實(shí)用干貨!剖析Wenzel振蕩器的調(diào)諧范圍
來源：http://m.hhamai.cn 作者：金洛鑫電子 2020年05月20
實(shí)用干貨!剖析Wenzel振蕩器的調(diào)諧范圍
大多數(shù)石英晶體振蕩器都提供了機(jī)械和/或電氣調(diào)諧裝置,以調(diào)節(jié)頻率以進(jìn)行鎖相或調(diào)制或補(bǔ)償長期漂移.機(jī)械調(diào)諧通常是通過晶振電路中的單匝或多匝微調(diào)電容器或電感器來實(shí)現(xiàn)的,該電容器或電感器可通過振蕩器外殼上的孔進(jìn)行訪問.
大多數(shù)Wenzel Associates振蕩器都使用變?nèi)荻O管進(jìn)行所有調(diào)諧,并且機(jī)械調(diào)諧是通過連接到精密基準(zhǔn)電壓的精密電位計(jì)在內(nèi)部完成的.我們的測試表明,最優(yōu)質(zhì)的微調(diào)電位器的機(jī)械穩(wěn)定性和磁滯超過了最高精度微調(diào)電容器的穩(wěn)定性.使用相同的變?nèi)荻O管以實(shí)現(xiàn)高調(diào)諧線性的配置完成電調(diào)諧.來自電位器的機(jī)械調(diào)諧電壓通過信號(hào)隔離網(wǎng)絡(luò)施加到調(diào)諧二極管的陰極,電調(diào)諧電壓施加到二極管的陽極.電調(diào)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(fù)到電調(diào)諧的中點(diǎn).
作為一種選擇,可以將振蕩器的內(nèi)部參考電壓引致一個(gè)引腳上,以連接到多圈電位計(jì)以進(jìn)行微調(diào).或者,可以將來自單獨(dú)電源的干凈DC施加到電調(diào)諧銷上.如果可用電源有噪聲或不穩(wěn)定,則可能需要添加一個(gè)齊納二極管或參考設(shè)備以及一個(gè)低通噪聲濾波器.溫度補(bǔ)償齊納二極管(如1N821)是提供良好溫度穩(wěn)定性和極低噪聲的絕佳選擇(在大多數(shù)情況下),以下所示的22uF濾波電容器可省去.參考設(shè)備具有出色的穩(wěn)定性,但它們通常具有相當(dāng)高的噪聲電壓,因此建議進(jìn)行額外的濾波器.
這里有幾點(diǎn)要考慮:
●可以提供的調(diào)諧范圍的數(shù)量是晶體頻率,切割,泛音和光斑大小(或運(yùn)動(dòng)電容)的函數(shù).使用三倍頻SC切割諧振器的精密低頻振蕩器的調(diào)諧范圍僅為幾ppm,而大光點(diǎn)尺寸的AT切割基本晶體可以達(dá)到1000ppm.
●可以為PLL應(yīng)用指定電調(diào)諧輸入的帶寬和調(diào)諧斜率.
●出廠時(shí),烤箱振蕩器可能會(huì)表現(xiàn)出每天的老化速率,這會(huì)很快消耗所有的機(jī)械調(diào)諧范圍.這種快速老化會(huì)在烤箱溫度下運(yùn)行幾周之內(nèi)顯著降低裂紋.
●烤箱振蕩器可以使用高精度的"硬"晶體,因?yàn)樗鼈冊趩蝹€(gè)溫度下運(yùn)行,并且調(diào)諧只能補(bǔ)償老化,而TCXO溫補(bǔ)晶振必須進(jìn)行足夠遠(yuǎn)的調(diào)諧以消除溫度影響并補(bǔ)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(zhǔn)過程中頻率可能會(huì)沿相反方向偏移,從而使校準(zhǔn)周期時(shí)間幾乎翻倍.
●線性通常指定為相對于調(diào)整曲線的直線擬合的總調(diào)整偏差的百分比.10%的線性度規(guī)格將允許與1KHz調(diào)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(huì)在范圍的一端迅速出現(xiàn),如下所示.盡管振蕩器符合相當(dāng)嚴(yán)格的線性指標(biāo),但在曲線頂部的斜率明顯較低.對于調(diào)諧斜率會(huì)影響環(huán)路穩(wěn)定性的PLL系統(tǒng),除了線性百分比外,還應(yīng)指定曲線上所有點(diǎn)的最小和最大調(diào)諧斜率.
