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福克斯晶振英文名是FOX晶振,位于佛罗里达州迈尔斯堡,成立于美国,主要生产石英晶体谐振器,石英晶体振荡器,有源晶振,贴片晶振,石英晶体等频率控制元件.FOX晶振以先进的生产设备,一流的技术,以及一批优秀的销售精英团队,多位资深技术工程师,发展至今在多个国家设有研发生产基地,销售网点分布全球.

.2010年1月11日-福克斯晶振集团发布了新的紧凑的3.3伏特F32K 32.768kHz振荡器系列作为其HCMOS振荡器产品的扩展.此款32.768K有源晶振,F32K振荡器仅能产生1.5的电流和250na的待机电流,这使它们成为各种应用的理想选择,包括实时时钟(RTCs)、微控制器子时钟、睡眠模式时钟和监视器计时器.

晶振是有源晶振的简称,又叫振荡器.英文名称是oscillator.晶体则是无源晶振的简称,也叫石英晶体谐振器.英文名称是crystal. 

无源晶振(晶体)一般是直插两个脚的无极性元件,需要借助时钟电路才能产生振荡信号.常见的有圆柱晶振,SMD表贴式,49U、49S封装. 

有源晶振(晶振)一般是表贴四个脚的封装,内部有时钟电路,只需供电便可产生振荡信号.一般分7050、5032、3225、2520几种封装形式.

石英晶振使用晶振从频率参数到测试老化,每一项都至关重要,那么有关石英晶振,贴片晶振的主要参数都有哪些呢?我们需要哪些事项呢?

负载电容：品振元件相当于电感，组成振荡电路时需配接外部电容，此电容目U负载电容。负载电容是与石英晶体一起决定负载谐振频率f的有效外界电容，通常用CL表示。设计电路时必须按产品手册巾规定的CL值，才能使振荡频率符合石英贴片晶振的fL。在应用石英晶体时，负载电容(C。)的值是卣接由厂家所提供的，无需冉去计算。常见的负载电容为8pF、12pF、15pF、20pF、30pF、50pF、lOOpF。』I要可能就应选lOpF、20pF、30pF、50pF、lOOpF这样的推荐值。

石英晶振是一种压电频率元件,被广泛用于无各种电子产品中.CEOB2B晶振平台将要带给大家的是有关石英晶振的工作原理以及性能特点.

石英晶振在应用具体起到的作用,微控制器的时钟源可以分为两类：基于机械谐振器件的时钟源,如石英晶振,陶瓷谐振槽路；RC（电阻,电容）振荡器.一种是皮尔斯振荡器配置,适用于石英晶振和陶瓷谐振槽路.另一种为简单的分立RC振荡器.基于石英晶振与陶瓷谐振槽路的振荡器通常能提供非常高的初始精度和较低的温度系数.RC振荡器能够快速启动,成本也比较低,但通常在整个温度和工作电源电压范围内精度较差,会在标称输出频率的5%至50%范围内变化.但其性能受环境条件和电路元件选择的影响.需认真对待振荡器电路的元件选择和线路板布局. 

激光器系统主要由激光工作物质、泵浦氪灯、聚光腔、谐振腔组成。hgl-lsy50型系列激光打标机激光工作物质为掺钕钇铝石榴石,简称Nd3+:YAG棒。YAG石英晶振,石英晶体外形为圆柱形结构,棒的两个端面严格平行,与棒轴垂直,并且经过抛光镀膜。使用过程中要保持捧端面光洁。

对于连续运行的固体YAG激光器,一般采用氪灯泵浦的方式,氪灯的最大输入功率6KW,工作电流7~30A,工作电压110V~200V。氪灯在工作时,需用水冷却。

聚光腔采用的是进口陶瓷反射体,漫反射紧耦合结构的聚光腔。其优点是光束质量好,适用于精细打标。光腔内表面涂了釉层,因此耐腐蚀、搞衰老能力极强,没有使用寿命限制。

2.声光调制系统

Q开关是激光光学系统中一个重要光学元件,它通过光路偏转阻断和不阻断光的反射通道来抑制和产生激光脉冲。当激光器开始工作时,先让石英贴片晶振谐振腔处于低Q值状态,此时激光腔不断积累能量,当腔的Q值突然增大,此时,在部分反射锐端就有一个强的激光脉冲输出。因而Q开关能够达到提高激光峰值功率和实现光路开关控制双重功能。

3.光路及振镜扫描系统

光学系统:1064nm基于振镜的高精度反射、聚光系统。

扩束镜:光束反射前3倍扩束组合透镜

激光校正:选用0.6328m的HeNe激光准直系统指示光轴位置,指示光与激光同轴,在加工时可达到寻迹指示的功能,并及时进行精确对位。

振镜是使激光按照预定轨迹运行的执行机构,它主要由高精度伺服电机、电机驱动板、反射镜、F-θ透镜及直流供电源组成。

4.计算机控制系统

计算机配置P4处理器,抗干扰的电脑主板,中文 windows XP操作系统。华工激光开发的专业打标软件,并配备有专用ISA总线的DA控制卡,方便快捷地给与振镜扫描系统数据传递及控制声光调制开关的起停,达到按照软件设计的要求进行标刻的目的。

