恒温控制晶体振荡器(OCXO)的原理
晶振 恒温
晶振恒温技术在电子设备中的应用晶振（Crystal Oscillator）是一种可以根据外部电压或电流激励而产生稳定的、高度一致的频率振荡的装置。
恒温技术则是通过控制设备的温度，保持其在一个恒定的温度范围内工作，以实现设备的稳定性和可靠性。
本文将介绍晶振恒温技术在电子设备中的应用。
晶振是现代电子设备中不可或缺的元件，它的主要作用是为设备提供精确的时钟信号。
晶振的频率稳定性对于设备的正常运行至关重要。
然而，晶振的频率会受到环境温度的影响，温度的变化会导致晶振频率的不稳定，从而影响设备的性能。
为了解决这个问题，晶振恒温技术被广泛应用于电子设备。
晶振恒温技术使用温度传感器来监测晶振的工作温度。
当温度发生变化时，恒温电路会根据传感器反馈的信号调整温度，使晶振保持在一个恒定的温度范围内。
恒温电路可以通过加热或降温来调整温度，以确保晶振的工作温度始终在合适的范围内。
晶振恒温技术具有以下优点和应用价值：1.提高设备的性能稳定性：晶振恒温技术可以消除温度对晶振频率的影响，保持晶振的工作频率稳定。
这可以提高设备的定时精度和性能稳定性，确保设备正常工作。
2.增强设备的抗干扰能力：晶振频率的稳定性对设备的抗干扰能力有重要影响。
通过晶振恒温技术，设备可以在不同温度环境下保持稳定的工作频率，从而提高设备的抗干扰能力。
3.延长设备的使用寿命：晶振在较高的温度下工作，会导致其老化加快，缩短设备的使用寿命。
通过恒温技术，晶振可以在较低的温度下工作，延长其使用寿命，提高设备的可靠性。
4.广泛应用于通讯设备：晶振恒温技术在通讯设备中得到广泛应用。
例如，在无线通信设备中，晶振的频率稳定性会直接影响信号的传输质量和传输距离。
通过晶振恒温技术，可以提高通信设备的稳定性和传输性能。
总之，晶振恒温技术是现代电子设备中重要的技术之一，它可以提高设备的性能稳定性、抗干扰能力和使用寿命。
晶振恒温技术在通讯设备等领域有着广泛的应用。
随着电子设备的不断发展，晶振恒温技术将继续得到重要的关注和应用。
晶体振荡器电路原理PPT课件
4.4.3 外部电阻RExt计算
这个电阻的作用是限制晶振的驱动级别，并且它与CL2组成 一个低通滤波器，以确保振荡器的起振点在基频上，而不是 在其他高次谐波频率点上(避免3次，5次，7次谐波频率)。 如果晶振的功耗超过晶振所能承受的功耗值，外部电阻RExt 是必需的，用以避免晶振被过分驱动。如果晶振的功耗小于 晶振制造商的给定值，就不推荐使用RExt了，它的值可以是 0Ω。
晶体振荡电路原理
前言
大家都熟悉基于Pierce(皮尔斯)栅拓扑结构的振荡器，但很少 有人真正了解它是如何工作的。 本文着重介绍了Pierce振荡器的基本知识，并提供一定理论算 法来确定不同的外部器件的具体参数。
目录
1 石英晶振的特性及模型 2 振荡器原理 3 Pierce振荡器 4 Pierce振荡器设计
使用表达式(2)、(3)和(4)，我们可以计算出该晶振的Fs、Fa 及FP：
Fs = 7988768Hz，Fa = 8008102Hz
如果该晶振的CL为10pF，则其振荡频率为： FP = 7995695Hz。
要使其达到准确的标称振荡频率8MHz，CL应该为4.02pF
2. 振荡器原理
振荡器由一个放大器和反馈网络组成，反馈网络起到频率选择的作 用。图3通过一个框图来说明振荡器的基本原理。
–其中IQRMS是交流电流的均方根有效值。 –这个电流可以通过使用小电容(<1pF)分布的示波器探头在放
大器的输入端，测量电压变化得到。相对于流经CL1的电流， 放大器的输入电流可以忽略不计；因此可以假定经过晶振的 电流等于流经CL1的电流。这样在这个点上，电压的均方根 有效值与电流的均方根有效值有如下关系：
图5 反向器工作示意图
RF的典型值于下面给出。
晶振的基本原理及特性
