隨著軍民用通信和測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，高頻溫度補(bǔ)償晶體振蕩器的需求日益迫切，特別是頻率值高于100MHz的高頻溫補(bǔ)晶振，它能降低整機(jī)倍頻次數(shù)，改善系統(tǒng)指標(biāo)，具有廣泛的應(yīng)用前景。
對(duì)高頻晶體振蕩器進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)途徑目前一般有兩條：一是對(duì)高次泛音高頻晶體振蕩器的頻率直接進(jìn)行溫度補(bǔ)償；二是先對(duì)低次泛音或基頻晶振的頻率進(jìn)行溫度補(bǔ)償，然后將其倍頻得到所需的高頻值。因?yàn)槭⒕w諧振器的串、并聯(lián)諧振頻率間隔與泛音次數(shù)的平方成反比，即泛音次數(shù)越高，串、并聯(lián)諧振頻率間隔越窄，補(bǔ)償就越困難。第一種途徑必須加電感以拓寬高次泛音晶體諧振器的串、并聯(lián)諧振頻率間隔，才易于補(bǔ)償。這樣就降低了晶體振蕩器的Q值，降低了頻率一溫度穩(wěn)定度，降低了相噪性能。第二種途徑必須對(duì)低次泛音或基頻晶振進(jìn)行倍頻才能得到所需的高頻，這就惡化了晶體振蕩器的相位噪聲和頻譜。因此，本文提出一種新的高頻泛音晶體振蕩器溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ朔烁叽畏阂艟w諧振器串、并聯(lián)諧振頻率間隔窄所帶來的固有缺陷，能克服目前泛音溫補(bǔ)晶振的穩(wěn)定性下降和相噪惡化的缺點(diǎn)，使實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的高頻泛音晶體振蕩器的溫度補(bǔ)償成為可能。
一、溫度補(bǔ)償高頻石英晶體振蕩器的構(gòu)成
圖l 高頻泛音晶體振蕩器系統(tǒng)構(gòu)成圖
系統(tǒng)主要由陶瓷振蕩電路、石英晶體振蕩電路、混頻器、晶體濾波器、微處理器等五部分組成。系統(tǒng)原理框圖見圖1：高頻泛音石英晶體振蕩電路采用100MHz五次泛音石英晶體作為振蕩晶體。陶瓷振蕩電路采用450kHz低頻陶瓷作為諧振器，陶瓷諧振器的串、并聯(lián)諧振頻率較寬，易于通過改變連接在陶瓷振蕩電路一端的電容來改變陶瓷振蕩電路輸出的頻率。由電容的變化而引起的陶瓷振蕩電路輸出頻率的變化△f，恰好能夠?qū)κ⒕w振蕩器以及陶瓷振蕩器在溫度變化下的頻率偏移之和進(jìn)行補(bǔ)償。微處理器采用模擬公司的ADμC812，該處理器工作溫度范圍為-40～+85℃，其內(nèi)部集成了溫度℃?zhèn)鞲衅骱虯/D。微處理器根據(jù)溫度傳感器輸出的當(dāng)前溫度信息，計(jì)算出溫度補(bǔ)償所需要的電容值。然后從P2口輸出控制信號(hào)選通開關(guān)電容陣中相應(yīng)的電容，開關(guān)電容陣連接在陶瓷振蕩電路的一端，電容改變，陶瓷振蕩電路的輸出頻率發(fā)生變化，頻率變化值△f對(duì)整個(gè)振蕩器在溫度變化下的頻率偏移進(jìn)行了補(bǔ)償。石英晶體振蕩電路輸出的頻率信號(hào)與陶瓷晶體振蕩電路輸出的頻率信號(hào)進(jìn)行混頻，得到二者的和頻和差頻，再由晶體濾波器進(jìn)行選頻得到兩者的和頻作為最后的頻率輸出。當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，微處理器P2口的控制信號(hào)發(fā)生變化，開關(guān)電容陣中選通的電容發(fā)生變化，連接在陶瓷振蕩電路一端的電容值發(fā)生變化，其輸出頻率發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)石英晶體的溫度補(bǔ)償，將晶體振蕩器的輸出頻率穩(wěn)定在標(biāo)稱頻率上。
二、溫度補(bǔ)償原理
通過溫度實(shí)驗(yàn)得到未經(jīng)補(bǔ)償?shù)木w振蕩器頻率一溫度特性如圖2，（實(shí)驗(yàn)器材：頻率計(jì)型號(hào)：HP-5334B；高低溫箱：CT6003；電源：DCYBl719）
圖2 未補(bǔ)償?shù)木w振蕩器頻率一溫度曲線
