SJ Z 9155.1-1987 石英晶体振荡元件 第一部分：综合性资料、试验条件和试验方法.pdf

1、中华人民共和国电子工业性部标准石英晶体振荡器Quartz cr)stal controlled oscillators Part 1 General information, test conditions and methods 第1章综合性资料1范SJjZ 9155.1一盯IEC 679 1 0980: 含IEC679 1 第-次修改1985)本标准适用于电子技术中常用的，市场上作为独立部件出售的石英晶体。本标准应与SJjZ9001 87 (IEC 68)标准基础环境试验程序结合起来使用。本才示准所给出的综合性资料及试验方法对于各种类型石英晶体振荡器都是通用的。一种试验的适用性及具体要求由

2、于和振荡器具体型号有关，应该在有关的详细规范中给出。若一方面本标准有要求，另一方面详细规范也有要求，两者不一致而有抵触时，应以后者为准。2 目的为了评定石英晶体振蔼器在机械、电气及耐气候等方面的性能绍几种试验方法并提供石英晶体振荡器使用与维护方面的3国用。S术义膏packaged crystal osci11ator (PXO) 若干统一条件，介的，本上由所用晶体元件确定的晶。3.2 泛音晶是一种overtone crystal oscillator 晶体元件设计工作在特定泛音振动模上的晶体振3.3 晶体切型crystal cut 中华人电1988-01 1 。SJjZ 9155.1 87 晶

3、片相对于晶体结的方位。注:之所以包店淡忘义，是因古可f良*f也确定12荡择岛体的切型，从而黑体频率温度恃性也就确定了。选定居体切型就等于确定了振荡器的某些特性，因而振荡器这些属性在详细规范中可不另列出。3.4 压控晶体振荡器voltage controlled crystall osci11ator (VCXO) 是一种用控制电压能使频一定规作偏移或调制的晶体振。3.5 温度补偿晶体振荡器temperature compensated crystal osillator (TCXO) 一种在振荡器内带有补偿系统以减小温度引起频率变化的嗣同If肌倒叩。3.6 挝温晶体振萄器OVen contro

4、lled crystal osci1lator (OCXO) 是由种至少能控制晶体元仲温度如用恒温器基本保持恒定的晶体振荡器。这种恒工作状态能够保证OCX。在整个工作温度范围内振荡频率保持稳定，因此这种振荡器的频率性与晶体元件的频率温度哼性的依赖夫系很小。注:为了简明起见，本标准使用电子工业中广泛采冷的谊温藩(Oven)一词来表示种靠某些控温1器件如热动开关或比例j仅反馈控制电川等)来保持南部温度稳定的结束箱体。3.7 标称频率nominal frequency 在规定条件下工作时振荡榕的给。3.8 频率允许偏差frequency tolerance 在规定条件下工作时，振荡器频率相对于规定标

5、称值的。注:频率允许偏差遣常是要对规定的不同外界影响电气的或环境的)分别绘出。如果采用这种分别给出方法的话，就必须规定宾它各工作参数的数值，还要规定给定变量的变化范围。也就是说频率允许偏差分下列几种:a)假定其宫条件保持不变，由于振荡吉普运用在给定温度范围引起的恫A!I-r喜事情凰凰叫剧中阳嗣肉。的假定其它条件持不交，立于电源电压在给定范围变化引起的相对于规定电。)假定其它条件保持不变，由于老化引起的振荡苦苦频率相对于初如频率的偏离。d)假定其它条件不变，由于负载阻扰在给定rr:rnl内变化寻等等。， 有些场合，可以规定在给定寿命期3.9 频率偏置frequency offset 总频率允许偏

6、差。为了使振荡器频率在整个工作条件范围内的偏，在特定工试, 加在振荡。可E可负。举例，1) 定的老化方向和老化率是已知的，如+1x10-aj周，那么在装好振置等于-2.5xl0-7就能保证在正常运行-年期间内振荡器离标称偏。2) (兑圈。*为简洁起见，本条目中局通用缩写，诸如VCXO，在本标准其官地方也经常使用。仿此，振荡器代替。一词用2 SJjZ 9155.1一盯如一2. 5.C和33i卒漏置为庭关系曲线F i标、偏置时频率温度关系曲线F r、Jr飞、J鉴相器积分器2x 习S, x-y记录仪圈28aSg:() -80 -90 -100 N户、间。M仲、恋战部且在川阳撰皿峙1,2 率kHz1,