晶振的基本原理及特性晶振的基本原理及特性晶振一般采用如图1a的电容三端式(考毕兹) 交流等效振荡电路；实际的晶振交流等效电路如图1b，其中Cv是用来调节振荡频率，一般用变容二极管加上不同的反偏电压来实现，这也是压控作用的机理；把晶体的等效电路代替晶体后如图1c。
其中Co，C1，L1，RR是晶体的等效电路。
分析整个振荡槽路可知，利用Cv来改变频率是有限的：决定振荡频率的整个槽路电容C=Cbe,Cce,Cv三个电容串联后和Co并联再和C1串联。
可以看出：C1越小，Co越大，Cv变化时对整个槽路电容的作用就越小。
因而能“压控”的频率范围也越小。
实际上，由于C1很小(1E-15量级)，Co不能忽略(1E-12量级，几PF)。
所以，Cv变大时，降低槽路频率的作用越来越小，Cv变小时，升高槽路频率的作用却越来越大。
这一方面引起压控特性的非线性，压控范围越大，非线性就越厉害；另一方面，分给振荡的反馈电压(Cbe上的电压)却越来越小，最后导致停振。
采用泛音次数越高的晶振，其等效电容C1就越小；因此频率的变化范围也就越小。
晶振的指标总频差：在规定的时间内，由于规定的工作和非工作参数全部组合而引起的晶体振荡器频率与给定标称频率的最大偏差。
说明：总频差包括频率温度稳定度、频率老化率造成的偏差、频率电压特性和频率负载特性等共同造成的最大频差。
一般只在对短期频率稳定度关心，而对其他频率稳定度指标不严格要求的场合采用。
例如：精密制导雷达。
频率稳定度：任何晶振，频率不稳定是绝对的，程度不同而已。
一个晶振的输出频率随时间变化的曲线如图2。
图中表现出频率不稳定的三种因素：老化、飘移和短稳。
图2 晶振输出频率随时间变化的示意图曲线1是用0.1秒测量一次的情况，表现了晶振的短稳；曲线3是用100秒测量一次的情况，表现了晶振的漂移；曲线4 是用1天一次测量的情况。
表现了晶振的老化。
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。
晶振的工作原理
晶振的工作原理晶振（Crystal Oscillator）是一种电子元件，用于产生稳定的高频振荡信号。
它广泛应用于各种电子设备中，包括计算机、通信设备、无线电设备等。
晶振的工作原理是基于压电效应和谐振原理。
晶振通常由晶体谐振器和振荡电路组成。
晶体谐振器是晶振的核心部件，它由一个压电晶体片和两个金属电极组成。
压电晶体片通常采用石英晶体，因为石英具有稳定性好、温度特性好等优点。
金属电极则用于提供电场，使晶体产生压电效应。
晶振的工作原理如下：1. 振荡电路提供反馈：晶振的振荡电路包含一个放大器和一个反馈网络。
放大器将晶体谐振器输出的信号放大，然后将放大后的信号送回晶体谐振器，形成一个正反馈回路。
2. 压电效应产生振荡：当电场施加到晶体上时，晶体味发生压电效应，即晶体味产生机械变形。
这种机械变形会导致晶体的厚度发生弱小的变化，从而改变晶体的谐振频率。
3. 谐振频率确定：晶体的谐振频率由晶体的物理尺寸和材料特性决定。
通过精确控制晶体的尺寸和材料，可以实现特定的谐振频率。
常见的谐振频率有4MHz、8MHz、16MHz等。
4. 反馈调整振荡频率：当振荡频率偏离谐振频率时，反馈网络会调整放大器的增益，使振荡频率逐渐接近谐振频率。
最终，振荡频率稳定在谐振频率附近。
晶振的工作原理可以通过以下步骤总结：1. 振荡电路提供反馈。
2. 压电效应产生振荡。
3. 谐振频率由晶体的尺寸和材料决定。
4. 反馈调整振荡频率，使其稳定在谐振频率附近。
晶振在电子设备中的应用非常广泛。
它提供了稳定的时钟信号，用于同步各个电路的工作。
例如，在计算机中，晶振用于控制CPU的时钟频率，确保计算机的稳定运行。
在通信设备中，晶振用于产生精确的调制信号，实现高质量的通信。
在无线电设备中，晶振用于产生精确的射频信号，实现无线通信。
总之，晶振的工作原理是基于压电效应和谐振原理，通过振荡电路提供反馈，产生稳定的高频振荡信号。
它在各种电子设备中发挥着重要的作用，确保设备的稳定运行和高质量的信号传输。
晶体振荡器(XO)与压控温补振荡器(VCTCXO)之比较