將精密振蕩器與外部基準(zhǔn)一起使用:
許多采用精密晶體振蕩器作為內(nèi)部頻率基準(zhǔn)的儀器也都準(zhǔn)備接受外部基準(zhǔn),內(nèi)部或外部的選擇可以通過手動(dòng)投擲一個(gè)開關(guān)來進(jìn)行,也可以通過外部參考輸入連接器上的信號(hào)自動(dòng)觸發(fā).在最簡單的情況下,手動(dòng)開關(guān)僅選擇要引導(dǎo)至儀器的信號(hào)源,并使用適當(dāng)?shù)碾娮杵鹘K止未使用的信號(hào)源.當(dāng)內(nèi)部基準(zhǔn)是烤箱振蕩器時(shí),通常希望有一個(gè)"信號(hào)消除"輸入以在保持烤箱工作的同時(shí)關(guān)閉振蕩器.當(dāng)存在外部基準(zhǔn)時(shí),TCXO和非補(bǔ)償振蕩器可能會(huì)關(guān)閉,以避免潛在的干擾.
信號(hào)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(guān)電平.大多數(shù)信號(hào)殺死輸入均設(shè)計(jì)為在末連接時(shí)浮動(dòng)至"開"狀態(tài),內(nèi)部RC電路可保護(hù)晶振免受可能存在于控制線上有有害電壓或干擾RF信號(hào)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(zhǔn),并產(chǎn)生適合驅(qū)動(dòng)大多數(shù)信號(hào)殺死輸入的邏輯"低".該控制信號(hào)還可用于門控儀器電路的外部輸入.該電路設(shè)計(jì)為表現(xiàn)出相當(dāng)高的輸入阻抗,因此在儀器的其他位置假設(shè)電纜端接正確.
如果期望內(nèi)部振蕩器具有比外部基準(zhǔn)更好的短期穩(wěn)定性,則可能需要將內(nèi)部振蕩器相位鎖定到基準(zhǔn).鎖定的振蕩器將表現(xiàn)出內(nèi)部晶體振蕩器的良好短期穩(wěn)定性和外部基準(zhǔn)的良好長期穩(wěn)定性.一個(gè)簡單的一階環(huán)路可以由三態(tài)總線設(shè)備或模擬開關(guān)以及一些其他部件組成.基本概念是利用外部參考信號(hào)驅(qū)動(dòng)三態(tài)控制,并使內(nèi)部振蕩器信號(hào)通過三態(tài)門之一,以便參考信號(hào)對內(nèi)部振蕩器信號(hào)進(jìn)行采樣.三態(tài)門的輸出經(jīng)過低通濾波以消除RF頻率,并連接到內(nèi)部振蕩器的電調(diào)諧.偏置三態(tài)控制線,以便在沒有外部基準(zhǔn)時(shí)柵極輸出"浮動(dòng)".當(dāng)沒有外部參考源時(shí),這種高阻抗?fàn)顟B(tài)允許調(diào)諧線被連接到調(diào)諧電位器的高阻值電阻拉動(dòng).74HC244具有兩組四個(gè)三態(tài)緩沖器,是一個(gè)不錯(cuò)的選擇,因?yàn)榭梢允褂梦词褂玫乃膫€(gè)門來緩沖信號(hào).
以下電路使用相同的Wenzel晶振技術(shù),僅使用兩個(gè)CMOS器件,一個(gè)4069十六進(jìn)制反相器和一個(gè)4016或4066模擬開關(guān).頻率微調(diào)電位器在不存在基準(zhǔn)的情況下控制頻率.該電路還包括一個(gè)LED驅(qū)動(dòng)器,用于指示外部參考信號(hào)的存在.組分值不是特別關(guān)鍵,并且最佳值將取決于應(yīng)用.
所示電路是具有最高精度振蕩器的一階環(huán)路.例如,一個(gè)10MHz的烤箱振蕩器調(diào)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(huán)路的帶寬是調(diào)諧靈敏度和相位斜率的乘積(1Hz/伏×3伏/弧度=3Hz),該斜率遠(yuǎn)低于10K和10nF網(wǎng)絡(luò)的滾降頻率.如果振蕩器具有更高的調(diào)諧靈敏度,則帶寬將成比例地更高,并且可能需要二階響應(yīng)來減少外部參考噪聲.盡管可以添加傳統(tǒng)的有損集成運(yùn)算放大器類型2電路,在沒有基準(zhǔn)的情況下,有必要采取其他措施來控制頻率,因?yàn)榉e分器將趨向于漂移至供電軌之一.