5.冷却系统

激光专用冷却系统是固体激光器中必不可少的辅助装置。在固体激光器中, 输入脉冲灯中的能量只有很少一部分转化为激光能量,其光转换率大约3~4%,其余均转化为热的形式损耗掉了。这部分热能对激光器件有很大的破坏作用,会使YAG石英晶体,有源晶体以及脉冲灯炸裂,聚光腔内金属零件熔化,聚光腔变形失效等。冷却与滤光系统的作用就是带走激光器中的这部分多余热量,防止激光器部件温升过高而失效,同时还可以减少泵浦灯中强烈的紫外辐射对工作物质的有害影响。

本冷却系统采用双循环水冷却方式。内循环采用纯净水冷却激光器,系统中包括流量保护,温度控制及超温报警等一系列装置,确保激光器的稳定工作。外循环采用压缩机制冷,既可以确保温度的稳定,又可以节约大量的自来水资源。循环水泵采用射流自吸式离心泵,全不锈钢结构。换热蒸发器选用全钛合金材料,盘管结构。

6.工作台

采用三维手动可调式工作台,操作方便灵活,定位精度高。

 在前面的文章中我们有提到关于石英晶振磁控溅射技术原理磁控溅射是在真空条件下导入一定压力的惰性气体(Ar),阴阳极间形成一定强度的电场,并引入强磁场施加影响,使被阳离子轰击而溅射出的靶材金属粒子加速射向欲镀覆基片表面。那么接下来CEOB2B晶振平台将要说的是石英晶振磁控溅射频率微调技术应用及优缺点分析。

在真空等离子体气氛中,氩离子轰击银靶,溅射出高能银粒子射向晶振晶片表面,从而增加表面银电极的厚度,进而改变石英晶体谐振器的谐振频率。其装置示意图如图1.3所示。与蒸发频率微调法类似,磁控溅射频率微调在对石英晶体谐振器进行频率微调时,也分为粗调和细调两步进行。

石英晶振磁控溅射频率微调的优、缺点

优点:

(1)与蒸发频率微调法相比,溅射离子比蒸发原子或分子的平均能量大数十倍,提高了表面原子迁移率及体扩散,使膜层性能及附着力增强。

缺点:

(1)晶振磁控溅射镀覆设备价格昂贵,设备操作、维护复杂。

(2)对于靶材——银的利用率低,最高只能达到50%。

(3)与石英贴片晶振蒸发频率微调法类似,粗调后的膜面已暴露过大气,易被氧化,并且使得表面落上灰尘、杂质颗粒,而细调新镀膜层又较薄,导致膜层结合力差, 易产生脱焊、固熔断线问题。这同样也是磁控溅射频率微调技术的致命缺点。

(4)由于离子对阴极靶材的轰击,使靶材表面溅射出二次电子,这些电子经等离子体后,易堆积在阳极表面,使表面形成电荷积累,无法再继续沉积。

可见,以上两种方法都无法满足大规模工业生产和激烈的市场竞争的需要更能适应生产需求的新型工艺呼之欲出。

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1.MFM的应用14.5.6

磁记录介质材料是MFM研究最多的物质之一。事实上,在MFM发展初期,MFM首先用于各种磁记录介质和磁头,在很小的尺度上仔细研究写入的磁斑、记录的轨道、磁头磁场分布等,以分析和判断磁盘和磁头的性能。现在, MFM业已成为高密度磁盘常规测试的工具。超高密度磁存储技术的发展要求在纳米尺度研究磁性晶体的微结构及探测磁性晶体的单畴性,因而必须采用MFM。

Martin等人第一次利用MFM对Tb1 ofer薄膜(一种重要的磁光材料)中写入的磁畴结构(静磁场)作了研究,空间分辨率达到100nm。MFM也可对软磁膜的磁畴进行结构研究。MFM具有足够的灵敏度和分辨率来观察图像中波动结构等磁信息。针尖样品,石英晶振元件间距少于100nm时,还可清晰看到针尖诱导畴壁运动的证据。

再次,MFM能够用来观察磁粒子的微磁学性质和一些物质的磁壁结构近年来,利用MFM对有机铁磁体以及生物分子磁性的研究也已经引起科学工作者的广泛重视。

2.MFM研究中的一些问题

各种磁性材料磁力(梯度)图的准确测量。实际上这就要使磁针尖和样品匹配起来,尽可能减少磁针尖和样品的相互影响。

MFM的定量测量和磁畴结构的计算机模拟。MFM的定量测量,在很大的程度上是测定磁针尖的性质,如磁矩、弹性系数、品质因数等。但这是相当困难的,何况小小的磁针尖上还可能存在磁性微结构。这就要用校准的方法,并对针尖作合理的近似,才能开展对所测磁力图的解释、分析和计算机模拟工作。

MFM在1987年发明后的很短期间内,分辨率已达到50nm。但至今其现实的横向分辨率仍停留在50-20nm,表明在MFM现有的构架内分辨率已难以突破,要获得实质性的提高,需要有新的思想.

