硅振荡器的抗高过载实验设计与分析

赵冬青 ，赵 杰，甄国涌，王 强，陈 倩

(1.中北大学机电工程学院，太原030051;2.中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051;3.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051;4.太原市华纳方盛科技有限公司;5.航天长征火箭技术有限公司)

石英晶体振荡器自其问世以来，就以其高精度和高稳定度迅速占领了振荡器市场。然而在对电子系统进行炮击实验过程中屡次出现了这样的问题:为系统提供时钟脉冲的石英晶体振荡器发生损坏，整个系统停止工作。出现这种问题是由于石英晶体振荡器以机械方式工作，而且晶体内部组件易磨损，在高过载环境下，内部组件磨损严重以至于彻底损坏［1］。在军事领域，抗过载能力是衡量电子元器件性能的重要指标［2］。尤其是在弹上的应用中，对电子元器件这项指标的要求更为苛刻［3］。为使电子系统在高过载条件下可靠地工作，须找到一种振荡器来代替石英晶体振荡器为系统提供稳定的时钟脉冲。

硅振荡器完全摒弃了机械起振方式，不存在磨损的问题，理论上它不受高过载的影响［4］，但在实际的应用中并没有得到验证。高过载环境对硅振荡器的主要影响有两个方面:一是可能产生频率的漂移，二是可能像损坏石英晶体振荡器一样损坏硅振荡器［5］。本文针对以上两个方面对硅振荡器进行了实验。

实验的主要目的是为了验证硅振荡器能够承受高过载环境的考验，从而代替石英晶体振荡器应用在电子系统中。高过载环境的典型实例莫过于炮击实验，本文用炮击实验来检验硅振荡器是否会在高过载环境中损坏。实验的难点是观察高过载实验能否引起硅振荡器输出频率的漂移。观察硅振荡器是否出现频率漂移不能通过单独的一两次炮击实验来说明。为节省实验成本，本文首先采用了一种低成本且易重复操作的方法——马歇特锤击实验进行检验。

1 高过载下的频率漂移

有关文献表明过载量在103gn～105gn［6］时即可认为是高过载环境。拟采用马歇特锤击实验来实现高过载环境。在实验前首先检验马歇特锤击实验的过载量。

1.1 马歇特锤击实验过载量的检测

采用标准传感器988 来检测马歇特锤的过载量，其电压灵敏度为ε=51.62 μV/gn。在已标定的马歇特锤锤头上固定一个标准传感器988。检测中，每次都将齿轮拨到第30 个齿再释放锤头，以得到最大的过载量。开始反复锤击，用示波器观察988 传感器输出的波形。每次锤击后得到的曲线大致相似，其中一次988 传感器检测到的马歇特锤的过载曲线如图1 所示。

由图1 得此次捶击实验最大过载时的电压偏置为ΔU=1.84 V，过载量H=εΔU，计算可得马歇特锤在本次实验中的最大过载量为35 645 gn，在高过载范围内，可以被视为高过载环境。进行10 次锤击实验，记录传感器电压偏置并计算过载量，统计结果如表1 所示。由表1 可知传感器电压偏置在1.5 V ～2 V 之间，过载量在29 058 gn～38 745 gn之间，都为高过载。

图1 马歇特锤过载曲线

马歇特锤击实验的过载量在高过载范围内，而且实验操作简单，便于重复，可以用来检验振荡器在高过载下的频率漂移。

表1 马歇特锤击实验过载量统计

1.2 实验电路设计

实验中硅振荡器选择Linear 公司的LTC6909I。它是一款典型的可编程硅振荡器，输出频率范围为12.5 kHz ～6.67 MHz，工作温度为-40 ℃～85 ℃，满足大多数应用要求［7］。实验电路如图2 所示，其中电阻用来设置硅振荡器的输出频率。本次实验取，pH=4，采用5 V 电池供电。由芯片资料查得振荡器输出频率为500 kHz［8］。

