对振荡器频率稳定问题的分析

【摘要】 频率稳定度是振荡器的重要性能指标之一，振荡器频率不稳定，将严重影响电子设备工作的可靠性、准确性。特别是随着空间技术的发展，对振荡器频率稳定度的要求更高。本文将通过对频率稳定度的概念、影响频率稳定度的因素和稳定频率的措施三个方面来阐述频率稳定问题。

【关键词】 振荡器；频率稳定度；分析；措施

To oscillator frequency question analysis

SUN Ru-ji

【Abstract】 the frequency stability is one of oscillator important performance indices，the oscillator frequency is unstable，seriously will interfere with the electronic installation work the reliability，the accuracy. Along with the spatial technology development，is specially higher to the oscillator frequency stability request. This article through to the frequency stability concept，the influence frequency stability factor and the stabilized frequency measure three aspects will elaborate the question.

【key wors】 oscillator；Frequency stability；Analysis；Measure

【中图分类号】：TN75【文献标识码】：B

【文章编号】：1673-4041(2008)02-0039-03

振荡器的频率稳定度是电子设备中极其重要的技术指标。通信设备、电子测量设备的频率是否稳定，取决于这些设备中的主振器(激励器)的频率稳定度。通信系统的频率不稳定，就会影响通信的可靠性、稳定性；测量设备的频率不稳定，就会引起较大的误差，使测量工作蒙受损失。特别是空间技术的迅速发展，对空间通信、导航、定位等的要求越来越高，对振荡器频率稳定度的要求也必然更高。例如：中频广播10-5以上，电视发射10-7以上，超短波移动式电台10-4，标准振荡器10-8～10-9，宇航通信10-10以上，要实现火星通信达10-11，给金星定位达10-12的数量级。因此，提高振荡器的频率稳定度有着及其重要的实际意义。

1 频率的准确度与稳定度

评价振荡器频率的主要指标有两个，即：准确度(Accurcy)和稳定度(Stability)

1.1 准确度：振荡器实际工作频率f与标称频率f0之间的偏差通常分为绝对频率准确度与相对频率准确度，表达式为：

1.2 稳定度：指在一定的时间间隔内，频率准确度的变化。也有两种表示方法即绝对频率稳定度与相对频率稳定度，一般常用的是相对频率稳定度δ表示：δ=|f-f0|f0时间间隔。

在准确度与稳定度两个指标中，稳定度更为重要，只有频率稳定，才谈得上准确；稳定是准确的基础和保证。

1.2.1 频率稳定度的表示：频率稳定度的定量表示单用上面的公式是不够的，由于频率的变化是随机的，不同的观测时段，测出的频率稳定度往往是不同的，而且有时还会出现某个时段内频率的漂移远远超过其它时段相同间隔的频率漂移。因此采用建立在大量测量基础上的统计值来表征较为合理。目前多采用均方误差：

为了便于评价不同振荡器的性能，又可根据观测时间的长短将频率稳定度分为长期频率稳定度、短期频率稳定度和瞬时频率稳定度三种。

(1)长期频率稳定度：一般指一天以上乃至几个月内振荡频率的相对变化量。它主要用来评价天文台或计量单位的高精度频率标准和计时设备的稳定指标。主要取决于有源器件、电路元件和石英晶体等老化问题。

(2)短期频率稳定度：一般指一天以内振荡频率的相对变化量，以小时计量。大多数电子设备和仪器均采用短期频率稳定度来衡量。它主要与温度、电源电压变化和电路参数的不稳定等因素有关。

(3)瞬时频率稳定度：指秒或毫秒内振荡频率的相对变化量，也称为相位抖动或相位噪声。这是一种随机的变化，这些变化均由设备内部噪声或各种突发性干扰所引起的，与外界和长期频率漂移无关。是高速通信设备、雷达设备以及相位信息为主要传输对象的电子设备的重要指标。

