CN103973225B - 一种高阻抗晶体谐振器串联振荡电路及其调试方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种高阻抗晶体谐振器串联振荡电路，包括C0补偿单元，与高阻抗晶体谐振器并联，用于实现对高阻抗晶体谐振器静态电容C0的补偿；I‑V转换电路，用于将流出高阻抗晶体谐振器的电流信号转换为电压信号；一个比较电路用于形成方波激励信号，反馈至高阻抗晶体谐振器一端，构成闭环回路；另一个比较电路用于形成方波输出信号，本发明可以方便而准确的实现对高阻抗晶体谐振器静态电容C0的补偿，对于高阻抗晶体谐振器的激振有很好的效果，同时电路调试方法简单，功耗较小，提供方波输出，方便与数字系统相连。

Description

一种高阻抗晶体谐振器串联振荡电路及其调试方法

技术领域

本发明涉及晶体振荡电路，特别涉及一种晶体谐振器串联振荡电路及其调试方法，适用于高阻抗晶体谐振器的激振。

背景技术

一般来说，晶体谐振器是利用石英单晶体制成的一种谐振器件，由于其本身具有压电效应，常规的晶体谐振器易于通过一定的反馈电路实现自激振荡。由于石英谐振器构成的振荡器具有优越的温度稳定性和相位噪声特性，近1个世纪以来广泛应用于通信、GPS、雷达、谐振式仪器仪表等技术领域，作为相关电子设备的核心部件，起着控制频率和提供频率基准源的作用。

在谐振式仪器仪表等工业领域，由于结构设计和电极加工工艺的限制，晶体谐振器在谐振状态下的阻抗Z可能在10⁵Ω级以上，采用常用的皮尔斯型并联振荡电路不易起振，主要原因是穿过高阻抗晶体谐振器的激励电流极其微小，甚至在纳安级，如果电路中的增益较小或噪声较大，很可能无法检出可以使环路谐振的有效信号，从而导致晶体起振困难；同时，即便此时能够起振，其振荡频率与谐振器本身的机械固有频率并不相同，而谐振式仪器仪表等领域通常更关心谐振器的机械固有频率，由此也限制了其应用。

为了克服上述难题，通常考虑采用串联振荡电路实现对高阻抗晶体谐振器的激振，此时高阻抗晶体谐振器工作于串联谐振频率，与其机械固有频率相等，其等效电学阻抗呈纯电阻性，电阻值为高阻抗晶体谐振器的动态电阻Rq，其值通常也在10⁵Ω级以上，静态电容C0需要通过外部电路进行移相补偿。

常用的巴特勒电路即为一种典型的晶体谐振器串联振荡电路，该电路通过在晶体谐振器上并联电感的方式实现静态电容C0的补偿，但由于在实际应用过程中，静态电容C0的大小受到电极引线、封装基座、与电路板焊接方式等 诸多因素的影响，仅通过并联固定电感的方式较难实现对静态电容C0的精确补偿，无法保证晶体谐振器工作在串联谐振状态；同时该方法并不能有效控制晶体谐振器激励电压的幅值，影响了晶体谐振器的频率稳定性。

法国宇航局(ONERA)在文献《Phase noise analysis of the FrequencyTracking Oscillator》中提出一种包含静态电容C0补偿单元的振荡电路，该电路基于锁相环原理，可以用于高阻抗晶体谐振器的激振，但文献中仅给出了电路框图和基本工作原理，并未给出其具体实现形式及调试方法。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种高阻抗晶体谐振器串联振荡电路，实现一般晶体振荡电路较难激振的高阻抗晶体谐振器的自激振荡；通过一种方便调试的C0补偿单元，可以实现对高阻抗晶体谐振器静态电容C0的精确补偿，保证系统尽可能工作在串联谐振频率点附近；晶体谐振器的激励信号为比较电路输出的方波，幅值稳定；电路输出信号为与自激振荡回路信号同频率的方波，方便与数字系统相连。

