實用干貨!剖析Wenzel振蕩器的調諧范圍
來源：http://www.benpai.com.cn 作者：金洛鑫電子 2020年05月20
實用干貨!剖析Wenzel振蕩器的調諧范圍
大多數石英晶體振蕩器都提供了機械和/或電氣調諧裝置,以調節頻率以進行鎖相或調制或補償長期漂移.機械調諧通常是通過晶振電路中的單匝或多匝微調電容器或電感器來實現的,該電容器或電感器可通過振蕩器外殼上的孔進行訪問.
大多數Wenzel Associates振蕩器都使用變容二極管進行所有調諧,并且機械調諧是通過連接到精密基準電壓的精密電位計在內部完成的.我們的測試表明,最優質的微調電位器的機械穩定性和磁滯超過了最高精度微調電容器的穩定性.使用相同的變容二極管以實現高調諧線性的配置完成電調諧.來自電位器的機械調諧電壓通過信號隔離網絡施加到調諧二極管的陰極,電調諧電壓施加到二極管的陽極.電調諧可以以零伏為中心,以便在沒有輸入的情況下,振蕩器恢復到電調諧的中點.
作為一種選擇,可以將振蕩器的內部參考電壓引致一個引腳上,以連接到多圈電位計以進行微調.或者,可以將來自單獨電源的干凈DC施加到電調諧銷上.如果可用電源有噪聲或不穩定,則可能需要添加一個齊納二極管或參考設備以及一個低通噪聲濾波器.溫度補償齊納二極管(如1N821)是提供良好溫度穩定性和極低噪聲的絕佳選擇(在大多數情況下),以下所示的22uF濾波電容器可省去.參考設備具有出色的穩定性,但它們通常具有相當高的噪聲電壓,因此建議進行額外的濾波器.
這里有幾點要考慮:
●可以提供的調諧范圍的數量是晶體頻率,切割,泛音和光斑大小(或運動電容)的函數.使用三倍頻SC切割諧振器的精密低頻振蕩器的調諧范圍僅為幾ppm,而大光點尺寸的AT切割基本晶體可以達到1000ppm.
●可以為PLL應用指定電調諧輸入的帶寬和調諧斜率.
●出廠時,烤箱振蕩器可能會表現出每天的老化速率,這會很快消耗所有的機械調諧范圍.這種快速老化會在烤箱溫度下運行幾周之內顯著降低裂紋.
●烤箱振蕩器可以使用高精度的"硬"晶體,因為它們在單個溫度下運行,并且調諧只能補償老化,而TCXO溫補晶振必須進行足夠遠的調諧以消除溫度影響并補償老化.
●建立了烤箱振蕩器的老化模式(通常是身上漂移)后,在校準過程中頻率可能會沿相反方向偏移,從而使校準周期時間幾乎翻倍.
●線性通常指定為相對于調整曲線的直線擬合的總調整偏差的百分比.10%的線性度規格將允許與1KHz調諧范圍的振蕩器的最佳直線擬合相差100Hz.潛在的問題是,該偏差可能會在范圍的一端迅速出現,如下所示.盡管振蕩器符合相當嚴格的線性指標,但在曲線頂部的斜率明顯較低.對于調諧斜率會影響環路穩定性的PLL系統,除了線性百分比外,還應指定曲線上所有點的最小和最大調諧斜率.
將精密振蕩器與外部基準一起使用:
許多采用精密晶體振蕩器作為內部頻率基準的儀器也都準備接受外部基準,內部或外部的選擇可以通過手動投擲一個開關來進行,也可以通過外部參考輸入連接器上的信號自動觸發.在最簡單的情況下,手動開關僅選擇要引導至儀器的信號源,并使用適當的電阻器終止未使用的信號源.當內部基準是烤箱振蕩器時,通常希望有一個"信號消除"輸入以在保持烤箱工作的同時關閉振蕩器.當存在外部基準時,TCXO和非補償振蕩器可能會關閉,以避免潛在的干擾.
信號殺死輸入通常接受普通的TTL電平,但可以輕松配置為自定義開關電平.大多數信號殺死輸入均設計為在末連接時浮動至"開"狀態,內部RC電路可保護晶振免受可能存在于控制線上有有害電壓或干擾RF信號的侵害.下面顯示的電路將檢測到存在大于1伏pp的外部基準,并產生適合驅動大多數信號殺死輸入的邏輯"低".該控制信號還可用于門控儀器電路的外部輸入.該電路設計為表現出相當高的輸入阻抗,因此在儀器的其他位置假設電纜端接正確.
如果期望內部振蕩器具有比外部基準更好的短期穩定性,則可能需要將內部振蕩器相位鎖定到基準.鎖定的振蕩器將表現出內部晶體振蕩器的良好短期穩定性和外部基準的良好長期穩定性.一個簡單的一階環路可以由三態總線設備或模擬開關以及一些其他部件組成.基本概念是利用外部參考信號驅動三態控制,并使內部振蕩器信號通過三態門之一,以便參考信號對內部振蕩器信號進行采樣.三態門的輸出經過低通濾波以消除RF頻率,并連接到內部振蕩器的電調諧.偏置三態控制線,以便在沒有外部基準時柵極輸出"浮動".當沒有外部參考源時,這種高阻抗狀態允許調諧線被連接到調諧電位器的高阻值電阻拉動.74HC244具有兩組四個三態緩沖器,是一個不錯的選擇,因為可以使用未使用的四個門來緩沖信號.
以下電路使用相同的Wenzel晶振技術,僅使用兩個CMOS器件,一個4069十六進制反相器和一個4016或4066模擬開關.頻率微調電位器在不存在基準的情況下控制頻率.該電路還包括一個LED驅動器,用于指示外部參考信號的存在.組分值不是特別關鍵,并且最佳值將取決于應用.
所示電路是具有最高精度振蕩器的一階環路.例如,一個10MHz的烤箱振蕩器調諧靈敏度可能為每伏特1Hz,如果使用15V電源,則相位斜率約為每弧度3伏特.一階環路的帶寬是調諧靈敏度和相位斜率的乘積(1Hz/伏×3伏/弧度=3Hz),該斜率遠低于10K和10nF網絡的滾降頻率.如果振蕩器具有更高的調諧靈敏度,則帶寬將成比例地更高,并且可能需要二階響應來減少外部參考噪聲.盡管可以添加傳統的有損集成運算放大器類型2電路,在沒有基準的情況下,有必要采取其他措施來控制頻率,因為積分器將趨向于漂移至供電軌之一.
在保留自動調諧切換的同時實現二階響應的另一種方法是添加一個額外的無源濾波器.通過向輸出端添加一個100K或更大的串聯電阻,可以輕松實現實現這種類型1的二階環路.現在,將與電容器串聯的另一個電阻在輸出端接地,以增加額外的滾降.簡單地增加10nF電容以獲得較低的帶寬,但阻尼可能會變得低得無法接受.實際上,如果振蕩器具有非常寬的調諧范圍,則10nF可能太大而無法提供足夠的阻尼.(在大多數參考應用中)
總結:
●上面的電路在10MHz的設備頻率極限下工作,但15V電源可提供約12V的調諧電壓擺幅,而無需放大.HCMOS有源晶振器件將改善高頻性能,但較低的5V電源將提供較小的調諧電壓范圍(低于5V).可以為需要更多調諧電壓擺幅的振蕩器增加一個放大器.要計算此類系統的帶寬,請將放大器增益乘以1.5,以得到放大的相位斜率(5V方波將給出1.5V/弧度的相位斜率),然后乘以振蕩器的調諧靈敏度.
●參考輸入可能需要一個電阻在100nF電容器的參考側接地,以正確終止輸入.
●該電路可能用三態門構建,但是如果它們是同相門,則將需要不同的偏置方案.切記偏置外部基準門,以使它們在不存在信號時關閉三態控制.
●振蕩器調諧輸入必須為高阻抗(兆歐),添加一個電壓跟隨器來驅動較低的阻抗輸入.
實用干貨!剖析Wenzel振蕩器的調諧范圍
大多數石英晶體振蕩器都提供了機械和/或電氣調諧裝置,以調節頻率以進行鎖相或調制或補償長期漂移.機械調諧通常是通過晶振電路中的單匝或多匝微調電容器或電感器來實現的,該電容器或電感器可通過振蕩器外殼上的孔進行訪問.
大多數Wenzel Associates振蕩器都使用變容二極管進行所有調諧,并且機械調諧是通過連接到精密基準電壓的精密電位計在內部完成的.我們的測試表明,最優質的微調電位器的機械穩定性和磁滯超過了最高精度微調電容器的穩定性.使用相同的變容二極管以實現高調諧線性的配置完成電調諧.來自電位器的機械調諧電壓通過信號隔離網絡施加到調諧二極管的陰極,電調諧電壓施加到二極管的陽極.電調諧可以以零伏為中心,以便在沒有輸入的情況下,振蕩器恢復到電調諧的中點.
作為一種選擇,可以將振蕩器的內部參考電壓引致一個引腳上,以連接到多圈電位計以進行微調.或者,可以將來自單獨電源的干凈DC施加到電調諧銷上.如果可用電源有噪聲或不穩定,則可能需要添加一個齊納二極管或參考設備以及一個低通噪聲濾波器.溫度補償齊納二極管(如1N821)是提供良好溫度穩定性和極低噪聲的絕佳選擇(在大多數情況下),以下所示的22uF濾波電容器可省去.參考設備具有出色的穩定性,但它們通常具有相當高的噪聲電壓,因此建議進行額外的濾波器.