我们接着前面介绍到的石英晶振片的由来以及工作原理,我们接着说石英晶振晶片的电极对膜厚监控、速率控制至关重要。目前,市场上提供三种标准电极材料:金、银和合金。

金是最广泛使用的传统材料,它具有低接触电阻,高化学温定性,易于沉积。金最适合于低应力材料,如金,银,铜的膜厚控制。用镀金晶振片监控以上产品,即使频率飘移IMHz,也没有负作用。然而,金电极不易弯曲,会将应力从膜层转移到石英基片上。转移的压力会使晶振片跳频和严重影响质量和稳定性。

银是接近完美的电极材料,有非常低的接触电阻和优良的塑变性。然而,银容易硫化,硫化后的银接触电阻高,降低晶振片上膜层的牢固性。

银铝合金晶振片最近推出一种新型电极材料,适合高应力膜料的镀膜监控,如siO，SiO2,MgF2,TiO2。这些高应力膜层,由于高张力或堆积的引]力,经常会使晶振片有不稳定,高应力会使基片变形而导致跳频。这些高应力膜层,由于高张力或堆积的引力,经常会使贴片晶振,石英晶振片有不稳定,高应力会使基片变形而导致跳频。银铝合金通过塑变或流变分散应力,在张力或应力使基体变形前,银铝电极已经释放了这些应力。这使银铝合金晶振片具有更长时间,更稳定的振动。有实验表明镀Si02用银铝合金晶振片比镀金寿命长400%。

镀膜科技日新月异,对于镀膜工程师来说,如何根据不同的镀膜工艺选择最佳的晶振片确实不易。下面建议供大家参考

（1)镀低应力膜料时,选择镀金晶振片

最常见的镀膜是镀A、Au、Ag、Cu,这些膜层几乎没有应力,在室温下镀膜即可膜层较软,易划伤,但不会裂开或对基底产生负作用。建议使用镀金晶振片用于上述镀膜,经验证明,可以在镀金晶振片镀60000埃金和50000埃银的厚度。

（2)使用镀银或银铝合金镀高应力膜层

NiCr、Mo、Zr、Ni-Cr、Ti、不锈钢这些材料容易产生高应力,膜层容易从晶体基片上剥落或裂开,以致出现速率的突然跳跃或一系列速率的突然不规则正负变动。有时,这些情况可以容忍,但在一些情况下,会对蒸发源的功率控制有不良作用。

（3)使用银铝合金晶振片镀介质光学膜

MgF2、SiO2、A2O3、TiO2膜料由于良好的光学透明区域或折射率特性,被广泛用于光学镀膜,但这些膜料也是最难监控的,只有基底温度大于200度时,这些膜层才会与基底有非常良好的结合力,所以当这些膜料镀在水冷的基底晶振片上,在膜层凝结过程会产生巨大的应力,容易使晶振片在1000埃以内就回失效。

在前面的文章中我们了解到了GPS的应用以及高精密石英晶体振荡器在GPS内部所提供到的作用，GPS晶振的工作原理等等。晶振的作用随着科技的发展到如今已是无处不在,各种大大小小的智能科技产品都会用到石英贴片晶振.接下来我们要说到的是GPS信号失效后保持算法的研究以及与晶振之间的联系.

从前面文中介绍GPS接收机的相关介绍可知,1PPS信号可能在多种因素的作用下丢失。如果通过解码发现失效,应立即停止以它作为基准来驯服OCXO晶振,否则可能对OCXO晶振产生误调整,使系统产生很大的误差,但是这时OCXO晶振的输出频率精度会由于老化和温度等因素的影响而不断降低。为了解决这一问题,采用保持算法, 即在正常锁定过程中,实时记录晶振的频率随时间的漂移率,即确定石英晶体老化率曲线,再利用温度传感器,建立温度和频率漂移率的函数关系。当GPS信号失效后,根据以前正常驯服状态下记录的历史数据,通过合理的算法对OCXO晶振输出频率的变化趋势做出准确预测,进而在此基础上实现对频率误差的实时校正,以保证输出频率精度在可容忍的精度范围内,直到GPS信号恢复后再继续锁定晶振。