XO全名是Crystal Oscillator，晶体震荡器，当晶体受到外力作用时，在它的某些表面会产生电荷，这种现象称为压电效应，如下图[1] :利用这特性，厂商会把晶体作切割，让它震荡出特定的频率。
理想上，当然希望震荡频率不管在任何温度下，都很稳定，不要飘移，然而事实上，XO的震荡频率，很难不随着温度而有所漂移，于是有人把XO加入电压控制与温度补偿的技术使其震荡频率不管在任何温度下，都能尽可能稳定这就是VCTCXO ( Voltage Controlled Temperature Compensation XO)，如下图[1] :由上图可看出，震荡频率方面，VCTCXO比XO的稳定多了不管是高温还是低温。
但与XO相比，VCTCXO也有一些缺点，例如成本高，另外因为VCTCXO需要一组控制电压的讯号，TRK_LO_ADJ，而TRK_LO_ADJ以PDM(Pulse Density Modulation)波形传送控制讯号，有很强的谐波成份，因此都需要额外的RC低通滤波器[3]。
这增加了成本与空间，在空间极为有限的手机产品中，空间的缩减是一大考虑。
而XO不仅比VCTCXO便宜，在空间的缩减上，也比VCTCXO省空间，而耗电流也比VCTCXO小，且温度承载范围，也比VCTCXO来的广。
因此高通平台在7系列，采用的是VCTCXO，但到了8系列，几乎一律采用XO[1]。
而XO与VCTCXO 的比较如下:为了克服XO频率稳定度不高的缺失，其校正会比VCTCXO来的复杂，由于XO 的震荡频率，会随温度改变，如果把XO在不同温度下的震荡频率飘移程度，用图形表示，横轴为温度，纵轴为震荡频率飘移程度，即FT 曲线( Frequency-Temperature Curve )，每颗XO都有这样的曲线，该曲线若用方程式表示，如下式:不同的参数值，会有不同的FT曲线，所以XO的校正，就是找出最佳曲线的参C，就是室温下( 25度~ 30度)，所对应到的频率飘移。
晶振振荡电路工作原理
晶振振荡电路工作原理
晶振振荡电路工作原理是指晶振电路是通过负反馈作用，使得晶振产生的输出信号可以维持在一定的频率和幅度范围内稳定振荡的电路。
晶振振荡电路通常由一个晶振器件（如石英晶体）和一个放大器组成。
晶振器件具有自身的共振频率，当外加电源信号与晶振器件共振频率相等时，晶振器件会开始振荡。
晶振器件的振荡信号经过放大器放大后再馈回到晶振器件内部，形成一个闭环系统。
通过精确控制放大增益和相位关系，使得振荡信号能够持续稳定地输出。
具体工作原理如下：
1. 初始状态下，晶振器件未开始振荡，放大器的放大增益较低。
2. 外加电源信号被放大器放大后，输入晶振器件。
3. 在晶振器件内部，振荡信号被放大并反馈到放大器。
4. 反馈信号进一步增大放大器的放大增益，增大了晶振器件的振荡幅度。
5. 这种正反馈作用会使得晶振器件持续增大振荡信号，并将其输出。
6. 当输出的振荡信号达到一定幅度时，放大器的放大倍数达到平衡，振荡信号稳定在一定的幅度和频率范围内。
7. 当外界条件发生变化（如温度变化），晶振器件的共振频率会发生微小变化。
8. 反馈信号会自动调节放大器的放大增益，使得输出的振荡信号保持在与晶振器件共振的频率上。
通过这种负反馈机制，晶振振荡电路能够自动调节自身的输出，使得晶振器件的振荡频率能够稳定在指定范围内。
晶体振荡器的原理与操作：第3部分——晶体振荡器–技术规范解读(1)
晶体振荡器的原理与操作：第3部分——晶体振荡器–技术规范解读(1)在本系列文章的上一部分里，我们详细探讨了晶体的工作状况。
现在我们将研究内容延长到与晶体振荡器有关的各种参数及其对终于系统设计的影响。
晶体牵引范围：串联共振频率和抗共振频率由十分小的值分开，通常是Fs的3000ppm。
频率分别可通过方程式1得到（参考上一部分的方程式9）。
这个频率分别也被称为晶体的牵引范围。
在上面的方程式中，C1/C0作为识别可牵引晶体的指示项。
当为VCXO（控制晶体振荡器）应用挑选合适的晶体时，可将其作为迅速挑选办法。