●可以提供的調諧范圍的數量是晶體頻率,切割,泛音和光斑大小(或運動電容)的函數.使用三倍頻SC切割諧振器的精密低頻振蕩器的調諧范圍僅為幾ppm,而大光點尺寸的AT切割基本晶體可以達到1000ppm.
●可以為PLL應用指定電調諧輸入的帶寬和調諧斜率.
●出廠時,烤箱振蕩器可能會表現出每天的老化速率,這會很快消耗所有的機械調諧范圍.這種快速老化會在烤箱溫度下運行幾周之內顯著降低裂紋.
●烤箱振蕩器可以使用高精度的"硬"晶體,因為它們在單個溫度下運行,并且調諧只能補償老化,而TCXO溫補晶振必須進行足夠遠的調諧以消除溫度影響并補償老化.
●建立了烤箱振蕩器的老化模式(通常是身上漂移)后,在校準過程中頻率可能會沿相反方向偏移,從而使校準周期時間幾乎翻倍.
●線性通常指定為相對于調整曲線的直線擬合的總調整偏差的百分比.10%的線性度規格將允許與1KHz調諧范圍的振蕩器的最佳直線擬合相差100Hz.潛在的問題是,該偏差可能會在范圍的一端迅速出現,如下所示.盡管振蕩器符合相當嚴格的線性指標,但在曲線頂部的斜率明顯較低.對于調諧斜率會影響環路穩定性的PLL系統,除了線性百分比外,還應指定曲線上所有點的最小和最大調諧斜率.
許多采用精密晶體振蕩器作為內部頻率基準的儀器也都準備接受外部基準,內部或外部的選擇可以通過手動投擲一個開關來進行,也可以通過外部參考輸入連接器上的信號自動觸發.在最簡單的情況下,手動開關僅選擇要引導至儀器的信號源,并使用適當的電阻器終止未使用的信號源.當內部基準是烤箱振蕩器時,通常希望有一個"信號消除"輸入以在保持烤箱工作的同時關閉振蕩器.當存在外部基準時,TCXO和非補償振蕩器可能會關閉,以避免潛在的干擾.
信號殺死輸入通常接受普通的TTL電平,但可以輕松配置為自定義開關電平.大多數信號殺死輸入均設計為在末連接時浮動至"開"狀態,內部RC電路可保護晶振免受可能存在于控制線上有有害電壓或干擾RF信號的侵害.下面顯示的電路將檢測到存在大于1伏pp的外部基準,并產生適合驅動大多數信號殺死輸入的邏輯"低".該控制信號還可用于門控儀器電路的外部輸入.該電路設計為表現出相當高的輸入阻抗,因此在儀器的其他位置假設電纜端接正確.
以下電路使用相同的Wenzel晶振技術,僅使用兩個CMOS器件,一個4069十六進制反相器和一個4016或4066模擬開關.頻率微調電位器在不存在基準的情況下控制頻率.該電路還包括一個LED驅動器,用于指示外部參考信號的存在.組分值不是特別關鍵,并且最佳值將取決于應用.
在保留自動調諧切換的同時實現二階響應的另一種方法是添加一個額外的無源濾波器.通過向輸出端添加一個100K或更大的串聯電阻,可以輕松實現實現這種類型1的二階環路.現在,將與電容器串聯的另一個電阻在輸出端接地,以增加額外的滾降.簡單地增加10nF電容以獲得較低的帶寬,但阻尼可能會變得低得無法接受.實際上,如果振蕩器具有非常寬的調諧范圍,則10nF可能太大而無法提供足夠的阻尼.(在大多數參考應用中)
總結:
●上面的電路在10MHz的設備頻率極限下工作,但15V電源可提供約12V的調諧電壓擺幅,而無需放大.HCMOS有源晶振器件將改善高頻性能,但較低的5V電源將提供較小的調諧電壓范圍(低于5V).可以為需要更多調諧電壓擺幅的振蕩器增加一個放大器.要計算此類系統的帶寬,請將放大器增益乘以1.5,以得到放大的相位斜率(5V方波將給出1.5V/弧度的相位斜率),然后乘以振蕩器的調諧靈敏度.
●參考輸入可能需要一個電阻在100nF電容器的參考側接地,以正確終止輸入.
●該電路可能用三態門構建,但是如果它們是同相門,則將需要不同的偏置方案.切記偏置外部基準門,以使它們在不存在信號時關閉三態控制.
●振蕩器調諧輸入必須為高阻抗(兆歐),添加一個電壓跟隨器來驅動較低的阻抗輸入.
實用干貨!剖析Wenzel振蕩器的調諧范圍
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