現(xiàn)代電子設備將時基用于各種各樣的應用.通信系統(tǒng)依賴時基來調(diào)制和解調(diào)數(shù)據(jù),GPS系統(tǒng)依賴時基來精確定位,許多其他應用依賴時基來管理系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)流.隨著應用范圍的擴大和頻率的增加,設計者需要穩(wěn)定性更強,噪聲更低的時基.因此,振蕩器設計者需要不斷推動嚴格穩(wěn)定性,低噪聲振蕩器設計的極限.

振蕩器設計者面臨的主要問題之一是相位噪聲現(xiàn)象.相位噪聲是存在于所有真實世界振蕩器和信號發(fā)生器中的不希望有的實體.在傳統(tǒng)接收機中,它會導致輸入信息的失真或完全丟失,在相位調(diào)制應用中,它會導致高誤碼率.因此,有必要了解和量化相位噪聲,以使其對高級產(chǎn)品的影響最小化.

時間是一個所有人天生就掌握的概念,是生命的函數(shù).它將我們的世界定義為日,月,年.當我們看時鐘時,我們知道現(xiàn)在是什么時候.然而,我們真的理解時間嗎?它是如何定義的?像所有測量一樣,時間是用一定程度的不確定度來測量的.在工程上應用程序我們使用本質(zhì)上不完美的時間基礎(chǔ),并且給由它們驅(qū)動的應用程序增加了不確定性.這種不確定性的一個副產(chǎn)品是相位噪聲.每個振蕩器中存在的固有不穩(wěn)定性表現(xiàn)為圍繞振蕩器頻率的噪聲頻譜.這個噪聲帶通常從載波測量到距離載波1兆赫茲.它被描繪成dBc/Hz對f(Hz)的曲線圖,該曲線圖顯示了給定頻率下噪聲功率離載波功率有多遠.

■時基

作為工程師,我們習慣于查看我們的頻率計數(shù)器,并讀取顯示屏來確定我們工作的頻率.但是這種測量的精確度是多少?測量的不確定性取決于計數(shù)器用來驅(qū)動內(nèi)部電路的時基的準確性.這個時基并不完美,因此會扭曲頻率讀數(shù)的結(jié)果.對于那些需要非常精確頻率測量的應用來說,這個時基的準確性是最重要的.

IME,就像其他人做的測量一樣,具有不確定性.然而,時間是人類產(chǎn)生的最準確的標準.第二個定義為銫133(Cs-133)的共振頻率,為9,192,631,770Hz[8].

因此,通過測量銫的振動,我們有了時間標準.NIST(國家標準與技術(shù)研究所)是美國時間標準的守護者.截至2005年,NIST標準具有5X10-16S的不確定性,這意味著它在6000萬年內(nèi)不會增加或減少一秒,[9].

銫原子鐘盡管精度高,但有幾個缺點,使其不適合商業(yè)電子用途.銫標準的成本對于將其用作時間基準來說是令人望而卻步的.其次,它們很大.NIST標準填充了房間的大部分空間,雖然較小的銫標準是可以買到的,但它們不是便攜式物品.此外,銫標準有預熱時間.保持它通電很重要,因為斷電可能意味著精度下降.最后,銫標準使用燃料——銫自然會耗盡,使裝置有效地“耗盡氣體”.

由于銫不能有效地用于商業(yè)電子產(chǎn)品或大多數(shù)實驗室應用,因此必須考慮其他定時源.銣提供了非常精確的頻率計數(shù),類似于銫,但是它也有同樣的缺陷.銣標準只比銫稍差一點,因此它們的相關(guān)成本很高.它們不是便攜式設備,必須在

固定位置.銣標準也有和銫一樣的燃料耗盡問題.

大多數(shù)消費電子產(chǎn)品的選擇是石英晶體振蕩器.石英通過壓電效應工作.施加在晶體上的電壓使其以非常穩(wěn)定和可預測的方式振動.通過切割和成形石英,可以獲得期望的振蕩頻率.