溫度補(bǔ)償?shù)哪康木褪鞘咕w振蕩器的頻率輸出在整個(gè)溫度范圍內(nèi)頻率偏移達(dá)到最小。該振蕩器頻率偏移值包括了溫度變化下的石英晶體振蕩器頻率偏移△f1和陶瓷振蕩器的頻率偏移△f2。為實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償?shù)哪康，就要使陶瓷振蕩電路的頻率改變△f絕對(duì)值等于石英晶體的頻率偏移值△f1與陶瓷的頻率偏移值△f2之和，符號(hào)相反，即△f（t）=△f1（t）+△f2（t）。對(duì)整個(gè)振蕩器輸出頻率的補(bǔ)償是通過改變與陶瓷振蕩電路一端相連的電容來實(shí)現(xiàn)的。實(shí)際中采用開關(guān)電容陣來實(shí)現(xiàn)電容的改變，這樣電容的變化范圍大于普通的變?nèi)荻䴓O管的變化范圍，使方案得以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)有利于集成，并有可能利于減少相位噪聲。
微處理器的輸出口P2有8位，故開關(guān)電容陣可選8個(gè)電容。這8個(gè)電容可以有28=256種組合方式，每一種組合方式由微處理器輸出口的8位二進(jìn)制數(shù)值來決定，把該8位二進(jìn)制值轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制值則每種不同組合方式均與0到255之間的整數(shù)N存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。由實(shí)驗(yàn)直接得到N．溫度的特性關(guān)系如圖3所示．
圖3 溫度與電容組合整數(shù)N的關(guān)系曲線
圖3中，每相鄰兩點(diǎn)之間可以用線性插值的方法構(gòu)造N-溫度函數(shù)，可表示如下：
將該函數(shù)編程寫入微處理器中，每當(dāng)溫度發(fā)生變化，微處理器通過上述函數(shù)的計(jì)算得到不同溫度下不同的N值，從而輸出口P2的二進(jìn)制值就發(fā)生變化，電容的組合方式就發(fā)生變化，與陶瓷振蕩電路一端相連的電容陣的電容值發(fā)生變化，從而陶瓷振蕩電路的輸出頻率發(fā)生變化，使得△f（t）=△f1（t）+△f2（t），從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)振蕩器頻率偏移的補(bǔ)償。
三、補(bǔ)償結(jié)果
對(duì)已加入補(bǔ)償措施的晶體振蕩器進(jìn)行溫度實(shí)驗(yàn)，初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。
實(shí)驗(yàn)中由于選用的陶瓷振子是普通的商用陶瓷振子，在低于0℃時(shí)，由于密封不嚴(yán)將出現(xiàn)停振，故初步實(shí)驗(yàn)溫度設(shè)定為0～70℃。為了更直觀地觀察補(bǔ)償結(jié)果，給出了圖4補(bǔ)償前和補(bǔ)償后的頻率輸出比較圖。
（標(biāo)稱頻率取f0=100 449 242Hz）
表l 補(bǔ)償前和補(bǔ)償后的輸出頻率對(duì)比表
圖4 補(bǔ)償結(jié)果圖
四、結(jié)束語
從上面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，經(jīng)過補(bǔ)償后，振蕩器的頻率一溫度穩(wěn)定性要比未經(jīng)補(bǔ)償?shù)暮玫枚啵蛇_(dá)到±2×10-6以內(nèi)。振蕩器的頻率一溫度特性得到了很大的改善。
本文提出的高頻溫補(bǔ)方法與以往的高頻溫補(bǔ)方法完全不同。它充分利用了陶瓷諧振器串、并聯(lián)諧振頻率較寬的特性，克服了高次泛音石英晶體串、并聯(lián)諧振頻率太窄所帶來的固有缺陷，使得高次泛音石英晶體溫度補(bǔ)償?shù)靡詫?shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)選用了一般的商用陶瓷諧振器，其溫度范圍較窄為0～70℃，這是該振蕩器溫度范圍窄的原因，只需要改換一個(gè)溫度范圍較寬的陶瓷諧振器即可解決溫度范圍的問題。由于需要補(bǔ)償?shù)念l率偏移是由晶體和陶瓷共同引起的，其偏移范圍較大，這有可能降低振蕩器的穩(wěn)定度。但我們可以通過增加開關(guān)電容陣中電容的個(gè)數(shù)方便地解決，這也是我們需要進(jìn)一步研究的方向。該振蕩器適宜集成，能適應(yīng)電子系統(tǒng)要求的高頻高次泛音溫補(bǔ)晶振的迫切需求。可廣泛用于軍事、民用通信等領(lǐng)域，具有良好的發(fā)展前景和市場(chǎng)競(jìng)爭力。 |
