基于π網(wǎng)絡(luò )零相位法的測量石英晶體靜電容方案設計

　　3.1 測試系統硬件設計

　　測試系統硬件框圖如圖4所示：

　　測試系統硬件由計算機、CPLD芯片、DDS信號源、π網(wǎng)絡(luò )、幅相檢測模塊和A/D轉換器組成。其中， CPLD、DDS、幅相檢測模塊和A/D轉換器集成在一塊PCI擴展板上。作為控制核心的計算機通過(guò)PCI接口發(fā)出的地址和數據信號由CPLD芯片轉換為相應的控制邏輯控制DDS、幅相檢測模塊和A/D轉換器工作。DDS信號源發(fā)出設定頻率、相位和幅值的信號激勵π網(wǎng)絡(luò )。π網(wǎng)絡(luò )上帶有插座，可插入晶體或電阻、電容等元器件。π網(wǎng)絡(luò )輸出的矢量電壓信號Vb接入幅相檢測模塊。幅相檢測模塊的輸出直流電壓輸入A/D轉換器，轉換為數字信號后經(jīng)CPLD輸入計算機。

　　3.2 測試系統軟件設計

　　測試軟件采用Visual C＋＋語(yǔ)言編寫(xiě)，實(shí)現人機交互界面、測量控制和數據處理的功能。測量控制包括對DDS各通道頻率、相位和幅度控制字的設置，以及對A/D轉換器內部指令寄存器的寫(xiě)入和轉換結果的讀取。數據處理部分主要是對已轉換為數字量的幅相檢測模塊的輸出直流電壓進(jìn)行計算，由前述關(guān)系得出靜電容的值。由于在實(shí)際測量條件下， 該直流電壓與Vb之間并不是嚴格的對數線(xiàn)性關(guān)系，所以需要對這一函數關(guān)系進(jìn)行擬合，根據擬合后的關(guān)系，可由直流電壓值計算出Vb，然后按照前面所列方程，得到靜電容C0的值。

　　4． 實(shí)驗數據與處理

　　以SA公司的250B作為標準儀器，將采用本方案所測得的C0值與250B的測量結果進(jìn)行比對，檢驗測量精度是否滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)要求。在工業(yè)生產(chǎn)中，要求石英晶體靜電容的測量范圍為1～10pF，測量誤差小于0.1pF。實(shí)驗數據如表1所示：

　　5．結論

　　在π網(wǎng)絡(luò )零相位法的基礎上，采用了“DDS激勵、π網(wǎng)絡(luò )響應、幅相檢測計算容抗”的方法測量石英晶體的靜電容，并由此設計制作了實(shí)驗測量系統來(lái)實(shí)現該方案。該方法把測量石英晶體的靜電容和諧振頻率統一起來(lái)，簡(jiǎn)化了測量電路。通過(guò)實(shí)際測量一批晶體和小電容，證明在1～10pF范圍內測量誤差小于0.1pF,能滿(mǎn)足實(shí)際要求，可以在此基礎上開(kāi)發(fā)實(shí)際的石英晶體中間測試系統。