OCXO石英晶体振荡器的老化模型是非线性的,而其频率温度变化模型则可认为是线性的,并且可以利用 Kalman滤波器来对这两种模型的参数进行估计,进而可以实现GPS信号失效后OCXO晶振频率的预测校正。然而老化率的非线性是对于较长时间而言的,在短时间内比如说一天,老化模型也可以被简化为线性,这大大方便了算法上的处理关于OCXO石英晶体振荡器的驯服保持模型的原理框图如图5.3所示

图中的三个开关S1、S2、S3在卫星工作状态正常时均处于开启状态,OCX0石英晶体振荡器直处于驯服状态,并且预测模型一直处于工作模式。如果系统经过判断确定卫星信号丢失,而且当时已经完成锁定,系统便会处于保持模式,三个开关均闭合, 这样老化和温度预测模型可以根据其预测的结果并以自己本身的输出作为观测量的输入来实现频率偏差的预测。预测模型的最终输出是出四项叠加而成:驯服的初始校正量、老化模型的预测输出、温度影响模型的预测输出和温度模型的延迟补偿量.

为了实现1PPS信号失效后的保持,必须先将由老化和温度变化引起的影响量分离开来,而分离算法的确定与这两种影响的性质有密切关系。一般认为老化的影响属于慢变,而温度的影响则相对变化较快,即在频域,老化的影响处于低频段,温度的影响处于较高的频段,这样就可以将它们分离开来,即采用不同类型和带宽的数字滤波器就可以实现这两种影响的分离国,ⅢRF、IRF2和RF为滤波器, 其中IRF和IRF3为1阶的低通滤波器,IRF2为3阶的低通椭圆滤波。

图中的IRF1是用来同时通过锁定状态下由温度变化引起的校正量中的高频变化部分和老化引起的低频变化部分,其带宽应该由高频分量确定。在一般的应用环境下,温度的最大变化率可以达到10℃h,而这里所采用的OCXO贴片晶振的线性频率温度系数为6~8ppb/40℃,于是可以得到最大温度变化率引起的频率漂移率达到4.17~5.56×10-4ppb/s。所以IRF的带宽被设计为3×10-3ppb/s(3mHz),即是最大频率温度漂移率的5.4倍,这样就可以通过所需要的信号,并且针对校正信号中由GPS接收机引入的高频噪声,进行每10倍频10dB的衰。

IRF2用于从经过RF滤波后的校正量中分离出老化的影响,那么其带宽由反映老化的低频分量决定。这里采用的OCXO晶振的老化率为0.5ppbd或者58×10-6ppb/s,所以IIRF2的带宽被设计为3×10-5ppbs(0.03mHz),即为秒老化率的5.2倍,并且其阻带衰减最小为50dB,带内波动为1.5dB,这样可以较好的过滤掉温度的影响。IRF2的输出直接输入给了老化的 Kalman预测模型,并且将其从IRFl的输出中减掉,可以提取出温度的影响。

IRF用和RF完全相同的设计,主要用来进一步抑制GPS接收机引入的噪声和消除IRF2输入输出信号的数字相减带来的毛刺。由于IRF1和IRF2处于温度影响预测模型的输入通道上,会使得校正量的预测产生延迟,使预测滞后于IRFl的输入信号。因此有必要在温度预测模型的输出加上一个延迟补偿模块,由它在保持模式时计算出相应的补偿量,并叠加到预测模型的输出信号上来消除延迟的影响。这里的延迟补偿量由温度预测模型输出的变化率和滤波器的延迟量相乘来得到,而滤波器的延迟量的最优估计为个小时,温度预测模型输出变化率由其输出对于时间的一阶微分的100点滑动平均来得到,其中每秒采集一个数据。

在进行系统测试时,被锁晶振采用高稳定度恒温晶体振荡器(10MHz±3Hz),GPS接收机选用LASSEN IQ型,采用5585B-PRS型铯原子频标作为频率参考,该铯原子频标可输出10MHz信号,具有较好的频率准确度及稳定度,其频率准确度优于5×10-12,秒级频率稳定度优于1×10-11/s。

采用相位比对的方法来测试被锁石英晶振的相对频率准确度,测试连接图如图5.1所示。将被锁定的晶体振荡器的10MHz频率信号和铯原子频标产生的10MHz频率信号分别作为开关门信号输入到精密时间间隔测试仪HP5370B(分辨率为20ps) 进行比对测试,HP5370B输出的时间间隔值与两个比对信号的相位差成正比。该时间间隔值的变化反映了两个信号的相位差的变化。计算相对频差的公式为:

其中,τ为取样周期;△T为在取样周期τ内两信号累积的相位差变化。由此式可以看出,△T的测量误差取决于HP5370B的时间间隔测量分辨率,最小为±20ps,也就是在ls闸门时间内相对晶振频率准确度为±2×10-11,但是随着采样时间r的增大,测量误差可以大大的减小,精度也不断提高。