本发明的技术方案是：一种高阻抗晶体谐振器串联振荡电路，包括高阻抗晶体谐振器、C0补偿单元、I/V转换器、第一比较电路、第二比较电路、基准电平VGND；C0补偿单元两端分别与高阻抗晶体谐振器的两端相连，实现对高阻抗晶体谐振器内静态电容C0的补偿；高阻抗晶体谐振器输出的电流经I/V转换器转换为电压信号后送至第一比较电路反向输入端；第一比较电路将I/V转换器输出的电压信号与基准电平VGND输出的基准电压进行比较，产生方波驱动信号，并将该方波信号反馈至高阻抗晶体谐振器的另一端，形成闭合振荡回路；第二比较电路与第一比较电路相连，对比较电路输出的方波信号进行整形后输出；

所述的C0补偿单元包括电阻R0、电阻R、电容C0’和运算放大器；电阻R0的一端连接至高阻抗晶体谐振器的一端，电阻R0的另一端同时接至电阻R的一端以及运算放大器的负输入端；运算放大器的正输入端接基准电平VGND； 电阻R的另一端同时接至运算放大器的输出端以及电容C0’的一端；电容C0’的另一端接至高阻抗晶体谐振器的另一端；所述电阻R0、电阻R、电容C0’、静态电容C0满足

所述的高阻抗晶体谐振器为在谐振状态下阻抗Z≥10⁵Ω的晶体谐振器。

一种高阻抗晶体谐振器串联振荡电路的调试方法，步骤如下：

1)将C0补偿单元中的电阻R位置用可变电阻Rv替换；

2)将振荡电路的闭合环路打开，即断开比较电路与高阻抗晶体谐振器的电路连接；

3)利用信号源在高阻抗晶体谐振器的一端施加方波或正弦波激励信号；

4)在I/V转换器输出端利用示波器进行监测；逐步增加C0补偿单元中的可变电阻Rv的阻值，同时观察示波器测得的信号幅值，当信号幅值降至最小时，C0补偿完成；

5)利用万用表测量可变电阻Rv的阻值，并用与其阻值相等的固定阻值的电阻R替代。

所述可变电阻Rv的可调范围上限Rmax与电阻R0、电容C0’以及高阻抗晶体谐振器的静态电容C0的关系为：

所述方波或正弦波激励信号与高阻抗晶体谐振器谐振频率的频差超过高阻抗晶体谐振器谐振频率的1％。

本发明与现有技术相比有益效果为：

1、可以实现一般晶体振荡电路较难激振的高阻抗晶体谐振器的自激振荡；

2、电路采用纯模拟方案，调试方法简单，功耗较小，保证高阻抗晶体谐振器工作于串联谐振频率；

3、通过在高阻抗晶体谐振器两端并联C0补偿单元简化了外围电路的设计，使得整个电路易于构建自激振荡的相位平衡条件；

4、电路采用I-V转换器实现对穿过高阻抗晶体谐振器微小电流的高增益、 低噪声放大；

5、电路通过比较电路产生方波激励信号，保证激励幅值的稳定；

6、电路通过比较电路产生方波输出信号，方便与数字系统直接相连。

附图说明

图1为本发明振荡电路的结构组成示意图；

图2A为本发明C0补偿单元的导纳圆图；

图2B为本发明C0补偿单元的工作原理图；

图3为本发明C0补偿单元的电路示意图；

图4为本发明振荡电路的电路示意图；

图5为本发明振荡电路的调试方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明：

如图1所示为本发明振荡电路的结构示意图，由图可知该电路包括高阻抗晶体谐振器1、C0补偿单元2、I/V转换器3、第一比较电路4、第二比较电路5、基准电平VGND6。其中高阻抗晶体谐振器1为谐振状态下阻抗Z为10⁵Ω级以上的晶体谐振器，但仍然可以是其他常规晶体谐振器；C0补偿单元2两端分别与高阻抗晶体谐振器1的两端相连，通过简单调试可以实现对高阻抗晶体谐振器1静态电容C0的补偿，保证高阻抗晶体谐振器1可以工作在串联谐振频率点附近，其工作原理和具体实施例在后面篇幅中给出；I/V转换器3与高阻抗晶体谐振器1的一端相连，将流出高阻抗晶体谐振器1的电流转换为电压信号以方便进一步处理；第一比较电路4与I/V转换器3相连，将I/V转换器3输出的电压信号与基准电平VGND6进行比较，形成方波激励信号并反馈至高阻抗晶体谐振器1的另一端，经高阻抗晶体谐振器1、I/V转换器3以及第一比较电路4的电压信号满足反馈振荡器的增益和相移条件，形成闭合振荡回路；第二比较电路5与第一比较电路4相连，对第一比较电路4输出的信号进一步整形形成满足用户需求的方波输出信号；基准电平VGND6与C0补偿单元2、 I/V转换器3、第一比较电路4、第二比较电路5连接，用于定义电路的直流工作点。

