Crystal Oscillator啟動(dòng)振蕩時(shí)產(chǎn)生的噪聲和振動(dòng)隔離系統(tǒng)

我們都知道石英晶振是屬于一種頻率振蕩元器件,本身的工作效應(yīng)就是依靠振動(dòng)來(lái)完成的,而且這種振動(dòng)人體難以察覺(jué),速度非常快,晶振的性能越高其振蕩性就越好,但隨之而來(lái)的另一個(gè)問(wèn)題,也使工程師頭疼不已,那就是振動(dòng)時(shí)引起的相位噪聲.幾十年來(lái),世界范圍內(nèi)無(wú)數(shù)晶振廠家都在致力于如何降低噪聲,并節(jié)省成本,并已有許多晶體制造商成功了.美國(guó)的Wenzel Associates,Inc公司就是其中一家,Wenzel晶振這個(gè)品牌在歐美地區(qū)非常受歡迎,如今也登錄了中國(guó)市場(chǎng),國(guó)內(nèi)已有部分生產(chǎn)廠家在使用他們家的振蕩器產(chǎn)品,接下來(lái)就給大家說(shuō)說(shuō),Wenzel公司是如何降低Crystal Oscillator的相位噪聲的.

石英晶體振蕩器在加速時(shí)會(huì)稍微改變頻率.晶體具有加速度敏感度,如果設(shè)計(jì)者不注意,電路也將具有加速度敏感性.通過(guò)采用“兩克翻倒測(cè)試,可以在穩(wěn)走的烤箱恒溫晶振中觀察到這種靈敏度.當(dāng)振蕩器上下顛倒時(shí),作用在晶體上的力會(huì)改變29(從1到1g).典型的SC切制的10MHz晶體將變化約002Hz,這將使每g的靈敏度約為001Hz.通常,較高頻率的晶體具有較低的G靈敏度,但靈敏度可能會(huì)因一個(gè)晶體與下一個(gè)晶體之間以及從一個(gè)晶體夾持器類(lèi)型與下一個(gè)晶體的不同而顯著不同.改變關(guān)鍵元件上的壓力甚至輕微移動(dòng)也會(huì)改變頻率,從而增加了振蕩器的整體靈敏度.

對(duì)加速度的敏感性意味著,在許多設(shè)備機(jī)架和儀器中發(fā)現(xiàn)的隨機(jī)和厝期性機(jī)械振動(dòng)會(huì)在高性能晶體振蕩器中引起明顯的相位噪聲.便攜式設(shè)備在卡車(chē),坦克,輪船,直升機(jī),噴氣機(jī)甚至背包中會(huì)受到強(qiáng)烈振動(dòng).固定裝置可能靠近振動(dòng)機(jī)械,或僅被附近的冷卻風(fēng)扇徑動(dòng).晶體支架,電路板和外殼可能會(huì)表現(xiàn)出機(jī)械共振,從而使振蕩器在特定振動(dòng)頻率下的靈敏度大大提高,但是仔細(xì)的設(shè)計(jì)和晶體安裝選擇可以將這些共振移至機(jī)械阻尼更有效的高頻.加速靈敏度是一個(gè)矢量量,用大小和方向表示,也可以用三個(gè)正交矢量的總和表示,這些正交矢量通常與振蕩器外殼的側(cè)面對(duì)齊.感應(yīng)相位噪聲可以根據(jù)以下公式計(jì)算:

L(f)=20log((加速度靈敏度x加速度x振蕩器頻率)/(2x振動(dòng)頻率))

其中,加度是正弦波振動(dòng)的g等級(jí),或者是隨機(jī)振動(dòng)在赫茲帶寬內(nèi)功率譜密度的兩倍的平方根.

下面提供的電子表格會(huì)針對(duì)隨機(jī)振動(dòng)執(zhí)行此計(jì)算.(可以通過(guò)輸入實(shí)際振動(dòng)水平的一半來(lái)將它們用于計(jì)算正弦波的振動(dòng).)電子表格的第一部分在給定有擷率和振動(dòng)頻率的情況下,計(jì)算了單自由度振動(dòng)隔離系統(tǒng)的效果.阻尼因子.第二張國(guó)顯示了安裝在減振系統(tǒng)上的具有指走加速度靈敏度的振蕩器的相位噪聲.通過(guò)輸入很高的自然共振頻率(E6),可以從計(jì)算中刪除隔振系統(tǒng),從而在所示頻率范圍內(nèi)不發(fā)生減振.可以通過(guò)更改比例因子(從某個(gè)標(biāo)稱點(diǎn)增加或降低水平)來(lái)輸入振動(dòng)曲線.

