實(shí)際電容法石英晶體諧振器負載諧振頻率測量技術(shù)研究

1 引言

石英晶體諧振器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)石英晶體)是信息產(chǎn)業(yè)中關(guān)鍵的頻率電子元器件之一，廣泛應用于通信技術(shù)、測量技術(shù)和計算機技術(shù)等領(lǐng)域，它可為各種應用提供精確定時(shí)或時(shí)鐘基準信號。由于石英晶體具有頻率穩定性好、品質(zhì)因數高和成本低等特點(diǎn)，因而廣泛用作時(shí)間頻率基準和為時(shí)序邏輯電路提供同步脈沖。隨著(zhù)計算機、微電子等行業(yè)的飛速發(fā)展，對石英晶體元器件的性能提出了更高的要求，主要表現在諧振頻率向更高方向發(fā)展、諧振頻率精度要求提高、激勵功率更低等。[2]

根據石英晶體在實(shí)際應用中經(jīng)常串聯(lián)一負載電容作為一個(gè)整體的頻率器件的現狀,本論文對實(shí)際電容法石英晶體負載諧振頻率的測量進(jìn)行了研究。π網(wǎng)絡(luò )零相位法是國際電工委員會(huì )(IEC)推薦的測試石英晶體參數的標準方法。本論文介紹了π網(wǎng)絡(luò )零相位法測量石英晶體負載諧振頻率的原理，分析了石英晶體夾具所帶來(lái)的雜散電容的影響并以美國SA公司的π網(wǎng)絡(luò )石英晶體測試系統為標準計算出雜散電容值，在后續測量中以此值進(jìn)行校準，使測量結果達到了更高的精度。負載諧振頻率的測量方法主要有以下三種：

計算法：

首先測試出串聯(lián)諧振電阻FR、靜電容C0和動(dòng)電容C1的值，然后根據公式計算出FL的值，由于C0和C1的測試精度遠低于FR的測試精度，所以計算法測出的FL的值精度較低。

模擬測試法：

該方法首先測試串聯(lián)諧振頻率和動(dòng)態(tài)參數并利用這些參數值計算出負載諧振頻率，然后將信號源的輸出信號頻率調整為該頻率并在該頻率點(diǎn)上測試石英晶體的阻抗，根據計算出的在該頻率點(diǎn)上石英晶體的阻抗和實(shí)際測試阻抗之間的差異來(lái)線(xiàn)性調節信號源輸出信號的頻率，當兩個(gè)阻抗值相等時(shí)信號源的輸出信號頻率即為石英晶體的負載諧振頻率。

實(shí)際電容法：

實(shí)際電容法是將一個(gè)實(shí)際負載電容與石英晶體串聯(lián)后插入π網(wǎng)絡(luò )的夾具中，然后不斷改變輸入π網(wǎng)絡(luò )的激勵信號的頻率，并檢測兩端的相位差，當石英晶體處于負載諧振狀態(tài)時(shí)，π網(wǎng)絡(luò )兩端相位差為零，此時(shí)的頻率即為負載諧振頻率。當實(shí)際負載電容加于π網(wǎng)絡(luò )時(shí)，石英晶體和負載電容之間的連接點(diǎn)成為高阻抗點(diǎn)，夾具的雜散項對測試結果有重大影響，本論文對這一影響做出了分析。

2 π網(wǎng)絡(luò )法石英晶體測量原理

2.1 π網(wǎng)絡(luò )法測量原理

π網(wǎng)絡(luò )法測量石英晶體電參數原理圖如圖1所示：[3]

圖1 π網(wǎng)絡(luò )原理圖

VA是輸入的激勵信號，VB是經(jīng)過(guò)π網(wǎng)絡(luò )后的輸出信號，根據石英晶體工作于諧振頻率時(shí)呈現純阻性，所以通過(guò)改變輸入信號VA的頻率并測量VA與VB的的相位差，當相位差為零時(shí)，此時(shí)的頻率即為石英晶體的串聯(lián)諧振頻率(FR)，如果晶體串聯(lián)一個(gè)電容，則測得的頻率就是石英晶體的負載諧振頻率(FL)。