在保留自動(dòng)調(diào)諧切換的同時(shí)實(shí)現(xiàn)二階響應(yīng)的另一種方法是添加一個(gè)額外的無源濾波器.通過向輸出端添加一個(gè)100K或更大的串聯(lián)電阻,可以輕松實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)這種類型1的二階環(huán)路.現(xiàn)在,將與電容器串聯(lián)的另一個(gè)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(huì)變得低得無法接受.實(shí)際上,如果振蕩器具有非常寬的調(diào)諧范圍,則10nF可能太大而無法提供足夠的阻尼.(在大多數(shù)參考應(yīng)用中)
總結(jié):
●上面的電路在10MHz的設(shè)備頻率極限下工作,但15V電源可提供約12V的調(diào)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(diào)諧電壓范圍(低于5V).可以為需要更多調(diào)諧電壓擺幅的振蕩器增加一個(gè)放大器.要計(jì)算此類系統(tǒng)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(diào)諧靈敏度.
●參考輸入可能需要一個(gè)電阻在100nF電容器的參考側(cè)接地,以正確終止輸入.
●該電路可能用三態(tài)門構(gòu)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(zhǔn)門,以使它們在不存在信號(hào)時(shí)關(guān)閉三態(tài)控制.
●振蕩器調(diào)諧輸入必須為高阻抗(兆歐),添加一個(gè)電壓跟隨器來驅(qū)動(dòng)較低的阻抗輸入.
實(shí)用干貨!剖析Wenzel振蕩器的調(diào)諧范圍
大多數(shù)石英晶體振蕩器都提供了機(jī)械和/或電氣調(diào)諧裝置,以調(diào)節(jié)頻率以進(jìn)行鎖相或調(diào)制或補(bǔ)償長期漂移.機(jī)械調(diào)諧通常是通過晶振電路中的單匝或多匝微調(diào)電容器或電感器來實(shí)現(xiàn)的,該電容器或電感器可通過振蕩器外殼上的孔進(jìn)行訪問.
大多數(shù)Wenzel Associates振蕩器都使用變?nèi)荻O管進(jìn)行所有調(diào)諧,并且機(jī)械調(diào)諧是通過連接到精密基準(zhǔn)電壓的精密電位計(jì)在內(nèi)部完成的.我們的測試表明,最優(yōu)質(zhì)的微調(diào)電位器的機(jī)械穩(wěn)定性和磁滯超過了最高精度微調(diào)電容器的穩(wěn)定性.使用相同的變?nèi)荻O管以實(shí)現(xiàn)高調(diào)諧線性的配置完成電調(diào)諧.來自電位器的機(jī)械調(diào)諧電壓通過信號(hào)隔離網(wǎng)絡(luò)施加到調(diào)諧二極管的陰極,電調(diào)諧電壓施加到二極管的陽極.電調(diào)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(fù)到電調(diào)諧的中點(diǎn).
作為一種選擇,可以將振蕩器的內(nèi)部參考電壓引致一個(gè)引腳上,以連接到多圈電位計(jì)以進(jìn)行微調(diào).或者,可以將來自單獨(dú)電源的干凈DC施加到電調(diào)諧銷上.如果可用電源有噪聲或不穩(wěn)定,則可能需要添加一個(gè)齊納二極管或參考設(shè)備以及一個(gè)低通噪聲濾波器.溫度補(bǔ)償齊納二極管(如1N821)是提供良好溫度穩(wěn)定性和極低噪聲的絕佳選擇(在大多數(shù)情況下),以下所示的22uF濾波電容器可省去.參考設(shè)備具有出色的穩(wěn)定性,但它們通常具有相當(dāng)高的噪聲電壓,因此建議進(jìn)行額外的濾波器.
●可以提供的調(diào)諧范圍的數(shù)量是晶體頻率,切割,泛音和光斑大小(或運(yùn)動(dòng)電容)的函數(shù).使用三倍頻SC切割諧振器的精密低頻振蕩器的調(diào)諧范圍僅為幾ppm,而大光點(diǎn)尺寸的AT切割基本晶體可以達(dá)到1000ppm.
●可以為PLL應(yīng)用指定電調(diào)諧輸入的帶寬和調(diào)諧斜率.
●出廠時(shí),烤箱振蕩器可能會(huì)表現(xiàn)出每天的老化速率,這會(huì)很快消耗所有的機(jī)械調(diào)諧范圍.這種快速老化會(huì)在烤箱溫度下運(yùn)行幾周之內(nèi)顯著降低裂紋.