7、0 0,8 0,6 。，4。，2基带40 量28b 羊边带相位噪卢的圈28SJ/Z 9155.1 87 为了测相位噪声，把两个问步信号用鉴相器进行比较，鉴相器输出的是相位I噪声贡献的时电压模拟量。除了相位噪声贡献外，为了使鉴相器保持零输出，被视j振荡器图28a中的振荡器2)必须与参考振荡器保持相位正变。这是用下西方法实现的，即采用直流放大器读出鉴相器零输出，并以此驱动被测振荡器保持相位正究。出的相位噪声用低频波形分析仪监测。被形分析仪测出的噪声是双边带内的有效值声这对完成平均值/有效值变换是必茧的);双边带有效值噪声减去6dB就转换成单边带相位噪声。在理想情况，基准振荡器囱28a中的振荡器1)

8、要有非常低的噪声贡献(如钝束或类似。但往往遇到两个振荡器是同类型的，如果是这样的话，则可以假定两个振荡器具有相等的噪声贡献，那末信号一一相位噪声比要减去3dB。在计算结果时应进行这一修正。程序z按图28a连接电路。从鉴棉器引出来的反馈环路要设计得当，使振荡器1和振荡器2接相位正交状态锁桶，把波形分析仪调到分辨带宽通常为1日z)，再把积分器时间常数和扫描速率调整得同分辨带宽相适应。1)校准断开开关SH振荡器1与振荡器2之间出现一-60，.-80dB的衰减楼来校准x-y记录器刻度。表。将被形分析仪调到该频差，并用取得高是为防止低噪声放大器过载。2) 关闭开关Su振荡器1和报荡器2按正交锁相。衰减器

9、约置于-1OdB，波丑5分析仪在偏置率进行跟踪，并描出偏置频率范围的相位噪声图。注意z频控环路的响应时间必须远大于要测的最低边带噪声的周期。例如，为了要1日z处的边带，相位噪声就要规定103响应时间或0.1Hz的截止工作颇率)。在锁相环路的通带内，输出信号与频率噪声成正比p在锁棉环路通带的远外端，输出信号与相位噪声成正比z在这两者的过惊区域，情况就有些复杂。必须遵守窄带调谐式相位院波器注意事项，具体地讲，调频速率(Hz/s)必须小于相位检波器带宽(Hz)，该检披器后的积分时间必须大于相位检波器带宽的倒数。例如，采用10Hz通带均拥.槛波器，调谐或旋转速主答应大于1日zjs，而积分时间至少1s。

10、法:这种测量系统的极限分辨度是由波形分衍仪最小带宽决定的。因此在这种情况下，不可能源j出低于分析仪带宽的付立叶频率的织谱分量。假定锁桶环珞的噪声贡就更比振荡怒的噪声贡献小。另一种测试电路方案是，制造两个频率相差一定间隔(比如说2SkHz)的振荡窍，然后(用泼形分析仪)检测混烦藩输出的25kHz有近的噪声分布J这混频器能用来代怪鉴相器。在这种电路方?是中，可以用带通滤波器(中心频率对准两振荡器颜差)代替低通滤波器。该系统油缺点是因在稳定度比较低，一般来讲不能使用上述那么窄的分济带宽。规定条件z详细规范中应规定下列试验条件z。电源电压F2)负载细节，3)应测量的单边或双边带相位噪声的频带F4)测量

