Crystal Oscillator啟動振蕩時產生的噪聲和振動隔離系統

我們都知道石英晶振是屬于一種頻率振蕩元器件,本身的工作效應就是依靠振動來完成的,而且這種振動人體難以察覺,速度非常快,晶振的性能越高其振蕩性就越好,但隨之而來的另一個問題,也使工程師頭疼不已,那就是振動時引起的相位噪聲.幾十年來,世界范圍內無數晶振廠家都在致力于如何降低噪聲,并節省成本,并已有許多晶體制造商成功了.美國的Wenzel Associates,Inc公司就是其中一家,Wenzel晶振這個品牌在歐美地區非常受歡迎,如今也登錄了中國市場,國內已有部分生產廠家在使用他們家的振蕩器產品,接下來就給大家說說,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會稍微改變頻率.晶體具有加速度敏感度,如果設計者不注意,電路也將具有加速度敏感性.通過采用“兩克翻倒測試,可以在穩走的烤箱恒溫晶振中觀察到這種靈敏度.當振蕩器上下顛倒時,作用在晶體上的力會改變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,但靈敏度可能會因一個晶體與下一個晶體之間以及從一個晶體夾持器類型與下一個晶體的不同而顯著不同.改變關鍵元件上的壓力甚至輕微移動也會改變頻率,從而增加了振蕩器的整體靈敏度.

對加速度的敏感性意味著,在許多設備機架和儀器中發現的隨機和厝期性機械振動會在高性能晶體振蕩器中引起明顯的相位噪聲.便攜式設備在卡車,坦克,輪船,直升機,噴氣機甚至背包中會受到強烈振動.固定裝置可能靠近振動機械,或僅被附近的冷卻風扇徑動.晶體支架,電路板和外殼可能會表現出機械共振,從而使振蕩器在特定振動頻率下的靈敏度大大提高,但是仔細的設計和晶體安裝選擇可以將這些共振移至機械阻尼更有效的高頻.加速靈敏度是一個矢量量,用大小和方向表示,也可以用三個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面對齊.感應相位噪聲可以根據以下公式計算:

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

其中,加度是正弦波振動的g等級,或者是隨機振動在赫茲帶寬內功率譜密度的兩倍的平方根.

下面提供的電子表格會針對隨機振動執行此計算.(可以通過輸入實際振動水平的一半來將它們用于計算正弦波的振動.)電子表格的第一部分在給定有擷率和振動頻率的情況下,計算了單自由度振動隔離系統的效果.阻尼因子.第二張國顯示了安裝在減振系統上的具有指走加速度靈敏度的振蕩器的相位噪聲.通過輸入很高的自然共振頻率(E6),可以從計算中刪除隔振系統,從而在所示頻率范圍內不發生減振.可以通過更改比例因子(從某個標稱點增加或降低水平)來輸入振動曲線.

值得注意的是,加速度靈敏度的矢量性質意味著石英晶體振蕩器將對一個特走方向的振動最敏感,并且存在一個平面,其靈敏度接近零與靈敏度矢量正交的任何方向).在關鍵系統中,振蕩器的位置應確保在使用振動隔離器時,靈敏度矢量指向最小振動方向或最佳隔離方向.已經通過將加速度計指向靈敏度矢量的方向來補償晶體振蕩器以產生校正電壓以施加到電調諧的努力.這種方法的増強版本可以使用數字信號處理器(DSP)將線性加諫度計的輸出轉換為校正振蕩器相位所需的非線性曲線,甚至可能補償機械共振.另一種方案是使用兩個晶體,它們具有指向相反方向的匹配加速度矢量.作者提出了一個引導程序該方案采用兩個晶體,其加速度矢量指向相同的方向,但幅度不同.

減少振動引起的相伴噪聲的最常見方法是選擇低靈敏度晶體,并用低固有頻率的振動隔離器隔離振蕩器.振蕩器內可能裝有型全向氨基甲酸乙酯減震架尺寸至關重要時包裝.當空間允許時,外部振動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附加鎮流器的重量.振動支架必須謹慎選擇,因為許多材料在溫度范圍內會顯示出很大的剛度變化,并且大多數支架會表現出與方向有關的隔離性.設計人員必須在隔離的組件周圍留出足夠的空間,以防止受到具有正常振動水平的其他物體的沖擊.