由于频率的瞬时值实际上是无法测量的，所测得的频率仅仅是在某一段时间内的平均值，为此常用阿仑方差来描述这种频率的起伏。

2 影响振荡频率的因素：

要想使振荡器的频率稳定，应当首先讨论影响振荡器频率的因素，然后在分析如何消除这些因素的影响。由不同振荡电路的分析可知，振荡器的工作频率主要与振荡回路的元件参数、有源器件参数和电路元件中的寄生参数有关，还有线路中任何一个相角发生变化都会使振荡频率发生变化，从而使振荡器重新平衡在某一新的频率上。造成振荡频率不稳定的因素归结起来有以下三种原因：①外界环境的变化，主要是温度、电源电压、机械振动等；②负载的变化；③由这些变化引起的回路元件参数、有源器件参数、线路元件参数及其相应相角的变化。

3 稳频措施：

根据频率稳定度的影响因素可采取以下几个方面的措施：

3.1 减小外界因素的变化：影响振荡频率的外界因素主要有温度、湿度、大气压、电源电压、周围磁场、机械振动以及负载的变化等。其中温度是比较重要的。减小外界因素变化的措施很多，如将振荡器或回路元件置于恒温槽内；采用减振装置；采用密封工艺；采用高稳定度的稳压电源；采用屏蔽罩；在振荡器与不稳定负载间接入跟随器等等。

3.2 提高振荡回路的标准性：振荡回路的标准性是指振荡回路在外界因素变化时保持谐振频率不变的能力，回路的标准性越高，外界因素变化引起的频率变化就越小。

提高回路的标准性，必须减小L和C的相对变化量.在L和C中，除了外加集总电感和电容外，还包括元件和引线的分布电容、分布电感、及管子的极间电容等寄生参量。

因而，减小L和C的相对变化量的措施是：采用高稳定的集总电感和电容，提高寄生参量的稳定性，减小寄生参量及它在L和C中的比重以及采用温度补偿等。

采用温度补偿是提高回路标准性十分有效的方法，回路电感和部分寄生参量的温度系数一般均为正值，(所谓温度系数是指温度变化1C时所引起的电感受量或电容 量的相对变化量)，如果选用温度系数为负值的陶瓷电容器，且具有合适的负温度系数，就能补偿电感和部分参量的正温度系数变化，比而使回路谐振频率的相对变化量大大减小。

缩短引线，采用机械强度较高的引线和安装牢靠等却是减小分布电容和分布电感及其变化量的行这有效的方法 。增加回路总电容、减小管子与回路这间的耦合，均能有效地减小管子极间电容在总电容中的比重，也可有效地减小管子输入和输出电阻以及它们的变化量对振荡回路Q的影响。需要指出的是增加回路总电容 是有限度的，当频率一定时，增加电容势必要减小回路电感。实际制作电感时，电感量过小，品质因数Q的提高受到限制。因此多采用减小管子现回路间的耦合方式来实现。克拉泼振荡电路就是采用这种方法设计的高稳定度振荡器。

采用高品质因数的振荡电路是提高回路标准的又一重要措施。LC回路品质因数一般为100左右，提高到300是相当困难的，所以它的日频率稳定度大约为10-2～10-3的数量级，即使采用一系列稳频措施，一般也难获得10-4 及更高的频率稳定度。而石英晶体的品质因数可达百万数量级，采用中精度的晶体其频率稳定度即可达到10-6数量级，若加单层恒温控制，可提高到10-7～10-8；在实验室条件下可达10-9～10-11 ；如果在石英晶体振荡器后接一锁相环路，可得到更高频率稳定度的振荡。

3.3 减小φYF及其变化量：减小放大电路和振荡反馈网络对相位变化的影响，可使振荡回路相应的相位φZ(ω)减小，因而振荡频率ωc靠近回路谐振频率ω0，振荡回路的相频特性曲线斜率大，有利于频率稳定。但φYF是受放大元件、反馈网络、耦合元件等因素的影响，不好直接减小；可在电路中串入一个附加的电抗元件来抵消φYF的影响，提高频率的稳定度。

对于不同的电子设备，其频率稳定度的要求是不同的，只要我们考虑到影响稳定度的因素，采取必要的措施，就能得到满足设备需求的振荡频率。

参考文献

[1] 张肃文主编.高频电子线路(第四版)[M].高等教育出版社

[2] 胡宴如主编.高频电子线路(第3版).[M].高等教育出版社

收稿日期：2008-01-06

注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”