由于天气等原因,对接收机工作有影响,所以做实验时适当选择比较好的天气。取样时间设定为40s,OCX0石英晶体振荡器在系统运行3小时后即进入锁定状态,开始对晶体振荡器锁定状态下与铯原子频标进行相位比对测试,记录系统连续工作10小时的数据,图5.2为OCXO晶振的频率准确度随时间的变化曲线。

从图5.2中可以看出,锁定后OCXO晶振的频率值在标称频率上下起伏,最大起伏约为9.0×10-11。通过计算,图5.2中所显示的频率平均准确度达到73×10-12,相对于所采用晶体振荡器的约5×10-10/d的老化率有明显改进,同时也说明晶振频率的漂移得到了一定程度的修正。

在进行石英贴片晶振频率稳定度测试时,由于实验室测频仪器测量的分辨率的有限,ls和10s的稳定度由直接测频法计算得到,而100s、1000s、5000s和10000S由比相间接测频法计算得到,相位比对数据采用上面图5.2中所采集的数据。锁定后, OCXO的频率稳定度测试结果如表5.1所示:

从表51中可以看出,锁定后的OCXO恒温晶体振荡器的短期稳定度基本保持了其本身的指标,而其中长期稳定度不是非常理想,这是由lPPS中存在的中长期相位漂移以及Kalman滤波和PID控制参数还不是很合理造成的,但总体较其本身指标,有一定程度的提高。因此,后续工作需要增大滤波时间常数,进一步继续优化 Kalman滤波和PID控制模型的参数,使得 Kalman滤波的收敛值更小,对OCXO晶振频率的调整幅度和频度更低。

高精度的时间测量是实现驯服保持的基础,一般都使用比时法测频差的方法实现对OCXO晶振的锁定,其中最常用的方法就是直接计数法,即在有待测时间间隔构成的闸门信号中填入脉冲,通过必要的计数电路,得到填充脉冲的个数后再乘以填充周期便可计算出待测的时间间隔。但是这种方法的测量精度很低,主要取决于填充脉冲的频率,频率越高测量精度越高,但在实际应用中,这会大大提高对相应器件和线路的要求,同时还存在±1个字的量化误差,直接计数法如图4.3

所示：

其它常用的时间间隔测量方法还有模拟内插法、游标法、量化延迟法、时间幅度转化法,虽然这些方法都具有很高的测量分辨率,但是它们的测量范围都很小,于是考虑将直接计数法和上述某一种高分辨率测量方法相结合的测量方法, 从而可以同时兼顾到测量分辨率和测量范围。

本文采用将直接计数法和时间一幅度转化法相结合的时间间隔测量方法,对时间间隔闸门首先用直接计数法计数,由图43所示,T为被测时间间隔值,T为由直接计数法计算得到的时间间隔测量结果,T和T2分别代表代表时间间隔的开始信号和结束信号与计数时钟信号之间的不同步部分,即直接计数法中存在的石英晶振量化误差部分,而这两部分短时间间隔值由采用时间一幅度转换法来测量。因此被测时间间隔值可由下式计算得到:

TX=TN+T1-T2           式(4-1)

由于输入到时间间隔测量模块的两信号为来自GPS接收机的IPPS信号和OCXO晶振分频得到的1Hz信号,分别以待测闸门的上升沿和下降沿作为短时间间隔T和T的开门信号,以紧随它们的第一个填充信号的上升沿和下降沿作为关门信号。

因为填充脉冲为OCXO石英晶体振荡器输出的10MHz信号,理论上1Hz信号和填充脉冲的上升沿是严格对齐的或者有一个固定的相位差,所以可以认为结束信号与填充脉冲之间的相位关系不再是随机的,而是相关的。也就是在该系统中只需考虑待测时间向间隔开门后的短时间间隔T,而不必考虑关门后的短时间间隔T2,所以待测时间间隔变为T=T+T1,时间一幅度转换法的原理图如图4.4所示同。

具体电路实现时采用CPLD和带有AD转换器的单片机MSP430F247)以及外围的电流源电路、高度开关、放电MOS管等构成,充放电电路如图45所示。

CPLD用于取出直接计数法中计数时钟信号和代表被测时间间隔闸门的开始信号和结束信号之间的不同步部分,并将它们转化为窄脉冲输出。当短时间间隔脉冲CH1的开门信号输入到三极管Q1的基极时,用+5V的直流电源对电容进行充电,以实现时间一幅度初步转换;当短时间间隔闸门的关门信号到来时,三极管截止,停止充电并保持充电电压。

晶振信号调理电路将其幅度调理到单片机AD转换器的输入范围内后送入单片机的AD转换器进行转化,完成转化后向效应管BS170发出个复位信号CH_2,使场效应管导通,电容迅速放电,为下一次测量做好准备最后单片机根据AD转换结果,计算出对应的时间间隔值,从而完成了一次完整的测量过程。

这种方法的优点是测量分辨率高,转换时间短。但不足之处就是转换存在非线性误差,因此使用前需要对其校准,将时间间隔随时间变化的两路不同源信号同时输入测量模块和HP5370B,进行测量范围内的约40点逐点校准,而后将校准数据存入单片机自带的Fash存储器,测量时査表并线性拟合得到结果,该区间内根据式(4-2)按线性关系计算该电压值所对应的短时间间隔值T1.