11、系统的分辨带宽。注:如果要求宽频率覆盖，就需比通常所用的1Hz干守所增加。41 SJjZ 9155.1 87 5)记录器的积分时间。8.2.22.1b 频谱纯度目的z测量振荡器远带噪声电平见3.25条。试验电路E图27a。说明z远带噪声系指远离载频的各频率上相对于载波电平的噪声电平，远带频率也括离散的谐波和杂散的单一频率。8.2.22.1 a)条论述:由是主要斗卢山频率附近增强区域相当几个带宽内相位噪声的问且，而本条指的是平坦的附加区域，可从远离主要输出信号频率几千赫，甚至延续到几兆赫。程序z按图27a所示连接振荡器，将频谱分析仪调节到显示所希望的频率范围。峡声本底的电平可以直接根据频谱仪显示

12、的分贝数加以确定，但要对分析仪带宽进行适当修正如每十进带宽10dB)以简化数据，统归到1Hz基础上进行数据处理。注品ZO必须注意保证频谱分析仪的噪声贡献不降低测量精度。是否有影响，这点可用在器与频谱仪之间插入可变衰减器的办法检验，要保证载波电平和噪声电平对衰减器刻度值有相同反应。2)许多场合，晶体振荡器的信号-宽带噪声比将大大超过现有;提谱分析仪动态泪围i这时需采用窄带带阻滤波器把载波衰减掉一已知量如80dB或9OdB才能避免分析仪饱和。此外也可用些解调电路ctm8.2.22.1a)的窄带锁相环路去有效地消除载波。注:因为晶体振荡器的附加噪声电平和自负载阻扰本身产生的热噪声相比，可能不榻上下，

13、所以要十分注意选择涮蛊时所用的任一放大器或信号处理设备.规定条件z详细规范应规定下列试验条件zO电源电压F2)负载细节，的频谱分析仪分辨带宽，的如果与规寇的频率范围是有关联的话，要规定距载波的间距。8.2.22.1c 寄生调目的E测量振荡器输出信号的寄生调频见3.26条。试验电路z图29。42 SJjZ 9155.1 87 电荡鉴1 波形分析仪? 通V 蜡器工I1 I J相分器X I 1 y x-yo记录仪围29寄生调烦的测量说明s寄生调频系指振荡器输出倍号的残留的或无意向的频率起伏特性，特别是基率高于10Hz附近的频率起伏分量。该特性在长途通信中载披信号源的规范中通常是关注的。程序z按图连接

14、振荡器并让其稳寇。为了防止基带频谱分量在有用范围内产生失真，鉴器必须在足够宽的频带内具有直线特性，寄生调频频谱可直接从x-y记录仪得到j。如果要测定某一实际基带区域内总的调频信号，则可以用一适当的带通滤波器和有效电压表代替波形分析仪和x-y记录仪。为了建立校准系统，两种情况都需要测定鉴频器的特性(VjHz频偏。注意z高质量晶体振荡器的寄生调频一般是很小的，特别是在低基带频率就更小，因此要十分注意选择低噪声的鉴频器和视频放大器。为了保证精确地测量离散的调频单音如由诙电压等产生的)，检法器后的积分时间和波形分析仪扫描速率必须调到与波形分析仪43 SJ/Z剖55.1，87 带宽相适应。规定条件z详细

15、规范应规定下列试验条件20电源电压，2)电源纹波电压，3)负载细节z4)基带频率范围s5)分析仪分析带宽。8.2.22.2 起伏的均方根值.2.22.2a相目的z荡器的时域短期频率稳定度见第1章的3.22矛113.24条以及附录A的修改文A2)电路z囹30a、图30b和图30c。-振荡器1模数转换器计算机相位比较器低通滤波【-振荡器2模数记录器注:一版相离都敏感。为使对幅度的敏感度降到最小，实际上使用双平衡混频器作为积分检波器。国30a方法1用的试验电路44 报1 2 注:不论是(s)还是(.) 器12 SljZ 9155.1 87 (X) 器被(Y) (x) 圈30b方法2用的试验电路器位比

16、期计数器计算机计图30C在方法1或2方法电路中使用-晶体滤泼器。图30短期频率稳定度时域测量电路平呈序z一脚部要.时醒辑、5FfI歹阴跚贯租用于一个思延反优于被测振荡器的基准频率源作出的。通常却是使用两个设计相阔的振荡器进行比对，并假设它们的随机噪声过程的度及分布函数几乎是一样的。由于噪声过程的组合以功率为基础。那么就可以用两个相间振荡器之间的相对频率起伏除以12来估计其中某一个振荡器独自的相对频率起伏.这一点反映到下列两种方法推导的公式当中。45 , SJ/Z 9155.1 87 方法1:平均频率完全相同的两个振荡器图30的在这种场合，相位比较器产生一个与这两个振荡器信号间瞬时相位起伏成正比

