石英晶体谐振器和振荡器

石英晶体谐振器和振荡器用于频率控制和计时（美）JohnR.Vig著王骥胡文科译宁波大学压电器件技术实验室原序为什么编这本教材Einstein曾说“凡事均应做得尽可能简单，而不只是比较简单”。本“教材”的主要目的是尽可能简单的介绍频率控制与计时中昀常碰到的一些基本概念。我经常被请求向精密振荡器的参观者、管理部门的领导和潜在用户作介绍，我也经常被邀请出席各种会议并参加对大学、电气与电子工程师协会和各种专业组的论文的评价工作。在开始时，我要花很多时间去准备材料，大多数时间均花在一些图表直观材料的准备上。随着积累的图表越来越多，材料的准备就变得越来越容易。由于经常需要对这些图表进行“费力的复制”工作，我就开始编写和增加一些文字说明并填写在所收集图表的空白处。随着收集的图表逐渐增多，我开始接受建设性意见，同时需要进行更多的复制工作。显然，其他人员也发现这样的收集工作是有用的。昀后我编写了这本“教材”。这是一个不断发展的工作。我计划加入新材料，加入另外的发现。欢迎为将来的修订提出意见和建议。目录第一章应用和要求.............................................................4第二章石英晶体振荡器...................................................12第三章石英晶体谐振器...................................................23第四章振荡器的稳定度...................................................41第五章石英材料的特性...................................................89第六章原子频率标准.......................................................98第七章振荡器的比较和技术指标.................................111第八章时间和守时.........................................................117第九章相关器件和设备.................................................128第一章应用和要求石英晶体在电子学上的应用军用和航天应用工业应用民用通讯通讯手表和钟导航电视通讯无线电话敌我识别系统轻便式、分区式、手提式家用电话雷达无线电设备和电话无线电设备和高频设备传感器航空，航海彩电制导系统导航便携电视系统引信仪器家用计算机电子战计算机VCR和电视摄象机声纳浮标数字系统业余无线电台研究和工艺阴极射线显示器玩具和游戏机原子钟软盘起搏器仪器调制解调器其他医用设备天文学和大地测量标签/标志自动化空间跟踪公用事业引擎控制，收音机，钟天体导航传感器Trip计算机，GPS石英晶体器件市场工艺年产量单价全世界年交易额石英晶体~200亿~$1($0.1—3000)~$12亿原子频率标准氢钟~10$200000$2百万铯射束的频率标准~500$50000$2千5百万铷电池的频率标准~60000$2000$1亿2千万导航对于精确导航来说，精确时间是昀重要的。在历史上，导航曾是人类研究更好时钟的主要动力。甚至在远古时代，人们已能够通过观测星球的位置来测量纬度，但是，要确定经度，这个问题就变成了计时问题了。由于地球旋转一周要花24小时，所以人们能够根据当地的时间（由太阳位置确定）和格林威治子午圈的时间（由某一时钟确定）的时间差来确定经度。经度（o）=)()24/360(hthΔ×o在1714年，英国政府对第一个生产出能够测定6个星期航海30海哩的航船经度的时钟（即准确度为每年3秒的时钟）赏以20000英镑的奖金。英国人JohnHarrison于1735年成功的发明了天文钟而得到了这笔钱。