其中U为AD转换得到的电压值,Um和U-分别为所对应电压区间的上限电压值,Tm和T分别为Um和Um所对应的标准时间间隔值,这样就在一程度上减小了非线性误差。

A型石英晶振的组成

A型石英晶振结构比较简单,由底座、PCB电路板、元器件、晶体、外壳五部分组成,根据这些零部件的功能分析,可以得到A型晶振的可靠性框图, 可靠性框图见图3-4

4.22A型石英晶振的可靠性要求

A型石英晶振的可靠性指标要求如下:

(1)石英晶振在工作n年内不发生致命故障

(2)石英晶振n年内总的工作时间不低于:t=n×365×24。

(3)石英晶振的可靠度为0.95:即Rs=0.95。

4.2.3A型石英晶振的可靠度计算

可靠度是指产品在规定的条件和规定的时间内,能正常完成规定功能的概率,通常用R表示。根据对A型石英晶振的结构分析,可以看出A型石英贴片晶振为串联结构,可靠度计算公式如下:

RS=R1×R2×R3×…·×Rn                       公式(4-1)

A型石英晶振由四部分组成:底座、电路板、元器件、晶体、外壳。A型石英晶振可靠度计算公式如下:

RS=R1×R2×R3×R4×R5                  公式(4-2)

式中:R、R2、R3、R4、R5分别代表底座、电路板、晶体、元器件、外壳的可靠度。

4.24A型石英晶振的可靠性预计

可靠性预计,顾名思义指的是对产品在规定的工作条件下进行可靠行估计也就是根据类似产品的经验数据或组成该产品的各单元的可靠性数据,对产品给定工作或非工作条件下的可靠性参数进行估算。

可靠性预计的意义主要有:

(1)为产品设计阶段的可靠性设计提供依据

(2)为产品的维护阶段提供有价值的信息。

3)站在可靠性设计的角度,筛选设计方案,寻找最佳设计方案。

(4)为改进设计方案提供理论支持。

可靠性预计的方法主要有上下限法、元件计数法、相似产品法、应力分析法评分法、故障率预计法、性能参数预计法。根据W公司实际情况,本文采用应力分析法对贴片晶振,石英晶振,石英晶体进行可靠性预计。因为A型石英晶振的主要部件的故障率均可通过供应商得到,所以本文采用应力分析法。采用GJB/Z299C-2006预计手册。故障率预计法的计算公式为:

4.2.5A型石英晶振的可靠性分配

可靠性分配指的是将整个系统的可靠性指标分配给各个组成部分,是将可靠性指标总整体到局部,从上到下进行分配的过程。可靠性分配有以下意义:将产品的整体可靠性指标进行分配,分配到产品的下级组成部分,可以使每个组成分的可靠性设计指标更加准确细致,便于可靠性设计人员进行分析。

可靠性分配方法主要有 AGREE分配法、拉格朗日乘数法、比例分配法、评分分配法、复杂度分配法、动态规划法、重要度法、直接寻查法。

本文采用 AGREE分配法对A型石英晶体振荡器,贴片晶振,石英晶振进行可靠性分配, AGREE分配法将整体的每一个组成单元的复杂度和重要度纳入到可靠性分配中。 AGREE方法的核心是:失效率的分配和整体的各个组成单元的重要度和复杂度有关,组成单

元越重要,分配的失效度就应该越高。相反,组成单元的重要度越高,分配的失效度就应该有所减少。也就是说,分配给每个组成单元的失效度是加权的,加权因子C与组成单元复杂度成正比,与组成单元的重要度成反比。

单元或子系统的复杂度的定义为单元中所含的重要零件、组件(其失效会引起单元失效)的数目Ni(i=1,2.n)与系统中重要零、组件的总数N之比,即第i个单元的复杂度为：

假定设备的寿命符合指数分布,则可靠度为:

单元或子系统的重要度的定义为该单元的失效而引起的系统失效的概率。其表示为考虑装置的重要度之后,把系统变成一个等效的串联系统,则系统的可靠度Rs可以表示为考虑装置的重要度之后,把系统变成一个等效的串联系统,则系统的可靠度Rs可以表示为：