图2A为本发明C0补偿单元的导纳圆图，其中导纳圆的圆心坐标为(1/2Rq，jωC0)，而串联谐振频率f_s位于导纳圆的最右侧，坐标为(1/Rq，jωC0)，其他五个特征频率值也在图中分别标出，其中ω为高阻抗晶体谐振器1的谐振圆频率。从导纳圆图上可以看出，如果高阻抗晶体谐振器1的静态电容C0不为0，当高阻抗晶体谐振器1工作在串联谐振频率f_s时，其总阻抗为一个复数，即电纳值不为0，因此激励信号经高阻抗晶体谐振器1后会发生相移，外围电路的相移需满足才能满足自激振荡的相位平衡条件；相反，如果在高阻抗晶体谐振器1两端并联一个大小为-C0的电容，如图2B所示，即可将高阻抗晶体谐振器1本身的静态电容C0补偿掉，相当于导纳圆圆心移至电导轴上，此时当高阻抗晶体谐振器1工作在串联谐振频率f_s时，电纳为0，相当于一个纯电阻，外围电路只需实现2nπ的相移即可满足自激振荡的相位平衡条件，通过C0补偿，简化了外围电路的设计。

如图3所示为本发明C0补偿单元的电路示意图，由图可知，C0补偿单元2由电阻R0、电阻R、电容C0’以及第一运算放大器7组成，其中电阻R0、电阻R和第一运算放大器7构成一个反相放大器，其增益K为，

电容C0’的阻抗值为，

整个C0补偿单元2的总阻抗为，

若使得电阻R0、电阻R、电容C0’与高阻抗晶体谐振器1的静态电容C0满足如下关系，

由此可得，

该值与高阻抗晶体谐振器1静态电容C0的阻抗大小相等，符号相反，当C0补偿单元2与C0并联时，相当于总阻抗值为无限大，即总电容为0，即静态电容C0被完全补偿，上述ω为激励信号圆频率。

如图4所示为本发明振荡电路的电路示意图，其中C0补偿单元2与图3给出的一致，其功能不再具体描述；电阻R1和第二运算放大器8构成基于负反馈的I/V转换器3，此时输出端11的电压V_o为：

其中I_s为高阻抗晶体谐振器的串联支路电流，如图2B所示。通常电阻R1与高阻抗晶体谐振器1的动态电阻Rq的比值一般在0.2～5之间。该电路形式易于实现低噪声、高增益的放大功能，同时实现了信号的一次反相；第一比较器9是第一比较电路4的核心器件，通过将I/V转换器3输出的电压信号与基准电平VGND6进行比较，实现信号的第二次反相，满足自激振荡电路的相位平衡条件，即环路相移为2nπ，同时将正弦信号转换为方波激励信号并反馈至高阻抗晶体谐振器1的一端，进一步满足振荡器的振幅平衡条件，即闭环增益等于1；第二比较电路5主要由第二比较器10组成，用于对第一比较电路4输出的方波信号进行整形，如电平转换、减小上升沿时间等作用，以满足用户的需要。所有运算放大器和比较器的工作带宽应远大于高阻抗晶体谐振器1的谐振频率；基准电平VGND6可以由分压芯片产生或直接对电源进行分压产生，亦可以通过下拉电阻接地，可由供电情况和具体性能要求决定。

需要说明的是，图4只给出了本发明振荡电路的一种具体实施例，并非限制性的，图中的第一运算放大器7和第二运算放大器8、第一比较器9和第二比较器10以及各元器件，如电阻、电容等，其具体型号和阻值(容值)等可 以根据具体情况配置。

如图5所示为本发明提供的上述电路的调试方法，具体为，首先将本发明振荡电路中的电阻R位置用可变电阻Rv替换，Rv的可调范围上限Rmax与电阻R0、电容C0’以及高阻抗晶体谐振器1静态电容C0的关系一般为，