17、的模拟信号(付民频率低于低通滤波器的截止频率。该信号可以用模拟的方法来检查如连续的条带式图表记录仪，有效值电压表或频谱分析仪)，也可以用时域方法检查，比方法，使用可控采样平均时间为的模数转换器，并进行重复采样测量，存贮以供电子计算机分析。采用本方法，没有由测量系统引起的间隙时间，其相对频率起伏均方根值为zAF -)rm.= 1 4F。1/2 tk)2 N-一重复测量次数， M-1 立一.E CC(h+2) -cp(归+)喃C(h+)(M -1) ,= 1 M-平均采样时间见附录A的A2.1条。注:实远远优于被就可以把所有的频率起伏都归结于被测振荡器，上述公式还应乘以、12。方法2:频率略有差别

18、的两个振荡器图30b)在这种场合，般供比对的两个振荡器做得基本相同，只是其中-个控频晶体调到略有差别的频率上。于是混频器输出的波形是一个频率为这两个振黯器差频的正弦波。该常选在100Hz，10kHz之间的某个数值。这是在假定石英晶体元件微小的调整差异不会明显影响振荡器的随机噪声特性的情况下。用规寇的平均采样时间作出的拍频周期的规定的测量次数M(-r应该是拍频周期的倍。连续测量的间隔时间T般大于平均采样时间，至少是一个拍频周期可能是两个更多的周期，很大程度取决于拍频和计数器数据显示系统的反复时间。相对频率起伏为s./ 1 M-1、1/2AFzm=x_! ( LZ 表示对无穷次测量计算的平均值，一

19、-采样时间，凡是在此采样时间测得的瞬时频率的平均相对偏差，Y k 该在无间隙测量条件下进行。对于不同种类的能影响振荡器的噪声，由有限次数测量计算出的方差值的相对不精确度如下式所示E(2) _ O(t a2 M M 10 一式中zMz用的Yk值的总测量次数，。z取决于噪声类型的系数(01), 由此得出方差的定义为z2y(M，2，)=2 Y ()= (Yk+1-Yk)2 XM-1 hzla(A12) 及坐豆;2( nwE 目前认为有五种独立的能影响振荡器的噪声过程。对于这些种噪声，系数C分别为下列随机游动噪声=0.75 闪烁噪声C=0.77 率白噪声Cz0.87 相位闪烁噪声C=0.99 相位白噪

20、声。=0.99瞬时频率的平均相对偏差就是在整个c时间内瞬时率相对偏差的总和zYk= 唱_h+士一IY (t)dt J h 然后使用关系式(A6):Yk= 1 240 h+ c:p (t)dt = 1 2rtF。(tk+) - c:p h) h M次无间隙测量的两采样方差可以表示为-1V 2(M -1) y()=ylu，2，1) 1M1 E (./) (tk+ 1 + r) -(tk+)J -(h+)-hJ ，Fozkzlt 2 56 Sl/Z 8155.1 87 无间由于相 tk+l = h + 01:相抵消，进而可以用总相位(t)替相位起伏(t)M-l.1、2一一土一一2(M-1) (21t

21、Fo-k = 1 A2.1 相对频率起伏的均方相对频率起伏的常用偏差而不用方是两采样方差的平方语表示，并为均方根值., 11. = _.:;1，.-.-mJCE川川川口-(川-)2飞A14)21tF 0 y(1:) = f(的曲线双对数坐标通常用来表征振荡器的时域频率稳定度图Ala作为一种示例10 。，电1俨制相41 E 制快批保障10 。O.1 。，01，1 10 100 1 000 平均采祥时间(S)囤Ala曲线上各种不同斜率能够提供在所考虑的采样时间范围内影响振荡器噪声性质的信，胁。图Alb给出了五种站立噪声过程的斜率特征.它们相连形成一条类似图Ala的曲线，其57 SJ/Z 91&5.