考虑装置的重要度之后,把系统变成一个等效的串联系统,则系统的可靠度Rs可以表示：

式中：

Wi —为系统的失效率

Ki —产为单元的复杂度

在第二次大战期间,战争进行得十分惨烈,众多军事装备发挥了巨大作用, 战斗机、火箭炮、坦克、各种电子信息设备应用于战场,提高了军队的战斗力。但是,这些先进装备可靠性不稳定,出现各种问题,军方对这些装备的可靠性提出不满,德国科学家最早提出了可靠性的相关理论,在研制V1火箭的过程中, 就提出了可靠性乘积理论。

20世纪50年代,为了提高军事装备的可靠性,美国投入了巨大的资源对可靠性理论进行研究。在这期间,美国成立了著名的“电子设备可靠性顾问委员会” ( Advisory Group on Reliability of Electronic Equipment, AGREE)。这是一个专门从事可靠性研究的组织。1957年6月4日, AGREE发布了《军用电子设备可靠性报告》,报告提出了可靠性是可建立、可分配的,这份报告为可靠性的发展奠定了基础。与此同时扌,另一个超级大国苏联为了保证本国航空航天的可靠性,也开始对可靠性理论进行研究。在这一阶段,很多国家大力开展了可靠性理论的研究日本是其中对可靠性研究比较先进的国家,他们认为可靠性理论可以提高本国企业的竞争力。1958年,日本成立“可靠性研究委员会”,专门对可靠性理论进行研究。

20世纪60年代,美国的科技水平已经领先世界,特别是航空航天事业,进入迅速发展的时期,为了保证航天事业的可靠性,美国国家航空航天管理局NASA)开始运用可靠性理论对航天器进行设计和研究。

20世纪80年代,信息技术蓬勃发展,计算机逐渐应用于各种研宄领域中可靠性研究理论也开始运用计算机技术(其中起关键作用的不乏石英晶振),计算机的应用,进一步加速了可靠性理论的发展。可靠性的发展方向也在改变,逐渐向更加深层的领域发展,可靠性的地位也在不断提高,已经与费用工期处于基本相同的位置,与此同时可靠性管理的制度化也在不断加强。

21世纪以来,可靠性研究工作对象由电子产品,电子零件,石英贴片晶振,向非电子产品,由硬件向软件,由工作状态向储存状态等领域扩展。可靠性工作的开展促进了与之密切相关的装备可用性、保障性、综合技术保障等特性以及效能费用分析的研究。

2.12可靠性定义

人们通常将可靠性理解为石英晶振,石英晶体振荡器产品在正常的使用条件下,它是否会出现故障,是否稳定。在国家标准GB/T3187-1994中,对可靠性有明确的定义,把可靠性定义为:“产品在规定条件下和规定时间内,完成规定功能的能力。”。通过对可靠性定义的理解,可以看出.

1.“规定条件”是可靠性定义的一个重要要求,产品使用的条件不是任意的。可靠性也应实在规定的使用条件下,比如固定的温度、湿度等环境条件,在比如固定的振动条件下、储存方法以及使用方法等都是属于“规定条件”的范畴。

2.“规定日时间”也是可靠性定义的要求,产品的可靠性随着时间的流逝不可能保持不变的,时间越久,产品的可靠性也就越低,因此“规定时间”与可靠性要求密不可分。根据产品性质的不同,可靠性对应的时间指标也不尽相同。可靠性里讲的时间是广义的,“规定的时间”也可以指产品使用周期、次数等,对于汽车行业来说,里程也可以说是广义的时间范畴。

3.“规定功能”是另一个重要的可靠性指标,“规定功能”指的是产品应具备的技术指标。不同产品的技术指标是不同的,要想分析产品的可靠性,就先要把握好产品的技术指标,也就是“规定功能”。

在可靠性设计方面,可靠性有基本可靠性和任务可靠性两个分类。任务可靠性指的是产品出现故障后给工作任务造成的影响,也就是完成“规定功能”的能力,任务可靠性通常用致命性故障间隔任务时间 MTBCF( Mission time between Critical failure)和任务可靠度MR( Mission Reliability来评价。基本可靠性指的是产品在没有保障的情况下的正常工作的能力,衡量基本可靠性的很重要的一个参数就是平均故障间隔时间MTBF( Mean Time Between Failure)。

在可靠性应用方面,可靠性有固定可靠性和使用可靠性两种分类。使用可靠性指的是石英贴片晶振产品在具体的使用过程中,在一定的使用环境下,对产品的设计,制造, 维护等方面综合的评价。而固有可靠性顾名思义指的是产品本身所具有的可靠性水平,是对产品设计和制造水平的把握。

2.1.3可靠性管理定义

实现产品规定的可靠性可以从设计层面入手,也可以从生产方面入手,当然通过管理也能保证产品可靠性。在产品的可靠性上,设计人员对产品的设计水平接影响着产品可靠性,设计阶段是产品可靠性能否过关的第一个条件。生产是保证产品可靠性的第二个阶段,生产工艺水平的高低对产品的可靠性影响很大除了产品的设计、生产工艺外,可靠性工作最重要的一个方面就是可靠性管理, 可靠性管理水平的高低对产品可靠性的水平至关重要。

