振荡器的频率稳定度Word下载.docx

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（5.4.1）

相对频率准确度是频率偏差与标称频率之比

（5.4.2）

频率稳定度是在指定时间间隔内频率准确度变化的最大值。

也分为绝对频率稳定度和相对频率稳定度。

最常用的是相对频率稳定度，简称频率稳定度，以表示

（5.4.3）

其中是某一间隔内的最大频率偏移。

如某振荡器标称频率为5，在一天所测的频率中，与标称值偏离最大的一个频率点为4.99995，则该振荡器的频率稳定度为

在频率准确度与频率稳定度两个指标中，频率稳定度更为重要。

因为只有频率稳定，才能谈得上频率准确。

频率不稳，准确度也就失去了意义。

下面主要讨论频率稳定度。

频率稳定度按时间间隔分为

长期频率稳定度：

以月甚至年为观测时间长度，观测的是长时间的频率漂移。

主要取决于构成振荡器的有源、无源器件和石英晶体的老化特性。

它主要用于评价天文台或国家计量单位高精度频率标准和计时设备；

短期频率稳定度：

以一天，小时、分钟为测量时间间隔。

短稳主要取决于振荡器的电源电压、电路参数或环境温度的稳定性。

用于评价通信电子设备和仪器中振荡器频率稳定度。

瞬时频率稳定度：

在秒级时间内，主要是振荡器内部干扰和噪声作用引起的频率起伏，是频率的瞬间无规则变化。

瞬时频率稳定度在频域上又称为相位抖动或相位噪声。

通常用得较多的是短期频稳度。

由于频率的变化是随机的，不同的观测时段，测出的频率稳定度往往是不同的，而且有时还出现某个局部时段内频率的漂移远远超过其它时间在相同间隔内的漂移值，因此用式（5.4.3）来表征频率稳定度不是十分合理，频率稳定度应建立在大量观测基础上的统计值来表征较为合理，

常用的方法之一是均方根值

将指定的时间划分为n个等间隔，测得的各频率准确度与其平均值的偏差的均方根值来表征的。

即

（5.4.4）

式中，为第个间隔内实测的频率，为第个间隔内实测的绝对误差。

（5.4.5）

为绝对频差的平均值。

越小，频率准确度就越高。

频率稳定度当然越高越好，但这样的振荡器造价高，使用者必须在性能和成本间折中考虑。

不同场合，对振荡器频率稳定度的要求不同。

例如用于中波广播电台发射机的为数量级，普通信号发生器的为数量级，电视发射机的为数量级，高精度信号发生器的为数量级，在标准计时，天文测量和太空通信中，要求有很高的长稳和短稳，相对频率变化不大于。

