石英晶体谐振器负载谐振频率测量技术研究

　　石英晶体谐振器(以下简称石英晶体)具有频率稳定度高、Q值高、成本低的特点,广泛应用于时间频率基准和为时序逻辑电路提供同步脉冲。随着电子 信息技术及产业的飞速发展,尤其是数字电子技术的广泛应用,石英晶体元器件的市场需求量快速增长,同时对其性能的要求向高频率和高精度的方向发展,因而对 其谐振频率及其它电参数的检测技术提出了更高的要求[1]。石英晶体在实际使用中,经常工作于负载谐振状态。由于负载电容的存在,石英晶体负载谐振频率测 量精度的提高存在固有的困难。

　　π网络零相位法是国际电工委员会(IEC)推荐的石英晶体参数标准测试方法。目前发达国家主要使用π网络零相位法测试石英晶体电参数。我国已经 是一个石英晶体生产大国,但符合IEC标准的石英晶体参数测试仪器还依赖进口,国内没有同类型替代产品,也未见国内对此技术的研究成果报导。本论文分析了 π网络零相位法测量石英晶体负载谐振频率的3种测量方法,在此基础上,采用内置固定负载电容和电容计设计了π网络零相位型石英晶体电参数测试系统。实验结 果表明,负载谐振频率重复测量精度达到了。

　　1　石英晶体加上负载电容的电参模型

　　石英晶体与一个电抗(通常为电容,称为负载电容)串联得到负载谐振频率。图1为石英晶体与负载电容串联的等效电参模型。

　　图1中,C0为静电容,C1为动电容,L1为动电感,Rr为串联谐振电阻,CL为负载电容。整个阻抗Z可表示为:

　　式(1)中:

　　负载谐振时,石英晶体和CL的合成阻抗呈纯电阻,即:X=0

　　经简单推导,得到负载谐振频率ωL为:

　　式(2)中:为石英晶体谐振角频率。

　　2　石英晶体负载谐振频率测量方法分析[2]

　　2.1　计算法

　　计算法测量负载谐振频率是通过使用所测量的动态参数(静电容C0,动电容C1)及串联谐振频率代入式(2)来计算负载谐振频率,不需要挂接实体负载电容。

　　2.2　实体负载电容法

　　实体负载电容测量模式挂接实际负载电容来进行测量。使用该模式,需使负载电容与石英晶体串联。测量方法与测量串联谐振频率的方法相同,即不断改 变信号发生器输出的交流电压信号的频率,同时检测π网络两端电压信号的相位差,当石英晶体处于负载谐振状态,π网络两端信号的相位差为零,此时输入到π网 络的信号的频率即为石英晶体的负载谐振频率。

　　2.3　模拟测量法

　　模拟测量法首先测量串联谐振频率和动态参数,测量方法与计算法相同。根据这些参数代入式(2),可得到一个参考的负载谐振频率,然后把信号发生 器输出信号的频率调节到这个频率点上,对石英晶体进行阻抗测量。不断改变输出信号的频率,当测得的阻抗值与理论负载谐振电阻值相等时,此时输入到π网络的 信号的频率即为石英晶体的负载谐振频率。公式(3)给出了理论负载谐振电阻RL的计算式: