每个石英晶振的共振频率都受到加速力的影响.性质效果取决于所施加的力的类型.静态重力的变化诸如倾斜或旋转之类的经历将导致频率的阶跃偏移.与时间有关的加速度或振动将对输出进行频率调制.冲击脉冲会引起尖锐的输出频率的暂时扰动.
这些频移的大小由晶振的加速度或”g灵敏度”决定矢量和所施加的加速力的特性.散装模式的典型g灵敏度范围石英晶体可以跨越几个数量级,对于精心制作的石英晶体,每克不到1×10-10精密SC切割至每克1×10-7以上,成本低.[1]
由于这些影响的大小相对较小,因此在许多应用中无法检测到它们标准振荡器,如VCXO晶振和时钟.
然而,对于精密恒温振荡器或经受恶劣环境条件的振荡器固有加速度灵敏度可能非常显著.如果振荡器部署在高振动环境中例如机载平台,增加的相位噪声会降低系统性能所有其他噪声源的总和.但是即使在良性环境中,高稳定性OCXO也可能会经历显著的频率偏移.了解振荡器的工作环境经验和对石英晶体加速度灵敏度的理解,可以预测并计划预期的频率误差.
■石英晶体谐振器G灵敏度向量的描述
晶体振荡器的g灵敏度通常通过测量三个相互关联的属性来表征垂直轴.然而,石英的固有加速度特性由单个矢量at组成一些通常不垂直于包装的任何面的角度.(见图1)
图1
通过测量相互正交的个体组件,可以确定gssensitivity的大小和方向向量,max.
使用以下三角恒等式,可以计算 max的特性.
一旦知道了 max的大小和角度方位,外界的预期效果可以确定在任何方向上施加的加速力.当的方向所施加的力平行于 max的轴,它将对晶体谐振器产生最大的影响频率.当所施加的力的角度远离平行于 max的轴时,结果效果随着角度α的余弦而衰减.因此,如图2所示,定义了一个圆.或者,如果从所有三维来看,将描述一个以 max为轴的球体.因此,结果晶体在任何方向上的g灵敏度作为函数,由下式给出
■实现”零”G灵敏度的方向
当力以相反的方向施加时,相等幅度但符号相反的频移定义了图2所示的第二个圆.因为gssensitivity的向量和余弦性质向量一个零g灵敏度的平面由垂直于 max.的平面定义这说明了这样一个事实,即任何施加到垂直于 max的压电石英晶体上的力都会有一个对频率的影响最小.(见图2)
图2
■G灵敏度测量方法
相对较小的频移必须当表征晶体时测量振荡器的G灵敏度.一种方式对..进行基本测量精密振荡器就是使用变化在地球引力场中导致石英晶体振荡器频率偏移.这种技术被称为”2g”tipover”方法.频率变化是以单位来衡量的颠倒过来.净效果是2G的变化.因此,金额测量的频移除以乘以2是振荡器的g灵敏度那个轴.程序是对另外两个轴重复.尽管概念简单,但这方法需要稳定的振荡器能够持续测量发生的小频率偏移.
为了获得精确的动态测量,测量晶体的性能,同时施加振动.感应边带的电平可以使用标准FM来确定调制指数公式
假设FM等于振动频率Fv,g是施加的最大振动水平,则给出 f通过:
公式可以改写为:
使用具有高动态范围的窄带频谱分析仪,可以测量这些边带直接.如果需要,调制指数和边带电平可以通过相乘来增加贴片晶振的频率.这将导致边带电平增加20(logN),其中N是乘法因子.然而,可能有必要甚至提高测量的分辨率此外.这可以通过将另一个振荡器相位锁定到被测单元来抑制载波信号.测量振动诱导效应的标准测试设置如图3所示.这种配置实现了灵敏的低噪声锁相环鉴频器
图3
当正弦振动产生时振动时的离散边带频率,随机的影响振动会导致噪音地板.通过知道功率谱密度在振动输入中,有可能计算晶体的g灵敏度从得到的相位噪声图中.上面给出的边带公式是修改为使用振动的PSD输入给出:
图4显示了低噪声100兆赫兹OCXO静止时以及随机振动时的相位噪声应用,这说明,即使是中等水平的随机振动也会降低相位噪声振荡器的性能提高40或50dB.
100MHz OCXO随机振动Z轴
图4
■典型的g-灵敏度性能
对各组晶体的实际测量表明,即使经过精心设计,在G灵敏度向量的大小以及它的方向通常是存在的.图5显示了数据从一组100兆赫兹的第五泛音SC切割TO-05支架中的晶体.这些晶体都是单一的在假定相同的条件下制造的组,但是明显的差异仍然存在在团队.
要求最低加速度灵敏度的应用通常需要SC切割晶体.最高法院有显示出在相同频率下,平均 max比类似的切割好2到4倍.
图5
■结论
最后得出的结论尽管不可能完全消除加速度对石英频率的影响石英晶体振荡器,通过理解晶体g-灵敏度特性的矢量性质,在大多数应用程序都可以被最小化并得到可接受的管理.龙湖电子将继续更新一些技术支持资料给各个行业领域参考