图2 LTC6909I 型硅振荡器抗高过载实验电路图

1.3 实验方法及结果

将10 块带有LTC6909I 型硅振荡器的电路板分别编号(01 ～10)。先给电路板上电，用示波器观察振荡器的输出波形，记录输出频率，计算频率绝对误差。每个振荡器测量10 次。将10 块电路板都固定在已标定的马歇特锤的锤头上，给电路板上电，开始锤击实验。反复对电路板进行锤击，每锤完一次用示波器采集一次振荡器波形，检验其是否正常工作，记录输出频率，计算频率绝对误差。

锤击100 次后，10 块电路板上的振荡器均未损坏，各振荡器实验记录情况大体一致。限于篇幅问题这里只列举其中一个振荡器(06 号)的实验记录。锤击前振荡器输出的频率及误差如表2 所示，锤击实验前10 次及后10 次记录的输出频率及误差如表3 所示。

表2 06 号硅振荡器锤击实验前输出频率记录表

表3 06 号硅振荡器锤击实验输出频率记录表

由锤击前后记录的表格可以看出:LTC6909I 型硅振荡器在马歇特锤击实验前后输出信号频率并无明显起伏。马歇特锤击实验后LTC6909I 型硅振荡器的输出频率在505 kHz ～508 kHz 之间，输出频率的绝对误差在1.2% ～1.5%之间，符合芯片资料中±2.5%的误差范围，为正常工作状态。

实验表明:LTC6909I 型硅振荡器输出的频率不受高过载实验的影响，高过载实验不会使LTC6909I 型硅振荡器产生频率漂移。

2 炮击实验及结果

2.1 实验条件及过程

实验中的炮弹选用130#榴弹炮，侵彻距离为100 m，侵彻靶体用混凝土靶(水泥稳定级配集料，21 天养护期龄，抗压试验测试结果为4.5 MPa)。实验前，在榴弹炮中装入高冲击测试记录器，用来记录炮击实验中的过载量。

炮击实验前首先给01 ～10 号电路板通电，用示波器测量每个硅振荡器的输出信号，输出波形均正常，06 号硅振荡器炮击实验前输出波形如图3(a)所示。将10 块电路板均固定于榴弹炮中，给电路板上电。开始侵彻实验，实验时炮弹出膛速度为910 m/s。

2.2 实验结果

炮击实验后得到高冲击测试记录器中记录的过载量，炮弹在膛内时平均过载量为8 000 gn，过载量峰值为16 000 gn;炮弹撞击混凝土靶后，着靶行程2.1 m，峰值过载大于235 510 gn，平均过载值约19 000 gn。

实验后，10 块电路板上的硅振荡器均未发生损坏;用示波器测量各振荡器输出波形，波形正常，与实验前比没有变化。实验后06 号硅振荡器输出波形如图3(b)所示。

图3 06 号振荡器锤击实验前后输出信号波形

3 结论

LTC6909I 型硅振荡器的输出时钟信号频率不受高过载环境的影响，反复的高过载实验不会使其产生频率漂移。硅振荡器能够承受高过载环境的考验，工程上可以替代石英晶体振荡器为系统提供时钟脉冲信号。

［1］ 李培行，刘自考.试论石英晶体振荡器的原理和应用［J］.物理教学探讨，2010，28(3):60.

［2］ 赵玉龙，赵立波，蒋庄德. 基于SOI 技术梁膜结合高过载压阻式加速度计研究［J］.传感技术学报，2006，19(5):2171.

［3］ 石云波，祁晓瑾，刘俊. 微型高过载加速度传感器的加工与测试［J］.机械工程学报，2008，44(9):200-203.

［4］ 李丽，张志国，赵正平. RFMEMS 压控振荡器的研制及相位噪声特性研究［J］.传感技术学报，2006，19(5):1907-1910.

［5］ 邵森木，苗军，蒙美海. 硅振荡器取代石英晶体的遥测采编器［J］.探测与控制学报，2011，33(6):1-5.

［6］ 朱政强，石云波，刘晓鹏. 一种新型高量程微加速度传感器侵彻测试［J］.电子设计工程，2009，8(17):53-54.

［7］ Paul Horowit(美)，Winfield Hill(美).电子学［M］.2 版.北京:电子工业出版社，2009.3.

［8］ 沈培宏.MEMS 振荡器的技术简介和发展前景［J］.光电技术，2008，50(3):15-18.