值得注意的是,加速度靈敏度的矢量性質(zhì)意味著石英晶體振蕩器將對(duì)一個(gè)特走方向的振動(dòng)最敏感,并且存在一個(gè)平面,其靈敏度接近零與靈敏度矢量正交的任何方向).在關(guān)鍵系統(tǒng)中,振蕩器的位置應(yīng)確保在使用振動(dòng)隔離器時(shí),靈敏度矢量指向最小振動(dòng)方向或最佳隔離方向.已經(jīng)通過(guò)將加速度計(jì)指向靈敏度矢量的方向來(lái)補(bǔ)償晶體振蕩器以產(chǎn)生校正電壓以施加到電調(diào)諧的努力.這種方法的増強(qiáng)版本可以使用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)將線性加諫度計(jì)的輸出轉(zhuǎn)換為校正振蕩器相位所需的非線性曲線,甚至可能補(bǔ)償機(jī)械共振.另一種方案是使用兩個(gè)晶體,它們具有指向相反方向的匹配加速度矢量.作者提出了一個(gè)引導(dǎo)程序該方案采用兩個(gè)晶體,其加速度矢量指向相同的方向,但幅度不同.

減少振動(dòng)引起的相伴噪聲的最常見(jiàn)方法是選擇低靈敏度晶體,并用低固有頻率的振動(dòng)隔離器隔離振蕩器.振蕩器內(nèi)可能裝有型全向氨基甲酸乙酯減震架尺寸至關(guān)重要時(shí)包裝.當(dāng)空間允許時(shí),外部振動(dòng)安裝座可提供較低的固有頻率,充分利用了振蕩器的整體重量以及安裝板和必要時(shí)附加鎮(zhèn)流器的重量.振動(dòng)支架必須謹(jǐn)慎選擇,因?yàn)樵S多材料在溫度范圍內(nèi)會(huì)顯示出很大的剛度變化,并且大多數(shù)支架會(huì)表現(xiàn)出與方向有關(guān)的隔離性.設(shè)計(jì)人員必須在隔離的組件周?chē)舫鲎銐虻目臻g,以防止受到具有正常振動(dòng)水平的其他物體的沖擊.

降低石英振蕩器的振動(dòng)靈敏度目前正受到包括晶體和振蕩器制造商在內(nèi)的許多頻率控制行業(yè)的關(guān)注.振蕩器的性能達(dá)到了這樣的水平,一個(gè)人走過(guò)房間會(huì)降低近相噪聲,而相對(duì)安靜的風(fēng)扇會(huì)產(chǎn)生遠(yuǎn)高于更好振蕩器本底噪聲的邊帶.SC切割晶體并未實(shí)現(xiàn)希望的性能改進(jìn),但由于未完全理解的原因而偶爾出現(xiàn)的裝置仍具有出色的性能,這表明解決方案指日可待.

隔振系統(tǒng)

隔振系統(tǒng)僅能有效降低系統(tǒng)共振頻率以上的振動(dòng)水平.并且,在諧振頻率處,將出現(xiàn)放大的響應(yīng),這取決于隔離器的阻尼特性.在諧振頻率以下,隔離系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)的影響很小.當(dāng)出現(xiàn)單音振動(dòng)或高水平的低頻振動(dòng)時(shí),設(shè)計(jì)人員必須特別注意共振附近的振動(dòng)放大和搖晃以及安裝接近行程結(jié)束時(shí)的性能.在某些情況下,振動(dòng)系統(tǒng)選擇不當(dāng)會(huì)使情況變得更遭,甚至造成本來(lái)不會(huì)發(fā)生的損壞!然而,在大多數(shù)的情況下,隔振系統(tǒng)將大大降低到達(dá)受保護(hù)設(shè)備的總振動(dòng)水平,并且其相對(duì)較低的共振頻率將保護(hù)具有高固有頻率的組件.例如,不費(fèi)吹灰之力便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)固有頻率低于200Hz的晶體振蕩器隔離系統(tǒng),而PCB和晶體安裝座的諧振頻率通常高于1000Hz,因此潛在麻煩的振動(dòng)能量將在達(dá)到這些諧振頻率之前被顯著衰減.