从上一部分的方程式10中判断，可通过调节负载CL将串联或并联共振晶体从特定工作频率牵引出来。
利用方程式2计算FS与FP之间的差值(△FL)。
图1给出了衔接皮尔斯振荡器的并联共振晶体上的测量结果，其中y 轴代表输出频率对额定频率的偏离量(ppm)，x轴代表电容性负载。
可以注重到，随着负载电容值的增强，晶体发生共振的频率要低于其额定的并联共振频率，反之亦然。
曲线外形随晶体参数的不同而变幻。
曲线穿过0ppm时的CL值是额定的晶体负载电容。
对于下面的图表，用法了额定值为8pF和54MHz的晶体。
图1：晶体频率与CL【分页导航】第1页：晶体牵引范围第2页：驱动功率第3页：频率稳定性与温度第4页：老化【系列文章】振荡器–生成精确时钟源晶体振荡器的原理与操作：第2部分——振荡器：如何生成精确时钟源晶体振荡器的原理与操作：第4部分——晶体振荡器–技术规范解读(2) 《技术设计》网站版权全部，谢绝转载驱动功率：晶体驱动功率定义了晶体的功耗。
在设计晶体振荡器时，设计人员必需考虑晶体的最大驱动功率，并确保不超过该值。
晶体创造商提供晶体能够承受的最大驱动功率数值。
假如晶体过度激励，可能会导致RF辐射、迅速老化、泛音模式振荡或者晶体的永远损坏。
为避开这种状况，工程师在设计系统时应检查晶体的技术规范和振荡器电路。
通常，ESR、C0/C1和CL参数最为重要，可用于计算驱动功率。
恒温晶振 OCXO计算机辅助调试和自动测试系统
. Al敏包l电含R阻了i组其g成温h的度ts控'电制R桥电e(s路将e和二r振者ve组荡d成器.差电动路串"通联常放而大言器""通从过而利实用现恒热
够同时接入多个恒温晶振振荡器的测试板"经过选通驱动的Байду номын сангаас 号指令对所测试的恒温晶振振荡器进行选择并对其输出信号 起到缓冲的作用$
$恒温晶振的测量控制电路设计 根据事先对恒温晶振的测试要求"要求对恒温晶振的测量 控制电路能够产生多路相对独立且可以调校的#变化范围为 %& 82$%[的温控电压"且要求其相对误差在 $q以内)其次"要求系 统可以一路相对误差小于 $q且变化范围为正负 $%[压控电压) 此外"系统还要求多个外接线路可以直接驱动继电器的选通信 号等$ 结合以上具体要求"现对恒温晶振振荡器的计算机辅助 和自动测量控制系统进行设计$ 该系统选择采用多路复式的连 接方式"以便实现多路#高精度的测试功能$ 这种连接方式主要 是通过一片 $0 位的串行 !*?产生精度很高的输出电压"然后再 由六个单片 4 路采样保持器 :6 <%4 和一个 H>$'4 分时复用"从 而形成多路温控电压#$ 路压控电路的输出的系统$ 在 !*?电 路与通信接口共用单片机串行接口时"将 !*?电路设为优先级" 从而确保各路电压的精准度$ 该系统由 Y% 中断服务程序按顺 序每次设置和刷新一路电压"实现后置' 串口空闲( 的功能$ 软 件主程序查询到'串口空闲( 的标志以后"便立即对微信计算机 的串口 : 端的电平进行识别"然后做出逻辑判断"选择端口是否 与微型计算机进行通信,3- $ 如果端口电平的反馈是' 是( 的信 号"则系统的主程序则会接管串口"此时主程序会让系统禁止电 压刷新$ 接下来主程序设置 KY: 和 !YK通知微机' 准备接收(" 并按照设定好的通信协议进行接收#解释和执行微型计算机的 指令"直到指令执行动作完成以后"其采再次释放串口并且进行 新的电压刷新$ 当串口通信速率设置为 $')%%Q<: 时"$ 次通信 约需 );L"而将多路电压进行全部刷新 $ 次"也仅仅需要的时间 大约是 (;L"故而系统中全部电压一次刷新的总时间不会超过 0;L"而 :6<%4P<的输出频率的衰落速率小于 )%;[*L,8- $ 综上 所述"本文所设计的恒温晶振计算机辅助调试和自动测试系统 完全可以满足现实的需求$ -小结 在对恒温晶振进行实际计算机辅助调试和自动测试的实 际过程中"要结合恒温晶振的构成和运行特点"结合其调试的 实际过程"再结合其设计要求"对其进行科学#合理的设计"以 便实现其自动化发展$ 参考文献 %$& 方忠有!