趙冬青 ，趙 杰，甄國(guó)涌，王 強(qiáng)，陳 倩

(1.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，太原030051;2.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051;3.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051;4.太原市華納方盛科技有限公司;5.航天長(zhǎng)征火箭技術(shù)有限公司)

石英晶體振蕩器自其問(wèn)世以來(lái)，就以其高精度和高穩(wěn)定度迅速占領(lǐng)了振蕩器市場(chǎng)。然而在對(duì)電子系統(tǒng)進(jìn)行炮擊實(shí)驗(yàn)過(guò)程中屢次出現(xiàn)了這樣的問(wèn)題:為系統(tǒng)提供時(shí)鐘脈沖的石英晶體振蕩器發(fā)生損壞，整個(gè)系統(tǒng)停止工作。出現(xiàn)這種問(wèn)題是由于石英晶體振蕩器以機(jī)械方式工作，而且晶體內(nèi)部組件易磨損，在高過(guò)載環(huán)境下，內(nèi)部組件磨損嚴(yán)重以至于徹底損壞［1］。在軍事領(lǐng)域，抗過(guò)載能力是衡量電子元器件性能的重要指標(biāo)［2］。尤其是在彈上的應(yīng)用中，對(duì)電子元器件這項(xiàng)指標(biāo)的要求更為苛刻［3］。為使電子系統(tǒng)在高過(guò)載條件下可靠地工作，須找到一種振蕩器來(lái)代替石英晶體振蕩器為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的時(shí)鐘脈沖。

硅振蕩器完全摒棄了機(jī)械起振方式，不存在磨損的問(wèn)題，理論上它不受高過(guò)載的影響［4］，但在實(shí)際的應(yīng)用中并沒有得到驗(yàn)證。高過(guò)載環(huán)境對(duì)硅振蕩器的主要影響有兩個(gè)方面:一是可能產(chǎn)生頻率的漂移，二是可能像損壞石英晶體振蕩器一樣損壞硅振蕩器［5］。本文針對(duì)以上兩個(gè)方面對(duì)硅振蕩器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)的主要目的是為了驗(yàn)證硅振蕩器能夠承受高過(guò)載環(huán)境的考驗(yàn)，從而代替石英晶體振蕩器應(yīng)用在電子系統(tǒng)中。高過(guò)載環(huán)境的典型實(shí)例莫過(guò)于炮擊實(shí)驗(yàn)，本文用炮擊實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)硅振蕩器是否會(huì)在高過(guò)載環(huán)境中損壞。實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)是觀察高過(guò)載實(shí)驗(yàn)?zāi)芊褚鸸枵袷幤鬏敵鲱l率的漂移。觀察硅振蕩器是否出現(xiàn)頻率漂移不能通過(guò)單獨(dú)的一兩次炮擊實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)明。為節(jié)省實(shí)驗(yàn)成本，本文首先采用了一種低成本且易重復(fù)操作的方法——馬歇特錘擊實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)。

1 高過(guò)載下的頻率漂移

有關(guān)文獻(xiàn)表明過(guò)載量在103gn～105gn［6］時(shí)即可認(rèn)為是高過(guò)載環(huán)境。擬采用馬歇特錘擊實(shí)驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)高過(guò)載環(huán)境。在實(shí)驗(yàn)前首先檢驗(yàn)馬歇特錘擊實(shí)驗(yàn)的過(guò)載量。

1.1 馬歇特錘擊實(shí)驗(yàn)過(guò)載量的檢測(cè)

采用標(biāo)準(zhǔn)傳感器988 來(lái)檢測(cè)馬歇特錘的過(guò)載量，其電壓靈敏度為ε=51.62 μV/gn。在已標(biāo)定的馬歇特錘錘頭上固定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)傳感器988。檢測(cè)中，每次都將齒輪撥到第30 個(gè)齒再釋放錘頭，以得到最大的過(guò)載量。開始反復(fù)錘擊，用示波器觀察988 傳感器輸出的波形。每次錘擊后得到的曲線大致相似，其中一次988 傳感器檢測(cè)到的馬歇特錘的過(guò)載曲線如圖1 所示。

由圖1 得此次捶擊實(shí)驗(yàn)最大過(guò)載時(shí)的電壓偏置為ΔU=1.84 V，過(guò)載量H=εΔU，計(jì)算可得馬歇特錘在本次實(shí)驗(yàn)中的最大過(guò)載量為35 645 gn，在高過(guò)載范圍內(nèi)，可以被視為高過(guò)載環(huán)境。進(jìn)行10 次錘擊實(shí)驗(yàn)，記錄傳感器電壓偏置并計(jì)算過(guò)載量，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1 所示。由表1 可知傳感器電壓偏置在1.5 V ～2 V 之間，過(guò)載量在29 058 gn～38 745 gn之間，都為高過(guò)載。

圖1 馬歇特錘過(guò)載曲線

馬歇特錘擊實(shí)驗(yàn)的過(guò)載量在高過(guò)載范圍內(nèi)，而且實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，便于重復(fù)，可以用來(lái)檢驗(yàn)振蕩器在高過(guò)載下的頻率漂移。

表1 馬歇特錘擊實(shí)驗(yàn)過(guò)載量統(tǒng)計(jì)