频率稳定度一般由实测确定。

普通的LC电路的日频率稳定度可达；

采用改进型的西勒振荡电路，也只能达到数量级，要求更高的话，采用石英谐振器。

2造成频率不稳定的因素（了解即可，不做要求）

1）回路参数的不稳定性

温度变化是使回路参数不稳定的主要因素。

温度改变会使电感线圈和回路电容几何尺寸变形，因而改变电感和电容的数值。

一般具有正温度系数，即随温度的升高而增大。

而电容由于介电材料和结构的不同，电容器的温度系数可正可负。

另外，机械振动可使电感和电容产生变形，和的数值变化，因而引起振荡频率的改变。

晶体管参数的不稳定性

当温度变化或电源电压变化时，必定引起静态工作点和晶体管结电容的改变，从而导

致振荡频率不稳定。

3稳频措施

1）减小温度的影响

为了减少温度变化对振荡频率的影响，最根本的办法是将整个振荡器或振荡回路置于恒温槽内，以保持温度的恒定。

这种方法适用于技术指标要求较高的设备中。

在要求不是特别高的情况下，为了减少温度系数的影响，应该采取温度系数较小的电感、电容。

例如，铁氧体的温度系数很大，当对谐振回路的电感量提出高稳定度要求的时候，应该避免采用铁氧体心。

此时，电感线圈可用高频磁鼓架，它的温度系数和损耗都较小。

固定电容器比较好的是云母电容，它的温度系数比其它类型电容的小。

可变电容易采用极片和转轴线膨胀系数小的金属材料（如铁镍合金）制作。

它们的温度系数小，性能稳定可靠。

还可采用正、负温度系数的元件相互补偿。

如瓷介电容具有正温度系数，有的电容具有负温度系数，而很多电感都具有正温度系数。

2）稳定电源电压

电源电压的波动，会使晶体管静态工作点发生变化，从而改变晶体管的参数，降低频

率稳定度。

为了减小这个影响，采用性能良好的电压源供电，并采取退耦措施避免高频信号对电压源稳定性产生不良影响。

如果是制作高性能指标的振荡器，应当采用稳压电源。

当振荡器与整机其它部分公用一个电源时，往往从公用电源取出电压，再经一次单独稳压，以避免整机其它部分耗电的变化影响电源电压的稳定。

另外，应采用具有稳定静态工作点的偏置电路。

3）减少负载的影响

振荡器输出信号需要加在负载上，负载的变动必然会引起振荡频率变化。

为了减小这

一影响，可在主振级及其负载之间加一缓冲级。

为使缓冲级最大限度的起到缓冲作用，缓冲

级从主振级所获取的功率应尽可能的小。

当负载所要求的功率一定时，缓冲级的功率增益越

高，则要求主振级提供的功率越小。

因此缓冲级的电路形式及工作状态的选择，应该从功率

增益最大来考虑。

即：

a）缓冲放大级应工作于甲类，因甲类工作状态的功率增益最高；

b）共射电路比共基和共集（射级跟随器）电路的功率增益大，所以共射电路是缓冲级电

路优先考虑的电路形式。

共射电路不足之处在于，其输入阻抗不如共集电路的高，但可以通

过缓冲级的输入端和谐振回路以部分接入方式连接，以提高缓冲级对谐振回路的等效引入阻

抗。

射级跟随器也是比较常用的缓冲级。

4）晶体管与谐振回路之间采用松耦合

减小晶体管和谐振回路之间的耦合，可以减小晶体管输出、输入电容的变化对谐振回路等效电容值的影响，从而使频率稳定度提高。

减小晶体管和谐振回路之间耦合的常用方法是将晶体管以部分接入的方式接入谐振回路。

前面介绍的克拉泼电路和西勒电路就是采用了这种方法。

另外，应选择较高的晶体管。

越高，高频性能就越好，可以保证在工作频率范围内均有较高的跨导，电路容易起振；

一般选择，是最高振荡频率。

5）提高回路的品质因数

谐振回路的相频特性表达式

（5.4.6）

根据式（5.4.6）可画出不同值对应的相频特性曲线，如图5—33所示。

由图可见，相频曲线的变化规律有如下特点。

ⅰ）越接近，即越小，相频特性曲线的斜率就越大，则稳频能力越强；

反之，失谐越严重就越小，频率稳定度越低。

ⅱ）值越大，在附近的值越大，稳频能力越强。

所以提高回路的值，减小，有利于改善振荡器的频率稳定性。

图5—33并联谐振回路相频特性曲线

如何提高谐振回路的值？

在绕制电感时应注意，平行密绕线圈的线间分布电容较大，影响值。