朱辉!李浩!李丕宁!孙仲秋&高稳定度恒温晶 体 振 荡 器 拐 点 电 阻 调 试 装 置 及 调 试 方 法 % <& &广 东' GS$%()8'83%?!)%$(2%42)$& %)& 田磊&基于自适应 <#!的恒温晶振同步控制装置研制 % !& &吉林大学!)%%'& %(& 蒋平虎&高稳定低相位噪声晶体振荡器的研究#设计和 G?!% !& &上海海运学院!)%%(& %3& 赵曙光!杨万海!陈丽萍!高建宁&恒温晶振( "GI") 计 算机辅助调试和自动测试系统% 7& &仪器仪表学报!)%%)(%0) ' 03)2033& %8& 陈 庆&<#!控 制 的 恒 温 槽 % 7& &空 间 电 子 技 术!$''3 (%)) '(%2(8J3%&
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恒温控制晶体振荡器（OCXO）的原理
CXO是利用恒温槽使晶体振荡器或石英晶体振子的温度保持恒定，将由周围温度变化引起的振荡器输出频率变化量削减到最小的晶体振荡器，其内部结构如图4所示。
在OCXO中，有的只将石英晶体振子置于恒温槽中，有的是将石英晶体振子和有关重要元器件置于恒温槽中，还有的将石英晶体振子置于内部的恒温槽中，而将振荡电路置于外部的恒温槽中进行温度补偿，实行双重恒温槽控制法。
利用比例控制的恒温槽能把晶体的温度稳定度提高到5000倍以上，使振荡器频率稳定度至少保持在1×10－9。
OCXO主要用于移动通信基地站、国防、导航、频率计数器、频谱和网络分析仪等设备、仪表中。
OCXO是由恒温槽控制电路和振荡器电路构成的。
通常人们是利用热敏电阻“电桥”构成的差动串联放大器，来实现温度控制的。
具有自动增益控制（AGC）的（C1app）振荡电路，是目前获得振荡频率高稳定度的比较理想的技术方案。
在近几年中，OCXO的技术水平有了很大的提高。
日本电波工业公司开发的新器件功耗仅为老产品的1/10。
在克服OCXO功耗较大这一缺点方面取得了重大突破。
该公司使用应力补偿切割（SCCut）石英晶体振子制作的OCXO，与使用AT 切形石英晶体振子的OCXO比较，具有高得多的频率稳定度和非常低的相位噪声。
相位噪声是指信号功率与噪声功率的比率（C/N），是表征频率颤抖的技术指标。
在对预期信号既定补偿处，以1Hz带宽为单位来测量相位噪声。
Bliley公司用AT切形晶体制作的NV45A在补偿点10Hz、100Hz、1kHz和10kHz处的相位噪声分别为100、135、140和145dBc/Hz，而用SC切割晶体制成的同样OCXO，则在所有补偿点上的噪声性能都优于5dBc/Hz。
凯越翔电子生产的OCXO，频率范围为5～120MHz，在－10～＋60℃的温度范围内，频率稳定度有±0.02、±0.03和±0.05ppm，老化指标为±0.02ppm/年和±0.05ppm/年。
Oak频率控制公司的4895型4.096～45MHz双恒温箱控制OCXO，温度稳定度仅为0.002ppm（2×10－10）/0～75℃；4895型OCXO的尺寸是
50.8mm×50.8mm×38.3mm，老化率为±0.03ppm/年。
如果体积缩小一点，在性能指标上则会有所牺牲。
Oak公司生产的10～25MHz表面贴装OCXO，频率稳定度为±0.05ppm/0～70℃。
PiezoCrystal的275型用于全球定位系统（GPS）的OCXO 采用SC切形石英晶体振子，在0～75℃范围内总频偏小于±0.005ppm，最大老化率为±0.005ppm/年。
Vectron国际公司的CO－760型OCXO，尺寸为25.4mm
见方，高12.7mm，在OCXO产品中，体积算是较小的。
随着移动通信产品的迅猛增长，对OCXO的市场需求量会逐年增加。
OCXO的发展方向是顺应高频化、高频率稳定度和低相位噪声的要求，但在尺寸上的缩小余地非常有限。