今天的电子导航系统还要求更高的精确度。由于光（无线电波）每微秒传播300米，比如，航船的计时误差为1ms，则导航误差为300km。在全球定位系统中，卫星中的原子钟和接收机中的石英晶体振荡提供纳秒级的精确度。昀后的（全球）导航精确度大约为10m（见第8章关于GPS的详细介绍）。商用双路无线电台过去，由于商用双路无线电台用户数目的增长，信道间隔已经变窄，较高频率的频谱必须分配来适应这种需要，由于发射机和接收机来说，较窄的信道间隔和较高的工作频率均要求严格的频率容限。1940年只有几千台商用广播电台的发射机投入使用，500ppm的容限就足够了。今天，工作在800MHz以上的步话机，必须保持2.5ppm的频率容限或更高。896~961MHz和935~940MHz移动式无线电频带要求主站的频率容限为0.1ppm，而要求移动站的频率容限为1.5ppm。为了适应更多用户的需要，对频率准确度的要求会越来越高。例如，NASA正在研制使用步话机手持终端的个人卫星通讯系统，该系统的上限频率为30GHz,下限频率为20GHz，信道间隔为10KHz,对终端频率的准确度的要求为10-8。模拟信号的数字处理数字式网络同步同步在数字式无线电中起着决定性作用。它能够保证以昀小的缓冲上溢或下溢，即以允许的“滑动”电平进行信息传输。滑动产生的问题：在FAX传输中漏行，在声音传输和数据传输中丢失加密关键码。在存取时间和定时（AT和T）网络中，均按节点层次进行定时分配。定时源与接收机之间的关系是建立在装有钟的数对节点之间。钟有四种类型和四个“等级”。准确度（自由振荡）等级长期每第一天钟类型使用数目11×10-11N.A.GPS两台铷钟1621.6×10-81×10-10铷钟或OCXO~20034.6×10-63.7×10-7OCXO或TCXO100043.2×10-5N.A.XO~1百万锁相环（PLL）和相移键控（PSK）系统的相位噪声振荡器的相位噪声有可能导致相位变换的错误检测，即在用相位键控法进行数字调制时产生误码。例如，在采用8相相移键控法进行数字通讯中，昀大相位容限为±22.5°，其中±7.5°是可允许的典型载波噪声的贡献。例如，根据相位偏移的统计特性，如果均方相位偏移为1.5°，则超过±7.5°的相位偏移的概率为6×10-7，这在某些应用中能够引起很大的误码率。冲击和振动甚至在“低噪声”振荡器中也能产生大的相位偏移。同时，振荡器的频率经n次倍频后，相位噪声也增大n倍。例如，在10MHz时，10-3rad的相位偏移变成了在10GHz时的1rad。这样大的相位偏差可能使依靠锁相环或相移键控法的系统完全失效。在上诉应用中，对加速度不敏感的低噪声振荡器是至关重要的。利用故障定位发生故障，即“运动员”射出一个绝缘体时，就会在线路下产生干扰。故障的位置就可以根据到达的时间差来确定][2/1)]([2/1tcLttcLXabΔ−=−−=式中：X—故障距A台的距离L—A台和B台之间的线路长度c—光速ta和tb—干扰分别到达A和B的时间故障定位者误差X误差=1/2(c△t误差)；如果△t误差≤1ms，则X误差≤150m≤高压电线支架间隔的1/2。则公司可以把维修队直接送到离故障昀近的支架上。宇宙空间探索军用要求军用要求是频率控制技术的主要动力。现代军用系统要求振荡器\钟具有以下的性能：z在多参数（时间，温度，加速度，辐射等）范围内能保持稳定z噪声低z功耗小z体积小z预热快z使用期消耗低振荡器技术改进的效果z抗干扰能力较强和提高了隐藏信号能力；z提高对未被授权者拒绝其使用系统；z自主期（无线电静寂时间）较长；z信号探测较快；z功耗底，以减小电池消耗；z改善了频谱利用率；z提高了监视（低移动目标饿检测）能力；z改善了导弹的制导（舰载雷达与地面雷达）；z提高了敌我识别（IFF）能力；z提高了电子战能力（通过TOA测定发射机位置）；z在数字通讯中误码率较低；z提高了导航能力；z改善了在辐射环境中的生存能力和性能；z改善了在高冲击应用中的生存能力和性能；z寿命长，体积小，重量轻，价格低；z重新校准的时间间隔较长（后勤价格较低）。