优良短期稳定度10MHz恒温晶振研制

王钰

摘要：恒温晶振作为一种具有优良性的频率发生的设备，运用于许多的领域中。而优良短期稳定度是指在晶振研制中的一项基准指标的体现。它在我国航天、电子、通信等领域运用具有十分重要的作用，主要是运用恒温晶振研制的优良短期稳定住促使设备系统的性能保持稳定以及提高的状态。在本文的论述中主要是对恒温晶振基本工作原理进行了解的基础上，进行不同电路的设计，研制出具有优良短期稳定度的10MHz恒温晶振。

关键词：优良短期稳定度；恒温晶振；控温系统

在目前恒温晶振优良短期稳定度相关标准范围控制在5×10-13/s～2×10-12/s范围之内，因其自身的优良性，被广泛运用于很多的领域中，同时它的运用可以促使相关设备系统的性能得到很大的提升。主要体现在：在通信设备中的使用，可以促使误码率的降低。在测速系统中运用可以提高测试数据的精准度，以及雷达系统中辨别力的提高等等。针对这些实际运用所体现的优势，我们对此进行研究。

一、恒温晶振研制优良短期稳定度的影响因素

在19世纪提出的简单噪声模型，通过运用与实际相对比具有很好的效果，随着运用范围的拓宽，扩大了它的影响力，后来被广泛运用于振荡器中对噪声的分析。其中振声器由于是由放大器和正反馈网络两者组成。在这种形式中通过震荡信号进行干扰从而对振荡器的短期稳定造成影响。我们对此进行假设，在放大器中假设只存在白噪声和闪变噪声，所输出的单边相位噪声密度用公式进行表示为：

将公式带入到其中进行振荡器，进行短期稳定度指标影响因素的判断，得出在进行晶体谐振器时需要提高有载品质因数的指标；同时需要在研制的过程中选用具有低噪声效果的晶体管。其中又特别是主晶体管的选择；其次是选择合适的辅助电路；最后是双层恒温槽的运用，防止由于其他环境因素造成的频率稳定度的变化。

二、低噪声恒温晶振研制设计

如上图所示，我们知道恒温晶振是震荡电路与温度控制两个主要部分组成，通常是由主要电压和辅助电压的作用下进行。其中辅助电压又包括放大电路、自动增益控制电路等多种电路组成。控制整体温度的恒温系统主要依靠恒温电路和恒温槽得以实现，以此实现其高度的稳定性。

（一）低噪声震荡电路设计

1）对低噪声震荡电路设计主要包含两部分的内容，一方面是低噪声主振电路的设计和辅助电路的设计这两方面的内容。主振电路作为恒温晶振设计中的重点部分，它的有效设计对整体恒温晶振具有重要的作用。因此在设计中对主振电路设计的选择主要是皮尔斯的电路设计形式，由于这种电路形式自身运用具有很好的稳定性，被广泛运用于低噪声震荡电路设计当中。而低噪声震荡电路设计中的另一部分辅助电路设计主要是通过电源的滤波电路和放大电路以及滤波的匹配器三者之间的形成。

2）在主振电路设计中对低噪声的设计主要是通过设置晶体管以此降低电压的工作电流，由于晶体管中的噪声分为白噪声和闪烁噪声，因此在选择的时候需要根据等效模型电阻小的晶体管，在放大倍速上不宜过高，基本上电流放大倍数大于80。最后是选择有载品质因数较高的晶体谐振器，对提高震荡电路秒级稳定度具有优势作用。在辅助电路设计中主要是采取降噪的措施，如：对电源进行二次稳压的设计以此减少由于电源波动发生干扰。其次是采用高低频率波不同的参数组合进行，以此对不同频率的噪声进行滤除。最后是对放大线路进行的降噪措施主要是通过对合理工作点的确定，促使放大线路处于线性的工作区中，使一级的放大线路在线形工作区工作，在二级放大线路使之保持在稳定的状态，以此方式，起到彼此隔离的作用。

（二）精密控温系统设计

1）控温系统主要是通过控温电路和恒温槽两部分组成，建立具有高精度的控温系统设计就可以提升恒温晶振的频率温度的稳定性。对此运用双层恒温槽的设计以此改善秒级短期的稳定度。双层恒温槽是通过内外双层的形式连接控温的电路，使之避免受到外界的干扰。通过对直接放大式连接控温电路设计进行ΔU输出电压的公式：

使其在这个过程中电压的输出经过放大后自行对加热电流进行控制，促使最终产生的热量与恒温槽所耗费的热量相等，促使恒温晶振实现最佳的频率温度稳定性。

2）双层恒温槽的设计主要是实现控温电路性能的精密度，对此进行有效的设计促进发挥保温性能的优良性特点和进行合理结构的形式，同时还能够降低由于环境影响因素对其造成的影响。

三、短期稳定度测试方法和结果

短期稳定度以阿伦方差进行表达公式如下：

对相关产品进行测试，主要是确保恒温晶振研制短期稳定性控制在5×10-13/s～2×10-12/s标准之内。通常在对此进行测试中所测试的最终的短期稳定度應该是优于被测试的参考源才能够保证最终的测试结果。通常进行测试所使用的方法是三源循环比对测试方法的使用以此得出最终的测试结果。运用三源循环比对方法的运用需要我们保证在测试的过程中短期稳定度的一致，同时进行测试的时间也是一致的，由于这种测试方法对测试的环境和相关设备的要求比较高，因此在进行测试的过程中尽量对测试的时间进行压缩，以此减低因为外界因素对测试结果造成的影响。对最终的产品进行短期稳定度的测试指标的公式按照：

通过这项公式将不同的数值带入其中计算出其中秒级的稳定度值，以此完成对恒温晶振的研制。

四、结语

本文是基于对优良短期稳定度10MHz恒温晶振研制的研究。在本文中对此进行研究主要是通过对降低噪声的电路设计的方式进行对高精度控温系统的设计这两方面内容进行，在文章的第一部分主要是对恒温晶振研制优良短期稳定度的影响因素进行分析得出在进行晶体晶振谐振器需要提高晶体管的品质因数，同时需要选择具有降噪效果的晶体管进行使用，最后是选择合适的辅助电路，最后是运用具有隔断功能的双层恒温槽的使用，以此防止由于环境因素造成的最终测试成果出现偏差。在第二部分是对低噪声恒温晶振研制进行设计，主要是通过低噪声震荡电路设计和精密控温系统设计这两方面进行完成，最后是通过相关测试方法对最终结果带入相关公式进行测试计算，以此完成对恒温晶振短期稳定度的研制。

参考文献：

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