2.2 石英晶體電參數模型

石英晶體的等效電參數模型如圖2所示：

圖2 石英晶體串聯(lián)負載電容后等效電路

其中，C0稱(chēng)為石英晶體的靜電容，由石英晶體兩端所鍍金屬膜產(chǎn)生，它表征了石英晶體的靜態(tài)特性,典型值為1pF～10pF。C1稱(chēng)為動(dòng)電容，典型值為10-1 pF～10-4pF，L1稱(chēng)為動(dòng)電感，典型值在10-5H(低頻石英晶體)到10-3H(高頻石英晶體)內。

由該圖可得串聯(lián)負載電容后石英晶體的阻抗如下式：

由以上公式可以看到，通過(guò)一組已知的負載電容CL和對應的負載諧振頻率FL，那么任意給出一個(gè)負載電容CP，由公式(5)就可以得到其對應的負載諧振頻率FP，同樣任意給出一個(gè)諧振頻率值FP，由公式(6)就可以得到其對應的負載電容CP。

2.3 實(shí)際電路中雜散電容的計算

在實(shí)際的π網(wǎng)絡(luò )電路中，石英晶體插在一個(gè)導電夾具上進(jìn)行測量。該夾具存在著(zhù)分布參數，給測試電路帶來(lái)了雜散項。這些雜散項對測試有比較大的影響，當石英晶體和負載電容串聯(lián)后接入π網(wǎng)絡(luò )時(shí)，這些影響已不能忽視，設夾具所帶來(lái)的雜散電容為CX，按以下步驟測量：

首先以250B為標準測得負載電容為CL時(shí)對應的負載諧振頻率FL,然后在本測試系統中相同負載電容測得負載諧振頻率為FP，將FL、CL、FP代入公式(6)(FR和C0可以測量得到)得到負載電容值CP，此時(shí)由于雜散電容的存在，可得：

CP=CL+CX (7)

這樣就求得了雜散電容值CX。

2.4 負載諧振頻率的測量

設要測量負載電容值為CL下的負載諧振頻率，由公式(7)可知，在實(shí)際電路中石英晶體應串聯(lián)的電容值為CL – CX,此時(shí)測量得到的頻率即負載諧振頻率FL。

3 測試系統設計

石英晶體負載諧振頻率測試系統硬件框圖如圖3所示：

圖3 石英晶體負載諧振頻率測試系統框圖

計算機通過(guò)接口電路控制信號源在石英晶體的諧振頻率點(diǎn)附近發(fā)出連續變化的頻率信號，信號通過(guò)插有石英晶體及負載電容的測試π網(wǎng)絡(luò )，在頻率掃描的過(guò)程中不斷檢測π網(wǎng)絡(luò )兩端信號的相位差，鑒相電路的作用就是輸出一個(gè)與輸入相位差成反比的電壓信號，這樣計算機讀取A/D電路轉換后的值并確定最大值所對應的信號的頻率，即為要測的石英晶體的負載諧振頻率。[4]

4 實(shí)驗數據

采用本方案，選取負載電容CL值為30pF,以標稱(chēng)頻率為16.9344 MHz的晶體進(jìn)行計算，得到夾具所造成的雜散電容CX值為2.89 pF，測得一組實(shí)驗數據如下表：

表1 測試數據分析

5結論

應用實(shí)際電容法測量石英晶體的負載諧振頻率，并以美國SA公司的π網(wǎng)絡(luò )石英晶體測試系統為標準，算出石英晶體夾具所造成的雜散電容，進(jìn)行校準，使得重復測量精度達到±2ppm。

參考文獻

[1] Dwane Rose, Load Resonant Measurements Of Quartz Crystal. Proceedings Of The Annual Frequency Control Symposium. 1991. P.191-200.

[2] 魯恭誠 劉桂禮 李東等.石英晶體諧振器負載諧振頻率測量技術(shù)研究. 北京機械工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2004,19(1):81-84.

[3] 李東,劉桂禮,趙雙琦.石英晶體諧振器負載諧振參數測量方法的改進(jìn)[J].北京機械工業(yè)學(xué)院學(xué)報,1998,13(4):18-21.

[4] 楊蒙生,劉桂禮,李東,等.石英晶體靜電容測量方法的研究與實(shí)現[J].微計算機信息,2007,23(8-2):212-213,154.

[5] 張毅剛,付平,王麗. 采用數字相關(guān)法測試相位差. 計量學(xué)報, 2000,7:216-221.

[6] 李剛，劉桂禮，李東,等. π網(wǎng)絡(luò )法測試石英晶片方法及系統設計. 北京機械工業(yè)學(xué)院學(xué)報, 2002,9:15-18.