降低溫度通量。為此,電容二極管上的電壓會(huì)發(fā)生變化,以便電容的變化可以抵消與溫度相關(guān)的頻率變化。
無(wú)補(bǔ)償?shù)臏囟韧靠梢杂?度多項(xiàng)式近似地描述。由此產(chǎn)生補(bǔ)償電壓,該補(bǔ)償電壓由模擬補(bǔ)償網(wǎng)或相應(yīng)的集成電路生成,并且也由多項(xiàng)式描述。在現(xiàn)代IC中,多項(xiàng)式達(dá)到6級(jí)是常見的。對(duì)于一個(gè)好的TCXO,補(bǔ)償?shù)臏囟韧恐挥袔譸pm的偏差。溫度補(bǔ)償和電壓控制的石英振蕩器的組合也是可能的。這些組合以VCTCXO的形式提供。
使用溫度穩(wěn)定的石英振蕩器(OCXO,Oven-controlled X-tal oscillator)可以實(shí)現(xiàn)最佳的頻率精度。在這里,振動(dòng)石英,以及電振蕩器電路的主要部件,保持在恒定溫度的加熱控制。這消除了環(huán)境溫度對(duì)頻率穩(wěn)定性的影響。有源晶體振蕩器的加熱被設(shè)計(jì)成石英被加熱到其上反轉(zhuǎn)點(diǎn)的溫度,并保持在該溫度(通常約。80-100°C),在上反轉(zhuǎn)點(diǎn),石英的溫度依賴性最小,因此溫度的微小變化對(duì)頻率的影響很小。OCXO的穩(wěn)定性在很大程度上取決于加熱裝置的質(zhì)量,該裝置必須對(duì)外部溫度的變化迅速而無(wú)過度反應(yīng)。
額定頻率:設(shè)計(jì)振蕩器的平均工作頻率
加熱時(shí)間:啟動(dòng)后的時(shí)間,在此期間,振蕩器出現(xiàn)與正常工作頻率的明確偏差
Ein Quarzoszillator ist eine Schaltung zur Erzeugung von hochfrequenten elektrischen Wechselspannungen. Als frequenzbestimmendes Bauelement enth?lt der Oszillator einen Schwingquarz. Quarzoszillatoren überzeugen mit ihrer Frequenzgenauigkeit und Frequenzstabilit?t. In der Praxis finden die Schaltungen sehr h?ufig als Taktgeber für Funkger?te, Prozessoren und Mikrocontroller Verwendung. Es verwundert daher nicht, dass Quarze und Quarzoszillatoren als die wohl wichtigsten Komponenten der Frequenzsteuerung in der Datenübertragung und Telekommunikation gelten. Ihre wesentlichen Vorteile liegen unter anderem in der hohen Resonanzgüte, der gro?en Auswahl an Oszillatoren und der hohen Frequenzstabilit?t begründet.
Professionelle Anwendungen, wie Messger?te, Ger?te zur Satellitennavigation oder Telekommunikationsger?te beispielsweise haben sehr hohe Anforderungen an die verbauten Oszillatoren wie beispielsweise eine gute Frequenzstabilit?t, geringes Phasenrauschen und eine lange Lebensdauer. Um dies zu erreichen, muss auch der verwendete Quarz über verbesserte Alterungseigenschaften verfügen, um so eine entsprechende Gesamtleistung erzielen zu k?nnen. Quarzoszillatoren k?nnen allgemein in folgende Gruppen aufgeteilt werden: Oszillatoren mit fester Frequenz (XO) spannungsgesteuerte Oszillatoren (VCXO), temperaturkompensierte Oszillatoren (TCXO) oder temperatur-geregelte „Oven Controlled Xtal Oscillators“ OCXOs.
Die einfachste Form eines Quarzoszillators ist der X-tal Oszillator (XO). Im Allgemeinen besteht er aus einer elektrischen Schalung, welche als rückgekoppelter Verst?rker wirkt. Im Rückkopplungsnetzwerk ist der Schwingquarz als Frequenzbestimmendes Bauteil integriert. Ist die Schleifenverst?rkung gr??er 1, beginnt der Oszillator aus dem Rauschen heraus auf der Frequenz zu schwingen, bei der die Phasenverschiebung der gesamten Schleife einen Vielfachen Wert von 2π annimmt.