22、1 87 中每一种噪声过程分别在某一点特定正范围内占优势。可以看出，相位噪声，不论是自噪声还是闪烁噪声，其曲线斜声确切性质的怀疑，需要进行某些补充测量使用几个具有不同域方面予以表征，因为民(/)= F (/) (1为付(即斜率)(对相位闪烁噪声为1/，对相位白噪声为lo)。有了器声为波噪。滤，种阔的两相这都对r (1) 10,0 10-11 A 10斗2c 。、J8 , 10-13 0.01 -0.1 10 100平均采样时i可(s)A相位自噪声B 频率自噪声C频率闪烁噪声D 42-uaOL -一一-ztE率率忠率斜斜斜斜图Alb对于五种常见噪声过程，(t)斜率的特性A2.2 实际上，时域测量

23、可以使用好几种方法。A14关系表明，只要0, 1, 2 .M)时刻的相位是已知的，就能够计算出在时间度.使用相位比较器就能知道信号相位和另一个作为基准振荡这两个振荡器是同一种类的，则所得方差y2(应除以2的准确度取决于相位计的分辨率和比对的频率10(如对1MHz比对信号，1/1000相同的准确度分辨为1X 10-9/的。可以通过先把振荡器频率倍频，再在倍频后的频率进行比对的办法提高测量精度在100MHz达1XlO-1/SJ在10GHz达10-1a /的.如果对每平均采样时间叶己录M次采样，就能够从同一组数据获得其它平均采样时荡器信号tk+时(n=内的频率稳定信号相位之关系。(如的信息。例如，可

24、以得到(M-1)个平均间为的比者JZ二1)个平均58 SJ/Z 9t嗣.187 +一等等.能何信息的采样时间是?，下，只能得到一组比对两。平可以得到10个相等的采样。能用相位比较器输出信号转换成模拟形成的图形记录来人工计元计算机时。方差应该说明本方法中凡的连续测量是没有间隙时间的，比外还要求这些振荡器没有频率漂移。(在两种观测时亢其有效)，消除间隙时间的方法可以在NBSIR75 827*报告中找到。(*NBSIR 75 827是关于时域测量用二元小时羞系统的报告。David.W.-Allan著够用的另一种方法是脚量被测振荡器信号与基准振荡器信号混频后差拍频率的周期，它意味着为了得到羞拍频束，可

25、以变动第一振荡器的频率。这时(A14)表达式中的开始几个相位差就是计数器的连续指示，实际上是信号频率凡的整数相位周于是这方差的平方根表示为s唱，咱M-1、1/2y(M ，2，T，=t式中:Fk,Fk+ 1 拍频的相邻(如果这两振荡器是同类型的，y应除v磊应说明，用频无间隙相继测量般是十分困难的。为了获得元间隙的真实方羞，应加上修正因数=yZ(M ，2，)=y2(M ，2，T，。Bz(Y，严式中:T一一连续两次测量持续期?间隔时间B 2(r，)一一修正因数，官取决于两连续测量问隔时间与时间之比=号子和全部间内影响振葫器的噪声惧。= -(+l是一般表达式8，yH) = E haj2中占优势的噪声罪

26、律中的指数=-2 对频率随机游动a=-l 对于频率闪烁噪声=0 对频率白噪声=1 对相位闪烁噪声=2 对相位白噪声B (r，)表列在J.R.Barnes著的华盛顿特区美国国家标准局375号技术报告1969年1月)以功率谱密度有限采样过程为基础的方若用巴纳斯函数矶和B2表中。毒是A1列出了某些常用的时W值的B2(，的函数值。59 SJ/Z 9155. t 87 表Al常用Bs(，值、I=.P/ 1.00 1.01 1.10 2.0 IJ. -r +2 1.00() 1.020 1.2100 4.0000 +1 1.000 1.015 1.1500 2.5000 。1.000 1.010 1.08