接着将振荡电路的闭合回路打开，利用信号源12在高阻抗晶体谐振器1的一端施加方波或正弦波信号，该信号与高阻抗晶体谐振器1谐振频率的频差一般应超过高阻抗晶体谐振器1谐振频率的1％；同时在I/V转换器3输出端11利用示波器13进行监测；从0Ω开始逐渐增加C0补偿单元2中可变电阻Rv的阻值，同时观察示波器13测得的交流信号，信号幅值会出现先减小后增大的趋势，利用万用表测量信号幅值最小时对应的可变电阻Rv的阻值；将固定阻值电阻R接入上述电路，所述固定阻值电阻R的阻值为可变电阻Rv的测量值，电阻R也可通过多个电阻串联、并联或混合连接的方式接入电路。事实上，该调试方法符合理论分析，例如当信号源频率远低于高阻抗晶体谐振器1谐振频率时，高阻抗晶体谐振器1的动态电阻Rq支路的阻抗主要由动态电容Cq和动态电阻Rq决定，同时，一般高阻抗晶体谐振器1的静态电容C0>>Cq,因此高阻抗晶体谐振器1的总阻抗模近似等于，

此处ω为激励信号圆频率，因此，随着Rv的增加，高阻抗晶体谐振器1的静态电容C0会被C0补偿单元的逐步抵消，当静态电容C0降至0时，高阻抗晶体谐振器1的总阻抗模将无限大，晶体谐振器近似于断路状态，因此在I/V转换器3输出端11的信号幅值将降至最小；而当信号源频率远高于高阻抗晶体谐振器1谐振频率时，也可以得到类似的结果，也就是说在远离高阻抗晶体谐振器1的谐振频率时，其等效电学模型近似为静态电容C0。

显然，本领域的技术人员还可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精髓，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，亦属于本发明保护的范围。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种高阻抗晶体谐振器串联振荡电路，其特征在于：包括高阻抗晶体谐振器(1)、C0补偿单元(2)、I/V转换器(3)、第一比较电路(4)、第二比较电路(5)、基准电平VGND(6)；C0补偿单元(2)两端分别与高阻抗晶体谐振器(1)的两端相连，实现对高阻抗晶体谐振器(1)内静态电容C0的补偿；高阻抗晶体谐振器(1)输出的电流经I/V转换器(3)转换为电压信号后送至第一比较电路(4)反向输入端；第一比较电路(4)将I/V转换器(3)输出的电压信号与基准电平VGND(6)输出的基准电压进行比较，产生方波驱动信号，并将该方波信号反馈至高阻抗晶体谐振器(1)的另一端，形成闭合振荡回路；第二比较电路(5)与第一比较电路(4)相连，对比较电路(4)输出的方波信号进行整形后输出；

所述的C0补偿单元(2)包括电阻R0、电阻R、电容C0’和运算放大器(7)；电阻R0的一端连接至高阻抗晶体谐振器(1)的一端，电阻R0的另一端同时接至电阻R的一端以及运算放大器(7)的负输入端；运算放大器(7)的正输入端接基准电平VGND(6)；电阻R的另一端同时接至运算放大器(7)的输出端以及电容C0’的一端；电容C0’的另一端接至高阻抗晶体谐振器(1)的另一端；所述电阻R0、电阻R、电容C0’、静态电容C0满足所述的高阻抗晶体谐振器(1)为在谐振状态下阻抗Z≥10⁵Ω的晶体谐振器。

2.一种如权利要求1所述的一种高阻抗晶体谐振器串联振荡电路的调试方法，其特征在于步骤如下：

1)将C0补偿单元(2)中的电阻R位置用可变电阻Rv替换；

2)将振荡电路的闭合环路打开，即断开比较电路(4)与高阻抗晶体谐振器(1)的电路连接；

3)利用信号源(12)在高阻抗晶体谐振器(1)的一端施加方波或正弦波激励信号；

4)在I/V转换器(3)输出端(11)利用示波器(13)进行监测；逐步增加C0补偿单元(2)中的可变电阻Rv的阻值，同时观察示波器(13)测得的信号幅值，当信号幅值降至最小时，C0补偿完成；

5)利用万用表测量可变电阻Rv的阻值，并用与其阻值相等的固定阻值的电阻R替代；

所述可变电阻Rv的可调范围上限Rmax与电阻R0、电容C0’以及高阻抗晶体谐振器(1)的静态电容C0的关系为：

所述方波或正弦波激励信号与高阻抗晶体谐振器(1)谐振频率的频差超过高阻抗晶体谐振器(1)谐振频率的1％。