石英有許多優(yōu)點:它便宜(與銫和銣相比),體積小(可以獲得小于3.2毫米×2.5毫米的封裝尺寸的晶體),并且具有高Q(>500K用于較大的坯件).幾十年來,石英一直是計時設備的選擇..

■石英晶體振蕩器

晶體振蕩器有多種類型,形狀和尺寸.XOs(晶體振蕩器)是石英晶體和驅(qū)動電路.這些裸骨時鐘價格便宜,體積小,但精度有限,因為晶體會在溫度上以大約+/-30ppm的頻率漂移.

TCXOs(溫控晶體振蕩器)使用補償電壓來校正晶體的自然溫度漂移.這是通過傳統(tǒng)的熱敏電阻網(wǎng)絡或多項式發(fā)生器來實現(xiàn)的.TCXOs在溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定性更強(+/-0.25pm),體積小(可用2.0mMx2.5mm),功耗低(在某些情況下為2mA).

MCXOs(微處理器控制的晶體振蕩器)使用微處理器來校正晶體的自然溫度漂移,方法是檢測工作溫度,并使用該數(shù)據(jù)來校正振蕩器的頻率.這些振蕩器可以實現(xiàn)+/-0.1pm的溫度穩(wěn)定性,但具有

略大的占地面積,消耗更多的功率,并且由于振蕩器中運行的微處理器而具有降級的噪聲特性.

CxOS(烘箱控制晶體振蕩器)和DoCxOS(雙烘箱控制晶體振蕩器)提供石英晶體振蕩器必須提供的最大穩(wěn)定性.通過加熱內(nèi)部電路,晶體保持在幾乎恒定的溫度,幾乎消除了晶體的自然溫度漂移.零件在10-10℃溫度下的穩(wěn)定性是可以實現(xiàn)的,但是要權(quán)衡封裝占地面積(至少1平方英寸)和功耗(可能超過1A).

盡管Q值很高,石英晶體振蕩器并不完美.理想情況下,正弦振蕩器會產(chǎn)生等式1中的電壓:

v(t)=VOcos(2 fot)(1)

其中Vo是振幅,F0是頻率,t是時間.

然而,現(xiàn)實世界中的振蕩器有一些振幅波動和相位波動,其行為與等式2[4]相同.

v(t)=[•沃+ (t)]cos(2 •福特+(t))(2)

其中Vo是振幅,F0是頻率,t是時間, (t)是振幅波動,(t)是相位波動.

振蕩器的頻率受到幾個因素的影響:溫度,長期漂移和短期不穩(wěn)定性.石英對溫度非常敏感,在晶體的溫度范圍內(nèi),頻率通常在+/-30ppm之間漂移.長期漂移,也稱為老化,是石英的一種自然現(xiàn)象,眾所周知.老化特性定義為:

f(t)=A(ln(Bt+1)+F0(3)

其中t是以天為單位的時間,A,B和F0是由最小二乘擬合確定的常數(shù)(根據(jù)MIL-PRF-55310D)[7]

從圖1中可以看出,石英的老化特性是隨時間變慢的函數(shù).這意味著振蕩器的頻率漂移將隨著時間的推移而減小.就長期表現(xiàn)而言,這是一個理想的效果.振蕩器會漂移,但是變化速率會變慢,振蕩器實際上會變得更加穩(wěn)定.

短期穩(wěn)定性或Allan方差(AVAR)是對振蕩器短期頻率變化的測量.一般來說,AVAR是相對于特定的選通時間來指定的.例如,可以選擇20毫秒的選通時間,取100個樣本并應用于以下公式:

其中f(I)-f(I-1)是連續(xù)頻率測量值之間的差值(MIL-PRF-55310D).[7]

結(jié)果讓我們感覺到振蕩器在給定的選通時間從讀到讀有多穩(wěn)定.通過延長選通時間,振蕩器的Allan方差減小,表明它在較長的平均周期內(nèi)更加穩(wěn)定.

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