基于AT切型石英諧振器實現(xiàn)車載雷達(dá)晶振電路的應(yīng)用設(shè)計

石英晶體振蕩器已廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通訊、雷達(dá)導(dǎo)航測控和廣播電視系統(tǒng)等，特別是精密時頻計量、精密頻率綜合器等電子儀器，皆有賴于高穩(wěn)石英晶體振蕩器提供精密的頻標(biāo)和時基，業(yè)已占居素有無線電“心臟”的重要地位。而對石英晶體振蕩器的性能要求也越來越高，主要體現(xiàn)在老化特性、頻率溫度穩(wěn)定度、頻率準(zhǔn)確度、電流電壓及功耗、帶負(fù)載能力、開機特性、壓控范圍和外型尺寸等因素上。

石英諧振器的選用

隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，整機對元器件提出了高精度、高穩(wěn)定度和高可靠性等各種要求，高穩(wěn)定晶振是指長期頻率穩(wěn)定度和短期頻率穩(wěn)定度都好的晶振，按用途的不同，對晶振長穩(wěn)和短穩(wěn)的要求會有所側(cè)重，長穩(wěn)較好就是晶振的頻率老化率低，短穩(wěn)較好的晶振實質(zhì)上就是低噪聲晶振，側(cè)重于長穩(wěn)的晶振和側(cè)重于短穩(wěn)的晶振，在石英諧振器的選用及晶振電路設(shè)計上都有所不同，長穩(wěn)較好的晶振希望電路引入到諧振器的損耗盡可能小，即諧振器要有盡可能高的在線Q值［1］，電路對環(huán)境溫度和電流、電壓的敏感度要盡可能低，短穩(wěn)晶振則要求電路中的噪聲盡可能低。石英諧振器根據(jù)切型不同分為AT切、SC切、BT切和FC切［2］，前兩者應(yīng)用最多，AT切型的顯著特點是諧振器的振蕩頻率與溫度的關(guān)系呈近似的三次函數(shù)關(guān)系，因而它有零溫度系數(shù)點，且零溫度系數(shù)點大致落在大氣環(huán)境溫度范圍內(nèi)。因此，用AT切型諧振器做成的振蕩器具有較好的頻率溫度特性，AT切型諧振器的缺點是存在較大的頻率熱過沖現(xiàn)象，這對短期頻率穩(wěn)定度要求較高的振蕩器來說是很不利的，但對老化影響不大［3］。因此選用AT切型石英諧振器。

晶振電路設(shè)計

車載雷達(dá)用恒溫石英晶體振蕩器電路包括主振級、放大級、波形與頻率變換，自動增益負(fù)反饋AGC及壓控電路，其結(jié)構(gòu)框圖示于圖1：

圖1 晶振電路結(jié)構(gòu)框圖

若諧振器的頻率與實際頻率一致，則不需倍頻變換，若輸出需要正弦波，則不需波形變換。圖2示出車載雷達(dá)用單層恒溫壓控石英晶體振蕩器電路原理圖。

圖2 38.88MHz晶振電路原理圖

其中石英晶體和晶體管T1構(gòu)成的電路為柯爾匹茲主振電路。晶體管T2構(gòu)成了阻容放大器，對振蕩信號進(jìn)行預(yù)放大。晶體管T3構(gòu)成了單調(diào)諧放大器，進(jìn)行輸出放大，得正弦波信號。集成電路IC1可實現(xiàn)倍頻和波形變換，主振頻率為38.88MHz，已滿足車載雷達(dá)用頻率，因此，IC1僅作波形變換，得方波輸出。二極管D1和D2構(gòu)成的回路為自動增益負(fù)反饋。二極管D3、變?nèi)荻O管CX、電組R1和R2構(gòu)成了壓控電路，電位器RX是用來實現(xiàn)手動調(diào)頻。

恒溫電路設(shè)計

高穩(wěn)定度晶振都是恒溫晶振，車載雷達(dá)用的38.88MHz晶振為二級鐘，單層恒溫槽即可滿足其要求。控溫電路采用具有零點漂移補償性能的直流式溫控電路，為了充分利用電源電壓提供的功率，對槽體加熱采用功率管管耗加熱，而不是通常采用的電阻絲加熱，避免了繞電阻絲的工藝麻煩。其溫控電路原理圖示于圖3。

圖3 恒溫電路原理圖

通電后，當(dāng)恒溫槽內(nèi)溫度上升尚未達(dá)到控制溫度時，熱敏電橋有較大的失衡輸出電壓，恒溫槽處于最大加熱功率狀態(tài)。隨著恒溫槽內(nèi)溫度的上升，電橋失衡電壓逐漸減小，當(dāng)恒溫槽加熱至所需控制溫度時，電橋保持一定的平衡輸出電壓，此電壓經(jīng)過運放F2直流電壓放大后控制流過功率管的電流I，使I保持一定數(shù)值，它產(chǎn)生的熱量等于在一定外界條件下恒溫槽的耗損熱量。當(dāng)恒溫槽溫度發(fā)生變化時，則熱敏電阻RT的數(shù)值也變化，從而改變電橋相對平衡輸出電壓。此電壓放大后用以調(diào)整電流I，改變加熱功率來補償恒溫槽內(nèi)部溫度的變化，從而使溫度恒定。如：T （ （ RT （ （ V+ （ （ V0 （ （ I （ （ T （

在用集成運算放大器作為放大級時，常存在零點漂移，且被逐級放大，但由于從前級到后級放大器放大的倍數(shù)是逐級減少，所以在多級放大器中，零點漂移主要由第一級決定，為此在運放的輸入端加上與輸出端溫漂大小相等、極性相反的電源來抵消溫漂電壓，這個電源由另一塊同樣工藝及參數(shù)的運放產(chǎn)生的溫漂來提供，只要這塊運放的閉環(huán)增益等于1，圖4中運放F1的閉環(huán)增益等于1，兩塊運放F1和F2選用做在同一塊硅片上的雙運放158提供，其工作溫度相同，制作工藝條件一樣，所以它倆的溫漂幾乎相等，于是F2的總溫漂很接近于零，這樣通過補償后的恒溫電路的溫度穩(wěn)定度大大提高了。

結(jié)語

理論推導(dǎo)和實驗證實：每級晶體管集電極電源必須接0.01（F電容去耗；恒溫電路不要與振蕩電路共電源，否則，槽體波動將干擾振蕩電路；穩(wěn)壓部分應(yīng)選用穩(wěn)壓二極管，而不用三端穩(wěn)壓器，因三端穩(wěn)壓器的溫度特性比穩(wěn)壓管的溫度特性差得多。

本車載雷達(dá)用恒溫壓控晶體振蕩器要求體積小，外殼尺寸僅為50×50×20mm3，通過對恒溫槽的結(jié)構(gòu)合理設(shè)計、電路板巧妙布局、電路正確調(diào)試，完全滿足用戶要求，實測指標(biāo)為：標(biāo)稱頻率38.88MHz，電源電壓12VDC（10%，最大電流350mA，預(yù)熱三天測七天，老化特性優(yōu)于（2E-8，在0℃_50℃內(nèi)頻率溫度穩(wěn)定度優(yōu)于（5E-8，頻率準(zhǔn)確度優(yōu)于（1E-7，壓控范圍不小于（4.6E-6/2.5V（2.5V，方波輸出，能帶10個TTL負(fù)載。

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