降低石英振蕩器的振動靈敏度目前正受到包括晶體和振蕩器制造商在內的許多頻率控制行業的關注.振蕩器的性能達到了這樣的水平,一個人走過房間會降低近相噪聲,而相對安靜的風扇會產生遠高于更好振蕩器本底噪聲的邊帶.SC切割晶體并未實現希望的性能改進,但由于未完全理解的原因而偶爾出現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

隔振系統僅能有效降低系統共振頻率以上的振動水平.并且,在諧振頻率處,將出現放大的響應,這取決于隔離器的阻尼特性.在諧振頻率以下,隔離系統對振動的影響很小.當出現單音振動或高水平的低頻振動時,設計人員必須特別注意共振附近的振動放大和搖晃以及安裝接近行程結束時的性能.在某些情況下,振動系統選擇不當會使情況變得更遭,甚至造成本來不會發生的損壞!然而,在大多數的情況下,隔振系統將大大降低到達受保護設備的總振動水平,并且其相對較低的共振頻率將保護具有高固有頻率的組件.例如,不費吹灰之力便會產生一個固有頻率低于200Hz的晶體振蕩器隔離系統,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能量將在達到這些諧振頻率之前被顯著衰減.

當安裝諸如晶體振蕩器之類的小型組件時,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.互連電纜應具有撓性和牢固性,以使撓曲沿電纜的長度而不是在端部發生.短而硬的電纜會破壞良好安裝的隔離特性!較低煩率的安裝系統需要更多的移動空間,高度非線性的擋塊會產生高頻振動.可以在機加工的殼體中安裝幾個組件以增加質量,但是必須特別注意外殼的設計,以避免側面和頂部產生共振.柔軟的彈性體安裝座會隨溫度變化而改變剛度,因此在室溫下合理的系統在低溫下可能會變得過于僵硬,或者在高溫時會使組件移動得太遠.許多減震架是非線性的,在極限撓度下會變得更加堅硬,但是要充分利用這種非線性,設計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架充滿,并使選擇者迷惑不解.設計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,這與將產品包裝在紙板箱中進行運輸的方式非常相似.這種方法通常會導致較高的共振頻率,并且對于許多泡沫,尤其是長壽命的硅橡膠,阻尼可能會非常低.可以提供具有良好阻尼特性的特種泡沫,但設計人員必須提防工作溫度和老化效應.另一種常見的方法是將設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,但許多所用材料會在整個溫度范圍內顯著改變剛度.

更好的隔離器類型之一是AeroflexInternational,lnc制造的.全金屬設計可在溫度和時間范圍內提供一致的性能,而多股鋼絲繩設計可提供出色的阻尼和全向隔離.“圓形拱門系列"對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.阻尼系數明顯高于類似尺寸的彈性體安裝座.實際數字有點難以捉摸,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可能低于0.1.實際的阻尼將取決于安裝和變形量.這些安裝座表現出有用的非線性,隨著振動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.

除了對組件進行減震安裝之外,還可以采取其他步驟來改善隔振效果.可以添加絕緣材料以阻擋聲學噪聲,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,因為隔離的設備將相對于底盤和其他組件產生運動.最后但并非最不重要的一點是,設備本身的固有靈敏度可能會降低.

利用隔離器來降低石英振蕩器的噪聲,這種方法一開始很少人支持,Wenzel晶振公司也并不是每一家這么做的公司,但是當這種方法獲得不錯的結果時,引起業界人士們紛紛的模仿浪潮.Wenzel作為先行者,一躍成為行業里的品牌代表.利用高超先進的制造技術和研發經驗,開發出多款高性能的Crystal Oscillator產品,為客戶和該領域都做出了不小的貢獻.

Crystal Oscillator啟動振蕩時產生的噪聲和振動隔離系統