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揭秘OCXO晶振的优缺点和稳定性
随着近年来OCXO振荡器在市场上的需求量越来越大,引发许多人对OCXO的好奇心,在大多数人的印象里,恒温晶体振荡器是一种体积大,看起来笨重的,但性能和成本极高的频率控制元器件.甚至有人认为OCXO比较神秘,因为了解的人很少,对晶振不熟悉的甚至可能不知道有这种振荡器,始终保留着一层神秘感.OCXO晶振的制造工艺确实会更复杂,因为它的性能作用非常高,要求比较高的高端产品大部分都需要用到,目前海外许多制造商也正在加紧研发,缩小OCXO尺寸的技术,而且发展还算顺利.
无论如何,OCXO到底是什么?有什么好处?什么时候应该在电子系统设计中使用?这篇问题以及更多内容将在本文中得到解答.不,OCXO不代表八达通'指挥木琴管弦乐队,如果这是你的想法.OCXO实际上代表Oven Controlled Crystal(Xtal)振荡器.OCXO是功耗最高的石英晶体振荡器.其他类型的石英晶体振荡器包括TCXO晶振,VCXO晶振和普通的XO晶振.
OCXO振荡器的工作原理(和优点)
将精细调节的石英晶体(达到特定的中心频率)放置在类似烤箱的装置中.该烤箱经过高精度加热和控制,温度与上转折点频率与温度相匹配.烤箱的全部原因(并保持温度在翻转温度下)是为了保护石英晶振免受外部温度变化的影响.这些外部温度变化会导致石英晶体偏离其所需的中心频率.
在OCXO内部切割石英晶体的方式也会影响其性能.石英晶体被切割成”AT切割”或”SC切割”.SC切割的主要优点是它提供了整体更好的频率稳定性.这是因为SC切割对动态温度变化缺乏瞬态响应,这是由于缺乏应力敏感性.与未经烘烤的石英晶体相比,OCXO的频率与温度稳定性相比可提高约100倍.OCXO以提供卓越的短期稳定性而闻名.
OCXO振荡器的稳定性如何?
下表列出了从最稳定到最不稳定的常见振荡器/原子钟的稳定性等级.
|
稳定性 |
类型 |
相对准确度 |
|
最高 |
铯原子钟 |
1x10-13 |
|
高 |
铷原子钟 |
1x10-11 |
|
中间 |
OCXO |
1x10-9 |
|
低 |
TCXO |
1x10-7 |
|
最低 |
XO |
1x10-4 |
正如您所看到的,当涉及到普通石英晶体振荡器和时钟的稳定性时,OCXO正处于中间位置.但是,原子钟包含OCXO很常见.这允许原子钟提供良好的长期和短期稳定性.仅原子钟通常仅提供更长期的稳定性.将OCXO与原子钟配对可以提供出色的频率参考解决方案.
OCXO振荡器的最大缺点
正如我们之前提到的,更高的功耗是OCXO的主要缺点之一.这种缺点通常使OCXO不适合电池应用.此外,OCXO在上电后达到指定的温度范围之前需要几分钟的显着预热时间.这与XO和TCXO不同,XO有源晶振和TCXO可以在启动时立即达到其指定的频率稳定性.在启动/预热期间,OCXO的功耗当然更高,但在达到稳定运行状态时缓慢稳定.OCXO数据表中通常列出预热和稳态功耗.值得注意的是,OCXO功耗与外部温度成反比.
说到温度.....如果OCXO的外部温度超过最高工作温度会怎样?那么,烤箱的调节变得无效.OCXO的内部功耗要求石英晶体的温度略高于最高工作温度.因此,如果发生这种情况,OCXO将依靠晶体本身的温度稳定性.很多时候,OCXO与具有更高精度的时钟同步.这种连接通常有两种操作状态:
1.同步状态
2.保持状态
当时钟和OCXO在系统中解锁时,系统切换到保持状态.在这种情况下,系统需要依赖于OCXO的内部性能.在此期间保持稳定取决于许多因素,但主要贡献者是长期稳定性(老化)和温度依赖性.一个很好的例子是卫星接收器(如GPS,GLONASS,GALILEO或BEIDOU)通过输出每秒1个脉冲(PPS)来训练OCXO晶振.然后,该PPS将OCXO转向同步.如果卫星系统保持锁定状态,网络中的所有时钟都可以实现很好的长期稳定性(通常为1x10-12).但如果系统在任何时间段内解锁,OCXO将帮助在停机期间保持连接/通信.
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