27、90 1.5660 -1 1.000 1.000 1.000 1.0000 - -2 1.000 0.6667 0.6667 0.6667 等式zB2 (，)= 1+去(2()J.t +2 _ (+1)+2 _ (-1)+2) 2(1-2 并按起义，当=-1时B2 (，) = 1.000 注意z频域和时域之间的数学对应关系。j噎近的工作能够使频域测量频谱密度和其，当噪声可用上文所述指数项之和来描述时，方差联系起来，反之亦然。亢函数可写成s2y(2，)=2y() = 71, -2 4z 6 + 71, 1 LFT38 +阳时a)J+ h2云在z式中Iku-如上规定吗用f表征的fh一一系数低通滤波

28、器的上于是与该时城函数对应的班成品品写的以程。可过率数函度8y 1和01h，使用表AI的系数，就可以对这五种噪声过程量度的任一种进行频域到时域或时城到频域的转换。60 SJ/Z 9155.1 87 时噪声过8y(/) = 2y()= -Igyz2 r1 f /2 y2(&) Ty2(t) ，.2y2(2ay2(1 。-1 1 。 /28y(f) A 1 /8y(/) B 。闪8yf) C 1 声自r 18y(/) D 2 相位闪烁噪声2 。，- r 28y(f) E 2 相位自噪声中sA=4n2/6 B回到D2C=1/2 1.038+31n(2th) 4n2 D= E= 3fh/411 2 平

29、均采样时间，付立叶器达式中的指数。SJ，JU 功A8 晶体振荡器瞬时输出电压方程式A2)，与理想信号相比较，即可说明它有幅度和起伏。由于存在这些起伏，势必产生种功率谱，它通常用中心位置位于标称频率Fo处的一条很强的窄谱线和分布延伸很宽的低强度的随机分量来描述。射频功率谱密度的形状将取决于振荡器内振荡及放大电路的具体结构以及测量时所处的环境状态。虽然总功率谱在定实际系统的性能时可能是最主要的，但它不是唯一与频率起伏函数有关。只有在充分掌握了美于频谱中干扰信号性质的详细资料的情况下，才能准确地评估干扰信号对瞬时频率的影响。因此，射频功率谱的技术要求代表不了短期频率稳定度的技术求。举例来说，让我们讨

30、论一种假设状态，振荡器输出信号的率分量叠加在低电平的背景随机白噪声上构成的，如图A2所示。在任一瞬间，合成信号将由理想频率分量A.sin2F ot和所有的不相关噪声分量Qnsi n (2Fot+，t (t) J附瞬时矢量和所构成。如果Qn表示所有噪声分量的矢量和所能达到的大幅度，那么图A3的虚线圆表示合成信号的矢量端点相对于理想分量电压而言可能出现的位置范围，(6) max (原文为A疑有误一译注表示相位起伏的最大值。率谱是由理想的单一61 N 、闺。阁-50d 世锵营军SJjZ 8155.1 87 F O 固A2具有白噪声的理想振荡嚣的射频功率Hz 在注卢. J卢_-/ I - 一一一一一一

31、一一-一一一一:立飞 Max. A8 -_ - 同. A C 圆AS载流信号和不相关噪卢的矢量合成从图AS可以清楚地看出，噪声分量在任一瞬间另一个与A.正交。如果比起A.很小的话，那么相位起伏被看成只起伏只取决于同相分量。因为a是假设随机分量，所以可概括为s 一半在正交分量里，月一半在同相分量里。此外从图A4可以清楚看出，将信号通过种强限幅器来这样做的结果不会改变相位起伏特性，这样一来可将平均噪声边带功l;An ) / M I ,/ 一s一个与Ac同相，正交分量9而幅度，啸声边带功率伏分茧，从本11J1.窟，少了一半。62 SJjZ 9155.1 87 Max. (J -. ._ 也同囤A4浦徐了调幅噪声分量的效果A G 因此可以得出结论E相位或频率起伏测量给不出表征射频功率谱的完全信息，当然本身也不能完全地确定相位或频率起伏特性。用1日z带宽内边带功率与总信号功率之比来表征的射频功率谱，有时称为信号频谱纯度. 63