Crystal Oscillator启动振荡时产生的噪声和振动隔离系统

我们都知道石英晶振是属于一种频率振荡元器件,本身的工作效应就是依靠振动来完成的,而且这种振动人体难以察觉,速度非常快,晶振的性能越高其振荡性就越好,但随之而来的另一个问题,也使工程师头疼不已,那就是振动时引起的相位噪声.几十年来,世界范围内无数晶振厂家都在致力于如何降低噪声,并节省成本,并已有许多晶体制造商成功了.美国的Wenzel Associates,Inc公司就是其中一家,Wenzel晶振这个品牌在欧美地区非常受欢迎,如今也登录了中国市场,国内已有部分生产厂家在使用他们家的振荡器产品,接下来就给大家说说,Wenzel公司是如何降低Crystal Oscillator的相位噪声的.

石英晶体振荡器在加速时会稍微改变频率.晶体具有加速度敏感度,如果设计者不注意,电路也将具有加速度敏感性.通过采用“两克翻倒测试,可以在稳走的烤箱恒温晶振中观察到这种灵敏度.当振荡器上下颠倒时,作用在晶体上的力会改变29(从1到1g).典型的SC切制的10MHz晶体将变化约002Hz,这将使每g的灵敏度约为001Hz.通常,较高频率的晶体具有较低的G灵敏度,但灵敏度可能会因一个晶体与下一个晶体之间以及从一个晶体夹持器类型与下一个晶体的不同而显着不同.改变关键元件上的压力甚至轻微移动也会改变频率,从而增加了振荡器的整体灵敏度.

对加速度的敏感性意味着,在许多设备机架和仪器中发现的随机和厝期性机械振动会在高性能晶体振荡器中引起明显的相位噪声.便携式设备在卡车,坦克,轮船,直升机,喷气机甚至背包中会受到强烈振动.固定装置可能靠近振动机械,或仅被附近的冷却风扇徑动.晶体支架,电路板和外壳可能会表现出机械共振,从而使振荡器在特定振动频率下的灵敏度大大提高,但是仔细的设计和晶体安装选择可以将这些共振移至机械阻尼更有效的高频.加速灵敏度是一个矢量量,用大小和方向表示,也可以用三个正交矢量的总和表示,这些正交矢量通常与振荡器外壳的侧面对齐.感应相位噪声可以根据以下公式计算:

L(f)=20log((加速度灵敏度x加速度x振荡器频率)/(2x振动频率))

其中,加度是正弦波振动的g等级,或者是随机振动在赫兹带宽内功率谱密度的两倍的平方根.

下面提供的电子表格会针对随机振动执行此计算.(可以通过输入实际振动水平的一半来将它们用于计算正弦波的振动.)电子表格的第一部分在给定有撷率和振动频率的情况下,计算了单自由度振动隔离系统的效果.阻尼因子.第二张國显示了安装在减振系统上的具有指走加速度灵敏度的振荡器的相位噪声.通过输入很高的自然共振频率(E6),可以从计算中删除隔振系统,从而在所示频率范围内不发生减振.可以通过更改比例因子(从某个标称点增加或降低水平)来输入振动曲线.

值得注意的是,加速度灵敏度的矢量性质意味着石英晶体振荡器将对一个特走方向的振动最敏感,并且存在一个平面,其灵敏度接近零与灵敏度矢量正交的任何方向).在关键系统中,振荡器的位置应确保在使用振动隔离器时,灵敏度矢量指向最小振动方向或最佳隔离方向.已经通过将加速度计指向灵敏度矢量的方向来补偿晶体振荡器以产生校正电压以施加到电调谐的努力.这种方法的増强版本可以使用数字信号处理器(DSP)将线性加谏度计的输出转换为校正振荡器相位所需的非线性曲线,甚至可能补偿机械共振.另一种方案是使用两个晶体,它们具有指向相反方向的匹配加速度矢量.作者提出了一个引导程序该方案采用两个晶体,其加速度矢量指向相同的方向,但幅度不同.

减少振动引起的相伴噪声的最常见方法是选择低灵敏度晶体,并用低固有频率的振动隔离器隔离振荡器.振荡器内可能装有型全向氨基甲酸乙酯减震架尺寸至关重要时包装.当空间允许时,外部振动安装座可提供较低的固有频率,充分利用了振荡器的整体重量以及安装板和必要时附加镇流器的重量.振动支架必须谨慎选择,因为许多材料在温度范围内会显示出很大的刚度变化,并且大多数支架会表现出与方向有关的隔离性.设计人员必须在隔离的组件周围留出足够的空间,以防止受到具有正常振动水平的其他物体的冲击.