对于匝数较多的线圈，如振荡频率在2以下，宜采用“蜂房式”绕法，并且最好用多股线，以减小趋附效应的影响，以便提高值。

对谐振回路而言，电感的铜损耗电阻构成了谐振回路的主要损耗，其品质因数。

因此，在确定电感值时，应取得大一些，电容量取小一些，可得到较高的值。

但电容量太小时，晶体管的输出、输入电容对回路的等效电容和分布电容在回路中所占的比例将增大，使频率稳定度降低，所以必须兼顾这两个方面。

1）屏蔽、远离热源

将回路屏蔽可以减少周围电磁场的干扰。

但加屏蔽后，电感量下降，损耗加大，因

此，线圈值将下降。

在可能的前提下，尽量将屏蔽罩做得大一些，这样，电感量不致减小太多，值所受影响也较小。

振荡器电路离开热源（如电源变压器、大功率管等）远一些，可以减少温度变化对振荡器的影响。

5.5晶体振荡器

通常LC振荡器的频率稳定度为，采取一些措施和改进，可达到，但很难突破。

然而在通信设备，电子测量仪器仪表，电子对抗等应用中，对频率稳定度的要求往往优于，前面介绍的振荡器都无法达到要求。

石英晶体谐振器具有极高的品质因素和稳定的参数，利用石英谐振器代替一般的LC谐振系统，它的频率稳定度很容易做到。

石英晶体振荡器的频率稳定度随采用的石英晶体、外部电路形式和稳频措施的不同而不同，一般在范围之间。

如果采用低精度石英晶体，稳定度可达到数量级；

如采用中等精度石英晶体，稳定度可达到数量级；

如采用单层恒温控制系统和中等精度晶体，稳定度可以达到数量级；

如采用双层恒温控制系统和高精度晶体，稳定度可以达到数量级。

石英晶体振荡器定义

用石英谐振器控制和稳定振荡频率的振荡器。

石英晶体振荡器之所以具有极高的频率稳定度，关键是采用了石英晶体这种具有极高值的谐振元件。

下面首先了解石英晶体谐振器的基本特性。

5.5.1石英晶体谐振器

石英晶体谐振器是利用石英晶体（Quartz-Crystal）的压电效应制成的一种谐振器件。

石英晶体谐振器的内部结构如图5—35所示。

（a）晶体外形；

（b）横断面

图5—34晶体的形状及横断面

图5—35石英谐振器的内部结构

1石英晶体的等效电路

石英片的振动具有多谐性，除基频（FundamentalFrequency）振动外，还有奇次谐波的泛音（Overtones）振动。

泛音振动的频率接近于基频的整数倍，但不是严格的整数倍。

对于一个石英谐振器，既可以利用其基频振动，也可以利用其泛音振动。

利用基音振动实现对频率控制的晶体称为基音晶体，其余称为泛音晶体。

采用AT切割石英片的基频频率一般都限制在20MHz以下。

因为此时石英片的厚度仅有0．041mm，频率再高，石英片的厚度太薄，不足以提供必要的强度。

因此，要求更高的工作频率时，一般均是泛音晶体。

泛音晶体一般利用3次和5次的泛音振动，而很少使用7次以上的泛音振动。

泛音次数太高，晶体的性能也将显著下降。

图5—36给出石英谐振器的等效电路。

图5—36石英谐振器的等效电路。

图（b）中石英晶体片等效为串联的谐振电路。

是石英晶体的动态电感，表征晶体的质量，值较大，通常在几十个毫亨的量级；

是动态电容，表征晶体的弹性，值很小，通常在量级；

是动态电阻，表征晶体振动时分子间互相摩擦而引起的能量损耗，阻抗很小，通常在几十欧左右。

为静态电容和支架、引线等分布电容之和，其中静态电容是以石英晶片为介质，两个电极为极板而形成的电容，它是的主要成分。

通常为几个皮法。

石英具有多谐性，每次泛音都对应一个串联谐振电路：

基音等效为的串联谐振支路，该支路的谐振频率等于基音频率。

3次泛音等效为的串联谐振支路，该支路的谐振频率等于3次泛音频率，如此等等。

当工作频率等于某串联谐振支路谐振频率时，串联阻抗等于，近似于短路，其他支路失谐，可近似于开路。

所以对于工作频率，石英谐振器都用图5—36（b）所示的电路等效。

2石英晶体的参数

温度系数：

温度变化1℃引起固有振动频率的相对变化量。

拐点温度：

与温度系数最小值相对应的温度。

若需要将晶体

置于恒温槽内，槽内温度就应控制在这个拐点温度上。

负载电容：

对晶体而言的总外部电容。

晶体必须在规定的负载电容下工作，才能保证标称频率的准确性和稳定性。