石英晶体频标
出处：按学科分类—工业技术 企业管理出版社《计量专业工程师手册》第418页（2915字）
石英晶体频标就是通常所说的石英晶体振荡器，简称晶振。但不是所有的晶振都可以称为石英频标。不过两者之间也尚未进行严格的划分。在计量领域，石英频标大都指：日老化率在10－10量级或优于此量级的，单独制成一台仪器，在计量部门或其他系统作为标准使用的晶振。而在其他设备，如计数器、频率合成器、通讯设备等内部配置的晶振仍然称为晶振，尽管在该仪器内的作用依然是产生标准频率或标准时间。
1．石英晶体
石英的化学名称为二氧化硅(SiO2)，其单晶体的形状为两端呈角锥形，中间是一个六面体，具有各向异性的性质。最有价值的是三个互相垂直的轴向特性：光特性、机械特性和电特性。对应的轴称为光轴(Z轴)、机械轴(Y轴)和电轴(X轴)。如图8．3－1所示
图8．3－1 石英晶体
研制晶振所利用的是石英晶体的X轴和Y轴间相互关连的特性，即压电特性：若在X轴方向外加一电场，则在Y轴方向会产生一定的机械位移；反之，若在Y轴方向外加一定压力(使其产生位移)，则晶体本身在X轴方向会产生一定的电荷。如果外加电场是交变的，则位移会形成机械振动，由此又会导致晶体本身产生交变的电荷——电振荡信号，机械振动与电振荡信号的频率是相同的，都等于外加交变电场的频率。当外加电场频率等于晶体本身固有的振动频率时，产生的电振荡信号达到最大，即发生谐振。能形成这种过程的石英晶体片，就称为石英谐振器，它是从整块单晶体上按特定方式切割得到的。任何一块晶体片像任何一个刚体一样都有其固有的机械振动频率，取决于晶体的物理性质及几何尺寸。但石英晶体片的固有频率比较稳定，其单晶体又易于得到，故石英晶体被广泛的用于制作频率标准源。
石英谐振器的结构如图8．3－2所示。为保持晶体的纯净，从而保持固有频率的稳定，晶体都是密封在一个高度真空的玻璃壳或金属壳内。
图8．3－2 石英谐振器
2．振荡信号的建立
石英谐振器接入一特定形式的电路内，其工作过程可用图8．3－3简单说明。图示部分称为石英频标的主振器。
图8．3－3 石英频标的主振器
主振器的供电为一直流电源。但电路内存有噪声，噪声包含各种频率的交流信号，在石英谐振器两电极间产生交变电场，当噪声内某一交流信号的频率等于谐振器的固有频率时，晶体片就会产生谐振(共振)，即在电场的垂直方向产生最强的机械振动，根据晶体的压电效应，它又在与电极接触的晶体片上产生同一频率的交变电荷。起初这个交变电信号很小，经过正反馈电路送入放大器，放大后的交变电场又会产生较大的机械振动和较强的交变电荷，循环下去，最后达到足够大的稳定的振荡信号。
石英谐振器有一很大弱点：其谐振频率易受温度变化的影响。但又有另一特点：在某一温度范围内影响量最小，如图8．3－4所示
图8．3－4 石英谐振器的温度特性
影响量最小时的温度称为晶体的拐点温度。一般在55℃～65℃之间。在拐点附近，温度每变化1℃，频率相对变化量大约10－8量级。为减少温度影响，作为频标的主振器都放在一恒温槽内，有的甚至做成双层恒温，恒温槽内的温度等于晶体的拐点温度。当外界温度变化1℃时，频率变化可减少到10－10以下。
实际石英频标除主振器外，还有自动增益控制电路、输出放大、缓冲电路等，以保证输出幅度的稳定及减小负载的影响。
3．石英频标的应用特点
石英谐振器的谐振频率主要由晶体片的几何尺寸决定，频率愈高，晶体片愈薄。例如，对于1MHz的晶体片，其厚度大约为3mm。欲得到10MHz的频率，其厚度要远小于1mm。这很难加工，且强度无法保证。故目前使用的石英频标都是1MHz，5MHz，个别的10MHz。而对于后两种频率也是工作在晶体片的3次或5次谐波上，这种晶体称为泛音晶体。是石英频标的第一个特点工作频率不高。它的第二个特点是同一频率值的晶振，复制性不高。因为受加工的限制，很难把几个晶体片在几何尺寸上做到完全一样，因此其谐振频率的一致性最好也只能做到10－7量级。尽管有很高的稳定性，曾经用来发现地球自转的不稳定性，但由于复制性不好，所以并没有用它的振荡周期来定义秒，当然，还存在长期稳定性不好的缺点。不能按照要求的频率值很准确的加工得到，致使石英晶振只能做为频率标准使用，即为了获得较高的频率准确度，需用时频基准，或较高一级的标准进行校准。
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