每個石英晶振的共振頻率都受到加速力的影響.性質(zhì)效果取決于所施加的力的類型.靜態(tài)重力的變化諸如傾斜或旋轉(zhuǎn)之類的經(jīng)歷將導(dǎo)致頻率的階躍偏移.與時間有關(guān)的加速度或振動將對輸出進行頻率調(diào)制.沖擊脈沖會引起尖銳的輸出頻率的暫時擾動.

  這些頻移的大小由晶振的加速度或”g靈敏度”決定矢量和所施加的加速力的特性.散裝模式的典型g靈敏度范圍石英晶體可以跨越幾個數(shù)量級,對于精心制作的石英晶體,每克不到1×10-10精密SC切割至每克1×10-7以上,成本低.[1]

  由于這些影響的大小相對較小,因此在許多應(yīng)用中無法檢測到它們標準振蕩器,如VCXO晶振和時鐘.

  然而,對于精密恒溫振蕩器或經(jīng)受惡劣環(huán)境條件的振蕩器固有加速度靈敏度可能非常顯著.如果振蕩器部署在高振動環(huán)境中例如機載平臺,增加的相位噪聲會降低系統(tǒng)性能所有其他噪聲源的總和.但是即使在良性環(huán)境中,高穩(wěn)定性O(shè)CXO也可能會經(jīng)歷顯著的頻率偏移.了解振蕩器的工作環(huán)境經(jīng)驗和對石英晶體加速度靈敏度的理解,可以預(yù)測并計劃預(yù)期的頻率誤差.

■石英晶體諧振器G靈敏度向量的描述

  晶體振蕩器的g靈敏度通常通過測量三個相互關(guān)聯(lián)的屬性來表征垂直軸.然而,石英的固有加速度特性由單個矢量at組成一些通常不垂直于包裝的任何面的角度.(見圖1)

圖1

  通過測量相互正交的個體組件,可以確定gssensitivity的大小和方向向量,max.

  使用以下三角恒等式,可以計算 max的特性.

  一旦知道了 max的大小和角度方位,外界的預(yù)期效果可以確定在任何方向上施加的加速力.當(dāng)?shù)姆较蛩┘拥牧ζ叫杏?max的軸,它將對晶體諧振器產(chǎn)生最大的影響頻率.當(dāng)所施加的力的角度遠離平行于 max的軸時,結(jié)果效果隨著角度α的余弦而衰減.因此,如圖2所示,定義了一個圓.或者,如果從所有三維來看,將描述一個以 max為軸的球體.因此,結(jié)果晶體在任何方向上的g靈敏度作為函數(shù),由下式給出

■實現(xiàn)”零”G靈敏度的方向

  當(dāng)力以相反的方向施加時,相等幅度但符號相反的頻移定義了圖2所示的第二個圓.因為gssensitivity的向量和余弦性質(zhì)向量一個零g靈敏度的平面由垂直于 max.的平面定義這說明了這樣一個事實,即任何施加到垂直于 max的壓電石英晶體上的力都會有一個對頻率的影響最小.(見圖2)

圖2

■G靈敏度測量方法

  相對較小的頻移必須當(dāng)表征晶體時測量振蕩器的G靈敏度.一種方式對..進行基本測量精密振蕩器就是使用變化在地球引力場中導(dǎo)致石英晶體振蕩器頻率偏移.這種技術(shù)被稱為”2g”tipover”方法.頻率變化是以單位來衡量的顛倒過來.凈效果是2G的變化.因此,金額測量的頻移除以乘以2是振蕩器的g靈敏度那個軸.程序是對另外兩個軸重復(fù).盡管概念簡單,但這方法需要穩(wěn)定的振蕩器能夠持續(xù)測量發(fā)生的小頻率偏移.

  為了獲得精確的動態(tài)測量,測量晶體的性能,同時施加振動.感應(yīng)邊帶的電平可以使用標準FM來確定調(diào)制指數(shù)公式

  假設(shè)FM等于振動頻率Fv,g是施加的最大振動水平,則給出 f通過:

公式可以改寫為:

  使用具有高動態(tài)范圍的窄帶頻譜分析儀,可以測量這些邊帶直接.如果需要,調(diào)制指數(shù)和邊帶電平可以通過相乘來增加貼片晶振的頻率.這將導(dǎo)致邊帶電平增加20(logN),其中N是乘法因子.然而,可能有必要甚至提高測量的分辨率此外.這可以通過將另一個振蕩器相位鎖定到被測單元來抑制載波信號.測量振動誘導(dǎo)效應(yīng)的標準測試設(shè)置如圖3所示.這種配置實現(xiàn)了靈敏的低噪聲鎖相環(huán)鑒頻器

圖3

  當(dāng)正弦振動產(chǎn)生時振動時的離散邊帶頻率,隨機的影響振動會導(dǎo)致噪音地板.通過知道功率譜密度在振動輸入中,有可能計算晶體的g靈敏度從得到的相位噪聲圖中.上面給出的邊帶公式是修改為使用振動的PSD輸入給出:

  圖4顯示了低噪聲100兆赫茲OCXO靜止時以及隨機振動時的相位噪聲應(yīng)用,這說明,即使是中等水平的隨機振動也會降低相位噪聲振蕩器的性能提高40或50dB.

100MHz OCXO隨機振動Z軸

圖4

■典型的g-靈敏度性能

  對各組晶體的實際測量表明,即使經(jīng)過精心設(shè)計,在G靈敏度向量的大小以及它的方向通常是存在的.圖5顯示了數(shù)據(jù)從一組100兆赫茲的第五泛音SC切割TO-05支架中的晶體.這些晶體都是單一的在假定相同的條件下制造的組,但是明顯的差異仍然存在在團隊.

  要求最低加速度靈敏度的應(yīng)用通常需要SC切割晶體.最高法院有顯示出在相同頻率下,平均 max比類似的切割好2到4倍.

圖5

■結(jié)論

  最后得出的結(jié)論盡管不可能完全消除加速度對石英頻率的影響石英晶體振蕩器,通過理解晶體g-靈敏度特性的矢量性質(zhì),在大多數(shù)應(yīng)用程序都可以被最小化并得到可接受的管理.龍湖電子將繼續(xù)更新一些技術(shù)支持資料給各個行業(yè)領(lǐng)域參考