石英晶体谐振器和振荡器.pdf

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用于频率控制和计时 （美） John R.Vig 著 胡文科 译 宁波大学压电器件技术实验室 原 序原 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最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最后我编写了这本“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 录目 录 1. 应用和要求应用和要求 2. 石英晶体振荡器石英晶体振荡器 3. 石英晶体谐振器石英晶体谐振器 4. 振荡器的稳定性振荡器的稳定性 5. 石英材料的特性石英材料的特性 6. 原子频率标准原子频率标准 7. 振荡器的比较与指标振荡器的比较与指标 8. 时间与守时时间与守时 9. 相关器件与应用相关器件与应用 10. 频率控制论文分类，站点和索引频率控制论文分类，站点和索引 第一章第一章 应用和要求应用和要求 石英晶体在电子学上的应用 石英晶体在电子学上的应用 军用和航天应用军用和航天应用 工业应用工业应用 民用民用 通讯 通讯 手表和钟 导航 电视通讯 无线 敌我识别系统 轻便式、分区式、手提式 家用 雷达 无线电设备和 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 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 导航 对于精确导航来说，精确时间是最重要的。

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 John Harrison 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最后的（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 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 模拟信号的数字处理 数字式网络同步 数字式网络同步 同步在数字式无线电中起着决定性作用 它能够保证以最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 1 1×10-11N.A. GPS 两台铷钟 16 2 1.6×10-81×10-10铷钟或 OCXO ~200 3 4.6×10-63.7×10-7OCXO 或 TCXO1000 4 3.2×10-5N.A. XO ~1 百万 锁相环（PLL）和相移键控（PSK）系统的相位噪声 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，最大相位容限为±22.5o，其中±7.5o 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 1.5o，则超过±7.5o 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 利用故障定位 发生故障，即“运动员”射出一个绝缘体时，就会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最近的支架上 宇宙空间探索 宇宙空间探索 军用要求 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： ? 在多参数（时间，温度，加速度，辐射等）范围内能保持稳定 ? 噪声低 ? 功耗小 ? 体积小 ? 预热快 ? 使用期消耗低 振荡器技术改进的效果 振荡器技术改进的效果 ? 抗干扰能力较强和提高了隐藏信号能力 ? 提高对未被授权者拒绝其使用系统 ? 自主期（无线电静寂时间）较长 ? 信号探测较快 ? 功耗底，以减小电池消耗 ? 改善了频谱利用率 ? 提高了监视（低移动目标饿检测）能力 ? 改善了导弹的制导（舰载雷达与地面雷达） ? 提高了敌我识别（IFF）能力 ? 提高了电子战能力（通过 TOA 测定发射机位置） ? 在数字通讯中误码率较低 ? 提高了导航能力 ? 改善了在辐射环境中的生存能力和性能 ? 改善了在高冲击应用中的生存能力和性能 ? 寿命长，体积小，重量轻，价格低 ? 重新校准的时间间隔较长（后勤价格较低） 频谱展宽系统 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： ? 以致有意和无意的干扰； ? 窃听概率低； ? 可选择地址； ? 多路存取； ? 高准确度导航和测距 快速跳频无线电台用时钟 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/km t1 = t2 = 16.5 μs tR = 3.3 μs, 和 tm < 30 μs 允许的钟误差≈0.2 tm≈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 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） 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 多谱勒雷达系统中噪声的影响 ? 回波=移动目标的多谱勒频移回波+强的“杂乱回波”信号 ? （回波信号）-（参考信号）--›目标的多谱勒频移信号 ? 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 收发分置雷达 照射机和接收机在同一平台的。