基于AT切型石英谐振器实现车载雷达晶振电路的应用设计

作者：曾健平;晏敏

石英晶体振荡器已广泛应用于卫星通讯、雷达导航测控和广播电视系统等，特别是精密时频计量、精密频率综合器等电子仪器，皆有赖于高稳石英晶体振荡器提供精密的频标和时基，业已占居素有无线电“心脏”的重要地位。而对石英晶体振荡器的性能要求也越来越高，主要体现在老化特性、频率温度稳定度、频率准确度、电流电压及功耗、带负载能力、开机特性、压控范围和外型尺寸等因素上。

石英谐振器的选用

随着通信技术的飞速发展，整机对元器件提出了高精度、高稳定度和高可靠性等各种要求，高稳定晶振是指长期频率稳定度和短期频率稳定度都好的晶振，按用途的不同，对晶振长稳和短稳的要求会有所侧重，长稳较好就是晶振的频率老化率低，短稳较好的晶振实质上就是低噪声晶振，侧重于长稳的晶振和侧重于短稳的晶振，在石英谐振器的选用及晶振电路设计上都有所不同，长稳较好的晶振希望电路引入到谐振器的损耗尽可能小，即谐振器要有尽可能高的在线Q值［1］，电路对环境温度和电流、电压的敏感度要尽可能低，短稳晶振则要求电路中的噪声尽可能低。石英谐振器根据切型不同分为AT切、SC切、BT切和FC切［2］，前两者应用最多，AT切型的显著特点是谐振器的振荡频率与温度的关系呈近似的三次函数关系，因而它有零温度系数点，且零温度系数点大致落在大气环境温度范围内。因此，用AT切型谐振器做成的振荡器具有较好的频率温度特性，AT切型谐振器的缺点是存在较大的频率热过冲现象，这对短期频率稳定度要求较高的振荡器来说是很不利的，但对老化影响不大［3］。因此选用AT切型石英谐振器。

晶振电路设计

车载雷达用恒温石英晶体振荡器电路包括主振级、放大级、波形与频率变换，自动增益负反馈AGC及压控电路，其结构框图示于图1：

图1 晶振电路结构框图

若谐振器的频率与实际频率一致，则不需倍频变换，若输出需要正弦波，则不需波形变换。图2示出车载雷达用单层恒温压控石英晶体振荡器电路原理图。

图2 38.88MHz晶振电路原理图

其中石英晶体和晶体管T1构成的电路为柯尔匹兹主振电路。晶体管T2构成了阻容放大器，对振荡信号进行预放大。晶体管T3构成了单调谐放大器，进行输出放大，得正弦波信号。集成电路IC1可实现倍频和波形变换，主振频率为38.88MHz，已满足车载雷达用频率，因此，IC1仅作波形变换，得方波输出。二极管D1和D2构成的回路为自动增益负反馈。二极管D3、变容二极管CX、电组R1和R2构成了压控电路，电位器RX是用来实现手动调频。

恒温电路设计

高稳定度晶振都是恒温晶振，车载雷达用的38.88MHz晶振为二级钟，单层恒温槽即可满足其要求。控温电路采用具有零点漂移补偿性能的直流式温控电路，为了充分利用电源电压提供的功率，对槽体加热采用功率管管耗加热，而不是通常采用的电阻丝加热，避免了绕电阻丝的工艺麻烦。其温控电路原理图示于图3。

图3 恒温电路原理图

通电后，当恒温槽内温度上升尚未达到控制温度时，热敏电桥有较大的失衡输出电压，恒温槽处于最大加热功率状态。随着恒温槽内温度的上升，电桥失衡电压逐渐减小，当恒温槽加热至所需控制温度时，电桥保持一定的平衡输出电压，此电压经过运放F2直流电压放大后控制流过功率管的电流I，使I保持一定数值，它产生的热量等于在一定外界条件下恒温槽的耗损热量。当恒温槽温度发生变化时，则热敏电阻RT的数值也变化，从而改变电桥相对平衡输出电压。此电压放大后用以调整电流I，改变加热功率来补偿恒温槽内部温度的变化，从而使温度恒定。如：T （ （ RT （ （ V+ （ （ V0 （ （ I （ （ T（

在用集成运算放大器作为放大级时，常存在零点漂移，且被逐级放大，但由于从前级到后级放大器放大的倍数是逐级减少，所以在多级放大器中，零点漂移主要由第一级决定，为此在运放的输入端加上与输出端温漂大小相等、极性相反的电源来抵消温漂电压，这个电源由另一块同样工艺及参数的运放产生的温漂来提供，只要这块运放的闭环增益等于1，图4中运放F1的闭环增益等于1，两块运放F1和F2选用做在同一块硅片上的双运放158提供，其工作温度相同，制作工艺条件一样，所以它俩的温漂几乎相等，于是F2的总温漂很接近于零，这样通过补偿后的恒温电路的温度稳定度大大提高了。

结语

理论推导和实验证实：每级晶体管集电极电源必须接0.01（F电容去耗；恒温电路不要与振荡电路共电源，否则，槽体波动将干扰振荡电路；稳压部分应选用稳压二极管，而不用三端稳压器，因三端稳压器的温度特性比稳压管的温度特性差得多。

本车载雷达用恒温压控晶体振荡器要求体积小，外壳尺寸仅为50×50×20mm3，通过对恒温槽的结构合理设计、电路板巧妙布局、电路正确调试，完全满足用户要求，实测指标为：标称频率38.88MHz，电源电压12VDC（10%，最大电流350mA，预热三天测七天，老化特性优于（2E-8，在0℃_50℃内频率温度稳定度优于（5E-8，频率准确度优于（1E-7，压控范围不小于（4.6E-6/2.5V（2.5V，方波输出，能带10个TTL负载。