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什么是石英晶体振荡器_石英晶体振荡器频率受外界环境的影响

石英晶体振荡器又名石英谐振器,简称晶振,是利用具有压电效应的石英晶体片制成的。这种石英晶体薄片受到外加交变电场的作用时会产生机械振动,当交变电场的频率与石英晶体的固有频率相同时,振动便变得很强烈,这就是晶体谐振特性的反应。利用这种特性,就可以用石英谐振器取代LC(线圈和电容)谐振回路、滤波器等。由于石英谐振器具有体积小、重量轻、可靠性高、频率稳定度高等优点,被应用于家用电器和通信设备中。石英谐振器因具有极高的频率稳定性,故主要用在要求频率十分稳定的振荡电路中作谐振元件。

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压电效应

若在石英晶体的两个电极上加一电场,晶片就会产生机械变形。反之,若在晶片的两侧施加机械力,则在晶片相应的方向上将产生电场,这种物理现象称为压电效应。

如果在晶片的两极上加交变电压,晶片就会产生机械振动,同时晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下,晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小,但当外加交变电压的频率为某一特定值时,振幅明显加大,比其他频率下的振大的幅多,这种现象称为压电谐振,它与LC回路的谐振现象十分相似。它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。

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石英晶体振荡器构成

石英晶体振荡器的基本构成大致是:从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片(称为晶片,它可以是正方形、矩形或圆形等),在它的两个对应面上涂敷银层作电极,在每个电极上各焊一根引线接到管脚 上,再加上封装外壳就构成了石英晶谐振器,简称为石英晶体或晶体、晶振;而在封装内部添加IC组成振荡电路的晶元件称为晶体振荡器。其产品一般用金属外壳封装,也有用玻璃壳、陶瓷或塑料装的。

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频率受外界环境的影响

石英晶体振荡器的频率范围很宽,频率稳定度在10-4~10-12范围内,经校准一年内可保持10-9的准确度,高质量的石英晶体振荡器,在经常校准时,频率准确可达10-11。

石英晶体振荡器频率不是固定不变的,很多因素可以影响它的,比如温度就可以改变它,所以才会有“温度补偿晶振”的出世。

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频率的温度特性曲线

温度补偿晶振(TCXO)是通过附加的温度补偿电路使由周围温度变化产生的振荡频率变化量削减,从而起到一个温度补偿的作用。温度补偿晶振温度补偿的原理就是通过改变振荡回路中的负载电容,使其随温度变化来补偿谐振器由于环境温度变化所产生的频率漂移。

比如一个石英晶体振荡器的频率精度是±20ppm,但可能会因为电压变动有±1ppm的影响,焊接温度有±5ppm的影响,机械震动与冲击有±3ppm的影响,温度范围可能有±5-20ppm的影响等等。这些都是十分常见的影响石英晶体振荡器频率精度的因素,必须考虑进去。

以下是频率受外界环境的影响效果有关参数

频率准确度:在标称电源电压、标称负载阻抗、基准温度(25℃)以及其他条件保持不变,晶体振荡器的频率相对与其规定标称值的最大允许偏差,即(fmax-fmin)/f0;

  频率温度稳定度:在标称电源和负载下,工作在规定温度范围内的不带隐含基准温度或带隐含基准温度的最大允许频偏;

频率老化:在规定的环境条件下,由于元件(主要是石英谐振器)老化而引起的输出频率随时间的系统漂移过程。通常用某一时间间隔内的频差来量度。对于高稳定晶振,由于输出频率在较长的工作时间内呈近似线性的单方向漂移,往往用老化率(单位时间内的相对频率变化)来量度。

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石英晶体振荡器中的微调电容电路

另外,石英晶体振荡器中的微调电容就是用来调整它的频率的。

  频率调节范围:通过调节晶振的某可变元件改变输出频率的范围。

  调频(控压)特性:包括调频频偏、调频灵敏度、调频线性度。

①调频频偏:压控晶体振荡器控制电压由标称的最大值变化到最小值时输出频率差。

②调频灵敏度:压控晶体振荡器变化单位外加控制电压所引起的输出频率的变化量。

③调频线性度:是一种与理想直线(最小二乘法)相比较的调制系统传输特性的量度。

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