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晶体振荡器的原理振荡器是如何工作的

时间：2020-08-11 来源：仪多多仪器网作者：仪多多商城

一、引言

尽管石英晶体振荡器的应用已有几十年的历史,但因其具有频率稳定度高这一特点,故在电子技术领域中一直占有重要的地位。尤其是信息技术（IT）产业的高速发展,更使这种晶体振荡器焕发出勃勃生机。石英晶体振荡器在远程通信、卫星通信、移动电话系统、全球定位系统（GPS）、导航、遥控、航空航天、高速计算机、精密计测仪器及消费类民用电子产品中,作为标准频率源或脉冲信号源,提供频率基准,是目前其它类型的振荡器所不能替代的。小型化、片式化、低噪声化、频率高精度化与高稳定度及高频化,是移动电话和天线寻呼机为代表的便携式产品对石英晶体振荡器提出的要求。事实上石英晶体振荡器在发展过程中,也面临像频率发生器这类电路的潜在威胁和挑战。此类振荡器只有在技术上不断创新,才能延长其寿命周期,在竞争中占有优势。

二、石英晶体振荡器基本结构及工作原理

石英晶体振荡器分非温度补偿式晶体振荡器、温度补偿晶体振荡器（TCXO）、电压控制晶体振荡器（VCXO）、恒温控制式晶体振荡器（OCXO）和数字化/μp补偿式晶体振荡器（DCXO/MCXO）等几种类型。其中,无温度补偿式晶体振荡器是较为简单的一种,在日本工业标准(JIS)中,称其为标准封装晶体振荡器（SPXO）。现以SPXO为例,简要介绍一下石英晶体振荡器的结构与工作原理。

石英晶体,有天然的也有人造的,是一种重要的压电晶体材料。石英晶体本身并非振荡器,它只有借助于有源激励和无源电抗网络方可产生振荡。SPXO主要是由品质因数（Q）很高的晶体谐振器（即晶体振子）与反馈式振荡电路组成的。石英晶体振子是振荡器中的重要元件,晶体的频率（基频或n次谐波频率）及其温度特性在很大程度上取决于其切割取向。石英晶体谐振器的基本结构、（金属壳）封装及其等效电路如图1所示。

只要在晶体振子板极上施加交变电压,就会使晶片产生机械变形振动,此现象即所谓逆压电效应。当外加电压频率等于晶体谐振器的固有频率时,就会发生压电谐振,从而导致机械变形的振幅突然增大。在图1（c）所示的晶体谐振器的等效电路中,Co为晶片

与金属板之间的静电电容;L、C为压电谐振的等效参量;R为振动磨擦损耗的等效电阻。石英晶体谐振器存在一个串联谐振频率fos（1/2π）,同时也存在一个并联谐振频率fop（1/2π)。由于CoC,fop与fos之间之差值很小,并且RωOL,R1/ωOC,所以谐振电路的品质因数Q非常高（可达数百万）,从而使石英晶体谐振器组成的振荡器频率稳定度十分高,可达10－12/日。石英晶体振荡器的振荡频率既可近似工作于fos处,也可工作在fop附近,因此石英晶体振荡器可分串联型和并联型两种。用石英晶体谐振器及其等效电路,取代LC振荡器中构成谐振回路的电感（L）和电容（C）元件,则很容易理解晶体振荡器的工作原理。

SPXO的总精度（包括起始精度和随温度、电压及负载产生的变化）可以达到±25ppm。SPXO既无温度补偿也无温度控制措施,其频率温度特性几乎完全由石英晶体振子的频率温度特性所决定。在0～70℃范围内,SPXO的频率稳定度通常为20～1000ppm,SPXO可以用作钟频振荡器。

三、温度补偿晶体振荡器（TCXO）

TCXO是通过附加的温度补偿电路使由周围温度变化产生的振荡频率变化量削减的一种石英晶体振荡器。

1TCXO的温度补偿方式

目前在TCXO中,对石英晶体振子频率温度漂移的补偿方法主要有直接补偿和间接补偿两种类型：

（1）直接补偿型

直接补偿型TCXO是由热敏电阻和阻容元件组成的温度补偿电路,在振荡器中与石英晶体振子串联而成的。在温度变化时,热敏电阻的阻值和晶体等效串联电容容值相应变化,从而抵消或削减振荡频率的温度漂移。该补偿方式电路简单,成本较低,节省印制电路板（PCB）尺寸和空间,适用于小型和低压小电流场合。但当要求晶体振荡器精度小于±1pmm时,直接补偿方式并不适宜。