Durch einfügen einer Lastkapazit?t, die sich in Reihe zum Schwingquarz befindet, kann die Resonanzbedingung ge?ndert werden und somit die Resonanzfrequenz in einem geringen Bereich ver?ndert werden. Hiermit k?nnen Fertigungsbedingte Abweichungen in der Quarzfrequenz ausgeglichen werden und er Oszillator auf die ben?tigte Nennfrequenz abgeglichen werden. Der Schwingquarz kann nicht nur in seiner Grundschwingungsmode betrieben werden, sondern auch in h?heren Obertonmoden. Physikalisch sind hierbei nur die ungeraden Obert?ne (3, 5, 7, usw.) m?glich. (Hinweis: Die Benennung der Obert?ne bei Quarzoszillatoren ist historisch bedingt und stimmt nicht mit der klassischen Z?hlung der Obert?ne einer Schwingung überein. Ein Quarzoszillator im 3. Oberton schwingt eigentlich in der 3. Harmonischen, was physikalisch dem 2. Oberton entspricht). Sowohl der Schwingquarz, als auch alle elektronischen Bauteile ?ndern mehr oder weniger ihre elektrischen Eigenschaften abh?ngig von der Umgebungstemperatur. Einfache XOs sind direkt der Umgebungstemperatur ausgesetzt, weshalb die Ausgangsfrequenz eine deutliche Temperaturabh?ngigkeit im Bereich von bis zu 100 ppm über den Temperaturbereich -40 °C – +85 °C.
Die Lastkapazit?t wird beim ungesteuerten Quarzoszillator (XO) dafür verwendet, um bei der Produktion den Oszillator mit einer fest eingebauten Kapazit?t auf die Nennfrequenz abzugleichen. Durch Alterungseffekte kann sich allerdings die Eigenfrequenz des Systems mit der zeit ver?ndern. Um die Frequenz des Oszillators nachtr?glich in geringem Ma?e ver?ndern zu k?nnen, kann anstatt einer festen Kapazit?t eine sogenannte Kapazit?tsdiode in Reihe mit dem Schwingquarz verbaut werden. Diese Diode hat eine ver?nderbare Kapazit?t abh?ngig von der an ihr angelegten Spannung, der sogenannten Ziehspannung. Ein ziehf?higer, also ein in seiner Frequenz ver?nderbarer Oszillator wird VCXO (Voltage controlled X-tal oscillator) genannt. Typischerweise wird die Kapazit?tsdiode so ausgelegt, dass durch die ?nderung der Lastkapazit?t alle Frequenzabweichungen durch Temperaturunterschiede und Alterung ausgeglichen werden k?nnen.
Die Ziehf?higkeit eines VCXO kann ausgenutzt werden, um Oszillatoren herzustellen, welche durch ein internes Kompensationsnetzwerk die Temperatureinflüsse ausgleichen und somit einen deutliche geringeren Temperaturgang aufweisen. Hierzu wird die Spannung an der Kapazit?tsdiode so ver?ndert, dass die Kapazit?ts?nderung der temperaturbedingten Frequenz?nderung entgegenwirkt.
Die besten Frequenzgenauigkeiten k?nnen mit Temperaturstabilisierten Quarzoszillatoren (OCXO, Oven controlled X-tal oscillator) erreicht werden. Hierbei wird der Schwingquarz, sowie die Hauptkomponenten der elektrischen Oszillatorschaltung druch eine Heizungsregelung auf konstanter Temperatur gehalten. Hierdurch entf?llt der Einfluss der Umgebungstemperatur auf die Frequenzstabilit?t. Die Heizung des Oszillators ist so ausgelegt, dass der Quarz auf die Temperatur seines oberen Umkehrpunktes geheizt und bei dieser Temperatur gehalten wird (in der Regel ca. 80-100°C). Am oberen Umkehrpunkt ist die Temperaturabh?ngigkeit des Quarzes am geringsten, wodurch kleine Temperaturschwankungen nur einen geringen Einfluss auf die Frequenz haben. Die Stabilit?t eines OCXO h?ngt stark von der Qualit?t der Heizungsregelung ab, die schnell und ohne überschwingen auf ?nderungen der Au?entemperatur reagieren muss.
Nennfrequenz: Mittlere Betriebsfrequenz, für die der Oszillator entwickelt wurde
Aufheizzeit: Zeitdauer nach dem Einschalten, nach der der Oszillator eine definierte Abweichung der regul?ren Betriebsfrequenz aufweist
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