可靠性管理指的是为实现规定的产品可靠性所进行的各项管理活动的总称可靠性管理着眼于科学系统的管理方法,它应用一套完善、科学的管理方法来实现可靠管理活动高效有序的开展,可靠性管理试图利用尽可能有限的资源来发挥最大的作用,以满足产品规定的可靠性。可靠性管理是为了实现石英晶振,有源晶振,石英晶体振荡器等产品规定的可靠性所采取的所有措施的总和。

可靠性管理一般包括以下几个方面:制定相关可靠性规划;设计可靠性管理且织;明确组织各部门职能;建立可靠性保证管理系统;检查各组织可靠性工作开展情况;维护可靠性管理系统;

产品的可靠性不是石英晶振产品实现的一个阶段所决定的,它是由产品实现的全流程决定的,产品的设计、生产、维护都直接影响到了产品的可靠性。正因如此, 可靠性管理才显得如此重要,可靠性管理的职能就是管理好产品实现的设计、生产、维护等全过程的可靠性工作,最终实现产品规定的可靠性。因为可靠性管理涉及到产品实现的全流程中,所以可靠性管理涉及的人员基本包括了企业所有人员,其中比较重要的人员有:设计人员、采购人员、生产人员、质量管理人员以及工程维护人员等。

可靠性管理的意义主要有以下三点：

1.可靠性管理是科技发展的需要

随着科学技术的发展,高可靠性的石英贴片晶振产品是开展各种高精尖行业的需要,比如航空航天技术,现代大数据云计算业务。这些行业设备是不能出现任何问题的旦出现问题,轻则导致经济损失,重则危害人员的生命安全,为了满足产品的高可靠性,企业必须将可靠性管理纳入日常管理中。

2.可靠性管理可以给企业带来巨大经济效益

可靠性管理不到位,将影响产品的可靠性。产品的可靠性出现问题,短期来看,因为产品的维修,退换货,返工等等都将增加企业的运营成本,给企业带来损失,从长远看,产品出现可靠性问题,将给企业带来负面影响,进而影响顾客的使用热情,这种影响给公司带了的经济损失是无法估量的,因此可靠性管理可以给企业带来巨大经济效益。

3.可靠性管理可以提高企业的竞争力

良好的企业形象对企业的发展至关重要,企业形象的好坏主要由产品的可靠性水平决定的,产品的可靠性直接影响顾客对企业的印象。可靠性管理可以提高产品的可靠性,可靠性的增长就可以提高企业的形象,最终提高企业的竞争力所以说可靠性管理可以提高企业的竞争力。

石英晶体作为滤波、振荡元件已广泛应用在广播通讯、电子测量、航空、航天等方面.其发展历史只有短短几十年,美国是发展石英晶体最早的国家.最近一、二十年来,由于PCS、GSM、GPS、PDC、CDMA等诸多移动通讯技术的需求,石英晶体振荡器中的石英晶体谐振器不再是单一元件,它已发展成为组件,而且几乎全部以集成化、全集成化、全数字化形式展现出来,体积比过去缩小了数倍乃至数十倍.

石英晶体振荡器由晶体振荡电路和输出电路两部分构成.石英晶体振荡器电路分为并联晶体振荡电路和串联晶体振荡电路,常用并联晶体振荡电路.晶体工作在串联谐振频率ωS和并联谐振频率ωP之间,即呈现感抗.而振荡性能的优劣由晶体的品质、切割取向、振子结构及振荡电路共同决定.图1为AT切割和SC切割的频率温度特性曲线.可以看出,SC切割有高的静态和动态f－t稳定性、良好的老化率和相位噪声,但缺点是频率牵引灵敏度低、成本高.

最常用的振荡电路是集电极交流接地的考毕兹振荡电路（如图2所示）.此电路的优点是电路简单、可靠、稳定.

输出电路的作用是对振荡获得的正弦信号进行缓冲、放大、整形,得到图3所示的标准输出电平,驱动负载或后级门电路.这里,还经常用到逻辑电平转换电路和分频、倍频电路.

其输出正弦波电平用Vp-p、VRMS或dBm表示,dBm的计算式为：

)1log(10mWPdBm?必要时,还须注明谐波抑制比.方波或矩形波输出电平应注明TTL、CMOS、HCMOS还是ECL、直流分量值,并且表示出占空比、上升时间、下降时间等其它相应参数.

标准输出负载为50Ω、1kΩ、10kΩ∥10pF或用驱动几个门电路表示,如驱动2个门,5个门电路. 

对石英晶体振荡器的噪声系数有特殊要求时,则应严格设计振荡、放大电路及电源.譬如主振选用低噪声管、低噪声压控电压并使振荡在低电压工作,各级电路必须匹配以保证无反射、辐射.

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