每個(gè)石英晶體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(shí)間有關(guān)的加速度或振動(dòng)將對(duì)輸出進(jìn)行頻率調(diào)制.沖擊脈沖會(huì)引起尖銳的輸出頻率的暫時(shí)擾動(dòng).

這些頻移的大小由石英晶體的加速度或”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(gè)數(shù)量級(jí),對(duì)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(duì)較小,因此在許多應(yīng)用中無(wú)法檢測(cè)到它們標(biāo)準(zhǔn)振蕩器,如VCXO和時(shí)鐘.

然而,對(duì)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(dòng)環(huán)境中例如機(jī)載平臺(tái),增加的相位噪聲會(huì)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(huì)經(jīng)歷顯著的頻率偏移.了解振蕩器的工作環(huán)境經(jīng)驗(yàn)和對(duì)石英晶體加速度靈敏度的理解,可以預(yù)測(cè)并計(jì)劃預(yù)期的頻率誤差.

■石英諧振器G靈敏度向量的描述

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

圖1

通過(guò)測(cè)量相互正交的個(gè)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(jì)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(duì)晶體產(chǎn)生最大的影響頻率.當(dāng)所施加的力的角度遠(yuǎn)離平行于 max的軸時(shí),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(gè)圓.或者,如果從所有三維來(lái)看,將描述一個(gè)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(shí)現(xiàn)”零”G靈敏度的方向

當(dāng)力以相反的方向施加時(shí),相等幅度但符號(hào)相反的頻移定義了圖2所示的第二個(gè)圓.因?yàn)間ssensitivity的向量和余弦性質(zhì)向量一個(gè)零g靈敏度的平面由垂直于 max.的平面定義這說(shuō)明了這樣一個(gè)事實(shí),即任何施加到垂直于 max的晶體上的力都會(huì)有一個(gè)對(duì)頻率的影響最小.(見(jiàn)圖2)

圖2

■G靈敏度測(cè)量方法

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

為了獲得精確的動(dòng)態(tài)測(cè)量,測(cè)量晶體的性能,同時(shí)施加振動(dòng).感應(yīng)邊帶的電平可以使用標(biāo)準(zhǔn)FM來(lái)確定調(diào)制指數(shù)公式

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

公式可以改寫(xiě)為:

使用具有高動(dòng)態(tài)范圍的窄帶頻譜分析儀,可以測(cè)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(guò)相乘來(lái)增加晶體的頻率.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(cè)量的分辨率此外.這可以通過(guò)將另一個(gè)振蕩器相位鎖定到被測(cè)單元來(lái)抑制載波信號(hào).測(cè)量振動(dòng)誘導(dǎo)效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試設(shè)置如圖3所示.這種配置實(shí)現(xiàn)了靈敏的低噪聲鎖相環(huán)鑒頻器

圖3

當(dāng)正弦振動(dòng)產(chǎn)生時(shí)振動(dòng)時(shí)的離散邊帶頻率,隨機(jī)的影響振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致噪音地板.通過(guò)知道功率譜密度在振動(dòng)輸入中,有可能計(jì)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(dòng)的PSD輸入給出:

圖4顯示了低噪聲100兆赫茲OCXO靜止時(shí)以及隨機(jī)振動(dòng)時(shí)的相位噪聲應(yīng)用,這說(shuō)明,即使是中等水平的隨機(jī)振動(dòng)也會(huì)降低相位噪聲振蕩器的性能提高40或50dB.

100MHz OCXO隨機(jī)振動(dòng)Z軸

圖4

■典型的g-靈敏度性能

對(duì)各組晶體的實(shí)際測(cè)量表明,即使經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì),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(tuán)隊(duì).

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

盡管不可能完全消除加速度對(duì)石英頻率的影響晶體振蕩器,通過(guò)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.

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