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石英晶體振蕩器已廣泛應用于衛星通訊、雷達導航測控和廣播電視系統等，特別是精密時頻計量、精密頻率綜合器等電子儀器，皆有賴于高穩石英晶體振蕩器提供精密的頻標和時基，業已占居素有無線電“心臟”的重要地位。而對石英晶體振蕩器的性能要求也越來越高，主要體現在老化特性、頻率溫度穩定度、頻率準確度、電流電壓及功耗、帶負載能力、開機特性、壓控范圍和外型尺寸等因素上。 石英諧振器的選用 隨著通信技術的飛速發展，整機對元器件提出了高精度、高穩定度和高可靠性等各種要求，高穩定晶振是指長期頻率穩定度和短期頻率穩定度都好的晶振，按用途的不同，對晶振長穩和短穩的要求會有所側重，長穩較好就是晶振的頻率老化率低，短穩較好的晶振實質上就是低噪聲晶振，側重于長穩的晶振和側重于短穩的晶振，在石英諧振器的選用及晶振電路設計上都有所不同，長穩較好的晶振希望電路引入到諧振器的損耗盡可能小，即諧振器要有盡可能高的在線Q值[1]，電路對環境溫度和電流、電壓的敏感度要盡可能低，短穩晶振則要求電路中的噪聲盡可能低。石英諧振器根據切型不同分為AT切、SC切、BT切和FC切[2]，前兩者應用最多，AT切型的顯著特點是諧振器的振蕩頻率與溫度的關系呈近似的三次函數關系，因而它有零溫度系數點，且零溫度系數點大致落在大氣環境溫度范圍內。因此，用AT切型諧振器做成的振蕩器具有較好的頻率溫度特性，AT切型諧振器的缺點是存在較大的頻率熱過沖現象，這對短期頻率穩定度要求較高的振蕩器來說是很不利的，但對老化影響不大[3]。因此選用AT切型石英諧振器。 晶振電路設計 車載雷達用恒溫石英晶體振蕩器電路包括主振級、放大級、波形與頻率變換，自動增益負反饋AGC及壓控電路，其結構框圖示于圖1： 圖1 晶振電路結構框圖 若諧振器的頻率與實際頻率一致，則不需倍頻變換，若輸出需要正弦波，則不需波形變換。圖2示出車載雷達用單層恒溫壓控石英晶體振蕩器電路原理圖。 其中石英晶體和晶體管T1構成的電路為柯爾匹茲主振電路。晶體管T2構成了阻容放大器，對振蕩信號進行預放大。晶體管T3構成了單調諧放大器，進行輸出放大，得正弦波信號。集成電路IC1可實現倍頻和波形變換，主振頻率為38.88MHz，已滿足車載雷達用頻率，因此，IC1僅作波形變換，得方波輸出。二極管D1和D2構成的回路為自動增益負反饋。二極管D3、變容二極管CX、電組R1和R2構成了壓控電路，電位器RX是用來實現手動調頻。 恒溫電路設計 高穩定度晶振都是恒溫晶振，車載雷達用的38.88MHz晶振為二級鐘，單層恒溫槽即可滿足其要求。控溫電路采用具有零點漂移補償性能的直流式溫控電路，為了充分利用電源電壓提供的功率，對槽體加熱采用功率管管耗加熱，而不是通常采用的電阻絲加熱，避免了繞電阻絲的工藝麻煩。其溫控電路原理圖示于圖3。 圖3 恒溫電路原理圖 通電后，當恒溫槽內溫度上升尚未達到控制溫度時，熱敏電橋有較大的失衡輸出電壓，恒溫槽處于最大加熱功率狀態。隨著恒溫槽內溫度的上升，電橋失衡電壓逐漸減小，當恒溫槽加熱至所需控制溫度時，電橋保持一定的平衡輸出電壓，此電壓經過運放F2直流電壓放大后控制流過功率管的電流I，使I保持一定數值，它產生的熱量等于在一定外界條件下恒溫槽的耗損熱量。當恒溫槽溫度發生變化時，則熱敏電阻RT的數值也變化，從而改變電橋相對平衡輸出電壓。此電壓放大后用以調整電流I，改變加熱功率來補償恒溫槽內部溫度的變化，從而使溫度恒定。如：T ( ( RT ( ( V+ ( ( V0 ( ( I ( ( T ( 在用集成運算放大器作為放大級時，常存在零點漂移，且被逐級放大，但由于從前級到后級放大器放大的倍數是逐級減少，所以在多級放大器中，零點漂移主要由第一級決定，為此在運放的輸入端加上與輸出端溫漂大小相等、極性相反的電源來抵消溫漂電壓，這個電源由另一塊同樣工藝及參數的運放產生的溫漂來提供，只要這塊運放的閉環增益等于1，圖4中運放F1的閉環增益等于1，兩塊運放F1和F2選用做在同一塊硅片上的雙運放158提供，其工作溫度相同，制作工藝條件一樣，所以它倆的溫漂幾乎相等，于是F2的總溫漂很接近于零，這樣通過補償后的恒溫電路的溫度穩定度大大提高了。 結語 理論推導和實驗證實：每級晶體管集電極電源必須接0.01(F電容去耗；恒溫電路不要與振蕩電路共電源，否則，槽體波動將干擾振蕩電路；穩壓部分應選用穩壓二極管，而不用三端穩壓器，因三端穩壓器的溫度特性比穩壓管的溫度特性差得多。 本車載雷達用恒溫壓控晶體振蕩器要求體積小，外殼尺寸僅為50×50×20mm3，通過對恒溫槽的結構合理設計、電路板巧妙布局、電路正確調試，完全滿足用戶要求，實測指標為：標稱頻率38.88MHz，電源電壓12VDC(10%，最大電流350mA，預熱三天測七天，老化特性優于(2E-8，在0℃_50℃內頻率溫度穩定度優于(5E-8，頻率準確度優于(1E-7，壓控范圍不小于(4.6E-6/2.5V(2.5V，方波輸出，能帶10個TTL負載。 |