1.2 實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)中硅振蕩器選擇Linear 公司的LTC6909I。它是一款典型的可編程硅振蕩器，輸出頻率范圍為12.5 kHz ～6.67 MHz，工作溫度為-40 ℃～85 ℃，滿足大多數(shù)應(yīng)用要求［7］。實(shí)驗(yàn)電路如圖2 所示，其中電阻用來(lái)設(shè)置硅振蕩器的輸出頻率。本次實(shí)驗(yàn)取，pH=4，采用5 V 電池供電。由芯片資料查得振蕩器輸出頻率為500 kHz［8］。

圖2 LTC6909I 型硅振蕩器抗高過(guò)載實(shí)驗(yàn)電路圖

1.3 實(shí)驗(yàn)方法及結(jié)果

將10 塊帶有LTC6909I 型硅振蕩器的電路板分別編號(hào)(01 ～10)。先給電路板上電，用示波器觀察振蕩器的輸出波形，記錄輸出頻率，計(jì)算頻率絕對(duì)誤差。每個(gè)振蕩器測(cè)量10 次。將10 塊電路板都固定在已標(biāo)定的馬歇特錘的錘頭上，給電路板上電，開始錘擊實(shí)驗(yàn)。反復(fù)對(duì)電路板進(jìn)行錘擊，每錘完一次用示波器采集一次振蕩器波形，檢驗(yàn)其是否正常工作，記錄輸出頻率，計(jì)算頻率絕對(duì)誤差。

錘擊100 次后，10 塊電路板上的振蕩器均未損壞，各振蕩器實(shí)驗(yàn)記錄情況大體一致。限于篇幅問(wèn)題這里只列舉其中一個(gè)振蕩器(06 號(hào))的實(shí)驗(yàn)記錄。錘擊前振蕩器輸出的頻率及誤差如表2 所示，錘擊實(shí)驗(yàn)前10 次及后10 次記錄的輸出頻率及誤差如表3 所示。

表2 06 號(hào)硅振蕩器錘擊實(shí)驗(yàn)前輸出頻率記錄表

表3 06 號(hào)硅振蕩器錘擊實(shí)驗(yàn)輸出頻率記錄表

由錘擊前后記錄的表格可以看出:LTC6909I 型硅振蕩器在馬歇特錘擊實(shí)驗(yàn)前后輸出信號(hào)頻率并無(wú)明顯起伏。馬歇特錘擊實(shí)驗(yàn)后LTC6909I 型硅振蕩器的輸出頻率在505 kHz ～508 kHz 之間，輸出頻率的絕對(duì)誤差在1.2% ～1.5%之間，符合芯片資料中±2.5%的誤差范圍，為正常工作狀態(tài)。

實(shí)驗(yàn)表明:LTC6909I 型硅振蕩器輸出的頻率不受高過(guò)載實(shí)驗(yàn)的影響，高過(guò)載實(shí)驗(yàn)不會(huì)使LTC6909I 型硅振蕩器產(chǎn)生頻率漂移。

2 炮擊實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)條件及過(guò)程

實(shí)驗(yàn)中的炮彈選用130#榴彈炮，侵徹距離為100 m，侵徹靶體用混凝土靶(水泥穩(wěn)定級(jí)配集料，21 天養(yǎng)護(hù)期齡，抗壓試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果為4.5 MPa)。實(shí)驗(yàn)前，在榴彈炮中裝入高沖擊測(cè)試記錄器，用來(lái)記錄炮擊實(shí)驗(yàn)中的過(guò)載量。

炮擊實(shí)驗(yàn)前首先給01 ～10 號(hào)電路板通電，用示波器測(cè)量每個(gè)硅振蕩器的輸出信號(hào)，輸出波形均正常，06 號(hào)硅振蕩器炮擊實(shí)驗(yàn)前輸出波形如圖3(a)所示。將10 塊電路板均固定于榴彈炮中，給電路板上電。開始侵徹實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)炮彈出膛速度為910 m/s。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

炮擊實(shí)驗(yàn)后得到高沖擊測(cè)試記錄器中記錄的過(guò)載量，炮彈在膛內(nèi)時(shí)平均過(guò)載量為8 000 gn，過(guò)載量峰值為16 000 gn;炮彈撞擊混凝土靶后，著靶行程2.1 m，峰值過(guò)載大于235 510 gn，平均過(guò)載值約19 000 gn。

實(shí)驗(yàn)后，10 塊電路板上的硅振蕩器均未發(fā)生損壞;用示波器測(cè)量各振蕩器輸出波形，波形正常，與實(shí)驗(yàn)前比沒有變化。實(shí)驗(yàn)后06 號(hào)硅振蕩器輸出波形如圖3(b)所示。

圖3 06 號(hào)振蕩器錘擊實(shí)驗(yàn)前后輸出信號(hào)波形

3 結(jié)論

LTC6909I 型硅振蕩器的輸出時(shí)鐘信號(hào)頻率不受高過(guò)載環(huán)境的影響，反復(fù)的高過(guò)載實(shí)驗(yàn)不會(huì)使其產(chǎn)生頻率漂移。硅振蕩器能夠承受高過(guò)載環(huán)境的考驗(yàn)，工程上可以替代石英晶體振蕩器為系統(tǒng)提供時(shí)鐘脈沖信號(hào)。

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