（2）间接补偿型

间接补偿型又分模拟式和数字式两种类型。模拟式间接温度补偿是利用热敏电阻等温度传感元件组成温度－电压变换电路,并将该电压施加到一支与晶体振子相串接的变容二极管上,通过晶体振子串联电容量的变化,对晶体振子的非线性频率漂移进行补偿。该补偿方式能实现±0.5ppm的高精度,但在3V以下的低电压情况下受到限制。数字化间接温度补偿是在模拟式补偿电路中的温度—电压变换电路之后再加一级模/数（A/D）变换器,将模拟量转换成数字量。该法可实现自动温度补偿,使晶体振荡器频率稳定度非常高,但具体的补偿电路比较复杂,成本也较高,只适用于基地站和广播电台等要求高精度化的情况。【导读】大容量振荡器是一种培养制备生物样品的生化仪器，是植物、生物、微生物、生物制品、遗传、病毒、医学、环保等科研、教育和生产部门不可缺少的实验室设备。仪器为落

大容量振荡器是一种培养制备生物样品的生化仪器，是植物、生物、微生物、生物制品、遗传、病毒、医学、环保等科研、教育和生产部门不可缺少的实验室设备。仪器为落地式，整机重心低，在连续工作中平稳可靠。

大容量振荡器是同类产品中技术较先进和质量可靠的产品，运行平稳噪音小振荡速度可无级调节调节范围宽弹簧万用夹具可配多种烧瓶满足不同客户需要是生化生物工程教学微生物及医学等行业研究和生产中的优选设备

大容量振荡器要特点：

1.万能弹簧试瓶架特别适合作多种对比试验的生物样品的培养制备。

2.无级调速，操作简便安全。

大容量振荡器操作规程：

1.在转速范围内中速使用，可延长仪器的使用寿命。

2.仪器应放置在较牢固的工作台上，环境应清洁整齐，温度适中，通风良好。

3.使用仪器前，先将调速旋钮置于最小的位置。

4.装培养试瓶。为了使仪器工作时平衡性能好，避免产生较大的振动，装瓶时应将所有试瓶位布满，各瓶的培养液应大致相等，若培养瓶不足，可将试瓶对称放置或装入其它等量溶液的试瓶布满空位。

5.接通外电源，将电源开关置于“开”的位置，指示灯亮。缓慢调节调速旋钮，升至所需转速。

6.每次停机前，必须将调速旋钮置于最小位置，关闭电源开关，切断电源。

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振荡器的使用步骤

　　振荡器主要有由电容器和电感器组成的LC回路，通过电场能和磁场能的相互转换产程自由振荡。要维持振荡还要有具有正反馈的放大电路，LC振荡器又分为变压器耦合式和三点式振荡器，很多应用石英晶体的石英晶体振荡器，还有用集成运放组成的LC振荡器。　　由于正反馈的作用越来越强烈，导致到达一个暂稳态。暂稳态期间另一个三极管经电容逐步充电后导通或者截止，状态发生翻转后到达另一个暂稳态。这样周而复始形成振荡工作的原理。　　振荡器的基本组成：　　1、三极管放大器，起能量控制作用。　　2、正反馈网络，将输出信号反馈一部分至输入端。　　3、选频网络，用以选取所需要的振荡频率，以使振荡器能够在单一频率下振荡，从而获得需要的波形。　　振荡器的分类：　　1、按振荡鼓励形式可分成自激振荡器、他激振荡器；　　2、按通路构造可分成阻容振荡器、电感库容振荡器、结晶体振荡器、音叉振荡器等；　　3、按输入波形可分成正弦波、方波、锯条波等振荡器。　　振荡器的使用步骤：　　1、振荡器应放置在较牢固的工作台面上，环境应清洁整齐，通风良好。　　2、提供的电源插座应有良好的接地措施。　　3、装入试验瓶，并保持平衡，如是双功能机型，设定振荡方式。　　4、接通电源，根据机器表面刻度设定定时时间，如需长时间工作，将定时器调至“常开"位置。　　5、打开电源开关，设定恒温温度：　　1）将控制小开关置于“设定"段，此时显示屏显示的温度为设定的温度，调节旋钮，设置到您工作所需温度即可。当设定的工作温度应高于环境温度，此时机器开始加热，黄色指示灯亮，否则机器不工作。　　2）将控制部分小开关置于“测量"端，此时显示屏显示的温度为试验箱内空气的实际温度，随着箱内气温的变化，显示的数字也会相应变化。　　3）当加热到您所需的温度时，加热会自动停止，绿色指示灯亮；当试验箱内的热量散发，低于您所设定的温度时，新的一轮加热又会开始。