降低石英振荡器的振动灵敏度目前正受到包括晶体和振荡器制造商在内的许多频率控制行业的关注.振荡器的性能达到了这样的水平,一个人走过房间会降低近相噪声,而相对安静的风扇会产生远高于更好振荡器本底噪声的边带.SC切割晶体并未实现希望的性能改进,但由于未完全理解的原因而偶尔出现的装置仍具有出色的性能,这表明解决方案指日可待.

隔振系统

隔振系统仅能有效降低系统共振频率以上的振动水平.并且,在谐振频率处,将出现放大的响应,这取决于隔离器的阻尼特性.在谐振频率以下,隔离系统对振动的影响很小.当出现单音振动或高水平的低频振动时,设计人员必须特别注意共振附近的振动放大和摇晃以及安装接近行程结束时的性能.在某些情况下,振动系统选择不当会使情况变得更遭,甚至造成本来不会发生的损坏!然而,在大多数的情况下,隔振系统将大大降低到达受保护设备的总振动水平,并且其相对较低的共振频率将保护具有高固有频率的组件.例如,不费吹灰之力便会产生一个固有频率低于200Hz的晶体振荡器隔离系统,而PCB和晶体安装座的谐振频率通常高于1000Hz,因此潜在麻烦的振动能量将在达到这些谐振频率之前被显着衰减.

当安装诸如晶体振荡器之类的小型组件时,要获得低于约100Hz的低谐振频率可能很困难,通常必须增加质量.黄铜安装板很方便,可以放置振荡器,减震器和电缆固定点.互连电缆应具有挠性和牢固性,以使挠曲沿电缆的长度而不是在端部发生.短而硬的电缆会破坏良好安装的隔离特性!较低烦率的安装系统需要更多的移动空间,高度非线性的挡块会产生高频振动.可以在机加工的壳体中安装几个组件以增加质量,但是必须特别注意外壳的设计,以避免侧面和顶部产生共振.柔软的弹性体安装座会随温度变化而改变刚度,因此在室温下合理的系统在低温下可能会变得过于僵硬,或者在高温时会使组件移动得太远.许多减震架是非线性的,在极限挠度下会变得更加坚硬,但是要充分利用这种非线性,设计人员必须让支架有足够的伸展空间.支架的刚度将取决于方向,因此通常需要确定最坏情况轴上的共振频率.通常,可以将设备定向在安装板上以充分利用最佳隔离轴.例如,贴片振荡器具有加谏度灵敏度矢量,该加速度灵敏度矢量可以沿最佳隔离轴指向.

可用的防震架和隔振材料的选择将使书架充满,并使选择者迷惑不解.设计人员必须考虑各种方法的成本,材料的寿命,温度的影响,可用空间以及许多其他特定于应用程序的考虑因素.在某些情况下,该组件可以包裹在各种泡沫毯中,然后滑入中,这与将产品包装在纸板箱中进行运输的方式非常相似.这种方法通常会导致较高的共振频率,并且对于许多泡沫,尤其是长寿命的硅橡胶,阻尼可能会非常低.可以提供具有良好阻尼特性的特种泡沫,但设计人员必须提防工作温度和老化效应.另一种常见的方法是将设备安装在氯丁橡胶或其他弹性体安装座上.可提供额定重量轻的非常小的安装座,该安装座具有良好的隔离性和较低的共振频率,但许多所用材料会在整个温度范围內显着改变刚度.

更好的隔离器类型之一是AeroflexInternational,lnc制造的.全金属设计可在温度和时间范围内提供一致的性能,而多股钢丝绳设计可提供出色的阻尼和全向隔离.“圆形拱门系列"对于较小的组件特别方便: 

这些隔离器具有不锈钢绳和铝制附件外壳,并具有各种尺寸和样式.阻尼系数明显高于类似尺寸的弹性体安装座.实际数字有点难以捉摸,但是好的起始值为0.2或更高,典型的弹性体安装座的阻尼系数可能低于0.1.实际的阻尼将取决于安装和变形量.这些安装座表现出有用的非线性,随着振动水平的提高而变得更柔和,这往往可以防止共振引起的大挠度.

除了对组件进行减震安装之外,还可以采取其他步骤来改善隔振效果.可以添加绝缘材料以阻挡声学噪声,并且可以将消振材料添加到具有共振的平坦表面上.在某些安装中,可能需要静电屏蔽和电磁屏蔽,因为隔离的设备将相对于底盘和其他组件产生运动.最后但并非最不重要的一点是,设备本身的固有灵敏度可能会降低.

利用隔离器来降低石英振荡器的噪声,这种方法一开始很少人支持,Wenzel晶振公司也并不是每一家这么做的公司,但是当这种方法获得不错的结果时,引起业界人士们纷纷的模仿浪潮.Wenzel作为先行者,一跃成为行业里的品牌代表.利用高超先进的制造技术和研发经验,开发出多款高性能的Crystal Oscillator产品,为客户和该领域都做出了不小的贡献.

Crystal Oscillator启动振荡时产生的噪声和振动隔离系统