零相位法石英晶片测试仪设计与实现

　　石英晶体谐振器(以下简称石英晶体)是现代电子技术领域中的基础元件之一。它广泛应用于通信、测量、计算机和石英钟表制作等技术领域，为之提供时钟基准信号。在当今信息产业的推动下，石英晶体的市场需求量迅速增长。石英晶片是石英晶体在镀膜和封装前的半成品，是晶体振子的核心，在生产上要求对石英晶片的谐振频率、谐振电阻等参数进行全检，并且主要以石英晶片的谐振频率为标准来判断其是否合格，合格的晶片需要依据频率的不同分成若干档。

　　随着石英晶体的广泛应用，研制对石英晶片参数进行批量、快速测量的仪器成为迫切的需要。石英晶片的测量方法主要有振荡器法、阻抗计法、最大传输法、π网络零相位法，其中π网络零相位法是国际电工委员会(IEC)规定的标准方法，该方法也被我国电子行业选用为标准方法。国内目前主要采用振荡器法和阻抗计法的测试石英晶片，与π网络零相位法测量仪器相比，具有测量频率范围窄，精度低等不足之处。国外普遍采用π网络零相位法测量石英晶片，研制基于π网络零相位法的测试仪器将具有十分重要的意义。

　　近年来，国内开始较多地使用石英晶片自动分选机，但普通的石英晶片测试仪以其使用方便、灵活，成本较低等特点，仍得到最广泛的应用。

　　1 零相位法石英晶片的测试原理

　　1.1 石英晶片的电参数模型

　　如果把交变电压施加于石英晶片的两个电极之间，当交变电压的频率与石英晶片固有振动频率一致时，通过逆压电效应，石英晶片便产生机械振动。同时又通过正压电效应而输出电信号。石英晶片呈纯阻性，两极间的相位差为零，而且阻抗最小。此时外加信号的频率就称为串联谐振频率，此时的等效电阻就称为串联谐振电阻。根据石英晶片的振动特性与电信号的关系，图1为石英晶片的电路符号，其等效电路如图2，其中Rr为谐振电阻，L1为等效电感，C1为等效电容。晶片发生谐振时的谐振频率Fr为：

　　1.2 零相位法的原理

　　零相位法的测量原理如图3所示。

　　图中Y1为被测石英晶片，它与两个低阻值电阻Rt组成一个“π”形网络。

　　测量时，在π网络一端输入一个交流信号uA，由跨接于π网络两端的相位计测量石英晶片两端的相位差，不断改变uA的频率，一旦相位计的读数为零，π网络处于谐振状态，相位计指示的相位差为0，这时信号uA的频率即为石英晶片的串联谐振频率。此时的谐振电阻Rr计算公式如下：

　　2 零相位法石英晶片测试仪的设计