●烤箱振蕩器可以使用高精度的"硬"晶體,因?yàn)樗鼈冊趩蝹€(gè)溫度下運(yùn)行,并且調(diào)諧只能補(bǔ)償老化,而TCXO溫補(bǔ)晶振必須進(jìn)行足夠遠(yuǎn)的調(diào)諧以消除溫度影響并補(bǔ)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(zhǔn)過程中頻率可能會(huì)沿相反方向偏移,從而使校準(zhǔn)周期時(shí)間幾乎翻倍.
●線性通常指定為相對于調(diào)整曲線的直線擬合的總調(diào)整偏差的百分比.10%的線性度規(guī)格將允許與1KHz調(diào)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(huì)在范圍的一端迅速出現(xiàn),如下所示.盡管振蕩器符合相當(dāng)嚴(yán)格的線性指標(biāo),但在曲線頂部的斜率明顯較低.對于調(diào)諧斜率會(huì)影響環(huán)路穩(wěn)定性的PLL系統(tǒng),除了線性百分比外,還應(yīng)指定曲線上所有點(diǎn)的最小和最大調(diào)諧斜率.
許多采用精密晶體振蕩器作為內(nèi)部頻率基準(zhǔn)的儀器也都準(zhǔn)備接受外部基準(zhǔn),內(nèi)部或外部的選擇可以通過手動(dòng)投擲一個(gè)開關(guān)來進(jìn)行,也可以通過外部參考輸入連接器上的信號(hào)自動(dòng)觸發(fā).在最簡單的情況下,手動(dòng)開關(guān)僅選擇要引導(dǎo)至儀器的信號(hào)源,并使用適當(dāng)?shù)碾娮杵鹘K止未使用的信號(hào)源.當(dāng)內(nèi)部基準(zhǔn)是烤箱振蕩器時(shí),通常希望有一個(gè)"信號(hào)消除"輸入以在保持烤箱工作的同時(shí)關(guān)閉振蕩器.當(dāng)存在外部基準(zhǔn)時(shí),TCXO和非補(bǔ)償振蕩器可能會(huì)關(guān)閉,以避免潛在的干擾.
信號(hào)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(guān)電平.大多數(shù)信號(hào)殺死輸入均設(shè)計(jì)為在末連接時(shí)浮動(dòng)至"開"狀態(tài),內(nèi)部RC電路可保護(hù)晶振免受可能存在于控制線上有有害電壓或干擾RF信號(hào)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(zhǔn),并產(chǎn)生適合驅(qū)動(dòng)大多數(shù)信號(hào)殺死輸入的邏輯"低".該控制信號(hào)還可用于門控儀器電路的外部輸入.該電路設(shè)計(jì)為表現(xiàn)出相當(dāng)高的輸入阻抗,因此在儀器的其他位置假設(shè)電纜端接正確.
以下電路使用相同的Wenzel晶振技術(shù),僅使用兩個(gè)CMOS器件,一個(gè)4069十六進(jìn)制反相器和一個(gè)4016或4066模擬開關(guān).頻率微調(diào)電位器在不存在基準(zhǔn)的情況下控制頻率.該電路還包括一個(gè)LED驅(qū)動(dòng)器,用于指示外部參考信號(hào)的存在.組分值不是特別關(guān)鍵,并且最佳值將取決于應(yīng)用.
在保留自動(dòng)調(diào)諧切換的同時(shí)實(shí)現(xiàn)二階響應(yīng)的另一種方法是添加一個(gè)額外的無源濾波器.通過向輸出端添加一個(gè)100K或更大的串聯(lián)電阻,可以輕松實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)這種類型1的二階環(huán)路.現(xiàn)在,將與電容器串聯(lián)的另一個(gè)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(huì)變得低得無法接受.實(shí)際上,如果振蕩器具有非常寬的調(diào)諧范圍,則10nF可能太大而無法提供足夠的阻尼.(在大多數(shù)參考應(yīng)用中)
總結(jié):
●上面的電路在10MHz的設(shè)備頻率極限下工作,但15V電源可提供約12V的調(diào)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(diào)諧電壓范圍(低于5V).可以為需要更多調(diào)諧電壓擺幅的振蕩器增加一個(gè)放大器.要計(jì)算此類系統(tǒng)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(diào)諧靈敏度.
●參考輸入可能需要一個(gè)電阻在100nF電容器的參考側(cè)接地,以正確終止輸入.
●該電路可能用三態(tài)門構(gòu)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(zhǔn)門,以使它們在不存在信號(hào)時(shí)關(guān)閉三態(tài)控制.
●振蕩器調(diào)諧輸入必須為高阻抗(兆歐),添加一個(gè)電壓跟隨器來驅(qū)動(dòng)較低的阻抗輸入.
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