每個石英晶體的共振頻率都受到加速力的影響.性質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之類的經歷將導致頻率的階躍偏移.與時間有關的加速度或振動將對輸出進行頻率調制.沖擊脈沖會引起尖銳的輸出頻率的暫時擾動.

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數量級,對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較小,因此在許多應用中無法檢測到它們標準振蕩器,如VCXO和時鐘.

然而,對于精密恒溫振蕩器或經受惡劣環(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環(huán)境中例如機載平臺,增加的相位噪聲會降低系統(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OCXO也可能會經歷顯著的頻率偏移.了解振蕩器的工作環(huán)境經驗和對石英晶體加速度靈敏度的理解,可以預測并計劃預期的頻率誤差.

■石英諧振器G靈敏度向量的描述

晶體振蕩器的g靈敏度通常通過測量三個相互關聯的屬性來表征垂直軸.然而,石英的固有加速度特性由單個矢量at組成一些通常不垂直于包裝的任何面的角度.(見圖1)

圖1

通過測量相互正交的個體組件,可以確定gssensitivity的大小和方向向量, max.

使用以下三角恒等式,可以計算 max的特性.

一旦知道了 max的大小和角度方位,外界的預期效果可以確定在任何方向上施加的加速力.當的方向所施加的力平行于 max的軸,它將對晶體產生最大的影響頻率.當所施加的力的角度遠離平行于 max的軸時,結果效果隨著角度α的余弦而衰減.因此,如圖2所示,定義了一個圓.或者,如果從所有三維來看,將描述一個以 max為軸的球體.因此,結果晶體在任何方向上的g靈敏度作為函數,由下式給出

■實現”零”G靈敏度的方向

當力以相反的方向施加時,相等幅度但符號相反的頻移定義了圖2所示的第二個圓.因為gssensitivity的向量和余弦性質向量一個零g靈敏度的平面由垂直于 max.的平面定義這說明了這樣一個事實,即任何施加到垂直于 max的晶體上的力都會有一個對頻率的影響最小.(見圖2)

圖2

■G靈敏度測量方法

相對較小的頻移必須當表征晶體時測量振蕩器的G靈敏度.一種方式對...進行基本測量精密振蕩器就是使用變化在地球引力場中導致振蕩器頻率偏移.這種技術被稱為”2g”tipover”方法.頻率變化是以單位來衡量的顛倒過來.凈效果是2G的變化.因此,金額測量的頻移除以乘以2是振蕩器的g靈敏度那個軸.程序是對另外兩個軸重復.盡管概念簡單,但這方法需要穩(wěn)定的振蕩器能夠持續(xù)測量發(fā)生的小頻率偏移.

為了獲得精確的動態(tài)測量,測量晶體的性能,同時施加振動.感應邊帶的電平可以使用標準FM來確定調制指數公式

假設FM等于振動頻率Fv,g是施加的最大振動水平,則給出 f通過:

公式可以改寫為:

使用具有高動態(tài)范圍的窄帶頻譜分析儀,可以測量這些邊帶直接.如果需要,調制指數和邊帶電平可以通過相乘來增加晶體的頻率.這將導致邊帶電平增加20(logN),其中N是乘法因子.然而,可能有必要甚至提高測量的分辨率此外.這可以通過將另一個振蕩器相位鎖定到被測單元來抑制載波信號.測量振動誘導效應的標準測試設置如圖3所示.這種配置實現了靈敏的低噪聲鎖相環(huán)鑒頻器

圖3

當正弦振動產生時振動時的離散邊帶頻率,隨機的影響振動會導致噪音地板.通過知道功率譜密度在振動輸入中,有可能計算晶體的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的PSD輸入給出:

圖4顯示了低噪聲100兆赫茲OCXO靜止時以及隨機振動時的相位噪聲應用,這說明,即使是中等水平的隨機振動也會降低相位噪聲振蕩器的性能提高40或50dB.

100MHz OCXO隨機振動Z軸

圖4

■典型的g-靈敏度性能

對各組晶體的實際測量表明,即使經過精心設計,在G靈敏度向量的大小以及它的方向通常是存在的.圖5顯示了數據從一組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隊.

要求最低加速度靈敏度的應用通常需要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

■結論

盡管不可能完全消除加速度對石英頻率的影響晶體振蕩器,通過理解晶體g-靈敏度特性的矢量性質,在大多數應用程序都可以被最小化并得到可接受的管理.