當(dāng)安裝諸如晶體振蕩器之類(lèi)的小型組件時(shí),要獲得低于約100Hz的低諧振頻率可能很困難,通常必須增加質(zhì)量.黃銅安裝板很方便,可以放置振蕩器,減震器和電纜固定點(diǎn).互連電纜應(yīng)具有撓性和牢固性,以使撓曲沿電纜的長(zhǎng)度而不是在端部發(fā)生.短而硬的電纜會(huì)破壞良好安裝的隔離特性!較低煩率的安裝系統(tǒng)需要更多的移動(dòng)空間,高度非線性的擋塊會(huì)產(chǎn)生高頻振動(dòng).可以在機(jī)加工的殼體中安裝幾個(gè)組件以增加質(zhì)量,但是必須特別注意外殼的設(shè)計(jì),以避免側(cè)面和頂部產(chǎn)生共振.柔軟的彈性體安裝座會(huì)隨溫度變化而改變剛度,因此在室溫下合理的系統(tǒng)在低溫下可能會(huì)變得過(guò)于僵硬,或者在高溫時(shí)會(huì)使組件移動(dòng)得太遠(yuǎn).許多減震架是非線性的,在極限撓度下會(huì)變得更加堅(jiān)硬,但是要充分利用這種非線性,設(shè)計(jì)人員必須讓支架有足夠的伸展空間.支架的剛度將取決于方向,因此通常需要確定最壞情況軸上的共振頻率.通常,可以將設(shè)備定向在安裝板上以充分利用最佳隔離軸.例如,貼片振蕩器具有加諫度靈敏度矢量,該加速度靈敏度矢量可以沿最佳隔離軸指向.

可用的防震架和隔振材料的選擇將使書(shū)架充滿,并使選擇者迷惑不解.設(shè)計(jì)人員必須考慮各種方法的成本,材料的壽命,溫度的影響,可用空間以及許多其他特定于應(yīng)用程序的考慮因素.在某些情況下,該組件可以包裹在各種泡沫毯中,然后滑入中,這與將產(chǎn)品包裝在紙板箱中進(jìn)行運(yùn)輸?shù)姆绞椒浅Ｏ嗨?/span>.這種方法通常會(huì)導(dǎo)致較高的共振頻率,并且對(duì)于許多泡沫,尤其是長(zhǎng)壽命的硅橡膠,阻尼可能會(huì)非常低.可以提供具有良好阻尼特性的特種泡沫,但設(shè)計(jì)人員必須提防工作溫度和老化效應(yīng).另一種常見(jiàn)的方法是將設(shè)備安裝在氯丁橡膠或其他彈性體安裝座上.可提供額定重量輕的非常小的安裝座,該安裝座具有良好的隔離性和較低的共振頻率,但許多所用材料會(huì)在整個(gè)溫度范圍內(nèi)顯著改變剛度.

更好的隔離器類(lèi)型之一是AeroflexInternational,lnc制造的.全金屬設(shè)計(jì)可在溫度和時(shí)間范圍內(nèi)提供一致的性能,而多股鋼絲繩設(shè)計(jì)可提供出色的阻尼和全向隔離.“圓形拱門(mén)系列"對(duì)于較小的組件特別方便: 

這些隔離器具有不銹鋼繩和鋁制附件外殼,并具有各種尺寸和樣式.阻尼系數(shù)明顯高于類(lèi)似尺寸的彈性體安裝座.實(shí)際數(shù)字有點(diǎn)難以捉摸,但是好的起始值為0.2或更高,典型的彈性體安裝座的阻尼系數(shù)可能低于0.1.實(shí)際的阻尼將取決于安裝和變形量.這些安裝座表現(xiàn)出有用的非線性,隨著振動(dòng)水平的提高而變得更柔和,這往往可以防止共振引起的大撓度.

除了對(duì)組件進(jìn)行減震安裝之外,還可以采取其他步驟來(lái)改善隔振效果.可以添加絕緣材料以阻擋聲學(xué)噪聲,并且可以將消振材料添加到具有共振的平坦表面上.在某些安裝中,可能需要靜電屏蔽和電磁屏蔽,因?yàn)楦綦x的設(shè)備將相對(duì)于底盤(pán)和其他組件產(chǎn)生運(yùn)動(dòng).最后但并非最不重要的一點(diǎn)是,設(shè)備本身的固有靈敏度可能會(huì)降低.

利用隔離器來(lái)降低石英振蕩器的噪聲,這種方法一開(kāi)始很少人支持,Wenzel晶振公司也并不是每一家這么做的公司,但是當(dāng)這種方法獲得不錯(cuò)的結(jié)果時(shí),引起業(yè)界人士們紛紛的模仿浪潮.Wenzel作為先行者,一躍成為行業(yè)里的品牌代表.利用高超先進(jìn)的制造技術(shù)和研發(fā)經(jīng)驗(yàn),開(kāi)發(fā)出多款高性能的Crystal Oscillator產(chǎn)品,為客戶和該領(lǐng)域都做出了不小的貢獻(xiàn).

Crystal Oscillator啟動(dòng)振蕩時(shí)產(chǎn)生的噪聲和振動(dòng)隔離系統(tǒng)