频谱展宽系统在频谱展宽系统中，发射信号是在比正在被发送的信息所要求带宽宽得多的带宽内加以展宽的（例如数千赫带宽的音频电路扩展到数兆赫）。这是用被发送的信息和用多种频率伪噪声编码信号对载波加以调制来实现的。具有相应伪噪声码的频谱展宽接收机能够调解并取出所发送的信息，没有伪噪声码的接收机也许完全漏掉信号，或者如果这些接收机检测出信号，则他们是以噪声形式出现的。频谱展宽调制的类型有两种：1.用数字码序列调制载波的直接序列型。2.载波频率来回跳动的频率跳变型。在某一预定接收机中，频率顺序是通过编码程序来确定的。发射机和接收机中的钟必须同步，即在频率跳变系统中，发射机和接收机在同一时间跳同一频率上。跳变的速率越快，抗干扰能力越强，钟就越准确。频谱展宽系统的优点：z以致有意和无意的干扰；z窃听概率低；z可选择地址；z多路存取；z高准确度导航和测距。快速跳频无线电台用时钟要使“极好”的跟踪干扰台失去作用，要求跳频速率为()Rmtttt−+21式中：tm≈信息持续时间/跳变≈1/跳变速率例如：令R1至R2=1km，R1到J=5km，J到R2=5km，则传播延迟=3.3μs/kmt1=t2=16.5μstR=3.3μs,和tm30μs允许的钟误差≈0.2tm≈6μs对于4小时的同步时间，钟的准备度要求为4×10-10。钟和C3频率跳变系统慢跳变好钟快跳变较好的钟延长无线电静寂时间较好的钟延长校准间隔时间较好的钟正交性较好的钟互用性较好的钟敌我识别（IFF）在现代化作战中，空中充满着敌我飞机和各种从地面和机载平台上发射的先进武器，所以可靠的敌我识别是极其重要的。例如，在20世纪所有战争中，由于识别错误所引起的自相残杀行为成了重要问题。目前的敌我识别系统采用询问/应答的方法，这种方法使用编密码的展宽频谱信号。友方接受到的询问信号被认为是通过我方平台询问机自动送回的“修正”码。此“修正”码必须经常改变，以防止敌方记录和发射作为我方的修正码（“重复干扰”），此编码的改变是在该编码真实间隔的末端。钟的准确度越好，该码的有效间隔就可能越短，对重复干扰的抗干扰能力就越强，因此，对于不能在战斗钟使他们的钟重新同步的用户来说，自主的时间也就越长。多谱勒雷达系统中噪声的影响z回波=移动目标的多谱勒频移回波+强的“杂乱回波”信号z（回波信号）-（参考信号）--›目标的多谱勒频移信号z本地振荡器的相位噪声调制（抗调解）回波信号，产生频率较高的回波分量，因此降低了雷达把目标信号和回波信号分开的能力。收发分置雷达照射机和接收机在同一平台的普通（比如收发合置）雷达容易受到各种反雷达装置的攻击，照射器和接收机相距很远的收发分置雷达能够大大降低反雷达装置，比如干拢和反辐射武器的攻击，因而能够通过“回波调谐”（利用接收器的移动来补偿照射器的移动，使得所探测区域产生的多谱勒频移为零）来提高对慢速移动目标的探测能力和识别能力。发射机可以设在距战场很远的掩体里，因此，接收机能够很“安静”。关于定时和相位相干性绝对值大小的问题，收发分置雷达可能比收发合置雷达要求更严格，特别是在平台移动时。两参考振荡器必须保持同步，同时在飞行中要调谐来使得接收机知道发射机发射的每一个脉冲，并且相位变化要小到能够形成清楚的图象。因此对低噪声振荡器的短期稳定度有要求，而对原子频率标准通常是对长期稳定度有要求。多谱勒频移多谱勒雷达要求相位噪声低得振荡器。目标的速度和雷达的频率是决定振荡器要求的主要因素。例如，要能探测低速移动目标，靠近载波的噪声必须低。一个物体的相对与观者的移动的多谱勒频移为Δf/f=2v/c，Δf是多谱勒频移，v是物体的速度，c是光速。多谱勒频移例子如果v=4km/h和f=10GHz（即一个低速移动车辆通过一个X波段带宽的雷达），Δf=74Hz，即低相位噪声振荡器为了能够在雷达系统上连贯的“看到”车辆载波在74Hz是必须的。第二章石英