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高精度,高振动石英晶体振荡器

来源：http://www.konuaer.net 作者：konuaer 2012年10月04

我们通常认为在电子系统中，石英晶体振荡器是最易碎的元件之一。这并不奇怪，因为振荡器里的石英晶体谐振器是由一个很大的结晶体组成的，就像一个大的圆空AT-cut晶体被金属夹固定在一个金属壳里,这种结构不能耐受高出50～100 g太多的振动强度,这类晶体振荡器非常适合大型台式仪器和类似的设备，但不太适用于对高振动性要求很高的应用领域，如掌上电脑和军需设备。在这些设备中，加速度达到千个甚至万个g,很明显，一般的晶体结构在此类应用中是不合适的。

推动石英晶体和振荡器结构变化的动力来自对电子器件小型化的不断追求。伴随着照相机平版印刷的发展和加工石英晶体的化学工艺的进步，小型化在1970年迈出了关键的一步。这种新的处理工艺来自曾用于硅工业的一些技术，能够精确地磨制出小于1mm尺寸的石英晶振，并能精确到几微米。在小型化进程中很重要的另一步是将晶体牢牢固定于一个粗糙机架的陶瓷封装技术得到发展。由此，这种制造与构造工艺成为了石英晶体小型化不成文的标准。
“小型化”与“好处”
幸运的是，石英晶体振荡器的小型化还带来了额外的好处，那就是大大提高了它们冲击与振动的耐受性。因为尺寸小，谐振器质量较低，也因此对谐振器的力也较小。如果使用强安装材料，谐振器就不会因为加速度太大掉下来，它会被牢牢固定在本来的位置上。进一步而言，由于它的小尺寸（短空白大小或短音叉齿）谐振器内的剪力很小，谐振器能抵抗高振动而不被破坏。
小尺寸的另一个附加的好处是，谐振器的最低弯曲型频率状态可达几千赫兹或更高。这种情形至少会带来两个好处。第一个，由于振动到来之前大约1mm或更长时间会出现振动，可作为类似静电噪声的脉冲处理。在任何指定时段内的振动可大致看做一个固定的加速度，而这个加速度太小，所以不能激活晶体的弯曲模式。第二，这种弯曲型对频率要求非常高，振动产生的频率通常低于2kHz，所以不会被其所激活。
这在剧烈振动应用环境和工业制造板取代刳刨工具时期非常重要。利用这种现代的制造与构造，石英晶体谐振器不再是娇嫩易碎的东西。如今很多的制造商都能提供耐千g机械振动力的晶体和振荡器。即便如此，在大多数要求非常严格的应用场合，普通的晶体和振荡器并不合适，如军用和导弹电子。因为这其中的振动能达到几万g。
要满足这些方面的要求，光是谐振器的尺寸缩小并不够，还必须将其按照受剪力最小原则安放。举个例子，对高振动AT-cut晶体而言，第三点装配法可用于将晶振空白的无电端设置为晶体包。用这种方法，晶体抗振动水平能上升至100 000g。同样地，用这种晶体结合更先进的结构工艺制造的振荡器也能达到100 000g的抗振动性。

设计耐强振动系统时，记住以下几条箴言是非常有用的
● 晶体/振荡器（较小包内发现的）中，小尺寸的比大尺寸的更稳固。
● 音叉晶体（通常为10～600kHz）比扩展型晶体（520kHz～2.5MHz）稳固性更好。而AT-cut晶体（8MHz以上）是最稳固的。
● 对音叉和扩展型晶体而言，晶体尺寸随频率减小而减小，稳固性随频率增大而增强（对某一指定型晶体）。
● 对AT晶体而言，晶体在13～50MHz内是最稳固的，当处在16～32MHz时最佳。
● 注意对超过千g级的振动，普通的晶体和振荡器是不合适的，需要采用专为高振动应用环境设计的类型。
● 如果已知振动是沿单一方向被采用，合理选择晶体/振荡器的方位能大大提高系统稳固性。
● 除了检验数据表上必要的说明，别忘了问清制造商供应高振动设备的历史。

康华尔电子

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